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.
