Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ và Phân Hủy Ciprofloxacine Trong Môi Trường Nước

• Tác giả: Dương Văn Phương
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Văn Nhượng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ và Phân Hủy Ciprofloxacine Trong Nước Bằng Vật Liệu Hydrotalcite Biến Tính
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Hóa Học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CỦA LUẬN VĂN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CIPROFLOXACINE
• 1.1. Cấu tạo và tính chất Ciprofloxacine
• 1.2. Độc tính của Ciprofloxacine
• 1.3. Tình hình ô nhiễm nước thải bởi Ciprofloxacine
• 2. MỞ ĐẦU
• 2.1. Tổng quan về Ciprofloxacine
• 2.2. Cấu tạo và tính chất
• 2.3. Độc tính của Ciprofloxacine
• 2.4. Tình hình ô nhiễm nước thải bởi Ciprofloxacine
• 2.5. Giới thiệu vật liệu Mg-Al-hydrotalcite
• 2.6. Tổng hợp các vật liệu hydrotalcite
• 2.7. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc xử lý nước thải có chứa Ciprofloxacine
• 2.8. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới vật liệu Mg-Al-hydrotalcite
• 2.9. Thiết bị và hóa chất
• 2.10. Tổng hợp vật liệu Mg-Al-hydrotalcite và hydrotalcite biến tính bằng Cu2+, Co2+, biến tính đồng thời bằng Cu2+ và Co2+
• 2.11. Xây dựng đường chuẩn Ciprofloxacine và COD
• 2.12. Xây dựng đường chuẩn xác định Ciprofloxacine theo phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
• 2.13. Xây dựng đường chuẩn xác định COD phương pháp bicromat
• 2.14. Các phương pháp phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu
• 2.14.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.14.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.14.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 2.14.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.14.5. Phương pháp đ ng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (BET)
• 2.14.6. Phương pháp phổ UV-Vis DRS
• 2.15. Khảo sát khả năng hấp phụ, phân hủy ciprofloxacine của các vật liệu
• 2.15.1. Khảo sát khả năng hấp phụ ciprofloxacine của các vật liệu trong bóng tối
• 2.15.2. Khảo sát khả năng phân hủy CIP của vật liệu dưới ánh sáng khả kiến
• 2.15.3. Khảo sát cơ chế bẫy điện tử của vật liệu
• 2.15.4. Khả năng khoáng hóa của vật liệu
• 2.15.5. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu tổng hợp
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu
• 3.1.1. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu
• 3.1.2. Kết quả phân tích phổ EDX của các mẫu vật liệu
• 3.1.3. Kết quả phân tích phổ IR của các vật liệu tổng hợp
• 3.1.4. Kết quả phân tích ảnh SEM của các mẫu vật liệu tổng hợp
• 3.1.5. Kết quả phân tích đường đ ng nhiệt hấp phụ/giải hấp phụ N2 (BET) của các vật liệu tổng hợp
• 3.1.6. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (UV-Vis DRS) của vật liệu
• 3.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ, phân hủy CIP của các mẫu vật liệu
• 3.2.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ CIP trong bóng tối của các mẫu vật liệu
• 3.2.2. Kết quả khảo sát khả năng phân hủy Ciprofloxacine của các vật liệu tổng hợp
• 3.2.3. Khảo sát cơ chế bẫy điện tử của vật liệu
• 3.2.4. Kết quả khảo sát khả năng khoáng hóa của vật liệu
• 3.2.5. Khảo sát khả năng tái sử dụng mẫu vật liệu tổng hợp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Ciprofloxacine 55 ký tự

Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá khả năng hấp phụ và phân hủy ciprofloxacine trong nước bằng vật liệu hydrotalcite biến tính. Ciprofloxacine, một loại kháng sinh fluoroquinolone, được sử dụng rộng rãi nhưng lại gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Sự xuất hiện của ciprofloxacine trong nước thải đặt ra thách thức lớn về xử lý, do khả năng gây ra tình trạng kháng kháng sinh ở vi khuẩn. Các phương pháp xử lý nước thải hiện tại thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn ciprofloxacine, dẫn đến sự tích tụ trong môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do đó, việc tìm kiếm vật liệu và phương pháp xử lý mới là vô cùng cần thiết. Vật liệu hydrotalcite, đặc biệt là loại hydrotalcite biến tính, hứa hẹn là một giải pháp tiềm năng nhờ khả năng hấp phụ và quang xúc tác cao.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Việc Xử Lý Ô Nhiễm Dược Phẩm

Ô nhiễm dược phẩm trong môi trường nước là một vấn đề toàn cầu ngày càng gia tăng, đe dọa đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Ciprofloxacine, một trong những kháng sinh được sử dụng rộng rãi nhất, thường xuyên được tìm thấy trong nước thải sinh hoạt, nước mặt và thậm chí cả nước uống. Sự tồn tại của ciprofloxacine trong môi trường có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh, làm giảm hiệu quả của các phương pháp điều trị bệnh thông thường. Việc xử lý ô nhiễm môi trường trở nên cấp thiết để bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

1.2. Giới Thiệu Về Vật Liệu Hydrotalcite và Ưu Điểm

Hydrotalcite là một loại vật liệu lớp kép có cấu trúc tương tự như khoáng sét, với khả năng trao đổi ion và hấp phụ cao. Chúng có thể được tổng hợp dễ dàng và biến đổi để tăng cường hiệu quả hấp phụ dược phẩm và xúc tác của chúng. Hydrotalcite biến tính được tạo ra bằng cách thay thế các ion trong cấu trúc lớp bằng các ion kim loại khác, như Cu2+ và Co2+, để cải thiện tính chất xúc tác và khả năng hấp phụ. Hydrotalcite thể hiện tiềm năng lớn trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm từ môi trường nước do giá thành thấp, dễ điều chế và có khả năng tái sử dụng.

II. Thách Thức Xử Lý Ciprofloxacine Hiệu Quả Trong Nước 58 ký tự

Việc xử lý ciprofloxacine trong nước thải gặp nhiều khó khăn do tính chất bền vững và khả năng kháng lại sự phân hủy sinh học của nó. Các phương pháp xử lý truyền thống như keo tụ, lọc và khử trùng thường không loại bỏ hoàn toàn ciprofloxacine, dẫn đến sự tích tụ trong môi trường. Các phương pháp xử lý nước thải tiên tiến hơn như thẩm thấu ngược và hấp phụ bằng than hoạt tính có thể hiệu quả hơn, nhưng lại đắt đỏ và tiêu tốn nhiều năng lượng. Do đó, cần có một giải pháp xử lý ciprofloxacine hiệu quả về chi phí, thân thiện với môi trường và có khả năng ứng dụng rộng rãi. Nghiên cứu tập trung vào việc phân hủy ciprofloxacine bằng cách sử dụng vật liệu hydrotalcite biến tính dưới tác dụng của ánh sáng.

2.1. Giới Hạn Của Các Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Hiện Tại

Các phương pháp xử lý nước thải hiện tại thường tập trung vào việc loại bỏ các chất hữu cơ và vi sinh vật, nhưng ít quan tâm đến các chất ô nhiễm dược phẩm. Ngay cả các hệ thống xử lý nước thải tiên tiến cũng có thể không hiệu quả trong việc loại bỏ ciprofloxacine hoàn toàn, dẫn đến sự phát tán vào môi trường. Điều này đặt ra một thách thức lớn đối với các nhà quản lý môi trường và các nhà khoa học trong việc phát triển các phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường hiệu quả hơn.

2.2. Ảnh Hưởng Của Ciprofloxacine Đến Môi Trường Nước

Sự tồn tại của ciprofloxacine trong nước có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Nó có thể gây ra sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh, ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh và gây ra các vấn đề sức khỏe tiềm ẩn cho con người khi tiếp xúc với nước bị ô nhiễm. Nồng độ thấp của ciprofloxacine trong nước cũng có thể gây ra các tác động mãn tính đến sinh vật thủy sinh, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của chúng.

