Tổng quan nghiên cứu

Việc sử dụng thuốc kháng sinh trên toàn cầu đã tăng mạnh, với nhu cầu tăng khoảng 65% trong giai đoạn 2000-2015, dẫn đến sự gia tăng đáng kể lượng kháng sinh thải ra môi trường. Ciprofloxacin (CIP), một kháng sinh fluoroquinolone thế hệ thứ hai, được sử dụng rộng rãi trong y tế và chăn nuôi, nhưng chỉ một phần nhỏ được chuyển hóa trong cơ thể, phần lớn còn lại thải ra môi trường nước, gây ô nhiễm và nguy cơ kháng thuốc. Tại Việt Nam, kháng sinh chiếm tới 34% tổng chi phí thuốc trong bệnh viện, đồng thời việc sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản vẫn còn phổ biến, làm tăng nguy cơ tồn dư và ô nhiễm môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu Fe3O4 trên nền than sinh học bằng phương pháp hóa siêu âm, đặc trưng lý hóa vật liệu và ứng dụng xử lý CIP trong môi trường nước bằng phương pháp quang xúc tác hấp phụ. Nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao hiệu quả xử lý CIP, một trong những chất ô nhiễm kháng sinh phổ biến, trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu bao gồm chế tạo vật liệu tại Thái Nguyên, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý CIP và đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xử lý ô nhiễm kháng sinh thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của CIP đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng, đồng thời cung cấp giải pháp công nghệ mới cho xử lý nước thải chứa kháng sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về vật liệu nano oxit sắt từ Fe3O4 với cấu trúc spinel đảo, có tính siêu thuận từ và diện tích bề mặt lớn khi kích thước hạt nhỏ hơn 30 nm. Fe3O4 có khả năng thu hồi bằng từ trường, thuận lợi cho tái sử dụng trong xử lý môi trường. Tuy nhiên, Fe3O4 dễ bị oxy hóa và kết tụ, làm giảm hiệu quả xử lý. Do đó, tổ hợp Fe3O4 với than sinh học (biochar) được áp dụng để tăng diện tích bề mặt, ổn định hóa học và cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

Than sinh học là vật liệu cacbon xốp, có diện tích bề mặt lớn, được tạo ra từ nhiệt phân sinh khối trong môi trường yếm khí, có khả năng hấp phụ cao và thân thiện với môi trường. Sự kết hợp Fe3O4 và than sinh học tạo thành vật liệu tổng hợp có khả năng quang xúc tác hấp phụ, tăng cường quá trình phân hủy kháng sinh trong nước.

Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác hấp phụ, hiệu ứng cavitation trong phương pháp hóa siêu âm, cấu trúc spinel của Fe3O4, và ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại và hấp phụ của CIP.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo vật liệu Fe3O4 trên nền than sinh học tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên. Cỡ mẫu vật liệu chế tạo gồm các tỷ lệ khác nhau của than sinh học và Fe3O4 (2,5 g đến 15 g than sinh học). Phương pháp chọn mẫu là chế tạo theo phương pháp hóa siêu âm, sử dụng dung dịch muối sắt FeSO4 và Fe2(SO4)3 với tỉ lệ mol 3:1, phản ứng trong bể siêu âm ở 30°C.

Phân tích vật liệu bằng các kỹ thuật: hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ tán xạ Raman, phổ quang điện tử tia X (XPS), đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ (BET), và xác định từ tính bằng từ kế mẫu rung (VSM).

Phân tích hiệu quả xử lý CIP bằng phương pháp quang xúc tác hấp phụ dưới chiếu sáng tia UVA, đo nồng độ CIP bằng phổ hấp thụ UV-Vis tại bước sóng 276 nm. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng gồm pH (3, 5, 7, 9), khối lượng vật liệu (200-500 mg), nồng độ CIP ban đầu (10-40 ppm). Thời gian nghiên cứu kéo dài 180 phút, với các mẫu được lấy sau mỗi 30 phút.

Khả năng tái sử dụng vật liệu được đánh giá qua 4 lần xử lý liên tiếp. Hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch CIP trước và sau xử lý được kiểm tra bằng phương pháp vòng kháng khuẩn với vi khuẩn Bacillus subtilis và Escherichia coli.

Cơ chế phân hủy CIP được nghiên cứu bằng sắc ký lỏng khối phổ (LC-MS) để xác định các sản phẩm trung gian và đề xuất cơ chế quang xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu: Vật liệu RHF (Fe3O4 trên nền than sinh học) có cấu trúc bề mặt nhám, các hạt nano Fe3O4 kích thước 15-20 nm bám trên tấm mỏng than sinh học xốp. Diện tích bề mặt riêng của RHF là 88,06 m²/g, giảm so với than sinh học nguyên bản (521,35 m²/g) do hạt Fe3O4 lấp đầy lỗ xốp. Độ từ bão hòa của RHF đạt 41,37 emu/g, đủ để thu hồi bằng từ trường.

  2. Hiệu suất xử lý CIP: Vật liệu RHF2 (chế tạo từ 5 g than sinh học) đạt hiệu suất phân hủy CIP cao nhất 96,67% sau 180 phút chiếu sáng tia UVA, vượt trội so với Fe3O4 đơn lẻ (64,05%) và than sinh học (77,89%). Hiệu suất xử lý tăng 47% khi có chiếu sáng so với không chiếu sáng.

  3. Ảnh hưởng của pH: Hiệu suất xử lý CIP cao nhất ở pH = 3 (92,93%), giảm dần khi pH tăng lên 7 (66,03%) và 9 (81,48%). Ở pH thấp, CIP tồn tại dạng cation dễ hấp phụ trên bề mặt âm điện của vật liệu, tăng hiệu quả quang xúc tác.

  4. Ảnh hưởng khối lượng vật liệu: Khi tăng khối lượng RHF2 từ 200 mg lên 500 mg, hiệu suất xử lý CIP tăng từ 86,51% lên 98,91% sau 180 phút, cho thấy khối lượng vật liệu là yếu tố quan trọng để tối ưu hiệu quả xử lý.

  5. Khả năng tái sử dụng: Vật liệu RHF2 giữ được hiệu suất xử lý trên 90% sau 4 lần tái sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng phục hồi cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự kết hợp Fe3O4 với than sinh học tạo ra vật liệu có cấu trúc bề mặt phù hợp, tăng diện tích tiếp xúc và khả năng hấp phụ CIP. Hiệu suất xử lý cao hơn so với từng thành phần riêng lẻ do than sinh học hỗ trợ phân tán hạt Fe3O4, ngăn ngừa kết tụ và tăng cường quá trình trao đổi electron, giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống trong quang xúc tác.

Ảnh hưởng của pH phù hợp với các nghiên cứu trước đây, khi CIP tồn tại dạng cation ở pH thấp dễ hấp phụ trên bề mặt vật liệu mang điện tích âm, tăng hiệu quả phân hủy. Ở pH cao, sự đẩy điện tích làm giảm hấp phụ và hiệu suất xử lý.

Khối lượng vật liệu tăng làm tăng số lượng vị trí hoạt động, tăng khả năng hấp phụ và phân hủy CIP. Tuy nhiên, cần cân nhắc tối ưu để tránh lãng phí vật liệu.

Khả năng tái sử dụng cao của RHF2 giúp giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp, phù hợp ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý CIP theo thời gian và pH, bảng so sánh diện tích bề mặt và từ tính của vật liệu, cũng như hình ảnh SEM và TEM minh họa cấu trúc vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu điều kiện xử lý CIP: Áp dụng pH khoảng 3 và khối lượng vật liệu RHF2 từ 400-500 mg cho 400 mL dung dịch để đạt hiệu suất xử lý trên 95% trong vòng 180 phút. Thời gian thực hiện đề xuất trong 6 tháng đầu triển khai.

  2. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu Fe3O4/than sinh học quy mô lớn: Sử dụng phương pháp hóa siêu âm để đảm bảo kích thước hạt nano đồng đều, ổn định. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm công nghệ môi trường và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.

  3. Ứng dụng trong xử lý nước thải bệnh viện và chăn nuôi: Lắp đặt hệ thống xử lý nước thải sử dụng vật liệu RHF2 tại các cơ sở có lượng CIP thải ra lớn, nhằm giảm thiểu ô nhiễm và nguy cơ kháng thuốc. Thời gian triển khai từ 1-2 năm.

  4. Nghiên cứu mở rộng xử lý các loại kháng sinh khác và chất ô nhiễm hữu cơ: Khảo sát hiệu quả xử lý các nhóm kháng sinh phổ rộng và các chất ô nhiễm mới nổi khác để đa dạng hóa ứng dụng vật liệu. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các khóa đào tạo về sử dụng và xử lý kháng sinh an toàn, giảm thiểu thải ra môi trường, phối hợp với các cơ quan quản lý và y tế. Thời gian thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu về vật liệu nano, quang xúc tác và xử lý ô nhiễm nước, có thể áp dụng phương pháp và kết quả để phát triển đề tài mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ chế tạo vật liệu Fe3O4/than sinh học để sản xuất vật liệu xử lý kháng sinh, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm kháng sinh, hướng dẫn xử lý nước thải bệnh viện và chăn nuôi.

  4. Các đơn vị xử lý nước thải bệnh viện, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản: Áp dụng vật liệu RHF2 trong hệ thống xử lý nước thải nhằm giảm tồn dư kháng sinh, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Fe3O4 trên nền than sinh học có ưu điểm gì so với Fe3O4 đơn lẻ?
    Vật liệu tổ hợp có diện tích bề mặt lớn hơn, ổn định hơn, giảm kết tụ hạt nano Fe3O4, tăng hiệu quả quang xúc tác và dễ thu hồi bằng từ trường, giúp nâng cao hiệu suất xử lý kháng sinh.

  2. Tại sao pH ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý CIP?
    pH ảnh hưởng đến dạng ion của CIP và điện tích bề mặt vật liệu. Ở pH thấp, CIP tồn tại dạng cation dễ hấp phụ trên bề mặt âm điện của vật liệu, tăng hiệu quả phân hủy. Ở pH cao, sự đẩy điện tích làm giảm hấp phụ và hiệu suất.

  3. Phương pháp hóa siêu âm có ưu điểm gì trong chế tạo vật liệu?
    Phương pháp này sử dụng sóng siêu âm tạo hiệu ứng cavitation giúp phân tán hạt nano đồng đều, thân thiện môi trường, tạo vật liệu có độ bão hòa từ cao và kích thước hạt nhỏ, phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác.

  4. Vật liệu RHF có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu RHF2 giữ hiệu suất xử lý trên 90% sau 4 lần tái sử dụng, cho thấy tính ổn định và khả năng phục hồi cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Cơ chế phân hủy CIP bằng vật liệu RHF là gì?
    Dưới chiếu sáng tia UVA, vật liệu RHF tạo ra các gốc tự do peroxide và hydroxyl có tính oxi hóa mạnh, phân hủy CIP thành các sản phẩm trung gian ít độc tố hơn, được xác định bằng sắc ký lỏng khối phổ LC-MS.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu Fe3O4 trên nền than sinh học bằng phương pháp hóa siêu âm với kích thước hạt nano 15-20 nm và độ từ bão hòa 41,37 emu/g.
  • Vật liệu RHF2 đạt hiệu suất xử lý CIP cao nhất 96,67% sau 180 phút chiếu sáng tia UVA, vượt trội so với Fe3O4 và than sinh học riêng lẻ.
  • Hiệu suất xử lý phụ thuộc mạnh vào pH, khối lượng vật liệu và nồng độ CIP ban đầu, với pH tối ưu là 3.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng ít nhất 4 lần mà không giảm đáng kể hiệu suất, phù hợp ứng dụng thực tế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu quang xúc tác hấp phụ thân thiện môi trường để xử lý ô nhiễm kháng sinh trong nước thải.

Tiếp theo, cần triển khai quy trình sản xuất quy mô lớn, ứng dụng thực tế tại các cơ sở y tế và chăn nuôi, đồng thời mở rộng nghiên cứu xử lý các loại kháng sinh và chất ô nhiễm khác. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ này để góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.