Luận văn thạc sĩ study on development of visible light active photocatalyst g c3n4 comoo4 for removal of antibiotic and inactivation of antibiotic resistant bacteria

Nghiên cứu phát triển chất xúc tác quang g-C3N4/CoMoO4 hoạt động dưới ánh sáng khả kiến để loại bỏ kháng sinh và vô hiệu hóa vi khuẩn kháng kháng sinh.

• Tác giả: Nguyen Thi Thu Huong
• Người hướng dẫn: Dr. Tran Thi Viet Ha
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Chất Xúc Tác Quang g-C3N4/CoMoO4 Hoạt Động Dưới Ánh Sáng Khả Kiến Để Loại Bỏ Kháng Sinh Và Vô Hiệu Hóa Vi Khuẩn Kháng Kháng Sinh
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• COMMITMENT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 3. CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODOLOGY
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về chất xúc tác quang g-C3N4/CoMoO4 nhằm loại bỏ kháng sinh và vô hiệu hóa vi khuẩn kháng kháng sinh là một vấn đề cấp bách trong bối cảnh ô nhiễm môi trường hiện nay. Kháng sinh tồn tại trong nước thải không chỉ gây hại cho hệ sinh thái mà còn tạo ra các vi khuẩn kháng thuốc, đe dọa sức khỏe con người. Việc phát triển các công nghệ mới để xử lý nước thải, đặc biệt là công nghệ xúc tác quang, đã trở thành một hướng đi quan trọng. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phát triển một loại chất xúc tác quang hiệu quả hoạt động dưới ánh sáng khả kiến, từ đó nâng cao khả năng loại bỏ kháng sinh và vô hiệu hóa vi khuẩn kháng kháng sinh.

II. Tình hình kháng sinh và vi khuẩn kháng kháng sinh trong nước thải

Kháng sinh là một trong những phát minh quan trọng nhất trong y học, nhưng việc sử dụng không hợp lý đã dẫn đến sự tồn tại của các kháng sinh trong môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng 40-90% liều kháng sinh được kê đơn có thể được thải ra môi trường qua phân và nước tiểu. Điều này không chỉ gây ô nhiễm mà còn tạo ra các vi khuẩn kháng thuốc, làm giảm hiệu quả điều trị. Vi khuẩn kháng kháng sinh hiện diện trong nước thải từ các nguồn khác nhau, bao gồm bệnh viện và nông nghiệp, và chúng có thể lây lan qua chuỗi thực phẩm, gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho con người.

III. Công nghệ xử lý kháng sinh trong nước thải

Các công nghệ hiện tại như xử lý sinh học và hóa học không đủ hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn kháng sinh. Do đó, việc phát triển các công nghệ mới như xúc tác quang trở nên cần thiết. g-C3N4 và CoMoO4 là hai loại chất xúc tác quang có tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm kháng sinh. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp hai chất này có thể tạo ra một heterojunction với hiệu suất xúc tác cao hơn, giúp loại bỏ kháng sinh hiệu quả hơn dưới ánh sáng khả kiến.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp tổng hợp và phân tích hiện đại để phát triển chất xúc tác quang g-C3N4/CoMoO4. Các phương pháp như quang phổ hồng ngoại FTIR, phân tích XRD, và phân tích BET được áp dụng để xác định cấu trúc và tính chất của chất xúc tác. Thí nghiệm cũng được thực hiện để đánh giá khả năng loại bỏ tetracycline và vô hiệu hóa vi khuẩn kháng kháng sinh E. coli. Kết quả cho thấy rằng chất xúc tác quang này có khả năng hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, mở ra triển vọng cho việc ứng dụng trong xử lý nước thải.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc phát triển chất xúc tác quang g-C3N4/CoMoO4 có thể là một giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm kháng sinh trong nước thải. Kết quả cho thấy rằng chất xúc tác quang này không chỉ có khả năng loại bỏ kháng sinh mà còn vô hiệu hóa vi khuẩn kháng kháng sinh. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của chất xúc tác này trong các hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vấn đề tồn dư kháng sinh và vi khuẩn kháng kháng sinh trong nước thải đã trở thành mối quan tâm cấp thiết của cộng đồng khoa học và xã hội. Theo báo cáo của ngành, khoảng 40-90% liều lượng kháng sinh được sử dụng có thể được thải ra môi trường dưới dạng hoạt tính qua nước tiểu và phân, gây ô nhiễm đất, nước mặt và nước ngầm. Tình trạng này không chỉ ảnh hưởng đến hệ sinh thái mà còn đe dọa sức khỏe con người thông qua sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, làm giảm hiệu quả điều trị các bệnh nhiễm khuẩn. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển vật liệu quang xúc tác hoạt động dưới ánh sáng nhìn thấy g-C3N4/CoMoO4 nhằm loại bỏ kháng sinh tetracycline và vô hiệu hóa vi khuẩn E. coli kháng kháng sinh trong nước thải. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong năm 2022, tập trung vào việc tổng hợp, đặc trưng vật liệu và đánh giá hiệu quả xử lý trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp giải pháp công nghệ bổ sung cho các nhà máy xử lý nước thải truyền thống, góp phần giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh và vi khuẩn kháng thuốc, từ đó bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: (1) Quang xúc tác bán dẫn, trong đó vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng tạo ra các cặp electron-lỗ trống, kích hoạt các phản ứng oxy hóa khử để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ; (2) Mô hình cấu trúc dị hợp tử (heterojunction) giữa g-C3N4 và CoMoO4 nhằm tăng hiệu quả tách biệt electron và lỗ trống, giảm tái kết hợp và nâng cao hoạt tính quang xúc tác. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điểm điện tích không (pHpzc), các loài oxy phản ứng (ROS) như gốc hydroxyl (•OH) và anion superoxide (•O2-), phổ hấp thụ UV-Vis, và các kỹ thuật đặc trưng vật liệu như SEM, EDX, BET, XRD, FTIR, PL.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu g-C3N4, CoMoO4 và composite g-C3N4/CoMoO4 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung. Cỡ mẫu vật liệu được chuẩn bị với các tỷ lệ khác nhau, thời gian thủy nhiệt 3-6 giờ, nhiệt độ nung 300-500°C để tối ưu hóa hiệu quả quang xúc tác. Phương pháp phân tích bao gồm: SEM để quan sát hình thái bề mặt, EDX xác định thành phần nguyên tố, BET đo diện tích bề mặt và thể tích mao quản, XRD xác định cấu trúc tinh thể, FTIR phân tích liên kết hóa học, UV-DRS đo phổ hấp thụ ánh sáng, PL đánh giá hiệu quả tách electron-lỗ trống. Hiệu quả xử lý tetracycline được đánh giá bằng phương pháp quang phổ UV-Vis với nồng độ ban đầu 5-15 mg/L, hiệu quả vô hiệu hóa vi khuẩn E. coli kháng tetracycline được xác định bằng đếm khuẩn lạc (CFU) sau các khoảng thời gian chiếu sáng. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022 với các thí nghiệm được lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện tổng hợp tối ưu: Composite g-C3N4/CoMoO4 với tỷ lệ khối lượng 6:4, thủy nhiệt 6 giờ và nung ở 500°C đạt hiệu quả loại bỏ tetracycline cao nhất, khoảng 92% sau 120 phút chiếu sáng.
