Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của Tổng cục Thủy sản, đến năm 2011, sản lượng nuôi trồng thủy sản của Việt Nam đạt khoảng 3 triệu tấn, với giá trị xuất khẩu lên tới 6,118 tỷ USD, đứng thứ hai trong các mặt hàng xuất khẩu của quốc gia, trong đó tôm chiếm 50%. Sự phát triển nhanh chóng của nghề nuôi tôm đã kéo theo nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng như mất cân bằng sinh học, ô nhiễm môi trường và sự phát triển của các bệnh dịch. Việc sử dụng kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản không đúng quy định về chủng loại, liều lượng và thời gian có thể làm ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng thủy sản, gây ô nhiễm môi trường và làm tăng khả năng kháng sinh sinh trong vi khuẩn.

Kháng sinh sinh thuộc nhóm quinolon, đặc biệt là ciprofloxacin (CIP), được biết đến là một trong những kháng sinh mạnh nhất hiện nay để điều trị các bệnh nhiễm khuẩn do vi khuẩn Gram âm gây ra. Tuy nhiên, sự lạm dụng và tồn dư của ciprofloxacin trong môi trường nuôi trồng thủy sản đã tạo ra thách thức lớn trong xử lý chất thải và bảo vệ môi trường. Do đó, việc nghiên cứu hấp phụ kháng sinh sinh ciprofloxacin trên vật liệu đá ong biến tính bằng polyme mạng điện âm là cần thiết và có ý nghĩa khoa học cũng như thực tiễn trong việc xử lý ô nhiễm kháng sinh sinh trong môi trường nước.

Mục tiêu nghiên cứu là biến tính đá ong tự nhiên bằng polyme mạng điện âm (Polystyrene Sulfonate - PSS) để tạo vật liệu hấp phụ, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ciprofloxacin như pH, nồng độ ion, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, đồng thời đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu đá ong lấy từ huyện Thanh Thất, Hà Nội, trong điều kiện phòng thí nghiệm với các phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis và đo điện thế zeta.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hấp phụ bề mặt: Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ ciprofloxacin lên bề mặt vật liệu đá ong biến tính. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất với số lượng vị trí hấp phụ cố định, trong khi mô hình Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất với khả năng hấp phụ thay đổi.

  • Lý thuyết về polyme mạng điện âm: Polystyrene Sulfonate (PSS) là polyme mạng điện âm mạnh, có khả năng trao đổi ion và hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ như kháng sinh sinh ciprofloxacin nhờ tương tác điện tích và liên kết hydro.

  • Khái niệm về điện thế zeta: Điện thế zeta đo độ ổn định của hệ phân tán và ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu. Sự thay đổi điện thế zeta sau khi biến tính đá ong bằng PSS phản ánh sự thay đổi tính chất bề mặt và khả năng hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu đá ong tự nhiên được thu thập tại huyện Thanh Thất, Hà Nội. Vật liệu polyme PSS có độ tinh khiết ≥ 98% được nhập khẩu từ Sigma Aldrich, Mỹ. Kháng sinh ciprofloxacin có độ tinh khiết 98% được mua từ Tokyo Chemical Industry, Nhật Bản.

  • Phương pháp biến tính vật liệu: Đá ong được rửa sạch, sấy khô ở 110°C, nghiền nhỏ dưới 0,1 mm. Sau đó, đá ong được biến tính bằng dung dịch PSS 100 ppm trong dung dịch NaCl 50 mM, pH 4, khuấy hỗn hợp 2,5 giờ, rửa sạch và sấy khô để thu vật liệu đá ong biến tính (PML).

  • Phương pháp khảo sát hấp phụ: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố pH (3-9), nồng độ ion (0-100 mM), thời gian tiếp xúc (15-240 phút), nhiệt độ (25-50°C) đến khả năng hấp phụ ciprofloxacin trên vật liệu. Nồng độ ciprofloxacin trong dung dịch được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng đã chọn.

  • Phân tích dữ liệu: Sử dụng mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich để mô tả quá trình hấp phụ, tính toán các thông số hấp phụ như dung lượng hấp phụ tối đa, hằng số hấp phụ. Đo điện thế zeta để đánh giá sự biến đổi bề mặt vật liệu trước và sau hấp phụ.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, biến tính vật liệu, thực nghiệm hấp phụ, phân tích dữ liệu và viết báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng hấp phụ ciprofloxacin của vật liệu đá ong biến tính PSS: Vật liệu PML đạt dung lượng hấp phụ tối đa khoảng 527,93 mg/g, cao hơn nhiều so với đá ong tự nhiên chưa biến tính. Hiệu quả hấp phụ ciprofloxacin đạt trên 97% trong điều kiện tối ưu.

  2. Ảnh hưởng của pH đến hấp phụ: Khả năng hấp phụ ciprofloxacin trên PML cao nhất ở pH 4, giảm dần khi pH tăng lên 9 hoặc giảm xuống 3. Điều này phù hợp với tính chất điện tích của ciprofloxacin và bề mặt vật liệu, khi pH thấp làm tăng tương tác điện tích âm - dương.

  3. Ảnh hưởng của nồng độ ion và thời gian tiếp xúc: Nồng độ ion NaCl tăng từ 0 đến 50 mM làm giảm nhẹ khả năng hấp phụ do cạnh tranh ion. Thời gian tiếp xúc 180 phút là đủ để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ với dung lượng hấp phụ ổn định.

  4. Khả năng tái sử dụng vật liệu: Vật liệu PML có thể tái sử dụng ít nhất 4 lần với hiệu suất hấp phụ trên 90%, cho thấy tính bền vững và kinh tế trong ứng dụng xử lý nước thải.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc biến tính đá ong bằng polyme mạng điện âm PSS làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ ciprofloxacin nhờ tăng diện tích bề mặt và các nhóm chức năng âm trên bề mặt vật liệu. Sự phụ thuộc của hấp phụ vào pH phản ánh cơ chế hấp phụ chủ yếu là tương tác điện tích và liên kết hydro giữa ciprofloxacin và PSS.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng vật liệu nano silicate hoặc alumina biến tính, dung lượng hấp phụ của PML tương đương hoặc vượt trội, đồng thời chi phí nguyên liệu thấp hơn do sử dụng đá ong tự nhiên phổ biến tại Việt Nam. Việc đo điện thế zeta cho thấy sự thay đổi rõ rệt sau biến tính và hấp phụ, minh chứng cho sự tương tác mạnh giữa ciprofloxacin và vật liệu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian, biểu đồ ảnh hưởng pH và nồng độ ion, cũng như bảng so sánh dung lượng hấp phụ giữa các vật liệu khác nhau. Những kết quả này góp phần mở rộng ứng dụng của vật liệu tự nhiên biến tính trong xử lý ô nhiễm kháng sinh sinh trong môi trường nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu PML trong xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản: Khuyến nghị các cơ sở nuôi tôm, cá sử dụng vật liệu đá ong biến tính PSS để xử lý nước thải chứa ciprofloxacin, nhằm giảm thiểu ô nhiễm và nguy cơ kháng thuốc. Thời gian áp dụng dự kiến 6-12 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế.

  2. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và người dân về cách sử dụng vật liệu hấp phụ, bảo quản và tái sử dụng nhằm tối ưu hóa hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

  3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng với các loại kháng sinh khác: Tiếp tục nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu PML đối với các loại kháng sinh phổ biến khác như amoxicillin, tetracycline để đa dạng hóa ứng dụng trong xử lý nước thải.

  4. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu biến tính quy mô công nghiệp: Hợp tác với các doanh nghiệp để xây dựng dây chuyền sản xuất vật liệu hấp phụ đá ong biến tính PSS với quy mô lớn, đảm bảo chất lượng và giá thành hợp lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành hóa học môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về hấp phụ kháng sinh sinh trên vật liệu biến tính, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và môi trường: Thông tin về vật liệu hấp phụ hiệu quả, chi phí thấp giúp doanh nghiệp lựa chọn giải pháp xử lý nước thải phù hợp, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và nuôi trồng thủy sản: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách quản lý sử dụng kháng sinh và xử lý nước thải trong nuôi trồng thủy sản, góp phần bảo vệ môi trường.

  4. Người nuôi trồng thủy sản và cộng đồng địa phương: Hiểu rõ tác động của kháng sinh sinh và giải pháp xử lý, từ đó áp dụng các biện pháp bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng sản phẩm nuôi trồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu đá ong biến tính PSS có ưu điểm gì so với vật liệu hấp phụ khác?
    Vật liệu này tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên phổ biến, chi phí thấp, có khả năng hấp phụ cao (hơn 500 mg/g), dễ tái sử dụng và thân thiện với môi trường, phù hợp cho xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản.

  2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ciprofloxacin như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và dạng ion của ciprofloxacin. pH khoảng 4 là điều kiện tối ưu, khi đó tương tác điện tích âm của PSS và điện tích dương của ciprofloxacin mạnh nhất, tăng hiệu quả hấp phụ.

  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 trên 90%, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

  4. Phương pháp phân tích nào được sử dụng để đo nồng độ ciprofloxacin?
    Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis được sử dụng, với bước sóng đặc trưng đã chọn, cho phép xác định chính xác nồng độ ciprofloxacin trong dung dịch trước và sau hấp phụ.

  5. Có thể áp dụng vật liệu này để xử lý các loại kháng sinh khác không?
    Có thể. Do cơ chế hấp phụ dựa trên tương tác điện tích và liên kết hydro, vật liệu PSS biến tính đá ong có tiềm năng hấp phụ nhiều loại kháng sinh khác, cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa.

Kết luận

  • Đá ong tự nhiên biến tính bằng polyme mạng điện âm PSS có khả năng hấp phụ ciprofloxacin cao, đạt dung lượng tối đa khoảng 527,93 mg/g.
  • Các yếu tố pH, nồng độ ion, thời gian tiếp xúc và nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả hấp phụ, với pH 4 là điều kiện tối ưu.
  • Vật liệu có thể tái sử dụng ít nhất 4 lần mà không giảm đáng kể hiệu suất hấp phụ, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường từ nguồn nguyên liệu tự nhiên phổ biến tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng với các loại kháng sinh khác và phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nuôi trồng thủy sản và xử lý môi trường thử nghiệm ứng dụng vật liệu trong thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ xử lý kháng sinh sinh trong môi trường nước.