NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CIPROFLOXACIN TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG TiO2 PHA TẠP Co, N TRÊN NỀN VERMICULITE

• Tác giả: Đậu Thị Thương
• Người hướng dẫn: Pgs. Trần Thị Hồng
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu Xử Lý Ciprofloxacin Trong Nước Bằng Vật Liệu Xúc Tác Quang TiO2 Pha Tạp Co, N Trên Nền Vermiculite
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CÁM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Xử Lý Ciprofloxacin Hiệu Quả Nhất

Ô nhiễm nước bởi Ciprofloxacin, một loại kháng sinh, đang trở thành mối lo ngại toàn cầu. Ciprofloxacin tồn tại lâu dài trong môi trường, ức chế quá trình phân hủy chất hữu cơ, và gây ra sự kháng thuốc ở vi khuẩn, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo một nghiên cứu, có đến 45-62% lượng kháng sinh sử dụng cho người và thú y bị thải ra môi trường qua đường bài tiết, gây ô nhiễm nguồn nước. Việc sử dụng quá mức kháng sinh trong điều trị bệnh và nuôi trồng thủy sản đã dẫn đến tình trạng vi khuẩn kháng thuốc và tích tụ dư lượng kháng sinh trong thực phẩm. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các biện pháp xử lý hiệu quả Ciprofloxacin trong nước là vô cùng cần thiết. Các phương pháp hiện tại như phân hủy bằng tia UV, plasma vi sóng, hay phương pháp sinh học còn nhiều hạn chế. Phương pháp sử dụng vật liệu xúc tác quang, đặc biệt là TiO2, hứa hẹn khả năng loại bỏ hoàn toàn kháng sinh khỏi nước.

1.1. Tình trạng ô nhiễm Ciprofloxacin trên Thế Giới

Nhu cầu sử dụng thuốc kháng sinh trên toàn cầu tăng mạnh, ước tính tăng 65% từ năm 2000 đến 2015. Các quốc gia có mức tiêu thụ lớn nhất là Brazil, Ấn Độ, Nam Phi, Nga và Trung Quốc. Việc sử dụng fluoroquinolones, một loại kháng sinh phổ rộng, ngày càng gia tăng dẫn đến hiện tượng kháng kháng sinh ở nhiều loài vi khuẩn. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã phân loại Ciprofloxacin (thuộc nhóm Fluoroquinolones) là một loại thuốc kháng sinh rất quan trọng cho y học [31]. Tuy nhiên, việc lạm dụng loại thuốc này dẫn đến tình trạng kháng thuốc, gây khó khăn cho việc điều trị các bệnh nhiễm trùng. “Năm 2016, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã phân loại ciprofloxacin (thuộc nhóm Fluoroquinolones) là một loại thuốc kháng sinh rất quan trọng cho y học” [31].

1.2. Thực trạng đáng báo động tại Việt Nam

Tại Việt Nam, tỷ lệ kháng kháng sinh chiếm tới 40%, là nước đứng thứ tư về tỷ lệ kháng thuốc ở các nước thuộc khu vực Châu Á Thái Bình Dương. Nguyên nhân chủ yếu là do việc mua bán thuốc không theo đơn của bác sĩ. Các nghiên cứu cho thấy, khoảng 88% người dân sử dụng thuốc không kê đơn, dẫn đến việc sử dụng thuốc kháng sinh không cần thiết, gây nhờn thuốc. Theo báo cáo của Bộ Y tế, cả nước có gần 50.000 cơ sở khám, chữa bệnh, trong đó có 248 bệnh viện tư nhân và 21.048 phòng khám tư nhân. Nghiên cứu của Dương Hồng Anh và cộng sự cho thấy Ciprofloxacin và NOR (thuộc nhóm FQ) được tìm thấy trong nước thải bệnh viện chưa qua xử lý ở Hà Nội, với nồng độ dao động từ 1,1 - 10,9 µg/L và 1,5 - 15,2 µg/L [25].

II. Thách Thức Ciprofloxacin Gây Ô Nhiễm Nguồn Nước Ra Sao

Ciprofloxacin, một loại chất kháng sinh thuộc nhóm fluoroquinolones, được sử dụng rộng rãi trong điều trị nhiễm trùng và nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, do khả năng hấp thụ không hoàn toàn sau khi uống, một lượng lớn Ciprofloxacin được thải ra môi trường qua đường bài tiết, gây ô nhiễm nguồn nước. Sự tồn tại của Ciprofloxacin trong nước có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực, bao gồm: hình thành vi khuẩn kháng thuốc, ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh, tác động đến sức khỏe con người qua chuỗi thức ăn. Các phương pháp xử lý truyền thống như lọc, khử trùng thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn Ciprofloxacin. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp xử lý tiên tiến, hiệu quả và thân thiện với môi trường là vô cùng quan trọng. Ảnh hưởng của Ciprofloxacin là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết.

2.1. Con đường xâm nhập và tồn tại trong môi trường

Kháng sinh nhóm Quinolon không được hấp thụ hoàn toàn sau khi uống, và một số trong số chúng được bài tiết ra ngoài, tiếp tục đi vào môi trường nước dưới dạng thuốc gốc hoặc các sản phẩm phụ của nó. Do khả năng phân hủy sinh học thấp, Quinolon gây tích lũy lâu dài trong sinh vật dưới nước và nước ngầm, làm tăng nguy cơ xuất hiện và lây lan của vi khuẩn kháng thuốc, dẫn đến tác dụng phụ trên vi sinh vật và sức khỏe con người thông qua chuỗi thức ăn [39]. Do đó, cần có những nghiên cứu chi tiết về con đường di chuyển và tồn tại của Ciprofloxacin trong môi trường nước, từ đó đưa ra các giải pháp ngăn chặn hiệu quả.

2.2. Tác động tiêu cực đến sức khỏe và môi trường

Sự tồn dư kháng sinh trong môi trường nước đang là mối quan tâm lớn do tính chất lâu dài, phức tạp và đặc tính ức chế các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường và sinh vật dưới nước, làm tăng nguy cơ xuất hiện và lây lan của vi khuẩn kháng thuốc, gây tác dụng phụ trên vi sinh vật và sức khỏe con người. Có khoảng 45 - 62% lượng kháng sinh (cho người, thú y) bị đào thải qua con đường bài tiết vào nước thải, nước rỉ rác, chất thải dược phẩm, phân chuồng hoặc trong sản phẩm nông nghiệp làm ô nhiễm nguồn nước [8]. “Sự tồn dư kháng sinh trong môi trường nước đang là mối quan tâm lớn do tính chất lâu dài, phức tạp và đặc tính ức chế các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường” [8].

III. Giải Pháp Xử Lý Ciprofloxacin Bằng TiO2 Vermiculite

Phương pháp sử dụng vật liệu xúc tác quang là một giải pháp đầy hứa hẹn để loại bỏ Ciprofloxacin khỏi nước. Trong đó, TiO2 được xem là chất xúc tác quang tiềm năng nhờ giá thành thấp, không độc hại, hoạt tính xúc tác cao và khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, TiO2 có bề rộng vùng cấm lớn, chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại (UV). Để khắc phục hạn chế này, các nhà khoa học đã nghiên cứu pha tạp TiO2 với các kim loại hoặc phi kim, hoặc kết hợp TiO2 với các vật liệu nền khác. Việc sử dụng TiO2/Vermiculite là một hướng đi đầy tiềm năng, kết hợp ưu điểm của TiO2 và khả năng hấp phụ của Vermiculite để tăng cường hiệu quả xử lý Ciprofloxacin.

3.1. Ưu điểm vượt trội của vật liệu xúc tác quang TiO2

TiO2 là chất quang xúc tác thu hút được nhiều nhà khoa học trong nước và thế giới. Ưu điểm lớn của TiO2 là giá thành thấp, không độc hại, hoạt tính xúc tác cao và có khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, TiO2 có bề rộng vùng cấm lớn 3,2 eV nên nó chỉ thể hiện tính quang xúc tác khi được chiếu bằng bức xạ tử ngoại, sóng điện từ này chiếm một phần rất nhỏ (<5%) năng lượng bức xạ mặt trời. Để vật liệu TiO2 có khả năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến, các trạng thái pha tạp kim loại hoặc phi kim thường được tạo ra giữa vùng hóa trị và vùng dẫn.

3.2. Tại sao lại sử dụng Vermiculite làm vật liệu nền

Vật liệu xúc tác quang TiO2 trên nền Ver gọi là vật liệu nổi, được sử dụng để phân hủy các chất gây ô nhiễm trong nước thải. Vật liệu nổi hấp thụ ánh sáng và lưu trữ cho quang xúc tác năng lượng mặt trời xảy ra với hiệu quả cao, là chất nền nhẹ giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời. Ver là vật liệu nổi đang được nghiên cứu rộng rãi và quan tâm nhiều trong thời gian hiện nay nhờ ứng dụng thực tế trong môi trường tự nhiên. Ver có đặc tính hấp phụ cao và diện tích bề mặt lớn, có các tính chất phù hợp với mục đích tẩm phủ TiO2.

IV. Nghiên Cứu Hiệu Quả Xử Lý Ciprofloxacin Của TiO2 Vermiculite

Nghiên cứu về xử lý Ciprofloxacin trong nước bằng vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Co, N trên nền Vermiculite mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Mục tiêu của đề tài là tổng hợp được vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Co, N trên nền Vermiculite, xử lý kháng sinh Ciprofloxacin trong môi trường nước bằng vật liệu đã tổng hợp được, và áp dụng xử lý mẫu nước thải bệnh viện. Nội dung nghiên cứu chính bao gồm: khảo sát nồng độ axit HNO3 để hoạt hóa bề mặt Vermiculite, khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu TiO2 pha tạp N, Co trên nền Vermiculite, đánh giá đặc trưng cấu trúc vật liệu sau tổng hợp, và đánh giá hiệu quả xử lý CIP bằng các vật liệu TiO2 pha tạp N, Co trên nền Vermiculite.

4.1. Quy trình Nghiên cứu và Khảo sát

Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát nồng độ axit HNO3 sử dụng để hoạt hóa bề mặt vật liệu Ver. Bên cạnh đó, khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu TiO2 pha tạp N, Co trên nền Ver để xử lý kháng sinh CIP. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và xử lý được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu quả của vật liệu. “Nghiên cứu, khảo sát nồng độ axit HNO3 sử dụng để hoạt hóa bề mặt vật liệu Ver. Nghiên cứu, khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu TiO2 pha tạp N, Co trên nền Ver để xử lý kháng sinh CIP”.

4.2. Đánh giá đặc trưng cấu trúc và hiệu quả xử lý

Sau khi tổng hợp, vật liệu được đánh giá đặc trưng cấu trúc để xác định các tính chất vật lý và hóa học của chúng. Hiệu quả xử lý CIP bằng các vật liệu TiO2 pha tạp N, Co trên nền Ver cũng được đánh giá để xác định khả năng loại bỏ kháng sinh khỏi nước. Các kết quả này cung cấp thông tin quan trọng để hiểu rõ cơ chế hoạt động của vật liệu và tiềm năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

V. Ứng Dụng Xử Lý Nước Thải Bệnh Viện Bằng TiO2 Vermiculite

Một trong những ứng dụng quan trọng của nghiên cứu này là xử lý nước thải bệnh viện. Nước thải bệnh viện thường chứa nhiều loại kháng sinh, bao gồm Ciprofloxacin, gây ra nguy cơ ô nhiễm cao cho môi trường. Việc áp dụng vật liệu xúc tác quang TiO2/Vermiculite để xử lý nước thải bệnh viện có thể giúp loại bỏ hiệu quả Ciprofloxacin và các chất ô nhiễm khác, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu TiO2/Vermiculite có khả năng xử lý Ciprofloxacin trong nước thải bệnh viện, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

5.1. Tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Việc xử lý Ciprofloxacin bằng TiO2/Vermiculite mang lại tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu này có khả năng loại bỏ hiệu quả kháng sinh khỏi nước, đặc biệt là trong môi trường nước thải bệnh viện. Ngoài ra, vật liệu này cũng có thể được sử dụng để xử lý nước thải từ các ngành công nghiệp khác như chăn nuôi và dược phẩm, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

5.2. Góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng

Ứng dụng TiO2/Vermiculite trong xử lý nước thải không chỉ giúp loại bỏ Ciprofloxacin mà còn góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Việc giảm thiểu lượng kháng sinh thải ra môi trường giúp ngăn chặn sự lây lan của vi khuẩn kháng thuốc, bảo vệ hệ sinh thái nước và đảm bảo nguồn nước sạch cho sinh hoạt và sản xuất. Đây là một giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu TiO2 Vermiculite

Nghiên cứu về xử lý Ciprofloxacin trong nước bằng vật liệu xúc tác quang TiO2/Vermiculite đã đạt được những kết quả đáng khích lệ, mở ra hướng đi mới trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm kháng sinh trong nước. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu, nâng cao hiệu quả xử lý và đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế. Trong tương lai, vật liệu TiO2/Vermiculite hứa hẹn sẽ là một giải pháp hiệu quả, bền vững và thân thiện với môi trường để xử lý Ciprofloxacin và các chất ô nhiễm khác trong nước.

6.1. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình

Để vật liệu TiO2/Vermiculite phát huy tối đa hiệu quả, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, pha tạp và ứng dụng. Các yếu tố như nồng độ chất pha tạp, tỷ lệ TiO2/Vermiculite, điều kiện phản ứng và quy trình xử lý nước cần được xem xét và điều chỉnh để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất với chi phí thấp nhất. Bên cạnh đó, cần nghiên cứu về khả năng tái sử dụng và tuổi thọ của vật liệu để đảm bảo tính bền vững của giải pháp.

6.2. Hướng phát triển bền vững và thân thiện môi trường

Trong tương lai, vật liệu TiO2/Vermiculite hứa hẹn sẽ là một giải pháp hiệu quả, bền vững và thân thiện với môi trường để xử lý Ciprofloxacin và các chất ô nhiễm khác trong nước. Việc sử dụng vật liệu này không chỉ giúp loại bỏ kháng sinh mà còn góp phần bảo vệ nguồn nước, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Đồng thời, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu xử lý nước tiên tiến cũng là một hướng đi quan trọng để đảm bảo an ninh nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm ngày càng gia tăng.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước do tồn dư kháng sinh ngày càng nghiêm trọng, việc xử lý các hợp chất kháng sinh trong nước thải trở thành vấn đề cấp thiết. Ước tính có khoảng 45-62% lượng kháng sinh sử dụng cho người và thú y bị đào thải vào môi trường nước qua các nguồn như nước thải bệnh viện, nước rỉ rác và chất thải nông nghiệp. Ciprofloxacin (CIP), một kháng sinh nhóm fluoroquinolone phổ rộng, được sử dụng rộng rãi trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn và nuôi trồng thủy sản, đã được phát hiện với nồng độ từ 1,1 đến 101 µg/L trong nước thải bệnh viện tại nhiều quốc gia. Tại Việt Nam, nồng độ CIP trong nước thải bệnh viện dao động từ 0,17 đến 68,1 µg/L, cho thấy mức độ ô nhiễm đáng kể.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và đánh giá hiệu quả xử lý kháng sinh CIP trong nước bằng vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Cobalt (Co) và Nitơ (N) trên nền khoáng vật Vermiculite (Ver). Nghiên cứu tập trung vào khảo sát điều kiện hoạt hóa bề mặt Ver bằng axit nitric (HNO3), tổng hợp vật liệu xúc tác quang bằng phương pháp sol-gel, và ứng dụng xử lý mẫu nước thải bệnh viện tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Hà Nội trong năm 2022, với các mẫu nước thải được lấy từ bệnh viện hữu nghị Việt Tiệp Hải Phòng và bệnh viện Việt Nam Thụy Điển Uông Bí.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu xúc tác quang có khả năng xử lý hiệu quả CIP trong nước thải, góp phần giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh, hạn chế sự phát triển vi khuẩn kháng thuốc và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Hiệu suất xử lý và đặc tính vật liệu được đánh giá bằng các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, SEM, BET, EDS và phổ UV-Vis, đồng thời xác định nồng độ CIP bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quang xúc tác TiO2 và lý thuyết về vật liệu Vermiculite làm nền xúc tác.

1. Lý thuyết quang xúc tác TiO2: TiO2 là chất bán dẫn có ba dạng thù hình chính: anatase, rutile và brookite. Dạng anatase có năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV, cho hoạt tính quang xúc tác cao nhất. Khi được chiếu sáng bằng ánh sáng tử ngoại (UV), TiO2 tạo ra các cặp electron-lỗ trống, sinh ra các gốc tự do hydroxyl (●OH) và ion superoxit (●O2-), có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các hợp chất hữu cơ như kháng sinh CIP thành CO2 và H2O. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV do vùng cấm rộng, nên việc pha tạp Co và N nhằm thu hẹp vùng cấm, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, tăng hiệu quả quang xúc tác.

2. Lý thuyết về Vermiculite (Ver): Ver là khoáng vật magie nhôm silicat có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Ver có tính chất cách nhiệt, cách âm, chống cháy và kháng khuẩn tự nhiên, được sử dụng làm vật liệu nền nhẹ, giúp phân tán và giữ vật liệu TiO2 pha tạp, tối ưu hóa hiệu quả quang xúc tác. Việc hoạt hóa bề mặt Ver bằng axit HNO3 làm tăng diện tích bề mặt riêng lên đến 79,4 lần so với Ver thô, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phủ TiO2.

Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác, vùng cấm năng lượng, pha tạp kim loại và phi kim, diện tích bề mặt riêng, hoạt hóa bề mặt vật liệu, và hiệu suất xử lý kháng sinh.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng vật liệu Vermiculite khai thác tự nhiên, hóa chất phân tích cao như TTIP, Co(NO3)2, axit HNO3, và mẫu nước thải bệnh viện lấy tại hai bệnh viện ở Hải Phòng và Quảng Ninh. Nồng độ CIP được xác định bằng HPLC với cột Restek Ultra Quat 5µm, bước sóng 278 nm.

• Phương pháp tổng hợp vật liệu: Vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Co, N trên nền Ver được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel. Quá trình gồm pha chế dung dịch sol TiO2 với các tỷ lệ mol Co khác nhau (0,04; 0,06; 0,08), ngâm tẩm Ver đã hoạt hóa bằng axit HNO3 40%, sấy khô và nung ở nhiệt độ 500-550°C.

• Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu: Sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, phương pháp BET để đo diện tích bề mặt riêng, phổ EDS để xác định thành phần nguyên tố, và phổ UV-Vis để đánh giá tính chất hấp thụ quang.

• Phương pháp xử lý và đánh giá hiệu quả: Thí nghiệm xử lý CIP được thực hiện trong hệ tuần hoàn và không tuần hoàn dưới ánh sáng UV 365 nm, sử dụng khoảng 1g vật liệu xúc tác. Nồng độ CIP trước và sau xử lý được xác định bằng HPLC. Hiệu suất xử lý được tính theo công thức:
  [ H = \frac{C_0 - C}{C_0} \times 100% ] với (C_0) là nồng độ ban đầu, (C) là nồng độ sau xử lý.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, đặc trưng vật liệu, xử lý mẫu nước thải và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hoạt hóa bề mặt Vermiculite bằng axit HNO3: Kết quả XRD và SEM cho thấy Ver sau hoạt hóa có bề mặt gồ ghề, xốp hơn so với Ver thô. Diện tích bề mặt riêng tăng từ 4,07 m²/g (Ver thô) lên 323,41 m²/g khi hoạt hóa bằng HNO3 40%, tương đương tăng 79,4 lần. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc phủ vật liệu TiO2 và tăng hiệu quả quang xúc tác.

2. Đặc trưng cấu trúc vật liệu N,Co-TiO2/Ver: Phân tích XRD xác nhận vật liệu TiO2 ở dạng anatase với các đỉnh đặc trưng tại 2θ = 25,28°, 38,6°, 47,6°, 55,1°. Cường độ đỉnh tăng theo tỷ lệ mol Co pha tạp, cho thấy sự pha tạp thành công. SEM cho thấy các hạt TiO2 phân tán đều trên bề mặt Ver, không làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc. Phổ EDS xác nhận sự hiện diện của Co và N trong vật liệu.

3. Tính chất hấp thụ quang: Phổ UV-Vis cho thấy vật liệu N,Co-TiO2/Ver có khả năng hấp thụ ánh sáng mở rộng vào vùng khả kiến, nhờ pha tạp Co và N, giúp tăng hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời hoặc UV.

4. Hiệu suất xử lý Ciprofloxacin: Trong hệ tuần hoàn, vật liệu N,Co0,08-TiO2/Ver đạt hiệu suất xử lý CIP lên đến khoảng 85% sau 4 giờ chiếu sáng UV 365 nm, cao hơn đáng kể so với vật liệu TiO2 không pha tạp (khoảng 60%). Hiệu suất xử lý giảm khi tăng tốc độ dòng nước, cho thấy thời gian tiếp xúc là yếu tố quan trọng. Kết quả xử lý mẫu nước thải bệnh viện cho thấy nồng độ CIP giảm từ 10,9 µg/L xuống còn dưới 2 µg/L, tương đương hiệu suất trên 80%.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng diện tích bề mặt riêng của Ver sau hoạt hóa bằng HNO3 làm tăng khả năng hấp phụ và phân tán vật liệu TiO2, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Việc pha tạp Co và N vào TiO2 làm giảm năng lượng vùng cấm, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, giúp vật liệu hoạt động hiệu quả hơn dưới ánh sáng UV và có thể cả ánh sáng mặt trời. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về cải thiện hoạt tính quang xúc tác của TiO2 bằng pha tạp kim loại và phi kim.

Hiệu suất xử lý CIP cao trong hệ tuần hoàn cho thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải bệnh viện. So sánh với các phương pháp xử lý khác như UV đơn thuần hay phương pháp sinh học, quang xúc tác TiO2 pha tạp trên nền Ver có ưu điểm về hiệu quả xử lý nhanh, không tạo ra chất thải độc hại và chi phí vận hành hợp lý.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý CIP theo thời gian và tốc độ dòng, bảng so sánh diện tích bề mặt riêng của vật liệu trước và sau hoạt hóa, cũng như phổ UV-Vis minh họa sự mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng vật liệu N,Co-TiO2/Ver trong xử lý nước thải bệnh viện: Khuyến nghị các cơ sở y tế đầu tư hệ thống xử lý nước thải sử dụng vật liệu xúc tác quang này nhằm giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh, với mục tiêu giảm nồng độ CIP xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 6-12 tháng.

2. Nâng cao công suất và tối ưu hóa hệ thống xử lý: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô hệ thống xử lý, điều chỉnh tốc độ dòng và thời gian tiếp xúc để đạt hiệu quả tối ưu, đồng thời giảm chi phí vận hành.

3. Phát triển vật liệu xúc tác quang đa chức năng: Khuyến khích nghiên cứu pha tạp thêm các kim loại hoặc phi kim khác để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến, nâng cao hiệu suất xử lý các loại kháng sinh và chất ô nhiễm hữu cơ khác.

4. Tăng cường giám sát và đánh giá chất lượng nước thải: Đề xuất xây dựng hệ thống giám sát liên tục nồng độ kháng sinh trong nước thải bệnh viện và môi trường xung quanh, nhằm đánh giá hiệu quả xử lý và phòng ngừa ô nhiễm.

5. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và nhân viên y tế về công nghệ xử lý nước thải bằng quang xúc tác, đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng về tác hại của kháng sinh tồn dư trong môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu xúc tác quang, phương pháp tổng hợp sol-gel và kỹ thuật phân tích hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý nước thải.

2. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Thông tin về mức độ ô nhiễm kháng sinh và giải pháp xử lý giúp xây dựng chính sách quản lý và kiểm soát ô nhiễm nước thải bệnh viện hiệu quả.

3. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước thải: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm vật liệu xúc tác quang mới, ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và y tế.

4. Bệnh viện và cơ sở y tế: Hướng dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước thải kháng sinh, giảm thiểu tác động môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Co, N có ưu điểm gì so với TiO2 nguyên chất?
   Pha tạp Co và N giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng của TiO2, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, tăng hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời hoặc UV, đồng thời cải thiện khả năng phân tán trên nền Vermiculite.

2. Tại sao Vermiculite được chọn làm nền cho vật liệu xúc tác?
   Vermiculite có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc xốp, khả năng hấp phụ cao và tính chất vật lý ổn định, giúp phân tán đều vật liệu TiO2, tăng diện tích tiếp xúc và hiệu quả xử lý kháng sinh.

3. Phương pháp sol-gel có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu?
   Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát kích thước hạt nano, độ đồng nhất cao, tạo màng phủ mỏng đều, nhiệt độ xử lý thấp và chi phí thấp, phù hợp để tổng hợp vật liệu xúc tác quang hiệu quả.

4. Hiệu suất xử lý Ciprofloxacin đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Vật liệu N,Co0,08-TiO2/Ver đạt hiệu suất xử lý CIP khoảng 85% sau 4 giờ chiếu sáng UV trong hệ tuần hoàn, cao hơn nhiều so với TiO2 không pha tạp.

5. Có thể ứng dụng công nghệ này trong xử lý nước thải thực tế không?
   Có, nghiên cứu đã xử lý thành công mẫu nước thải bệnh viện với hiệu suất trên 80%, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế trong các hệ thống xử lý nước thải y tế và công nghiệp.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Co, N trên nền Vermiculite hoạt hóa bằng axit HNO3 40%, với diện tích bề mặt riêng tăng 79,4 lần so với vật liệu thô.
• Vật liệu có cấu trúc anatase TiO2 phân tán đều, khả năng hấp thụ ánh sáng mở rộng vào vùng khả kiến, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
• Hiệu suất xử lý Ciprofloxacin trong nước thải bệnh viện đạt khoảng 85% sau 4 giờ chiếu sáng UV, vượt trội so với vật liệu TiO2 nguyên chất.
• Nghiên cứu cung cấp giải pháp xử lý kháng sinh hiệu quả, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nguy cơ kháng thuốc.
• Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong hệ thống xử lý nước thải bệnh viện, đồng thời phát triển nghiên cứu mở rộng về vật liệu và quy trình xử lý.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ sở y tế và doanh nghiệp xử lý nước thải áp dụng vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Co, N trên nền Vermiculite để nâng cao hiệu quả xử lý kháng sinh, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu và công nghệ xử lý.