Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng do sự phát thải các chất kháng sinh, đặc biệt là Cefotaxime, việc nghiên cứu các phương pháp xử lý hiệu quả trở nên cấp thiết. Cefotaxime là một kháng sinh nhóm cephalosporin thế hệ 3, được sử dụng rộng rãi trong y học và chăn nuôi, với khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ nhưng lại khó phân hủy sinh học, dẫn đến tồn dư và tích tụ trong môi trường nước. Theo ước tính, lượng kháng sinh thải ra môi trường toàn cầu lên đến hàng chục nghìn tấn mỗi năm, trong đó Trung Quốc thải ra khoảng 53.000 tấn kháng sinh năm 2013. Việc xử lý các chất này nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng là mục tiêu nghiên cứu quan trọng.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và đặc trưng cấu trúc hệ xúc tác quang hóa CeO2-V2O5/GO, đồng thời ứng dụng hệ xúc tác này để xử lý kháng sinh Cefotaxime trong nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2021. Mục tiêu cụ thể là phát triển vật liệu xúc tác quang có khả năng hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, tận dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy Cefotaxime, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất xử lý kháng sinh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và mở rộng ứng dụng của vật liệu nano xúc tác quang trong lĩnh vực hóa môi trường. Các chỉ số hiệu quả như tỷ lệ phân hủy Cefotaxime, hằng số tốc độ phản ứng và khả năng tái sinh vật liệu được đánh giá chi tiết, góp phần cung cấp giải pháp công nghệ thân thiện và bền vững.

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:

  • Cơ chế quang xúc tác trên vật liệu bán dẫn: Khi vật liệu bán dẫn như CeO2 được kích thích bởi photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg), electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn tạo ra electron quang sinh và lỗ trống quang sinh. Các cặp electron-lỗ trống này tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử, tạo ra các gốc tự do như HO• và O2•− có khả năng phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm.

  • Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood (L-H): Mô hình này mô tả động học của quá trình quang xúc tác dị thể, trong đó tốc độ phản ứng tỷ lệ với diện tích bề mặt xúc tác bị che phủ bởi chất phản ứng. Phương trình động học bậc nhất được sử dụng để xác định hằng số tốc độ biểu kiến của quá trình phân hủy Cefotaxime.

  • Tính chất và cấu trúc vật liệu nano CeO2-V2O5/GO: CeO2 có năng lượng vùng cấm khoảng 2,92 eV, có khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái oxi hóa Ce3+ và Ce4+, tạo ra các vị trí khuyết oxi giúp tăng hoạt tính xúc tác. V2O5 có năng lượng vùng cấm nhỏ hơn (khoảng 2,3 eV), giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng. Graphen oxit (GO) với các nhóm chức chứa oxy giúp phân tán các hạt nano và tăng diện tích bề mặt, đồng thời hỗ trợ chuyển electron, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác, electron quang sinh, lỗ trống quang sinh, gốc tự do oxy hóa, năng lượng vùng cấm (Eg), pH trung hòa điện tích (pHpzc), và động học Langmuir-Hinshelwood.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các phân tích thực nghiệm vật liệu tổng hợp và xử lý dung dịch Cefotaxime trong phòng thí nghiệm.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu: Graphen oxit được tổng hợp theo phương pháp Tour, CeO2 và V2O5 được tổng hợp riêng biệt và kết hợp theo tỷ lệ 1:1 để tạo vật liệu composite CeO2-V2O5/GO bằng phương pháp thủy nhiệt ở 100°C trong 24 giờ.

  • Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ hồng ngoại (FT-IR) để nhận diện nhóm chức, phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) để xác định năng lượng vùng cấm, hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.

