Nghiên Cứu Hấp Phụ Ciprofloxacin Trong Môi Trường Nước Bằng Than Hoạt Tính Từ Vỏ Măng Cụt

• Tác giả: Nguyễn Thị Huyền Phương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Trà Hương
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Hấp Phụ Ciprofloxacin Từ Vỏ Măng Cụt Bằng Than Hoạt Tính
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặc điểm của nguyên liệu sinh khối thực vật
• 1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu từ sinh khối thực vật
• 1.3. Chế tạo than hoạt tính
• 1.4. Biến tính hóa học
• 1.5. Giới thiệu về thuốc kháng sinh
• 1.5.1. Giới thiệu chung
• 1.5.2. Kháng sinh nhóm Quinolon
• 1.5.3. Kháng sinh Ciprofloxacin
• 1.6. Hiện trạng sử dụng thuốc kháng sinh
• 1.6.1. Hiện trạng sử dụng thuốc kháng sinh trên thế giới
• 1.6.2. Hiện trạng sử dụng thuốc kháng sinh ở Việt Nam
• 1.7. Tổng quan về cây măng cụt
• 1.8. Tình hình nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ măng cụt làm chất hấp phụ
• 1.9. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 1.9.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
• 1.9.2. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X
• 1.9.3. Phương pháp phổ hồng ngoại
• 1.9.4. Phương pháp hấp phụ đa phân tử BET
• 1.9.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 1.9.6. Phương pháp phổ hấp thụ phân tử
• 1.10. Dụng cụ, hóa chất
• 1.10.1. Hóa chất, pha chế
• 1.11. Chế tạo than hoạt tính từ vỏ măng cụt
• 1.11.1. Lựa chọn tỷ lệ vật liệu MP : ZnCl2
• 1.12. Khảo sát đặc điểm bề mặt, cấu trúc, thành phần hóa học của vật liệu ACMP
• 1.13. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ CIP
• 1.14. Một số thông số vật lý của than
• 1.14.1. Xác định tỉ lệ tro
• 1.14.2. Xác định khối lượng riêng
• 1.14.3. Xác định chỉ số iot của than
• 1.14.4. Xác định điểm đẳng điện của than ACMP
• 1.15. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ CIP của vật liệu ACMP
• 1.15.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 1.15.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian
• 1.15.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 1.15.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ CIP ban đầu
• 1.15.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.16. Thử nghiệm xử lý mẫu nước thải chăn nuôi chứa CIP
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Kết quả lựa chọn tỷ lệ vật liệu MP : ZnCl2 tối ưu
• 2.2. Khảo sát tính chất vật lý, đặc điểm bề mặt của vật liệu MP và ACMP
• 2.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ CIP
• 2.4. Khảo sát bước sóng hấp thụ của CIP
• 2.5. Một số thông số vật lý của than ACMP
• 2.6. Chỉ số iot của than
• 2.7. Xác định điểm đẳng điện của ACMP
• 2.8. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ CIP của ACMP theo phương pháp hấp phụ tĩnh
• 2.8.1. Ảnh hưởng của pH
• 2.8.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng ACMP đến khả năng hấp phụ CIP
• 2.8.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự hấp phụ CIP của ACMP
• 2.8.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến sự hấp phụ CIP của ACMP
• 2.9. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ
• 2.9.1. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
• 2.9.2. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
• 2.9.3. Mô hình đẳng nhiệt Tempkin
• 2.9.4. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Elovich
• 2.9.5. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Redlich - Peterson
• 2.10. Động học hấp phụ CIP của ACMP
• 2.11. Năng lượng hoạt hóa
• 2.12. Nhiệt động lực học hấp phụ CIP của ACMP
• 2.13. Kết quả thử nghiệm xử lý mẫu nước thải chăn nuôi chứa CIP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hấp Phụ Ciprofloxacin Bằng Than Hoạt Tính 55 ký tự

Nghiên cứu về hấp phụ ciprofloxacin từ vỏ măng cụt bằng than hoạt tính đang thu hút sự quan tâm lớn. Ciprofloxacin, một loại kháng sinh, thường được tìm thấy trong nước thải. Việc loại bỏ ciprofloxacin khỏi môi trường là vô cùng quan trọng để giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh và nguy cơ kháng thuốc. Than hoạt tính, được điều chế từ vỏ măng cụt, thể hiện tiềm năng lớn như một vật liệu hấp phụ hiệu quả, giá rẻ và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả hấp phụ của than hoạt tính từ vỏ măng cụt đối với ciprofloxacin trong môi trường nước, đồng thời tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này. Việc sử dụng vỏ măng cụt, một phế thải nông nghiệp, góp phần vào kinh tế tuần hoàn và giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.

1.1. Tổng quan về Ciprofloxacin Nguồn gốc độc tính và ảnh hưởng

Ciprofloxacin là một loại kháng sinh thuộc nhóm Quinolone, được sử dụng rộng rãi trong y tế và thú y. Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi này dẫn đến sự gia tăng nồng độ ciprofloxacin trong nước thải, gây ra nhiều lo ngại về độc tính ciprofloxacin và ảnh hưởng của ciprofloxacin đến môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ciprofloxacin có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh và góp phần vào sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng thuốc.

1.2. Vỏ măng cụt Tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải

Vỏ măng cụt, một phế thải nông nghiệp, chứa nhiều hợp chất có khả năng hấp phụ, như xanthones (ví dụ: mangiferin). Việc sử dụng vỏ măng cụt để điều chế than hoạt tính không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn tạo ra một vật liệu hấp phụ tiềm năng cho xử lý nước thải. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng vỏ măng cụt để tạo ra một giải pháp kinh tế tuần hoàn và thân thiện với môi trường.

1.3. Than hoạt tính Đặc điểm cấu trúc và ứng dụng trong hấp phụ

Than hoạt tính là một vật liệu hấp phụ phổ biến với diện tích bề mặt than hoạt tính lớn và cấu trúc than hoạt tính xốp. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Tính chất vật lý của than hoạt tính và tính chất hóa học của than hoạt tính có thể được điều chỉnh thông qua các phương pháp xử lý khác nhau. Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, bao gồm xử lý nước thải, lọc khí và làm sạch hóa chất.

II. Thách Thức Ô Nhiễm Kháng Sinh Ciprofloxacin và Giải Pháp 57 ký tự

Ô nhiễm kháng sinh, đặc biệt là ciprofloxacin, đang trở thành một vấn đề môi trường nghiêm trọng. Sự hiện diện của ciprofloxacin trong nước thải có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn ciprofloxacin. Do đó, cần có những phương pháp công nghệ xử lý môi trường mới, hiệu quả và thân thiện với môi trường để giải quyết vấn đề này. Nghiên cứu này hướng đến việc tìm ra một giải pháp xử lý ciprofloxacin trong nước bằng than hoạt tính từ vỏ măng cụt.

2.1. Thực trạng ô nhiễm kháng sinh Ciprofloxacin trên thế giới

Nồng độ ciprofloxacin tăng cao trong nước thải và nguồn nước mặt trên toàn cầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ciprofloxacin được tìm thấy ở nồng độ đáng báo động trong các con sông, hồ và nước ngầm ở nhiều quốc gia. Điều này đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt và các biện pháp xử lý nước thải dược phẩm hiệu quả.

2.2. Ảnh hưởng của Ciprofloxacin đến hệ sinh thái và sức khỏe con người

Ciprofloxacin có thể gây ra những tác động tiêu cực đến các sinh vật thủy sinh, phá vỡ cân bằng sinh thái và góp phần vào sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Việc tiếp xúc với ciprofloxacin qua đường nước uống hoặc thực phẩm có thể gây ra những ảnh hưởng không mong muốn đến sức khỏe con người, đặc biệt là đối với trẻ em và phụ nữ mang thai.

2.3. Các phương pháp xử lý Ciprofloxacin hiện nay Ưu điểm và nhược điểm

Các phương pháp xử lý ciprofloxacin hiện nay bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các phương pháp hóa học có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Các phương pháp sinh học thường chậm và không hiệu quả với nồng độ ciprofloxacin cao. Phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính có tiềm năng trở thành một giải pháp thay thế hiệu quả và thân thiện với môi trường.

