ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Tính cấp thiết của đề tài Ô nhiễm môi trường đang là chủ đề nóng trên các mặt báo và nhận được rất nhiều sự quan tâm của người dân thì việc bảo vệ môi trường đang và luôn là mối quan tâm mang tính toàn cầu, đã và đang trở thành một trong những vấn đề được quan tâm nhất và cũng là một trong những thách thức lớn nhất của nhân loại. Vấn đề nóng bỏng gây bức xúc trong dư luận xã hội cả nước hiện nay là tình trạng ô nhiễm môi trường sinh thái do các hoạt động sản xuất, kinh doanh và sinh hoạt của con người gây ra. Do đó, các nghiên cứu đã báo cáo một số loại chất gây ô nhiễm mới nổi được gọi là chất ô nhiễm vi lượng [1].
Chúng được tìm thấy rất nhiều nồng độ khác nhau trong tự nhiên (microgram/lít – μg/L -1 và nanogram/lít – ng/L-1), và ảnh hưởng của chúng đối với môi trường và sức khỏe con người vẫn chưa được hiểu rõ. Trong số các chất ô nhiễm vi lượng, thuốc trừ sâu, kim loại nặng, kháng sinh, hormone và mỹ phẩm là những chất nổi bật nhất [2]. Thuốc kháng sinh là loại thuốc có khả năng ngăn chặn hoặc ức chế sự phát triển của nhiều vi sinh vật và chiếm một phần đáng kể trong tổng số các loại thuốc có sẵn để thương mại hóa. Hơn nữa, chúng rất thường xuyên được kê đơn để điều trị nhiễm trùng ở người, và cũng được sử dụng thường xuyên trong chăn nuôi gia súc.
Những chất gây ô nhiễm này ảnh hưởng và gây ra sự mất cân bằng môi trường. Cùng với việc sử dụng thuốc kháng sinh quá tốc độ và bừa bãi, với một tỷ lệ chuyển hóa rất thấp của các loại thuốc này trong cơ thể, gây ra sự giải phóng vào nguồn nước, một phần nhỏ nước thải có chứa loại chất gây ô nhiễm này. Các hợp chất này có khả năng phân hủy sinh học thấp do cấu trúc hóa học ổn định của chúng, và vì chúng là một loại chất ô nhiễm tương đối mới. Thuốc kháng sinh đang được sử dụng với nồng độ không giới hạn, gây ra sự tích tụ của một số loại kháng sinh trong hệ sinh thái.
Cefalexin (CFX) là một loại kháng sinh thuộc nhóm Cephalosporin thế hệ thứ nhất. Nó có một vòng dị nguyên tử trong cấu trúc hóa học của nó, bao gồm ba nguyên tử cacbon và một nitơ nguyên tử, đặc trưng cho cephalexin như một β-lactam. Thuốc này thường được kê đơn để điều trị một số bệnh về hô hấp và nhiễm trùng đường tiết niệu vì nó có nhiều hoạt động kháng khuẩn, khiến nó trở thành một trong những loại được tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới, với quy mô sản xuất lớn trên toàn thế giới. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chỉ 10% cephalexin tiêu thụ được chuyển hóa bởi sinh vật, khoảng 90% được bài tiết qua nước tiểu và phân ở dạng không thay đổi cùng với các chất chuyển hóa của nó[3].
Các sự tích tụ của chất gây ô nhiễm này trong môi trường có có liên quan đến sự xuất hiện của các mầm bệnh đa kháng thuốc, gây ra tác động khôn lường đến môi trường và các sinh vật. Qua báo cáo giai đoạn 2008-2009 của 15 bệnh viện trực thuộc Bộ y tế cho thấy, các kháng sinh nhóm penicillins, macrolides và fluoroquinolones được sử dụng phổ biến nhất. Và trong báo cáo này cũng cho thấy khả năng kháng thuốc của vi khuẩn ngày càng cao, cụ thể: 30÷70% vi khuẩn gram âm đã kháng với nhóm Cephalosporin, gần 40÷60% kháng với nhóm 1 Fluoroquinolon [4]. Việc gia tăng tình trạng kháng thuốc của vi khuẩn gây bệnh đã gây khó khăn cho quá trình điều trị cho người bệnh.
