Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước bởi các chất 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 này, dẫn đến tồn dư kháng sinh trong nguồn nước, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước và sức khỏe cộng đồng. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu composite NiFe2O4@C dựa trên vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) Ni/Fe-MIL-88B(Fe) và ứng dụng trong hấp phụ các chất kháng sinh phổ biến như CFX và TCC. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa học vật liệu, Đại học Nguyễn Tất Thành, trong giai đoạn 2020-2021, nhằm phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Việc ứng dụng vật liệu cacbon xốp thu được từ MOFs giúp tăng dung lượng hấp phụ, khả năng tái sử dụng và giảm chi phí xử lý, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm kháng sinh trong nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs), trong đó các ion kim loại chuyển tiếp như Ni(II), Fe(III) liên kết với các cầu nối hữu cơ tạo thành cấu trúc đa lỗ xốp với diện tích bề mặt lớn. MOFs có khả năng hấp phụ cao nhờ cấu trúc lỗ xốp và tính linh hoạt của khung mạng. Vật liệu Ni/Fe-MIL-88B(Fe) được chọn làm tiền chất do quy trình tổng hợp đơn giản và khả năng tạo cacbon xốp sau quá trình nung. Ngoài ra, lý thuyết hấp phụ vật lý và hóa học được áp dụng để giải thích cơ chế hấp phụ kháng sinh trên bề mặt vật liệu cacbon, bao gồm các tương tác điện tử giữa nhóm chức trên bề mặt và phân tử kháng sinh. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ, cùng với các mô hình động học bậc 1 và bậc 2 để phân tích tốc độ hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và khảo sát vật liệu NiFe2O4@C được thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa học vật liệu, Đại học Nguyễn Tất Thành. Cỡ mẫu vật liệu tổng hợp là 1 g Ni/Fe-MOFs nung ở các nhiệt độ 600, 700, 800, 900 °C dưới khí trơ N2 trong 4 giờ. Phương pháp chọn mẫu là nung nhiệt trực tiếp nhằm biến đổi MOFs thành vật liệu cacbon xốp có tính từ tính. Các thí nghiệm hấp phụ được tiến hành với các biến số: pH (2-10), thời gian hấp phụ (0-480 phút), khối lượng chất hấp phụ (0,05-0,2 g/L), nồng độ kháng sinh ban đầu (5-60 mg/L). Phân tích nồng độ kháng sinh sau hấp phụ sử dụng phương pháp UV-Vis với đường chuẩn được xây dựng cho từng loại kháng sinh. Phân tích cấu trúc vật liệu bằng XRD, FT-IR, SEM, TEM và BET để xác định đặc tính hóa lý. Quá trình tối ưu hóa hấp phụ được thực hiện bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) với thiết kế Box-Behnken 3 yếu tố. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng.

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 98,5 mg/g đối với CFX và 85,3 mg/g đối với TCC, tăng khoảng 25% 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.

  2. Ảnh hưởng pH đến hấp phụ: Khả năng hấp phụ tối ưu đạt được ở pH 6 đối với CFX và pH 4 đối với TCC, với hiệu suất hấp phụ lần lượt là 92% và 88%. Sự khác biệt này liên quan đến trạng thái ion hóa của kháng sinh và nhóm chức trên bề mặt vật liệu.

  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 95% đối với CFX và từ 60% lên 90% đối với TCC. Tuy nhiên, vượt quá 0,15 g/L, hiệu suất không tăng đáng kể do bão hòa bề mặt hấp phụ.

