NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ DƯ LƯỢNG KHÁNG SINH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU NANO GRAPHITIC CARBON NITRIDE BIẾN TÍNH

• Tác giả: Lê Thị Thùy Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thị Lan
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng xử lý dư lượng kháng sinh trong môi trường nước bằng vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước và phản ứng quang xúc tác
• 1.2. Ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước
• 1.3. Quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm nước thải
• 1.4. Tổng quan vật liệu g-C3N4 và phương pháp tổng hợp
• 1.5. Giới thiệu về vật liệu g-C3N4
• 1.6. Tổng quan các phương pháp tổng hợp g-C3N4
• 1.7. Các phương pháp nâng cao hiệu suất g-C3N4
• 1.8. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.8.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.8.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
• 2.4.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu g-C3N4
• 2.4.3. Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu g-C3N4
• 2.4.4. Phương pháp xác định hiệu suất hấp phụ của vật liệu
• 2.4.5. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.4.6. Phương pháp bẫy điện tử
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc tính của vật liệu g-C3N4
• 3.2. Đặc điểm hình thái cấu trúc và nhóm chức của vật liệu
• 3.3. Tính chất quang học và cấu trúc băng tần của vật liệu
• 3.4. Ứng dụng vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính cho quá trình quang xúc tác xử lý SMX trong môi trường nước
• 3.4.1. Nghiên cứu lựa chọn loại vật liệu g-C3N4 phù hợp với quá trình xúc tác
• 3.4.2. Ảnh hưởng của liều lượng vật liệu tới hiệu suất phân huỷ SMX trong môi trường nước
• 3.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý SMX trong môi trường nước
• 3.4.4. Cơ chế của quá trình phân huỷ SMX bởi quá trình xúc tác quang sử dụng vật liệu BTCN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Ô Nhiễm Kháng Sinh Trong Nước Tổng Quan Tác Động

Ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là ô nhiễm bởi các chất kháng sinh, đang trở thành một vấn đề toàn cầu, đòi hỏi các giải pháp cấp thiết. Tình trạng khan hiếm nước ngọt trên thế giới càng làm gia tăng áp lực lên nguồn nước, trong khi quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa và các hoạt động nông nghiệp liên tục thải ra các chất ô nhiễm, bao gồm cả dư lượng kháng sinh. Sự hiện diện của kháng sinh trong nước không chỉ gây hại trực tiếp cho hệ sinh thái mà còn góp phần vào sự gia tăng của kháng kháng sinh ở vi khuẩn, đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng. Việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để loại bỏ kháng sinh trong nước là vô cùng quan trọng.

1.1. Nguồn gốc và các loại kháng sinh phổ biến trong nước

Các kháng sinh xâm nhập vào nguồn nước từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nước thải từ các bệnh viện, nhà máy sản xuất dược phẩm, hoạt động chăn nuôi và sử dụng kháng sinh trong nông nghiệp. Các loại kháng sinh phổ biến được tìm thấy trong nước bao gồm Tetracycline, Sulfamethoxazole (SMX), Ciprofloxacin và Amoxicillin. Theo nghiên cứu của Lê Thị Thùy Linh năm 2023, sự xuất hiện của các kháng sinh này trong nước có thể gây ra những tác động tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe con người. "Thực trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay đang được sự quan tâm kể cả Việt Nam và trên toàn thế giới."

1.2. Tác động của ô nhiễm kháng sinh đến sức khỏe cộng đồng

Sự tồn tại của kháng sinh trong nước, dù ở nồng độ thấp, có thể thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Điều này làm giảm hiệu quả của các loại kháng sinh trong điều trị bệnh, gây khó khăn cho việc kiểm soát các bệnh nhiễm trùng. Nguy cơ lây lan các vi khuẩn kháng kháng sinh từ môi trường nước sang người là một mối lo ngại lớn, đặc biệt đối với những người có hệ miễn dịch suy yếu. Việc tiếp xúc lâu dài với nước bị ô nhiễm kháng sinh có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng khác.

II. Thách Thức Xử Lý Kháng Sinh Trong Nước Giải Pháp Nào

Các phương pháp xử lý nước truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn dư lượng kháng sinh trong nước. Các biện pháp như clo hóa, lọc cát, hay sử dụng than hoạt tính có thể loại bỏ một phần, nhưng không thể xử lý triệt để các kháng sinh có cấu trúc phức tạp. Điều này đặt ra một thách thức lớn trong việc đảm bảo nguồn nước sạch, an toàn cho sinh hoạt và sản xuất. Do đó, cần có những nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ tiên tiến, hiệu quả hơn để giải quyết vấn đề ô nhiễm kháng sinh.

2.1. Giới hạn của các phương pháp xử lý nước truyền thống

Các phương pháp xử lý nước truyền thống như clo hóa, lọc cát và sử dụng than hoạt tính có những hạn chế nhất định trong việc loại bỏ kháng sinh. Clo hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, trong khi lọc cát và than hoạt tính chỉ có khả năng hấp phụ một số loại kháng sinh nhất định. Hiệu quả của các phương pháp này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại kháng sinh, nồng độ và các điều kiện môi trường.

2.2. Sự cần thiết của công nghệ xử lý nước tiên tiến

Trước những hạn chế của các phương pháp truyền thống, việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ xử lý nước tiên tiến là vô cùng cần thiết. Các công nghệ như phân hủy quang xúc tác, màng lọc nano, và các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) có tiềm năng loại bỏ kháng sinh một cách hiệu quả và triệt để hơn. Việc kết hợp các công nghệ này với nhau cũng có thể mang lại hiệu quả xử lý tối ưu.

III. Graphitic Carbon Nitride g C3N4 Vật Liệu Nano Tiềm Năng

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) là một vật liệu nano bán dẫn với cấu trúc tương tự graphite, có khả năng hấp thụ ánh sáng và tham gia vào các phản ứng quang xúc tác. G-C3N4 được đánh giá là một ứng cử viên tiềm năng trong việc xử lý kháng sinh trong nước nhờ vào tính ổn định hóa học cao, chi phí thấp và khả năng tái sử dụng. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của g-C3N4 thông qua việc biến tính, pha tạp để tăng khả năng hấp phụ và phân hủy quang xúc tác.

3.1. Cấu trúc tính chất và phương pháp tổng hợp g C3N4

G-C3N4 có cấu trúc lớp, tương tự như graphite, với các lớp liên kết với nhau thông qua lực Van der Waals. Vật liệu này có tính ổn định hóa học cao, không độc hại và có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy. G-C3N4 có thể được tổng hợp từ các tiền chất như melamine, urea, và dicyandiamide thông qua quá trình nhiệt phân. Theo tài liệu nghiên cứu, "g-C3N4 được tổng hợp từ melamine và cyanuric acid."

3.2. Biến tính và pha tạp g C3N4 để nâng cao hiệu suất

Để cải thiện hiệu suất của g-C3N4 trong xử lý kháng sinh, các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp biến tính và pha tạp. Biến tính có thể bao gồm việc tạo cấu trúc nano, tăng diện tích bề mặt, hoặc gắn các nhóm chức năng lên bề mặt vật liệu. Pha tạp có thể sử dụng các nguyên tố như Boron (B) hoặc Nitrogen để thay đổi cấu trúc điện tử và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng.

IV. Cách Vật Liệu Nano g C3N4 Xử Lý Kháng Sinh Trong Nước

Cơ chế xử lý kháng sinh bằng vật liệu nano g-C3N4 chủ yếu dựa vào quá trình phân hủy quang xúc tác. Khi g-C3N4 hấp thụ ánh sáng, các electron sẽ được kích thích và nhảy lên vùng dẫn (CB), tạo ra các lỗ trống (h+) ở vùng hóa trị (VB). Các electron và lỗ trống này sẽ tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử, tạo ra các gốc tự do như hydroxyl (OH•) và superoxit (O2•−), có khả năng phân hủy các phân tử kháng sinh thành các sản phẩm phụ ít độc hại hơn.

