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.