Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do dư lượng kháng sinh đang trở thành thách thức môi trường cấp bách trên phạm vi toàn cầu, khi sản lượng tiêu thụ kháng sinh ước tính đạt từ 100.000 đến 200.000 tấn mỗi năm. Nhiều khảo sát thực địa đã ghi nhận nồng độ kháng sinh tồn lưu trong sông ngòi và nước ngầm dao động từ vài ng/L đến hàng mg/L, vượt xa ngưỡng an toàn sinh thái và làm gia tăng nguy cơ lan truyền gen kháng kháng sinh. Trước thực trạng các phương pháp xử lý cơ học và sinh học truyền thống khó loại bỏ triệt để các hợp chất bền vòng, nghiên cứu tập trung phát triển vật liệu xúc tác quang tiên tiến graphitic carbon nitride giàu nitơ nhằm phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước.

Mục tiêu cụ thể của công trình là đề xuất quy trình tổng hợp vật liệu graphitic carbon nitride thế hệ mới g-C3N5, đồng thời thực hiện biến tính cấu trúc thông qua kỹ thuật khuyết tật kép kết hợp pha tạp oxy và tạo chỗ trống nitơ. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 02/2023 đến tháng 12/2023 tại Phòng thí nghiệm Hóa vô cơ thuộc Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM.

Đề tài đạt được bước đột phá khi chế tạo thành công mẫu xúc tác biến tính có diện tích bề mặt riêng đạt 249,78 m2/g, cao gấp 2,77 lần so với vật liệu nguyên sinh. Trong điều kiện chiếu xạ đèn UV LED bước sóng 365 nm công suất 50W, vật liệu đạt hiệu suất quang phân hủy sulfamethoxazole 20 mg/L lên đến 77,3% sau 60 phút. Khi tích hợp cùng chất hỗ trợ peroxymonosulfate (PMS), tốc độ phản ứng được đẩy nhanh vượt bậc và hoạt động ổn định trong dải pH rộng từ 3,0 đến 9,0, mở ra giải pháp công nghệ xử lý nước thải y tế và dược phẩm mang tính thực tiễn cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai nền tảng lý thuyết cốt lõi gồm Thuyết quang xúc tác bán dẫn phi kim loại và Thuyết oxy hóa nâng cao dựa trên gốc tự do sunfat (SR-AOPs). Mô hình nghiên cứu tập trung tối ưu hóa cấu trúc dải năng lượng của chất bán dẫn thông qua việc đưa các khuyết tật mạng tinh thể vào khung polymer 2D g-C3N5.

Các khái niệm chuyên ngành chủ đạo được vận dụng xuyên suốt gồm:

  • Cấu trúc vùng năng lượng (Bandgap): Năng lượng vùng cấm hẹp 1,96 eV của g-C3N5 so với mức 2,71 eV của g-C3N4 truyền thống giúp tăng cường khả năng hấp thụ bức xạ photon.
  • Kỹ thuật khuyết tật kép (Dual-defect engineering): Quá trình pha tạp oxy ngoại lai kết hợp tạo chỗ trống nitơ nhằm tối ưu hóa mật độ điện tích bề mặt.
  • Cặp điện tử - lỗ trống quang sinh: Sự phân tách và định hướng chuyển dịch của hạt mang điện dưới tác động quang hóa.
  • Loài oxy hoạt động (ROS): Tập hợp các gốc tự do và phân tử hoạt tính cao gồm superoxide, hydroxyl, sulfate radical và oxy đơn phân tử trực tiếp bẻ gãy liên kết phân tử kháng sinh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn tiền chất phân tích gồm 3-amino-1,2,4-triazole (3-AT) và axit oxalic (OA). Quy trình tổng hợp triển khai phương pháp nhiệt phân hai bước có kiểm soát: nung lần 1 ở 550 °C trong 2 giờ dưới dòng khí argon lưu lượng 5 sccm, sau đó nung lần 2 ở 550 °C trong 2 giờ trong môi trường không khí.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 5 hệ vật liệu biến tính với tỷ lệ mol axit oxalic khảo sát lần lượt là 0%, 0,5%, 1,0%, 2,0% và 3,0% so với tiền chất 3-AT (ký hiệu từ CN-0 đến CN-3.0). Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo nồng độ tiền chất biến tính giúp xác định chính xác tỷ lệ tạo khuyết tật tối ưu.

