Luận văn thạc sĩ: Loại bỏ kháng sinh moxifloxacin bằng quang xúc tác hấp phụ - ĐH Khoa học Thái Nguyên

Nghiên cứu khả năng loại bỏ dư lượng kháng sinh moxifloxacin trong nước bằng vật liệu quang xúc tác hấp phụ compozit chitosan, Fe3O4 và ZnO hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Nhật Phương
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Minh Quý
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng loại bỏ dư lượng kháng sinh moxifloxacin trong nước bằng vật liệu quang xúc tác hấp phụ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về loại bỏ kháng sinh moxifloxacin tại ĐH Thái Nguyên

Đề tài nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên tập trung giải quyết dư lượng kháng sinh moxifloxacin trong nguồn nước. Moxifloxacin thuộc nhóm fluoroquinolone thế hệ thứ tư. Hợp chất này có phổ kháng khuẩn rộng và cấu trúc dị vòng bền vững. Việc lạm dụng dược phẩm dẫn đến sự tích tụ kháng sinh trong nguồn nước sinh hoạt. Các phương pháp xử lý truyền thống thường khó phá vỡ liên kết vòng thơm của moxifloxacin. Do đó, nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu compozit đa chức năng kết hợp giữa ZnO, Fe3O4 và chitosan. Vật liệu này tích hợp đồng thời cơ chế hấp phụ và xúc tác quang hóa. Hạt Fe3O4 tạo đặc tính từ tính giúp thu hồi vật liệu dễ dàng bằng nam châm. Chitosan đóng vai trò chất nền sinh học gia tăng diện tích tiếp xúc. Kẽm oxit kích thích phản ứng quang hóa khi có ánh sáng chiếu vào. Giải pháp này mở ra hướng tiếp cận mới trong công nghệ làm sạch nước thải y tế và sinh hoạt.

1.1. Đặc tính hóa lý của kháng sinh moxifloxacin

Moxifloxacin có công thức phân tử C21H24FN3O4 với khối lượng mol khoảng 401,43 g/mol. Kháng sinh này sở hữu khung quinoline chứa nhóm thế methoxy và nhóm pyrrolopyridine gắn kết bền vững. Cấu trúc hóa học phức tạp giúp moxifloxacin kháng cự mạnh mẽ trước sự phân hủy sinh học tự nhiên. Trong môi trường nước, phân tử moxifloxacin có thể tồn tại ở nhiều dạng ion hóa khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH. Dược chất này hòa tan tương đối tốt trong nước nhưng khó phân hủy bởi bùn hoạt tính thông thường. Khả năng kháng quang tự nhiên của moxifloxacin tương đối cao dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên. Khi tồn tại lâu dài, hợp chất sẽ thúc đẩy sự gia tăng của vi khuẩn kháng thuốc. Việc loại bỏ hoạt chất này đòi hỏi các tác nhân oxy hóa cực mạnh để cắt đứt các liên kết vòng bền vững.

1.2. Ý nghĩa đề tài nghiên cứu từ ĐH Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ tại Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên mang tính cấp thiết trong bảo vệ tài nguyên nước. Đề tài xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu compozit từ các tiền chất thân thiện môi trường. Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả phân hủy quang hóa kháng sinh moxifloxacin qua hệ xúc tác dị thể. Tác giả đã tận dụng chitosan chiết xuất từ vỏ giáp xác để nâng cao khả năng hấp phụ. Việc kết hợp hạt nano Fe3O4 mang lại khả năng phân tách pha từ tính nhanh chóng. Giải pháp này giúp khắc phục nhược điểm lắng lọc chậm chạp của bột ZnO nguyên bản. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các kỹ sư môi trường. Đề tài góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ xanh vào xử lý nước thải dược phẩm thực tế tại Việt Nam.

II. Phân tích thực trạng ô nhiễm moxifloxacin và thách thức xử lý

Sự xuất hiện của dư lượng kháng sinh trong nguồn nước ngọt tự nhiên đang trở thành mối đe dọa sinh thái toàn cầu. Nước thải từ bệnh viện, nhà máy dược và trang trại chăn nuôi thường chứa nồng độ moxifloxacin đáng kể. Kháng sinh này không thể phân hủy hoàn toàn trong các trạm xử lý sinh học truyền thống. Sự tồn tại dai dẳng của moxifloxacin dẫn đến hiện tượng vi khuẩn kháng kháng sinh ngày càng trầm trọng. Các loài thủy sinh chịu ảnh hưởng tiêu cực khi tiếp xúc liên tục với hoạt chất này. Nguồn nước mặt và nước ngầm bị đe dọa trực tiếp, làm giảm chất lượng nước sinh hoạt. Các phương pháp xử lý vật lý như lắng hay lọc cát chỉ chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng sang bùn thải. Phương pháp clo hóa có thể sinh ra các phụ phẩm độc hại hơn đối với sức khỏe con người. Trong khi đó, việc sử dụng riêng lẻ chất hấp phụ làm phát sinh chi phí tái sinh vật liệu rất lớn. Những hạn chế này đòi hỏi một cơ chế tích hợp vừa hấp phụ vừa phân hủy quang hóa hoàn toàn.

2.1. Nguy cơ tiềm ẩn từ dư lượng moxifloxacin trong nước

Moxifloxacin tích tụ trong môi trường nước tạo áp lực chọn lọc mạnh mẽ lên quần thể vi sinh vật. Tình trạng này kích thích các chủng vi khuẩn phát triển gen kháng thuốc nguy hiểm. Con người sử dụng nguồn nước nhiễm kháng sinh có nguy cơ đối mặt với sự suy giảm hiệu quả điều trị y tế. Độc tính mạn tính của moxifloxacin còn ức chế sự sinh trưởng của các loài tảo và vi sinh vật có lợi. Chuỗi thức ăn thủy sản bị nhiễm bẩn gián tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Khả năng tích lũy sinh học của hợp chất này gây xáo trộn cân bằng sinh thái thủy vực. Thêm vào đó, việc phát hiện moxifloxacin ở nồng độ vết đòi hỏi thiết bị phân tích hiện đại và tốn kém. Việc xử lý triệt để kháng sinh ngay tại nguồn thải là yêu cầu bắt buộc và cấp thiết.

2.2. Hạn chế của các công nghệ xử lý thông thường

Các hệ thống xử lý nước thải sinh học bùn hoạt tính truyền thống không thể khoáng hóa hoàn toàn moxifloxacin. Cấu trúc fluoroquinolone có tính ức chế men vi sinh vật gây suy giảm hiệu quả của bể sinh học. Phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính chỉ lưu giữ chất ô nhiễm mà không tiêu hủy tận gốc. Than hoạt tính sau bão hòa đòi hỏi chi phí hoàn nguyên cao hoặc tạo ra chất thải rắn nguy hại. Quá trình ozone hóa nâng cao tiêu tốn điện năng lớn và có thể tạo ra sản phẩm phụ độc tính cao. Xử lý quang xúc tác đơn thuần bằng nano ZnO nguyên chất lại gặp khó khăn trong khâu thu hồi bột xúc tác. Hạt xúc tác mịn dễ bị trôi theo dòng nước gây thất thoát và ô nhiễm thứ cấp. Do đó, việc cải tiến vật liệu quang xúc tác hấp phụ là hướng đi tất yếu.

III. Giải pháp quang xúc tác hấp phụ xử lý moxifloxacin hiệu quả cao

Nghiên cứu của ĐH Thái Nguyên đã phát triển thành công vật liệu compozit ZnO/Fe3O4/Chitosan kết hợp cơ chế quang xúc tác hấp phụ. Quá trình xử lý diễn ra theo hai giai đoạn tương hỗ nhịp nhàng. Đầu tiên, chất nền chitosan đóng vai trò gom tụ các phân tử moxifloxacin lên bề mặt vật liệu nhờ liên kết hydro và tương tác tĩnh điện. Quá trình hấp phụ nhanh chóng làm giảm nồng độ kháng sinh tự do trong pha lỏng. Tiếp theo, dưới tác động của bức xạ ánh sáng, kẽm oxit ZnO hấp thụ photon và sản sinh các cặp điện tử - lỗ trống. Các gốc tự do oxy hóa mạnh như hydroxyl và superoxide được sinh ra trên bề mặt xúc tác. Những gốc oxy hóa hoạt động này tấn công liên tục vào cấu trúc mạch vòng moxifloxacin đã bị giữ lại trên chitosan. Kết quả là phân tử kháng sinh bị bẻ gãy hoàn toàn thành các chất vô cơ đơn giản. Sự có mặt của hạt oxit sắt từ Fe3O4 giúp tách vật liệu ra khỏi nước bằng từ trường ngoài trong vài chục giây.

3.1. Cơ chế tổng hợp và cấu trúc vật liệu compozit

Quy trình tổng hợp compozit được tiến hành qua các bước kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ và tỷ lệ hóa chất. Hạt nano Fe3O4 được tạo ra bằng phương pháp đồng kết tủa muối sắt trong môi trường kiềm. Hạt ZnO được gắn kết chặt chẽ trên nền polyme sinh học chitosan nhằm ngăn chặn hiện tượng kết tụ hạt nano. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận độ kết tinh cao của từng pha thành phần trong mạng lưới cấu trúc. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy các hạt bán dẫn phân tán đồng đều trên màng chitosan xốp. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) làm rõ sự liên kết hóa học giữa nhóm chức amin của chitosan với kim loại. Sự kết hợp cấu trúc này tối ưu hóa độ xốp và tạo nhiều tâm hoạt tính bề mặt thuận lợi cho phản ứng.

3.2. Hiệu suất phân hủy moxifloxacin dưới bức xạ quang

Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm cho thấy hiệu suất phân hủy moxifloxacin đạt trên 90% trong thời gian chiếu sáng hợp lý. Quá trình quang xúc tác tuân theo mô hình động học bậc một biểu kiến với hệ số tương quan rất cao. Độ pH môi trường đóng vai trò quyết định đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion của moxifloxacin. Môi trường pH trung tính từ 6 đến 8 tạo điều kiện tối ưu nhất cho sự tương tác giữa chất xúc tác và kháng sinh. Nồng độ vật liệu compozit tối ưu được xác định nhằm tránh hiện tượng cản quang trong dung dịch. Cường độ bức xạ ánh sáng càng mạnh thì tốc độ sinh gốc hydroxyl càng cao, thúc đẩy tốc độ phản ứng. Vật liệu giữ vững hiệu suất phân hủy ổn định sau nhiều chu kỳ tái sử dụng tuần hoàn.

IV. Kết luận và ứng dụng vật liệu quang xúc tác từ ĐH Thái Nguyên

Đề tài nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên đã khẳng định tính khả thi của vật liệu compozit trong xử lý moxifloxacin. Sự tích hợp cơ chế hấp phụ và quang xúc tác mang lại giải pháp làm sạch nước hiệu quả và bền vững. Vật liệu không chỉ phân hủy nhanh kháng sinh mà còn giải quyết triệt để vấn đề thu hồi chất xúc tác sau phản ứng. Việc ứng dụng nam châm vĩnh cửu giúp tách hạt compozit ra khỏi dung dịch chỉ trong thời gian ngắn mà không cần màng lọc phức tạp. Điều này giúp giảm thiểu chi phí vận hành và hạn chế tối đa rác thải thứ cấp vào môi trường. Công nghệ chế tạo vật liệu sử dụng nguồn chitosan giá thành thấp từ phế phụ phẩm thủy sản. Đây là ưu điểm lớn giúp giải pháp có tiềm năng ứng dụng công nghiệp rất cao. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng tại các hệ thống xử lý nước thải y tế và bệnh viện. Việc nhân rộng mô hình sẽ góp phần quan trọng vào nỗ lực kiểm soát tình trạng ô nhiễm dược phẩm tại Việt Nam.

4.1. Tiềm năng triển khai tại hệ thống xử lý nước thải y tế

Nước thải bệnh viện là nguồn phát thải chính chứa nồng độ moxifloxacin và kháng sinh fluoroquinolone rất cao. Hệ thống xử lý ứng dụng compozit từ tính có thể lắp đặt trực tiếp tại các bể phản ứng quang hóa cục bộ. Dòng nước sau khi qua bể lắng sẽ tiếp xúc với vật liệu compozit dưới giàn đèn chiếu sáng chuyên dụng. Quá trình oxy hóa diễn ra nhanh giúp triệt tiêu hoàn toàn hoạt tính kháng sinh trước khi xả ra nguồn tiếp nhận chung. Hệ thống nam châm thu hồi tự động hỗ trợ tuần hoàn vật liệu liên tục mà không gây tắc nghẽn đường ống. Mô hình này giúp các cơ sở y tế đạt quy chuẩn xả thải môi trường nghiêm ngặt. Việc áp dụng công nghệ còn ngăn chặn rủi ro phát tán vi khuẩn kháng thuốc vào cộng đồng dân cư xung quanh.

4.2. Định hướng hoàn thiện và mở rộng quy mô công nghệ

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung đánh giá hiệu quả xử lý vật liệu trên các mẫu nước thải thực tế phức tạp. Việc kiểm tra ảnh hưởng của các ion vô cơ và chất hữu cơ hòa tan sẽ giúp tối ưu hóa công thức chế tạo. Các nhà khoa học tại Đại học Thái Nguyên có thể tiếp tục cải biến vùng cấm bán dẫn để hấp thụ hiệu quả ánh sáng khả kiến. Thiết kế module phản ứng dòng chảy liên tục quy mô pilot là bước đệm cần thiết trước khi thương mại hóa sản phẩm. Nghiên cứu sâu hơn về các sản phẩm phân hủy trung gian cũng cần được chú trọng nhằm khẳng định độ an toàn sinh thái. Sự hợp tác giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp sẽ biến giải pháp khoa học này thành công nghệ môi trường phổ biến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thực trạng ô nhiễm dược phẩm, đặc biệt là dư lượng kháng sinh trong môi trường nước, đang trở thành thách thức sinh thái và y tế cộng đồng nghiêm trọng. Tại Việt Nam, các khảo sát thực địa đã ghi nhận sự xuất hiện của nhiều hợp chất kháng sinh với nồng độ đáng lo ngại, tiêu biểu như lincomycin đạt 24,9 ng/L và sulfamethoxazole đạt tới 66,6 ng/L trên lưu vực sông Cầu, hay tổng hàm lượng kháng sinh lên tới 255 ng/L trong các hồ đô thị tại Hà Nội. Trong số các chất kháng sinh nhóm fluoroquinolone phổ biến, Moxifloxacin được tiêu thụ rộng rãi nhưng lại có độ tan cao đạt 1146 mg/L ở 25 độ C và rất khó phân hủy sinh học bằng công nghệ bùn hoạt tính truyền thống. Sự tích tụ kéo dài của dư lượng này là căn nguyên trực tiếp làm gia tăng các chủng vi khuẩn kháng thuốc nguy hiểm. Nhằm giải quyết triệt để thách thức trên, luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu và chế tạo hệ vật liệu quang xúc tác hấp phụ ba thành phần gồm chitosan, oxit sắt từ và kẽm oxit để loại bỏ hoàn toàn Moxifloxacin ra khỏi môi trường nước. Đề tài được triển khai bằng chuỗi thực nghiệm chuyên sâu tại phòng thí nghiệm Khoa Hóa học thuộc Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên và hoàn thành vào năm 2023. Đóng góp nổi bật của công trình thể hiện qua việc phát triển thành công vật liệu tổ hợp giúp mở rộng diện tích bề mặt lên 59,18 m2/g, tăng gần 3 lần so với kẽm oxit nguyên bản, đồng thời đạt hiệu suất phân hủy Moxifloxacin lên đến 99,61% dưới bức xạ ánh sáng mặt trời tự nhiên. Kết quả này mở ra hướng đi bền vững và tiết kiệm chi phí cho công nghệ làm sạch nguồn nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết quang xúc tác bán dẫn dị thể và lý thuyết hấp phụ bề mặt. Theo cơ chế quang xúc tác, khi kẽm oxit hấp thụ các photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm, các cặp electron và lỗ trống quang hóa sẽ được hình thành để sinh ra gốc tự do hydroxyl có hoạt tính oxy hóa cực mạnh nhằm bẻ gãy mạch phân tử hữu cơ. Đồng thời, lý thuyết hấp phụ đa lớp Brunauer - Emmett - Teller cùng mô hình động học Langmuir - Hinshelwood được áp dụng để giải thích sự tích tụ chất ô nhiễm lên bề mặt rắn trước khi phản ứng phân hủy diễn ra. Mô hình nghiên cứu tích hợp ba thành phần chức năng: kẽm oxit đóng vai trò tâm xúc tác phân hủy quang hóa, hạt nano sắt từ tạo lõi siêu thuận từ giúp thu hồi vật liệu nhanh chóng, và ma trận chitosan sinh học cung cấp các nhóm chức amin và hydroxyl nhằm tăng khả năng bắt giữ phân tử kháng sinh. Ba khái niệm cốt lõi chi phối toàn bộ tiến trình gồm: xúc tác quang dị thể, điểm đẳng điện bề mặt với giá trị xác định là 6,5, và cấu trúc mao quản trung bình với kích thước lỗ xốp phân bố trong khoảng từ 2 đến 50 nm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua phương pháp lấy mẫu chủ đích có kiểm soát chặt chẽ trong phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 4 mức nồng độ Moxifloxacin ban đầu là 5,18 mg/L, 10,15 mg/L, 15,02 mg/L và 20,12 mg/L; kết hợp cùng 6 mức khối lượng chất xúc tác biến thiên từ 0,025 g đến 0,150 g trong thể tích dung dịch cố định 40 mL. Dải khảo sát ảnh hưởng của môi trường được thực hiện chi tiết trên 11 giá trị pH từ 1 đến 11, với 10 mốc thời gian lấy mẫu định kỳ từ 5 đến 150 phút. Phương pháp chọn mẫu chủ đích được áp dụng nhằm bao quát toàn diện các ngưỡng biến thiên thực tế của nước thải y tế và cô lập chính xác từng biến số ảnh hưởng. Kỹ thuật phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis được lựa chọn làm phương pháp định lượng chính vì Moxifloxacin hấp thụ rất mạnh ở vùng tử ngoại gần với bước sóng cực đại xác định tại 295 nm trong môi trường axit và 292 nm trong môi trường trung tính hoặc kiềm. Đường chuẩn phân tích thể hiện tính tuyến tính tuyệt đối với hệ số xác định R2 đạt 0,9999, đảm bảo độ nhạy cao, sai số thấp và tối ưu hóa chi phí. Toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm và phân tích đặc trưng hạt cỡ 10-15 nm được tiến hành liên tục từ năm 2022 đến giữa năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích hóa lý xác nhận vật liệu tổ hợp chitosan - oxit sắt từ - kẽm oxit ký hiệu là CMZ được tổng hợp thành công với kích thước hạt trung bình từ 10 đến 15 nm. Diện tích bề mặt riêng tính theo phương pháp BET của vật liệu đạt 59,18 m2/g, tăng vọt 2,99 lần so với kẽm oxit đơn thuần chỉ đạt 19,73 m2/g, trong khi thể tích lỗ xốp được duy trì ổn định ở mức 0,1422 cm3/g.

Thứ hai, thử nghiệm đối chứng chứng minh cơ chế phân hủy quang xúc tác vượt trội. Khi chỉ có ánh sáng mặt trời mà không có xúc tác, lượng kháng sinh tồn lưu sau 150 phút lên tới 98,26%, nghĩa là tỷ lệ tự phân hủy chỉ đạt 1,74%. Ngược lại, khi có mặt CMZ kết hợp chiếu sáng, nồng độ kháng sinh giảm sâu, đạt hiệu suất loại bỏ tới 99,61% tại nồng độ ban đầu 5,18 mg/L, lượng dư thừa chỉ còn 0,39%.

Thứ ba, điều kiện vận hành tối ưu được xác lập rõ ràng tại môi trường trung tính với pH bằng 7,0 và khối lượng chất xúc tác 0,100 g cho 40 mL dung dịch. Khi tăng khối lượng xúc tác vượt ngưỡng này lên 0,150 g, hiệu suất xử lý có xu hướng suy giảm nhẹ do các hạt rắn phân tán cản trở sự truyền dẫn ánh sáng.

Thứ tư, quá trình phân hủy tuân theo quy luật động học phản ứng bậc nhất Langmuir - Hinshelwood với hệ số tương quan R2 rất cao, đạt từ 0,986 đến 0,997. Hằng số tốc độ phản ứng tại nồng độ 5,18 mg/L đạt 0,032 phút-1, cao hơn gấp 5,3 lần so với chất xúc tác thương mại titan dioxit có hằng số tốc độ dưới 0,006 phút-1.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả phân hủy cao nhất tại pH bằng 7,0 được giải thích thông qua tương tác tĩnh điện giữa phân tử kháng sinh và bề mặt vật liệu. Moxifloxacin sở hữu hai hằng số phân ly axit pKa1 bằng 6,2 và pKa2 bằng 9,3, trong khi điểm đẳng điện của vật liệu CMZ đo được là 6,5. Tại pH bằng 7,0, phân tử kháng sinh tồn tại ở dạng lưỡng cực, dễ dàng bị hút bởi các tâm tích điện trên bề mặt vật liệu CMZ. Trái lại, ở các giá trị pH axit hoặc bazơ, sự xuất hiện lực đẩy tĩnh điện giữa các cấu tử cùng dấu làm giảm sút mật độ tiếp xúc. Về mặt công nghệ, từ độ bão hòa đạt 15,04 emu/g mang lại cho CMZ đặc tính siêu thuận từ, giúp tách pha triệt để bằng nam châm ngoài chỉ trong 30 giây, loại bỏ hoàn toàn nhược điểm lọc màng tốn kém.

Để tối ưu hóa việc phân tích, các phát hiện này được minh họa sinh động qua hệ thống biểu đồ và bảng số liệu khoa học. Cụ thể, các đường cong động học biểu diễn mối quan hệ giữa đại lượng logarit tự nhiên ln(Ct/C0) theo thời gian chiếu sáng minh chứng sự phù hợp của mô hình bậc nhất, biểu đồ cột so sánh hiệu suất quang phân theo dải pH giúp nhận diện trực quan điểm cực đại tại pH bằng 7,0, và đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ khử hấp phụ nitơ dạng vòng trễ H3 phản ánh rõ cấu trúc mao quản trung bình của hệ compozit.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao công nghệ vào thực tiễn:

Thứ nhất, triển khai mô hình tiền xử lý nước thải y tế giàu dư lượng kháng sinh tại chỗ. Chủ thể thực hiện là Bộ Y tế phối hợp cùng các bệnh viện chuyên khoa. Đơn vị cần lắp đặt hệ thống phản ứng quang xúc tác khép kín nhằm phân hủy triệt để trên 95% nồng độ Moxifloxacin trước khi xả thải, hoàn thành lộ trình thử nghiệm vào quý 4 năm 2026.

Thứ hai, mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu compozit từ phòng thí nghiệm lên quy mô pilot công nghiệp. Chủ thể thực hiện là Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng Đại học Thái Nguyên. Mục tiêu hành động là tối ưu hóa quy trình tổng hợp để đạt sản lượng 50 kg vật liệu cho mỗi mẻ sản xuất, giúp giảm giá thành tổng hợp khoảng 30% trong giai đoạn 2026 - 2027.

Thứ ba, thiết kế và chế tạo module phản ứng quang xúc tác dòng chảy liên tục tích hợp cơ cấu thu hồi từ tính tự động. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ môi trường. Thiết bị cần đảm bảo công suất xử lý đạt 50 m3 nước thải mỗi ngày đêm, đồng thời duy trì tỷ lệ thu hồi hạt xúc tác qua nam châm đạt trên 98% sau 10 chu kỳ tái sử dụng trước năm 2028.

Thứ tư, hoàn thiện khung pháp lý và ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn xả thải kháng sinh. Chủ thể thực hiện là Bộ Tài nguyên và Môi trường. Cơ quan quản lý cần xây dựng ngưỡng nồng độ phát thải Moxifloxacin tối đa dưới 1,0 microgam/L đối với các cơ sở y tế và nhà máy dược phẩm, bắt đầu kiểm tra định kỳ từ đầu năm 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn là tài liệu chuyên khảo giá trị cho bốn nhóm độc giả chuyên ngành:

Thứ nhất là các kỹ sư môi trường và chuyên viên vận hành hệ thống xử lý nước thải y tế. Nhóm đối tượng này có thể ứng dụng trực tiếp các thông số kỹ thuật tối ưu như nồng độ pH bằng 7,0 và hàm lượng xúc tác 2,5 g/L để nâng cấp các trạm xử lý hiện hữu, loại bỏ hơn 95% dư lượng dược phẩm độc hại.

Thứ hai là các nhà khoa học và chuyên gia nghiên cứu phát triển vật liệu nano. Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc kết hợp polyme tự nhiên chitosan với các oxit kim loại để gia tăng diện tích bề mặt lên 59,18 m2/g, làm tiền đề sáng tạo các thế hệ vật liệu lai quang xúc tác từ tính phục vụ xử lý ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy.

Thứ ba là học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Hóa phân tích, Kỹ thuật môi trường. Luận văn là hình mẫu thực tế về phương pháp phân tích trắc quang UV-Vis với độ tin cậy R2 đạt 0,9999, quy trình đo đạc điểm đẳng điện, xử lý dữ liệu nhiễu xạ tia X và thiết lập mô hình động học bậc nhất.

Thứ tư là các nhà hoạch định chính sách và cán bộ quản lý môi trường tại các khu công nghiệp dược. Dữ liệu khảo sát thực trạng dư lượng kháng sinh từ hàng chục ng/L đến hàng trăm microgam/L trong công trình sẽ cung cấp bằng chứng xác thực để ban hành các quy định kiểm soát nguồn thải chặt chẽ hơn.

Câu hỏi thường gặp

Vật liệu compozit CMZ có cấu trúc và thành phần đặc trưng như thế nào? Vật liệu CMZ được cấu tạo từ ba hợp phần gồm ma trận chitosan sinh học, nano Fe3O4 và kẽm oxit ZnO dạng tinh thể lục phương wurtzite. Kết quả phân tích hiển vi điện tử xác nhận vật liệu tồn tại ở dạng hạt hình cầu kích thước từ 10 đến 15 nm, cấu trúc mao quản trung bình với diện tích bề mặt riêng đạt 59,18 m2/g, cao gấp gần 3 lần so với kẽm oxit nguyên bản.

Tại sao quá trình phân hủy Moxifloxacin đạt hiệu quả cao nhất ở độ pH bằng 7? Kháng sinh Moxifloxacin có hai hằng số phân ly là pKa1 bằng 6,2 và pKa2 bằng 9,3, còn điểm đẳng điện của vật liệu CMZ là 6,5. Tại pH bằng 7,0, phân tử kháng sinh ở dạng lưỡng cực nên bị hút tĩnh điện mạnh bởi bề mặt xúc tác tích điện âm nhẹ. Ở môi trường quá axit hoặc quá kiềm, lực đẩy tĩnh điện giữa các phần tử cùng dấu làm giảm sút hiệu suất.

Đặc tính từ tính của vật liệu CMZ hỗ trợ quá trình xử lý nước ra sao? Vật liệu CMZ thể hiện tính siêu thuận từ với từ độ bão hòa đạt 15,04 emu/g và đường cong từ trễ đi qua gốc tọa độ. Đặc tính này cho phép người vận hành thu hồi trên 95% lượng chất xúc tác ra khỏi dung dịch chỉ bằng nam châm ngoài trong vòng 30 giây, loại bỏ triệt để rủi ro phát tán hạt nano và tiết kiệm tối đa chi phí tách lọc.

Mô hình động học nào mô tả chính xác tốc độ phân hủy kháng sinh của CMZ? Quá trình phân hủy Moxifloxacin tuân theo mô hình động học dị thể bậc nhất Langmuir - Hinshelwood với hệ số tương quan R2 đạt từ 0,986 đến 0,997. Ở nồng độ ban đầu 5,18 mg/L, hằng số tốc độ phân hủy k đạt 0,032 phút-1, vượt trội gấp 5,3 lần so với chất quang xúc tác thương mại TiO2/T25 vốn có hằng số tốc độ dưới 0,006 phút-1.

So với việc chỉ sử dụng kẽm oxit đơn thuần, hệ compozit CMZ mang lại ưu điểm gì? Kẽm oxit nguyên bản dễ tái tổ hợp electron - lỗ trống, diện tích bề mặt chỉ 19,73 m2/g và khó thu hồi. Việc tích hợp chitosan và Fe3O4 giúp diện tích bề mặt tăng lên 59,18 m2/g, tăng số tâm hấp phụ, nâng hiệu suất phân hủy quang xúc tác lên 99,61% và cho phép tái sử dụng bền vững nhờ lực từ trường.

Kết luận

Năm đóng góp và kết quả cốt lõi của công trình nghiên cứu bao gồm:

• Chế tạo thành công vật liệu compozit ba thành phần chitosan - Fe3O4 - ZnO dạng hạt nano 10-15 nm có cấu trúc mao quản trung bình với diện tích bề mặt riêng đạt 59,18 m2/g.
• Xây dựng phương pháp định lượng Moxifloxacin bằng quang phổ hấp thụ UV-Vis với độ chính xác cao, hệ số tương quan R2 đạt 0,9999 tại bước sóng 295 nm và 292 nm.
• Xác lập hiệu suất phân hủy quang xúc tác vượt trội lên đến 99,61% tại nồng độ kháng sinh 5,18 mg/L dưới ánh sáng mặt trời trong thời gian 150 phút.
• Chứng minh phản ứng tuân theo động học bậc nhất Langmuir - Hinshelwood với hằng số tốc độ cao k đạt 0,032 phút-1 tại điều kiện pH tối ưu bằng 7,0.
• Khẳng định tính siêu thuận từ với từ độ bão hòa 15,04 emu/g, giúp thu hồi vật liệu nhanh chóng bằng nam châm và ngăn ngừa ô nhiễm thứ cấp.

Đóng góp của luận văn tạo lập cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu xanh trong kiểm soát ô nhiễm dược phẩm. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung hoàn thiện module xử lý thực tế trên nền nước thải bệnh viện trong giai đoạn 2026 - 2027. Hãy đón đọc và kết nối ngay với các nghiên cứu công nghệ môi trường để cùng triển khai những giải pháp xử lý nước bền vững cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Thuốc kháng sinh là một phát minh vĩ đại của nhân loại. Nhờ có kháng sinh, con ngƣời đã thoát khỏi nhiều bệnh hiểm nghèo. Tuy nhiên, vì xem kháng sinh là thần dƣợc nên con ngƣời đã lạm dụng và sử dụng kháng sinh quá nhiều dẫn đến hiện tƣợng kháng kháng sinh. Một trong những nguyên nhân gây nên hiện tƣợng kháng kháng sinh là do dƣ lƣợng kháng sinh tồn tại trong nƣớc.

Moxifloxacin là thuốc kháng sinh thuộc nhóm fluoroquinolone đƣợc sử dung rộng rãi trong ngành dƣợc. Giống nhƣ các floroquinolone khác, moxifloxacin có tác dụng diệt khuẩn với cả vi khuẩn gram dƣơng và gram âm. Moxifloxacin cũng đƣợc tìm thấy nhiều trong môi trƣờng nƣớc. Ngày nay, kháng sinh đang đƣợc xếp vào loại các chất ô nhiễm mới trong môi trƣờng.

Do vậy cần phải loại bỏ kháng sinh ra khỏi môi trƣờng nƣớc. Có nhiều công nghệ đã đƣợc nghiên cứu sử dụng để loại bỏ chất kháng sinh nhƣ phƣơng pháp vật lý, sinh học, oxi hóa nâng cao, điện hóa, hấp phụ và phân hủy quang hóa. Trong số đó, phƣơng pháp hấp phụ và phân hủy quang hóa đã đƣợc nghiên cứu áp dụng nhiều hơn cả để xử lý dƣ lƣợng kháng sinh trong nƣớc. Đây là phƣơng pháp có chi phí thấp, quy trình đơn giản, không gây ô nhiễm thƣ cấp, có thể thu hồi và tái sử dụng vật liệu sau khi xử lý.

Tuy nhiên việc lựa chọn vật liệu quang xúc tác vẫn đƣợc các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc quan tâm nghiên cứu. Trong những năm gần đây chitosan và các dẫn xuất của nó đã thu hút đƣợc sự quan tâm đáng kể của các nhà khoa học. Chitosan đƣợc coi nhƣ chất hấp phụ sinh học hoạt tính cao để loại bỏ các chất ô nhiễm dƣợc phẩm từ môi trƣờng nƣớc. Chitosan sở hữu những đặc điểm đặc biệt bao gồm khả năng phân hủy sinh học, tính tƣơng thích sinh học, tính ƣa nƣớc, không độc hại với môi trƣờng, hoạt động kháng khuẩn tốt, rẻ tiền.

Tuy nhiên, chitosan dễ hình thành chất keo trong nƣớc, bị phân huỷ do tác động hoá học, độ bền cơ học thấp và bị phân ly trong môi trƣờng axit. Do đó, để khắc phục những hạn chế này, 1 chitosan thƣờng đƣợc kết hợp với các hạt nano oxit kim loại. Kẽm oxit (ZnO) là oxit kim loại thƣờng đƣợc sử dụng là chất phân hủy quang hóa bởi ZnO không có độc tính, có tính tƣơng thích sinh học, hoạt động kháng khuẩn mạnh, có diện tích bề mặt cao, có hoạt tính quang xúc tác, khả năng hấp phụ, thân thiện với môi trƣờng và ổn định về mặt hóa học. Sắt từ oxit (Fe3O4) là một trong những các hạt nano siêu thuận từ thƣờng đƣợc sử dụng làm lõi từ trong chất hấp phụ bởi các đặc tính đáng chú ý của nó nhƣ diện tích bề mặt cao, khả năng tƣơng thích sinh học, khả năng phản ứng từ tính và tính ổn định hóa học.

Fe3O4 thƣờng đƣợc sử dụng trong việc thu hồi và tái sinh vật liệu. Do vậy việc kết hợp chitosan, ZnO và Fe3O4 nhằm tạo thành một vật liệu kết hợp cả 3 tính chất hấp phụ - phân hủy quang xúc tác - từ tính, ứng dụng trong việc loại bỏ dƣ lƣợng kháng sinh moxifloxacin ra khỏi môi trƣờng nƣớc có ý nghĩa cả về mặt khoa học và thực tiễn. Xuất phát từ vấn đề nêu trên, chúng tôi lựa chọn và nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng loại bỏ dư lượng kháng sinh moxifloxacin trong nước bằng vật liệu quang xúc tác hấp phụ” Mục tiêu của đề tài Khảo sát khả năng loại bỏ dƣ lƣợng kháng sinh moxifloxacin ra khỏi nƣớc bằng vật liệu quang xúc tác hấp phụ 3 thành phần chitosan - Fe3O4 - ZnO.