I. Tổng Quan Về Xử Lý Nước Thải Kháng Sinh Nano Fe ZnO
Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, việc xử lý nước thải chứa dư lượng kháng sinh là một thách thức lớn. Các chỉ số chất lượng môi trường không khí, đất và nước dần trở thành mối quan tâm của nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Nước thải từ các nhà máy sản xuất, đặc biệt là các nhà máy dược phẩm, thường chứa dư lượng kháng sinh gây ảnh hưởng đến nguồn nước tiếp nhận. Một trong những kháng sinh được quan tâm là Levofloxacin (Levo), có khả năng ức chế sự tăng trưởng của vi sinh vật và lan truyền gen kháng kháng sinh. Công nghệ nano, đặc biệt là vật liệu nano Fe-ZnO, đang được nghiên cứu rộng rãi để giải quyết vấn đề này, hứa hẹn mang lại giải pháp hiệu quả và bền vững.
1.1. Ô Nhiễm Kháng Sinh Trong Nước Thải Mối Nguy Hại
Sự phát triển của kinh tế xã hội và khoa học công nghệ đã gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường nước. Nước thải từ các nhà máy chế biến dược phẩm chứa dư lượng kháng sinh như Betalactam, Aminoglycosid, Macrolid, Lincosamid, gây ảnh hưởng đến nguồn tiếp nhận. Theo nghiên cứu, kháng sinh Levofloxacin (Levo) có thể ức chế sự tăng trưởng của vi sinh vật và đẩy nhanh sự lây lan gen kháng kháng sinh trong môi trường nước. Việc kiểm soát và xử lý nước thải chứa kháng sinh là vô cùng cần thiết.
1.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Vật Liệu Nano Fe ZnO Trong Xử Lý
Công nghệ nano đang ngày càng trở nên phổ biến và được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là đối với môi trường nước. Vật liệu nano với những tính chất hóa lý và quang đặc biệt có khả năng làm giảm nồng độ và phân hủy chất ô nhiễm bằng cách hấp phụ, bẻ mạch và khoáng hóa. Hạt nano oxit kẽm (ZnO) là một trong những oxit kim loại bán dẫn quan trọng nhất với các ứng dụng đa dạng. Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng vật liệu nano Fe-ZnO để xử lý kháng sinh trong nước thải.
II. Vấn Đề Cấp Bách Xử Lý Kháng Sinh Levofloxacin Levo
Levofloxacin (Levo) là một fluoroquinolone kháng khuẩn tổng hợp có tính diệt khuẩn cao và phổ tác dụng rộng. Tuy nhiên, dư lượng Levo trong môi trường nước gây ra nhiều tác động tiêu cực. Các dấu hiệu quan trọng nhất sau khi quá liều Levo cấp tính là các triệu chứng của hệ thần kinh trung ương như lú lẫn, rối loạn tri giác và co giật. Dư lượng kháng sinh Levo tồn đọng trong môi trường nước gây ức chế sự tăng trưởng của các vi sinh vật, vi khuẩn lam, gây cản trở sự sống sót của vi sinh vật nhân sơ, đẩy nhanh sự lây lan gen kháng kháng sinh trong môi trường nước. Do đó, cần có giải pháp hiệu quả để loại bỏ Levo khỏi nước thải.
2.1. Tác Hại Của Kháng Sinh Levofloxacin Levo Với Môi Trường
Theo các nghiên cứu về độc tính trên động vật, các dấu hiệu quan trọng nhất có thể thấy sau khi quá liều Levo cấp tính là các triệu chứng của hệ thần kinh trung ương như lú lẫn, ù tai, rối loạn tri giác và co giật kiểu động kinh [1]. Đồng thời, dƣ lƣợng kháng sinh Levo tồn đọng trong môi trƣờng nƣớc cũng gây ức chế sự tăng trƣởng của các vi sinh vật, vi khuẩn lam, gây cản trở sự sống sót của vi sinh vật nhân sơ, đẩy nhanh sự lây lan gen kháng kháng sinh trong môi trƣờng nƣớc [3].