Các phương pháp phân tích đặc trưng hiện đại được lựa chọn có chủ đích khoa học rõ ràng: XRD và FT-IR xác định pha tinh thể và nhóm chức liên kết; XPS và EDX định lượng trạng thái hóa học bề mặt; FESEM và TEM ghi nhận hình thái mao quản nano; BET đánh giá diện tích bề mặt riêng; UV-Vis DRS, Mott-Schottky, phổ quang phát quang (PL) và phổ trở kháng điện hóa (EIS) làm sáng tỏ cơ chế truyền điện tử. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm diễn ra trong khung thời gian 10 tháng từ tháng 02/2023 đến tháng 12/2023 trên thể tích phản ứng chuẩn 200 mL dung dịch kháng sinh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm đã mang lại những kết quả nổi bật về cấu trúc và hiệu năng xúc tác:

  • Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc mao quản: Mẫu biến tính với 2,0 mol.% axit oxalic (CN-2.0) đạt diện tích bề mặt riêng 249,78 m2/g, tăng 177% so với mẫu nguyên sinh CN-0 (khoảng 90,17 m2/g), tạo nên mạng lưới mao quản trung bình dày đặc với kích thước lỗ xốp phân bố đồng đều.
  • Cải thiện tính chất quang điện tử: Năng lượng vùng cấm của mẫu CN-2.0 được xác định ở mức 1,96 eV, cường độ phát xạ huỳnh quang PL giảm rõ rệt và bán kính cung trở kháng EIS Nyquist thu nhỏ hơn 50% so với mẫu không biến tính, minh chứng cho sự ức chế tái tổ hợp điện tử - lỗ trống.
  • Hiệu suất quang phân hủy sulfamethoxazole (SMX): Dưới bức xạ đèn LED UV 365 nm công suất 50W, mẫu CN-2.0 loại bỏ 77,3% lượng SMX nồng độ 20 mg/L sau 60 phút, vượt trội hoàn toàn so với các mẫu CN-0,5 (51,2%) và CN-0 (38,4%).
  • Hiệu ứng hiệp đồng kích hoạt PMS: Khi bổ sung chất kích hoạt PMS với nồng độ 0,15 g/L vào hệ quang xúc tác chứa 0,5 g/L vật liệu CN-2.0, hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến giả bậc nhất đạt 0,018 min-1, cao gấp 5,2 lần so với hệ không có PMS.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng vượt trội về hoạt tính xúc tác của mẫu CN-2.0 là nhờ tác động hiệp đồng của khuyết tật kép. Vị trí pha tạp oxy tạo tâm tích điện dương cục bộ giúp hấp phụ và hoạt hóa mạnh mẽ phân tử oxy cũng như anion PMS, trong khi các chỗ trống nitơ đóng vai trò bẫy điện tử ngăn chặn hiện tượng tái kết hợp hạt mang điện. So với các nghiên cứu sử dụng g-C3N4 thông thường có tốc độ phân hủy chỉ đạt 0,0077 min-1, hệ xúc tác CN-2.0 cho thấy tốc độ chuyển hóa nhanh gấp 2,3 lần.

Động học phản ứng phân hủy được mô hình hóa trực quan qua biểu đồ đường cong suy giảm nồng độ theo thời gian và bảng tổng hợp hằng số tốc độ động học, cho thấy sự phù hợp chặt chẽ với phương trình Langmuir-Hinshelwood. Thí nghiệm bẫy gốc tự do xác định 5 loài phản ứng tham gia chính theo thứ tự đóng góp gồm gốc superoxide, oxy đơn phân tử, gốc sunfat, gốc hydroxyl và lỗ trống quang sinh.

