Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước đang trở thành vấn đề cấp thiết toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Theo ước tính, lượng thuốc kháng sinh thải ra môi trường mỗi năm lên đến hàng nghìn tấn, trong đó nhóm kháng sinh β-lactam chiếm tỷ lệ đáng kể do được sử dụng phổ biến trong y tế và chăn nuôi. Việc xử lý hiệu quả các hợp chất này trong nước thải là thách thức lớn bởi tính chất dễ phân hủy và khả năng gây kháng thuốc cho vi sinh vật.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ β-lactam trong môi trường nước bằng than hoạt tính biến tính, nhằm mục tiêu đánh giá hiệu quả hấp phụ và phân hủy các hợp chất amoxicillin và cefotaxim natri – hai loại kháng sinh phổ biến nhất trong nhóm β-lactam. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Hóa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2016. Phạm vi nghiên cứu bao gồm điều kiện hấp phụ trong phòng thí nghiệm với các biến đổi về pH, nồng độ thuốc và loại than hoạt tính biến tính.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải chứa thuốc kháng sinh, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Các chỉ số hiệu quả hấp phụ, thời gian hấp phụ tối ưu và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường được xác định cụ thể, cung cấp cơ sở khoa học cho ứng dụng than hoạt tính biến tính trong xử lý nước thải y tế và nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết hấp phụ bề mặt và mô hình hấp phụ Langmuir, Freundlich để mô tả quá trình hấp phụ thuốc kháng sinh trên bề mặt than hoạt tính biến tính. Lý thuyết hấp phụ Langmuir giả định bề mặt hấp phụ đồng nhất với các vị trí hấp phụ độc lập, trong khi mô hình Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất với khả năng hấp phụ đa lớp.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Kháng sinh β-lactam: nhóm kháng sinh chứa vòng β-lactam, có tác dụng ức chế tổng hợp thành tế bào vi khuẩn, bao gồm amoxicillin và cefotaxim natri.
  • Than hoạt tính biến tính: vật liệu hấp phụ có bề mặt đa lỗ, được xử lý hóa học để tăng khả năng hấp phụ các hợp chất hữu cơ.
  • Hấp phụ và phân hủy thuốc kháng sinh: quá trình thuốc kháng sinh bị giữ lại trên bề mặt vật liệu và phân hủy thành các hợp chất ít độc hại hơn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm hấp phụ thuốc kháng sinh amoxicillin (AMX) và cefotaxim natri (CTX) trên các loại than hoạt tính biến tính khác nhau: than hoạt tính gỗ, than biến tính lưu huỳnh, than biến tính bằng H2SO4 và HNO3. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các dung dịch thuốc kháng sinh với nồng độ từ 1 đến 100 mg/L, pH điều chỉnh từ 2 đến 10.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đo phổ hấp thụ UV-Vis để xác định nồng độ thuốc kháng sinh còn lại sau hấp phụ.
  • Xây dựng đường chuẩn hấp phụ tại bước sóng đặc trưng (228 nm cho amoxicillin, 234 nm cho cefotaxim).
  • Tính toán tải trọng hấp phụ tối đa và hệ số hấp phụ theo mô hình Langmuir và Freundlich.
  • Sử dụng phương pháp quét hiển vi điện tử (SEM) để khảo sát cấu trúc bề mặt than hoạt tính trước và sau hấp phụ.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, thực hiện thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng hấp phụ amoxicillin của than hoạt tính biến tính: Than hoạt tính biến tính lưu huỳnh (A-S) có tải trọng hấp phụ tối đa đạt khoảng 274 mg/g, cao hơn 2-3 lần so với than hoạt tính gỗ nguyên bản (A0) với khoảng 73 mg/g. Nồng độ thuốc kháng sinh ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả hấp phụ, với tải trọng hấp phụ tăng theo nồng độ từ 50 đến 100 mg/L.

  2. Ảnh hưởng của pH đến hấp phụ thuốc: pH tối ưu cho hấp phụ amoxicillin và cefotaxim là khoảng 6-7. Ở pH thấp (2-4), khả năng hấp phụ giảm do sự proton hóa nhóm amin trên thuốc, trong khi pH cao (8-10) làm giảm hấp phụ do sự ion hóa nhóm carboxyl trên than hoạt tính.

  3. Hiệu quả hấp phụ cefotaxim natri: Than hoạt tính biến tính bằng H2SO4 và HNO3 (A-H202, A-HN03) cho thấy khả năng hấp phụ cefotaxim đạt khoảng 65 mg/g, cao hơn so với than gỗ nguyên bản (khoảng 31 mg/g). Đường chuẩn hấp phụ tại bước sóng 234 nm cho thấy hấp phụ tăng theo nồng độ thuốc từ 1 đến 70 mg/L.

  4. Cấu trúc bề mặt than hoạt tính sau biến tính: SEM cho thấy than hoạt tính biến tính có bề mặt xốp, nhiều lỗ nhỏ hơn so với than gỗ nguyên bản, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ thuốc kháng sinh. Diện tích bề mặt BET của than biến tính lưu huỳnh đạt khoảng 2000 m²/g, tăng gấp đôi so với than gỗ nguyên bản.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khả năng hấp phụ cao của than hoạt tính biến tính là do sự gia tăng diện tích bề mặt và nhóm chức năng bề mặt như nhóm sulfonic, hydroxyl giúp tăng tương tác hóa học với thuốc kháng sinh. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hấp phụ thuốc kháng sinh trên vật liệu carbon biến tính.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, tải trọng hấp phụ của than biến tính trong nghiên cứu này tương đương hoặc cao hơn so với các vật liệu hấp phụ khác như zeolit, silica gel. Điều này cho thấy than hoạt tính biến tính là vật liệu tiềm năng, hiệu quả và kinh tế để xử lý thuốc kháng sinh trong nước thải.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường chuẩn hấp phụ, biểu đồ tải trọng hấp phụ theo nồng độ và pH, cùng hình ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt vật liệu. Bảng tổng hợp các thông số hấp phụ theo mô hình Langmuir và Freundlich cũng giúp minh chứng tính chính xác của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng than hoạt tính biến tính lưu huỳnh trong xử lý nước thải y tế và nông nghiệp: Triển khai hệ thống lọc sử dụng than biến tính lưu huỳnh để hấp phụ thuốc kháng sinh β-lactam, nhằm giảm tải lượng thuốc thải ra môi trường. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 12 tháng, do các đơn vị xử lý nước thải thực hiện.

  2. Điều chỉnh pH nước thải trước khi xử lý: Khuyến nghị duy trì pH trong khoảng 6-7 để tối ưu hiệu quả hấp phụ thuốc kháng sinh trên than hoạt tính. Các nhà máy xử lý nước thải cần trang bị hệ thống điều chỉnh pH phù hợp.

  3. Nghiên cứu mở rộng về tái sinh than hoạt tính: Phát triển quy trình tái sinh than hoạt tính biến tính để giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ vật liệu. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 18 tháng, do các viện nghiên cứu môi trường phối hợp thực hiện.

  4. Giám sát và đánh giá hiệu quả xử lý thuốc kháng sinh trong thực tế: Thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ nồng độ thuốc kháng sinh trong nước thải đầu ra tại các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao. Các cơ quan quản lý môi trường chịu trách nhiệm triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa Môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về xử lý thuốc kháng sinh bằng than hoạt tính biến tính, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Thông tin về mức độ ô nhiễm thuốc kháng sinh và giải pháp xử lý giúp xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm hiệu quả.

  3. Doanh nghiệp xử lý nước thải và sản xuất than hoạt tính: Áp dụng công nghệ than hoạt tính biến tính trong xử lý nước thải chứa thuốc kháng sinh, nâng cao hiệu quả và giá trị sản phẩm.

  4. Người làm công tác quản lý và vận hành hệ thống xử lý nước thải: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ và cách điều chỉnh quy trình vận hành phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn than hoạt tính biến tính để xử lý thuốc kháng sinh?
    Than hoạt tính biến tính có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc xốp và nhóm chức năng bề mặt phong phú, giúp tăng khả năng hấp phụ và phân hủy thuốc kháng sinh hiệu quả hơn so với than hoạt tính nguyên bản.

  2. Khả năng hấp phụ thuốc kháng sinh phụ thuộc vào những yếu tố nào?
    Các yếu tố chính gồm nồng độ thuốc, pH môi trường, loại than hoạt tính và thời gian hấp phụ. pH từ 6-7 được xác định là điều kiện tối ưu cho hấp phụ.

  3. Than hoạt tính biến tính có thể tái sử dụng được không?
    Có thể tái sinh than hoạt tính biến tính thông qua các phương pháp hóa học hoặc nhiệt, giúp giảm chi phí và tăng tuổi thọ vật liệu, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu quy trình.

  4. Hiệu quả xử lý thuốc kháng sinh trong thực tế có giống thí nghiệm không?
    Hiệu quả trong thực tế có thể thấp hơn do ảnh hưởng của các yếu tố phức tạp như thành phần nước thải, nhiệt độ và tải lượng thuốc kháng sinh. Do đó cần giám sát và điều chỉnh quy trình phù hợp.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các loại thuốc kháng sinh khác không?
    Mô hình và phương pháp hấp phụ có thể áp dụng cho các loại thuốc kháng sinh khác, nhưng cần thử nghiệm cụ thể để đánh giá hiệu quả do tính chất hóa học khác nhau của từng loại thuốc.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định than hoạt tính biến tính lưu huỳnh và axit là vật liệu hiệu quả trong hấp phụ thuốc kháng sinh β-lactam, với tải trọng hấp phụ tối đa lên đến 274 mg/g.
  • pH môi trường ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hấp phụ, tối ưu ở khoảng 6-7.
  • Cấu trúc bề mặt than hoạt tính biến tính được cải thiện rõ rệt, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ.
  • Kết quả phù hợp với mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich, cung cấp cơ sở khoa học cho ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng than hoạt tính biến tính trong xử lý nước thải y tế và nông nghiệp, đồng thời nghiên cứu tái sinh vật liệu để nâng cao hiệu quả kinh tế.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải để đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh quy trình vận hành. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển công nghệ xử lý thuốc kháng sinh bằng than hoạt tính biến tính.