III. Phương Pháp Hấp Phụ Tối Ưu Hóa Bằng Than Hoạt Tính 53 ký tự

Phương pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính từ vỏ măng cụt là một giải pháp đầy hứa hẹn để loại bỏ ciprofloxacin khỏi nước thải. Quá trình này bao gồm việc ciprofloxacin gắn kết lên bề mặt than hoạt tính. Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm diện tích bề mặt than hoạt tính, kích thước lỗ xốp than hoạt tính, pH dung dịch, nhiệt độ hấp phụ, nồng độ ciprofloxacin và thời gian tiếp xúc. Việc tối ưu hóa quá trình hấp phụ là rất quan trọng để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

3.1. Quy trình sản xuất than hoạt tính từ vỏ măng cụt

Quá trình sản xuất than hoạt tính từ vỏ măng cụt thường bao gồm các giai đoạn: chuẩn bị nguyên liệu, than hóa, hoạt hóa và xử lý sau hoạt hóa. Giai đoạn hoạt hóa có thể được thực hiện bằng phương pháp hóa học (sử dụng hóa chất như ZnCl2) hoặc phương pháp vật lý (sử dụng hơi nước hoặc khí CO2). Quy trình sản xuất than hoạt tính từ vỏ măng cụt cần được tối ưu hóa để tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp phù hợp cho hấp phụ ciprofloxacin.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ciprofloxacin

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ciprofloxacin bao gồm pH dung dịch, nhiệt độ hấp phụ, nồng độ ciprofloxacin, thời gian tiếp xúc và khối lượng vật liệu hấp phụ. pH dung dịch ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của than hoạt tính và sự tồn tại của ciprofloxacin trong dung dịch. Nhiệt độ hấp phụ ảnh hưởng đến động học và cân bằng của quá trình hấp phụ. Nồng độ ciprofloxacin ảnh hưởng đến khả năng bão hòa của than hoạt tính. Thời gian tiếp xúc cần đủ để đạt được trạng thái cân bằng hấp phụ.

3.3. Nghiên cứu isotherm hấp phụ và kinetics hấp phụ Ciprofloxacin

Nghiên cứu isotherm hấp phụ cung cấp thông tin về khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính và cơ chế hấp phụ. Các mô hình isotherm hấp phụ phổ biến bao gồm Langmuir, Freundlich, Temkin và Dubinin-Radushkevich. Nghiên cứu kinetics hấp phụ cung cấp thông tin về tốc độ hấp phụ và cơ chế kiểm soát tốc độ. Các mô hình kinetics hấp phụ phổ biến bao gồm động học bậc nhất, động học bậc hai và mô hình khuếch tán trong hạt.

IV. Đánh Giá Hiệu Quả Hấp Phụ và Tái Chế Than Hoạt Tính 54 ký tự

Việc đánh giá hiệu quả hấp phụ của than hoạt tính từ vỏ măng cụt đối với ciprofloxacin là rất quan trọng để xác định tiềm năng ứng dụng của vật liệu này. So sánh hiệu quả hấp phụ của than hoạt tính từ vỏ măng cụt với các vật liệu hấp phụ khác cũng cần được thực hiện. Nghiên cứu cũng cần tập trung vào khả năng tái chế than hoạt tính sau khi sử dụng. Việc giải hấp phụ và tái sử dụng than hoạt tính có thể giúp giảm thiểu chi phí xử lý nước thải và tăng tính bền vững của quá trình.

4.1. So sánh hiệu quả hấp phụ với các vật liệu hấp phụ khác

Việc so sánh hiệu quả hấp phụ của than hoạt tính từ vỏ măng cụt với các vật liệu hấp phụ khác như than hoạt tính thương mại, zeolit, đất sét và polyme là rất quan trọng để đánh giá tính cạnh tranh của vật liệu này. Các yếu tố so sánh bao gồm dung lượng hấp phụ, tốc độ hấp phụ, chi phí sản xuất và tính bền vững.

4.2. Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ và tái sử dụng than hoạt tính

Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ và tái sử dụng than hoạt tính là rất quan trọng để giảm thiểu chi phí xử lý nước thải và tăng tính bền vững của quá trình. Các phương pháp giải hấp phụ có thể bao gồm sử dụng dung môi, nhiệt hoặc vi sóng. Hiệu quả giải hấp phụ và số lần tái sử dụng than hoạt tính cần được đánh giá để xác định tính khả thi của quá trình tái chế.

4.3. Đánh giá chi phí sản xuất than hoạt tính từ vỏ măng cụt

Đánh giá chi phí sản xuất than hoạt tính từ vỏ măng cụt là rất quan trọng để xác định tính khả thi về mặt kinh tế của việc sử dụng vật liệu này trong xử lý nước thải. Các yếu tố chi phí cần được xem xét bao gồm chi phí nguyên liệu, chi phí năng lượng, chi phí hóa chất và chi phí nhân công. Cần so sánh chi phí sản xuất than hoạt tính từ vỏ măng cụt với chi phí sản xuất than hoạt tính thương mại để đánh giá tính cạnh tranh về giá.

V. Ứng Dụng Thực Tế Xử Lý Nước Thải Chứa Ciprofloxacin 52 ký tự

Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng thực tế trong việc xử lý nước thải chứa ciprofloxacin từ các nguồn khác nhau, bao gồm nước thải bệnh viện, nước thải chăn nuôi và nước thải công nghiệp dược phẩm. Việc ứng dụng than hoạt tính từ vỏ măng cụt có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh và bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu có thể cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải hiệu quả và bền vững.

5.1. Thử nghiệm xử lý nước thải thực tế chứa Ciprofloxacin

Để đánh giá hiệu quả ứng dụng thực tế, cần tiến hành thử nghiệm xử lý nước thải thực tế chứa ciprofloxacin. Nước thải có thể được lấy từ các bệnh viện, trang trại chăn nuôi hoặc nhà máy dược phẩm. Cần theo dõi nồng độ ciprofloxacin trước và sau khi xử lý để đánh giá hiệu quả xử lý.

5.2. Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sử dụng than hoạt tính

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể thiết kế một hệ thống xử lý nước thải sử dụng than hoạt tính từ vỏ măng cụt. Hệ thống có thể bao gồm các giai đoạn: tiền xử lý, hấp phụ, giải hấp phụ và tái sinh than hoạt tính. Cần xem xét các yếu tố như lưu lượng nước thải, nồng độ ciprofloxacin, và chi phí vận hành để thiết kế một hệ thống tối ưu.

5.3. Đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật

Cần đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật của việc ứng dụng than hoạt tính từ vỏ măng cụt trong xử lý nước thải. Đánh giá về mặt kinh tế bao gồm phân tích chi phí - lợi ích, so sánh với các phương pháp xử lý nước thải khác và xác định khả năng thu hồi vốn đầu tư. Đánh giá về mặt kỹ thuật bao gồm đánh giá độ tin cậy của hệ thống, khả năng vận hành và bảo trì, và khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn xử lý nước thải.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Hấp Phụ 54 ký tự

Nghiên cứu về hấp phụ ciprofloxacin bằng than hoạt tính từ vỏ măng cụt mang lại những kết quả đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ hơn về cơ chế hấp phụ và tối ưu hóa quá trình. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến than hoạt tính thông qua các phương pháp modified activated carbon, nghiên cứu hấp phụ cạnh tranh của các chất ô nhiễm khác, và đánh giá độ bền vững của vật liệu trong thời gian dài.

6.1. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hấp phụ Ciprofloxacin

Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hấp phụ Ciprofloxacin trên than hoạt tính từ vỏ măng cụt là cần thiết. Điều này bao gồm xác định các tương tác giữa Ciprofloxacin và bề mặt than hoạt tính, chẳng hạn như tương tác tĩnh điện, tương tác Van der Waals và liên kết hydro. Các phương pháp phân tích bề mặt tiên tiến có thể được sử dụng để hiểu rõ hơn về cơ chế hấp phụ.

6.2. Cải tiến than hoạt tính bằng các phương pháp khác nhau

Việc cải tiến than hoạt tính bằng các phương pháp khác nhau có thể giúp tăng hiệu quả hấp phụ. Các phương pháp cải tiến than hoạt tính có thể bao gồm: biến tính bề mặt, tẩm kim loại, và tạo vật liệu composite. Cần đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp cải tiến đến diện tích bề mặt, kích thước lỗ xốp và khả năng hấp phụ Ciprofloxacin.

6.3. Nghiên cứu hấp phụ cạnh tranh với các chất ô nhiễm khác

Trong nước thải thực tế, Ciprofloxacin thường tồn tại cùng với các chất ô nhiễm khác. Do đó, cần nghiên cứu hấp phụ cạnh tranh giữa Ciprofloxacin và các chất ô nhiễm khác, chẳng hạn như các loại kháng sinh khác, kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ. Nghiên cứu này sẽ giúp đánh giá hiệu quả của than hoạt tính trong điều kiện xử lý nước thải thực tế.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay, việc tồn dư thuốc kháng sinh trong môi trường nước đang trở thành một vấn đề cấp bách toàn cầu. Ước tính tại Mỹ, khoảng 33% trong tổng số 4 tỷ đơn thuốc kê mỗi năm trở thành chất thải, trong đó có nhiều loại kháng sinh như Ciprofloxacin (CIP) – một loại thuốc kháng sinh nhóm fluoroquinolone thế hệ 2 được sử dụng rộng rãi trong y tế và chăn nuôi. Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) cảnh báo rằng việc sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi dự kiến tăng hơn 66% trong thập kỷ tới, làm gia tăng nguy cơ kháng thuốc và ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, nồng độ CIP trong nước thải bệnh viện có thể lên đến 25,5 μg/L, cao hơn nhiều so với các nước trong khu vực Đông Nam Á.

Trước thực trạng này, nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo than hoạt tính từ vỏ măng cụt – một loại phế phẩm nông nghiệp giàu hợp chất xanthone có khả năng hấp phụ cao – nhằm xử lý CIP trong môi trường nước. Mục tiêu chính của luận văn là: (1) chế tạo than hoạt tính từ vỏ măng cụt bằng phương pháp hoạt hóa hóa học với ZnCl2; (2) khảo sát đặc trưng hóa lý của vật liệu than hoạt tính; (3) nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ CIP; (4) xây dựng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt, động học và nhiệt động lực học; (5) thử nghiệm xử lý mẫu nước thải chăn nuôi chứa CIP. Nghiên cứu được thực hiện tại Thái Nguyên trong năm 2022, góp phần phát triển vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện môi trường, đồng thời nâng cao hiệu quả xử lý kháng sinh trong nước thải, hướng tới bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết cấu trúc sinh khối lignocellulose: Vỏ măng cụt chứa cellulose (30-50%), hemicellulose (19-45%) và lignin (15-35%), các thành phần này tạo nên cấu trúc phức tạp và ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu. Việc xử lý và biến tính sinh khối nhằm tăng diện tích bề mặt và nhóm chức hấp phụ là cần thiết.

• Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt: Nghiên cứu áp dụng các mô hình Langmuir, Freundlich, Temkin, Elovich và Redlich-Peterson để mô tả quá trình hấp phụ CIP lên than hoạt tính. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ trên bề mặt đồng nhất với số lượng vị trí hấp phụ cố định, trong khi Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất.

• Mô hình động học hấp phụ: Phân tích động học bậc một và bậc hai biểu kiến để xác định cơ chế hấp phụ và tốc độ hấp phụ CIP.

• Nhiệt động lực học hấp phụ: Xác định các thông số như năng lượng hoạt hóa, enthalpy, entropy và Gibbs để đánh giá tính tự phát và bản chất quá trình hấp phụ.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm đẳng điện của than hoạt tính, chỉ số iot (đánh giá khả năng hấp phụ), diện tích bề mặt riêng BET, và các nhóm chức bề mặt (cacboxylic, phenolic, hydroxyl).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vỏ măng cụt thu thập từ các tỉnh Tây Nam Bộ Việt Nam, CIP chuẩn Merck độ tinh khiết 99,9%, mẫu nước thải chăn nuôi tại Quảng Ninh.

• Chế tạo than hoạt tính: Vỏ măng cụt được rửa sạch, sấy khô, nung ở 500°C trong 2 giờ để tạo vật liệu carbon thô (MP). MP được hoạt hóa hóa học với ZnCl2 theo các tỷ lệ khối lượng MP:ZnCl2 từ 1:3 đến 3:1, nung ở 600°C trong 180 phút, rửa trung hòa và sấy khô, thu được than hoạt tính ACMP.

• Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái bề mặt, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần nguyên tố, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) xác định nhóm chức, nhiễu xạ tia X (XRD) đánh giá cấu trúc tinh thể, và phương pháp BET đo diện tích bề mặt riêng.

• Xây dựng đường chuẩn CIP: Dung dịch CIP chuẩn được pha loãng từ 1 đến 10 mg/L, đo hấp thụ UV-Vis tại bước sóng đặc trưng để xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ.

• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ CIP: Thí nghiệm hấp phụ tĩnh với các biến số pH (2-10), thời gian (15-120 phút), khối lượng vật liệu (0,03-0,2 g), nồng độ CIP ban đầu (30-400 mg/L), và nhiệt độ (303-323 K). Mỗi thí nghiệm lặp lại ít nhất 3 lần.

• Thử nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi: Mẫu nước thải chứa CIP được xử lý bằng ACMP với điều kiện tối ưu pH=6, thời gian 60 phút, khối lượng vật liệu 0,075 g/25 mL, đo hiệu suất hấp phụ CIP.

• Phân tích số liệu: Sử dụng các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt và động học để mô tả quá trình, tính toán các thông số nhiệt động lực học và năng lượng hoạt hóa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tỷ lệ hoạt hóa tối ưu: Vật liệu ACMP chế tạo với tỷ lệ MP:ZnCl2 = 1:2 cho hiệu suất hấp phụ CIP cao nhất, đạt khoảng 85% sau 60 phút, vượt trội so với các tỷ lệ khác (ví dụ 1:3 đạt 78%, 3:1 đạt 65%).

2. Đặc trưng vật liệu: Diện tích bề mặt riêng của ACMP đo bằng BET đạt khoảng 850 m²/g, cao hơn nhiều so với MP thô (khoảng 150 m²/g). Chỉ số iot của ACMP là 1153 mg/g, cho thấy khả năng hấp phụ mạnh. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức cacboxylic, phenolic và hydroxyl trên bề mặt, góp phần vào quá trình hấp phụ. Hình ảnh SEM cho thấy bề mặt ACMP có cấu trúc xốp, tăng diện tích tiếp xúc.

3. Ảnh hưởng của pH: Hiệu suất hấp phụ CIP đạt cực đại tại pH = 6 với dung lượng hấp phụ khoảng 45 mg/g, giảm ở pH thấp hoặc cao do sự thay đổi điện tích bề mặt và dạng ion của CIP trong dung dịch.

4. Động học hấp phụ: Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai với hệ số tương quan R² > 0,99, cho thấy hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học. Thời gian cân bằng hấp phụ là 60 phút.

5. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt: Mô hình Langmuir phù hợp nhất với dữ liệu (R² = 0,995), dung lượng hấp phụ cực đại q_max của ACMP là khoảng 50 mg/g, cao hơn nhiều so với một số vật liệu than hoạt tính khác từ phế phẩm nông nghiệp.

6. Nhiệt động lực học: Các thông số ΔG < 0, ΔH < 0 cho thấy quá trình hấp phụ là tự phát và tỏa nhiệt, phù hợp với hấp phụ hóa học.

7. Xử lý nước thải thực tế: Hiệu suất loại bỏ CIP trong mẫu nước thải chăn nuôi đạt từ 70% đến 80% sau 60 phút xử lý với ACMP, chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất hấp phụ cao của ACMP có thể giải thích bởi diện tích bề mặt lớn và sự hiện diện của các nhóm chức năng trên bề mặt than hoạt tính, tạo điều kiện thuận lợi cho liên kết hydro và tương tác điện tích với phân tử CIP. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về than hoạt tính từ vỏ măng cụt và các phế phẩm nông nghiệp khác, tuy nhiên dung lượng hấp phụ CIP của ACMP trong nghiên cứu này vượt trội hơn, nhờ quy trình hoạt hóa bằng ZnCl2 tối ưu.

Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH phản ánh tính chất lưỡng cực của CIP và điểm đẳng điện của than hoạt tính, điều này ảnh hưởng đến tương tác hấp phụ. Mô hình Langmuir cho thấy hấp phụ diễn ra trên bề mặt đồng nhất với vị trí hấp phụ cố định, phù hợp với cơ chế hấp phụ hóa học được xác nhận qua động học bậc hai.

Các kết quả nhiệt động lực học khẳng định tính tự phát và tỏa nhiệt của quá trình, phù hợp với các nghiên cứu về hấp phụ kháng sinh trên than hoạt tính. Thử nghiệm xử lý nước thải thực tế chứng minh khả năng ứng dụng của ACMP trong xử lý môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh trong nước thải chăn nuôi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường chuẩn hấp thụ UV-Vis, đồ thị ảnh hưởng pH, thời gian, khối lượng vật liệu, nồng độ CIP ban đầu, cũng như bảng tổng hợp các thông số hấp phụ và nhiệt động lực học để minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất than hoạt tính từ vỏ măng cụt quy mô công nghiệp: Khuyến khích các doanh nghiệp và cơ sở nghiên cứu áp dụng quy trình hoạt hóa ZnCl2 với tỷ lệ MP:ZnCl2 = 1:2, nhiệt độ 600°C trong 180 phút để sản xuất than hoạt tính chất lượng cao, phục vụ xử lý nước thải chứa kháng sinh. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

2. Ứng dụng than hoạt tính ACMP trong xử lý nước thải chăn nuôi và bệnh viện: Đề xuất các cơ sở xử lý nước thải tích hợp ACMP vào quy trình xử lý nhằm nâng cao hiệu quả loại bỏ CIP và các kháng sinh khác, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

3. Nghiên cứu mở rộng về tái sinh và tái sử dụng than hoạt tính: Khuyến nghị nghiên cứu các phương pháp tái sinh than hoạt tính ACMP để giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế. Thời gian thực hiện: 1 năm.

4. Tăng cường giám sát và quản lý sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi: Đề xuất các cơ quan chức năng phối hợp kiểm soát chặt chẽ việc sử dụng kháng sinh, đặc biệt CIP, nhằm giảm lượng kháng sinh thải ra môi trường, kết hợp với các biện pháp xử lý sinh học và vật liệu hấp phụ. Thời gian thực hiện: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chế tạo và ứng dụng than hoạt tính từ phế phẩm nông nghiệp, mô hình hấp phụ và phương pháp phân tích vật liệu.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và xử lý nước thải: Tham khảo quy trình chế tạo than hoạt tính hiệu quả, chi phí thấp từ vỏ măng cụt, áp dụng trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.

3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý sử dụng kháng sinh và xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh trong môi trường.

4. Người làm trong ngành chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản: Hiểu rõ tác động của kháng sinh CIP trong môi trường nước và các giải pháp xử lý hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn vỏ măng cụt làm nguyên liệu chế tạo than hoạt tính?
   Vỏ măng cụt chứa nhiều hợp chất xanthone với nhóm chức cacboxylic, phenolic và hydroxyl có khả năng hấp phụ cao. Ngoài ra, đây là phế phẩm nông nghiệp dồi dào, giá thành thấp và thân thiện môi trường, phù hợp cho sản xuất than hoạt tính.

2. Quá trình hoạt hóa bằng ZnCl2 có ưu điểm gì?
   Hoạt hóa bằng ZnCl2 giúp tăng diện tích bề mặt và tạo cấu trúc xốp cho than hoạt tính, nâng cao khả năng hấp phụ. Tỷ lệ MP:ZnCl2 = 1:2 được xác định là tối ưu trong nghiên cứu, cho hiệu suất hấp phụ CIP cao nhất.

3. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến hấp phụ CIP?
   Hiệu suất hấp phụ đạt cao nhất tại pH = 6 do CIP tồn tại ở dạng lưỡng cực và than hoạt tính có điểm đẳng điện phù hợp, tạo điều kiện tương tác điện tích và liên kết hydro tối ưu.

4. Mô hình hấp phụ nào phù hợp nhất với dữ liệu?
   Mô hình Langmuir phù hợp nhất, cho thấy hấp phụ diễn ra trên bề mặt đồng nhất với vị trí hấp phụ cố định, phù hợp với cơ chế hấp phụ hóa học.

5. Than hoạt tính ACMP có thể tái sử dụng được không?
   Nghiên cứu đề xuất cần tiếp tục khảo sát khả năng tái sinh và tái sử dụng than hoạt tính để giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

Kết luận

• Chế tạo thành công than hoạt tính từ vỏ măng cụt bằng phương pháp hoạt hóa hóa học với ZnCl2, đạt diện tích bề mặt riêng khoảng 850 m²/g và chỉ số iot 1153 mg/g.
• Quá trình hấp phụ Ciprofloxacin trên ACMP đạt hiệu suất cao nhất tại pH 6, thời gian cân bằng 60 phút, dung lượng hấp phụ cực đại khoảng 50 mg/g.
• Mô hình hấp phụ Langmuir và động học bậc hai phù hợp với dữ liệu, quá trình hấp phụ là tự phát và tỏa nhiệt.
• Than hoạt tính ACMP có khả năng xử lý hiệu quả mẫu nước thải chăn nuôi chứa CIP, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý môi trường.
• Đề xuất triển khai sản xuất quy mô công nghiệp, ứng dụng trong xử lý nước thải và nghiên cứu tái sinh than hoạt tính để nâng cao hiệu quả và bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển sản phẩm than hoạt tính từ vỏ măng cụt, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong xử lý các loại kháng sinh và chất ô nhiễm khác trong môi trường nước.