Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước do tồn dư các chất kháng sinh ngày càng gia tăng, việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả và thân thiện với môi trường trở thành một yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, amoxicillin (AMX) là một trong những loại kháng sinh phổ biến được phát hiện trong nước mặt, nước ngầm và thậm chí nước uống, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các công nghệ truyền thống như hấp phụ than hoạt tính, màng lọc, điện phân hay phương pháp oxi hóa tiên tiến (AOPs) đã được áp dụng nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về chi phí, hiệu quả và khả năng gây ô nhiễm thứ cấp.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO nhằm xử lý kháng sinh trong môi trường nước, đặc biệt là amoxicillin. Mục tiêu chính là phát triển hệ vật liệu xúc tác quang thế hệ mới có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, tăng hiệu suất phân hủy kháng sinh và giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống quang sinh. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với thời gian thực hiện trong năm 2021.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp công nghệ xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời bền vững để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững trong nước. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh, giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình xúc tác quang hiện đại, trong đó:

  • Xúc tác quang dị thể: Quá trình kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn của chất bán dẫn khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg). Electron và lỗ trống quang sinh tham gia vào các phản ứng oxi hóa-khử tạo ra các gốc tự do như HO• và O2•- có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ.

  • Mô hình hệ lai ghép dạng Z: Kết hợp hai vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm hẹp để tăng hiệu quả phân tách electron-lỗ trống, hạn chế tái tổ hợp, đồng thời giữ được thế năng oxi hóa và khử mạnh mẽ. Hệ WO3/Ag3VO4 là ví dụ điển hình với Eg lần lượt là 2,8 eV và 2 eV, tạo ra hiệu suất xúc tác quang cao hơn so với từng vật liệu riêng lẻ.

  • Khái niệm vật liệu r-GO (graphene oxide dạng khử): r-GO có diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt, giúp tăng cường vận chuyển điện tử trong hệ vật liệu composite, giảm sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron vùng dẫn (e-CB), lỗ trống vùng hóa trị (h+VB), gốc tự do HO• và O2•-, hiệu suất phân hủy kháng sinh, và cơ chế chuyển điện tích trong hệ lai ghép.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất tiền chất như AgNO3, Na2WO4, Na3VO4 và graphite để tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO. Dữ liệu thu thập từ các phân tích đặc trưng vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác quang phân hủy amoxicillin trong môi trường nước.

  • Phương pháp phân tích: Các kỹ thuật hóa lý hiện đại được áp dụng gồm phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis DRS) để xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm; nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (HRTEM) để khảo sát hình thái bề mặt; phổ hồng ngoại (IR) để xác định liên kết hóa học; phổ quang phát quang (PL) để đánh giá sự tái tổ hợp electron-lỗ trống; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.

  • Phương pháp thực nghiệm: Tổng hợp vật liệu theo các bước thủy nhiệt và khử hóa học, khảo sát hoạt tính xúc tác quang bằng phản ứng phân hủy amoxicillin dưới ánh sáng đèn compact mô phỏng ánh sáng nhìn thấy. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2021 với cỡ mẫu vật liệu composite được điều chỉnh theo tỷ lệ khối lượng WO3/Ag3VO4 (5%, 10%, 15%, 20%) và bổ sung r-GO.

  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Các phương pháp đặc trưng vật liệu hiện đại giúp đánh giá toàn diện cấu trúc, thành phần và tính chất quang xúc tác của vật liệu tổng hợp, từ đó liên hệ với hiệu suất phân hủy kháng sinh. Phương pháp phân hủy amoxicillin bằng xúc tác quang là mô hình thực nghiệm phù hợp để đánh giá hiệu quả ứng dụng trong xử lý nước thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu WO3 và hoạt tính xúc tác quang: Vật liệu WO3 có năng lượng vùng cấm khoảng 2,8 eV, cấu trúc tinh thể dạng perovskit với các pha monoclinic và tetragonal tồn tại trong khoảng nhiệt độ từ 17 đến 1470°C. Hoạt tính xúc tác quang của WO3 thể hiện qua khả năng hấp phụ amoxicillin với dung lượng hấp phụ tăng theo thời gian, đạt khoảng 60% sau 120 phút.

  2. Hiệu quả của vật liệu composite WO3/Ag3VO4 (WA-x): Tỷ lệ khối lượng WO3/Ag3VO4 là 10% (WA-10) cho hiệu suất phân hủy amoxicillin cao nhất, đạt 71,2% sau 90 phút chiếu sáng, cao hơn 3,1 lần so với Ag3VO4 và 4,6 lần so với WO3 riêng lẻ. Phổ UV-Vis DRS và PL cho thấy hệ lai ghép giảm đáng kể sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả chuyển điện tích.

  3. Tác động của r-GO trong hệ WO3/Ag3VO4/r-GO: Việc bổ sung r-GO làm tăng hiệu suất phân hủy amoxicillin lên khoảng 85% sau 90 phút, nhờ khả năng vận chuyển điện tử hiệu quả, giảm sự tái tổ hợp và tăng diện tích bề mặt xúc tác. Hình ảnh TEM và HRTEM minh họa sự phân bố đồng đều của các hạt nano trên bề mặt r-GO.

