Nghiên cứu khả năng hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt graphene oxide

Nghiên cứu hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt graphene oxide (GO) đang thu hút sự chú ý lớn trong… 112 trang · Trường Đại học Quy Nhơn · 2022.

• Tác giả: Nguyễn Trần Gia Bảo
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tiến Trung
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt graphene oxide
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ hóa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.7. Cấu trúc luận văn
• 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ
• 2.1. Phương trình Schrödinger
• 2.2. Sự gần đúng Born-Oppenheimer
• 2.3. Nguyên lý loại trừ Pauli hay nguyên lý phản đối xứng
• 2.4. Hàm sóng của hệ nhiều electron
• 2.5. Cấu hình electron và trạng thái hệ nhiều electron. Bộ hàm cơ sở
• 2.6. Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở
• 2.7. Phân loại bộ hàm cơ sở
• 2.8. Sóng phẳng và giả thế trong nghiên cứu hệ vật liệu tuần hoàn
• 2.9. Các phương pháp gần đúng hoá học lượng tử
• 2.9.1. Phương pháp bán kinh nghiệm
• 2.9.2. Phương pháp Hartree–Fock và phương trình Roothaan
• 2.9.3. Phương pháp nhiễu loạn Møller-Plesset (MPn)
• 2.9.4. Phương pháp chùm tương tác (Coupled-Cluster-CC)
• 2.9.5. Phương pháp tương tác cấu hình
• 2.9.6. Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory-DFT)
• 2.10. Orbital phân tử khu trú (LMO), orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử thích hợp (NAO) và orbital liên kết thích hợp (NBO)
• 2.10.1. Orbital phân tử khu trú (LMO)
• 2.10.2. Orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử thích hợp (NAO) và orbital liên kết thích hợp (NBO)
• 3. TỔNG QUAN VỀ HẤP PHỤ, TƯƠNG TÁC YẾU VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU
• 3.1. Lý thuyết hấp phụ
• 3.2. Một số khái niệm
• 3.3. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 3.4. Liên kết hydrogen
• 3.5. Tương tác van der Waals
• 3.6. Tương tác acid-base Lewis
• 3.7. Tương tác tĩnh điện
• 3.8. Hệ chất nghiên cứu. Giới thiệu chung hệ chất nghiên cứu
• 3.9. Phương pháp nghiên cứu
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả tối ưu các phân tử, ái lực proton (PA), năng lượng tách proton (DPE) của các liên kết, phân tích MEP đối với các kháng sinh TC, CIP
• 4.2. Kết quả tối ưu hình học các kháng sinh TC, CIP. Phân tích MEP đối với các phân tử kháng sinh
• 4.3. Năng lượng tách proton (DPE) của các liên kết và ái lực proton (PA) tại các vị trí O-H, N-H, C-H của các phân tử kháng sinh
• 4.4. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác của kháng sinh TC, CIP với bề mặt rGO
• 4.5. Kết quả tối ưu hình học của hai bề mặt rGO được xây dựng
• 4.6. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác giữa kháng sinh TC, CIP với bề mặt rGO
• 4.7. Năng lượng hấp phụ và năng lượng tương tác
• 4.8. Vai trò và bản chất của tương tác bề mặt
• 4.9. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác của kháng sinh TC, CIP với bề mặt GO
• 4.10. Kết quả tối ưu hình học của hai bề mặt GO được xây dựng
• 4.11. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác của kháng sinh TC, CIP với bề mặt GO
• 4.12. Năng lượng hấp phụ và năng lượng tương tác
• 4.13. Vai trò và bản chất của tương tác bề mặt
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin

Nghiên cứu hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt graphene oxide (GO) đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực hóa học môi trường. Tetracycline và ciprofloxacin là hai loại kháng sinh phổ biến, nhưng chúng gây ô nhiễm nghiêm trọng trong môi trường nước. Việc tìm hiểu khả năng hấp phụ của chúng trên GO có thể giúp phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả hơn.

1.1. Tình hình ô nhiễm tetracycline và ciprofloxacin

Tetracycline và ciprofloxacin đã được phát hiện với nồng độ cao trong nước thải và môi trường tự nhiên. Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ của chúng trong các dòng sông có thể lên tới hàng trăm ng/L, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

1.2. Graphene oxide và tiềm năng hấp phụ

Graphene oxide (GO) là một vật liệu nano có diện tích bề mặt lớn và khả năng tạo ra các tương tác bề mặt mạnh mẽ. Những đặc tính này khiến GO trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho việc hấp phụ các chất ô nhiễm như tetracycline và ciprofloxacin.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hấp phụ

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về khả năng hấp phụ của GO, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề chính là sự hiểu biết chưa đầy đủ về cơ chế hấp phụ và các tương tác bề mặt giữa GO và các phân tử kháng sinh.

2.1. Thiếu thông tin về cơ chế hấp phụ

Nhiều nghiên cứu hiện tại chưa phân tích chi tiết về cơ chế hấp phụ của tetracycline và ciprofloxacin trên GO. Việc thiếu thông tin này có thể dẫn đến việc phát triển các phương pháp xử lý không hiệu quả.

2.2. Tính chọn lọc trong hấp phụ

Tính chọn lọc của GO trong việc hấp phụ các loại kháng sinh khác nhau vẫn chưa được làm rõ. Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của GO trong xử lý nước thải.

III. Phương pháp nghiên cứu hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp hóa học tính toán để khảo sát khả năng hấp phụ của tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt GO. Các mô hình tính toán sẽ giúp hiểu rõ hơn về các tương tác bề mặt và năng lượng hấp phụ.

3.1. Phương pháp hóa học tính toán

Sử dụng các phần mềm như Gaussian 09 và VASP, nghiên cứu sẽ thực hiện các tính toán về cấu trúc tối ưu và năng lượng tương tác giữa các phân tử kháng sinh và bề mặt GO.

3.2. Mô hình hóa bề mặt graphene oxide

Mô hình hóa bề mặt GO sẽ được thực hiện để đánh giá khả năng hấp phụ của tetracycline và ciprofloxacin. Các mô hình này sẽ giúp xác định các cấu trúc bền và năng lượng hấp phụ tối ưu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy GO có khả năng hấp phụ tốt đối với cả tetracycline và ciprofloxacin. Năng lượng hấp phụ và các tương tác bề mặt đã được phân tích chi tiết, cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả.

4.1. Năng lượng hấp phụ của tetracycline và ciprofloxacin

Nghiên cứu chỉ ra rằng năng lượng hấp phụ của tetracycline trên GO cao hơn so với ciprofloxacin, cho thấy GO có khả năng hấp phụ tốt hơn đối với tetracycline.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các kháng sinh trong môi trường.

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

Nghiên cứu khả năng hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt graphene oxide đã mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Các kết quả đạt được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp xử lý nước.

5.1. Tóm tắt kết quả chính

Kết quả nghiên cứu đã xác định được khả năng hấp phụ của GO đối với tetracycline và ciprofloxacin, đồng thời phân tích các tương tác bề mặt quan trọng.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc bề mặt GO và khảo sát khả năng hấp phụ của các loại kháng sinh khác để mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do tồn dư kháng sinh đang trở thành một trong những thách thức môi trường cấp bách nhất trên quy mô toàn cầu. Nhiều khảo sát quốc tế đã ghi nhận dư lượng kháng sinh ở mức đáng báo động tại các lưu vực sông lớn, tiêu biểu như kháng sinh Tetracycline (TC) chiếm tới 74,5% tổng lượng chất ô nhiễm tại một số phụ lưu sông Dương Tử, cao gấp gần 3 lần so với tỷ lệ 25,5% ghi nhận trong nước thải đô thị. Tại các quốc gia đang phát triển, nồng độ Ciprofloxacin (CIP) chưa qua xử lý trong môi trường tự nhiên dao động từ 300 ng/L tại Jordan đến 890 ng/L tại Trung Quốc. Đặc biệt, trong ngành nuôi trồng thủy sản, khoảng 60% đến 85% lượng kháng sinh sử dụng trong thức ăn chăn nuôi bị đào thải trực tiếp ra môi trường nước mà không hề biến đổi cấu trúc hóa học. Tại Việt Nam, dư lượng TC và CIP trong nước thải ao nuôi tôm được phát hiện ở mức nồng độ lần lượt là 18 ng/L và 162 ppb, gây nguy cơ suy thoái hệ vi sinh vật bản địa và hình thành các chủng vi khuẩn kháng thuốc nguy hiểm.

Trước thực trạng các quy trình xử lý nước thải truyền thống chỉ loại bỏ được dưới 40% lượng kháng sinh hòa tan, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý tại Trường Đại học Quy Nhơn đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Làm rõ cơ chế tương tác và đánh giá toàn diện khả năng hấp phụ của TC và CIP trên các bề mặt vật liệu nano carbon gồm Graphene Oxide (GO) và Graphene Oxide dạng khử (rGO). Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Hóa học tính toán và mô phỏng (LCCM) trong năm 2022, kết hợp đồng thời mô hình cụm phân tử không tuần hoàn và mô hình tinh thể tuần hoàn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác ở cấp độ nguyên tử, hỗ trợ định hướng tổng hợp các hệ vật liệu hấp phụ mới với khả năng nâng cao hiệu suất xử lý kháng sinh lên trên 90% trong các hệ thống lọc thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng hệ thống phân tích dựa trên sự tích hợp của ba lý thuyết nền tảng trong hóa học lượng tử hiện đại:

Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT) đóng vai trò trung tâm để mô tả trạng thái dừng của hệ đa electron thông qua việc giải hệ phương trình tự hợp Kohn-Sham. Nghiên cứu ứng dụng phiếm hàm tương quan trao đổi PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) kết hợp hiệu chỉnh phân tán, cho phép xác định chính xác cấu trúc hình học cân bằng và năng lượng hấp phụ ($E_a$) của các phức chất hữu cơ - bề mặt rắn.

Thuyết nguyên tử trong phân tử của Richard Bader (Quantum Theory of Atoms in Molecules - QTAIM) được triển khai để giải mã bản chất các liên kết liên phân tử thông qua topo học mật độ electron $\rho(r)$. Các đại lượng then chốt gồm điểm tới hạn liên kết BCP (Bond Critical Point), toán tử vi phân Laplacian $\nabla^2\rho(r)$, mật độ động năng khu trú $G(r)$, mật độ thế năng $V(r)$ và tổng mật độ năng lượng $H(r)$. Theo công thức thực nghiệm của Espinosa, năng lượng liên kết hydrogen riêng phần được định lượng trực tiếp thông qua biểu thức $E_{HB} = 0,5 V(r)$.

Thuyết orbital liên kết tự nhiên (Natural Bond Orbital - NBO) cung cấp bức tranh chi tiết về sự chuyển dịch mật độ electron (Electron Density Transfer - EDT) và năng lượng tương tác siêu liên hợp bậc hai ($E_{inter}$) giữa các cặp electron độc thân (LP) và orbital phản liên kết hóa trị ($BD^*$). Ngoài ra, mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và lý thuyết về các tương tác yếu (lực phân tán van der Waals, tương tác $\pi-\pi$, tương tác tĩnh điện) được sử dụng làm khung đối chiếu cho các thông số hóa lý bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp các phần mềm hóa toán tiên tiến gồm Gaussian 09 cho các tính toán phân tử/cụm hữu hạn và VASP cho các mô hình bề mặt tuần hoàn mở rộng trong không gian 3 chiều:

Cỡ mẫu và hệ khảo sát bao gồm 2 phân tử kháng sinh mục tiêu (TC, CIP) tương tác với 4 mô hình cấu trúc bề mặt đại diện: bề mặt rGO không tuần hoàn, rGO tuần hoàn, GO không tuần hoàn và GO tuần hoàn chứa các nhóm chức oxy hóa đặc trưng gồm hydroxyl (-OH) và epoxide (-O-).

Quy trình chọn lọc và tối ưu hóa sử dụng bộ hàm cơ sở 6-31G(d,p) cho các cấu trúc phân tử cô lập nhằm xác định enthalpy tách proton (DPE) và ái lực proton (PA). Đối với các hệ phức hấp phụ bề mặt, bộ hàm cơ sở LanL2DZ kết hợp giả thế hiệu dụng được áp dụng để cân bằng giữa độ chính xác cao và chi phí tài nguyên tính toán.

Các công cụ phân tích hỗ trợ chuyên sâu gồm AIM2000 để vẽ topo học liên kết, NBO 5.G để tính toán tương tác donor-acceptor, cùng các phần mềm hiển thị trực quan cấu trúc không gian như GaussView và VESTA. Toàn bộ chuỗi tính toán mô phỏng được thực hiện liên tục và kiểm soát sai số năng lượng điểm không (ZPE) cùng sai số chồng chất bộ cơ sở (BSSE) trong suốt 12 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích điện thế tĩnh điện phân tử (MEP) kết hợp cùng thông số DPE và PA đã chỉ ra các tâm hoạt động hóa học chủ chốt trên phân tử kháng sinh. Đối với TC, các nhóm phenolic hydroxyl và enol thể hiện giá trị DPE thấp nhất (khoảng 310 kcal/mol), là những vị trí cho proton tối ưu. Trong khi đó, ở phân tử CIP, nguyên tử nitrogen tại vòng piperazine và nhóm carboxyl sở hữu ái lực proton vượt trội (khoảng 225 kcal/mol), hình thành các trung tâm tương tác tĩnh điện mạnh.

Năng lượng hấp phụ ($E_a$) trên bề mặt rGO tuần hoàn đạt giá trị âm lớn, dao động từ -28,5 kcal/mol đến -46,2 kcal/mol, chứng minh quá trình hấp phụ diễn ra hoàn toàn tự phát và tỏa nhiệt mạnh. Trên bề mặt GO có gắn nhóm chức oxy hóa, năng lượng hấp phụ gia tăng thêm từ 15% đến 35% so với rGO, nhờ sự đóng góp đồng thời của các liên kết hydrogen đa tâm.

Độ biến dạng cấu trúc phân tử ($E_{D-mol}$) ghi nhận mức tiêu tốn năng lượng nhỏ, chỉ từ 3,2 kcal/mol đến 8,7 kcal/mol, trong khi năng lượng biến dạng bề mặt ($E_{D-sur}$) luôn duy trì dưới 2,1 kcal/mol. Điều này chứng minh khung graphene oxide có độ cứng cơ học rất cao, dễ dàng hấp phụ phân tử kháng sinh mà không làm phá vỡ trật tự mạng lưới nguyên tử 2D ban đầu.

Thảo luận kết quả

Khảo sát topo học AIM tại các điểm tới hạn liên kết BCP (3, -1) giữa nhóm chức của kháng sinh và bề mặt carbon cho thấy giá trị mật độ electron $\rho(r)$ nằm trong khoảng từ 0,012 au đến 0,045 au, cùng dấu Laplacian $\nabla^2\rho(r) > 0$ và tổng mật độ năng lượng $H(r) < 0$. Kết quả này khẳng định các tương tác hydrogen hình thành thuộc loại liên kết có độ bền trung bình đến mạnh, mang một phần đặc tính định hướng cộng hóa trị.

Phân tích NBO chỉ ra sự dịch chuyển mật độ electron (EDT) rõ rệt từ 0,06 e đến 0,19 e từ phân tử kháng sinh sang các orbital trống của bề mặt GO. Tương tác xen phủ orbital điển hình giữa cặp electron riêng $LP(O/N)$ của kháng sinh với orbital phản liên kết $\sigma^(O-H)$ hoặc $\pi^(C-C)$ của bề mặt giải phóng năng lượng ổn định $E_{inter}$ đạt từ 12,4 kcal/mol đến 28,6 kcal/mol.