2.2. Giới Thiệu Về Kháng Sinh Levofloxacin và Ứng Dụng
Kháng sinh Levo là một fluoroquinolone kháng khuẩn tổng hợp dùng đƣờng uống và đƣờng tiêm tĩnh mạch. Do là một tác nhân kháng khuẩn fluoroquinolone, Levo sẽ ức chế sự tổng hợp ADN vi khuẩn bằng cách tác động trên phức hợp gyrase và topoiso-merase IV ADN. Levo có tính diệt khuẩn cao. Phổ tác dụng bao gồm nhiều vi khuẩn Gram dƣơng và Gram âm nhƣ tụ cầu khuẩn, liên cầu khuẩn, kể cả phế cầu khuẩn, vi khuẩn đƣờng ruột, Haemophilus influenzae, vi khuẩn Gram âm không lên men và các vi khuẩn không điển hình.
III. Cách Chế Tạo Vật Liệu Nano Fe ZnO Xử Lý Nước Thải
Nghiên cứu này sử dụng phương pháp đồng kết tủa để tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp với Fe (Fe-ZnO) trong phòng thí nghiệm. Vật liệu Fe-ZnO sau đó được đo đạc bằng các phương pháp XRD, SEM, EDX và UV-Vis để xác định đặc trưng về thành phần hóa học-lý học, cấu trúc mạng tinh thể, bề mặt, kích thước hình dạng tinh thể của hạt. Việc xác định các đặc tính này là cần thiết để hiểu rõ cơ chế hoạt động của vật liệu trong quá trình xử lý nước thải.
3.1. Phương Pháp Đồng Kết Tủa Để Tổng Hợp Vật Liệu Fe ZnO
Trong luận văn này, vật liệu hạt nano ZnO pha tạp với Fe (gọi tắt là Fe-ZnO) đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp đồng kết tủa trong phòng thí nghiệm.
3.2. Các Phương Pháp Phân Tích Vật Liệu Nano Fe ZnO XRD SEM EDX UV Vis
Vật liệu Fe-ZnO đƣợc mang đi đo XRD, SEM, EDX và UV-Vis nhằm xác định đặc trƣng về thành phần hóa học-lý học, cấu trúc mạng tinh thể, bề mặt, kích thƣớc hình dạng tinh thể của hạt.
IV. Phương Pháp Quang Xúc Tác Fe ZnO Hoạt Hóa K2S2O8 Hiệu Quả
Quá trình quang xúc tác của vật liệu Fe-ZnO khi bổ sung thêm chất K2S2O8 sẽ kích hoạt việc hình thành thêm gốc oxy hóa tự do Sulfat (SO4●-), tăng cƣờng khả năng xử lý hoàn toàn chất ô nhiễm Levo trong nƣớc. Năng lượng quang tử sinh ra từ đèn UV kích thích sự hình thành các cặp electron (e-) và lỗ trống quang sinh (h+) trên bề mặt vật liệu Fe-ZnO, đóng vai trò chính trong việc khoáng hóa chất ô nhiễm Levo. Thử nghiệm quang xúc tác cùng chất oxy hóa của vật liệu Fe-ZnO đƣợc tiến hành trong các điều kiện khảo sát khác nhau.
4.1. Cơ Chế Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano Fe ZnO
Vật liệu Fe-ZnO sau khi tổng hợp đƣợc tiến hành thử nghiệm khả năng phân huỷ chất kháng sinh Levofloxacine (Levo) dƣới chiếu xạ của đèn UV cùng chất oxy hóa (K2S2O8). Năng lƣợng quang tử sinh ra từ đèn UV kích thích sự hình thành các cặp electron (e-) và lỗ trống quang sinh (h+) trên bề mặt vật liệu Fe-ZnO, đƣợc gọi là quá trình quang xúc tác.
4.2. Vai Trò Của Chất Oxy Hóa K2S2O8 Trong Quá Trình Xúc Tác
Quá trình quang xúc tác của vật liệu Fe-ZnO khi bổ sung thêm chất K2S2O8 sẽ kích hoạt việc hình thành thêm gốc oxy hóa tự do Sulfat (SO4●-), tăng cƣờng khả năng xử lý hoàn toàn chất ô nhiễm Levo trong nƣớc.
4.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Quang Xúc Tác
Thử nghiệm quang xúc tác cùng chất oxy hóa của vật liệu Fe-ZnO đƣợc tiến hành trong các điều kiện khảo sát khác nhau. Cụ thể là khảo sát sự thay đổi nồng độ chất kháng sinh có trong nƣớc, khối lƣợng vật liệu nano sử dụng, sự thay đổi nồng độ chất K2S2O8, các ảnh hƣởng từ môi trƣờng pH khác nhau của dung dịch, nhận diện gốc oxy hóa tự do chính của hạt nano Fe-ZnO và khảo sát độ bền của vật liệu.
V. Kết Quả Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Xử Lý Levo Với Fe ZnO
Kết quả nghiên cứu cho thấy, tại pH = 7, hàm lượng hạt Nano Fe-ZnO là 0,5 g/l, với 0,05 g/l chất oxy hóa và thời gian xúc tác là 120 phút thì quá trình xử lý 0,1 g/l Levo bằng phương pháp quang xúc tác đạt hiệu quả cao nhất với hiệu suất xử lý là 88,01%, gốc oxy hóa tự do của vật liệu được nhận diện là gốc oxy đơn 1O2 . Vật liệu có tiềm năng thu hồi và tái sử dụng lại, sau khi thu hồi Fe-ZnO trên giấy lọc, vật liệu được sấy ở 1050C trong 4 giờ, và tái sử dụng lại 5 lần, với những điều kiện tối ưu và hiệu suất vẫn đạt 87,1% (± 0,91%).
5.1. Hiệu Suất Xử Lý Levofloxacin Levo Tối Ưu
Kết quả nghiên cứu cho thấy, tại pH = 7, hàm lƣợng hạt Nano Fe-ZnO là 0,5 g/l, với 0,05 g/l chất oxy hóa và thời gian xúc tác là 120 phút thì quá trình xử lý 0,1 g/l Levo bằng phƣơng pháp quang xúc tác đạt hiệu quả cao nhất với hiệu suất xử lý là 88,01%.
5.2. Khả Năng Tái Sử Dụng Và Độ Bền Của Vật Liệu Fe ZnO
Vật liệu có tiềm năng thu hồi và tái sử dụng lại, sau khi thu hồi Fe-ZnO trên giấy lọc, vật liệu đƣợc sấy ở 1050C trong 4 giờ, và tái sử dụng lại 5 lần, với những điều kiện tối ƣu và hiệu suất vẫn đạt 87,1% (± 0,91%).
VI. Ứng Dụng Nano Fe ZnO Tiềm Năng Xử Lý Nước Thải Tương Lai
Các kết quả thí nghiệm trên cho thấy tiềm năng ứng dụng vào thực tiễn của vật liệu hạt nano có tính khả thi cao. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng vật liệu nano Fe-ZnO để xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và ứng dụng vật liệu này trên quy mô lớn hơn.
6.1. Triển Vọng Ứng Dụng Thực Tế Vật Liệu Nano Fe ZnO
Các kết quả thí nghiệm trên cho thấy tiềm năng ứng dụng vào thực tiễn của vật liệu hạt nano có tính khả thi cao.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Và Tối Ưu Hóa Quy Trình
Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng vật liệu nano Fe-ZnO để xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và ứng dụng vật liệu này trên quy mô lớn hơn.