  • Phương pháp khảo sát xử lý Cefotaxime: Xác định bước sóng hấp thụ cực đại của Cefotaxime (320 nm), xây dựng đường chuẩn nồng độ từ 1-100 ppm. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố pH, nồng độ ban đầu Cefotaxime, lượng xúc tác và thời gian chiếu sáng dưới ánh sáng đèn compact 36W và ánh sáng mặt trời. Đo nồng độ còn lại của Cefotaxime bằng phương pháp quang phổ UV-Vis và đánh giá hiệu suất xử lý qua chỉ số COD.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các thí nghiệm được thực hiện với nhiều mẫu dung dịch Cefotaxime ở các nồng độ và điều kiện khác nhau, tổng thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2021 tại phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu Tiên tiến, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu: Kết quả XRD cho thấy vật liệu CeO2-V2O5 với tỷ lệ 1:1 có các đỉnh phổ rõ nét nhất, biểu thị cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng hoạt động xúc tác cao hơn các tỷ lệ khác. Kích thước hạt trung bình được xác định qua công thức Scherrer, phù hợp với kích thước nano.

  2. Tính chất quang học và nhóm chức: Phổ UV-Vis xác định năng lượng vùng cấm của CeO2-V2O5/GO giảm so với CeO2 đơn thuần, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức oxy trên bề mặt GO, hỗ trợ quá trình phân tán và tương tác với các hạt nano.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý: Hiệu suất phân hủy Cefotaxime đạt cao nhất ở pH khoảng 6, tương ứng với pHpzc của vật liệu là 6,8. Ở pH này, bề mặt xúc tác có điện tích gần trung tính, tối ưu cho hấp phụ và phản ứng quang xúc tác. Hiệu suất xử lý giảm khi pH quá cao hoặc quá thấp do sự thay đổi điện tích bề mặt và trạng thái ion hóa của Cefotaxime.

  4. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và lượng xúc tác: Khi nồng độ Cefotaxime tăng từ 5 đến 40 ppm, hiệu suất xử lý giảm từ khoảng 95% xuống còn khoảng 70%, do bão hòa bề mặt xúc tác và cạnh tranh hấp phụ. Lượng xúc tác tối ưu là 50 mg cho 100 mL dung dịch, tăng lượng xúc tác vượt mức này không cải thiện đáng kể hiệu suất do hiện tượng che khuất ánh sáng.

  5. Khả năng xử lý dưới ánh sáng mặt trời: Hệ xúc tác CeO2-V2O5/GO thể hiện hiệu quả phân hủy Cefotaxime trên 85% sau 120 phút chiếu sáng tự nhiên, đồng thời giảm chỉ số COD đáng kể, chứng tỏ khả năng khoáng hóa các hợp chất hữu cơ. Vật liệu có khả năng tái sinh tốt, giữ được trên 80% hiệu suất sau 5 chu kỳ sử dụng.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy sự kết hợp CeO2 và V2O5 trên nền GO tạo ra hệ xúc tác quang hiệu quả nhờ giảm thời gian tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng CeO2 hoặc V2O5 đơn lẻ, hệ xúc tác composite này cải thiện đáng kể hiệu suất phân hủy Cefotaxime.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa pH và hiệu suất xử lý minh họa rõ ràng điểm tối ưu tại pH 6, phù hợp với lý thuyết về điện tích bề mặt và trạng thái ion hóa của kháng sinh. Bảng số liệu động học cho thấy quá trình phân hủy tuân theo động học bậc nhất với hằng số tốc độ k’ đạt khoảng 0,025 phút^-1 ở điều kiện tối ưu.

Khả năng tái sinh vật liệu cho thấy tính ổn định và bền vững của xúc tác, phù hợp cho ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải. So sánh với các phương pháp xử lý sinh học hoặc hấp phụ truyền thống, phương pháp quang xúc tác sử dụng CeO2-V2O5/GO có ưu điểm về tốc độ xử lý và khả năng phân hủy triệt để các hợp chất kháng sinh khó phân hủy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu ứng dụng thực tế: Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải chứa Cefotaxime tại các nhà máy xử lý nước thải bệnh viện hoặc chăn nuôi trong vòng 12-18 tháng nhằm đánh giá hiệu quả và tính khả thi của hệ xúc tác CeO2-V2O5/GO trong điều kiện thực tế.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp xúc tác quy mô lớn: Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu composite với chi phí thấp, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất xúc tác cao, hướng đến sản xuất công nghiệp trong 2 năm tới.

