NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG DẠNG Z ZnFe2O4/BiVO4/rGO KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ OZON NANOBUBBLES VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ KHÁNG SINH TRONG NƯỚC

• Tác giả: Vũ Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Đình Trinh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang dạng Z ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp với công nghệ ozon Nanobubbles và ứng dụng để xử lý kháng sinh trong nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Kháng sinh và sự ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước
• 1.2. Khái niệm kháng sinh
• 1.3. Nhóm kháng sinh Tetracyclin và kháng sinh Oxytetracyclin
• 1.4. Hiện trạng ô nhiễm kháng sinh
• 1.5. Các phương pháp xử lý kháng sinh trong môi trường nước
• 1.5.1. Phương pháp sinh học
• 1.5.2. Phương pháp vật lý
• 1.5.3. Phương pháp hóa học
• 1.5.3.1. Phương pháp oxy hóa sử dụng chất oxy hóa mạnh
• 1.5.3.2. Phương pháp oxy hóa tăng cường
• 1.6. Giới thiệu về công nghệ Nanobubbles và Ozon Nanobubbles
• 1.7. Giới thiệu vật liệu ZnFe2O4
• 1.8. Giới thiệu vật liệu BiVO4
• 1.9. Giới thiệu vật liệu rGO
• 1.10. Vật liệu ZnFe2O4/BiVO4/rGO
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất và phương pháp. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.3. Tổng hợp vật liệu
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu
• 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi
• 2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét
• 2.4.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X- EDX
• 2.4.5. Phương pháp phổ hấp thụ phản xạ khuyếch tán UV-VIS
• 2.4.6. Phương pháp phổ huỳnh quang PL
• 2.4.7. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 (BET)
• 2.5. Xác định nhu cầu oxy hóa học trong nước COD (Chemical Oxygen Demand)
• 2.6. Phương pháp sắc ký lỏng khối phổ LC-MS/MS
• 2.7. Chế tạo và đánh giá dung dịch ozon-Nanobubbles
• 2.8. Nghiên cứu, đánh giá khả năng xử lý chất kháng sinh bằng phương pháp quang xúc tác kết hợp với công nghệ Ozon Nanobubbles
• 2.9. So sánh hiệu quả xử lý kháng sinh của các hệ phản ứng khác nhau: các vật liệu đơn lẻ và hệ vật liệu tổ hợp ZnFe2O4/BiVO4/rGO
• 2.10. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác
• 2.11. Nghiên cứu động học của phản ứng phân hủy OTC
• 2.12. Nghiên cứu cơ chế của phản ứng phân hủy OTC
• 2.13. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 2.14. Nghiên cứu các chất trung gian trong quá trình phân hủy OTC
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả đặc tính của dung dịch ozon-NBs
• 3.2. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X
• 3.3. Kết quả ảnh hiển vi điện tử quét SEM và ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 3.4. Kết quả đo phổ tán xạ năng lượng tia X EDX
• 3.5. Kết quả đo quang phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR
• 3.6. Kết quả phổ hấp thụ - phản xạ khuếch tán UV-VIS
• 3.7. Kết quả phổ quang huỳnh quang PL
• 3.8. Kết quả đo diện tích bề mặt vật liệu và kích thước lỗ BET
• 3.9. Kết quả đo từ tính
• 3.10. Sự phân hủy quang học của kháng sinh OTC
• 3.11. Động học của quá trình xử lý Oxytetracyclin
• 3.12. Kết quả COD của quá trình phân hủy Oxytretracyclin
• 3.13. Kết quả xác định các chất trung gian trong quá trình phân hủy OTC
• 3.14. Kết quả bắt gốc. Cơ chế phân hủy OTC dựa trên vật liệu ZnFe2O4/BiVO4/rGO
• 3.15. Khả năng tái sinh vật liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Xúc Tác Quang Xử Lý Kháng Sinh Hiện Nay 55 ký tự

Kháng sinh, một phát minh quan trọng, đang đối mặt với thách thức lớn từ việc sử dụng không kiểm soát, dẫn đến ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước. Dư lượng kháng sinh thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật kháng thuốc, gây nguy hiểm cho sức khỏe. Việc loại bỏ kháng sinh khỏi nguồn nước trở nên cấp thiết. Tuy nhiên, kháng sinh lại có cấu trúc bền vững và khó phân hủy sinh học. Các phương pháp xử lý cơ bản như hấp phụ, siêu lọc hay thẩm thấu ngược chỉ chuyển đổi pha ô nhiễm, không loại bỏ hoàn toàn. Theo nghiên cứu, cần có các giải pháp hiệu quả hơn để giải quyết vấn đề này. Các phương pháp như sa lắng, lọc, công nghệ màng có chi phí vận hành cao và có thể gây ô nhiễm thứ cấp [38]. Do đó, cần có các phương pháp xử lý triệt để và hiệu quả hơn để bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

1.1. Khái niệm và phân loại các loại kháng sinh phổ biến

Kháng sinh, ban đầu được định nghĩa là chất do vi sinh vật tiết ra, kìm hãm vi sinh vật khác, nay bao gồm cả chất bán tổng hợp và tổng hợp. Trong đó, nhóm Tetracyclin (TC) có phổ kháng khuẩn rộng, bao gồm Oxytetracyclin (OTC). Tuy nhiên, việc sử dụng OTC bừa bãi gây ra các vấn đề nghiêm trọng, thúc đẩy vi sinh vật kháng kháng sinh, gây rối loạn hệ vi sinh đường ruột. Oxytetracyclin (OTC) với công thức phân tử C22H24N2O9 và phân tử khối 460.mol−1. OTC ít tan trong nước, tan trong axit hoặc bazo với nhiệt độ nóng chảy 182°C [16]. Cần kiểm soát việc sử dụng kháng sinh và tìm giải pháp xử lý hiệu quả.

1.2. Thực trạng ô nhiễm kháng sinh và tác động đến môi trường

Việc sử dụng kháng sinh rộng rãi, ước tính khoảng 10.000 tấn/năm trên toàn cầu [20], dẫn đến tình trạng ô nhiễm kháng sinh. Vi khuẩn kháng thuốc gây ra khoảng 25.000 ca tử vong mỗi năm chỉ riêng tại châu Âu [13]. OTC được sử dụng nhiều trong chăn nuôi và thủy sản, tồn dư trong nước thải và môi trường. Dư lượng kháng sinh này có thể gây ung thư, đột biến và rối loạn nội tiết [49]. Vì vậy, việc nghiên cứu để loại bỏ kháng sinh nói chung và OTC nói riêng trong môi trường nước là việc làm vô cùng cấp thiết.

II. Thách Thức Xử Lý Kháng Sinh Bằng Phương Pháp Truyền Thống 58 ký tự

Các phương pháp xử lý kháng sinh truyền thống đối mặt với nhiều hạn chế. Phương pháp sinh học, dù rẻ, nhưng tốc độ phản ứng chậm và có thể tạo ra sản phẩm trung gian độc hại. Phương pháp vật lý như hấp phụ, trao đổi ion và màng lọc dễ thực hiện, nhưng chi phí vận hành cao và chỉ chuyển pha ô nhiễm, không xử lý triệt để. Ví dụ, nghiên cứu của Lu và cộng sự cho thấy 18,3 mg Ciprofloxacin đã bị hấp phụ khi sử dụng 1 g vật liệu silica [24], nhưng cần tìm vật liệu tái sinh tốt hơn. Các phương pháp dùng màng lọc cũng còn hạn chế về hiệu quả và chi phí.

2.1. Hạn chế của phương pháp sinh học trong xử lý kháng sinh

Công nghệ xử lý sinh học sử dụng vi sinh vật để phân hủy chất ô nhiễm. Tuy nhiên, quá trình này chậm và có thể tạo ra sản phẩm trung gian độc hại. Kháng sinh có thể bị phân hủy dưới tác động của các enzym tương ứng do vi sinh vật tiết ra. Các sản phẩm của quá trình phân hủy này có thể được sử dụng như nguồn cacbon để cung cấp năng lượng. Mặc dù rẻ và đơn giản, phương pháp sinh học không đảm bảo phân hủy hoàn toàn và có thể gây ra vấn đề ô nhiễm khác.

2.2. Nhược điểm của các phương pháp vật lý trong xử lý ô nhiễm

Phương pháp vật lý bao gồm hấp phụ, trao đổi ion và màng lọc. Hấp phụ dựa trên hấp phụ vật lý và hóa học trên bề mặt vật liệu. Dù hiệu quả cao, chi phí vận hành lại rất cao. Đồng thời, phương pháp vật lý không thể xử lý triệt để mà chỉ có thể chuyển chất ô nhiễm từ pha này sang pha khác. Do đó, cần phải có công nghệ xử lý triệt để và hiệu quả hơn nhằm bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

III. Xúc Tác Quang ZnFe2O4 BiVO4 rGO Giải Pháp Tiềm Năng 59 ký tự

Quá trình oxi hóa tăng cường sử dụng xúc tác quang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Phương pháp này có khả năng xử lý nhiều loại chất hữu cơ khó phân hủy, oxi hóa triệt để thành CO2 và H2O [2], tiết kiệm thời gian và giải quyết triệt để chất hữu cơ. Các vật liệu xúc tác quang bán dẫn thế hệ mới có năng lượng vùng cấm hẹp có thể hoạt động ngay trong vùng ánh sáng khả kiến. Việc kết hợp ZnFe2O4 và BiVO4 giúp giảm tái tổ hợp điện tử và lỗ trống, tận dụng khả năng oxi hóa và khử. Thêm vào đó, vật liệu graphen oxit dạng khử (rGO) với cấu trúc hai chiều có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, tạo điều kiện cho quá trình truyền điện tích.

3.1. Ưu điểm của quá trình xúc tác quang trong xử lý kháng sinh

Quá trình oxy hóa tăng cường sử dụng xúc tác quang hóa có thể phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ thành các sản phẩm không độc hại. Phương pháp này có khả năng xử lý được nhiều loại chất hữu cơ khó phân hủy khác nhau, oxi hóa triệt để chất hữu cơ thành các chất không gây ô nhiễm như CO2 và H2O. Vì vậy, phương pháp này có khả năng ứng dụng thực tiễn cao do tiết kiệm thời gian cũng như giải quyết triệt để lượng chất hữu cơ.

3.2. Vai trò của ZnFe2O4 BiVO4 và rGO trong xúc tác quang

Vật liệu xúc tác quang bán dẫn như BiOBr, BiVO4, InVO4, V2O5 lại chỉ có thế năng ở vùng hóa trị là đủ dương để có thể oxi hóa nước thành gốc HO•, còn thế năng ở vùng dẫn không đủ âm để khử O2 thành O2•-. Do đó hệ quang xúc tác được kết hợp giữa ZnFe2O4 và BiVO4 vừa giúp giảm được sự tái tổ hợp giữa các điện tử và lỗ trống vừa giúp tận dụng được cả khả năng oxi hoá và khử tương ứng của lỗ trống và electron quang sinh. Nhờ đó, các hệ vật liệu này có hoạt tính quang ngay trong vùng ánh sáng khả kiến cao hơn so với các hợp phần riêng lẻ.

IV. Kết Hợp Ozon Nanobubbles Tăng Cường Xúc Tác Quang 57 ký tự

Công nghệ ozon nanobubbles mang đến nhiều lợi ích nhờ tính ổn định, diện tích bề mặt lớn và hiệu suất truyền khối cao. Khi bong bóng nano vỡ ra, tạo ra các gốc oxy phản ứng. Ozon là chất oxi hóa mạnh, dễ phân hủy thành oxi nguyên tử và gốc tự do. Kết hợp xúc tác quang với ozon hóa tạo cơ chế hiệp đồng, tăng hiệu suất và giảm thời gian phản ứng. Sự kết hợp này làm giàu oxy hòa tan, tạo ra nhiều gốc tự do HO• và O2•-, giúp khoáng hóa hoàn toàn chất ô nhiễm, tăng tốc độ phân hủy. Việc sử dụng hệ xúc tác ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp với ozon nanobubbles xử lý các chất hữu cơ bền độc hại mà không gây ô nhiễm thứ cấp, đồng thời ZnFe2O4 có từ tính nên dễ loại bỏ khỏi môi trường nước.

4.1. Lợi ích của công nghệ ozon nanobubbles trong xử lý nước

Công nghệ Nanobubbles đã thu hút nhiều sự chú ý do các tính chất đặc biệt như tính ổn định lâu dài, diện tích bề mặt riêng lớn, năng lượng bề mặt và hiệu suất truyền khối cao. Khi các bong bóng nano vỡ ra, giao diện khí - lỏng thay đổi tạo ra các gốc oxy phản ứng (oxy đơn, superoxide) và các gốc hydroxyl. Điều này giúp tăng cường quá trình oxy hóa và phân hủy chất ô nhiễm.

4.2. Cơ chế hiệp đồng giữa xúc tác quang và ozon nanobubbles

Khi xúc tác quang được kết hợp với quá trình ozon hóa, sự kết hợp này tạo ra cơ chế hiệp đồng bằng cách tăng hiệu suất và giảm thời gian phản ứng so với các quá trình riêng lẻ. Như vậy, việc kết hợp quá trình quang xúc tác với công nghệ ozon Nanobubbles không chỉ giúp làm giàu oxy hòa tan trong dung dịch (O2 khi kết hợp với các điện tử được sinh ra trong quá trình quang xúc tác sẽ tạo thành nhiều gốc tự do HO• và O2•-) mà còn giúp khoáng hóa hoàn toàn chất ô nhiễm đồng thời tăng tốc độ của phản ứng phân hủy chất hữu cơ.

V. Nghiên Cứu Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Quả Đạt Được 56 ký tự

Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp và ứng dụng vật liệu xúc tác quang ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp ozon nanobubbles để xử lý kháng sinh trong nước. Kết quả cho thấy sự kết hợp này mang lại hiệu quả cao trong việc phân hủy các chất hữu cơ độc hại. Vật liệu có tính từ tính nên dễ dàng loại bỏ khỏi môi trường sau khi xử lý. Bên cạnh đó, quá trình quang xúc tác kết hợp với công nghệ ozon nanobubbles giúp nâng cao hiệu suất và giảm thời gian phản ứng.

5.1. Tổng hợp vật liệu xúc tác quang ZnFe2O4 BiVO4 rGO

Quá trình tổng hợp vật liệu là bước quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của xúc tác. Cần tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để tạo ra vật liệu có cấu trúc và tính chất phù hợp cho quá trình xúc tác quang.

5.2. Đánh giá hiệu quả xử lý kháng sinh và khả năng tái sử dụng

Các thí nghiệm được tiến hành để đánh giá khả năng phân hủy kháng sinh của vật liệu xúc tác quang, cũng như khả năng tái sử dụng của vật liệu sau nhiều chu kỳ phản ứng. Việc đánh giá này giúp xác định tính khả thi và bền vững của công nghệ.

VI. Triển Vọng Và Hướng Nghiên Cứu Xúc Tác Quang Tương Lai 58 ký tự

Việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu xúc tác quang ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp ozon nanobubbles mở ra hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm môi trường. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa vật liệu, quy trình, tăng tính ứng dụng thực tiễn và mở rộng quy mô. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để kích hoạt quá trình xúc tác quang, giảm chi phí và tác động môi trường.

6.1. Tối ưu hóa vật liệu xúc tác và quy trình xử lý

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện cấu trúc và tính chất của vật liệu xúc tác, cũng như tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đạt hiệu quả xử lý cao nhất.

6.2. Mở rộng ứng dụng và nghiên cứu cơ chế phản ứng

Cần mở rộng ứng dụng của công nghệ xúc tác quang trong xử lý các loại ô nhiễm khác, cũng như nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng để có thể thiết kế và tối ưu hóa các vật liệu xúc tác hiệu quả hơn.

Tổng quan nghiên cứu

Kháng sinh là nhóm hợp chất quan trọng trong y tế và chăn nuôi, tuy nhiên việc sử dụng không kiểm soát đã dẫn đến ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước, đặc biệt là dư lượng Oxytetracycline (OTC). Ước tính toàn cầu mỗi năm sử dụng khoảng 10.000 tấn kháng sinh, trong đó OTC được dùng phổ biến do giá thành thấp và hiệu quả cao. Dư lượng kháng sinh trong nước thải thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật kháng thuốc, gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và động vật. OTC tồn tại trong môi trường với khả năng gây ung thư, đột biến và rối loạn nội tiết, làm tăng tính cấp thiết trong việc nghiên cứu các phương pháp xử lý hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu xúc tác quang dạng Z ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp công nghệ ozon Nanobubbles nhằm nâng cao hiệu quả xử lý kháng sinh OTC trong nước. Nghiên cứu tập trung vào đánh giá đặc tính vật liệu, hiệu suất phân hủy OTC, cơ chế phản ứng và khả năng tái sử dụng vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2023, sử dụng dung dịch OTC nồng độ 20 mg/L làm mẫu thử.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm kháng sinh thân thiện môi trường, tiết kiệm thời gian và chi phí vận hành. Việc kết hợp vật liệu xúc tác quang với công nghệ ozon Nanobubbles hứa hẹn tạo ra phương pháp xử lý hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp và tăng khả năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết quang xúc tác bán dẫn dạng Z, trong đó ZnFe2O4 và BiVO4 là hai vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm hẹp, kết hợp tạo thành hệ xúc tác quang hiệu quả. ZnFe2O4 có thế năng vùng dẫn âm hơn thế khử của cặp O2/O2•- (-0,33 V), giúp khử oxy thành gốc O2•-, nhưng thế năng vùng hóa trị không đủ để oxi hóa nước thành gốc HO•. Ngược lại, BiVO4 có thế năng vùng hóa trị (+2,87 V) lớn hơn thế oxy hóa của cặp H2O/HO• (2,80 V), có khả năng tạo gốc HO• nhưng vùng dẫn không đủ âm để khử oxy. Sự kết hợp này giúp tận dụng đồng thời khả năng oxi hóa và khử, giảm tái tổ hợp điện tử - lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

Vật liệu rGO (graphene oxide dạng khử) được sử dụng để tăng diện tích bề mặt, cải thiện dẫn điện và khả năng hấp phụ, giúp kéo dài thời gian tồn tại của các điện tử tự do, giảm tái tổ hợp. Công nghệ ozon Nanobubbles tận dụng đặc tính bong bóng nano ổn định, diện tích bề mặt lớn, tạo ra gốc oxy phản ứng mạnh khi vỡ, hỗ trợ quá trình oxi hóa tăng cường.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: quang xúc tác bán dẫn dạng Z, công nghệ ozon Nanobubbles, và quá trình oxy hóa tăng cường (AOPs). Quá trình quang xúc tác dựa trên sự kích thích ánh sáng khả kiến tạo ra điện tử và lỗ trống, tham gia phản ứng oxy hóa khử phân hủy chất ô nhiễm. Ozon Nanobubbles cung cấp gốc tự do hydroxyl và superoxide, tăng hiệu quả phân hủy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp vật liệu ZnFe2O4, BiVO4, rGO và composite ZnFe2O4/BiVO4/rGO tại phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu Tiên tiến Ứng dụng trong Phát triển xanh, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Cỡ mẫu vật liệu tổng hợp được kiểm soát chính xác, sử dụng phương pháp thủy nhiệt và khử hóa học.

Phân tích cấu trúc vật liệu bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể và pha; phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR) xác định nhóm chức; hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) khảo sát hình thái và kích thước hạt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố; phổ hấp thụ phản xạ khuếch tán UV-VIS đo năng lượng vùng cấm; phổ huỳnh quang (PL) đánh giá khả năng tái tổ hợp điện tử - lỗ trống; đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 (BET) đo diện tích bề mặt và kích thước mao quản.

Phương pháp xử lý kháng sinh OTC sử dụng hệ xúc tác quang ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp dung dịch ozon Nanobubbles. Thí nghiệm xử lý trong dung dịch OTC 20 mg/L, điều chỉnh pH, nồng độ xúc tác và OTC theo các điều kiện tối ưu. Động học phân hủy được mô hình hóa theo giả thuyết bậc 1. Các chất bắt gốc như axit ascorbic và tert-butanol được sử dụng để xác định vai trò của các gốc tự do trong cơ chế phân hủy.

Khả năng tái sử dụng vật liệu được đánh giá qua 4 chu kỳ xử lý liên tiếp, thu hồi vật liệu bằng nam châm nhờ tính từ của ZnFe2O4. Các sản phẩm trung gian phân hủy OTC được xác định bằng sắc ký lỏng khối phổ LC-MS/MS để làm rõ cơ chế phân hủy.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, bao gồm tổng hợp vật liệu, phân tích đặc tính, thí nghiệm xử lý và đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính dung dịch ozon Nanobubbles: Kích thước hạt chủ yếu là 0,42 nm chiếm khoảng 48% thể tích và 50% số hạt, nồng độ hạt nano tại 1,3 nm đạt 4,7×10^20 hạt/mL. Chỉ số oxy hóa khử (ORP) tăng từ 287 mV (nước cất) lên 471 mV và lượng oxy hòa tan (DO) tăng từ 6 mg/L lên 10 mg/L, chứng tỏ dung dịch ozon-NBs có khả năng oxi hóa mạnh, hỗ trợ quá trình quang xúc tác.

2. Cấu trúc vật liệu: XRD xác nhận thành công tổng hợp vật liệu ZnFe2O4, BiVO4 và composite ZnFe2O4/BiVO4/rGO với các đỉnh đặc trưng phù hợp với cấu trúc spinel ferrite và tinh thể BiVO4. SEM và TEM cho thấy vật liệu composite có cấu trúc hạt nano, các hạt BiVO4 và ZnFe2O4 bám trên tấm rGO, tạo điều kiện tối ưu cho truyền điện tử.

3. Hiệu suất phân hủy OTC: Hệ xúc tác ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp ozon Nanobubbles đạt hiệu suất phân hủy OTC lên đến khoảng 95% sau 100 phút, cao hơn đáng kể so với các vật liệu đơn lẻ (ZnFe2O4 khoảng 60%, BiVO4 khoảng 70%). Động học phân hủy tuân theo mô hình giả bậc 1 với hằng số tốc độ k đạt khoảng 0,035 min^-1, tăng 1,5 lần so với hệ không sử dụng ozon-NBs.

4. Ảnh hưởng các yếu tố: pH tối ưu cho quá trình phân hủy là khoảng 7, lượng xúc tác 0,5 g/L và nồng độ OTC 20 mg/L cho hiệu quả cao nhất. Các chất bắt gốc cho thấy gốc HO• đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy, kế đến là gốc O2•-.

5. Khả năng tái sử dụng: Vật liệu composite giữ được hơn 85% hiệu suất sau 4 chu kỳ sử dụng, dễ dàng thu hồi bằng nam châm nhờ tính từ của ZnFe2O4, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sinh cao.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của hệ xúc tác ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp ozon Nanobubbles được giải thích bởi sự giảm tái tổ hợp điện tử - lỗ trống nhờ cấu trúc dạng Z, tận dụng đồng thời thế năng vùng dẫn và hóa trị của hai vật liệu bán dẫn. Sự hiện diện của rGO tăng cường dẫn điện và hấp phụ OTC, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình quang xúc tác.

Dung dịch ozon Nanobubbles không chỉ cung cấp gốc tự do hydroxyl và superoxide mà còn làm tăng nồng độ oxy hòa tan, thúc đẩy quá trình oxi hóa. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng quang xúc tác hoặc ozon riêng lẻ, sự kết hợp này rút ngắn thời gian phản ứng và nâng cao hiệu suất phân hủy.

Kết quả COD giảm đáng kể sau xử lý chứng tỏ quá trình khoáng hóa OTC gần như hoàn toàn, giảm thiểu sản phẩm trung gian độc hại. Phân tích LC-MS/MS xác định các sản phẩm trung gian phân hủy phù hợp với cơ chế oxi hóa gốc tự do.

Biểu đồ hiệu suất phân hủy OTC theo thời gian và pH, cũng như bảng so sánh hiệu quả các vật liệu, sẽ minh họa rõ nét sự vượt trội của hệ composite kết hợp ozon Nanobubbles. Kết quả tái sử dụng cho thấy vật liệu có tính bền vững, phù hợp ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng công nghệ quang xúc tác dạng Z kết hợp ozon Nanobubbles trong xử lý nước thải chứa kháng sinh tại các nhà máy xử lý nước thải đô thị và công nghiệp, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm.

2. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác ZnFe2O4/BiVO4/rGO quy mô lớn với kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất cao, phục vụ sản xuất công nghiệp. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

3. Nâng cao nghiên cứu cơ chế phân hủy các loại kháng sinh khác ngoài OTC, mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ xúc tác, đồng thời đánh giá tác động môi trường và an toàn khi sử dụng vật liệu. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2-3 năm.

4. Xây dựng hệ thống thu hồi và tái sử dụng vật liệu xúc tác bằng từ trường nhằm giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ. Chủ thể thực hiện là các đơn vị vận hành xử lý nước thải và nhà nghiên cứu công nghệ môi trường.

5. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị xử lý nước thải, giúp phổ biến và ứng dụng rộng rãi công nghệ mới, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu xúc tác quang, công nghệ ozon Nanobubbles và phương pháp xử lý kháng sinh, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp và kỹ sư vận hành nhà máy xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng công nghệ xử lý kháng sinh hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm và chi phí vận hành, đồng thời nâng cao chất lượng nước thải đầu ra.

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

4. Nhà sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu composite và ứng dụng công nghệ ozon Nanobubbles để phát triển sản phẩm mới, nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu ZnFe2O4/BiVO4/rGO có ưu điểm gì so với vật liệu xúc tác đơn lẻ?
   Hệ composite tận dụng đồng thời thế năng vùng dẫn và hóa trị của ZnFe2O4 và BiVO4, giảm tái tổ hợp điện tử - lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác. rGO cải thiện dẫn điện và hấp phụ, giúp tăng khả năng phân hủy kháng sinh.

2. Công nghệ ozon Nanobubbles hoạt động như thế nào trong xử lý nước?
   Bong bóng nano ozon có diện tích bề mặt lớn, khi vỡ tạo ra gốc oxy phản ứng mạnh như HO• và O2•-, thúc đẩy quá trình oxi hóa chất ô nhiễm, đồng thời tăng nồng độ oxy hòa tan hỗ trợ quang xúc tác.

3. Hiệu quả xử lý kháng sinh OTC đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Hệ xúc tác ZnFe2O4/BiVO4/rGO kết hợp ozon Nanobubbles đạt hiệu suất phân hủy OTC khoảng 95% sau 100 phút, cao hơn nhiều so với các vật liệu đơn lẻ và phương pháp truyền thống.

4. Khả năng tái sử dụng vật liệu xúc tác như thế nào?
   Vật liệu giữ được hơn 85% hiệu suất sau 4 chu kỳ sử dụng, dễ dàng thu hồi bằng nam châm nhờ tính từ của ZnFe2O4, cho thấy tính bền vững và tiết kiệm chi phí vận hành.

5. Cơ chế phân hủy OTC trong quá trình quang xúc tác là gì?
   Quá trình phân hủy chủ yếu dựa vào gốc hydroxyl (HO•) và gốc superoxide (O2•-) sinh ra từ điện tử và lỗ trống quang sinh, oxi hóa triệt để OTC thành các sản phẩm trung gian rồi khoáng hóa thành CO2 và H2O.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang dạng Z ZnFe2O4/BiVO4/rGO với cấu trúc nano đồng nhất, kết hợp hiệu quả các thành phần vật liệu.
• Dung dịch ozon Nanobubbles tăng chỉ số ORP và DO, hỗ trợ tạo gốc tự do, nâng cao hiệu suất phân hủy kháng sinh OTC.
• Hệ xúc tác kết hợp ozon Nanobubbles đạt hiệu suất phân hủy OTC khoảng 95% trong 100 phút, vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.
• Vật liệu có khả năng tái sử dụng cao, dễ thu hồi nhờ tính từ, phù hợp ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải.
• Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ, mở rộng nghiên cứu và phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn trong thời gian tới.

Luận văn mở ra hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm kháng sinh bằng công nghệ quang xúc tác kết hợp ozon Nanobubbles, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tiễn, độc giả có thể liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.