Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng do sự tồn dư của các chất kháng sinh, việc xử lý hiệu quả các hợp chất này trở thành một thách thức cấp thiết. Kháng sinh Oxytetracycline (OTC), thuộc nhóm tetracycline phổ rộng, được sử dụng rộng rãi trong y tế và chăn nuôi, đã được phát hiện tồn tại trong nước mặt, nước ngầm và nước thải với nồng độ khoảng 10 mg/L. OTC có khả năng gây độc tính tiềm ẩn, đột biến gen và ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người. Mục tiêu nghiên cứu nhằm phát triển phương pháp xử lý OTC trong nước bằng quá trình quang xúc tác sử dụng vật liệu nano ZnO pha tạp Cobalt (Co-ZnO), tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đạt hiệu suất xử lý cao nhất. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm phân tích môi trường, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả xử lý kháng sinh trong nước mà còn mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp và nuôi trồng thủy sản, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quang xúc tác và cơ chế oxy hóa bậc cao (AOPs). Quang xúc tác là quá trình kích hoạt vật liệu bán dẫn ZnO dưới ánh sáng UV để tạo ra các cặp electron (e-) và lỗ trống (h+), từ đó sinh ra các gốc oxy hóa mạnh như gốc hydroxyl (OH•) và gốc superoxide (O2•-), phân hủy các hợp chất hữu cơ như OTC thành CO2 và H2O. Lý thuyết AOPs bổ sung bằng việc sử dụng Peroxydisunphat (PDS, K2S2O8) làm chất oxy hóa, kích hoạt tạo thêm gốc sulfate (SO4•-), tăng cường hiệu quả phân hủy. Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu nano ZnO pha tạp Co (Co-ZnO), hiệu ứng kích thước lượng tử, điểm đẳng điện pHpzc, và các gốc oxy hóa hoạt tính trong quá trình quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các phân tích thực nghiệm tại phòng thí nghiệm, sử dụng vật liệu nano ZnO thương mại pha tạp Co tổng hợp bằng phương pháp khuấy trộn và nung ở nhiệt độ 300°C. Các kỹ thuật phân tích vật liệu gồm XRD, FT-IR, SEM, EDX và UV-Vis để xác định cấu trúc, thành phần và đặc tính quang học. Thí nghiệm xử lý OTC được thực hiện trong bình phản ứng 2L, chiếu xạ bằng đèn UV 8W (365 nm), với các biến số gồm liều lượng xúc tác Co-ZnO (0,2 g/L), hàm lượng PDS (0,3 g/L), nồng độ OTC (10 mg/L), pH tự nhiên (~6,5) và nhiệt độ nung vật liệu. Phương pháp chọn mẫu là mẫu dung dịch chuẩn OTC, phân tích nồng độ bằng phổ UV-Vis tại bước sóng 354 nm, với cỡ mẫu đủ lớn để đảm bảo độ tin cậy. Thời gian nghiên cứu từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, thử nghiệm xử lý, nhận diện gốc tự do và đánh giá khả năng tái sử dụng xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất xử lý OTC đạt 99,5% sau 120 phút chiếu xạ UV trong điều kiện tối ưu: [OTC] = 10 mg/L, [Co-ZnO] = 0,2 g/L, [PDS] = 0,3 g/L, nhiệt độ nung 300°C, pH ~6,5. Kết quả này vượt trội so với các nghiên cứu trước, thể hiện khả năng phân hủy gần như hoàn toàn OTC trong nước.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng PDS: Khi tăng hàm lượng PDS từ 0,1 đến 0,3 g/L, hiệu suất xử lý tăng từ khoảng 70% lên gần 99%, tuy nhiên vượt quá 0,3 g/L không làm tăng đáng kể hiệu quả, thậm chí có thể gây ức chế do tái tổ hợp gốc tự do.

  3. Nhiệt độ nung vật liệu ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác: Vật liệu Co-ZnO nung ở 300°C cho hiệu suất xử lý cao nhất so với các mức 200°C, 400°C và 500°C, do cấu trúc tinh thể và diện tích bề mặt tối ưu.

  4. Vai trò chính của gốc superoxide (O2•-) trong quá trình phân hủy OTC được xác định qua thí nghiệm nhận diện gốc tự do, chiếm ưu thế hơn so với gốc hydroxyl và sulfate.

