Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, sự hiện diện của các loại kháng sinh trong môi trường nước mặt ngày càng trở nên phổ biến do việc lạm dụng kháng sinh và xả thải từ các nhà máy xử lý nước thải, bệnh viện, nhà máy dược phẩm và trang trại chăn nuôi. Mặc dù các quy trình xử lý sinh học thứ cấp có thể loại bỏ một phần kháng sinh, nồng độ kháng sinh trong nước thải sau xử lý vẫn dao động trong khoảng 10-1000 ng/L, gây nguy cơ lan truyền vi khuẩn kháng thuốc và đe dọa sức khỏe con người qua nước uống và chuỗi thức ăn. Kháng sinh như Oxytetracycline (OTC) có tính bền vững cao, khó phân hủy sinh học, do đó cần thiết phải phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả hơn.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc tăng cường khả năng quang xúc tác của vật liệu TiO2 nung ở 500°C (TiO2/500) để loại bỏ kháng sinh OTC trong nước, thông qua tác dụng hiệp đồng của các chất oxy hóa như H2O2, peroxydisulfate (PDS) và peroxymonosulfate (PMS). Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Phân tích môi trường, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM, trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 05 năm 2024. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả xử lý kháng sinh trong nước mà còn mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải có chứa các hợp chất khó phân hủy, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: quang xúc tác bán dẫn và quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs). Quang xúc tác TiO2 hoạt động dựa trên cơ chế kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi chiếu xạ tia UV, tạo ra các cặp electron-lỗ trống (e⁻/h⁺). Các lỗ trống này oxy hóa nước hoặc hydroxide để tạo ra gốc hydroxyl (OH•) có tính oxy hóa mạnh, trong khi electron phản ứng với oxy tạo thành gốc superoxide (O2•⁻). Quá trình này giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ như kháng sinh thành các sản phẩm vô cơ như CO2 và H2O.

Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) sử dụng các gốc oxy hóa mạnh như OH• và SO4•⁻ để phân hủy các chất ô nhiễm khó phân hủy. SO4•⁻ có thế oxy hóa cao hơn (E0 = 2,5-3,1 V) và thời gian tồn tại lâu hơn (30-40 µs) so với OH• (E0 = 1,8-2,6 V; 1 µs), do đó hiệu quả hơn trong việc phân hủy kháng sinh. Các chất oxy hóa persulfate (PDS, PMS) được kích hoạt bởi UV, nhiệt, kim loại chuyển tiếp hoặc vật liệu cacbon để tạo ra SO4•⁻, tăng cường hiệu quả quang xúc tác của TiO2.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Quang xúc tác TiO2 và cơ chế tạo gốc tự do
  • Gốc hydroxyl (OH•) và gốc sulfate (SO4•⁻) trong AOPs
  • Tác dụng hiệp đồng của các chất oxy hóa trong quá trình phân hủy kháng sinh
  • Ảnh hưởng của pH, hàm lượng chất xúc tác và chất oxy hóa đến hiệu suất xử lý

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu dung dịch chứa kháng sinh Oxytetracycline (OTC) được xử lý trong phòng thí nghiệm. Vật liệu xúc tác TiO2 được nung ở 500°C để tạo TiO2/500. Các kỹ thuật phân tích vật liệu bao gồm:

  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt
  • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và phân bố nguyên tố (EDX mapping) để xác định thành phần nguyên tố
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể
  • Phổ hồng ngoại Fourier-transform (FT-IR) để phân tích nhóm chức hóa học

Phương pháp thực nghiệm xử lý OTC sử dụng hệ thống quang xúc tác với đèn UVA, khảo sát các thông số như pH, nồng độ chất xúc tác TiO2/500, hàm lượng chất oxy hóa (H2O2, PDS, PMS) và nồng độ OTC đầu vào. Cỡ mẫu thí nghiệm được thiết kế phù hợp để đảm bảo độ tin cậy, với các chu kỳ tái sử dụng vật liệu để đánh giá độ bền. Phân tích số liệu sử dụng các phương pháp thống kê mô tả và so sánh hiệu suất xử lý theo từng điều kiện thí nghiệm. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 05 năm 2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất vật liệu TiO2/500: Kết quả XRD cho thấy TiO2 nung ở 500°C chủ yếu ở pha anatase với sự tồn tại pha rutile nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt tính quang xúc tác. SEM và EDX mapping xác nhận cấu trúc bề mặt mịn, phân bố nguyên tố đồng đều. FT-IR cho thấy các nhóm hydroxyl trên bề mặt vật liệu, hỗ trợ quá trình tạo gốc tự do.

  2. Hiệu quả xử lý OTC: TiO2/500 đạt hiệu suất phân hủy OTC lên đến 96,62% sau 180 phút trong điều kiện tối ưu. Khi kết hợp với PDS (500 mg/L), hiệu suất tăng lên 99,03%, với nồng độ OTC đầu ra chỉ còn 0,1 mg/L. Các điều kiện tối ưu gồm pH tự nhiên, nồng độ TiO2/500 300 mg/L, nhiệt độ phòng và chiếu xạ UVA.

  3. Ảnh hưởng của các yếu tố:

  • pH ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất, với pH tự nhiên của dung dịch cho kết quả tốt nhất do cân bằng ion hóa của OTC và tính chất bề mặt TiO2.
  • Hàm lượng chất oxy hóa và chất xúc tác tăng đến mức tối ưu sẽ nâng cao hiệu quả, nhưng vượt quá sẽ gây tán xạ ánh sáng và giảm hiệu suất.
  • Nồng độ OTC đầu vào tăng làm giảm tỷ lệ loại bỏ do cạnh tranh hấp phụ và giới hạn vị trí hoạt động trên bề mặt xúc tác.
  1. Độ bền vật liệu: Sau 4 chu kỳ tái sử dụng, hiệu suất xử lý vẫn duy trì trên 95%, chứng tỏ TiO2/500 có độ bền cao và tiềm năng ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của TiO2/500 được giải thích bởi cấu trúc pha anatase-rutile hỗn hợp giúp giảm tái hợp electron-lỗ trống, tăng sinh gốc tự do. Sự kết hợp với PDS tạo ra gốc sulfate SO4•⁻ có thế oxy hóa cao và thời gian tồn tại lâu, tăng cường quá trình phân hủy OTC. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về quang xúc tác TiO2 kết hợp AOPs, đồng thời vượt trội hơn về hiệu suất và độ bền vật liệu.

Biểu đồ thể hiện hiệu suất xử lý OTC theo thời gian và điều kiện pH, hàm lượng chất oxy hóa sẽ minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu quả giữa các điều kiện thí nghiệm. Bảng so sánh hiệu suất xử lý OTC của TiO2/500 với các vật liệu xúc tác khác cũng cho thấy ưu thế vượt trội.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế phân hủy OTC qua gốc OH• và SO4•⁻, đồng thời cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc ứng dụng công nghệ quang xúc tác kết hợp AOPs trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng TiO2/500 kết hợp PDS trong xử lý nước thải: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải áp dụng công nghệ quang xúc tác TiO2 nung 500°C phối hợp với chất oxy hóa persulfate để nâng cao hiệu quả loại bỏ kháng sinh, đặc biệt là OTC. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm để thử nghiệm quy mô pilot.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành: Đề xuất kiểm soát pH tự nhiên của nước thải, duy trì nồng độ TiO2/500 khoảng 300 mg/L và PDS 500 mg/L để đạt hiệu suất xử lý tối ưu. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư môi trường tại nhà máy xử lý nước thải.

  3. Nghiên cứu mở rộng các loại kháng sinh khác: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục áp dụng vật liệu TiO2/500 và các chất oxy hóa khác để xử lý các nhóm kháng sinh đa dạng, nhằm đánh giá hiệu quả và mở rộng phạm vi ứng dụng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2-3 năm.

  4. Phát triển thiết bị quang xúc tác quy mô lớn: Đề xuất thiết kế và chế tạo hệ thống quang xúc tác công nghiệp với khả năng chiếu xạ UVA hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, phù hợp với điều kiện thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải. Chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về quang xúc tác TiO2 và AOPs, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến xử lý ô nhiễm nước.

  2. Chuyên gia và kỹ sư vận hành nhà máy xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng công nghệ quang xúc tác kết hợp chất oxy hóa nâng cao nhằm cải thiện hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải có chứa kháng sinh, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tham khảo để phát triển sản phẩm TiO2 nung và hệ thống quang xúc tác ứng dụng trong xử lý nước thải, nâng cao giá trị sản phẩm và mở rộng thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn TiO2 nung ở 500°C làm vật liệu xúc tác?
    TiO2 nung ở 500°C tạo ra pha anatase-rutile hỗn hợp với cấu trúc bề mặt tối ưu, giúp giảm tái hợp electron-lỗ trống và tăng hiệu suất quang xúc tác. Nhiệt độ này cân bằng giữa diện tích bề mặt và tính ổn định pha, phù hợp cho xử lý kháng sinh.

  2. Chất oxy hóa persulfate (PDS, PMS) có vai trò gì trong quá trình?
    Persulfate được kích hoạt tạo ra gốc sulfate SO4•⁻ có thế oxy hóa cao và thời gian tồn tại lâu, giúp tăng cường phân hủy kháng sinh và hạn chế sự tái hợp electron-lỗ trống trên bề mặt TiO2, nâng cao hiệu quả xử lý.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của OTC và tính chất bề mặt TiO2, từ đó ảnh hưởng đến hấp phụ và phản ứng oxy hóa. pH tự nhiên của dung dịch được xác định là điều kiện tối ưu cho hiệu suất xử lý cao nhất.

  4. Vật liệu TiO2/500 có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy TiO2/500 duy trì hiệu suất xử lý trên 95% sau 4 chu kỳ tái sử dụng, chứng tỏ độ bền cao và khả năng ứng dụng lâu dài trong thực tế.

  5. Công nghệ này có thể áp dụng quy mô lớn không?
    Mặc dù nghiên cứu hiện tại ở quy mô phòng thí nghiệm, kết quả khả quan cho thấy tiềm năng ứng dụng quy mô công nghiệp. Cần phát triển thiết bị chiếu xạ UVA và hệ thống quang xúc tác phù hợp để triển khai thực tế.

Kết luận

  • Vật liệu TiO2 nung 500°C (TiO2/500) có cấu trúc pha anatase-rutile hỗn hợp, bề mặt mịn, thích hợp cho quang xúc tác phân hủy kháng sinh OTC.
  • Kết hợp TiO2/500 với chất oxy hóa persulfate (PDS) tạo ra hiệu suất xử lý OTC lên đến 99,03% sau 180 phút, vượt trội so với phương pháp đơn lẻ.
  • Các yếu tố như pH, hàm lượng chất xúc tác và chất oxy hóa ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xử lý, với điều kiện tối ưu được xác định trong nghiên cứu.
  • Vật liệu TiO2/500 có độ bền cao, duy trì hiệu suất trên 95% sau 4 chu kỳ tái sử dụng, phù hợp cho ứng dụng thực tế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ quang xúc tác kết hợp AOPs trong xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại kháng sinh khác và phát triển thiết bị quang xúc tác công nghiệp.