Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng do sự phát triển kinh tế và công nghiệp, việc xử lý các chất ô nhiễm khó phân hủy như dược phẩm, đặc biệt là kháng sinh, trở thành thách thức lớn. Theo ước tính, nước thải từ các nhà máy chế biến dược phẩm chứa dư lượng kháng sinh nhóm Betalactam, Aminoglycosid, Macrolid, Lincosamid gây ảnh hưởng tiêu cực đến nguồn nước tự nhiên và hệ sinh thái vi sinh vật. Kháng sinh Levofloxacin (Levo) là một trong những chất kháng khuẩn phổ rộng được sử dụng rộng rãi, nhưng tồn dư của nó trong môi trường nước có thể gây ra các tác động độc hại như ức chế sự phát triển của vi sinh vật và thúc đẩy sự lan truyền gen kháng thuốc.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý kháng sinh Levo trong nước thải bằng vật liệu nano Fe-ZnO hoạt hóa chất oxy hóa K2S2O8 thông qua quá trình quang xúc tác. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, với phạm vi khảo sát các điều kiện vận hành như nồng độ kháng sinh, liều lượng vật liệu nano, nồng độ chất oxy hóa, pH môi trường và thời gian phản ứng. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh mà còn mở rộng ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường, hướng tới phát triển các giải pháp xử lý thân thiện và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: quang xúc tác bán dẫn và hoạt hóa persulfat (PS) bằng vật liệu nano pha tạp kim loại chuyển tiếp. Vật liệu nano ZnO là chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 3,37 eV, có khả năng tạo ra các cặp electron (e-) và lỗ trống (h+) khi chiếu xạ UV, từ đó sinh ra các gốc oxy hóa tự do như hydroxyl (OH●) và superoxide (O2●-). Tuy nhiên, ZnO có nhược điểm là sự tái tổ hợp nhanh của các cặp điện tử-lỗ trống, làm giảm hiệu quả xúc tác. Việc pha tạp Fe vào ZnO giúp giảm năng lượng vùng cấm, tạo bẫy điện tử, tăng cường sự phân tách điện tích và nâng cao hoạt tính quang xúc tác.

Chất oxy hóa K2S2O8 (persulfat) được hoạt hóa bởi vật liệu Fe-ZnO dưới chiếu xạ UV để tạo ra gốc sulfate tự do (SO4●-), có khả năng oxy hóa mạnh và ổn định trong khoảng pH rộng. Sự kết hợp giữa quang xúc tác Fe-ZnO và K2S2O8 tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy hoàn toàn kháng sinh Levo trong nước.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Quang xúc tác bán dẫn
  • Gốc oxy hóa tự do (OH●, SO4●-, 1O2)
  • Pha tạp kim loại chuyển tiếp
  • Hoạt hóa persulfat
  • Điểm đẳng điện pHpzc

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, sử dụng mẫu nước giả thải chứa kháng sinh Levo. Vật liệu Fe-ZnO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa với tỉ lệ mol Fe/Zn là 0,17 (12% Fe pha tạp). Vật liệu sau tổng hợp được phân tích đặc trưng bằng các kỹ thuật XRD, SEM-EDX, UV-Vis và xác định pHpzc.

Phương pháp phân tích hiệu quả xử lý dựa trên đo nồng độ Levo trước và sau xử lý bằng máy quang phổ UV-Vis (DR6000 EDU) tại bước sóng 291 nm, sử dụng đường chuẩn với hệ số tương quan R² = 0,9987. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian (30-180 phút), liều lượng vật liệu (0,1-1 g/L), nồng độ K2S2O8 (0-0,2 g/L), pH (3-11) và nồng độ Levo (10-50 mg/L) được thực hiện theo quy trình chuẩn với sục khí liên tục và chiếu xạ đèn UV-C 254 nm.

Thí nghiệm nhận diện gốc oxy hóa tự do sử dụng các dung môi hữu cơ đặc hiệu dập tắt từng loại gốc: Methanol (SO4●-), Tert-Butanol (OH●), Sodium Azide (1O2), p-Benzoquinone (O2●-), Amoni Oxalat (h+). Độ bền và khả năng tái sử dụng vật liệu được đánh giá qua 5 lần xử lý liên tiếp, vật liệu được thu hồi bằng giấy lọc và sấy khô ở 105°C trong 4 giờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu Fe-ZnO: Kết quả XRD cho thấy vật liệu có cấu trúc tinh thể ZnO pha tạp Fe, kích thước tinh thể trung bình khoảng 20 nm. SEM-EDX xác nhận sự phân bố đồng đều của Fe trên bề mặt ZnO. Giá trị pHpzc của vật liệu là 7,05, cho thấy bề mặt vật liệu mang điện tích dương khi pH < 7,05 và điện tích âm khi pH > 7,05.

  2. Hiệu suất xử lý Levo tối ưu: Ở điều kiện pH = 7, liều lượng Fe-ZnO 0,5 g/L, K2S2O8 0,05 g/L và thời gian 120 phút, hiệu suất phân hủy Levo đạt 88,01%. Khi tăng liều lượng vật liệu lên 0,7 g/L hoặc 1 g/L, hiệu suất không tăng đáng kể, thậm chí giảm nhẹ do hiện tượng che khuất ánh sáng và tái tổ hợp điện tử.

  3. Ảnh hưởng pH và nồng độ Levo: Hiệu suất xử lý giảm khi pH lệch xa giá trị trung tính, đặc biệt ở pH 3 và 11. Nồng độ Levo tăng từ 10 mg/L lên 50 mg/L làm giảm hiệu suất xử lý từ 88% xuống khoảng 65%, do sự cạnh tranh hấp phụ và giới hạn số lượng gốc oxy hóa.

  4. Gốc oxy hóa chủ đạo: Thí nghiệm dập tắt gốc cho thấy gốc oxy đơn 1O2 đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy Levo, kế đến là gốc sulfate SO4●-. Gốc hydroxyl OH● và superoxide O2●- có vai trò phụ trợ.

  5. Khả năng tái sử dụng vật liệu: Sau 5 lần tái sử dụng, hiệu suất xử lý vẫn duy trì ở mức 87,1% (± 0,91%), chứng tỏ vật liệu Fe-ZnO có độ bền cao và tiềm năng ứng dụng thực tiễn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của vật liệu Fe-ZnO nhờ sự kết hợp giữa quang xúc tác và hoạt hóa persulfat tạo ra các gốc oxy hóa mạnh, đặc biệt là gốc sulfate có khả năng oxy hóa cao và ổn định trong môi trường pH rộng. Việc pha tạp Fe làm giảm năng lượng vùng cấm, tăng cường sự phân tách điện tử-lỗ trống, giảm tái tổ hợp, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác so với ZnO nguyên chất.

So sánh với các nghiên cứu trước, hiệu suất 88% trong 120 phút xử lý Levo tương đương hoặc vượt trội so với các vật liệu nano ZnO pha tạp khác xử lý các loại kháng sinh tương tự. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian và liều lượng vật liệu cho thấy xu hướng bão hòa, phù hợp với cơ chế hấp phụ và phản ứng quang xúc tác.

Độ bền và khả năng tái sử dụng cao của vật liệu Fe-ZnO là điểm mạnh, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính khả thi trong ứng dụng thực tế. Biểu đồ so sánh hiệu suất qua các lần tái sử dụng minh họa sự ổn định của vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình xử lý: Áp dụng điều kiện pH trung tính (khoảng 7), liều lượng Fe-ZnO 0,5 g/L và K2S2O8 0,05 g/L với thời gian xử lý 120 phút để đạt hiệu suất xử lý kháng sinh Levo cao nhất. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn vận hành hệ thống xử lý nước thải.

  2. Phát triển hệ thống tái sử dụng vật liệu: Xây dựng quy trình thu hồi và tái sử dụng vật liệu Fe-ZnO sau mỗi chu kỳ xử lý, đảm bảo hiệu suất duy trì trên 85% trong ít nhất 5 lần sử dụng. Chủ thể thực hiện: các nhà máy xử lý nước thải và phòng thí nghiệm nghiên cứu.

  3. Mở rộng ứng dụng cho các loại kháng sinh khác: Nghiên cứu tiếp tục áp dụng vật liệu Fe-ZnO kết hợp K2S2O8 để xử lý các nhóm kháng sinh phổ biến khác trong nước thải dược phẩm. Thời gian nghiên cứu: 6-12 tháng.

  4. Thiết kế hệ thống xử lý quy mô pilot: Triển khai thí điểm hệ thống xử lý nước thải chứa kháng sinh sử dụng vật liệu Fe-ZnO và quang xúc tác UV-C tại các khu công nghiệp dược phẩm. Chủ thể thực hiện: các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp tổng hợp vật liệu nano Fe-ZnO, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến xử lý ô nhiễm nước bằng công nghệ quang xúc tác.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp dược phẩm: Tham khảo giải pháp xử lý nước thải chứa kháng sinh hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường, từ đó áp dụng vào quy trình sản xuất và xử lý nước thải.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải chứa chất ô nhiễm kháng sinh, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

  4. Nhà sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý nước: Tham khảo công nghệ tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano Fe-ZnO trong xử lý nước, phát triển sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Fe-ZnO được tổng hợp như thế nào?
    Vật liệu Fe-ZnO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa, pha tạp Fe với tỉ lệ mol 0,17 trên nền ZnO. Quá trình bao gồm siêu âm, khuấy trộn, điều chỉnh pH đến 12, ly tâm, rửa và nung ở 500°C để thu bột nano có kích thước tinh thể khoảng 20 nm.

  2. Hiệu quả xử lý kháng sinh Levo đạt được là bao nhiêu?
    Ở điều kiện tối ưu (pH 7, 0,5 g/L Fe-ZnO, 0,05 g/L K2S2O8, 120 phút), hiệu suất phân hủy Levo đạt 88,01%, cho thấy khả năng xử lý hiệu quả trong môi trường nước thải.

  3. Gốc oxy hóa nào đóng vai trò chính trong quá trình xử lý?
    Gốc oxy đơn (1O2) được xác định là gốc oxy hóa chủ đạo, bên cạnh đó gốc sulfate (SO4●-) cũng góp phần quan trọng trong quá trình phân hủy kháng sinh.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
    Vật liệu Fe-ZnO có thể tái sử dụng ít nhất 5 lần với hiệu suất xử lý vẫn duy trì trên 87%, chứng tỏ độ bền và tính ổn định cao.

  5. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý nước thải chứa kháng sinh bằng vật liệu nano Fe-ZnO kết hợp quang xúc tác và hoạt hóa persulfat, phù hợp cho các nhà máy dược phẩm và khu công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

  • Vật liệu nano Fe-ZnO pha tạp Fe được tổng hợp thành công với kích thước tinh thể khoảng 20 nm và pHpzc là 7,05.
  • Quá trình quang xúc tác kết hợp K2S2O8 hoạt hóa đạt hiệu suất phân hủy kháng sinh Levo tối đa 88,01% trong 120 phút xử lý.
  • Gốc oxy đơn (1O2) là gốc oxy hóa chủ đạo trong quá trình phân hủy, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng ít nhất 5 lần với hiệu suất duy trì trên 87%, đảm bảo tính kinh tế và bền vững.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ cho việc ứng dụng vật liệu nano Fe-ZnO trong xử lý nước thải chứa kháng sinh, hướng tới phát triển các giải pháp xử lý môi trường hiệu quả và thân thiện.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng với các loại kháng sinh khác và thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý nước thải được khuyến khích áp dụng kết quả này nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.