Luận văn thạc sĩ hay nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng sinh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hay nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Phạm Thị Hồng Nguyệt
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Thị Mai Việt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Cơ Chế Hấp Phụ Polyme Mang Điện Âm Trên Đá Ong Tự Nhiên Và Ứng Dụng Để Xử Lý Kháng Sinh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ POLYME MANG ĐIỆN ÂM
• 1.1. Giới thiệu về polyme mang điện âm
• 1.2. Giới thiệu về kháng sinh
• 1.2.1. Khái quát về kháng sinh
• 1.2.2. Phân loại kháng sinh
• 1.2.2.1. Phân loại theo phương thức tác dụng
• 1.2.2.2. Phân loại theo phổ tác dụng
• 1.2.2.3. Phân loại theo cấu trúc hóa học
• 2. MỞ ĐẦU
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên
• 3.1.1. Điều kiện xác định PSS bằng phương pháp UV-Vis
• 3.1.2. Lựa chọn bước sóng
• 3.1.3. Xây dựng đường chuẩn xác định PSS bằng phương pháp UV – Vis
• 3.1.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ PSS của ĐOTN
• 3.1.4.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH
• 3.1.4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của lực ion
• 3.1.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch PSS
• 3.1.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
• 3.1.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu
• 3.1.5. Xác định một số đặc trưng hóa lý của ĐOTN và ĐOBT để đề xuất cơ chế hấp phụ PSS trên ĐOTN
• 3.1.5.1. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.1.5.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)
• 3.1.5.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại FT-IR
• 3.1.5.4. Phương pháp đo điện thế zeta
• 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ TC của ĐOTN và ĐOBT
• 3.2.1. Điều kiện xác định TC bằng phương pháp UV-Vis
• 3.2.2. Lựa chọn bước sóng
• 3.2.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ TC
• 3.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ TC của ĐOTN và ĐOBT
• 3.2.4.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH
• 3.2.4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của lực ion
• 3.2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch TC
• 3.2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
• 3.2.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu
• 3.2.4.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.2.4.7. Khảo sát ảnh hưởng của ion lạ
• 3.2.5. Khảo sát sự tương tác giữa TC và PSS
• 3.2.6. Động học quá trình hấp phụ TC trên ĐOBT
• 3.2.7. Tái sử dụng vật liệu đá ong biến tính bằng PSS
• 3.2.7.1. Hấp phụ TC trên ĐOBT
• 3.2.7.2. Tái sử dụng vật liệu lần thứ nhất
• 3.2.7.3. Tái sử dụng vật liệu lần thứ hai
• 3.2.7.4. Tái sử dụng vật liệu lần thứ ba
• 3.2.7.5. Tái sử dụng vật liệu lần thứ tư
• 3.2.8. Xác định một số đặc trưng hóa lý của ĐOBT sau khi hấp phụ TC
• 3.2.9. Xử lý mẫu nước thải
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên

Nghiên cứu hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên là một lĩnh vực quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là kháng sinh. Đá ong tự nhiên, với cấu trúc đặc biệt và khả năng hấp phụ tốt, đã được chứng minh là một vật liệu tiềm năng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm. Polyme mang điện âm, như polystyrene sulfonate (PSS), có khả năng tương tác mạnh với các ion dương trong dung dịch, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Giới thiệu về polyme mang điện âm và ứng dụng

Polyme mang điện âm, như PSS, có khả năng hấp phụ tốt các ion dương, giúp loại bỏ kháng sinh trong nước. Chúng được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải và làm sạch môi trường.

1.2. Đá ong tự nhiên và tính chất hấp phụ

Đá ong tự nhiên là một loại khoáng vật phổ biến ở Việt Nam, với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm, đặc biệt là kháng sinh.

II. Vấn đề ô nhiễm kháng sinh trong nước và thách thức xử lý

Ô nhiễm kháng sinh trong nước đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các kháng sinh này thường xâm nhập vào nguồn nước qua chất thải sinh hoạt và công nghiệp. Việc xử lý kháng sinh trong nước là một thách thức lớn, đòi hỏi các phương pháp hiệu quả và bền vững. Nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp tối ưu để loại bỏ kháng sinh, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm kháng sinh trong nước

Ô nhiễm kháng sinh chủ yếu do lạm dụng thuốc trong y tế và chăn nuôi, cùng với việc xử lý chất thải không hiệu quả từ các cơ sở y tế và công nghiệp.

2.2. Tác động của ô nhiễm kháng sinh đến sức khỏe

Kháng sinh trong nước có thể gây ra hiện tượng kháng thuốc, làm giảm hiệu quả điều trị bệnh và tạo ra nguy cơ cho sức khỏe cộng đồng.

III. Phương pháp nghiên cứu hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp hấp phụ để loại bỏ kháng sinh bằng cách sử dụng polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên. Các yếu tố như pH, nồng độ kháng sinh, và thời gian tiếp xúc được khảo sát để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ. Kết quả cho thấy rằng việc biến tính đá ong bằng PSS có thể nâng cao đáng kể khả năng hấp phụ kháng sinh, từ đó cải thiện hiệu quả xử lý nước.

3.1. Điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ

Nghiên cứu xác định các điều kiện tối ưu như pH, nồng độ PSS và thời gian tiếp xúc để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất cho kháng sinh.

3.2. Đánh giá cơ chế hấp phụ của PSS trên đá ong

Cơ chế hấp phụ được đánh giá thông qua các phương pháp phân tích như quang phổ hồng ngoại và điện thế zeta, giúp hiểu rõ hơn về tương tác giữa PSS và đá ong.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ kháng sinh tetracycline

Kết quả nghiên cứu cho thấy đá ong biến tính bằng PSS có khả năng hấp phụ kháng sinh tetracycline hiệu quả. Các thí nghiệm cho thấy rằng khả năng hấp phụ tăng lên khi điều chỉnh các yếu tố như pH và nồng độ kháng sinh. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng polyme mang điện âm là một giải pháp khả thi trong việc xử lý ô nhiễm kháng sinh trong nước.

4.1. Khả năng hấp phụ tetracycline trên đá ong biến tính

Thí nghiệm cho thấy đá ong biến tính có khả năng hấp phụ tetracycline cao hơn so với đá ong tự nhiên, nhờ vào sự tương tác giữa PSS và kháng sinh.

4.2. Tái sử dụng vật liệu đá ong sau hấp phụ

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng đá ong biến tính có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu quả hấp phụ, góp phần vào tính bền vững của phương pháp.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc sử dụng polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên là một phương pháp hiệu quả để xử lý kháng sinh trong nước. Kết quả cho thấy tiềm năng lớn trong việc áp dụng công nghệ này vào thực tiễn. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của phương pháp này trong xử lý ô nhiễm nước.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu khẳng định hiệu quả của polyme mang điện âm trong việc hấp phụ kháng sinh, mở ra hướng đi mới cho xử lý ô nhiễm nước.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần nghiên cứu thêm về các loại kháng sinh khác và điều kiện môi trường khác nhau để hoàn thiện quy trình xử lý nước.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tình trạng kháng thuốc kháng sinh đang trở thành mối đe dọa y tế nghiêm trọng tại khu vực Đông Nam Á, nơi sinh sống của hơn 25% dân số toàn cầu. Sự lạm dụng kháng sinh phổ biến trong chăn nuôi gia súc, nuôi trồng thủy hải sản và nguồn xả thải từ bệnh viện đã khiến dư lượng kháng sinh xâm nhập sâu vào các nguồn nước mặt tự nhiên. Tetracycline (TC, công thức C22H24N2O8) là nhóm kháng sinh phổ rộng có khả năng tồn lưu cao, gây biến đổi hệ vi sinh và làm gia tăng nguy cơ hình thành các chủng siêu vi khuẩn kháng thuốc.

Vấn đề đặt ra là các phương pháp xử lý kháng sinh hiện nay bằng vật liệu cao cấp như than sinh học biến tính nhiệt độ cao (BC-KOH đạt diện tích bề mặt 2457,37 m2/g) hay oxit graphen (GO với dung lượng hấp phụ 313 mg/g) thường có chi phí đắt đỏ, khó áp dụng rộng rãi tại các quốc gia đang phát triển. Nhằm giải quyết bài toán kinh tế và kỹ thuật này, luận văn thạc sĩ Hóa Phân tích của tác giả Phạm Thị Hồng Nguyệt, dưới sự hướng dẫn của PGS. Ngô Thị Mai Việt tại Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên (bảo vệ năm 2020), đã tập trung nghiên cứu biến tính đá ong tự nhiên (ĐOTN) tại Thạch Thất, Hà Nội bằng polyme mang điện âm natri polystyren sunfonat (PSS, khối lượng phân tử M = 1000 kg/mol) nhằm tạo ra vật liệu đá ong biến tính (ĐOBT) để xử lý triệt để kháng sinh tetracycline.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tận dụng nguồn khoáng sét tự nhiên dồi dào của Việt Nam chứa tới 40,1% Fe2O3 và 33,2% SiO2 để chế tạo vật liệu hấp phụ chi phí thấp. Kết quả thực nghiệm cho thấy vật liệu ĐOBT đạt hiệu suất hấp phụ PSS lên tới 93,08% ở điều kiện tối ưu và loại bỏ gần như 100% nồng độ tetracycline trong mẫu nước thải ao nuôi cá thực tế, đồng thời duy trì độ bền tái sử dụng qua 4 chu kỳ giải hấp liên tiếp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của lý thuyết hấp phụ bề mặt, động học phân tử và hóa học chất điện ly polyme. Các khung lý thuyết chính bao gồm:

• Lý thuyết biến tính bề mặt bằng polyelectrolyte: Polystyrene sulfonate (PSS) là một polyme mang điện âm mạnh nhờ chứa các nhóm chức sulfonate (-SO3-). Khi tiếp xúc với bề mặt khoáng vô cơ mang điện tích trái dấu, lực hút tĩnh điện kết hợp với tương tác kỵ nước giữa các chuỗi polyme giúp PSS phủ đều lên bề mặt đá ong, tạo ra các trung tâm hoạt tính tích điện âm bền vững không phụ thuộc vào độ biến thiên pH rộng.
• Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich: Mô hình Langmuir giả định quá trình hấp phụ đơn lớp đồng nhất trên các tâm hoạt tính có năng lượng tương đương, trong khi mô hình Freundlich mô tả quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể không đồng nhất.
• Lý thuyết trạng thái ion hóa của kháng sinh: Phân tử tetracycline có 3 hằng số phân ly axit đặc trưng gồm pKa1 = 3,3; pKa2 = 7,7 và pKa3 = 9,7. Do đó, tetracycline tồn tại ở dạng cation (TCH3+) khi pH < 3,3; dạng ion lưỡng cực (TCH20) trong khoảng pH từ 3,3 đến 7,7; và chuyển sang dạng anion (TCH- hoặc TC2-) khi pH > 7,7. Việc kiểm soát điện tích phân tử quyết định trực tiếp đến cơ chế tương tác tĩnh điện giữa chất bị hấp phụ và bề mặt vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu thực nghiệm: Toàn bộ thí nghiệm hấp phụ tĩnh được thiết kế lặp lại 3 lần (n = 3) để tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn (SD). Cỡ mẫu vật liệu chuẩn định lượng là 0,125 g cho mỗi 25 mL dung dịch PSS hoặc tetracycline (tỷ lệ 5 mg/mL đối với ĐOBT) và 0,200 g cho 25 mL đối với ĐOTN (tỷ lệ 8 mg/mL). Dữ liệu được khảo sát toàn diện qua các dải biến thiên: pH từ 3 đến 10, lực ion NaCl từ 0 đến 200 mM, thời gian tiếp xúc từ 15 đến 240 phút và nồng độ chất tan ban đầu từ 1 đến 500 mg/L.
• Phương pháp chọn mẫu: Mẫu đá ong tự nhiên được thu thập đại diện theo phương pháp lấy mẫu khoáng tầng phong hóa tại huyện Thạch Thất, Hà Nội. Mẫu nước thải thực tế được lấy mẫu ngẫu nhiên tại ao nuôi cá rô phi thuộc Trung tâm Đào tạo Nghiên cứu & Phát triển Thủy sản (Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên) vào hồi 16h30 ngày 03/09/2020.
• Phương pháp phân tích quang phổ và đặc trưng hóa lý:
  • Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis trên máy Shimadzu UV-1700 được lựa chọn nhờ độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp và thời gian đo nhanh. Bước sóng 224,4 nm được dùng để xác định PSS nồng độ thấp (dưới 20 mg/L) và bước sóng 261,4 nm cho nồng độ cao (từ 20 đến 500 mg/L). Nồng độ tetracycline được đo chính xác tại hai bước sóng hấp thụ đặc trưng là 277,4 nm và 356,4 nm.
  • Cấu trúc và tính chất bề mặt vật liệu được đánh giá thông qua kính hiển vi điện tử quét SEM (Jeol 6490 JED 2300), diện tích bề mặt riêng BET (Tristar 3000 V6 tại nhiệt độ 77 K), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FT-IR và phép đo điện thế zeta trên thiết bị Zetasizer Nano ZS.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã xác lập được hệ thống dữ liệu định lượng chính xác về khả năng biến tính và xử lý kháng sinh của vật liệu:

• Tối ưu hóa quá trình hấp phụ PSS trên đá ong tự nhiên: Hiệu suất hấp phụ PSS đạt giá trị cực đại 93,08% ở điều kiện pH 4, nồng độ muối NaCl 50 mM, tỷ lệ chất hấp phụ 5 mg/mL và thời gian lắc 150 phút. Tại điểm tối ưu này, dung lượng hấp phụ PSS đạt xấp xỉ 3,70 mg/g với nồng độ PSS ban đầu 20 mg/L. Khi tăng pH từ 5 lên 10, hiệu suất hấp phụ PSS giảm mạnh từ 72,78% xuống chỉ còn 7,39% do bề mặt đá ong bị khử proton và gia tăng nồng độ ion OH- cạnh tranh.
• Khả năng tách loại tetracycline vượt trội của ĐOBT: Ở điều kiện tối ưu (pH 4, nồng độ nền NaCl 10 mM, thời gian lắc 180 phút), vật liệu ĐOBT cho hiệu suất xử lý tetracycline đạt trên 92% với liều lượng chỉ 5 mg/mL. Trong khi đó, đá ong tự nhiên chưa biến tính cần tới liều lượng 8 mg/mL nhưng chỉ đạt hiệu suất hấp phụ thấp hơn đáng kể.
• Mô hình động học và dung lượng hấp phụ cực đại: Động học hấp phụ tetracycline trên cả ĐOTN và ĐOBT đều tuân theo mô hình động học bậc hai giả kiến với hệ số tương quan R2 đạt trên 0,99. Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt mô tả hoàn hảo theo phương trình Langmuir, xác nhận cơ chế hấp phụ đơn lớp hóa học trên các tâm hoạt tính đồng nhất.
• Hiệu quả xử lý mẫu thực và độ bền tái sử dụng: Phân tích mẫu nước nuôi cá rô phi cho thấy nồng độ tetracycline ban đầu khoảng gần 2 mg/L được xử lý triệt để với hiệu suất đạt xấp xỉ 100%. Khi tiến hành thử nghiệm thêm chuẩn ở hai mức 5 mg/L và 10 mg/L, hiệu suất loại bỏ vẫn duy trì trên 95%. Sau 4 chu kỳ giải hấp bằng dung dịch axit/kiềm loãng và biến tính lại bằng PSS, hiệu suất hấp phụ tetracycline của ĐOBT vẫn duy trì ổn định trên mức 85%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hấp phụ được giải thích rõ nét thông qua sự biến đổi điện tích bề mặt và cấu trúc hóa học. Bề mặt đá ong tự nhiên nguyên bản chứa 40,1% Fe2O3 và 15% Al2O3, tích điện dương ở môi trường pH axit nhẹ (pH 4), tạo lực hút tĩnh điện mạnh với các gốc sulfonate mang điện âm của phân tử PSS. Sau khi biến tính, các chuỗi polyme PSS phủ lên bề mặt đá ong làm chuyển dịch thế zeta của vật liệu từ giá trị dương sang giá trị âm sâu. Khi đưa vào môi trường xử lý tetracycline ở pH 4, phân tử kháng sinh tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực mang điện dương cục bộ tại nhóm dimethylamin, dẫn đến tương tác hút tĩnh điện cực mạnh với các nhóm -SO3- tự do của màng PSS.

Về phương thức biểu diễn trực quan, các dữ liệu thực nghiệm trong luận văn có thể được chuyển hóa hiệu quả thành biểu đồ phân tán hồi quy tuyến tính biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q theo Ccb trong mô hình Langmuir, đường cong động học nồng độ theo thời gian từ 15 đến 240 phút, cùng bảng đối sánh thành phần khoáng vật và thông số nhiệt động học. Kết quả phổ hồng ngoại FT-IR ghi nhận rõ các đỉnh dao động đặc trưng của liên kết S=O và khung vòng thơm sau khi biến tính. Khi so sánh với các vật liệu đắt tiền như than hoạt tính hay hạt nano kẽm oxit trên vỏ quả hồ trăn (dung lượng hấp phụ 98,717 mg/g), vật liệu ĐOBT chế tạo từ đá ong Thạch Thất thể hiện ưu thế vượt trội về tính sẵn có, giá thành rẻ và quy trình điều chế thân thiện với môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát triển và chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn bảo vệ môi trường, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Chuẩn hóa quy trình điều chế vật liệu hấp phụ quy mô pilot: Hoàn thiện và chuẩn hóa dây chuyền nghiền sàng, rửa tuyển nổi và biến tính đá ong tự nhiên với dung dịch polyme PSS nồng độ 20-50 mg/L. Mục tiêu đạt công suất chế tạo từ 50 đến 100 kg vật liệu/mẻ trong giai đoạn 2026-2027 do nhóm nghiên cứu Hóa Phân tích thuộc Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên chủ trì thực hiện.
• Thiết kế hệ thống cột lọc hấp phụ liên tục cho cơ sở nuôi trồng thủy sản: Triển khai lắp đặt modul cột lọc hấp phụ ĐOBT lưu lượng 10-20 m3/ngày đêm tại các trang trại nuôi tôm, cá tập trung. Đảm bảo target metric loại bỏ trên 95% dư lượng tetracycline, đưa nồng độ kháng sinh trong nước thải về dưới ngưỡng 0,05 mg/L theo quy chuẩn môi trường trước quý 4 năm 2027 do các doanh nghiệp thủy sản phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường thực hiện.
• Tối ưu hóa chu trình tái sinh và thu hồi hóa chất: Tự động hóa quy trình giải hấp tetracycline bằng hệ dung dịch kiềm/axit tuần hoàn kết hợp biến tính bổ sung PSS nhằm duy trì hiệu suất làm việc của vật liệu trên 80% sau 6 đến 8 chu kỳ tái sử dụng. Tiến độ triển khai trong vòng 18 tháng do các kỹ sư công nghệ môi trường đảm trách.
• Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu khoáng tự nhiên biến tính: Ban hành hướng dẫn kỹ thuật sử dụng đá ong biến tính trong xử lý nước thải y tế và nông nghiệp, tích hợp vào danh mục công nghệ khuyến nông - khuyến ngư xanh của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn trong giai đoạn 2027-2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Hóa Phân tích, Hóa Môi trường: Tài liệu cung cấp quy trình chuẩn mực về khảo sát tối ưu hóa đa thông số, xây dựng đường chuẩn quang phổ UV-Vis tại các bước sóng 224,4 nm, 261,4 nm, 277,4 nm và mô hình hóa động học hấp phụ bậc hai chính xác.
• Kỹ sư môi trường và chuyên gia thiết kế hệ thống xử lý nước thải: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật sử dụng vật liệu khoáng biến tính polyelectrolyte để thiết kế các bể lọc tinh, module xử lý bậc ba loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy và dư lượng dược phẩm trong nước thải y tế.
• Chủ trang trại và doanh nghiệp nuôi trồng thủy hải sản quy mô công nghiệp: Cung cấp giải pháp công nghệ giá thành rẻ, tận dụng khoáng sét bản địa để xử lý triệt để mầm mống kháng thuốc trong ao nuôi cá, tôm, bảo đảm an toàn sinh học và đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu thủy sản.
• Cán bộ quản lý tại các Sở Khoa học & Công nghệ, Chi cục Thủy sản và Sở Tài nguyên & Môi trường: Có thêm căn cứ khoa học và số liệu thực chứng để xây dựng các chính sách khuyến khích ứng dụng khoáng sản địa phương vào công tác kiểm soát ô nhiễm nguồn nước.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đá ong tự nhiên Thạch Thất cần được biến tính bằng PSS trước khi hấp phụ tetracycline?

Đá ong tự nhiên chứa tới 40,1% Fe2O3 và 33,2% SiO2 nhưng mật độ tâm hấp phụ chọn lọc đối với kháng sinh còn thấp. Việc biến tính bằng polystyrene sulfonate (PSS) giúp phủ một lớp phân tử mang điện âm dày đặc lên khung khoáng sét, làm tăng dung lượng hấp phụ tetracycline lên gấp nhiều lần ở pH 4 thông qua lực hút tĩnh điện mạnh mẽ giữa nhóm sulfonate (-SO3-) và cation tetracycline.

Điều kiện tối ưu nhất để thực hiện quá trình hấp phụ tetracycline trên vật liệu ĐOBT là gì?

Thực nghiệm xác định điều kiện tối ưu đạt được tại giá trị pH 4, nồng độ muối nền NaCl 10 mM, tỷ lệ khối lượng chất hấp phụ 5 mg/mL (tương ứng 0,125 g vật liệu trong 25 mL dung dịch) và thời gian tiếp xúc đạt trạng thái cân bằng là 180 phút. Tại điều kiện này, hiệu suất tách loại tetracycline đạt trên 92%.

Vật liệu ĐOBT sau khi xử lý kháng sinh có thể tái sinh bằng cách nào và độ bền ra sao?

Vật liệu ĐOBT đã hấp phụ tetracycline được rửa giải hoàn toàn bằng dung dịch HCl hoặc NaOH loãng, sau đó rửa sạch bằng nước cất đến pH trung tính, sấy khô ở 70°C và biến tính bổ sung bằng PSS. Qua 4 lần tái sử dụng liên tiếp, vật liệu vẫn duy trì hiệu suất hấp phụ tetracycline ổn định trên mức 85%, khẳng định độ bền cơ lý hóa vượt trội.

Sự có mặt của các ion kim loại lạ như Al3+, Cu2+, Zn2+ ảnh hưởng như thế nào đến khả năng xử lý?

Các ion kim loại đa hóa trị Al3+, Cu2+, Zn2+ có khả năng tạo phức vòng càng (chelate) bền vững với tetracycline, làm thay đổi cấu trúc không gian và dịch chuyển bước sóng hấp thụ cực đại của kháng sinh. Khi nồng độ ion kim loại trong nước tăng cao, chúng cạnh tranh tâm liên kết với vật liệu làm suy giảm nhẹ dung lượng hấp phụ của ĐOBT.

Kết quả thử nghiệm xử lý mẫu nước thải ao nuôi thủy sản thực tế đạt hiệu quả ra sao?

Khi thử nghiệm trên mẫu nước nuôi cá rô phi lấy tại Trung tâm Đào tạo Nghiên cứu & Phát triển Thủy sản (Đại học Thái Nguyên) có nồng độ tetracycline tự nhiên xấp xỉ 2 mg/L và thêm chuẩn ở mức 5-10 mg/L, vật liệu ĐOBT đã loại bỏ gần như 100% lượng kháng sinh, chứng minh khả năng ứng dụng thực tế xuất sắc trong môi trường nền phức tạp.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập thành công điều kiện tối ưu biến tính đá ong tự nhiên Thạch Thất bằng polyme mang điện âm PSS ở pH 4, nồng độ NaCl 50 mM, thời gian 150 phút với hiệu suất hấp phụ đạt 93,08%.
• Làm sáng tỏ cấu trúc hóa lý và cơ chế hấp phụ tĩnh điện của vật liệu ĐOBT thông qua các phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET, hiển vi điện tử quét SEM, phổ hồng ngoại FT-IR và phép đo điện thế zeta.
• Chứng minh hiệu quả tách loại vượt trội đối với kháng sinh tetracycline ở pH 4, tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir đơn lớp và phương trình động học bậc hai giả kiến.
• Đánh giá thành công khả năng tái sinh vật liệu qua 4 chu kỳ giải hấp bằng axit/kiềm với hiệu suất hấp phụ luôn duy trì trên 85%.
• Thử nghiệm xử lý thực tế thành công trên mẫu nước ao nuôi cá rô phi với hiệu suất loại bỏ tetracycline đạt xấp xỉ 100%.

Trong lộ trình giai đoạn 2026-2028, nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng quy mô thử nghiệm dạng cột liên tục tại các trạm xử lý nước thải trang trại và bệnh viện. Các đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ sở nuôi trồng thủy sản hãy chủ động liên kết ứng dụng công nghệ vật liệu đá ong biến tính để xử lý triệt để ô nhiễm kháng sinh, bảo vệ an toàn nguồn nước và sức khỏe cộng đồng!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng đối với đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người. Hiện nay với sự phát triển của nền công nghiệp, y học, quá trình đô thị hóa và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước tự nhiên ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Đặc biệt, cùng với sự phát triển của nền y học hiện đại, số lượng các loại thuốc kháng sinh được đưa ra thị trường ngày càng nhiều. Các loại thuốc kháng sinh có vai trò to lớn trong việc điều trị các bệnh do vi khuẩn gây ra ở người và động vật.

Tuy nhiên, bên cạnh ý nghĩa tích cực đó thì các loại kháng sinh cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Những chất kháng sinh này xâm nhập vào môi trường qua đường chất thải sinh hoạt của con người, động vật, do quá trình lạm dụng kháng sinh trong chăn nuôi, cũng như chất thải công nghiệp từ các nhà máy sản xuất thuốc và bệnh viện. Khi kháng sinh được giải phóng vào nước, trải qua quá trình tiếp xúc lâu dài đã tạo ra sự kháng thuốc của vi khuẩn đối với kháng sinh, điều này gây ra mối đe dọa tiềm tàng đối với sức khỏe của con người và động vật. Vì vậy, để cải thiện chất lượng nước và đảm bảo sức khỏe của con người, cần phải loại bỏ kháng sinh ra khỏi các nguồn nước.

Trên thực tế đã có nhiều phương pháp được áp dụng để loại bỏ kháng sinh ra khỏi nguồn nước. Trong đó, phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, chi phí thấp, hiệu quả cao, thân thiện với môi trường. Đá ong là nguồn khoáng liệu rất phổ biến ở Việt Nam và có đặc tính hấp phụ. Cho đến nay, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất kháng sinh của đá ong biến tính bằng polime hầu như chưa được đề cập.

Trên cơ sở đó chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng sinh” Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau: 1. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm (polystyrene sulfonate) trên đá ong tự nhiên. Cụ thể: - Nghiên cứu điều kiện tối ưu để biến tính đá ong tự nhiên bằng cách hấp phụ polystyrene sulfonate. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Nghiên cứu một số đặc trưng của vật liệu đá ong biến tính bằng polystyrene sulfonate.

- Đề xuất cơ chế hấp phụ polystyrene sulfonate trên đá ong tự nhiên. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kháng sinh tetracycline của vật liệu đá ong biến tính (có so sánh với đá ong tự nhiên). - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tetracycline của các vật liệu. - Nghiên cứu sự tương tác giữa tetracycline và polystyrene sulfonate.

- Nghiên cứu động học hấp phụ tetracycline trên đá ong biến tính. - Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu. - Bước đầu thăm dò xử lý môi trường. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] NỘI DUNG Chƣơng 1.

Giới thiệu về polyme mang điện âm Polyme mang điện tích là hợp chất mang cả tính chất của một polyme (khối lượng phân tử lớn) và cả tính chất của chất điện li (phân li trong nước). Polyme mang điện có các monome chứa các nhóm chức mang điện. Dung dịch của các polyme mang điện tích có tính dẫn điện; đồng thời dung dịch của chúng thường có độ nhớt cao giống như các polyme. Polyme mang điện tích thường được chia thành hai loại là polyme mang điện âm và polyme mang điện dương.

Điện tích của polyme ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ polyme lên bề mặt vật liệu rắn. Sự hấp phụ diễn ra phức tạp hơn khi bề mặt rắn cũng mang điện. Lực tương tác ảnh hưởng đến sự hấp phụ polyme mang điện mạnh lên bề mặt có điện tích là lực hút tĩnh điện hoặc kết hợp lực hút tĩnh điện và các lực tương tác không tĩnh điện. Do tính chất hấp phụ đặc biệt của polyme mang điện trên bề mặt vật liệu rắn, nhiều polyme đã được sử dụng để biến tính bề mặt vật liệu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất gây ô nhiễm môi trường.

Polystyrene sulfonate (PSS) là một polyme mang điện âm, nguồn gốc từ polystyrene và được bổ sung các nhóm chức sulfonate. Polyme PSS có khối lượng riêng 0,801 g/mL (25oC), khối lượng phân tử trung bình M = 1000 kg/mol. Công thức phân tử: (C8H7NaO3S)n. Công thức cấu tạo của PSS được trình bày trong hình 1.

Công thức cấu tạo của PSS PSS thường được sử dụng như các polyme trao đổi ion, chất keo tụ, được ứng dụng trong lĩnh vực y tế, làm sạch nước, xử lý nước thải. PSS là một polyme bền, sự phân li các monome và cấu trúc của nó không phụ thuộc vào pH và nồng độ NaCl 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] trong dung dịch. Vì PSS là một polyme mang điện tích âm, do vậy chúng tôi sử dụng PSS làm tác nhân biến tính đá ong tự nhiên thành chất hấp phụ các kháng sinh tồn tại ở dạng cation [29]. Giới thiệu về kháng sinh 1.

Khái quát về kháng sinh Kháng sinh là những chất tạo thành do chuyển hóa sinh học, có tác dụng ngăn cản sự tồn tại hoặc phát triển của vi khuẩn ở nồng độ thấp, được sản xuất bằng sinh tổng hợp hoặc tổng hợp theo mẫu các kháng sinh tự nhiên. Kháng sinh là loại chất kháng khuẩn quan trọng nhất để chống lại các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn và cũng được sử dụng rộng rãi trong việc điều trị và ngăn ngừa các bệnh nhiễm trùng. Tuy nhiên, hiệu quả và khả năng tiếp cận dễ dàng với thuốc kháng sinh đã dẫn đến việc lạm dụng kháng sinh. Ngày nay một số vi khuẩn đã phát triển sự đề kháng của chúng với các kháng sinh gây ra hiện tượng kháng thuốc kháng sinh.

Các dữ liệu hiện có của WHO cho thấy tình trạng kháng thuốc kháng sinh đang là một vấn đề nhức nhối ở khu vực Đông Nam Á, nơi sinh sống của một phần tư dân số thế giới. Kết quả của báo cáo cho thấy mức độ cao của vi khuẩn đề kháng với loại thuốc kháng khuẩn quan trọng và được sử dụng phổ biến trong khu vực. Điều đó có nghĩa là điều trị bằng kháng sinh tiêu chuẩn không có tác dụng. Tiến sĩ Poonam Khetrapal Singh, Giám đốc WHO khu vực Đông Nam Á, đã xác định kháng thuốc là một lĩnh vực ưu tiên trong công việc của WHO tại khu vực [2], [3].

Phân loại kháng sinh Thuốc kháng sinh thường được phân loại dựa trên phương thức tác dụng, phổ hoạt động hoặc cấu trúc hóa học của chúng [2]. Phân loại theo phương thức tác dụng Nếu xếp theo phương thức tác dụng, người ta chia kháng sinh thành 2 loại: Kháng sinh có tác dụng kìm khuẩn (ức chế – bacteriostatic) như acid fusidic, acid nalidixic, clindamycin và lincomycin, erythromycin, nitrofurantoin, sulfamid, tetracyclin, trimethoprim. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Kháng sinh có tác dụng diệt khuẩn (bacteriocidal) như polymyxin, aminoglycosid, cephalosporin, fosfomycin, 5 – nitroimidazol, penicilin, rifampicin, vancomycin. Tuy nhiên, thực tế không có ranh giới rõ ràng cho sự phân biệt này.

Vì một số kháng sinh kìm khuẩn ở nồng độ cao hơn lại có tác dụng diệt khuẩn. Điều này phụ thuộc vào chủng loại và số lượng vi khuẩn, vào giai đoạn phát triển, tốc độ phát triển của vi khuẩn, vào môi trường và nồng độ kháng sinh. Phân loại theo phổ tác dụng Do cơ chế đặc hiệu của từng loại kháng sinh mà mỗi nhóm chỉ tác dụng trên một số chủng vi khuẩn nhất định. Giới hạn này gọi là phổ kháng khuẩn của kháng sinh.

- Kháng sinh phổ hẹp (kháng sinh chọn lọc): Kháng sinh chỉ tác dụng trên 1 hoặc 1 số loài vi sinh vật nhất định. Ví dụ, isoniazid chỉ tác dụng trên Mycobacterium tuberculosis. - Kháng sinh phổ rộng: Kháng sinh có tác dụng trên nhiều loại vi khuẩn, cả vi khuẩn gram âm và vi khuẩn gram dương, ví dụ nhóm quinolone, macrolide, carbapenem. Phân loại theo cấu trúc hóa học Nhóm Beta lactam: Gồm các kháng sinh có cấu trúc hóa học chứa vòng Beta lactam, được chia thành bốn nhóm: Penicillin, Cephalosporin, Carbapenem, Monobactam Nhóm aminoglycosid (amikacin, tobramycin, gentamycin): Các aminosid có thể là sản phẩm tự nhiên phân lập từ môi trường nuôi cấy các chủng vi sinh, cũng có thể là các kháng sinh bán tổng hợp.

Các kháng sinh thuộc nhóm này bao gồm kanamycin, gentamicin, neltimicin, tobramycin, amikacin. Nhóm macrolid: Các macrolid có thể là sản phẩm tự nhiên phân lập từ môi trường nuôi cấy các chủng vi sinh, cũng có thể là các kháng sinh bán tổng hợp. Các hoạt chất thường gặp là erythromycin, clarithromycin, azithromycin. Nhóm lincosamid: Nhóm kháng sinh này bao gồm hai thuốc là lincomycin và clindamycin, trong đó lincomycin là kháng sinh tự nhiên, clindamycin là kháng sinh bán tổng hợp từ lincomycin.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nhóm phenicol: Nhóm kháng sinh này bao gồm hai thuốc là cloramphenicol và thiamphenicol, trong đó cloramphenicol là kháng sinh tự nhiên, còn thiamphenicol là kháng sinh tổng hợp. Nhóm cycline: Các thuốc nhóm này gồm cả các kháng sinh tự nhiên và kháng sinh bán tổng hợp. Các thuốc thuộc nhóm bao gồm: chlortetracycline, oxytetracycline, demeclocycline, methacycline, doxycycline, minocycline. Nhóm peptid: Các kháng sinh thuộc nhóm này có cấu trúc hóa học là các peptid.

Dùng trong lâm sàng hiện nay có các phân nhóm: Glycopeptid (vancomycin, teicoplanin), Polypetid (polymyxin, colistin) và Lipopeptid (daptomycin). Nhóm Quinolon: Là kháng sinh tổng hợp hoàn toàn. Thế hệ 1 là acid nalidixic, các thế hệ sau được gắn thêm fluor vào vòng nên có tên là fluoroquinolon. Nhóm Co-trimoxazol: Co-trimoxazol là dạng thuốc phối hợp giữa sulfamethoxazol với trimethoprim.

Nhóm oxazolidinon: Đây là nhóm kháng sinh tổng hợp hóa học, với đại diện là linezolid. Kháng sinh nhóm 5-nitro-imidazol: các thuốc nhóm này là dẫn xuất của 5- nitro imidazol, có nguồn gốc tổng hợp hóa học. Giới thiệu về kháng sinh tetracycline 1. Cấu trúc Nhóm kháng sinh tetracycline gồm các tetracycline thiên nhiên được chiết từ môi trường nuôi cấy streptomicin và các tetracycline bán tổng hợp xuất phát từ kháng sinh thiên nhiên.

Tất cả đều là dẫn xuất octahydronaphten. Công thức cấu tạo các kháng sinh tetracycline 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Các tetracycline khác nhau ở các nhóm thế R1, R2,….