I. Hiệu quả xúc tác quang của TiO2
Hiệu quả xúc tác quang của TiO2 là trọng tâm nghiên cứu trong việc xử lý kháng sinh trong nước. TiO2 được biết đến với khả năng tạo ra các gốc tự do như OH• và SO4•- thông qua quá trình quang xúc tác. Các gốc này có khả năng oxy hóa mạnh, giúp phân hủy các hợp chất kháng sinh khó phân hủy. Nghiên cứu chỉ ra rằng, TiO2 nung ở 500°C (TiO2/500) đạt hiệu suất xử lý Oxytetracycline (OTC) lên đến 96,62% sau 180 phút. Điều này khẳng định tiềm năng của TiO2 trong việc ứng dụng thực tế để xử lý nước nhiễm kháng sinh.
1.1. Cơ chế quang xúc tác của TiO2
Cơ chế quang xúc tác của TiO2 dựa trên việc kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi tiếp xúc với ánh sáng UV. Quá trình này tạo ra các cặp electron - lỗ trống, thúc đẩy phản ứng oxy hóa với các chất hữu cơ. Các gốc OH• và SO4•- được hình thành từ phản ứng này có khả năng phân hủy mạnh các hợp chất kháng sinh như OTC. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, SO4•- có thời gian tồn tại lâu hơn và khả năng oxy hóa cao hơn so với OH•, làm tăng hiệu quả xử lý.
1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
Nhiệt độ nung TiO2 đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả xúc tác quang. Kết quả nghiên cứu cho thấy, TiO2 nung ở 500°C (TiO2/500) đạt hiệu suất xử lý OTC cao nhất (96,62%) so với các nhiệt độ nung khác. Điều này được giải thích bởi sự cải thiện cấu trúc tinh thể và tăng diện tích bề mặt của TiO2 sau quá trình nung, giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra nhiều gốc tự do hơn.
II. Xử lý kháng sinh trong nước
Xử lý kháng sinh trong nước là một thách thức lớn do tính bền vững và khó phân hủy của các hợp chất này. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng quang xúc tác với TiO2 kết hợp các chất oxy hóa như H2O2, PDS, và PMS để tăng cường hiệu quả xử lý. Kết quả cho thấy, việc kết hợp TiO2/500 với PDS đạt hiệu suất xử lý OTC lên đến 99,03% sau 180 phút. Điều này chứng minh tính khả thi của phương pháp này trong việc xử lý nước nhiễm kháng sinh.
2.1. Vai trò của chất oxy hóa
Các chất oxy hóa như H2O2, PDS, và PMS đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu quả xúc tác quang của TiO2. Chúng hoạt động như chất kích hoạt, giúp tạo ra các gốc tự do SO4•- và OH• với số lượng lớn hơn. Nghiên cứu chỉ ra rằng, PDS là chất oxy hóa hiệu quả nhất khi kết hợp với TiO2/500, đạt hiệu suất xử lý OTC cao nhất (99,03%). Điều này khẳng định tầm quan trọng của việc lựa chọn chất oxy hóa phù hợp trong quá trình xử lý.
2.2. Ảnh hưởng của pH và nồng độ
Các thông số như pH và nồng độ của OTC cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý. Nghiên cứu cho thấy, pH tự nhiên của dung dịch và nồng độ OTC ban đầu 10 mg/L là điều kiện tối ưu để đạt hiệu suất xử lý cao nhất. Sự thay đổi pH có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo gốc tự do của TiO2, trong khi nồng độ OTC cao hơn có thể làm giảm hiệu suất do sự cạnh tranh giữa các phân tử kháng sinh.
III. Ứng dụng thực tế và độ bền vật liệu
Nghiên cứu không chỉ tập trung vào hiệu quả xúc tác quang của TiO2 mà còn đánh giá khả năng ứng dụng thực tế và độ bền vật liệu. Kết quả cho thấy, TiO2/500 duy trì hiệu suất xử lý OTC trên 95% sau bốn chu kỳ tái sử dụng. Điều này chứng minh tính ổn định và bền vững của vật liệu trong quá trình xử lý nước nhiễm kháng sinh. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng phát triển tiếp theo để tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí vận hành.
3.1. Độ bền và tái sử dụng vật liệu
Độ bền vật liệu là yếu tố quan trọng trong việc ứng dụng thực tế. Nghiên cứu chỉ ra rằng, TiO2/500 có khả năng tái sử dụng hiệu quả, duy trì hiệu suất xử lý trên 95% sau bốn chu kỳ. Điều này giúp giảm chi phí và tăng tính khả thi của phương pháp trong quy mô công nghiệp. Các phân tích SEM, XRD, và FT-IR cũng khẳng định sự ổn định cấu trúc của TiO2/500 sau quá trình sử dụng.
3.2. Tiềm năng ứng dụng thực tế
Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế của TiO2/500 trong việc xử lý nước nhiễm kháng sinh. Với hiệu suất xử lý cao và độ bền vật liệu tốt, phương pháp này có thể được áp dụng trong các nhà máy xử lý nước thải, bệnh viện, và trang trại chăn nuôi. Tuy nhiên, cần thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí vận hành, đặc biệt là trong quy mô lớn.