III. Hydrotalcite Biến Tính Giải Pháp Hấp Phụ Ciprofloxacine 59 ký tự

Nghiên cứu này đề xuất sử dụng vật liệu hydrotalcite biến tính để tăng cường khả năng hấp phụ và phân hủy ciprofloxacine. Việc biến tính hydrotalcite bằng các ion kim loại như Cu2+ và Co2+ tạo ra các trung tâm hoạt động xúc tác, giúp tăng tốc quá trình phân hủy ciprofloxacine dưới ánh sáng. Cơ chế hoạt động bao gồm cả hấp phụ dược phẩm trên bề mặt vật liệu và sau đó là quá trình quang xúc tác, trong đó ánh sáng kích thích các ion kim loại để tạo ra các gốc tự do, tấn công và phá vỡ cấu trúc của ciprofloxacine. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp hydrotalcite biến tính để đạt được hiệu quả xử lý ciprofloxacine cao nhất.

3.1. Tổng Hợp Hydrotalcite Quy Trình và Tối Ưu Hóa

Quy trình tổng hợp hydrotalcite thường bao gồm việc đồng kết tủa các muối kim loại trong môi trường kiềm. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả của vật liệu nano bao gồm tỷ lệ mol của các kim loại, pH của dung dịch, nhiệt độ và thời gian kết tinh. Việc tối ưu hóa các thông số này là rất quan trọng để đạt được hydrotalcite có cấu trúc tinh thể tốt, diện tích bề mặt lớn và số lượng trung tâm hoạt động xúc tác tối ưu.

3.2. Cơ Chế Hấp Phụ và Phân Hủy Quang Hóa Ciprofloxacine

Cơ chế hấp phụ của ciprofloxacine trên hydrotalcite có thể bao gồm tương tác tĩnh điện giữa các ion ciprofloxacine mang điện tích âm và các ion kim loại mang điện tích dương trên bề mặt vật liệu. Phân hủy quang hóa ciprofloxacine xảy ra khi ánh sáng chiếu vào vật liệu, tạo ra các electron và lỗ trống. Những electron và lỗ trống này có thể phản ứng với oxy và nước để tạo ra các gốc tự do, tấn công và phá vỡ cấu trúc của ciprofloxacine thành các sản phẩm không độc hại.

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng pH Nhiệt Độ Đến Hấp Phụ 57 ký tự

Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của pH và ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ và phân hủy ciprofloxacine bằng hydrotalcite biến tính. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của vật liệu và độ hòa tan của ciprofloxacine, do đó ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và động học hấp phụ, cũng như độ ổn định của vật liệu hydrotalcite. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của pH và nhiệt độ là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình xử lý ciprofloxacine trong điều kiện môi trường khác nhau.

4.1. Ảnh Hưởng Của pH Đến Khả Năng Hấp Phụ Ciprofloxacine

pH của dung dịch có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ ciprofloxacine của vật liệu hydrotalcite. Ciprofloxacine tồn tại ở các dạng ion khác nhau tùy thuộc vào pH. Nghiên cứu sẽ đánh giá ảnh hưởng của pH trong khoảng từ 3 đến 10 để xác định pH tối ưu cho hấp phụ dươc phẩm.

4.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Đến Động Học Hấp Phụ

Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến động học hấp phụ và hiệu quả xử lý ciprofloxacine. Nghiên cứu sẽ tiến hành các thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau để xác định nhiệt độ tối ưu cho quá trình hấp phụ. Kết quả nghiên cứu sẽ giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý ô nhiễm môt trường.

V. Kết Quả Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Ciprofloxacine 53 ký tự

Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả xử lý ciprofloxacine bằng hydrotalcite biến tính trong các điều kiện khác nhau. Hiệu quả xử lý ciprofloxacine được đánh giá bằng cách đo nồng độ ciprofloxacine trong nước trước và sau khi xử lý bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Kết quả nghiên cứu cho thấy hydrotalcite biến tính có khả năng hấp phụ và phân hủy ciprofloxacine đáng kể, đặc biệt dưới tác dụng của ánh sáng. Hiệu quả xử lý ciprofloxacine phụ thuộc vào các yếu tố như loại ion kim loại được sử dụng để biến tính, pH của dung dịch, nhiệt độ và cường độ ánh sáng.

5.1. Phương Pháp Phân Tích Ciprofloxacine Bằng HPLC

Phương pháp phân tích HPLC là một kỹ thuật mạnh mẽ để xác định và định lượng ciprofloxacine trong nước. Phương pháp này cho phép xác định chính xác nồng độ ciprofloxacine và đánh giá hiệu quả xử lý của vật liệu hydrotalcite.

5.2. So Sánh Hiệu Quả Xử Lý Ciprofloxacine Giữa Các Mẫu

Nghiên cứu sẽ so sánh hiệu quả xử lý ciprofloxacine giữa các mẫu hydrotalcite khác nhau để xác định vật liệu nào có hiệu quả cao nhất. Phân tích thống kê sẽ được sử dụng để đánh giá sự khác biệt về hiệu quả xử lý giữa các mẫu.

VI. Tái Sử Dụng Vật Liệu Hướng Đến Giải Pháp Bền Vững 55 ký tự

Nghiên cứu này khảo sát tái sử dụng vật liệu hydrotalcite biến tính sau khi sử dụng để xử lý ciprofloxacine. Việc tái sử dụng vật liệu là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính bền vững và khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ. Vật liệu hydrotalcite có thể được tái sinh bằng cách rửa bằng dung dịch axit hoặc nhiệt phân, sau đó có thể được sử dụng lại để hấp phụ và phân hủy ciprofloxacine. Nghiên cứu sẽ đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu sau nhiều chu kỳ hấp phụ và phân hủy, đồng thời đánh giá độ bền của vật liệu.

6.1. Phương Pháp Tái Sinh Vật Liệu và Đánh Giá Độ Bền

Các phương pháp tái sinh vật liệu bao gồm rửa bằng dung dịch axit, nhiệt phân và xử lý bằng vi sóng. Độ bền của vật liệu sẽ được đánh giá bằng cách đo diện tích bề mặt, kích thước hạt và khả năng hấp phụ sau mỗi chu kỳ tái sử dụng.

6.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế Của Hydrotalcite Biến Tính

Ứng dụng hydrotalcite trong xử lý nước thải có tiềm năng lớn để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do dược phẩm. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả và bền vững, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay, ô nhiễm môi trường nước bởi các chất kháng sinh, đặc biệt là Ciprofloxacine (CIP), đang trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. Theo một nghiên cứu tại 711 địa điểm ở 72 quốc gia, kháng sinh CIP vượt ngưỡng an toàn tại 51 địa điểm, với nồng độ tại sông Thames (Anh) cao gấp 3 lần mức cho phép. Tình trạng này không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn làm gia tăng nguy cơ vi khuẩn kháng thuốc, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng. Ciprofloxacine là kháng sinh phổ rộng, được sử dụng rộng rãi trong điều trị nhiều bệnh nhiễm khuẩn, tuy nhiên việc lạm dụng đã dẫn đến hiện tượng kháng thuốc và ô nhiễm môi trường nước.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ, phân hủy quang hóa Ciprofloxacine trong môi trường nước sử dụng các vật liệu hydrotalcite biến tính đồng thời bằng ion Cu²⁺ và Co²⁺. Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp vật liệu, xác định đặc trưng cấu trúc, đánh giá hiệu quả hấp phụ và phân hủy CIP dưới ánh sáng khả kiến, đồng thời khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên trong năm 2023, với các mẫu vật liệu tổng hợp và thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu mới, thân thiện môi trường để xử lý ô nhiễm nước thải chứa kháng sinh, góp phần giảm thiểu nguy cơ kháng thuốc và bảo vệ nguồn nước sạch. Các chỉ số hiệu suất hấp phụ và phân hủy CIP được đo lường cụ thể, giúp đánh giá chính xác hiệu quả của vật liệu trong xử lý môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết về hydrotalcite (HT) - một loại hydroxit lớp kép của kim loại hóa trị II và III, có công thức tổng quát là $M^{2+}_{1-x}M^{3+}_x(OH)2\cdot [A^{n-}{x/n} \cdot mH_2O]$, trong đó M là ion kim loại, A là anion xen kẽ. Hydrotalcite có diện tích bề mặt cao, khả năng trao đổi anion tốt và tính bazơ, làm nền tảng cho khả năng hấp phụ và xúc tác quang hóa.

Lý thuyết quang xúc tác dựa trên sự tạo thành cặp electron-lỗ trống (e⁻/h⁺) khi vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến, sinh ra các gốc hydroxyl (•OH) có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững như Ciprofloxacine. Việc biến tính hydrotalcite bằng ion Cu²⁺ và Co²⁺ làm giảm năng lượng vùng cấm (Eg) từ 3,55 eV xuống còn khoảng 1,23 - 2,56 eV, tăng hiệu quả quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Hydrotalcite (HT): vật liệu lớp kép có khả năng trao đổi ion và hấp phụ.
• Phân hủy quang hóa: quá trình phân hủy chất ô nhiễm dưới tác động của ánh sáng và xúc tác.
• Năng lượng vùng cấm (Eg): năng lượng cần thiết để kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng.
• Hiệu suất hấp phụ và phân hủy: tỷ lệ phần trăm CIP bị loại bỏ qua hấp phụ hoặc phân hủy quang hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu hydrotalcite Mg-Al-CO₃ biến tính bằng ion Cu²⁺, Co²⁺ và đồng biến tính Cu²⁺-Co²⁺ được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa tại pH 9,5, già hóa gel ở 70°C trong 24 giờ. Cỡ mẫu gồm 7 loại vật liệu với tỷ lệ mol Cu:Co:Mg:Al khác nhau, được ký hiệu H, CuH, CuCoH1 đến CuCoH4, CoH.

Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu bao gồm:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc lớp kép và kích thước hạt.
• Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.
• Phổ hồng ngoại (IR) để xác định các nhóm chức và liên kết hóa học.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt.
• Phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET) để đo diện tích bề mặt, thể tích và đường kính mao quản.
• Phổ UV-Vis DRS để xác định năng lượng vùng cấm.

Phương pháp khảo sát khả năng hấp phụ và phân hủy CIP:

• Hấp phụ CIP 25 ppm trong bóng tối với 0,2 g vật liệu trong 250 mL dung dịch, lấy mẫu theo thời gian đến 240 phút.
• Phân hủy quang hóa CIP dưới ánh sáng đèn LED 30 W, có bổ sung H₂O₂ 30%, đo nồng độ CIP còn lại qua phổ UV-Vis tại bước sóng 272 nm.
• Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ CIP (10-75 ppm), pH môi trường (3-9), và tỷ lệ Cu²⁺, Co²⁺ trong vật liệu.
• Khảo sát vai trò của H₂O₂ và vật liệu xúc tác trong quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs).
• Khảo sát cơ chế bẫy điện tử bằng các chất ức chế gốc tự do.
• Đánh giá khả năng khoáng hóa COD và tái sử dụng vật liệu qua 5 lần chu kỳ.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, từ tổng hợp vật liệu, phân tích đặc trưng đến thử nghiệm hấp phụ và phân hủy CIP.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu:
   Các mẫu vật liệu tổng hợp đều giữ cấu trúc lớp kép đặc trưng của hydrotalcite với các đỉnh XRD tại 2θ = 11,57°, 23,54°, 34,85°, 60,5°, 62,3°. Kích thước hạt trung bình dao động từ 3,10 nm (CuCoH3) đến 7,97 nm (CoH). Sự biến tính bằng Cu²⁺ và Co²⁺ làm giảm cường độ đỉnh XRD, cho thấy sự suy giảm trật tự lớp kép nhưng vẫn giữ cấu trúc cơ bản.

2. Thành phần nguyên tố và hình thái bề mặt:
   Phổ EDX xác nhận sự có mặt của O, Mg, Al trong mẫu H và thêm Cu, Co trong các mẫu biến tính. Tỷ lệ nguyên tử gần với tỷ lệ mol tổng hợp. SEM cho thấy vật liệu biến tính có bề mặt xốp hơn, các phiến hydrotalcite đồng đều và nhỏ hơn so với mẫu H.

3. Diện tích bề mặt và mao quản:
   Mẫu CuCoH4 có diện tích bề mặt lớn nhất 15,87 m²/g, thể tích mao quản 0,0474 cm³/g, đường kính mao quản 11,98 nm, cao hơn nhiều so với mẫu H (4,67 m²/g). Điều này góp phần tăng khả năng hấp phụ và xúc tác.

4. Năng lượng vùng cấm (Eg):
   Eg giảm từ 3,55 eV (mẫu H) xuống 2,56 eV (CuH, CuCoH1) và thấp nhất 1,23 eV (CoH), cho thấy vật liệu biến tính hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn, tăng hoạt tính quang xúc tác.

5. Hiệu suất hấp phụ và phân hủy CIP:

   • Hiệu suất hấp phụ CIP 25 ppm trong bóng tối đạt cân bằng sau 60 phút, với mẫu CoH hấp phụ tốt nhất (~27%), tiếp theo là CuCoH4 (~24%).
   • Hiệu suất phân hủy quang hóa CIP dưới ánh sáng khả kiến có bổ sung H₂O₂ đạt trên 90% sau 240 phút với mẫu CuCoH1 và CuCoH4, vượt trội so với mẫu H (<50%).
   • Ảnh hưởng của pH cho thấy hiệu suất phân hủy tối ưu ở pH khoảng 5-6.
   • Khả năng tái sử dụng vật liệu CuCoH1 và CuCoH4 giữ hiệu suất phân hủy trên 85% sau 5 lần sử dụng.

Thảo luận kết quả

Sự biến tính hydrotalcite bằng ion Cu²⁺ và Co²⁺ làm thay đổi cấu trúc lớp kép, tăng diện tích bề mặt và giảm năng lượng vùng cấm, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ và phân hủy quang hóa CIP. Kết quả XRD, SEM và BET đồng nhất với nhau, cho thấy vật liệu biến tính có cấu trúc xốp, kích thước hạt nhỏ hơn, thuận lợi cho quá trình hấp phụ và xúc tác.

Hiệu suất hấp phụ trong bóng tối cho thấy vật liệu CoH có khả năng hấp phụ tốt nhất, có thể do diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lớp kép ổn định. Hiệu suất phân hủy quang hóa cao của các mẫu biến tính đồng thời (CuCoH1, CuCoH4) nhờ khả năng tạo ra nhiều gốc hydroxyl dưới ánh sáng khả kiến, được hỗ trợ bởi H₂O₂ trong quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs).

So sánh với các nghiên cứu trước đây về vật liệu hydrotalcite biến tính và các vật liệu nano khác, kết quả này khẳng định tính ưu việt của vật liệu biến tính đồng thời Cu²⁺ và Co²⁺ trong xử lý ô nhiễm kháng sinh. Khả năng tái sử dụng cao cũng góp phần giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất hấp phụ và phân hủy theo thời gian, bảng so sánh diện tích bề mặt và năng lượng vùng cấm, cũng như ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu biến tính Cu-Co-Hydrotalcite quy mô lớn:
   Áp dụng phương pháp đồng kết tủa với kiểm soát pH và nhiệt độ nghiêm ngặt để đảm bảo cấu trúc lớp kép ổn định, diện tích bề mặt lớn, nâng cao hiệu quả xử lý CIP. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, chủ thể: các phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu và môi trường.

2. Ứng dụng vật liệu trong hệ thống xử lý nước thải bệnh viện và công nghiệp:
   Lắp đặt các module xúc tác quang sử dụng đèn LED công suất thấp (30 W) kết hợp H₂O₂ để phân hủy kháng sinh hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm và nguy cơ kháng thuốc. Thời gian thử nghiệm pilot 12 tháng, chủ thể: các nhà máy xử lý nước thải, cơ quan quản lý môi trường.

3. Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện vận hành:
   Điều chỉnh pH, nồng độ H₂O₂, liều lượng vật liệu để đạt hiệu suất phân hủy tối ưu, giảm chi phí vận hành. Thời gian nghiên cứu 6 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu môi trường và hóa học.

4. Khảo sát khả năng tái sử dụng và bền vững vật liệu:
   Thực hiện các chu kỳ tái sử dụng vật liệu trong điều kiện thực tế, đánh giá độ bền cấu trúc và hiệu suất xúc tác, từ đó đề xuất quy trình tái sinh vật liệu. Thời gian 12 tháng, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường:
   Cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu hydrotalcite biến tính trong xử lý ô nhiễm nước, phương pháp phân tích cấu trúc và đánh giá hiệu quả xúc tác.

2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải:
   Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải chứa kháng sinh, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu tác động môi trường.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước:
   Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu mới, cải tiến sản phẩm xúc tác quang, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp xử lý nước.

4. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng:
   Sử dụng thông tin để xây dựng chính sách quản lý ô nhiễm kháng sinh, đánh giá rủi ro và đề xuất giải pháp bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu hydrotalcite biến tính Cu²⁺ và Co²⁺ có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
   Vật liệu này có diện tích bề mặt lớn hơn, năng lượng vùng cấm thấp hơn, giúp hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả và tăng khả năng phân hủy quang hóa các chất ô nhiễm như Ciprofloxacine.

2. Hiệu suất phân hủy Ciprofloxacine đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Hiệu suất phân hủy CIP trên các mẫu vật liệu biến tính đồng thời CuCoH1 và CuCoH4 đạt trên 90% sau 240 phút chiếu sáng với H₂O₂, vượt trội so với vật liệu không biến tính.

3. Tại sao cần bổ sung H₂O₂ trong quá trình phân hủy quang hóa?
   H₂O₂ là nguồn tạo gốc hydroxyl (•OH) mạnh, tăng cường quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs), giúp phân hủy nhanh và triệt để các hợp chất hữu cơ bền vững như Ciprofloxacine.

4. Khả năng tái sử dụng vật liệu như thế nào?
   Vật liệu CuCoH1 và CuCoH4 giữ hiệu suất phân hủy trên 85% sau 5 lần sử dụng, cho thấy tính bền vững và khả năng tái sinh tốt, phù hợp ứng dụng thực tế.

5. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả phân hủy Ciprofloxacine ra sao?
   Hiệu quả phân hủy tối ưu ở pH khoảng 5-6, do pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của CIP và hoạt tính xúc tác của vật liệu, điều chỉnh pH giúp tối ưu hóa quá trình xử lý.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công các mẫu vật liệu hydrotalcite biến tính đồng thời bằng ion Cu²⁺ và Co²⁺ với cấu trúc lớp kép ổn định và diện tích bề mặt lớn.
• Vật liệu biến tính có năng lượng vùng cấm giảm mạnh, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hiệu quả quang xúc tác phân hủy Ciprofloxacine.
• Hiệu suất hấp phụ và phân hủy CIP đạt trên 90% với mẫu CuCoH1 và CuCoH4, thời gian cân bằng hấp phụ khoảng 60 phút.
• Vật liệu có khả năng tái sử dụng cao, giữ hiệu suất trên 85% sau 5 lần sử dụng, phù hợp ứng dụng xử lý nước thải.
• Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn, ứng dụng trong xử lý nước thải bệnh viện và công nghiệp, đồng thời nghiên cứu tối ưu điều kiện vận hành và tái sinh vật liệu.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển vật liệu và công nghệ xử lý nước thải kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.