  5. Khả năng tái sử dụng vật liệu Co-ZnO giảm gần 50% sau 5 lần thu hồi, nguyên nhân chủ yếu do mất hoạt tính xúc tác do rửa lọc và tích tụ sản phẩm phụ trên bề mặt vật liệu.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất xử lý cao của hệ Co-ZnO/PDS/UV được giải thích bởi sự kết hợp giữa quang xúc tác tạo ra các cặp electron-lỗ trống và sự kích hoạt PDS sinh ra gốc sulfate mạnh, tăng cường quá trình oxy hóa OTC. So sánh với các nghiên cứu sử dụng TiO2 hoặc ZnO không pha tạp, vật liệu Co-ZnO cho thấy ưu thế về hiệu suất và thời gian xử lý. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng PDS và hiệu suất xử lý cho thấy điểm bão hòa tại 0,3 g/L, phù hợp với cơ chế tái tổ hợp gốc tự do khi dư thừa chất oxy hóa. Đồ thị hiệu suất theo nhiệt độ nung minh họa sự ảnh hưởng của cấu trúc vật liệu đến hoạt tính xúc tác. Việc giảm hiệu suất sau nhiều lần tái sử dụng nhấn mạnh nhu cầu cải tiến quy trình thu hồi và tái sinh vật liệu để duy trì hiệu quả lâu dài. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng vật liệu nano ZnO biến tính trong xử lý kháng sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu Co-ZnO bằng cách kiểm soát nhiệt độ nung ở 300°C và tỷ lệ pha tạp Co để duy trì cấu trúc tinh thể ổn định, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  2. Điều chỉnh hàm lượng PDS trong khoảng 0,3 g/L để đạt hiệu quả xử lý tối ưu, tránh dư thừa gây ức chế phản ứng oxy hóa.

  3. Phát triển phương pháp thu hồi và tái sinh xúc tác hiệu quả, giảm thiểu mất hoạt tính sau nhiều chu kỳ sử dụng, có thể áp dụng kỹ thuật rửa nhẹ hoặc tái nung vật liệu.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong quy mô pilot và thực tế, đặc biệt trong xử lý nước thải công nghiệp và nuôi trồng thủy sản, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng và chi phí vận hành.

  5. Khuyến khích phối hợp sử dụng quang xúc tác Co-ZnO với các công nghệ xử lý khác như màng lọc hoặc sinh học để nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu quang xúc tác nano ZnO pha tạp, phương pháp xử lý kháng sinh trong nước.

  2. Chuyên gia xử lý nước thải công nghiệp và nuôi trồng thủy sản: Áp dụng kết quả để thiết kế hệ thống xử lý nước thải chứa kháng sinh, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải có chứa kháng sinh, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Phát triển sản phẩm xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường dựa trên nền tảng nghiên cứu này.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quang xúc tác là gì và tại sao chọn ZnO làm vật liệu xúc tác?
    Quang xúc tác là quá trình sử dụng ánh sáng kích hoạt vật liệu bán dẫn để tạo ra các gốc oxy hóa phân hủy chất ô nhiễm. ZnO có vùng cấm rộng (~3,27 eV), khả năng quang xúc tác cao, chi phí thấp và thân thiện môi trường, phù hợp cho xử lý nước.

  2. Tại sao pha tạp Cobalt vào ZnO lại cải thiện hiệu suất?
    Pha tạp Co giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó tăng hiệu quả quang xúc tác.

  3. Vai trò của Peroxydisunphat (PDS) trong quá trình xử lý?
    PDS là chất oxy hóa mạnh, khi kích hoạt tạo ra gốc sulfate (SO4•-) có khả năng oxy hóa mạnh hơn gốc hydroxyl, tăng cường phân hủy OTC hiệu quả.

  4. Hiệu suất xử lý giảm sau nhiều lần tái sử dụng do đâu?
    Nguyên nhân chính là mất hoạt tính xúc tác do rửa lọc nhiều lần làm giảm diện tích bề mặt hoạt động và tích tụ sản phẩm phụ trên bề mặt vật liệu.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng trong quy mô lớn không?
    Nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế, tuy nhiên cần mở rộng thử nghiệm quy mô pilot, tối ưu hóa quy trình thu hồi xúc tác và chi phí vận hành để đảm bảo hiệu quả và bền vững.

Kết luận

  • Vật liệu nano ZnO pha tạp Cobalt (Co-ZnO) được tổng hợp thành công với cấu trúc tinh thể ổn định và đặc tính quang xúc tác ưu việt.
  • Hệ Co-ZnO/PDS/UV đạt hiệu suất xử lý Oxytetracycline lên đến 99,5% sau 120 phút chiếu xạ UV trong điều kiện tối ưu.
  • Gốc superoxide (O2•-) đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy OTC, được xác định qua thí nghiệm nhận diện gốc tự do.
  • Hiệu suất xử lý giảm gần 50% sau 5 lần tái sử dụng do mất hoạt tính xúc tác, cần cải tiến quy trình thu hồi và tái sinh vật liệu.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu quy mô pilot, tối ưu hóa quy trình tái sử dụng xúc tác và phối hợp với các công nghệ xử lý khác để nâng cao hiệu quả tổng thể. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm ứng dụng kết quả này trong thực tế nhằm phát triển các giải pháp xử lý nước thải bền vững.