Nghiên cứu khả năng phân hủy Ciprofloxacin trong môi trường nước của vật liệu nội điện phân Fe - C và Fe - Cu

Luận văn Nguyễn Phương Chi, 2022, Đại học Thái Nguyên: Nghiên cứu phân hủy ciprofloxacin Fe‑C và Fe‑Cu

• Tác giả: Nguyễn Phương Chi
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đỗ Trà Hương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng phân hủy Ciprofloxacin trong môi trường nước của vật liệu nội điện phân Fe - C và Fe - Cu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu phân hủy ciprofloxacin bằng Fe C và Fe Cu

Đề tài nghiên cứu phân hủy ciprofloxacin bằng vật liệu Fe-C và Fe-Cu được học viên Nguyễn Phương Chi bảo vệ tại Đại học Thái Nguyên vào năm 2022. Công trình thuộc chuyên ngành Hóa phân tích dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Tiến sĩ Đỗ Trà Hương. Mục tiêu trọng tâm là tìm kiếm giải pháp kỹ thuật thân thiện nhằm phân hủy chất kháng sinh trong môi trường nước. Ciprofloxacin là kháng sinh phổ rộng nhóm quinolone được sử dụng phổ biến trong y tế và chăn nuôi. Lượng hoạt chất dư thừa thải ra môi trường nước đang trở thành mối đe dọa sinh thái nghiêm trọng. Các công nghệ xử lý sinh học truyền thống thường bất lực trước cấu trúc bền vững của phân tử này. Vì vậy, công nghệ nội điện phân sử dụng các cặp vật liệu micro điện cực Fe-C và Fe-Cu nổi lên như một hướng tiếp cận giàu tiềm năng. Nghiên cứu tập trung chế tạo vật liệu, khảo sát đặc trưng lý hóa và đánh giá chi tiết động học phân hủy. Kết quả đề tài cung cấp luận cứ khoa học quan trọng cho việc hoàn thiện công nghệ xử lý kháng sinh tại Việt Nam.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Phương Chi được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên. Quá trình thực nghiệm nhận được sự phối hợp trang thiết bị từ Trường Đại học Y - Dược Thái Nguyên. Nghiên cứu giải quyết bài toán cấp bách về ô nhiễm dược phẩm phát sinh từ nước thải bệnh viện và trang trại chăn nuôi. Đề tài lựa chọn hướng tiếp cận hóa học phân tích kết hợp kỹ thuật xử lý môi trường tiên tiến. Tác giả đã chế tạo thành công hai hệ vật liệu nội điện phân Fe-C và Fe-Cu từ nguồn nguyên liệu sẵn có, chi phí thấp. Các thí nghiệm đo quang phổ tử ngoại - khả kiến UV-Vis được triển khai bài bản để phân tích nồng độ kháng sinh. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm lực khoa học của Đại học Thái Nguyên trong giải quyết thách thức môi trường.

1.2. Mục tiêu xử lý ciprofloxacin trong nguồn nước bị ô nhiễm

Ciprofloxacin là hoạt chất kháng sinh thuộc nhóm fluoroquinolone với hoạt tính kháng khuẩn rất mạnh. Phân tử này sở hữu cấu trúc nhân quinolone kèm vòng piperazine gắn kèm liên kết flo bền vững. Khả năng tự phân hủy sinh học của chất này trong tự nhiên rất thấp. Mục tiêu của đề tài là khảo sát các thông số kỹ thuật tối ưu nhằm loại bỏ chất này khỏi dung dịch nước. Nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng của độ pH ban đầu, thời gian tiếp xúc và hàm lượng vật liệu. Thêm vào đó, tốc độ khuấy lắc và nồng độ chất ô nhiễm cũng được theo dõi chặt chẽ. Đề tài hướng tới việc cắt đứt các mạch liên kết phức tạp của ciprofloxacin thành các hợp chất hữu cơ đơn giản và vô hại.

II. Thực trạng ô nhiễm ciprofloxacin và thách thức xử lý nước thải

Ô nhiễm tồn dư kháng sinh trong nguồn nước đang trở thành cuộc khủng hoảng y tế công cộng và sinh thái toàn cầu. Kháng sinh ciprofloxacin đào thải một phần lớn qua đường bài tiết của người và động vật dưới dạng hợp chất nguyên vẹn. Tại các dòng sông tự nhiên, nồng độ ciprofloxacin thường dao động từ hàng nanogram đến microgram trên mỗi lít nước. Nồng độ này đủ gây ức chế hoạt động của các chủng vi sinh vật có ích trong tự nhiên. Chu trình chuyển hóa nitơ sinh học qua vi khuẩn nitrat hóa và khử nitơ dễ dàng bị phá vỡ. Quần thể tảo cùng các loài sinh vật thủy sinh khác chịu ảnh hưởng tiêu cực cả về cấu trúc lẫn chức năng sinh lý. Nguy hại lớn nhất là sự hình thành các chủng vi khuẩn mang gen kháng thuốc siêu nguy hiểm. Tình trạng vi khuẩn kháng ciprofloxacin lan rộng đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người và hiệu lực của y học hiện đại. Việc xử lý triệt để loại kháng sinh này trong nước thải y tế và chăn nuôi là yêu cầu sống còn.

2.1. Nguy cơ từ tồn dư ciprofloxacin đối với hệ sinh thái thủy sinh

Dư lượng ciprofloxacin trong môi trường thủy sinh tác động trực tiếp đến vi sinh vật bản địa. Quá trình khử nitơ tự nhiên bị đình trệ do vi khuẩn chuyên trách bị tiêu diệt hoặc bất hoạt. Điều này làm gia tăng nồng độ amoni và nitrit gây độc hại cho các loài thủy sản. Các quần thể vi tảo nước ngọt suy giảm mật độ quang hợp và mất cân bằng sinh khối. Hệ quả dây chuyền dẫn đến sự xáo trộn chuỗi thức ăn tự nhiên trong hồ chứa và sông suối. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh ciprofloxacin tồn lưu lâu dài trong bùn lắng đáy nước. Độc tính tích lũy sinh học từ từ truyền sang các bậc dinh dưỡng cao hơn như cá và giáp xác. Sự suy thoái hệ sinh thái là cảnh báo rõ ràng về mối đe dọa dược phẩm.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý nước thải truyền thống

Các hệ thống xử lý nước thải sinh học thông thường dựa vào bùn hoạt tính hiếu khí hoặc kỵ khí. Tuy nhiên, hoạt tính kháng khuẩn của ciprofloxacin làm suy yếu nghiêm trọng quần thể vi sinh vật xử lý bùn. Phân tử ciprofloxacin hầu như không bị phân hủy sinh học triệt để mà chỉ hấp phụ một phần vào bùn thải. Lượng bùn này sau đó tiếp tục phát tán ô nhiễm ra môi trường đất xung quanh. Trong khi đó, các kỹ thuật hóa lý tiên tiến như hấp phụ than hoạt tính đòi hỏi chi phí hoàn nguyên rất lớn. Kỹ thuật màng lọc RO sinh ra lượng dòng thải đậm đặc khó xử lý. Kỹ thuật oxy hóa nâng cao dùng hóa chất đắt đỏ và tiềm ẩn rủi ro tồn dư chất oxy hóa. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về công nghệ tự sinh tác nhân phản ứng.

III. Cơ chế phân hủy ciprofloxacin bằng vật liệu Fe C và Fe Cu

Công nghệ nội điện phân tạo ra vô số pin vi mô galvanic ngay bên trong lòng dung dịch phản ứng. Kim loại sắt đóng vai trò anot hy sinh, tự động hòa tan và giải phóng electron cùng các ion Fe2+. Trong khi đó, hạt carbon hoặc đồng giữ vai trò catot thu nhận electron. Quá trình khử oxy hòa tan diễn ra liên tục trên bề mặt catot để tạo ra hợp chất hydro peroxide H2O2. Khi gặp ion sắt Fe2+ mới sinh trong điều kiện axit pH từ 2 đến 3, phản ứng Fenton nội sinh lập tức khởi động. Phản ứng này tạo ra các gốc tự do hydroxyl *OH có tính oxy hóa cực mạnh. Các gốc *OH tấn công trực diện vào khung cấu trúc quinolone và phá vỡ liên kết vòng ciprofloxacin. Đồng thời, quá trình khử trực tiếp tại bề mặt catot cũng bẻ gãy các liên kết yếu trong phân tử thuốc. Sự kết hợp giữa cơ chế oxy hóa bậc cao và cơ chế khử điện hóa đem lại hiệu quả phân hủy vượt trội. Toàn bộ chu trình không cần cấp dòng điện ngoài hay bổ sung chất phản ứng độc hại.

3.1. Chế tạo vật liệu nội điện phân Fe C và Fe Cu trong phòng thí nghiệm

Quy trình chế tạo vật liệu nội điện phân trong luận văn được kiểm soát nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn hóa lý. Bột sắt nguyên chất đóng vai trò vật liệu anot chủ đạo. Đối với hệ Fe-Cu, bề mặt sắt được biến tính bằng lớp phủ đồng thông qua phản ứng thế dung dịch đồng sunfat CuSO4. Lớp phủ đồng bám dính đồng đều tạo ra hàng triệu vi pin điện hóa trên mỗi hạt vật liệu. Với hệ Fe-C, bột sắt được phối trộn đồng nhất với than hoạt tính hoặc bột carbon theo tỷ lệ khối lượng xác định. Cấu trúc vi mô và hình thái bề mặt vật liệu được kiểm tra bằng các phương pháp đo đạc hiện đại. Cặp điện cực Fe-Cu cho độ chênh lệch thế điện hóa lớn, thúc đẩy dòng electron di chuyển nhanh hơn hệ Fe-C.

3.2. Ảnh hưởng của tốc độ lắc và hàm lượng oxy hòa tan

Tốc độ lắc đóng vai trò quyết định đến hiệu suất phân hủy ciprofloxacin của cả Fe-C và Fe-Cu. Khi tăng tốc độ lắc, khả năng tiếp xúc giữa dung dịch ciprofloxacin và bề mặt catot tăng lên rõ rệt. Quá trình vận chuyển chất phản ứng và khuếch tán sản phẩm trung gian diễn ra nhanh chóng. Đặc biệt, tốc độ lắc cao giúp tăng lượng oxy từ không khí hòa tan vào dung dịch nước. Lượng oxy này là nguyên liệu cốt lõi để bị khử tại catot thành phân tử H2O2. Hợp chất H2O2 kết hợp với Fe2+ tạo thành hệ Fenton nội sinh sinh ra các gốc *OH hoạt tính. Tuy nhiên, nếu môi trường có pH quá thấp, lượng oxy hòa tan có xu hướng giảm nhẹ so với môi trường kiềm. Do đó, việc duy trì tốc độ khuấy lắc thích hợp giúp cân bằng nồng độ oxy và bảo đảm phản ứng diễn ra liên tục.

IV. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng phân hủy ciprofloxacin từ đề tài

Công trình nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên năm 2022 đã chứng minh tính khả thi vượt trội của công nghệ nội điện phân. Cả hai hệ vật liệu Fe-C và Fe-Cu đều đạt hiệu suất phân hủy ciprofloxacin ấn tượng trong điều kiện vận hành tối ưu. Trong phép so sánh trực tiếp, vật liệu Fe-Cu cho tốc độ phản ứng và khả năng xử lý nhỉnh hơn nhờ độ chênh điện thế lớn hơn giữa sắt và đồng. Các yếu tố như độ pH từ 2 đến 3, khối lượng vật liệu hợp lý và tốc độ khuấy lắc đủ mạnh đóng vai trò định hình hiệu năng làm sạch. Dung dịch sau xử lý có hàm lượng ciprofloxacin giảm mạnh, không sinh ra các sản phẩm trung gian có độc tính cao hơn chất mẹ. Công nghệ vi điện phân này sở hữu ưu điểm vượt bậc về mặt kinh tế khi tận dụng mạt sắt và phụ phẩm công nghiệp. Quy trình vận hành đơn giản, không tiêu hao năng lượng điện lưới và không cần hóa chất bổ trợ phức tạp. Đây là giải pháp xử lý nước thải y tế và dược phẩm rất phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng thực tế tại Việt Nam.

4.1. So sánh hiệu suất phân hủy giữa hai hệ vật liệu Fe C và Fe Cu

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hiệu quả giữa hai hệ vật liệu. Hệ Fe-Cu đạt hiệu suất chuyển hóa ciprofloxacin cao hơn trong cùng một khoảng thời gian phản ứng. Nguyên nhân cốt lõi bắt nguồn từ thế điện cực tiêu chuẩn của cặp Fe/Cu có độ lệch lớn hơn cặp Fe/C. Sự chênh lệch điện thế cao làm gia tăng tốc độ phóng điện và thúc đẩy giải phóng ion Fe2+. Đồng thời, khả năng xúc tác khử oxy tạo H2O2 trên bề mặt kim loại đồng diễn ra mạnh mẽ hơn carbon. Tuy nhiên, hệ vật liệu Fe-C lại chiếm ưu thế về tính ổn định kinh tế do than hoạt tính có giá thành rất rẻ. Cả hai hệ vật liệu đều thể hiện tiềm năng to lớn trong việc làm sạch nguồn nước nhiễm kháng sinh.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải y tế

Vật liệu nội điện phân Fe-C và Fe-Cu mở ra giải pháp chi phí thấp cho các trạm xử lý nước thải bệnh viện. Công nghệ này có thể tích hợp linh hoạt như một công đoạn tiền xử lý trước các bể sinh học truyền thống. Sự phân cắt cấu trúc kháng sinh giúp giảm triệt để độc tính của dòng thải, bảo vệ hệ vi sinh vật bùn hoạt tính. Ngoài ra, việc tận dụng mạt sắt phế liệu cơ khí làm nguyên liệu anot giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành. Hệ thống không đòi hỏi thiết bị điện hóa cao cấp hay nguồn điện một chiều tốn kém. Doanh nghiệp và các cơ sở y tế có thể tự thiết kế module phản ứng liên tục quy mô nhỏ gọn. Đề tài mở đường cho các nghiên cứu chuyển giao công nghệ làm sạch nước thực tế tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thực trạng ô nhiễm dược phẩm và chất kháng sinh trong nguồn nước đang trở thành thách thức môi trường cấp bách trên phạm vi toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê môi trường, tổng hàm lượng kháng sinh tồn lưu trong nước thải đô thị tại Việt Nam lên tới 3220 ng/L, cao hơn đáng kể so với mức 1576 ng/L tại Philippines và 607 ng/L tại Indonesia. Tại các đô thị lớn, khảo sát ở 6 bệnh viện trọng điểm của Hà Nội ghi nhận nồng độ kháng sinh Ciprofloxacin đạt tới 25.5 µg/L. Trong ngành nuôi trồng thủy sản ngọt, khoảng 72.3% trang trại khảo sát có sử dụng kháng sinh, khiến mức tồn dư Ciprofloxacin trong nguồn nước xả thải đo được lên đến 162 ppb.

Ciprofloxacin là kháng sinh phổ rộng thuộc nhóm fluoroquinolon thế hệ 2, sở hữu cấu trúc dị vòng quinolon bền vững, có khả năng ức chế mạnh mẽ enzyme gyrase của vi khuẩn nhưng lại rất khó phân hủy sinh học tự nhiên. Việc tích tụ Ciprofloxacin không chỉ đe dọa các hệ vi sinh có lợi trong chu trình nitơ mà còn thúc đẩy sự hình thành vi khuẩn kháng thuốc. Đối mặt với rào cản từ các phương pháp truyền thống như hấp phụ dung lượng thấp hay oxy hóa bậc cao chi phí đắt đỏ, luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu khả năng phân hủy Ciprofloxacin trong môi trường nước bằng vật liệu nội điện phân Fe - C và Fe - Cu.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện tại hệ thống phòng thí nghiệm thuộc Đại học Sư phạm và Đại học Y - Dược thuộc Đại học Thái Nguyên. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi xác lập công nghệ xử lý đạt hiệu suất loại bỏ Ciprofloxacin vượt mốc 93.9%, đáp ứng yêu cầu kiểm soát ô nhiễm nghiêm ngặt theo tinh thần Nghị định 39/2017/NĐ-CP của Chính phủ về quản lý xả thải và sử dụng hóa chất trong nông nghiệp, thủy sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết vi pin điện hóa và cơ chế oxy hóa khử nội điện phân kết hợp hiệu ứng Fenton cải tiến. Quá trình nội điện phân vận hành dựa trên sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai kim loại hoặc giữa kim loại và á kim có thế điện cực khác nhau trong môi trường chất điện ly. Khi tiếp xúc, các cặp vi pin cực nhỏ được hình thành ngay trên bề mặt vật liệu với hiệu điện thế tiếp xúc khoảng 1.2 V, sinh ra dòng điện vi mô cỡ microampe mà hoàn toàn không cần cấp năng lượng điện từ bên ngoài.

Trong hệ vật liệu nghiên cứu, sắt đóng vai trò cực dương anot với thế điện cực chuẩn âm 0.44 V, còn đồng hoặc carbon đóng vai trò cực âm catot. Ciprofloxacin có công thức phân tử C17H18FN3O3 với phân tử khối 331.346 g/mol, đặc trưng bởi hai hằng số phân ly axit pKa lần lượt là 6.16 và 8.63. Tại giá trị pH đẳng điện 7.4, Ciprofloxacin tồn tại ở dạng lưỡng cực zwitterion, trong khi ở môi trường axit dưới 6.16 hợp chất tồn tại ở dạng cation mang điện tích dương. Điện trường cục bộ của hệ vi pin thúc đẩy các phân tử kháng sinh tích điện di chuyển về các cực trái dấu, nơi chúng bị tấn công bởi hydro nguyên tử hoạt tính mới sinh cùng các gốc hydroxyl tự do từ phản ứng oxy hóa khử nâng cao với oxy hòa tan, dẫn tới phá vỡ hoàn toàn cấu trúc mạch quinolon.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tiến hành khảo sát trên hệ mẫu Ciprofloxacin phòng thí nghiệm với dải nồng độ khảo sát mở rộng từ 1.0 mg/L đến 250 mg/L, tương thích với hàm lượng kháng sinh thực tế trong nước thải y tế và công nghiệp dược. Phương pháp lấy mẫu và bố trí thực nghiệm tuân thủ quy chuẩn đo lường phân tích với cỡ mẫu tối thiểu 3 lần lặp lại độc lập cho mỗi điểm thí nghiệm nhằm loại trừ sai số ngẫu nhiên, lấy giá trị trung bình kèm độ lệch chuẩn tin cậy.

Phương pháp phân tích chính được lựa chọn là quang phổ hấp thụ phân tử tử ngoại và khả kiến UV-Vis trên thiết bị hai chùm tia Hitachi UH5300 của Nhật Bản với dải bước sóng quét 200 - 600 nm và độ chính xác bước sóng 0.3 nm. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ đặc tính hấp thụ quang cực mạnh của khung phân tử quinolon tại đỉnh bước sóng cực đại 278 nm. Dựa trên định luật Lambert-Beer, đường chuẩn định lượng Ciprofloxacin được thiết lập trong dải nồng độ từ 1.0 mg/L đến 10.0 mg/L cho phương trình hồi quy tuyến tính với hệ số tương quan R2 đạt mức 0.9984, khẳng định độ nhạy cao và tính chuẩn xác tuyệt đối trong việc xác định nồng độ kháng sinh dư sau xử lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm đã làm sáng tỏ tính ưu việt của công nghệ vi điện phân thông qua các phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, độ pH dung dịch là yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất đến hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin. Giá trị pH tối ưu cho cả hai loại vật liệu được xác định chính xác tại pH = 3.05. Ở điều kiện này, vật liệu Fe - Cu đạt hiệu suất phân hủy lên tới 93.97%, làm giảm nồng độ kháng sinh từ 58.28 mg/L xuống còn 3.52 mg/L, vượt trội hơn vật liệu Fe - C vốn đạt hiệu suất 88.90% với nồng độ dư 6.47 mg/L. Khi tăng pH lên môi trường kiềm tại 9.05, hiệu suất xử lý sụt giảm nghiêm trọng xuống còn 56.29% đối với Fe - Cu và 56.74% đối với Fe - C.

Thứ hai, thời gian phản ứng đạt ngưỡng cân bằng hiệu quả ở mốc 120 phút. Trong khoảng thời gian từ 15 đến 120 phút, hiệu suất phân hủy của Fe - Cu tăng vọt từ 64.52% lên 94.39%, trong khi Fe - C tăng từ 52.75% lên 88.85%. Giai đoạn tiếp theo từ 120 đến 180 phút, tốc độ phản ứng chậm lại rõ rệt với mức tăng chỉ khoảng 1% sau mỗi 30 phút, đạt tối đa 96.78% ở 180 phút.

Thứ ba, khối lượng vật liệu tối ưu được xác lập ở mức 0.10 g trên 50 mL dung dịch, tương đương nồng độ 2.0 g/L. Khi tăng khối lượng từ 0.01 g lên 0.10 g, hiệu suất của Fe - Cu tăng vọt từ 54.97% lên 95.01%. Việc tiếp tục tăng lượng vật liệu lên 0.15 g chỉ giúp hiệu suất tăng thêm khoảng 2.38%, không mang lại hiệu quả kinh tế.

Thứ tư, tốc độ khuấy lắc có tác động tích cực đến tốc độ khuếch tán bề mặt. Tăng tốc độ lắc từ 100 vòng/phút lên 250 vòng/phút giúp hiệu suất phân hủy của Fe - Cu tăng mạnh từ 68.48% lên 96.56%, và Fe - C tăng từ 73.90% lên 93.89%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phản ứng đạt hiệu suất cao nhất ở pH = 3.05 là do nồng độ ion H+ dồi dào đóng vai trò chất phản ứng trực tiếp, thúc đẩy tốc độ ăn mòn điện hóa anot sắt và sinh ra lượng lớn hydro nguyên tử hoạt tính có tính khử cực mạnh. Đồng thời, sự hiện diện của oxy hòa tan ở môi trường axit tạo ra phản ứng kiểu Fenton tại chỗ, giải phóng các gốc tự do hydroxyl phá hủy vòng benzene và vòng piperazin của Ciprofloxacin. Vật liệu Fe - Cu luôn thể hiện hiệu suất cao hơn Fe - C từ 5% đến 12% do chênh lệch thế điện cực giữa sắt và đồng lớn hơn nhiều so với sắt và carbon, tạo ra mật độ dòng điện ăn mòn mạnh hơn, kết hợp với hoạt tính xúc tác kim loại của đồng.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ đường biểu diễn động học phản ứng, minh họa rõ quỹ đạo suy giảm nồng độ kháng sinh theo thời gian thực. Cùng với đó, các bảng ma trận số liệu đối sánh nồng độ cân bằng Ccb tại các mức pH và bảng thông số nhiệt động lực học thể hiện rõ bản chất tự diễn biến của quá trình. Hình ảnh phổ quét UV-Vis cung cấp bằng chứng thực nghiệm đanh thép khi cường độ pic hấp thụ tại 278 nm giảm liên tục và biến mất dần, chứng minh Ciprofloxacin không chỉ bị hấp phụ đơn thuần mà đã bị bẻ gãy liên kết hóa học thành các phân tử phân mảnh nhỏ hơn. Kết quả này vượt trội hơn hẳn các nghiên cứu sử dụng than hoạt tính đơn thuần, vốn chỉ đạt dung lượng hấp phụ giới hạn và dễ bị bão hòa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm chuẩn xác, luận văn đề xuất 4 giải pháp ứng dụng mang tính khả thi cao:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ tiền xử lý nước thải y tế và dược phẩm bằng hệ vật liệu lưỡng kim Fe - Cu. Đơn vị kỹ thuật tại các bệnh viện cần vận hành hệ thống ở thông số tối ưu gồm tỷ lệ vật liệu 2.0 g/L, kiểm soát độ pH nguồn nước ở mức 3.0 đến 3.5, duy trì thời gian lưu phản ứng 120 phút và tốc độ khuấy đảo 200 - 250 vòng/phút. Mục tiêu đặt ra là loại bỏ trên 94% dư lượng Ciprofloxacin ngay tại khâu tiền xử lý trong lộ trình áp dụng 3 tháng đầu.

Thứ hai, nghiên cứu chế tạo vật liệu nội điện phân dạng viên nén xốp hoặc module dòng chảy liên tục. Các viện nghiên cứu vật liệu cần phối hợp với doanh nghiệp công nghệ môi trường để chuyển đổi dạng bột mịn thành hạt kết khối xốp kích thước 2 - 5 mm trong vòng 6 tháng tới. Giải pháp này giúp chống hiện tượng nén chặt, chống tắc nghẽn cột lọc và kéo dài tuổi thọ vật liệu khi xử lý nước thải quy mô lớn.

Thứ ba, tích hợp công nghệ nội điện phân Fe - Cu với bể xử lý sinh học hiếu khí truyền thống. Các nhà máy sản xuất thuốc kháng sinh nên triển khai hệ thống kết hợp này nhằm chuyển hóa các chất khó phân hủy thành dạng dễ đồng hóa sinh học, nâng tỷ số BOD5 trên COD của nước thải từ dưới 0.1 lên mức trên 0.35, hoàn thành lắp đặt và chạy thử nghiệm trong thời gian 9 tháng.

Thứ tư, ban hành hướng dẫn kỹ thuật kiểm soát xả thải kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản. Cơ quan quản lý tài nguyên và thủy sản địa phương cần thiết lập trạm quan trắc dư lượng fluoroquinolon tại các vùng nuôi cá tôm tập trung, áp dụng ngưỡng kiểm soát Ciprofloxacin dưới 1.0 µg/L theo đúng định hướng Nghị định 39/2017/NĐ-CP, hoàn thành trong vòng 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu khoa học của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Hóa phân tích, Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Môi trường. Luận văn cung cấp phương pháp luận chặt chẽ về khảo sát động học, nhiệt động lực học phản ứng vi pin điện hóa cùng kỹ thuật trắc quang UV-Vis xác định vi lượng dược phẩm đạt độ chính xác cao.

Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm xử lý nước thải bệnh viện và xí nghiệp dược phẩm. Luận văn cung cấp toàn bộ bộ thông số vận hành thực nghiệm chi tiết như tỷ lệ cấp liệu 2 g/L, pH 3.0 và thời gian lưu 120 phút, giúp các kỹ sư làm chủ giải pháp tiền xử lý kháng sinh với chi phí hóa chất tiết kiệm tối đa.

Chủ doanh nghiệp và ban quản lý các hợp tác xã nuôi trồng thủy sản công nghệ cao. Tài liệu mang lại giải pháp công nghệ hiệu quả để xử lý triệt để dư lượng kháng sinh Ciprofloxacin ở nồng độ từ 50 đến 160 ppb trong nước ao nuôi trước khi thải ra kênh rạch, giúp nông sản thủy sản vượt qua các rào cản kỹ thuật khắt khe khi xuất khẩu sang thị trường Mỹ và châu Âu.

Cán bộ hoạch định chính sách tại Cục Quản lý Môi trường y tế và Tổng cục Môi trường. Các số liệu phân tích về thực trạng ô nhiễm và cơ chế chuyển hóa kháng sinh trong luận văn là căn cứ khoa học xác đáng để xây dựng quy chuẩn xả thải đối với nhóm dược phẩm nguy hại.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao vật liệu Fe - Cu lại cho hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin cao hơn vật liệu Fe - C?

Vật liệu Fe - Cu vượt trội hơn do độ chênh lệch thế điện cực giữa sắt và đồng lớn hơn so với giữa sắt và carbon, tạo nên suất điện động cặp vi pin tiếp xúc mạnh mẽ hơn. Đồng còn đóng vai trò catot trơ và chất xúc tác điện hóa thúc đẩy giải phóng lượng lớn hydro hoạt tính, giúp Fe - Cu đạt hiệu suất 93.97%, cao hơn mức 88.90% của Fe - C.

Giá trị pH ảnh hưởng như thế nào đến khả năng oxy hóa khử của hệ vi pin?

Độ pH quyết định mật độ ion H+ tham gia vào phản ứng điện cực. Tại pH tối ưu bằng 3.0, ion H+ dồi dào làm gia tăng tốc độ ăn mòn anot sắt giải phóng Fe2+ và kích hoạt các phản ứng gốc tự do. Khi pH tăng lên mức 9.0, sắt nhanh chóng bị thụ động hóa và kết tủa dạng hydroxide bám trên bề mặt, khiến hiệu suất xử lý tụt xuống mức 56.29%.

Thời gian phản ứng bao lâu là tối ưu để đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật?

Khoảng thời gian 120 phút là tối ưu nhất với hiệu suất phân hủy đạt 94.39% đối với Fe - Cu. Nếu kéo dài phản ứng lên 180 phút, hiệu suất chỉ tăng thêm khoảng 2.39% đạt mức 96.78% do lượng ion H+ đã bị tiêu hao đáng kể, trong khi chi phí điện năng khuấy đảo liên tục sẽ tăng cao, gây lãng phí vận hành.

Phương pháp đo quang UV-Vis ở bước sóng 278 nm có đảm bảo độ chính xác không?

Phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng cực đại 278 nm đạt độ tin cậy tuyệt đối nhờ hệ liên hợp quinolon của Ciprofloxacin hấp thụ ánh sáng rất nhạy. Đường chuẩn tuyến tính trong khoảng nồng độ 1.0 đến 10.0 mg/L đạt hệ số tương quan R2 = 0.9984, sai số giữa 3 lần đo lặp dưới 0.5%, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn phân tích định lượng vi lượng.

Công nghệ nội điện phân có ưu điểm gì so với phương pháp điện hóa thông thường?

Nội điện phân tận dụng trực tiếp thế ăn mòn tự nhiên của hệ lưỡng kim khoảng 1.2 V để sinh dòng điện vi mô, hoàn toàn không cần cấp nguồn điện một chiều bên ngoài. Nhờ đó, công nghệ này giúp loại bỏ nguy cơ điện giật, tiết kiệm tối đa điện năng tiêu thụ, thiết bị vận hành đơn giản và không phát sinh hóa chất độc hại thứ cấp.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh thành công tính khả thi và hiệu quả vượt trội của vật liệu nội điện phân Fe - Cu và Fe - C trong việc phân hủy kháng sinh Ciprofloxacin với hiệu suất đạt lần lượt 93.97% và 88.90%.
• Xác lập chính xác bộ thông số công nghệ tối ưu bao gồm: môi trường phản ứng pH = 3.05, thời gian lưu 120 phút, liều lượng vật liệu 2.0 g/L và tốc độ lắc 250 vòng/phút.
• Khẳng định vật liệu Fe - Cu có ưu thế vượt bậc so với Fe - C về tốc độ ăn mòn điện hóa, mật độ dòng vi pin và hoạt tính bẻ gãy cấu trúc kháng sinh.
• Cung cấp bằng chứng thực nghiệm rõ ràng về cơ chế phá hủy hệ liên hợp quinolon mà không tạo ra các sản phẩm trung gian độc hại thứ cấp.
• Đóng góp giải pháp khoa học mang tính đột phá cho bài toán tiền xử lý nước thải y tế và thủy sản với chi phí đầu tư thấp, không sử dụng điện ngoài.

Kế hoạch tiếp theo cần tập trung chế tạo thử nghiệm module cột lọc liên tục quy mô pilot trong 6 tháng và chuyển giao công nghệ ứng dụng thực tế tại các cơ sở y tế trong vòng 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp dược phẩm và đơn vị xử lý môi trường hãy chủ động liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để đưa giải pháp nội điện phân tiên tiến này vào thực tiễn, góp phần giải quyết triệt để vấn nạn kháng kháng sinh và bảo vệ nguồn tài nguyên nước bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Một trong những vấn đề cấp bách hiện nay là dư lượng chất kháng sinh bị cấm trong sản phẩm thủy hải sản, tồn dư chất kháng sinh trong môi trường nước ở mức đáng báo động, gây ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng xuất khẩu các sản phẩm này tới các thị trường lớn, cũng như trực tiếp ảnh hưởng đến người tiêu dùng nếu sử dụng các sản phẩm bị nhiễm. Trên thế giới, có nhiều công trình sử dụng các vật liệu hấp phụ, cả vật liệu truyền thống (như carbon hoạt tính và vật liệu biomass) và vật liệu tiên tiến (như zeolites, BiVO4, các hợp kim họ Ru, Zr) để xử lý chất kháng sinh. Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu xử lí tồn dư trong nước của các chất kháng sinh còn hạn chế. Tuy nhiên, nhìn chung khả năng hấp phụ của các vật liệu này còn hạn chế do dung lượng hấp phụ rất thấp.

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng phương pháp nội điện phân vào quá trình tiền xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải công nghiệp. Nội điện phân là phương pháp sử dụng hệ vật liệu lưỡng kim khi trong dung dịch điện ly thì tạo dòng ăn mòn hay còn gọi là dòng điện nội điện phân. Hay nói một cách khác thì nội điện phân là bản thân vật liệu sinh ra dòng điện trong một điều kiện môi trường nhất định. Phương pháp này được ứng dụng để xử lý các loại nước thải công nghiệp chứa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, có nồng độ chất ô nhiễm cao.

Đối tượng nước thải có thể sử dụng phương pháp này là: nước thải dệt nhuộm, dược phẩm, công nghiệp giấy, công nghiệp sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, công nghiệp sản xuất thuốc nổ, công nghiệp sơn mạ, công nghiệp lọc hóa dầu, công nghiệp sản xuất phân đạm và nước thải sinh hoạt, nước thải cốc hóa. Do có nguyên lý như vậy, quá trình vi điện phân Fe-C, Fe-Cu còn gọi là quá trình nội điện phân (internal microelectrolysis). Từ đó cho thấy, có thể hòa tan sắt không cần sử dụng dòng điện ngoài, bằng cách thiết lập các cặp vi pin dưới dạng vật liệu tổ hợp sắt - cacbon hay sắt - đồng, đây là ưu thế quan trọng trong kỹ thuật nội điện phân tiền xử lý nước thải. Đến nay, trong nước có rất ít các công trình nghiên cứu về phương pháp nội điện phân xử lý nước thải, đặc biệt là xử lý chất kháng sinh tồn dư trong môi trường nước còn khá mới mẻ.

Các phương pháp truyền thống như hấp phụ, xử lý oxi hóa, xử lý màng, lọc và ly tâm, phân hủy bằng vi sinh vật,… chưa phát huy tốt vì giá thành cao, hiệu quả thấp, có thể tái gây ô nhiễm môi trường. 1 Vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng phân hủy Ciprofloxacin trong môi trường nước của vật liệu nội điện phân Fe-C và Fe-Cu” với mục đích khảo sát xác định các yếu tố ảnh hưởng tạo điều kiện tối ưu cho phản ứng phân hủy Ciprofloxacin của vật liệu nội điện phân để ứng dụng xử lý mẫu nước thải trong thực tế. Trong đề tài này chúng tôi tập chung nghiên cứu các nội dung sau: - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân huỷ CIP của vật liệu nội điện phân Fe-Cu và Fe-C. - Khảo sát động học quá trình phân huỷ CIP của vật liệu Fe-Cu và Fe-C.

- Khảo sát nhiệt động lực học, tính năng lượng hoạt hoá cho quá trình phân huỷ CIP của vật liệu Fe-Cu và Fe-C. Giới thiệu về kháng sinh Ciprofloxacin 1.