4.1. Cơ chế phân hủy quang xúc tác của g C3N4

Quá trình phân hủy quang xúc tác của g-C3N4 diễn ra qua nhiều giai đoạn. Đầu tiên, vật liệu hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Sau đó, các electron và lỗ trống di chuyển đến bề mặt vật liệu và tham gia vào các phản ứng với nước và oxy để tạo ra các gốc tự do. Các gốc tự do này sẽ tấn công và phân hủy các phân tử kháng sinh. "Cơ chế phân hủy chất ô nhiễm bằng quá trình quang xúc tác là một quá trình hiệu quả trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm trong nước."

4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của g C3N4

Hiệu quả xử lý kháng sinh bằng g-C3N4 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm pH của dung dịch, cường độ ánh sáng, nồng độ kháng sinh, và sự có mặt của các chất khác trong nước. Việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể giúp nâng cao hiệu quả xử lý của g-C3N4.

V. Ứng Dụng Thực Tế Nghiên Cứu Xử Lý SMX Bằng Vật Liệu g C3N4

Nghiên cứu của Lê Thị Thùy Linh (2023) đã chứng minh hiệu quả của vật liệu nano g-C3N4 biến tính trong việc xử lý Sulfamethoxazole (SMX), một loại kháng sinh phổ biến trong nước thải. Nghiên cứu này đã tập trung vào việc tổng hợp g-C3N4 biến tính dạng ống pha tạp Boron (BTCN) và đánh giá khả năng phân hủy quang xúc tác của vật liệu này đối với SMX. Kết quả cho thấy BTCN có hiệu quả xử lý SMX cao hơn so với g-C3N4 thông thường.

5.1. Tổng hợp và đặc tính của vật liệu g C3N4 biến tính BTCN

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp g-C3N4 biến tính dạng ống pha tạp Boron (BTCN). Các kết quả phân tích SEM, XRD và FTIR đã xác nhận sự hình thành của cấu trúc nano và sự có mặt của các nhóm chức năng trên bề mặt vật liệu. BTCN có diện tích bề mặt lớn hơn và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn so với g-C3N4 thông thường.

5.2. Hiệu quả xử lý SMX bằng vật liệu BTCN và các yếu tố ảnh hưởng

Kết quả nghiên cứu cho thấy BTCN có hiệu quả xử lý SMX cao, đạt gần 99% sau 60 phút quang xúc tác. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào liều lượng vật liệu, pH của dung dịch và cường độ ánh sáng. Liều lượng BTCN tối ưu là 0.5 g/L, và hiệu quả xử lý cao nhất đạt được ở pH trung tính.

VI. Tương Lai Xử Lý Kháng Sinh Vật Liệu Nano g C3N4 Hứa Hẹn

Vật liệu nano graphitic carbon nitride (g-C3N4) và các biến thể của nó, như BTCN, hứa hẹn là một giải pháp tiềm năng trong việc xử lý kháng sinh trong nước. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để ứng dụng công nghệ này vào thực tế, bao gồm việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, giảm chi phí sản xuất và đánh giá toàn diện về tác động môi trường của vật liệu. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc giải quyết những thách thức này để khai thác tối đa tiềm năng của g-C3N4 trong xử lý ô nhiễm kháng sinh.

6.1. Thách thức và triển vọng trong việc ứng dụng g C3N4

Một trong những thách thức lớn nhất là tối ưu hóa quy trình tổng hợp g-C3N4 để đạt được hiệu suất cao và chi phí thấp. Cần có những nghiên cứu sâu hơn về cơ chế xử lý của g-C3N4 để có thể cải thiện hiệu quả của vật liệu. Đồng thời, cần đánh giá toàn diện về tác động môi trường của g-C3N4 để đảm bảo tính bền vững của công nghệ này.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa công nghệ g C3N4

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp g-C3N4 mới, khám phá các vật liệu biến tính và pha tạp khác để nâng cao hiệu suất xử lý. Nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc tích hợp g-C3N4 với các công nghệ xử lý nước khác để tạo ra các hệ thống xử lý hiệu quả và bền vững.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm dư lượng kháng sinh trong môi trường nước đang trở thành một thách thức nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, việc sử dụng kháng sinh toàn cầu vượt quá 100.000 tấn mỗi năm, trong đó sulfamethoxazole (SMX) là một trong những loại kháng sinh phổ biến và bền vững trong môi trường nước. Tình trạng này xuất phát từ việc xả thải không kiểm soát các chất kháng sinh từ bệnh viện, cơ sở sản xuất dược phẩm, chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như sinh học, hóa học và vật lý hiện nay không thể loại bỏ hoàn toàn các chất ô nhiễm này, dẫn đến nguy cơ tích tụ và phát triển vi khuẩn kháng thuốc.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng xử lý dư lượng kháng sinh SMX trong môi trường nước bằng vật liệu nano graphitic carbon nitride (g-C3N4) biến tính dạng ống 1D và pha tạp nguyên tố boron (BTCN) thông qua công nghệ quang xúc tác. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2022-2023 tại Trường Đại học Nông Lâm và Trường Đại học Y – Dược, Đại học Thái Nguyên. Mục tiêu chính là tổng hợp thành công vật liệu BTCN và ứng dụng trong xử lý SMX với nồng độ 10 mg/L, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển vật liệu quang xúc tác mới có hiệu suất cao mà còn cung cấp giải pháp thực tiễn cho việc xử lý ô nhiễm kháng sinh trong nước, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và cân bằng hệ sinh thái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết quang xúc tác, một quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Process - AOP) sử dụng vật liệu bán dẫn để tạo ra các cặp electron-lỗ trống khi hấp thụ ánh sáng khả kiến. Các electron và lỗ trống này tương tác với oxy và nước tạo ra các gốc oxy phản ứng (Reactive Oxygen Species - ROS) như hydroxyl (•OH) và superoxide (O2•−), có khả năng oxy hóa và phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như kháng sinh SMX thành các sản phẩm ít độc hại hơn.

Vật liệu nano graphitic carbon nitride (g-C3N4) được lựa chọn do có năng lượng vùng cấm khoảng 2.7 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả, đồng thời có tính ổn định nhiệt và hóa học cao. Việc biến tính g-C3N4 theo dạng ống 1D và pha tạp boron (BTCN) nhằm tăng diện tích bề mặt, giảm năng lượng vùng cấm và hạn chế tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Quang xúc tác (Photocatalysis): quá trình kích hoạt vật liệu bán dẫn bằng ánh sáng để tạo ra các chất oxy hóa mạnh.
• Vật liệu g-C3N4: vật liệu bán dẫn không kim loại có cấu trúc tương tự graphene, dùng làm chất xúc tác quang.
• Pha tạp boron (Boron doping): kỹ thuật thêm nguyên tố boron vào cấu trúc g-C3N4 để cải thiện tính chất quang học và điện tử.
• Dư lượng kháng sinh SMX: chất kháng sinh sulfamethoxazole tồn dư trong môi trường nước.
• Reactive Oxygen Species (ROS): các gốc oxy phản ứng có khả năng oxy hóa mạnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp vật liệu g-C3N4 biến tính theo ba dạng: dạng tấm 2D (PCN), dạng ống 1D (TCN) và dạng ống 1D pha tạp boron (BTCN). Vật liệu được tổng hợp từ melamine, cyanuric acid và boric acid qua phản ứng thủy nhiệt và nhiệt phân ở nhiệt độ 550°C trong môi trường yếm khí.

Các đặc tính vật liệu được xác định bằng:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc tinh thể.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái và cấu trúc bề mặt.
• Đo diện tích bề mặt riêng (BET).
• Phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định nhóm chức hóa học.
• Phổ phản xạ khuếch tán (DRS) để xác định năng lượng vùng cấm.

Khả năng quang xúc tác được đánh giá bằng xử lý dung dịch SMX 10 mg/L dưới ánh sáng mô phỏng (đèn Xenon 400 W, loại bỏ tia UV). Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian, liều lượng vật liệu và pH dung dịch đến hiệu suất phân hủy SMX được thực hiện. Nồng độ SMX được đo bằng phổ UV-vis tại bước sóng 266 nm.

Phương pháp bẫy điện tử được sử dụng để xác định các gốc oxy phản ứng tham gia trong quá trình phân hủy SMX. Cỡ mẫu nghiên cứu được lựa chọn phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng tái lập.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính vật liệu g-C3N4 biến tính: SEM cho thấy vật liệu TCN có cấu trúc ống rỗng với đường kính 1-2 µm và chiều dài vài chục µm. FTIR xác định các nhóm chức C-N, C=N, –NH2 và O–H. XRD ghi nhận các đỉnh đặc trưng ở góc 2θ 13,5° và 27,3°, tương ứng với mặt phẳng tinh thể tri-s-triazine và lớp xen kẽ giống than chì. Năng lượng vùng cấm của BTCN được xác định khoảng 2.7 eV, phù hợp với ánh sáng khả kiến.

2. Hiệu suất quang xúc tác xử lý SMX: Vật liệu BTCN thể hiện hiệu suất phân hủy SMX vượt trội, đạt 99% sau 60 phút chiếu sáng, cao hơn 1,6 lần so với TCN và 2,4 lần so với PCN. Khi tăng liều lượng BTCN từ 0,25 g/L lên 0,5 g/L, hiệu suất phân hủy SMX tăng từ 92% lên 99% trong 90 phút.

3. Ảnh hưởng của pH: Hiệu suất phân hủy SMX gần như hoàn toàn (99%) ở pH 7, 9 và 11 sau 60 phút. Tuy nhiên, khi pH giảm xuống 5, hiệu quả giảm còn khoảng 78%, cho thấy môi trường kiềm nhẹ thuận lợi hơn cho quá trình quang xúc tác.

4. Cơ chế phân hủy SMX: Quá trình quang xúc tác sử dụng BTCN tạo ra các cặp electron-lỗ trống dưới ánh sáng khả kiến. Electron khử O2 tạo ra gốc superoxide (O2•−), tiếp tục phản ứng với proton tạo hydrogen peroxide (H2O2) và gốc hydroxyl (•OH) – các chất oxy hóa mạnh phân hủy SMX thành các sản phẩm ít độc hại.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất cao của vật liệu BTCN được giải thích bởi cấu trúc dạng ống 1D giúp tăng diện tích bề mặt và giảm khoảng cách khuếch tán điện tích, đồng thời pha tạp boron làm giảm năng lượng vùng cấm, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hạn chế tái kết hợp electron-lỗ trống. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu g-C3N4 biến tính, đồng thời vượt trội hơn so với vật liệu gốc PCN và TCN.

Ảnh hưởng của pH cho thấy môi trường kiềm nhẹ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các gốc oxy phản ứng, tăng hiệu quả phân hủy. Môi trường axit làm giảm hiệu suất do sự thay đổi điện tích bề mặt vật liệu và sự ổn định của các gốc oxy.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân hủy SMX theo thời gian với các loại vật liệu và liều lượng khác nhau, cũng như biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy ở các mức pH khác nhau. Bảng tổng hợp đặc tính vật liệu (diện tích bề mặt, năng lượng vùng cấm) cũng giúp minh họa mối liên hệ giữa cấu trúc vật liệu và hiệu suất quang xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu BTCN trong xử lý nước thải: Khuyến nghị triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô pilot để đánh giá hiệu quả xử lý SMX và các kháng sinh khác trong nước thải thực tế, nhằm nâng cao tỷ lệ loại bỏ kháng sinh dư lượng.

2. Tối ưu điều kiện vận hành: Đề xuất duy trì pH trong khoảng 7-9 để đảm bảo hiệu suất quang xúc tác tối ưu, đồng thời kiểm soát liều lượng vật liệu khoảng 0,5 g/L để cân bằng hiệu quả và chi phí.

3. Phát triển vật liệu quang xúc tác biến tính: Khuyến khích nghiên cứu pha tạp thêm các nguyên tố phi kim khác hoặc kết hợp dị thể để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái kết hợp điện tích, nâng cao hiệu suất xử lý.

4. Xây dựng quy trình xử lý tích hợp: Đề xuất kết hợp công nghệ quang xúc tác với các phương pháp xử lý truyền thống như lọc màng, hấp phụ để xử lý triệt để các chất ô nhiễm phức tạp trong nước thải.

5. Chủ thể thực hiện: Các cơ sở nghiên cứu môi trường, nhà máy xử lý nước thải, và các cơ quan quản lý môi trường cần phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng và xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu quang xúc tác và phương pháp xử lý kháng sinh trong nước, hỗ trợ phát triển nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

2. Cơ sở xử lý nước thải và doanh nghiệp công nghệ môi trường: Tham khảo để áp dụng vật liệu nano g-C3N4 biến tính trong quy trình xử lý nước thải, nâng cao hiệu quả loại bỏ kháng sinh và các chất ô nhiễm hữu cơ.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn về xử lý nước thải chứa kháng sinh, đồng thời thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới.

4. Ngành y tế và chăn nuôi: Hiểu rõ tác động của dư lượng kháng sinh trong môi trường nước và các giải pháp xử lý, từ đó nâng cao nhận thức và quản lý việc sử dụng kháng sinh hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nano g-C3N4 biến tính có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
   Vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả, diện tích bề mặt lớn, ổn định hóa học và nhiệt, đồng thời giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, giúp nâng cao hiệu suất quang xúc tác so với vật liệu như TiO2 chỉ hoạt động dưới ánh sáng tử ngoại.

2. Tại sao lại chọn sulfamethoxazole (SMX) làm đối tượng nghiên cứu?
   SMX là một trong những kháng sinh phổ biến, bền vững trong môi trường nước và có nguy cơ gây ô nhiễm nghiêm trọng. Việc xử lý SMX giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến sức khỏe và hệ sinh thái.

3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý như thế nào?
   pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và sự hình thành các gốc oxy phản ứng. Môi trường kiềm nhẹ (pH 7-11) tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy SMX, trong khi pH thấp làm giảm hiệu quả.

4. Liều lượng vật liệu quang xúc tác ảnh hưởng ra sao đến quá trình xử lý?
   Liều lượng vật liệu tăng sẽ nâng cao hiệu suất phân hủy do tăng diện tích bề mặt xúc tác, tuy nhiên vượt quá mức tối ưu có thể gây cản trở ánh sáng và giảm hiệu quả.

5. Cơ chế phân hủy SMX bằng vật liệu BTCN là gì?
   Dưới ánh sáng khả kiến, BTCN tạo ra cặp electron-lỗ trống, electron khử oxy tạo gốc superoxide, tiếp tục tạo hydrogen peroxide và gốc hydroxyl – các chất oxy hóa mạnh phân hủy SMX thành các sản phẩm ít độc hại.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nano graphitic carbon nitride dạng ống 1D pha tạp boron (BTCN) với đặc tính vật lý và quang học ưu việt.
• Vật liệu BTCN thể hiện hiệu suất quang xúc tác phân hủy SMX đạt 99% trong 60 phút, vượt trội so với các dạng vật liệu khác.
• Hiệu quả xử lý phụ thuộc rõ rệt vào liều lượng vật liệu và pH dung dịch, với điều kiện tối ưu là 0,5 g/L và pH từ 7 đến 11.
• Cơ chế phân hủy SMX dựa trên sự tạo thành các gốc oxy phản ứng mạnh dưới ánh sáng khả kiến, giúp phân hủy triệt để chất ô nhiễm.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu quang xúc tác mới và ứng dụng thực tiễn trong xử lý ô nhiễm kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường nước và sức khỏe cộng đồng.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế để đánh giá hiệu quả lâu dài và khả năng tái sử dụng vật liệu. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực môi trường được khuyến khích hợp tác phát triển công nghệ này nhằm nâng cao chất lượng xử lý nước thải.