2. Đặc trưng vật liệu: SEM cho thấy g-C3N4 có cấu trúc dạng tấm mỏng, CoMoO4 dạng que, composite phân tán đồng đều với kích thước hạt 2-10 µm. BET ghi nhận diện tích bề mặt composite tăng lên 55.5 m²/g, thể tích mao quản 0.204 cc/g, cao hơn so với CoMoO4 đơn lẻ.
3. Hiệu quả xử lý tetracycline: Tăng liều lượng xúc tác từ 1 đến 4 g/L làm tăng hiệu quả loại bỏ từ khoảng 60% lên đến 92%. pH ảnh hưởng rõ rệt, hiệu quả cao nhất ở pH trung tính (7), giảm ở pH quá cao hoặc quá thấp. Nồng độ tetracycline ban đầu tăng từ 5 đến 15 mg/L làm giảm hiệu quả xử lý do bão hòa bề mặt xúc tác.
4. Vô hiệu hóa vi khuẩn E. coli kháng tetracycline: Với liều xúc tác 4 g/L, sau 90 phút chiếu sáng, tỷ lệ vô hiệu hóa đạt log 3, tương đương giảm 99.9% số lượng vi khuẩn sống. Thí nghiệm kiểm soát cho thấy không có sự giảm đáng kể trong điều kiện tối hoặc không có xúc tác.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của composite g-C3N4/CoMoO4 được giải thích bởi sự hình thành dị hợp tử giúp tăng cường tách biệt electron-lỗ trống, giảm tái kết hợp, từ đó tăng sinh các loài oxy phản ứng mạnh như •OH và •O2- có khả năng oxy hóa mạnh tetracycline và tiêu diệt vi khuẩn. Kết quả BET cho thấy diện tích bề mặt lớn hơn giúp tăng khả năng hấp phụ chất ô nhiễm, hỗ trợ quá trình quang xúc tác. So sánh với các nghiên cứu trước đây về g-C3N4 hoặc CoMoO4 đơn lẻ, composite cho hiệu quả xử lý vượt trội, phù hợp với xu hướng phát triển vật liệu quang xúc tác dị hợp tử. Biểu đồ thể hiện hiệu quả loại bỏ tetracycline theo thời gian và pH, cũng như biểu đồ log giảm số lượng vi khuẩn theo liều lượng xúc tác và thời gian chiếu sáng, minh họa rõ ràng sự cải thiện hiệu quả nhờ composite. Kết quả này góp phần mở rộng ứng dụng của vật liệu quang xúc tác trong xử lý nước thải chứa kháng sinh và vi khuẩn kháng thuốc.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai quy mô pilot: Thực hiện thử nghiệm xử lý nước thải thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải có nguồn thải chứa tetracycline và vi khuẩn kháng thuốc, nhằm đánh giá hiệu quả và tính ổn định của vật liệu g-C3N4/CoMoO4 trong điều kiện thực tế. Thời gian đề xuất: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu môi trường phối hợp với nhà máy xử lý nước thải.
2. Nâng cao hiệu quả xúc tác: Nghiên cứu bổ sung các phương pháp cải tiến như pha tạp kim loại, tạo cấu trúc nano để tăng diện tích bề mặt và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, nhằm nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.
3. Phát triển công nghệ tái sử dụng xúc tác: Xây dựng quy trình thu hồi và tái sử dụng vật liệu quang xúc tác nhằm giảm chi phí và tác động môi trường, đảm bảo tính kinh tế và bền vững cho ứng dụng thực tiễn. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: nhóm công nghệ môi trường.
4. Mở rộng phạm vi xử lý: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong xử lý các loại kháng sinh khác và vi khuẩn kháng thuốc đa dạng, đồng thời đánh giá khả năng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác trong nước thải. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu môi trường và vi sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu quang xúc tác, phương pháp tổng hợp và đánh giá hiệu quả xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.
2. Chuyên gia và kỹ sư vận hành nhà máy xử lý nước thải: Tham khảo giải pháp công nghệ bổ sung nhằm nâng cao hiệu quả loại bỏ kháng sinh và vi khuẩn kháng thuốc, cải thiện chất lượng nước thải đầu ra.
3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn về xử lý nước thải chứa kháng sinh và vi khuẩn kháng thuốc, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu quang xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp, đặc trưng vật liệu và ứng dụng thực nghiệm để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường ứng dụng trong xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu g-C3N4/CoMoO4 có ưu điểm gì so với các photocatalyst truyền thống?
   Composite này hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy, có khả năng tách biệt electron-lỗ trống tốt hơn, diện tích bề mặt lớn, giúp tăng hiệu quả phân hủy kháng sinh và vô hiệu hóa vi khuẩn so với TiO2 hay ZnO truyền thống.

2. Tại sao chọn tetracycline và vi khuẩn E. coli kháng thuốc làm đối tượng nghiên cứu?
   Tetracycline là kháng sinh phổ biến và tồn dư nhiều trong môi trường, còn E. coli kháng thuốc là vi khuẩn gây bệnh phổ biến, có khả năng truyền gen kháng thuốc, đại diện cho vấn đề ô nhiễm và kháng thuốc trong nước thải.

3. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
   Hiệu quả xử lý cao nhất ở pH trung tính (khoảng 7) do tetracycline tồn tại dạng ion hóa thuận lợi cho hấp phụ và phản ứng quang xúc tác, pH quá cao hoặc thấp làm giảm hiệu quả do thay đổi điện tích bề mặt xúc tác và dạng tồn tại của tetracycline.

4. Phương pháp tổng hợp vật liệu có thể áp dụng quy mô lớn không?
   Phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung có thể được điều chỉnh để sản xuất quy mô lớn với chi phí hợp lý, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về tối ưu hóa quy trình và thiết bị để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả.

5. Có thể tái sử dụng vật liệu quang xúc tác này không?
   Theo báo cáo của ngành, vật liệu composite có tính ổn định cao và khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đáng kể hiệu quả, tuy nhiên cần thực hiện các nghiên cứu bổ sung về khả năng tái sinh và bền vững trong điều kiện thực tế.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu quang xúc tác g-C3N4/CoMoO4 với tỷ lệ 6:4, thủy nhiệt 6 giờ, nung 500°C, đạt hiệu quả loại bỏ tetracycline lên đến 92% và vô hiệu hóa vi khuẩn E. coli kháng thuốc đến 99.9%.
• Composite có cấu trúc dị hợp tử giúp tăng cường tách electron-lỗ trống, diện tích bề mặt lớn hỗ trợ hấp phụ, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
• Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào liều lượng xúc tác, pH môi trường và nồng độ chất ô nhiễm ban đầu, với điều kiện tối ưu ở pH trung tính và liều 4 g/L.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý nước thải chứa kháng sinh và vi khuẩn kháng thuốc bằng vật liệu quang xúc tác hoạt động dưới ánh sáng nhìn thấy.
• Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot, nâng cao hiệu quả vật liệu và phát triển công nghệ tái sử dụng để ứng dụng thực tiễn, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Hãy liên hệ với nhóm nghiên cứu để nhận bản đầy đủ luận văn và thảo luận cơ hội hợp tác phát triển công nghệ xử lý nước thải tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY NGUYEN THI THU HUONG STUDY ON DEVELOPMENT OF VISIBLE LIGHT ACTIVE PHOTOCATALYST g-C3N4/CoMoO4 FOR REMOVAL OF ANTIBIOTIC AND INACTIVATION OF ANTIBIOTIC RESISTANT BACTERIA MASTER’S THESIS VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY NGUYEN THI THU HUONG STUDY ON DEVELOPMENT OF VISIBLE LIGHT ACTIVE PHOTOCATALYST g-C3N4/CoMoO4 FOR REMOVAL OF ANTIBIOTIC AND INACTIVATION OF ANTIBIOTIC RESISTANT BACTERIA MAJOR: ENVIRONMENTAL ENGINEERING CODE: 8520320.01 RESEARCH SUPERVISORS: Dr. TRAN THI VIET HA Associate Prof. NGUYEN MINH PHUONG Hanoi, 2022 Hanoi, 2022 COMMITMENT I have read and understood the plagiarism violations. I pledge with personal honor that this research result is my own and does not violate the Regulation on prevention of plagiarism in academic and scientific research activities at VNU Vietnam Japan University (Issued together with Decision No 700/QD-ĐHVN dated 30/9/2021 by the Rector of Vietnam Japan University).

Author of thesis Nguyen Thi Thu Huong ACKNOWLEDGEMENTS Doing science research is a long journey that I am so grateful that I have received a great deal of support and assistance. First and foremost, I would like to express my deepest thank to my supervisor - Dr. Tran Thi Viet Ha for her thoughtful orientation, valuable advice, continuous support, and encouragement. This research could not have been possible without her persistent guidance and indispensable support.

I would also like to extend my sincere gratitude to my co-supervisor – Associate Professor Nguyen Minh Phuong for her precise advice and feedback during my research progress. Her insightful suggestions have contributed greatly to this master’s thesis. I would like to convey my special appreciation to Associate Professor Kasuga Ikuro, who also guided me through this research with critical suggestions and provided me with his connections so I could conduct my bacterial study. I must also thank Dr.

Takemura Taichiro for providing me the chance to carry out molecular biology experiments at NIHE-Nagasaki Friendship Laboratory. I must also thank all the staff at NIHE-Nagasaki Friendship Laboratory, especially Duong san for their guidance and useful advice during my internship there. This work is fully supported by the project with the code number of VJU.03, from VNU Vietnam Japan University, under the Research Grant Program of Japan International Cooperation Agency. I would like to acknowledge lecturers at the Master’s Program in Environmental Engineering - VNU Vietnam Japan University for giving constructive criticism to improve the quality of my research.

Last but not least, the warmest thanks also go to my classmates, my lab mates, as well as staff at Vietnam Japan University, with whom I have the pleasure to work while doing the thesis. TABLE OF CONTENTS LIST OF TABLES. i LIST OF FIGURES. ii LIST OF ABBREVIATIONS.

iii CHAPTER 1: INTRODUCTION.3 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW. Issue of antibiotic and antibiotic-resistant bacteria residues in wastewater. Issue of antibiotic residues in wastewater. Issue of antibiotic-resistant bacteria residues in wastewater.

coli) antibiotic-resistant bacteria. Technologies to remove antibiotics and inactivate antibiotic-resistant bacteria residues in wastewater. g-C3N4 and CoMoO4 photocatalyst. Development of g-C3N4/CoMoO4 heterostructure photocatalyst .17 CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODOLOGY.

Chemicals and apparatus. Synthesis of CoMoO4. Synthesis of g-C3N4/CoMoO4. Scanning electron microscopy (SEM).

Energy-dispersive X-ray analysis (EDX). Brunauer-Emmett-Teller analysis (BET). X-ray powder diffraction analysis (XRD). Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR).

UV–vis diffuse reflectance spectroscopy (UV-DRS). Photocatalytic removal of tetracycline antibiotic. Photocatalytic inactivation of E. coli antibiotic-resistant bacteria.

Determination of photocatalyst's pH point of zero charge. Reactive oxygen species trapping experiments .34 CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION. Optimization of photocatalyst synthesis conditions. Characterization of synthesized materials.

Scanning electron microscopy (SEM). Energy-dispersive X-ray analysis (EDX). Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis. X-ray powder diffraction analysis (XRD).

Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). UV–vis diffuse reflectance spectroscopy (UV-DRS). Removal efficiency of synthesized materials with tetracycline antibiotic. Enhancement of tetracycline removal efficiency of g-C3N4/CoMoO4 composite.

Effect of photocatalyst dosage on tetracycline removal efficiency. Effect of pH on tetracycline removal efficiency. Effect of initial pollutant concentration on tetracycline removal efficiency. Inactivation efficiency of synthesized materials with E.

Proposed photocatalytic mechanism.50 CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS.55 LIST OF TABLES Table 2. g-C3N4 and CoMoO4-based heterojunction photocatalyst. Optimization of preparation conditions of g-C3N4/CoMoO4 composite. Surface area and total pore volume of the synthesized materials.

LIST OF FIGURES Figure 2. (a) Structure and (b) speciation diagram of tetracycline antibiotic. Schematic diagram of the photocatalytic oxidation process of organic pollutants in the aqueous environment. Structure of graphitic carbon nitride.

Crystal structure of cobalt molybdate. UV-DRS instrument. Standard calibration curve of Tetracycline. Change in tetracycline removal efficiency of synthesized materials at different preparation conditions.

Effect of pristine mixing ratio on antibiotic removal efficiency. SEM image of the synthesized a) g-C3N4, b) CoMoO4 and. EDX spectrum of the synthesized a) g-C3N4, b) CoMoO4 and c) g- C3N4/CoMoO4 composite. EDX elementary mapping of the synthesized a) g-C3N4, b) CoMoO4 and c) g-C3N4/CoMoO4 composite.

XRD patterns of the synthesized g-C3N4, CoMoO4, and g-C3N4/CoMoO4 composite. FTIR spectra of the synthesized g-C3N4, CoMoO4, and g-C3N4/CoMoO4 composite. UV-vis diffuse reflectance absorption spectra of the synthesized g-C3N4, CoMoO4, and g-C3N4/CoMoO4 composite. Tauc plot of the synthesized g-C3N4, CoMoO4, and g-C3N4/CoMoO4 composite.

PL spectra of the synthesized g-C3N4, CoMoO4, and g-C3N4/CoMoO4 composite. Tetracycline removal efficiency of the synthesized g-C3N4, CoMoO4, and g-C3N4/CoMoO4 composite. Effect of photocatalyst dosage on tetracycline removal efficiency. Effect of pH condition on tetracycline removal efficiency.

pH point of zero charge of the synthesized g-C3N4/CoMoO4 composite 47 Figure 4. Effect of tetracycline's initial concentration on the removal efficiency. coli inactivation efficiency with different dosages of photocatalyst. Effect of different scavengers on the photocatalytic efficiency of the synthesized.

The proposed photocatalytic mechanism for degradation of antibiotics and antibiotic-resistant bacteria. LIST OF ABBREVIATIONS AMR: Antimicrobial resistance AOP: Advanced Oxidation Processes ARB: Antibiotic-resistance bacteria ARGs: Antibiotic-resistance genes BET: Brunauer-Emmett-Teller CB: Conduction Band EDX: Energy dispersive X-ray E. coli: Escherichia coli FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy HOMO: Highest occupied molecular orbital LUMO: Lowest occupied molecular orbital PL: Photoluminescence spectroscopy SEM: Scanning electron microscopy UV-DRS: UV–vis diffuse reflectance spectroscopy VB: Valence band WHO: World Health Organization WWTP: Wastewater treatment plants XRD: X-ray powder diffraction analysis iii 1. Research background Antibiotics are one of the crucial discoveries of the last century that changed the treatment of a variety of infections in a significant way.

However, in recent years, the unprecedented issue of antibiotic residues in environmental matrices has been receiving great attention from both academia and the public. Several studies reported critical resistance of several kinds of antibiotics in surface and groundwater, sediments, soils, and even foodstuffs (Bombaywala et al. Wang et al. These residues may cause various consequences in the ecological system such as antibiotic-resistant bacteria and human health effects e.

allergy, mutation, and reproductive disorder (Monahan et al. Most critically, the abuse of antibiotics has directly resulted in the prevalence of antibiotic-resistant bacteria and antibiotic-resistant genes. The rapid growth of antibiotic-resistant bacteria threatens the efficiency of medicines, which have revolutionized medicine and saved millions of lives. In 2021, World Health Organization (WHO) listed antimicrobial resistance (AMR) as one of ten global health issues that urgently need collective efforts to tackle (WHO, 2020).

However, reports have shown that both antibiotics and antibiotic-resistant bacteria can not be completely removed by conventional wastewater treatment plants (WWTP), which mostly deploy physical and biological technologies (Baquero et al., 2008; Manoharan et al. Wang et al. Hence, it is vital to develop supplement treatment technologies for the efficient removal of those critical pollutants in wastewater. Research significance In recent years, photocatalytic materials have emerged as a highly efficient and economic strategy for both antibiotic treatment and disinfection in the water environment.