Đáng chú ý, vật liệu duy trì độ ổn định pha cấu trúc và hiệu suất xử lý trên 70% sau 4 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp. Phân tích LC-MS-QTOF kết hợp mô hình dự đoán ECOSAR khẳng định các sản phẩm trung gian sau xử lý bị bẻ gãy liên kết dị vòng, giúp giảm hơn 60% chỉ số độc tính sinh thái cấp tính đối với phiêu sinh vật và cá nước ngọt.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu ở quy mô pilot: Nhóm nghiên cứu thuộc các phòng thí nghiệm kỹ thuật hóa học cần phối hợp doanh nghiệp sản xuất vật liệu triển khai nung nhiệt phân gián đoạn trong 6 đến 12 tháng tới, hướng đến mục tiêu tạo ra sản lượng 5 đến 10 kg xúc tác mỗi mẻ với độ đồng đều cấu trúc xốp đạt trên 95%.
  • Thiết kế module quang xúc tác dòng chảy liên tục tích hợp PMS: Các kỹ sư môi trường và nhà máy xử lý nước thải y tế cần ứng dụng thiết kế bể phản ứng quang hóa dạng module màng cố định trong giai đoạn 2024 - 2025, đặt mục tiêu xử lý lưu lượng 50 đến 100 m3/ngày đêm với tỷ lệ loại bỏ kháng sinh sulfamethoxazole và ciprofloxacin đạt trên 90%.
  • Ban hành quy chuẩn kỹ thuật kiểm soát dư lượng kháng sinh xả thải: Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Y tế cần xây dựng và áp dụng khung tiêu chuẩn xả thải mới vào cuối năm 2025, khống chế nồng độ giới hạn của các nhóm kháng sinh quinolone và sulfonamide trong nước thải bệnh viện ở mức dưới 0,1 µg/L.
  • Mở rộng phạm vi đánh giá trên nền nước thải thực tế: Các viện nghiên cứu tài nguyên nước cần thực hiện khảo sát chuyên sâu trong 18 tháng về ảnh hưởng của 4 loại anion vô cơ phổ biến gồm clorua, nitrat, sunfat và bicacbonat ở dải nồng độ 1 đến 5 mM, nhằm hiệu chỉnh tối ưu hóa thông số vận hành cho hệ thống xử lý công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Nhà nghiên cứu và Giảng viên ngành Khoa học Vật liệu: Nắm bắt chi tiết phương pháp nhiệt phân hai bước chế tạo vật liệu khuyết tật kép g-C3N5-x-O với diện tích bề mặt 249,78 m2/g, phục vụ công tác giảng dạy và phát triển các đề tài bán dẫn thế hệ mới.
  • Kỹ sư môi trường và Doanh nghiệp xử lý nước thải: Khai thác quy trình công nghệ kết hợp xúc tác quang với chất kích hoạt PMS nồng độ 0,15 g/L để thiết kế các công trình xử lý nước thải dược phẩm, bệnh viện và khu nuôi trồng thủy sản.
  • Học viên cao học và Sinh viên chuyên ngành Hóa học: Tiếp cận phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm chuẩn mực, quy trình giải chập phổ XPS CasaXPS và chuỗi 12 kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại.
  • Cơ quan quản lý môi trường và Ban kiểm soát dịch bệnh: Tham khảo bộ dữ liệu nhận diện sản phẩm trung gian và đánh giá độc tính ECOSAR của 5 nhóm hợp chất phân hủy để hoạch định chính sách kiểm soát hóa chất y tế độc hại.

Câu hỏi thường gặp

Vật liệu g-C3N5-x-O có ưu điểm gì vượt trội so với chất xúc tác g-C3N4 thông thường? Vật liệu g-C3N5-x-O sở hữu năng lượng vùng cấm hẹp 1,96 eV, giúp mở rộng phổ hấp thụ bức xạ ánh sáng khả kiến hơn so với mức 2,71 eV của g-C3N4. Cấu trúc xốp với diện tích bề mặt 249,78 m2/g cùng mạng lưới khuyết tật kép giúp tăng tốc độ phân hủy kháng sinh sulfamethoxazole lên gấp 5,6 lần trong cùng điều kiện thực nghiệm.

Chất oxy hóa peroxymonosulfate (PMS) đóng vai trò gì trong phản ứng phân hủy? Khi bổ sung PMS ở nồng độ tối ưu 0,15 g/L, hệ phản ứng sản sinh các gốc sunfat mang thế oxy hóa khử cực cao từ 2,5 đến 3,1 V. Sự hiện diện của PMS giúp tăng tốc độ phản ứng phân hủy lên 0,018 min-1, đồng thời duy trì hiệu suất làm sạch ổn định trong dải pH biến thiên từ 3,0 đến 9,0.

Xúc tác biến tính CN-2.0 có đảm bảo độ bền khi vận hành tái sử dụng nhiều lần không? Thực nghiệm sau 4 chu kỳ phân hủy liên tiếp ghi nhận vật liệu CN-2.0 vẫn duy trì hiệu suất phân hủy trên 70% đối với dung dịch sulfamethoxazole 20 mg/L. Phân tích phổ XRD trước và sau phản ứng cho thấy cấu trúc tinh thể nguyên vẹn, chứng minh độ bền nhiệt động và khả năng chống suy hao quang hóa xuất sắc.

Những tác nhân oxy hóa nào đóng vai trò chính trong cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm? Thí nghiệm bẫy gốc tự do sử dụng natri azide và tert-butanol xác định có 5 tác nhân tham gia phản ứng gồm gốc superoxide, oxy đơn phân tử, gốc sunfat, gốc hydroxyl và lỗ trống quang sinh. Trong đó, gốc superoxide và oxy đơn phân tử đóng vai trò chủ đạo, thúc đẩy loại bỏ 77,3% lượng kháng sinh sau 60 phút chiếu xạ.

Các sản phẩm trung gian sau khi quang phân hủy có gây độc cho môi trường nước không? Dữ liệu sắc ký khối phổ LC-MS-QTOF kết hợp mô hình ECOSAR trên các loài sinh vật thủy sinh chỉ ra rằng quá trình phản ứng đã phân cắt vòng dị vòng isoxazole thành các mảnh hữu cơ đơn giản. Nhờ đó, tổng độc tính sinh thái cấp tính của dung dịch sau xử lý giảm hơn 60% so với dung dịch kháng sinh ban đầu.

Kết luận

  • Chế tạo thành công vật liệu xúc tác quang giàu nitơ khuyết tật kép g-C3N5-x-O bằng phương pháp nhiệt phân 2 bước ở 550 °C, nâng diện tích bề mặt riêng lên mức kỷ lục 249,78 m2/g.
  • Đạt hiệu suất phân hủy kháng sinh sulfamethoxazole 20 mg/L lên đến 77,3% sau 60 phút chiếu xạ dưới nguồn sáng UV LED 365 nm công suất 50W.
  • Khám phá cơ chế hoạt hóa vượt trội khi phối hợp cùng chất oxy hóa PMS nồng độ 0,15 g/L, giúp phản ứng vận hành hiệu quả trong dải pH từ 3,0 đến 9,0 và giữ vững hoạt tính qua 4 chu kỳ tái sử dụng.
  • Nhận diện toàn diện các sản phẩm chuyển hóa trung gian và xác nhận mức độ suy giảm độc tính sinh thái cấp tính trên 60% thông qua công cụ ECOSAR.
  • Mở ra hướng tiếp cận triển vọng cho công nghệ xử lý nước thải dược phẩm với kế hoạch hoàn thiện mô hình thiết bị liên tục quy mô 50 m3/ngày trong giai đoạn 2024 - 2025.

Để tìm hiểu chi tiết về bảng số liệu quang phổ, giản đồ động học và quy trình thực nghiệm chuyên sâu, quý độc giả và các chuyên gia có thể tham khảo toàn văn công trình luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, mã số 8520301 bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM.