Nghiên Cứu Khả Năng Xử Lý Thuốc Kháng Sinh Họ β-Lactam Trong Môi Trường Nước

• Tác giả: Phạm Thị Vân
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Thanh Vân
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Xử Lý Thuốc Kháng Sinh Họ β-Lactam Trong Nước Bằng Than Hoạt Tính
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Ô NHIỄM KHÁNG SINH VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
• 1.1. Sự phát sinh và ô nhiễm kháng sinh trong nước
• 1.2. Ảnh hưởng của thuốc kháng sinh đến các hệ sinh thái tự nhiên
• 1.3. Một số nghiên cứu về thuốc kháng sinh phát sinh trong môi trường
• 2. CHƯƠNG 2: THAN HOẠT TÍNH VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH TRONG XỬ LÝ THUỐC KHÁNG SINH
• 2.1. Than hoạt tính
• 2.2. Một số nghiên cứu về xử lý kháng sinh sử dụng vật liệu than hoạt tính
• 3. CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
• 3.1. Nội dung nghiên cứu
• 3.2. Hóa chất, dụng cụ
• 3.2.1. Hóa chất và vật liệu
• 3.2.2. Chuẩn bị hóa chất
• 3.3. Xây dựng đường chuẩn amoxicillin, cefotaxim natri và ảnh hưởng của pH tới sự dịch chuyển bước sóng
• 3.3.1. Xây dựng đường chuẩn amoxicillin
• 3.3.2. Xây dựng đường chuẩn Cefotaxim natri
• 3.3.3. Xây dựng đường chuẩn COD
• 3.4. Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ
• 3.4.1. Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ cực đại
• 3.4.2. Xác định giá trị pH trung hòa điện của vật liệu
• 3.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.4.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Khảo sát khả năng hấp phụ amoxicillin của các vật liệu
• 4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ amoxicillin của các vật liệu than biến tính
• 4.1.2. Nghiên cứu thời gian cân bằng hấp phụ amoxicillin của các vật liệu than biến tính
• 4.1.3. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu than biến tính
• 4.1.3.1. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu AC
• 4.1.3.2. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại AMX của vật liệu AC-S
• 4.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cefotaxim natri của các vật liệu
• 4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ Cefotaxim natri của các vật liệu
• 4.2.2. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ CFN của các vật liệu
• 4.2.3. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực CFN của các vật liệu than biến tính
• 4.2.3.1. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực CFN của vật liệu AC
• 4.2.3.2. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-Br
• 4.2.3.3. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-S
• 4.2.3.4. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-HNO3
• 4.2.3.5. Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-H2O2
• 4.2.4. Nghiên cứu khả năng giải hấp cefotaxim natri của các vật liệu
• 4.2.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ đồng thời AMX và CFN của vật liệu AC-S
• 4.3. Xác định các đặc trưng của vật liệu
• 4.3.1. Xác định pHpzc của các vật liệu
• 4.3.2. Bề mặt riêng của vật liệu BET
• 4.3.3. Phổ IR và ảnh SEM của vật liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Xử Lý Thuốc Kháng Sinh β Lactam

Nghiên cứu xử lý thuốc kháng sinh là một lĩnh vực cấp thiết, đặc biệt là đối với các hợp chất như β-Lactam. Các loại thuốc này, mặc dù hiệu quả trong điều trị bệnh, lại gây ra những hệ lụy không nhỏ cho môi trường khi thải ra ngoài. Việc loại bỏ β-Lactam khỏi nguồn nước là vô cùng quan trọng để bảo vệ hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp xử lý khác nhau đang được nghiên cứu và áp dụng, trong đó có sử dụng than hoạt tính. Than hoạt tính nổi bật với khả năng hấp phụ cao, hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả và kinh tế. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng của than hoạt tính trong việc xử lý nước nhiễm kháng sinh, đặc biệt là nhóm β-Lactam, từ đó đề xuất các giải pháp ứng dụng thực tiễn.

1.1. Tầm quan trọng của việc xử lý ô nhiễm kháng sinh

Ô nhiễm kháng sinh trong nước là một vấn đề môi trường nghiêm trọng. Dư lượng thuốc kháng sinh từ hoạt động y tế, chăn nuôi và sản xuất dược phẩm thải ra môi trường có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Điều này đe dọa hiệu quả của các loại thuốc kháng sinh trong điều trị bệnh cho con người và động vật. Việc xử lý nước nhiễm kháng sinh giúp ngăn chặn sự lan rộng của vi khuẩn kháng thuốc và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Theo một nghiên cứu, việc phát thải kháng sinh vào môi trường có thể làm thay đổi cấu trúc và hoạt động của vi sinh vật môi trường.

1.2. Giới thiệu về thuốc kháng sinh họ β Lactam

Thuốc kháng sinh β-Lactam là một nhóm kháng sinh quan trọng, bao gồm penicillin, cephalosporin và carbapenem. Chúng có cấu trúc hóa học đặc trưng là vòng β-Lactam. β-Lactam được sử dụng rộng rãi trong điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn. Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi này cũng dẫn đến sự gia tăng ô nhiễm β-Lactam trong môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc loại bỏ β-Lactam khỏi nước bằng than hoạt tính.

II. Thách Thức Ô Nhiễm Kháng Sinh β Lactam Trong Nước

Ô nhiễm kháng sinh β-Lactam trong nguồn nước đặt ra nhiều thách thức lớn. Sự hiện diện của β-Lactam trong nước có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái, làm thay đổi cấu trúc và chức năng của cộng đồng vi sinh vật. Ngoài ra, việc tiếp xúc với nước nhiễm β-Lactam có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, gây khó khăn trong điều trị bệnh. Các phương pháp xử lý nước thải hiện tại thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn β-Lactam, đòi hỏi cần có những giải pháp tiên tiến và hiệu quả hơn. Nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp xử lý thuốc kháng sinh β-Lactam hiệu quả, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

2.1. Ảnh hưởng của β Lactam đến môi trường và sức khỏe

β-Lactam trong môi trường nước có thể gây ra những tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Chúng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của các loài thủy sinh và làm thay đổi cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật. Ngoài ra, việc tiếp xúc với nước nhiễm β-Lactam có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, gây khó khăn trong điều trị bệnh cho con người và động vật. Theo một nghiên cứu, dư lượng kháng sinh trong môi trường có thể gây ô nhiễm môi trường tự nhiên.

2.2. Các nguồn phát thải β Lactam vào môi trường nước

Nguồn phát thải β-Lactam vào môi trường nước rất đa dạng. Chúng bao gồm nước thải từ bệnh viện, nhà máy sản xuất dược phẩm, trang trại chăn nuôi và các hộ gia đình sử dụng thuốc kháng sinh. Nước thải từ các nguồn này thường chứa một lượng lớn β-Lactam, gây ô nhiễm nguồn nước. Việc kiểm soát và xử lý nước thải từ các nguồn này là rất quan trọng để giảm thiểu ô nhiễm β-Lactam.

III. Phương Pháp Hấp Phụ β Lactam Bằng Than Hoạt Tính

Hấp phụ bằng than hoạt tính là một phương pháp hiệu quả để xử lý thuốc kháng sinh β-Lactam trong nước. Than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ β-Lactam khỏi nước một cách hiệu quả. Quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại than hoạt tính, pH của nước, nhiệt độ và nồng độ β-Lactam. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình hấp phụ β-Lactam bằng than hoạt tính, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước nhiễm kháng sinh.

3.1. Cơ chế hấp phụ β Lactam trên than hoạt tính

Cơ chế hấp phụ β-Lactam trên than hoạt tính là một quá trình phức tạp, bao gồm tương tác vật lý và hóa học giữa β-Lactam và bề mặt than hoạt tính. Các yếu tố như diện tích bề mặt, kích thước lỗ xốp và tính chất hóa học của than hoạt tính đều ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ β-Lactam. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào tìm hiểu cơ chế hấp phụ β-Lactam trên than hoạt tính, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu quả hấp phụ.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ

Hiệu quả hấp phụ β-Lactam bằng than hoạt tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố. pH của nước ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của than hoạt tính và khả năng tương tác với β-Lactam. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ. Nồng độ β-Lactam trong nước cũng là một yếu tố quan trọng. Nghiên cứu này sẽ khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố này đến hiệu quả hấp phụ β-Lactam bằng than hoạt tính.

IV. Biến Tính Than Hoạt Tính Giải Pháp Tối Ưu Hấp Phụ

Biến tính than hoạt tính là một phương pháp cải thiện khả năng hấp phụ β-Lactam. Bằng cách biến đổi bề mặt than hoạt tính, có thể tăng cường tương tác giữa than hoạt tính và β-Lactam, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ. Các phương pháp biến tính khác nhau có thể được áp dụng, bao gồm xử lý bằng axit, bazơ, hoặc các chất oxy hóa. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các phương pháp biến tính khác nhau đối với khả năng hấp phụ β-Lactam của than hoạt tính.

4.1. Các phương pháp biến tính than hoạt tính phổ biến

Có nhiều phương pháp biến tính than hoạt tính khác nhau. Xử lý bằng axit (ví dụ: HNO3, H2SO4) có thể tạo ra các nhóm chức axit trên bề mặt than hoạt tính, tăng cường khả năng hấp phụ các chất có tính bazơ. Xử lý bằng bazơ (ví dụ: NaOH, KOH) có thể tạo ra các nhóm chức bazơ trên bề mặt than hoạt tính, tăng cường khả năng hấp phụ các chất có tính axit. Xử lý bằng các chất oxy hóa (ví dụ: H2O2, ozone) có thể oxy hóa bề mặt than hoạt tính, tạo ra các nhóm chức chứa oxy, tăng cường khả năng hấp phụ các chất hữu cơ.

4.2. So sánh hiệu quả của các loại than hoạt tính biến tính

Các loại than hoạt tính biến tính khác nhau có hiệu quả hấp phụ β-Lactam khác nhau. Than hoạt tính biến tính bằng axit có thể hiệu quả hơn trong việc hấp phụ một số loại β-Lactam, trong khi than hoạt tính biến tính bằng bazơ có thể hiệu quả hơn trong việc hấp phụ các loại β-Lactam khác. Nghiên cứu này sẽ so sánh hiệu quả của các loại than hoạt tính biến tính khác nhau đối với khả năng hấp phụ các loại β-Lactam khác nhau.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Xử Lý Thực Tế β Lactam

Nghiên cứu này đã tiến hành đánh giá hiệu quả xử lý thuốc kháng sinh β-Lactam bằng than hoạt tính trong điều kiện thực nghiệm. Kết quả cho thấy than hoạt tính có khả năng hấp phụ β-Lactam hiệu quả, đặc biệt là sau khi được biến tính. Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào loại than hoạt tính, pH của nước, nhiệt độ và nồng độ β-Lactam. Nghiên cứu này cung cấp những dữ liệu quan trọng về khả năng ứng dụng than hoạt tính trong xử lý nước nhiễm kháng sinh.

5.1. Đánh giá khả năng hấp phụ Amoxicillin của than hoạt tính

Amoxicillin (AMX) là một loại kháng sinh β-Lactam phổ biến. Nghiên cứu này đã đánh giá khả năng hấp phụ AMX của các loại than hoạt tính khác nhau. Kết quả cho thấy than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ AMX cao hơn so với than hoạt tính chưa biến tính. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ AMX cũng được nghiên cứu.

5.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cefotaxim Natri của vật liệu

Cefotaxim Natri (CFN) là một loại kháng sinh β-Lactam khác. Nghiên cứu này đã đánh giá khả năng hấp phụ CFN của các loại than hoạt tính khác nhau. Kết quả cho thấy than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ CFN cao hơn so với than hoạt tính chưa biến tính. Ảnh hưởng của pH và thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ CFN cũng được nghiên cứu.

VI. Ứng Dụng Tương Lai Than Hoạt Tính Xử Lý Nước

Ứng dụng than hoạt tính trong xử lý nước nhiễm kháng sinh có tiềm năng lớn. Than hoạt tính có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải tập trung hoặc các hệ thống xử lý nước tại chỗ. Việc tái sử dụng than hoạt tính sau khi hấp phụ cũng là một vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu. Trong tương lai, cần có những nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hấp phụ, tối ưu hóa quá trình hấp phụ và phát triển các loại than hoạt tính mới có khả năng hấp phụ cao hơn.

6.1. Ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải bệnh viện

Nước thải bệnh viện thường chứa một lượng lớn kháng sinh, bao gồm β-Lactam. Việc sử dụng than hoạt tính trong xử lý nước thải bệnh viện có thể giúp loại bỏ kháng sinh hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các hệ thống xử lý nước thải sử dụng than hoạt tính có thể được thiết kế để loại bỏ các chất ô nhiễm khác, như chất hữu cơ và kim loại nặng.

6.2. Nghiên cứu phát triển than hoạt tính từ phế thải nông nghiệp

Việc sản xuất than hoạt tính từ phế thải nông nghiệp (ví dụ: vỏ trấu, gáo dừa) là một giải pháp kinh tế và thân thiện với môi trường. Phế thải nông nghiệp là một nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền. Than hoạt tính được sản xuất từ phế thải nông nghiệp có thể được sử dụng trong xử lý nước nhiễm kháng sinh, giảm thiểu chi phí xử lý nước và bảo vệ môi trường.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm thuốc kháng sinh trong môi trường nước đang trở thành một vấn đề cấp thiết toàn cầu. Theo báo cáo của ngành, nồng độ thuốc kháng sinh trong nước thải từ các nhà máy xử lý dao động trong khoảng 0,21-33,1 µg/L tùy loại và nguồn thải. Ở Việt Nam, amoxicillin và cephalosporin là hai loại kháng sinh được sử dụng phổ biến nhất, chiếm lần lượt khoảng 49% và 27% trong tổng lượng kháng sinh dùng. Việc thải ra môi trường các dư lượng kháng sinh này không chỉ gây ô nhiễm mà còn thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái vi sinh vật tự nhiên.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ β-lactam (đặc biệt là amoxicillin và cefotaxim natri) trong môi trường nước bằng các vật liệu than hoạt tính biến tính. Nghiên cứu tập trung khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ, như pH, thời gian cân bằng, tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu than biến tính khác nhau. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2016.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp xử lý nước thải chứa thuốc kháng sinh, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự lan truyền gen kháng thuốc trong tự nhiên. Các chỉ số hiệu quả hấp phụ được đánh giá thông qua các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich, giúp xác định tải trọng hấp phụ tối ưu của từng loại vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ truyền thống để phân tích quá trình xử lý thuốc kháng sinh trong nước:

• Lý thuyết hấp phụ Langmuir: Giả định bề mặt vật liệu hấp phụ đồng nhất, mỗi vị trí hấp phụ chỉ chứa một phân tử, và quá trình hấp phụ là hóa học với tải trọng hấp phụ cực đại xác định. Phương trình Langmuir được sử dụng để tính toán dung lượng hấp phụ cực đại và hệ số hấp phụ.

• Lý thuyết hấp phụ Freundlich: Mô hình thực nghiệm mô tả sự hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất, với hằng số hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ chất hấp phụ. Phương trình Freundlich giúp đánh giá tính chất hấp phụ trong vùng nồng độ thấp và cao.

• Khái niệm pHpzc (Point of zero charge): Giá trị pH tại đó bề mặt vật liệu trung hòa về điện, ảnh hưởng đến tương tác tĩnh điện giữa vật liệu và phân tử thuốc kháng sinh.

• Các khái niệm chính: thuốc kháng sinh họ β-lactam (amoxicillin, cefotaxim natri), than hoạt tính biến tính (AC, AC-Br, AC-S, AC-HNO3, AC-H2O2), tải trọng hấp phụ, thời gian cân bằng hấp phụ, ảnh hưởng của pH.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm hấp phụ thuốc kháng sinh amoxicillin và cefotaxim natri trên các vật liệu than hoạt tính biến tính tại phòng thí nghiệm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi loại vật liệu than biến tính được thử nghiệm với 1 g vật liệu trong 50 ml dung dịch thuốc kháng sinh có nồng độ từ 1 đến 1000 mg/l tùy thí nghiệm. Các điều kiện pH được điều chỉnh từ 2 đến 10 để khảo sát ảnh hưởng.

• Phương pháp phân tích: Đo độ hấp thụ quang tại bước sóng cực đại của từng thuốc (228 nm cho amoxicillin, 234 nm cho cefotaxim natri) để xác định nồng độ còn lại sau hấp phụ. Tính toán tải trọng hấp phụ Q (mg/g) dựa trên sự chênh lệch nồng độ ban đầu và cuối cùng. Áp dụng mô hình Langmuir và Freundlich để phân tích dữ liệu hấp phụ.

• Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm được tiến hành trong năm 2016, với các bước chuẩn bị hóa chất, xây dựng đường chuẩn, khảo sát ảnh hưởng pH, thời gian cân bằng và tải trọng hấp phụ cực đại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ amoxicillin: Các vật liệu than biến tính hấp phụ amoxicillin tốt nhất ở pH từ 2 đến 6, với tải trọng hấp phụ đạt khoảng 4,5 mg/g cho vật liệu AC và AC-S. Khi pH tăng lên 10, tải trọng hấp phụ giảm xuống còn khoảng 2-3 mg/g, do sự cạnh tranh của ion OH- và sự tích điện âm của bề mặt vật liệu.

2. Thời gian cân bằng hấp phụ amoxicillin: Vật liệu AC và AC-S đạt cân bằng hấp phụ sau khoảng 90-120 phút, với tải trọng hấp phụ cực đại lần lượt là 45,5 mg/g và 41,5 mg/g theo mô hình Langmuir. Các vật liệu biến tính khác có thời gian cân bằng dài hơn và hiệu suất hấp phụ thấp hơn.

3. Khả năng hấp phụ cefotaxim natri và ảnh hưởng pH: Tương tự amoxicillin, các vật liệu than biến tính hấp phụ cefotaxim natri hiệu quả nhất ở pH 2-6, với tải trọng hấp phụ khoảng 2,4 mg/g cho vật liệu AC và AC-S. Ở pH cao hơn, hiệu quả hấp phụ giảm do sự tích điện âm của bề mặt và phân tử thuốc.

4. Thời gian cân bằng hấp phụ cefotaxim natri: Vật liệu AC, AC-Br và AC-S đạt cân bằng hấp phụ sau 90-150 phút, trong khi AC-HNO3 và AC-H2O2 cần đến 180 phút. Tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu AC với cefotaxim natri đạt khoảng 14,2 mg/g theo mô hình Langmuir.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy pH là yếu tố quyết định quan trọng trong quá trình hấp phụ thuốc kháng sinh họ β-lactam trên các vật liệu than biến tính. Ở pH thấp, bề mặt vật liệu tích điện dương và các nhóm chức trên phân tử thuốc phân ly tạo thành anion (-COO-), tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác tĩnh điện hấp phụ. Khi pH tăng, sự tích điện âm của bề mặt và sự cạnh tranh của ion OH- làm giảm hiệu quả hấp phụ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu AC và AC-S trong nghiên cứu này tương đương hoặc cao hơn so với các vật liệu than hoạt tính nano hoặc biến tính khác được báo cáo, chứng tỏ hiệu quả xử lý thuốc kháng sinh bằng than hoạt tính biến tính lưu huỳnh và chưa biến tính là rất khả quan.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường chuẩn hấp thụ, đồ thị ảnh hưởng pH và thời gian cân bằng, cũng như bảng tổng hợp tải trọng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir và Freundlich để minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu suất giữa các vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng than hoạt tính biến tính lưu huỳnh (AC-S) trong xử lý nước thải chứa thuốc kháng sinh: Với tải trọng hấp phụ cao và thời gian cân bằng ngắn, AC-S là vật liệu ưu tiên để xử lý amoxicillin và cefotaxim natri trong nước thải. Thời gian thực hiện xử lý đề xuất là 90-120 phút.

2. Kiểm soát pH trong quá trình xử lý: Để tối ưu hiệu quả hấp phụ, cần duy trì pH của nước thải trong khoảng 2-6. Các nhà máy xử lý nước thải nên trang bị hệ thống điều chỉnh pH phù hợp.

3. Nghiên cứu tái sinh vật liệu than hoạt tính: Khuyến nghị thực hiện các nghiên cứu tiếp theo về khả năng tái sinh và tái sử dụng vật liệu AC-S và AC nhằm giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế: Thử nghiệm xử lý nước thải thực tế tại các khu vực có nồng độ thuốc kháng sinh cao như bệnh viện, trang trại chăn nuôi để đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng quy mô lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm chi tiết về xử lý thuốc kháng sinh bằng than hoạt tính biến tính, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển công nghệ mới.

2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả hấp phụ, điều kiện tối ưu và các loại vật liệu than biến tính giúp lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp cho các nhà máy xử lý nước thải.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp bằng chứng khoa học về tác động của thuốc kháng sinh trong môi trường và các phương pháp xử lý hiệu quả, hỗ trợ xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ: Thông tin về các phương pháp biến tính than hoạt tính và hiệu quả hấp phụ giúp phát triển sản phẩm than hoạt tính chuyên dụng cho xử lý dược phẩm trong nước thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao pH ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ thuốc kháng sinh?
   pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion hóa của thuốc kháng sinh. Ở pH thấp, bề mặt vật liệu tích điện dương và thuốc phân ly thành dạng anion, tạo lực hút tĩnh điện mạnh, tăng hấp phụ. Ở pH cao, bề mặt tích điện âm và thuốc ít phân ly, làm giảm hấp phụ.

2. Vật liệu than hoạt tính biến tính nào có hiệu quả hấp phụ cao nhất?
   Than hoạt tính biến tính lưu huỳnh (AC-S) cho hiệu quả hấp phụ cao nhất với tải trọng hấp phụ cực đại amoxicillin đạt khoảng 41,5 mg/g và cefotaxim natri khoảng 2,48 mg/g, đồng thời thời gian cân bằng ngắn.

3. Thời gian cân bằng hấp phụ là gì và tại sao quan trọng?
   Thời gian cân bằng là khoảng thời gian cần thiết để quá trình hấp phụ đạt trạng thái ổn định, không còn thay đổi đáng kể về nồng độ chất hấp phụ trong dung dịch. Thời gian này giúp xác định hiệu quả và thiết kế quy trình xử lý phù hợp.

4. Mô hình Langmuir và Freundlich khác nhau như thế nào?
   Mô hình Langmuir giả định bề mặt hấp phụ đồng nhất và hấp phụ hóa học với tải trọng cực đại, trong khi Freundlich là mô hình thực nghiệm cho bề mặt không đồng nhất và hấp phụ vật lý, không giới hạn tải trọng cực đại. Trong nghiên cứu này, Langmuir phù hợp hơn với dữ liệu.

5. Có thể tái sử dụng vật liệu than hoạt tính biến tính không?
   Theo các nghiên cứu tương tự, vật liệu than hoạt tính biến tính có thể tái sinh bằng các phương pháp như ozon hóa hoặc rửa bằng dung dịch kiềm, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong xử lý nước thải.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định pH tối ưu (2-6) và thời gian cân bằng (90-120 phút) cho quá trình hấp phụ amoxicillin và cefotaxim natri trên các vật liệu than hoạt tính biến tính.
• Vật liệu than hoạt tính biến tính lưu huỳnh (AC-S) và than hoạt tính chưa biến tính (AC) có tải trọng hấp phụ cực đại cao nhất, lần lượt đạt 41,5 mg/g và 45,5 mg/g cho amoxicillin.
• Mô hình Langmuir phù hợp để mô tả quá trình hấp phụ thuốc kháng sinh trên các vật liệu này, cho thấy hấp phụ chủ yếu là hóa học.
• Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển giải pháp xử lý nước thải chứa thuốc kháng sinh hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nguy cơ kháng thuốc.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tái sinh vật liệu và ứng dụng thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải trong vòng 1-2 năm tới để hoàn thiện công nghệ.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và đơn vị xử lý nước thải nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot sử dụng than hoạt tính biến tính lưu huỳnh để đánh giá hiệu quả thực tế và tối ưu hóa quy trình xử lý.