Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước bởi các loại kháng sinh như ciprofloxacin (CFX) và tetracycline (TCC) đang trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. Theo ước tính, các nhà máy xử lý nước thải hiện nay chỉ loại bỏ được một phần nhỏ các hợp chất kháng sinh, dẫn đến sự tồn dư kéo dài trong nguồn nước, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước và sức khỏe cộng đồng. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu composite NiFe2O4@C dẫn xuất từ Ni2+/Fe3+-MOFs nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ và loại bỏ các kháng sinh phổ biến này trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm khoa học vật liệu của trường Đại học Nguyễn Tất Thành, với phạm vi thời gian từ năm 2020 đến 2021, tập trung vào điều kiện nhiệt độ nung vật liệu từ 600 đến 900°C và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như pH, thời gian, khối lượng chất hấp phụ và nồng độ kháng sinh ban đầu.

Việc ứng dụng vật liệu cacbon xốp từ MOFs không chỉ giúp tăng diện tích bề mặt hấp phụ mà còn đảm bảo tính thân thiện môi trường và khả năng tái sử dụng nhiều lần, góp phần giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc đa dạng hóa các giải pháp xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: vật liệu khung cơ kim loại (MOFs) và cơ chế hấp phụ vật lý - hóa học. MOFs là các cấu trúc đa lỗ xốp được tạo thành từ các ion kim loại chuyển tiếp (Ni2+, Fe3+) liên kết với các cầu nối hữu cơ như acid terephthalic (H2BDC). Đặc điểm nổi bật của MOFs là diện tích bề mặt riêng lớn (hàng ngàn m²/g), cấu trúc lỗ xốp đa dạng và khả năng điều chỉnh kích thước lỗ thông qua thay đổi ion kim loại hoặc ligand. Vật liệu NiFe2O4@C được tổng hợp bằng phương pháp nung vật liệu Ni/Fe-MOFs ở nhiệt độ cao trong môi trường khí trơ, tạo ra cacbon xốp có khả năng hấp phụ cao và tính ổn định trong môi trường nước.

Ba khái niệm chính được áp dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Đẳng nhiệt hấp phụ: mô hình Langmuir, Freundlich và Temkin được sử dụng để mô tả sự hấp phụ kháng sinh trên bề mặt vật liệu.
  • Động học hấp phụ: mô hình bậc 1 và bậc 2 giúp phân tích tốc độ hấp phụ và cơ chế tương tác giữa kháng sinh và vật liệu.
  • Phương pháp tối ưu hóa đáp ứng bề mặt (RSM): được dùng để xác định điều kiện tối ưu về pH, khối lượng chất hấp phụ và nồng độ kháng sinh nhằm đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp vật liệu NiFe2O4@C bằng phương pháp nung vật liệu Ni/Fe-MOFs ở nhiệt độ 600, 700, 800 và 900°C. Cỡ mẫu vật liệu mỗi lần nung là 1 g, được nung trong 4 giờ dưới khí nitơ 99,99% với tốc độ gia nhiệt 3°C/phút. Các mẫu vật liệu sau đó được phân tích đặc trưng cấu trúc bằng XRD, FT-IR, SEM, TEM và BET để xác định diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp.

Phương pháp hấp phụ được tiến hành trong bình lắc với các biến số gồm: pH dung dịch (2-10), thời gian hấp phụ (0-480 phút), khối lượng chất hấp phụ (0,05-0,2 g/L) và nồng độ kháng sinh ban đầu (5-60 mg/L). Nồng độ kháng sinh sau hấp phụ được xác định bằng phương pháp UV-Vis với đường chuẩn được xây dựng cho từng loại kháng sinh. Phân tích dữ liệu sử dụng mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ, đồng thời áp dụng phương pháp RSM theo thiết kế Box-Behnken để tối ưu hóa các thông số vận hành.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, khảo sát ảnh hưởng các yếu tố đến hấp phụ, phân tích dữ liệu và tối ưu hóa quy trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả năng hấp phụ: Vật liệu nung ở 900°C (NFOC900) cho dung lượng hấp phụ cao nhất với 48,5 mg/g đối với CFX và 52,3 mg/g đối với TCC, tăng khoảng 20-30% so với vật liệu nung ở 600°C. Điều này cho thấy nhiệt độ nung cao giúp tăng diện tích bề mặt và độ xốp của vật liệu, cải thiện khả năng hấp phụ.

  2. Ảnh hưởng của pH dung dịch: Khả năng hấp phụ đạt tối ưu ở pH 6 đối với CFX và pH 4 đối với TCC, với hiệu suất loại bỏ lần lượt là 92% và 89%. Ở pH này, các nhóm chức trên bề mặt vật liệu và dạng ion của kháng sinh tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác hấp phụ.

  3. Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ: Khi tăng khối lượng vật liệu từ 0,05 đến 0,15 g/L, hiệu suất hấp phụ tăng từ 65% lên 90% đối với cả hai kháng sinh, tuy nhiên khi vượt quá 0,15 g/L, hiệu suất không tăng đáng kể do bão hòa bề mặt hấp phụ.

  4. Ảnh hưởng nồng độ kháng sinh ban đầu: Dung lượng hấp phụ tăng theo nồng độ ban đầu, đạt tối đa khoảng 60 mg/L với hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ do cạnh tranh hấp phụ trên bề mặt vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu NiFe2O4@C nung ở 900°C có cấu trúc lỗ xốp phát triển tốt, diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 1120 m²/g, phù hợp với các nghiên cứu trước về vật liệu cacbon xốp từ MOFs. Sự khác biệt về pH tối ưu giữa CFX và TCC phản ánh tính chất hóa lý và dạng ion của từng kháng sinh trong dung dịch, ảnh hưởng đến tương tác hấp phụ. Mô hình đẳng nhiệt Langmuir phù hợp với dữ liệu hấp phụ, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra chủ yếu trên bề mặt đồng nhất với hấp phụ đơn lớp.

So sánh với các nghiên cứu khác, dung lượng hấp phụ của NFOC900 vượt trội hơn so với than hoạt tính truyền thống (khoảng 30-40 mg/g) và các vật liệu MOFs chưa biến tính, nhờ vào cấu trúc lai giữa oxit kim loại và cacbon xốp. Khả năng tái sử dụng vật liệu qua 4 chu kỳ hấp phụ vẫn giữ được trên 85% hiệu suất, chứng tỏ tính bền vững và kinh tế của vật liệu trong ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong hấp phụ theo thời gian, biểu đồ ảnh hưởng pH và khối lượng vật liệu, cũng như bảng so sánh các hằng số đẳng nhiệt và động học hấp phụ để minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng vật liệu NFOC900 trong hệ thống xử lý nước thải: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải tại Việt Nam áp dụng vật liệu này để nâng cao hiệu quả loại bỏ kháng sinh, đặc biệt trong các nhà máy xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng để thử nghiệm quy mô pilot.

  2. Tối ưu hóa quy trình sản xuất vật liệu: Đề xuất nghiên cứu mở rộng về điều kiện nung và biến tính vật liệu nhằm giảm chi phí sản xuất mà vẫn giữ được hiệu suất hấp phụ cao. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.

  3. Phát triển công nghệ tái sử dụng vật liệu hấp phụ: Xây dựng quy trình tái sinh vật liệu bằng dung môi ethanol hoặc acid loãng để giảm chi phí vận hành và giảm phát thải chất thải nguy hại. Thời gian nghiên cứu và triển khai khoảng 6-12 tháng.

  4. Mở rộng nghiên cứu hấp phụ các loại kháng sinh khác và hợp chất dược phẩm: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu tiếp tục khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu trên các hợp chất kháng sinh khác nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành hóa học vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu composite NiFe2O4@C từ MOFs, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến vật liệu hấp phụ và xử lý môi trường.

  2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường: Thông tin về hiệu quả hấp phụ kháng sinh và các điều kiện vận hành tối ưu hỗ trợ trong việc thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và nuôi trồng thủy sản.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và công nghệ xử lý nước: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm vật liệu hấp phụ mới, thân thiện môi trường, có khả năng tái sử dụng, giúp nâng cao giá trị sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Thông tin về tác động của kháng sinh trong môi trường nước và giải pháp xử lý hiệu quả giúp xây dựng các chính sách quản lý chất thải và bảo vệ nguồn nước bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu NiFe2O4@C có ưu điểm gì so với than hoạt tính truyền thống?
    Vật liệu NiFe2O4@C có diện tích bề mặt lớn hơn (khoảng 1120 m²/g), khả năng hấp phụ cao hơn 20-30%, đồng thời có tính từ tính giúp dễ dàng tách ra khỏi dung dịch sau xử lý, giảm chi phí vận hành.

  2. Quá trình hấp phụ kháng sinh diễn ra theo cơ chế nào?
    Quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý kết hợp với tương tác hóa học giữa các nhóm chức trên bề mặt vật liệu và phân tử kháng sinh, được mô tả bằng mô hình đẳng nhiệt Langmuir và động học bậc 2.

  3. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà không giảm hiệu quả?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu có thể tái sử dụng ít nhất 4 lần với hiệu suất hấp phụ giữ trên 85%, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến dạng ion của kháng sinh và nhóm chức trên bề mặt vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến tương tác hấp phụ. pH tối ưu là 6 cho CFX và 4 cho TCC, tại đó hiệu suất hấp phụ đạt cao nhất.

  5. Phương pháp tổng hợp vật liệu có thể áp dụng quy mô lớn không?
    Phương pháp nung vật liệu Ni/Fe-MOFs dưới khí trơ với điều kiện nhiệt độ và thời gian kiểm soát có thể được mở rộng quy mô, phù hợp với sản xuất công nghiệp nhờ quy trình đơn giản và nguyên liệu phổ biến.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite NiFe2O4@C từ Ni/Fe-MOFs với nhiệt độ nung tối ưu 900°C, đạt diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lỗ xốp phát triển.
  • Vật liệu cho khả năng hấp phụ cao đối với kháng sinh ciprofloxacin và tetracycline, với hiệu suất loại bỏ trên 90% trong điều kiện tối ưu.
  • Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và động học bậc 2 phù hợp mô tả quá trình hấp phụ, cho thấy hấp phụ đơn lớp và cơ chế hấp phụ hóa lý phối hợp.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng ít nhất 4 lần mà không giảm đáng kể hiệu quả, phù hợp ứng dụng xử lý nước thải thực tế.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản và phát triển quy trình tái sinh vật liệu nhằm nâng cao hiệu quả và tính kinh tế.

Nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận mới trong xử lý ô nhiễm nước chứa kháng sinh bằng vật liệu cacbon xốp từ MOFs, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.