Điều này làm cho thời gian điều trị kéo dài dẫn tới gia tăng tình trang các thuốc kháng sinh xâm nhập vào chuỗi thức ăn và môi trường sinh thái của chúng ta. Vì vậy, việc loại bỏ kháng sinh trong môi trường nước là một nghiên cứu cấp thiết và quan trọng. Các phương pháp xử lí đã được ra đời, điển hình như: Fenton, O3, sinh học, quang học, hấp phụ, màng, oxy hóa khử, oxy hóa nâng cao,… Gần đây, phương pháp oxy hóa nâng cao – một phương pháp mới có triển vọng phát triển để xử lí nước thải. Giữa các phương pháp oxy hóa nâng cao, quá trình ozon hóa kết hợp với chất oxy hóa peroxymonosulfat (PMS) được kích hoạt bởi vật liệu xúc tác nano tổ hợp Co2SnO4/rGO để tạo ra các gốc tự do *OH, *SO4- là một công nghệ có triển vọng cao) trong việc phân hủy kháng sinh cefalexin từ môi trường nước.
Gốc tự do sulfate (*SO4-) sử dụng trong nghiên cứu này là một chất oxy hóa cực mạnh, là một tác nhân ưa điện tử, ít bị ảnh hưởng bởi các thành phần cạnh tranh có trong nước thải như gốc *OH và khả năng hoạt hóa của nó không phụ thuộc vào pH. Thêm vào đó, so với * OH, gốc *SO4- có thời gian bán phân hủy dài hơn 30-40 lần, và dễ dàng hoạt hóa hơn so với * OH do có thế oxy hóa Eo = 2.10 V cao hơn so với *OH 1.70 V [5,6] điều này tạo điều kiện cực kỳ thuận lợi cho sự chuyển khối và tiếp xúc giữa *SO4- và các chất ô nhiễm có trong hệ xúc tác dị thể. Tuy nhiên, tốc độ oxy hóa nhanh không thể đạt được nếu PMS được sử dụng một mình. Vì thế, các quá trình lai hợp giữa O3 và xúc tác dị thể kích hoạt PMS có nhiều lợi thế trong phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học như: tạo ra tác dụng hiệp lực để đẩy nhanh tốc độ phân hủy chất gây ô nhiễm hữu cơ và tăng hiệu quả sử dụng PMS tức làm giảm thiểu liều lượng PMS được sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm.
Việc bổ sung O3 vào hệ xúc tác dị thể được chứng minh là vừa làm tăng khả năng kích hoạt PMS vừa tạo ra cả hai gốc tự do*OH và *SO4-. Tuy nhiên, các nghiên cứu về công nghệ lai hợp này trong xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học còn hiếm đặc biệt là trong xử lý ô nhiễm dư lượng kháng sinh vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu. Kháng sinh Cefalexin (CFX) là một trong những kháng sinh được sử dụng phổ biến nhất. Có nhiều phương pháp để xử lý Cefalexin (CFX) trong nước thải như là: phương pháp hóa học, phương pháp sinh học, phương pháp hóa lí,… Tuy nhiên các phương pháp này tiêu tốn nhiều thời gian mà hiệu quả xử lí không cao, tốn nhiều chi phí đồng thời tạo ô nhiễm thứ cấp.
Vì vậy, cần nghiên cứu các phương pháp tiên tiến hiệu quả hơn như: quá trình lai hợp, oxy hóa nâng cao sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh kết hợp với các xúc tác để tạo ra các gốc tự do như *SO4- có khả năng oxy hóa không chọn lọc các hợp chất hữu cơ, đơn giản trong vận hành, chi phí thấp và không tạo ra ô nhiễm thứ cấp là một xu thế phù hợp để xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy như kháng sinh Celalexin (CFX). Phương pháp oxy hóa nâng cao sử dụng chủ yếu là O3, PMS, H2O2,…trong đó, ozon và PMS là một tác nhân oxy hóa mạnh trong số các chất oxy hóa thông dụng, vì vậy ozon và PMS có thể xảy ra phản ứng oxy hóa với nhiều chất hữu cơ và chất vô cơ trong nước. Trước tính cấp thiết như được đề cập ở trên về xử lý dư lượng kháng sinh gây ô nhiễm nguồn nước, đề tài: “Nghiên cứu sử dụng quá trình lai hợp giữa Ozon và 2 Peroxymonosulfate (PMS) được kích hoạt bởi nano tổ hợp Co2SnO4@rGO để loại bỏ kháng sinh Cefalexin trong nước” được thực hiện.1 Mục tiêu nghiên cứu (1) Chế tạo xúc tác nano tổ hợp Co2SnO4@rGO bằng phương pháp đồng hóa siêu âm. (2) Khảo sát quá trình phân hủy kháng sinh Cefalexin bằng các hệ: O 3/PMS, O3/Co2SnO4@rGO, PMS/Co2SnO4@rGO và O3/PMS/Co2SnO4@rGO để phân hủy kháng sinh Cefalexin (CFX) từ nước thải mô phỏng trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm.
(3) Nghiên cứu động học và cơ chế phân hủy Cefalexin trong nước thải bởi các hệ ozon ở trên.2 Phạm vi nghiên cứu Từ mục tiêu nghiên cứu trên đề tài xác định phạm vi nghiên cứu gồm: (1) Đánh giá đặc tính lý hóa của xúc tác nano tổ hợp chế tạo được bằng các phép đo đặc tính vật liệu như SBET, SEM, EDS, mapping và XRD. (2) Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố: pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, liều lượng xúc tác Co2SnO4@rGO và nồng độ Cefalexin ban đầu tới hiệu quả loại bỏ Cefalexin có trong nước thải của các hệ ozon hóa: O3/PMS; O3/Co2SnO4@rGO; PMS/Co2SnO4@rGO và O3/PMS/Co2SnO4@rGO. Xác định đặc tính vật liệu nano xúc tác tổ hợp trước và sau quá trình phân hủy Cefalexin. (3) Nghiên cứu cơ chế và động học phân hủy Cefalexin của các hệ ozon hóa O3; O3/Co2SnO4@rGO; PMS/Co2SnO4@rGO và O3/PMS/Co2SnO4@rGO.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Toàn bộ kết quả của đề tài được rút ra từ những thí nghiệm có căn cứ khoa học rõ ràng; việc tính toán, xử lý số liệu thông qua quy hoạch thực nghiệm và các phương pháp thống kê toán học nên đảm bảo tính khoa học của đề tài.
Cho đến nay có rất nhiều nghiên cứu về vật liệu xúc tác kết hợp với Ozon để xử lý nước thải dược phẩm. Do đó, hướng nghiên cứu về sử dụng các phương pháp oxy hóa nâng cao để xử lý Cephalexin trong nước thải là vấn đề đang được thế giới quan tâm. Kết quả của nghiên cứu này góp phần cung cấp một phương pháp xử lý Cephalexin bằng cách sử dụng tác nhân oxy hóa mạnh cụ thể là khí ozon hoặc peroxymonosulfate hoặc sử dụng cả hai tác nhân khí ozon với peroxymonosulfate kết hợp với xúc tác tổ hợp Co2SnO4@rGO dưới dạng nano. Đồng thời có thể sử dụng như một lựa chọn bổ sung vào các phương pháp xử lý nước thải dược phẩm hiện có.2 Ý nghĩa thực tiễn Nhiều công nghệ tiên tiến xuất hiện trong các thập kỷ gần đây đã được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước và nước thải.
Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp xử lý ô nhiễm như phương pháp hấp phụ, phương pháp sinh học, phương pháp oxy – khử, phương pháp oxy hóa nâng cao,…Trong các phương pháp trên phương pháp oxy hóa nâng cao có nhiều ưu điểm nổi trội như hiệu quả xử lý cao, khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các hợp chất vô cơ ít độc hại đã và đang được quan tâm ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường.