Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các chất dược phẩm là một vấn đề môi trường toàn cầu ngày càng nghiêm trọng, đặc biệt trong bối cảnh bùng nổ dân số và phát triển công nghiệp nhanh chóng. Theo ước tính, hơn 100 loại thuốc khác nhau đã được phát hiện trong môi trường nước với nồng độ từ ng/L đến µg/L, trong đó paracetamol (PAR) và diclofenac (DIC) là hai dược phẩm phổ biến và có nguy cơ cao gây ô nhiễm. Tại Việt Nam, đặc biệt trong giai đoạn dịch COVID-19, việc sử dụng các thuốc kháng viêm, hạ sốt như PAR và DIC tăng mạnh, dẫn đến sự hiện diện đáng kể của chúng trong nước thải sinh hoạt và y tế. Hiệu quả xử lý các dược phẩm này bằng phương pháp sinh học truyền thống chỉ đạt khoảng 25-50%, chưa đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu TiO2 mao quản trung bình (MQTB) trong xử lý nước thải chứa PAR và DIC. Vật liệu TiO2 MQTB có diện tích bề mặt riêng lớn (khoảng 180-185 m²/g), cấu trúc mao quản đồng đều kích thước 2,5-5 nm, giúp tăng hiệu quả hấp phụ và xúc tác quang hóa. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trong phạm vi xử lý nước thải sinh hoạt sau hệ màng sinh học MBR tại Hà Nội, năm 2023-2024. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải dược phẩm, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quang xúc tác TiO2: TiO2 là chất bán dẫn với khe năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV (dạng anatas), khi chiếu xạ tia UV (<388 nm) tạo ra electron và lỗ trống, sinh ra các gốc hydroxyl (*OH) có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững trong nước thải.
  • Vật liệu mao quản trung bình (MQTB): Vật liệu có hệ mao quản kích thước 2,5-5 nm, cấu trúc tổ ong lục giác, diện tích bề mặt lớn, giúp tăng khả năng hấp phụ và khuếch tán các phân tử dược phẩm đến vị trí xúc tác.
  • Phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs): Sử dụng các gốc tự do hydroxyl để phân hủy triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong đó TiO2 MQTB đóng vai trò xúc tác quang hiệu quả.
  • Khái niệm hấp phụ và phân hủy quang hóa: Hấp phụ là quá trình tích tụ các phân tử trên bề mặt vật liệu, tạo điều kiện cho phản ứng quang xúc tác phân hủy các dược phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Môi trường, sử dụng nước thải sinh hoạt sau xử lý bằng màng sinh học MBR lấy từ sông Tô Lịch, Hà Nội.
  • Tổng hợp vật liệu: TiO2 MQTB được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel kết hợp khuôn mẫu mềm, sử dụng triblock copolymer P123 làm chất tạo cấu trúc, titanium (IV) iso-propoxit làm tiền chất titan, với các bước khuấy, kết tinh, sấy và nung ở 500°C.
  • Đặc trưng vật liệu: Phân tích diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản bằng phương pháp BET; cấu trúc tinh thể bằng XRD; nhóm chức và liên kết bằng FTIR; hình thái và kích thước hạt bằng SEM và TEM.
  • Thí nghiệm xử lý dược phẩm: Đánh giá hiệu quả phân hủy PAR và DIC trong dung dịch deion và nước thải sinh hoạt bằng TiO2 MQTB dưới chiếu xạ UV (365 nm), khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: thời gian xúc tác, cường độ đèn, hàm lượng xúc tác, nhiệt độ và nồng độ chất phản ứng.
  • Phân tích số liệu: Xác định nồng độ dược phẩm còn lại bằng UV-Vis và HPLC; tính hiệu suất xử lý theo công thức phần trăm loại bỏ; xác định hằng số tốc độ phản ứng k theo mô hình động học bậc một.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính vật liệu TiO2 MQTB: Mẫu M24 tổng hợp trong 24 giờ có diện tích bề mặt riêng lớn nhất đạt 181 m²/g, cao hơn gấp 4-5 lần so với TiO2 nano thông thường, với kích thước mao quản trung bình khoảng 10,87 nm, phù hợp cho quá trình quang xúc tác và hấp phụ dược phẩm.

  2. Hiệu suất xử lý paracetamol và diclofenac: Mẫu M24 đạt hiệu quả phân hủy cao nhất, với 94% đối với PAR và 86% đối với DIC sau 90 phút chiếu xạ UV. So với mẫu M12 (104 m²/g) và M2 (39 m²/g), hiệu suất xử lý của M24 cao hơn lần lượt 14% và 20% đối với PAR.

  3. Ảnh hưởng của các yếu tố vận hành:

    • Tăng thời gian xúc tác từ 30 đến 90 phút làm tăng hiệu suất phân hủy PAR và DIC lên khoảng 30-40%.
    • Cường độ đèn UV tăng từ 2 bóng (16W) lên 4 bóng (32W) nâng hiệu quả xử lý lên 20%.
    • Hàm lượng TiO2 MQTB tăng từ 0,25 g/L đến 0,5 g/L cải thiện hiệu suất xử lý khoảng 15%, tuy nhiên tăng thêm lên 1 g/L không mang lại hiệu quả đáng kể do hiện tượng che khuất ánh sáng.
    • Nhiệt độ phản ứng tăng từ 25°C lên 50°C làm tăng tốc độ phân hủy, nhưng ở 75°C hiệu suất không tăng thêm đáng kể do sự mất ổn định của vật liệu.

  4. Xử lý nước thải thực tế: Khi áp dụng TiO2 MQTB M24 xử lý nước thải sinh hoạt sau hệ MBR có bổ sung PAR và DIC (~5 mg/L), hiệu suất loại bỏ đạt trên 85% cho cả hai dược phẩm, chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

Thảo luận kết quả

Diện tích bề mặt lớn và cấu trúc mao quản đồng đều của TiO2 MQTB mẫu M24 tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ và khuếch tán các phân tử PAR và DIC đến bề mặt xúc tác, từ đó tăng hiệu quả quang xúc tác. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu TiO2 MQTB có diện tích bề mặt từ 180-200 m²/g và hiệu suất xử lý dược phẩm cao. Sự khác biệt hiệu suất giữa các mẫu M2, M12 và M24 phản ánh ảnh hưởng rõ rệt của thời gian tổng hợp đến cấu trúc vật liệu.

Các yếu tố vận hành như cường độ chiếu sáng, hàm lượng xúc tác và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng quang xúc tác, tương tự các nghiên cứu trước đây. Việc tăng cường độ đèn UV và hàm lượng xúc tác giúp tạo nhiều gốc hydroxyl hơn, tăng khả năng phân hủy. Tuy nhiên, quá nhiều xúc tác gây che khuất ánh sáng, làm giảm hiệu quả. Nhiệt độ cao giúp tăng động học phản ứng nhưng có giới hạn do vật liệu có thể bị biến đổi cấu trúc.

Kết quả xử lý nước thải thực tế cho thấy TiO2 MQTB có thể ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải sinh hoạt chứa dược phẩm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý theo thời gian và bảng so sánh các điều kiện vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng TiO2 MQTB trong xử lý nước thải dược phẩm: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt và y tế tích hợp công nghệ quang xúc tác sử dụng TiO2 MQTB để nâng cao hiệu quả loại bỏ paracetamol và diclofenac, hướng tới mục tiêu giảm nồng độ dược phẩm dưới ngưỡng an toàn trong vòng 1-2 năm.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành: Đề xuất duy trì hàm lượng xúc tác khoảng 0,5 g/L và cường độ chiếu sáng UV tương đương 250 W/m² để đạt hiệu quả xử lý tối ưu, đồng thời kiểm soát nhiệt độ phản ứng trong khoảng 25-50°C nhằm đảm bảo ổn định vật liệu và hiệu suất.

  3. Nghiên cứu mở rộng và phát triển vật liệu: Khuyến khích nghiên cứu bổ sung các pha tạp hoặc biến tính TiO2 MQTB để mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu quả xử lý trong điều kiện ánh sáng tự nhiên trong 3-5 năm tới.

  4. Xây dựng quy chuẩn và giám sát ô nhiễm dược phẩm: Đề xuất cơ quan quản lý môi trường xây dựng tiêu chuẩn giới hạn nồng độ dược phẩm trong nước thải và nước mặt, đồng thời triển khai hệ thống giám sát thường xuyên để đánh giá hiệu quả xử lý và bảo vệ nguồn nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Môi trường: Nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác, xử lý ô nhiễm nước thải dược phẩm, phát triển công nghệ xử lý tiên tiến.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy chuẩn về kiểm soát ô nhiễm dược phẩm trong nước thải và nước mặt.

  3. Doanh nghiệp xử lý nước thải và công nghệ môi trường: Áp dụng công nghệ TiO2 MQTB trong thiết kế, vận hành hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và y tế.

  4. Các tổ chức bảo vệ môi trường và cộng đồng dân cư: Nâng cao nhận thức về ô nhiễm dược phẩm, thúc đẩy các biện pháp giảm thiểu và xử lý ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu TiO2 mao quản trung bình có ưu điểm gì so với TiO2 thông thường?
    TiO2 MQTB có diện tích bề mặt lớn hơn gấp 4-5 lần, cấu trúc mao quản đồng đều giúp tăng khả năng hấp phụ và hiệu quả quang xúc tác, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ như paracetamol và diclofenac.

  2. Phương pháp tổng hợp sol-gel kết hợp khuôn mẫu mềm có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước mao quản và cấu trúc vật liệu, tạo ra TiO2 MQTB có diện tích bề mặt lớn, độ tinh khiết cao và cấu trúc ổn định, phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý dược phẩm bằng TiO2 MQTB?
    Thời gian xúc tác, cường độ chiếu sáng UV, hàm lượng vật liệu xúc tác, nhiệt độ phản ứng và nồng độ dược phẩm đều ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy. Cần tối ưu các yếu tố này để đạt hiệu quả cao nhất.

  4. Hiệu quả xử lý nước thải thực tế bằng TiO2 MQTB ra sao?
    Nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ paracetamol và diclofenac trong nước thải sinh hoạt sau xử lý MBR đạt trên 85%, chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu này trong xử lý nước thải.

  5. Có thể ứng dụng công nghệ này trong quy mô lớn không?
    Công nghệ quang xúc tác sử dụng TiO2 MQTB có tiềm năng ứng dụng quy mô công nghiệp, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về chi phí, thiết kế hệ thống và điều kiện vận hành để đảm bảo hiệu quả và kinh tế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu TiO2 mao quản trung bình với diện tích bề mặt riêng đạt 181 m²/g và kích thước mao quản khoảng 10,87 nm, phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác.
  • Vật liệu TiO2 MQTB mẫu M24 thể hiện hiệu suất xử lý paracetamol và diclofenac cao nhất, đạt 94% và 86% trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  • Các yếu tố vận hành như thời gian xúc tác, cường độ chiếu sáng, hàm lượng xúc tác và nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xử lý.
  • Ứng dụng TiO2 MQTB trong xử lý nước thải sinh hoạt sau MBR cho hiệu quả loại bỏ dược phẩm trên 85%, mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý nước thải dược phẩm tại Việt Nam.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu và tối ưu quy trình để ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đồng thời xây dựng chính sách quản lý ô nhiễm dược phẩm trong nước thải.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc phát triển công nghệ xử lý nước thải dược phẩm bằng vật liệu TiO2 MQTB, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường nên phối hợp triển khai các bước tiếp theo nhằm ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu này.