I. Giới thiệu về vấn đề ô nhiễm kháng sinh trong nước
Kháng sinh là một trong những chất gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng, đặc biệt là Oxytetracycline (OTC). Sự tồn tại của kháng sinh trong nước thải và môi trường tự nhiên gây ra nhiều hậu quả như kháng thuốc, độc tính, và rối loạn hệ sinh thái. Các phương pháp xử lý truyền thống như keo tụ, lọc màng, và hấp phụ vật lý không đủ hiệu quả để loại bỏ hoàn toàn kháng sinh. Do đó, quang xúc tác trên nền vật liệu nano ZnO được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng. ZnO là một chất xúc tác quang hóa có hiệu suất cao, đặc biệt khi kết hợp với các kim loại chuyển tiếp như Co, giúp tăng cường khả năng phân hủy kháng sinh.
1.1. Tác động của kháng sinh đến môi trường
Kháng sinh như OTC tồn tại trong nước thải và môi trường tự nhiên gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Chúng có thể gây độc tính, kháng thuốc, và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc xử lý kháng sinh trong nước thải là một thách thức lớn do tính bền vững và khả năng kháng lại các phương pháp xử lý truyền thống.
1.2. Nhu cầu về phương pháp xử lý hiệu quả
Các phương pháp xử lý truyền thống không đủ hiệu quả để loại bỏ hoàn toàn kháng sinh. Quang xúc tác trên nền vật liệu nano ZnO được xem là một giải pháp tiềm năng nhờ khả năng phân hủy các chất hữu cơ dưới tác dụng của ánh sáng. ZnO có năng lượng vùng cấm lớn (3.27 eV), giúp tăng hiệu suất xử lý.
II. Phương pháp quang xúc tác trên nền vật liệu nano ZnO
Quang xúc tác là quá trình sử dụng ánh sáng để kích hoạt các phản ứng hóa học trên bề mặt chất xúc tác. Vật liệu nano ZnO được chọn làm chất xúc tác do tính chất quang hóa vượt trội và khả năng tái sử dụng. Khi kết hợp với các kim loại chuyển tiếp như Co, ZnO tạo ra các gốc tự do như SO4●- và O2●-, giúp tăng cường hiệu quả phân hủy kháng sinh. Quá trình này được thực hiện dưới điều kiện chiếu xạ UV và sử dụng chất oxy hóa PDS (K2S2O8).
2.1. Cơ chế quang xúc tác của ZnO
Quang xúc tác trên ZnO dựa trên sự hình thành các cặp electron (e-) và lỗ trống (h+) khi chiếu xạ UV. Các cặp này tham gia vào quá trình oxy hóa và khử, tạo ra các gốc tự do có khả năng phân hủy kháng sinh. Khi kết hợp với PDS, quá trình này được tăng cường nhờ sự hình thành thêm gốc SO4●-.
2.2. Ứng dụng của vật liệu nano ZnO
Vật liệu nano ZnO được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước nhờ tính chất quang hóa và khả năng tái sử dụng. Khi pha tạp với các kim loại chuyển tiếp, ZnO trở thành chất xúc tác hiệu quả trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là kháng sinh.
III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu cho thấy vật liệu nano ZnO pha tạp Co (Co-ZnO) đạt hiệu suất xử lý OTC lên đến 99.5% sau 120 phút chiếu xạ UV. Các yếu tố như nhiệt độ nung, hàm lượng PDS, và pH ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý. Co-ZnO cũng được chứng minh có khả năng tái sử dụng, mặc dù hiệu suất giảm dần sau mỗi lần thu hồi. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng công nghệ quang xúc tác trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.
3.1. Hiệu quả xử lý kháng sinh
Co-ZnO đạt hiệu suất xử lý OTC cao nhất (99.5%) 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, và pH không điều chỉnh (~6.5). Các gốc tự do như O2●- đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy.
3.2. Khả năng tái sử dụng vật liệu
Sau 5 lần thu hồi và tái sử dụng, hiệu suất xử lý của Co-ZnO giảm gần 50%. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc cải thiện quy trình thu hồi và tái sử dụng để duy trì hiệu quả xử lý lâu dài.