  4. Ảnh hưởng của các chất dập tắt gốc tự do: Thí nghiệm sử dụng các chất dập tắt gốc HO• và O2•- cho thấy gốc HO• đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy amoxicillin, chiếm ưu thế trong cơ chế xúc tác quang của hệ vật liệu composite.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất xúc tác quang trong hệ WO3/Ag3VO4/r-GO là do cơ chế chuyển điện tích hiệu quả theo mô hình hệ lai ghép dạng Z, giúp kéo dài thời gian sống của electron và lỗ trống quang sinh, từ đó tăng khả năng tạo ra các gốc tự do oxi hóa mạnh. So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu đơn lẻ hoặc composite không có r-GO, kết quả này cho thấy sự ưu việt rõ rệt về hiệu suất phân hủy kháng sinh.

Biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy amoxicillin giữa các vật liệu WO3, Ag3VO4, WA-10 và WA/r-GO minh họa sự gia tăng hiệu quả rõ rệt khi kết hợp và bổ sung r-GO. Bảng phân tích thành phần nguyên tố và phổ PL hỗ trợ cho luận điểm về giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu xúc tác quang thế hệ mới, đồng thời mở ra hướng phát triển các hệ vật liệu composite ứng dụng trong xử lý nước thải chứa chất kháng sinh và các hợp chất hữu cơ bền vững khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO quy mô lớn: Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất cao, hướng tới ứng dụng công nghiệp trong vòng 2-3 năm tới. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  2. Ứng dụng hệ vật liệu composite trong xử lý nước thải chứa kháng sinh: Triển khai thử nghiệm tại các nhà máy xử lý nước thải y tế, thủy sản và công nghiệp dược phẩm nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng vật liệu. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: các đơn vị xử lý nước thải và trung tâm nghiên cứu môi trường.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác: Khảo sát hiệu quả phân hủy các loại thuốc trừ sâu, phẩm nhuộm và hợp chất hữu cơ bền khác bằng hệ vật liệu composite này. Chủ thể: các nhóm nghiên cứu hóa học và môi trường.

  4. Phát triển công nghệ xúc tác quang sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp: Thiết kế hệ thống phản ứng xúc tác quang tận dụng nguồn năng lượng bền vững, giảm chi phí vận hành và tăng tính thân thiện môi trường. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ xanh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu xúc tác quang, phương pháp tổng hợp và ứng dụng xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và xử lý nước thải: Tham khảo để ứng dụng công nghệ xúc tác quang tiên tiến, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh và các chất hữu cơ khó phân hủy.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách, quy định về xử lý ô nhiễm nước và khuyến khích áp dụng công nghệ xanh, bền vững.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng quan tâm đến bảo vệ môi trường: Hiểu rõ về tác động của kháng sinh trong môi trường nước và các giải pháp xử lý hiệu quả, từ đó thúc đẩy các hoạt động bảo vệ nguồn nước sạch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
    Hệ vật liệu composite này có năng lượng vùng cấm hẹp, hấp thụ tốt ánh sáng nhìn thấy, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ cơ chế lai ghép dạng Z và sự hỗ trợ của r-GO, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ bền vững như amoxicillin.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp và tốn kém không?
    Quy trình tổng hợp sử dụng các hóa chất phổ biến và phương pháp thủy nhiệt kết hợp khử hóa học, tương đối đơn giản và có thể tối ưu để giảm chi phí, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp.

  3. Hiệu suất phân hủy amoxicillin đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Hệ vật liệu WO3/Ag3VO4/r-GO đạt hiệu suất phân hủy amoxicillin khoảng 85% sau 90 phút chiếu sáng bằng đèn compact mô phỏng ánh sáng nhìn thấy.

  4. Có thể tái sử dụng vật liệu xúc tác nhiều lần không?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu composite giữ được hiệu suất xúc tác trên 90% sau 4 lần tái sử dụng, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.

  5. Cơ chế phân hủy amoxicillin trên vật liệu composite như thế nào?
    Electron và lỗ trống quang sinh tạo ra các gốc tự do HO• và O2•- có hoạt tính oxi hóa mạnh, phân hủy amoxicillin thành CO2, H2O và các chất vô cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang composite WO3/Ag3VO4/r-GO với cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy.
  • Hệ vật liệu composite thể hiện hiệu suất phân hủy amoxicillin cao hơn nhiều so với các vật liệu đơn lẻ, đạt khoảng 85% sau 90 phút chiếu sáng.
  • Cơ chế xúc tác quang dựa trên mô hình lai ghép dạng Z và sự hỗ trợ vận chuyển điện tử của r-GO giúp giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả xúc tác.
  • Vật liệu có tính ổn định cao, khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp ứng dụng trong xử lý nước thải chứa kháng sinh và các chất hữu cơ bền vững.
  • Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải, đồng thời mở rộng nghiên cứu xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này trong tương lai.