Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do tồn dư kháng sinh là một trong những thách thức môi trường nghiêm trọng hiện nay, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, lượng kháng sinh sử dụng toàn cầu trong chăn nuôi lên đến khoảng 100.000 tấn mỗi năm, trong đó nhóm sulfonamides như sulfamethoxazole (SMX) được sử dụng phổ biến. SMX tồn tại trong môi trường nước gây ra sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, làm gia tăng nguy cơ lây lan các gen kháng kháng sinh (ARG) và đe dọa sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu giàu bismuth oxyiodine (BixOyIz) và composite BixOyIz/MoS2 nhằm phân hủy hiệu quả kháng sinh SMX trong dung dịch nước. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa nhiệt độ nung để chuyển đổi pha tinh thể BiOI thành các pha giàu bismuth có hoạt tính cao, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ MoS2 trong composite đến hiệu suất phân hủy. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM trong khoảng thời gian từ tháng 9/2023 đến tháng 6/2024.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, có khả năng phân hủy nhanh các kháng sinh khó phân hủy như SMX, góp phần giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước và hạn chế sự phát triển vi khuẩn kháng thuốc. Các chỉ số hiệu suất như diện tích bề mặt riêng đạt 42,067 m²/g cho composite 5%MoS2/BixOyIz, cao hơn 1,37 lần so với vật liệu Bi425 (30,697 m²/g), cùng hiệu suất phân hủy SMX vượt trội được ghi nhận trong nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình quang xúc tác dị thể, đặc biệt là cơ chế S-Scheme trong xúc tác quang. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Cơ chế quang xúc tác S-Scheme: Mô hình này giải thích sự phân tách hiệu quả các cặp electron - lỗ trống (e⁻ - h⁺) trong hệ dị thể, giúp giữ lại các điện tích có khả năng oxy hóa và khử mạnh mẽ, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm. Điện trường nội bộ (internal electric field - IEF) tại giao diện hai bán dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển dịch điện tích và ngăn chặn tái tổ hợp.

  • Lý thuyết về vật liệu giàu bismuth BixOyIz: Vật liệu này có cấu trúc phân lớp đặc biệt, với tỉ lệ bismuth cao hơn so với BiOI truyền thống, tạo ra điện trường nội tại mạnh, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và phân tách điện tích. Sự chuyển đổi pha tinh thể BiOI thành các pha Bi4O5I2 và Bi5O7I qua quá trình nung giúp tăng cường hoạt tính quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác dị thể, điện trường nội bộ (IEF), gốc tự do quang hóa (•O2⁻, •OH, h⁺), và hiệu suất phân hủy kháng sinh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu vật liệu được điều chế trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp dung nhiệt kết hợp xử lý nhiệt. Cỡ mẫu gồm các vật liệu BiOI nung ở các nhiệt độ khác nhau (300-500 °C) và composite BixOyIz/MoS2 với tỉ lệ MoS2 từ 1% đến 10%. Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung và tỉ lệ MoS2 đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích cấu trúc pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Quan sát hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) và truyền qua (HR-TEM).
  • Đo diện tích bề mặt riêng và phân bố lỗ xốp bằng phương pháp hấp phụ - giải hấp N2 (BET).
  • Phổ khuếch tán phản xạ tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS) để xác định vùng hấp thụ ánh sáng.
  • Phổ quang phát quang (PL) và phổ trở kháng điện hóa (EIS) để đánh giá hiệu quả phân tách điện tích.
  • Thí nghiệm phân hủy kháng sinh SMX dưới chiếu xạ đèn Xenon 300W, khảo sát ảnh hưởng của liều lượng xúc tác, pH dung dịch và tỉ lệ MoS2.
  • Thí nghiệm bẫy gốc tự do để xác định vai trò các gốc •O2⁻, •OH và h⁺ trong quá trình phân hủy.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2023 đến tháng 6/2024, bao gồm các giai đoạn điều chế vật liệu, phân tích đặc trưng, đánh giá hoạt tính quang xúc tác và thảo luận kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến pha tinh thể và hiệu suất phân hủy SMX: Mẫu BiOI nung ở 425 °C (Bi425) tạo thành hỗn hợp dị thể Bi4O5I2/Bi5O7I với hiệu quả phân hủy SMX cao nhất, vượt trội so với BiOI ban đầu. Hiệu suất phân hủy SMX của Bi425 tăng khoảng 30% so với BiOI chưa nung.

  2. Tối ưu tỉ lệ MoS2 trong composite: Composite 5%MoS2/Bi4O5I2/Bi5O7I có diện tích bề mặt riêng lớn nhất (42,067 m²/g), cao hơn 1,37 lần so với Bi425 (30,697 m²/g). Hiệu suất phân hủy SMX của composite này cải thiện rõ rệt, tăng khoảng 25% so với Bi425 đơn thuần.

  3. Ảnh hưởng liều lượng xúc tác và pH dung dịch: Liều lượng xúc tác lý tưởng là 0,7 g/L, đạt hiệu suất phân hủy SMX tối ưu. pH ban đầu của dung dịch ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, với pH trung tính đến nhẹ kiềm cho kết quả tốt nhất, đạt hiệu suất phân hủy trên 90% trong vòng 120 phút.

  4. Vai trò các gốc tự do trong phản ứng quang xúc tác: Các gốc •O2⁻, •OH và h⁺ đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy SMX. Thí nghiệm bẫy gốc cho thấy sự giảm hiệu suất phân hủy khi các gốc này bị ức chế, minh chứng cho cơ chế quang xúc tác dựa trên sự tạo thành và tác động của các gốc oxy hóa mạnh.

  5. Khả năng phân hủy các chất hữu cơ khác: Hệ xúc tác 5%MoS2/Bi4O5I2/Bi5O7I còn thể hiện hiệu suất cao trong phân hủy các kháng sinh ciprofloxacin (CIP), tetracycline (TC) và chất màu methyl orange (MO), loại bỏ hoàn toàn trong thời gian chiếu xạ ngắn, dưới 90 phút.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả phân hủy SMX tăng lên rõ rệt khi BiOI được nung ở nhiệt độ 425 °C do sự chuyển pha thành hỗn hợp dị thể Bi4O5I2/Bi5O7I, tạo ra điện trường nội bộ mạnh giúp tăng cường phân tách điện tích và giảm tái tổ hợp e⁻ - h⁺. Việc kết hợp MoS2 tạo thành hệ dị thể S-Scheme MoS2/Bi4O5I2/Bi5O7I làm tăng diện tích bề mặt và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, đồng thời cải thiện khả năng chuyển giao điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu BiOI và các hệ dị thể dựa trên bismuth oxyhalides, kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của việc điều chỉnh pha tinh thể và cấu trúc composite để tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác. Các biểu đồ PL và EIS minh họa rõ sự giảm tái tổ hợp điện tử và tăng cường chuyển giao điện tích trong composite so với BiOI đơn thuần.

Ảnh hưởng của pH và liều lượng xúc tác phù hợp cũng phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, cho thấy điều kiện môi trường phản ứng cần được kiểm soát chặt chẽ để đạt hiệu quả tối ưu. Cơ chế phân hủy dựa trên các gốc tự do được xác nhận qua thí nghiệm bẫy gốc, phù hợp với mô hình S-Scheme và các cơ chế quang xúc tác hiện đại.

Khả năng phân hủy đa dạng các chất ô nhiễm hữu cơ khác nhau cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của hệ xúc tác composite trong xử lý nước thải chứa nhiều loại kháng sinh và chất hữu cơ độc hại.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất xúc tác composite 5%MoS2/BixOyIz quy mô pilot: Tăng cường nghiên cứu quy mô lớn để đánh giá hiệu quả phân hủy kháng sinh trong điều kiện thực tế, hướng đến ứng dụng xử lý nước thải bệnh viện và chăn nuôi trong vòng 12-18 tháng.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành hệ xúc tác: Kiểm soát pH dung dịch trong khoảng 6-8 và liều lượng xúc tác khoảng 0,7 g/L để đạt hiệu suất phân hủy cao nhất, giảm thiểu chi phí vận hành và tăng tuổi thọ xúc tác.

  3. Phát triển hệ thống quang xúc tác dị thể S-Scheme dựa trên vật liệu giàu bismuth kết hợp MoS2: Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các chất ô nhiễm hữu cơ khác như thuốc nhuộm, kim loại nặng, nhằm đa dạng hóa công nghệ xử lý nước thải trong 2-3 năm tới.

  4. Nâng cao độ bền và tái sử dụng xúc tác: Khuyến nghị nghiên cứu các phương pháp cải tiến cấu trúc vật liệu để tăng khả năng tái sử dụng, giảm thiểu hao hụt xúc tác trong quá trình vận hành dài hạn.

  5. Hợp tác với các đơn vị xử lý nước thải và cơ quan quản lý môi trường: Đẩy mạnh chuyển giao công nghệ và xây dựng tiêu chuẩn ứng dụng vật liệu quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm kháng sinh, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu quang xúc tác, phương pháp điều chế và đánh giá hoạt tính, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ xử lý nước thải: Tham khảo để ứng dụng vật liệu composite BixOyIz/MoS2 trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải chứa kháng sinh, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu ô nhiễm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Hiểu rõ tác động của kháng sinh trong môi trường nước và các giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm kiểm soát ô nhiễm, từ đó xây dựng chính sách phù hợp.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tận dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, đáp ứng nhu cầu thị trường xử lý nước thải hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu giàu bismuth BixOyIz có ưu điểm gì so với BiOI truyền thống?
    Vật liệu BixOyIz có tỉ lệ bismuth cao hơn, tạo ra điện trường nội bộ mạnh hơn, cải thiện khả năng phân tách điện tích và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác so với BiOI đơn thuần.

  2. Tại sao cần kết hợp MoS2 vào hệ xúc tác BixOyIz?
    MoS2 giúp tăng diện tích bề mặt, mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng và tạo thành hệ dị thể S-Scheme, thúc đẩy chuyển giao điện tích, giảm tái tổ hợp e⁻ - h⁺, nâng cao hiệu quả phân hủy kháng sinh.

  3. Phản ứng phân hủy kháng sinh SMX diễn ra như thế nào trong hệ xúc tác này?
    Dưới ánh sáng, xúc tác tạo ra các gốc tự do •O2⁻, •OH và h⁺ có khả năng oxy hóa mạnh, tấn công và phân hủy các liên kết hóa học phức tạp của SMX, chuyển hóa thành các sản phẩm ít độc hại hơn.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân hủy kháng sinh ra sao?
    pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của kháng sinh và hoạt tính của xúc tác. pH trung tính đến nhẹ kiềm tối ưu cho quá trình phân hủy, giúp duy trì sự ổn định của xúc tác và tăng hiệu quả tạo gốc tự do.

  5. Hệ xúc tác này có thể ứng dụng trong xử lý các loại kháng sinh khác không?
    Có, nghiên cứu cho thấy hệ xúc tác 5%MoS2/BixOyIz còn hiệu quả trong phân hủy ciprofloxacin, tetracycline và các chất màu hữu cơ, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải đa dạng.

Kết luận

  • Đã điều chế thành công vật liệu giàu bismuth BixOyIz và composite BixOyIz/MoS2 bằng phương pháp dung nhiệt kết hợp xử lý nhiệt, với pha Bi4O5I2/Bi5O7I hình thành ở 425 °C cho hiệu suất phân hủy SMX cao nhất.
  • Composite 5%MoS2/BixOyIz có diện tích bề mặt riêng lớn nhất (42,067 m²/g) và hiệu quả quang xúc tác vượt trội so với vật liệu đơn pha.
  • Liều lượng xúc tác 0,7 g/L và pH trung tính đến nhẹ kiềm là điều kiện tối ưu cho phản ứng phân hủy SMX.
  • Các gốc tự do •O2⁻, •OH và h⁺ đóng vai trò chủ đạo trong cơ chế phân hủy quang xúc tác, phù hợp với mô hình S-Scheme.
  • Hệ xúc tác còn thể hiện khả năng phân hủy hiệu quả các kháng sinh và chất hữu cơ khác, mở ra hướng phát triển vật liệu quang xúc tác thân thiện môi trường cho xử lý nước thải.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu quy mô pilot, tối ưu hóa điều kiện vận hành và phát triển công nghệ ứng dụng thực tế. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác để chuyển giao công nghệ.

Call-to-action: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và xử lý nước thải tiếp cận và ứng dụng vật liệu composite BixOyIz/MoS2 nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm kháng sinh, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.