  3. Mở rộng nghiên cứu xử lý các loại kháng sinh khác: Áp dụng hệ xúc tác CeO2-V2O5/GO để xử lý các nhóm kháng sinh phổ biến khác như cephalosporin thế hệ 4, quinolone, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng hiệu quả xử lý tổng hợp.

  4. Xây dựng hệ thống xử lý kết hợp: Kết hợp quang xúc tác với các phương pháp sinh học hoặc hấp phụ để nâng cao hiệu quả xử lý, giảm thiểu sản phẩm trung gian độc hại, thực hiện trong vòng 1-2 năm với sự phối hợp của các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp vật liệu nano xúc tác quang, phương pháp phân tích cấu trúc và ứng dụng xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ xử lý nước thải: Cung cấp giải pháp công nghệ mới, hiệu quả trong xử lý kháng sinh trong nước thải, giúp cải tiến quy trình xử lý hiện có và phát triển sản phẩm xúc tác quang.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Tham khảo để xây dựng chính sách quản lý phát thải kháng sinh và thúc đẩy ứng dụng công nghệ xử lý tiên tiến nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý nước: Hướng dẫn kỹ thuật tổng hợp vật liệu composite CeO2-V2O5/GO, mở rộng thị trường ứng dụng và phát triển sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu xử lý ô nhiễm kháng sinh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ xúc tác CeO2-V2O5/GO hoạt động như thế nào trong xử lý Cefotaxime?
    Hệ xúc tác hoạt động dựa trên cơ chế quang xúc tác, khi chiếu sáng, electron và lỗ trống quang sinh được tạo ra, phản ứng với oxy và nước tạo ra các gốc tự do HO• và O2•− có khả năng phân hủy Cefotaxime thành các sản phẩm không độc hại.

  2. Tại sao chọn tỷ lệ CeO2:V2O5 là 1:1 trong nghiên cứu?
    Tỷ lệ 1:1 cho kết quả XRD với các đỉnh phổ rõ nét nhất, biểu thị cấu trúc tinh thể ổn định và hiệu suất xúc tác cao hơn so với các tỷ lệ khác, tối ưu hóa sự tương tác giữa hai oxit và tăng diện tích bề mặt xúc tác.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý như thế nào?
    Hiệu quả xử lý cao nhất ở pH khoảng 6, gần với pHpzc của vật liệu, khi đó bề mặt xúc tác trung tính về điện, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ và phản ứng quang xúc tác. pH quá cao hoặc thấp làm giảm hiệu suất do thay đổi điện tích bề mặt và trạng thái ion hóa của Cefotaxime.

  4. Hệ xúc tác có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu giữ được trên 80% hiệu suất xử lý sau 5 chu kỳ tái sinh, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Phương pháp tổng hợp vật liệu có thể áp dụng quy mô lớn không?
    Phương pháp thủy nhiệt và tổng hợp GO theo phương pháp Tour có thể được tối ưu hóa để sản xuất quy mô lớn với chi phí hợp lý, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất xúc tác khi mở rộng quy mô.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite xúc tác quang CeO2-V2O5/GO với tỷ lệ CeO2:V2O5 = 1:1, có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt.
  • Hệ xúc tác thể hiện hiệu quả xử lý kháng sinh Cefotaxime cao nhất ở pH 6, với hiệu suất phân hủy trên 85% dưới ánh sáng mặt trời.
  • Quá trình phân hủy tuân theo động học bậc nhất theo mô hình Langmuir-Hinshelwood, với hằng số tốc độ biểu kiến phù hợp cho ứng dụng thực tế.
  • Vật liệu có khả năng tái sinh tốt, giữ được hiệu suất trên 80% sau nhiều chu kỳ sử dụng, đảm bảo tính bền vững và kinh tế.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế, phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn và kết hợp công nghệ xử lý để nâng cao hiệu quả xử lý kháng sinh trong môi trường nước.

Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng vật liệu nano xúc tác quang trong xử lý ô nhiễm kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế và hoàn thiện công nghệ.