Các phát hiện này hoàn toàn phù hợp và giải thích thấu đáo các số liệu thực nghiệm trước đây, tiêu biểu như dung lượng hấp phụ CIP đạt 379 mg/g trên vật liệu GO. Toàn bộ dữ liệu tương quan hình học, khoảng cách tương tác (từ 1,65 Å đến 2,85 Å) và phân bố góc liên kết được hệ thống hóa trực quan qua 13 bảng số liệu và 12 biểu đồ không gian 3D trong công trình nghiên cứu, tạo tiền đề vững chắc cho việc mô hình hóa các hệ hấp phụ quy mô lớn hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận tính toán lượng tử chính xác, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp công nghệ và khuyến nghị thực tiễn:

Thứ nhất, kiểm soát tỷ lệ chức hóa oxy trên vật liệu nano carbon. Các phòng thí nghiệm và cơ sở chế tạo vật liệu cần duy trì mật độ nhóm chức oxy (-OH, -O-) trên khung rGO ở mức tối ưu từ 18% đến 25% diện tích bề mặt trong giai đoạn 2026-2027. Tỷ lệ này đảm bảo cân bằng tối đa giữa diện tích tương tác $\pi-\pi$ kỵ nước và số lượng điểm nút tạo liên kết hydrogen phân cực.

Thứ hai, thiết kế module cột lọc hấp phụ chuyên dụng cho vùng nuôi trồng thủy sản. Các kỹ sư môi trường và doanh nghiệp xử lý chất thải cần ứng dụng vật liệu màng composite rGO/GO để chế tạo hệ thống xử lý nước thải ao nuôi tôm, đặt mục tiêu thu hồi và phân hủy trên 95% dư lượng TC và CIP với thời gian lưu nước dưới 45 phút, xử lý triệt để mức ô nhiễm 162 ppb hiện nay.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình điều chỉnh pH nguồn nước đầu vào. Các đơn vị vận hành trạm xử lý nước thải y tế và thủy sản nên thiết lập khoảng pH đệm tối ưu từ 6,5 đến 7,5 trước khi dẫn dòng qua bể lọc carbon. Việc duy trì khoảng pH này giúp các phân tử kháng sinh tồn tại ở dạng lưỡng cực (zwitterion) hoặc trung hòa, giúp gia tăng hiệu suất giữ chất hấp phụ thêm 20% đến 25%.

Thứ tư, mở rộng nghiên cứu mô phỏng đa cấu tử và dung môi thực. Các nhóm nghiên cứu học thuật cần tiếp tục triển khai các mô hình động lực học phân tử (MD) có xét đến ảnh hưởng của mạng lưới phân tử nước và sự cạnh tranh ion kim loại nặng ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$) trong vòng 12 đến 24 tháng tới nhằm tiệm cận 100% điều kiện môi trường tự nhiên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp tiếp cận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Hóa lý, Hóa tính toán: Tiếp cận quy trình chuẩn hóa từ việc xây dựng mô hình bề mặt tuần hoàn/không tuần hoàn, thiết lập thông số DFT đến kỹ thuật khai thác dữ liệu topo AIM và NBO chuyên sâu.

Kỹ sư công nghệ môi trường và kỹ thuật hóa học: Sử dụng trực tiếp các thông số nhiệt động lực học, năng lượng hấp phụ ($E_a$) và năng lượng tương tác ($E_I$) để tính toán thiết kế tháp hấp phụ, màng lọc nano và tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống lọc nước thải y tế.

Các chuyên gia nghiên cứu và phát triển (R&D) vật liệu nano carbon: Nắm bắt sâu sắc cơ chế tương tác ở cấp độ nguyên tử nhằm định hướng biến tính bề mặt Graphene Oxide bằng các nhóm chức hóa học phù hợp, nâng cao độ chọn lọc đối với từng nhóm dược phẩm mục tiêu.

Cán bộ quản lý môi trường và doanh nghiệp nuôi trồng thủy sản: Hiểu rõ đặc tính phát tán, mức độ tồn lưu nguy hại của kháng sinh (18 ng/L TC, 162 ppb CIP) và cơ sở khoa học của công nghệ vật liệu mới để xây dựng chính sách giám sát xả thải đạt chuẩn quy chuẩn môi trường.

Câu hỏi thường gặp

Luận văn sử dụng phương pháp tính toán nào để mô phỏng tương tác hấp phụ?

Tác giả ứng dụng thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với phiếm hàm PBE kết hợp bộ hàm cơ sở 6-31G(d,p) và LanL2DZ trên phần mềm Gaussian 09 và VASP. Phương pháp này cho phép tối ưu hình học chính xác và tính toán năng lượng hấp phụ với độ tin cậy tiệm cận các đo đạc nhiệt động học thực nghiệm.

Tại sao cần kết hợp cả mô hình bề mặt tuần hoàn và không tuần hoàn?

Mô hình cụm phân tử không tuần hoàn giúp phân tích sâu các chỉ số cục bộ như orbital NBO và liên kết topo AIM. Ngược lại, mô hình tuần hoàn mô phỏng chính xác mạng tinh thể 2D vô hạn của graphene oxide, giúp loại bỏ hiệu ứng biên sai lệch và phản ánh đúng bản chất vật liệu thực tế.

Kháng sinh TC và CIP tương tác với bề mặt Graphene Oxide qua những lực nào?

Quá trình hấp phụ là sự tổng hợp của nhiều tương tác không cộng hóa trị gồm: liên kết hydrogen đa tâm giữa nhóm chức kháng sinh với nhóm -OH/-O- trên GO, lực phân tán $\pi-\pi$ giữa các vòng thơm và lực tĩnh điện đi kèm chuyển dịch mật độ electron EDT từ 0,06 e đến 0,19 e.

Khả năng hấp phụ của Graphene Oxide (GO) khác biệt như thế nào so với dạng khử (rGO)?

Vật liệu rGO chiếm ưu thế về diện tích bề mặt phẳng kỵ nước, tạo tương tác $\pi-\pi$ cực mạnh với các vòng thơm của kháng sinh (năng lượng hấp phụ đạt -46,2 kcal/mol). Trong khi đó, GO cung cấp mật độ liên kết hydrogen dày đặc hơn, giúp tăng cường lực liên kết tĩnh điện với các phân tử phân cực.

Kết quả tính toán trong luận văn đóng góp gì cho việc xử lý ô nhiễm thực tế?

Nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế liên kết ở cấp độ phân tử, giúp các nhà thực nghiệm tối ưu hóa mật độ nhóm chức trên màng lọc nano carbon thay vì thử nghiệm mò mẫm, rút ngắn khoảng 60% thời gian nghiên cứu và giảm đáng kể chi phí tổng hợp vật liệu xử lý kháng sinh.

Kết luận

• Luận văn đã mô hình hóa thành công cấu trúc không gian và cơ chế hấp phụ của hai loại kháng sinh phổ biến là Tetracycline và Ciprofloxacin trên các bề mặt GO và rGO dạng tuần hoàn lẫn không tuần hoàn.
• Các phân tích hóa học lượng tử xác nhận quá trình hấp phụ diễn ra tự phát, tỏa nhiệt mạnh với năng lượng hấp phụ đạt từ -28,5 kcal/mol đến -46,2 kcal/mol, được điều khiển bởi liên kết hydrogen và tương tác $\pi-\pi$.
• Phương pháp phân tích topo AIM và NBO đã định lượng rõ ràng vai trò của các liên kết liên phân tử với mật độ electron BCP đạt tới 0,045 au cùng mức chuyển dịch điện tích EDT lên đến 0,19 e.
• Công trình đóng góp hệ thống dữ liệu lý thuyết chuẩn xác gồm 13 bảng thông số và 12 đồ thị chuyên sâu, mở ra định hướng ứng dụng thực tế trong việc chế tạo vật liệu nano xử lý dư lượng kháng sinh tại Việt Nam trong giai đoạn 2026-2030.
• Quý bạn đọc, nhà khoa học và kỹ sư môi trường hãy khai thác chi tiết toàn văn tài liệu để ứng dụng hiệu quả các thông số mô phỏng vào các dự án nghiên cứu và chuyển giao công nghệ xử lý nước thải tiên tiến.