Many photocatalysts such as TiO2, ZnO2, In2O3, and CdSe have been studied for the treatment of organic pollutants in the environment (Manaia et al., 2018; Noor et al. 1 Recently, graphitic carbon nitride (g-C3N4) has drawn great attention from academia as a facile, metal-free, non-toxic, and photochemically stable semiconductor, which can drive photo-oxidation reactions even under visible light. However, the photocatalytic efficiency of g-C3N4 is limited by its high rate of recombination between photo- induced electrons and holes, low light absorption efficiency, and low specific area. (Huang et al., 2014; Ismael, 2020; Kong et al.

Hence, it is critical and essential to study the synthesis of g-C3N4-based photocatalyst to tackle its current drawbacks and deploy its high potential in organic pollutant removal in the aqueous environment. CoMoO4 - a transition metal molybdate with narrow band gap energy (2.8 eV), great redox activity, and strong catalytic electrochemical characteristics - is also considered a promising visible-light-driven photocatalyst (Umapathy & Neeraja, 2016; Veerasubramani et al., 2014; Zagorac et al. The CoMoO4 photocatalyst has been successfully applied for organic pollutant removal as well as bacterial inactivation (Adabavazeh et al., 2021; Feizpoor et al., 2019; Gao et al. However, the application of CoMoO4 for organic compound photodegradation is limited because of the low potential energy of the conduction band and fast recombination of photo-induced electrons and holes.

With their potential yet drawbacks to act as an individual photocatalyst, together with the compatibility in their bandgap energy, g-C3N4 and CoMoO4 could be coupled to promisingly form a heterojunction displaying enhanced photocatalytic activity. To date, there has been no research into the development of this target composite for the treatment of tetracycline antibiotics and E. coli antibiotic-resistant bacteria. Hence, this study is conducted to fill the research gap in the development of the high potential photocatalyst material to address the urgent issues of antibiotic and antibiotic-resistant bacteria residues in wastewater.

Research objectives This research is implemented to achieve the following objectives: (1) Synthesize g-C3N4/CoMoO4 heterojunction photocatalyst exhibiting high photocatalytic activity under visible light. 2 (2) Characterize the synthesized g-C3N4/CoMoO4 heterojunction photocatalyst (3) Investigate the synthesized material’s photocatalytic removal efficiency with the Tetracycline antibiotic. (4) Investigate the synthesized material’s photocatalytic inactivation efficiency with E. coli antibiotic-resistant bacteria.

Thesis structure This thesis is structured into 5 chapters. The main contents of each chapter are presented below: Chapter 1 introduces the research context and describes the significance of the topic, as well as points out the research objectives. Chapter 2 highlights the issues of the antibiotic and antibiotic-resistant bacteria residue in wastewater, current technologies to address these issues, and introduces the photocatalytic oxidation process utilizing photocatalyst as an emerging strategy. Chapter 3 describes the materials and methods to prepare and characterize the target photocatalysts.

Experimental designs to investigate the photocatalytic activity of the synthesized photocatalyst in removing antibiotic and antibiotic-resistant bacteria are also elaborated. Chapter 4 presents and discusses the results obtained from all the characterization analyses and experiments conducted. Chapter 5 concludes the key results of this research and recommendations for further research to be conducted. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW 2.

Issue of antibiotic and antibiotic-resistant bacteria residues in wastewater 2. Issue of antibiotic residues in wastewater An antibiotic is a type of antimicrobial substance active against bacteria. It is the most important type of antibacterial agent for fighting bacterial infections through mechanisms that either kill or inhibit the growth of bacteria (Waksman, 1947). In the decades after the discovery of antibiotics, it has been recognized that the use of antibiotics in human health, veterinary medicine, and agriculture is associated to the contamination of several environmental compartments.

Depending on the class, 40– 90% of the prescribed antibiotic dosage is excreted in the feces and urine as the parent chemical - in the active form, ultimately damaging soils, waterways, plants, etc (Baquero et al. When existing in the environment, antibiotic residues can have negative effects on biota at different levels and cause various human health effects e. allergy, mutation, and reproductive disorder through the consumption of contaminated food and water. Wang et al.

In addition, the misuse of antibiotics boosts bacteria or genes that are resistant to antibiotics and may be passed from the environment to people.