  4. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ: Thời gian cân bằng hấp phụ đạt khoảng 240 phút với hiệu suất hấp phụ trên 90% cho cả hai kháng sinh. Mô hình động học bậc 2 phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu do hấp phụ hóa học.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu NiFe2O4@C tổng hợp từ Ni/Fe-MOFs có khả năng hấp phụ kháng sinh CFX và TCC hiệu quả nhờ diện tích bề mặt lớn (khoảng 1120 m²/g) và cấu trúc lỗ xốp đa dạng. Nhiệt độ nung cao giúp tăng cường cấu trúc cacbon xốp và loại bỏ tạp chất, nâng cao khả năng hấp phụ. Sự phụ thuộc vào pH phản ánh tương tác điện tích giữa vật liệu và phân tử kháng sinh, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hấp phụ kháng sinh trên vật liệu cacbon. So với các vật liệu hấp phụ truyền thống như than hoạt tính, vật liệu NFOC900 cho dung lượng hấp phụ cao hơn khoảng 15-20%. Phân tích mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich cho thấy hấp phụ diễn ra chủ yếu trên bề mặt đồng nhất với lớp hấp phụ đơn. Các biểu đồ hấp phụ và phân bố ngẫu nhiên trong nghiên cứu minh họa rõ sự phù hợp của mô hình với dữ liệu thực nghiệm. Khả năng tái sử dụng vật liệu qua 3-4 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.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng vật liệu NFOC900 trong xử lý nước thải: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải tại Việt Nam áp dụng vật liệu NiFe2O4@C nung ở 900 °C để hấp phụ kháng sinh, nhằm giảm tồn dư kháng sinh trong nước. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

  2. Nâng cao quy mô sản xuất vật liệu: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu NiFe2O4@C với công suất lớn, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả hấp phụ, phục vụ cho các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Tối ưu hóa quy trình hấp phụ: Áp dụng phương pháp đáp ứng bề mặt để điều chỉnh các thông số pH, khối lượng vật liệu và thời gian hấp phụ nhằm đạt hiệu suất tối ưu trong từng điều kiện môi trường cụ thể.

  4. Phát triển công nghệ tái sử dụng vật liệu: Xây dựng quy trình tái sinh vật liệu hấp phụ bằng dung môi ethanol hoặc acid loãng, giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ vật liệu, góp phần bảo vệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học vật liệu: Nghiên cứu cung cấp kiến thức sâu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu composite NiFe2O4@C từ MOFs, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu hấp phụ mới trong xử lý ô nhiễm kháng sinh, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị xử lý nước: Có thể phát triển sản phẩm vật liệu hấp phụ thương mại dựa trên kết quả nghiên cứu, mở rộng thị trường xử lý nước thải.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Sử dụng thông tin để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý tồn dư kháng sinh trong nước, thúc đẩy ứng dụng công nghệ xanh.

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, khả năng hấp phụ cao hơn khoảng 15-20%, 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 tổng hợp vật liệu có phức tạp không?
    Quy trình tổng hợp sử dụng phương pháp nung trực tiếp Ni/Fe-MOFs ở nhiệt độ 600-900 °C dưới khí trơ, đơn giản, dễ thực hiện và có thể mở rộng quy mô sản xuất.

  3. Khả năng tái sử dụng vật liệu như thế nào?
    Vật liệu có thể tái sử dụng 3-4 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 ra sao?
    Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào trạng thái ion hóa của kháng sinh và nhóm chức trên bề mặt vật liệu, với pH tối ưu là 6 cho CFX và 4 cho TCC, giúp tối đa hóa tương tác hấp phụ.

  5. Phương pháp phân tích nồng độ kháng sinh sau hấp phụ là gì?
    Sử dụng phương pháp UV-Vis với đường chuẩn được xây dựng riêng cho từng loại kháng sinh, đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong đo lường.

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 đa dạng.
  • Vật liệu cho khả năng hấp phụ cao đối với kháng sinh ciprofloxacin và tetracycline, với hiệu suất hấp phụ trên 90% trong điều kiện tối ưu.
  • Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và động học bậc 2, cho thấy hấp phụ hóa học chiếm ưu thế.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí và thân thiện môi trường, phù hợp ứng dụng trong xử lý nước thải.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, đồng thời phát triển quy trình tái sinh vật liệu để nâng cao hiệu quả kinh tế và môi trường.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vật liệu NiFe2O4@C để góp phần giải quyết ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.