Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường do dư lượng kháng sinh ngày càng gia tăng, việc xử lý các chất này trong nước thải trở thành vấn đề cấp bách. Kháng sinh tetracycline (TC) và ciprofloxacin (CIP) được phát hiện với nồng độ cao trong nhiều nguồn nước tự nhiên và nước thải, đặc biệt tại các khu vực nuôi trồng thủy sản phát triển như Việt Nam. Theo báo cáo của ngành, nồng độ TC trong các phụ lưu sông Dương Tử chiếm khoảng 74,5% trong số các chất gây ô nhiễm, cao gấp ba lần so với nguồn nước thải. Tại Việt Nam, dư lượng TC và CIP trong nước thải hồ tôm lần lượt khoảng 18 ng.L⁻¹ và 162 ppb, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng hấp phụ TC và CIP trên bề mặt graphene oxide (GO) và graphene oxide dạng khử (rGO) bằng phương pháp hóa học tính toán, nhằm hiểu rõ bản chất các tương tác bề mặt và đề xuất vật liệu hấp phụ hiệu quả. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các bề mặt GO, rGO và phân tử TC, CIP, sử dụng các mô hình tính toán lượng tử hiện đại, tập trung vào các tương tác yếu và cấu trúc phức bền. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước, đặc biệt ứng dụng trong ngành nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hóa học lượng tử hiện đại để mô phỏng và phân tích các tương tác hấp phụ ở cấp độ phân tử. Hai lý thuyết chính được áp dụng là:

  • Phương pháp thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT): Sử dụng phiếm hàm PBEPBE kết hợp với các bộ hàm cơ sở 6-31G(d,p) và LanL2DZ để tính toán năng lượng, mật độ điện tử và các thông số cấu trúc đặc trưng cho các tương tác giữa phân tử kháng sinh và bề mặt GO, rGO.

  • Thuyết nguyên tử trong phân tử (Atom In Molecule - AIM): Phân tích các điểm tới hạn liên kết (Bond Critical Point - BCP) để xác định bản chất và cường độ các liên kết hydrogen, tương tác van der Waals, và các tương tác yếu khác trong hệ phức.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: năng lượng hấp phụ (Ea), năng lượng tương tác (EI), năng lượng biến dạng phân tử (ED-mol), năng lượng biến dạng bề mặt (ED-sur), orbital liên kết thích hợp (NBO), và các điểm tới hạn liên kết (BCP). Mô hình nghiên cứu tập trung vào sự hấp phụ của hai phân tử kháng sinh TC và CIP trên các bề mặt GO và rGO, cả dạng tuần hoàn và không tuần hoàn, nhằm đánh giá tính chọn lọc và hiệu quả hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả tính toán lượng tử được thực hiện bằng phần mềm Gaussian 09 và VASP với các phương pháp DFT và các bộ hàm cơ sở phù hợp. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các cấu trúc phân tử TC, CIP và các mô hình bề mặt GO, rGO được xây dựng và tối ưu hóa hình học. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng cấu trúc tối ưu và phân tích các hệ phức tạo thành giữa kháng sinh và bề mặt vật liệu.

Phân tích dữ liệu được thực hiện qua các công cụ AIM2000, NBO 5.G, VESTA và Gaussview để đánh giá mật độ electron, các điểm tới hạn liên kết, năng lượng hấp phụ và tương tác. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, tập trung vào việc xây dựng mô hình, tính toán và phân tích kết quả nhằm đưa ra đánh giá toàn diện về khả năng hấp phụ và bản chất các tương tác bề mặt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc hình học và năng lượng hấp phụ: Các phân tử TC và CIP được tối ưu hóa với các cấu trúc bền phù hợp với số liệu thực nghiệm. Năng lượng hấp phụ của TC trên bề mặt rGO dạng tuần hoàn đạt khoảng -56 kcal.mol⁻¹, cao hơn so với trên GO (-48 kcal.mol⁻¹), cho thấy rGO có khả năng hấp phụ mạnh hơn đối với TC. Đối với CIP, năng lượng hấp phụ trên rGO và GO lần lượt là khoảng -52 kcal.mol⁻¹ và -45 kcal.mol⁻¹.

  2. Vai trò các tương tác bề mặt: Phân tích AIM và NBO cho thấy các liên kết hydrogen và tương tác π-π đóng vai trò chủ đạo trong quá trình hấp phụ. Mật độ electron tại các điểm tới hạn liên kết (ρ(r)) và năng lượng liên kết hydrogen (EHB) được xác định rõ, với giá trị EHB dao động từ -3 đến -6 kcal.mol⁻¹ tùy từng hệ phức, chứng tỏ sự ổn định của các tương tác này.

  3. So sánh giữa GO và rGO: rGO với bề mặt tuần hoàn và ít nhóm chức oxy hóa hơn cho phép tương tác π-π mạnh mẽ hơn với các vòng thơm của TC và CIP, dẫn đến năng lượng hấp phụ cao hơn. Sự biến dạng bề mặt (ED-sur) và phân tử (ED-mol) trong quá trình hấp phụ cũng thấp hơn trên rGO, cho thấy tính ổn định cấu trúc tốt hơn.

  4. Tính chọn lọc hấp phụ: TC có xu hướng hấp phụ mạnh hơn CIP trên cả hai bề mặt GO và rGO, với mức chênh lệch năng lượng hấp phụ khoảng 8-10%. Điều này có thể liên quan đến cấu trúc phân tử và khả năng tạo liên kết hydrogen của TC nhiều hơn CIP.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt về năng lượng hấp phụ giữa GO và rGO chủ yếu do sự khác biệt về cấu trúc bề mặt và nhóm chức oxy hóa. rGO với cấu trúc tuần hoàn và ít nhóm chức hơn tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác π-π giữa các vòng thơm của kháng sinh và bề mặt vật liệu, làm tăng cường hấp phụ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệu carbon dạng khử có hiệu quả hấp phụ cao hơn trong xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm.

So sánh với các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng trước đây, kết quả luận văn khẳng định vai trò quan trọng của các tương tác yếu như liên kết hydrogen và tương tác π-π trong quá trình hấp phụ kháng sinh trên vật liệu carbon. Việc phân tích chi tiết các điểm tới hạn liên kết và năng lượng tương tác cung cấp cái nhìn sâu sắc về bản chất các tương tác bề mặt, giúp định hướng phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh năng lượng hấp phụ giữa TC và CIP trên GO và rGO, bảng tổng hợp các thông số mật độ electron và năng lượng liên kết hydrogen tại các điểm tới hạn, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và tính ổn định của các hệ phức.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển vật liệu rGO cải tiến: Tăng cường xử lý và khử oxy hóa bề mặt GO để tạo ra rGO với cấu trúc tuần hoàn cao, nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ kháng sinh TC và CIP. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm vật liệu và công ty sản xuất vật liệu carbon, trong vòng 12-18 tháng.

  2. Ứng dụng rGO trong xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản: Triển khai thử nghiệm thực tế sử dụng rGO làm vật liệu hấp phụ trong hệ thống xử lý nước thải hồ tôm, nhằm giảm dư lượng kháng sinh, đặc biệt TC và CIP. Chủ thể thực hiện: các cơ sở nuôi trồng thủy sản và trung tâm nghiên cứu môi trường, trong 6-12 tháng.

  3. Nghiên cứu phối hợp vật liệu hấp phụ và quá trình oxi hóa nâng cao: Kết hợp rGO với các phương pháp oxi hóa nâng cao để tăng hiệu quả loại bỏ kháng sinh trong nước, giảm thiểu tác động môi trường. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu công nghệ môi trường, trong 12 tháng.

  4. Phát triển mô hình tính toán và mô phỏng: Mở rộng nghiên cứu sử dụng các phương pháp hóa học tính toán để khảo sát hấp phụ các loại kháng sinh khác trên các vật liệu carbon, nhằm tối ưu hóa thiết kế vật liệu hấp phụ. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu hóa học tính toán, liên tục cập nhật và phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu hóa học tính toán và vật liệu: Luận văn cung cấp phương pháp và kết quả chi tiết về mô phỏng hấp phụ kháng sinh trên vật liệu carbon, hỗ trợ phát triển nghiên cứu chuyên sâu về tương tác bề mặt.

  2. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả hấp phụ TC và CIP trên GO, rGO giúp lựa chọn vật liệu phù hợp trong công nghệ xử lý nước thải, đặc biệt trong nuôi trồng thủy sản.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu carbon: Cơ sở dữ liệu về cấu trúc và tính chất hấp phụ giúp cải tiến sản phẩm rGO, nâng cao tính cạnh tranh và ứng dụng thực tiễn.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành hóa học, môi trường: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng hóa học lượng tử trong nghiên cứu vật liệu và xử lý ô nhiễm, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn graphene oxide và graphene oxide dạng khử làm vật liệu hấp phụ?
    GO và rGO có diện tích bề mặt lớn, khả năng tạo tương tác π-π và liên kết hydrogen mạnh với các phân tử hữu cơ như kháng sinh, giúp hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước.

  2. Phương pháp hóa học tính toán có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chi tiết các tương tác phân tử ở cấp độ nguyên tử, giúp hiểu rõ bản chất hấp phụ và dự đoán hiệu quả vật liệu mà không cần thử nghiệm tốn kém.

  3. Kháng sinh TC và CIP khác nhau như thế nào về khả năng hấp phụ?
    TC có cấu trúc phân tử phức tạp hơn với nhiều nhóm chức có thể tạo liên kết hydrogen, dẫn đến khả năng hấp phụ mạnh hơn CIP trên cả hai bề mặt GO và rGO.

  4. Các tương tác bề mặt nào đóng vai trò chính trong quá trình hấp phụ?
    Liên kết hydrogen và tương tác π-π giữa các vòng thơm của kháng sinh và bề mặt vật liệu là các tương tác chủ đạo, quyết định độ bền và hiệu quả hấp phụ.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả giúp lựa chọn và thiết kế vật liệu hấp phụ hiệu quả cho xử lý nước thải chứa kháng sinh, đặc biệt trong ngành nuôi trồng thủy sản, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

  • Đã xác định được các cấu trúc bền của phức TC và CIP hấp phụ trên bề mặt GO và rGO với năng lượng hấp phụ dao động từ -45 đến -56 kcal.mol⁻¹.
  • rGO thể hiện khả năng hấp phụ vượt trội hơn GO nhờ cấu trúc tuần hoàn và tương tác π-π mạnh mẽ.
  • Liên kết hydrogen và tương tác π-π là các tương tác bề mặt chủ đạo trong quá trình hấp phụ.
  • TC hấp phụ mạnh hơn CIP, cho thấy tính chọn lọc của vật liệu hấp phụ đối với từng loại kháng sinh.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển vật liệu hấp phụ và công nghệ xử lý ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước, đặc biệt ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng và ứng dụng các kết quả mô phỏng, đồng thời mở rộng khảo sát các loại kháng sinh khác và vật liệu hấp phụ mới. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.