Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp dược phẩm và sử dụng kháng sinh ngày càng phổ biến, dư lượng kháng sinh trong môi trường nước trở thành vấn đề cấp thiết cần giải quyết. Ampicillin, một loại kháng sinh beta-lactam được sử dụng rộng rãi trong y tế và thú y tại Việt Nam, đã được phát hiện tồn tại trong nước thải sinh hoạt và bệnh viện với nồng độ đáng kể. Theo ước tính, lượng kháng sinh tiêu thụ hàng năm lên tới khoảng 100.000 - 200.000 tấn, dẫn đến nguy cơ ô nhiễm nguồn nước và sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình phân hủy kháng sinh Ampicillin trong nước bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính làm chất xúc tác, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu tác động môi trường. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2018-2019, tập trung vào việc biến tính tro bay từ các nhà máy nhiệt điện và khảo sát các điều kiện tối ưu như pH, hàm lượng H2O2 và lượng xúc tác. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải chứa kháng sinh, 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

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: quá trình oxy hóa tăng cường (AOPs) và kỹ thuật Fenton dị thể. AOPs sử dụng các gốc hydroxyl (OH•) có hoạt tính oxy hóa mạnh để phân hủy các hợp chất hữu cơ bền trong nước thải. Kỹ thuật Fenton dị thể là sự phát triển của quá trình Fenton đồng thể, trong đó chất xúc tác sắt được cố định trên vật liệu rắn như tro bay biến tính, giúp khắc phục nhược điểm về pH làm việc hẹp và khó xử lý bùn thải. Các khái niệm chính bao gồm: gốc hydroxyl, tro bay (fly ash), biến tính tro bay, hiệu suất phân hủy Ampicillin, và các chỉ số đặc trưng vật liệu như diện tích bề mặt riêng BET, phân bố lỗ xốp, phổ hồng ngoại (IR), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), và nhiễu xạ tia X (XRD).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là tro bay thu thập từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại, được biến tính bằng muối sắt (III) sunfat qua quá trình ngâm tẩm, sấy và nung ở các nhiệt độ 400, 500 và 600°C. Các đặc trưng vật liệu được xác định bằng phổ IR, BET, SEM-EDX và XRD. Quá trình phân hủy Ampicillin được thực hiện trong dung dịch 25 mg/L, điều chỉnh pH và bổ sung H2O2, khuấy trong 120 phút. Hiệu suất phân hủy được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-VIS tại bước sóng 213 nm, xây dựng đường chuẩn với hệ số tương quan R² = 0.9991. Phần mềm Modde được sử dụng để tối ưu hóa các điều kiện pH, hàm lượng H2O2 và lượng xúc tác thông qua mô hình quy hoạch mặt mục tiêu. Cỡ mẫu thí nghiệm được thiết kế phù hợp để đảm bảo độ tin cậy kết quả, với các phép đo lặp lại và phân tích thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nhiệt độ biến tính tro bay ảnh hưởng đến thành phần và cấu trúc vật liệu: Hàm lượng Fe2O3 trong tro bay biến tính tăng từ 8,5% lên 30,8% khi nhiệt độ nung tăng từ 400°C đến 600°C. Diện tích bề mặt riêng tăng từ 1,00 m²/g (tro bay chưa biến tính) lên 3,55 m²/g ở mẫu biến tính 600°C, thể tích lỗ xốp tăng từ 0,002 cm³/g lên 0,035 cm³/g, và đường kính lỗ xốp trung bình tăng từ 8,1 nm lên 39,43 nm.

  2. Hiệu suất phân hủy Ampicillin tăng theo nhiệt độ biến tính: Mẫu tro bay biến tính ở 600°C đạt hiệu suất xử lý Ampicillin cao nhất, khoảng 90% sau 120 phút, vượt trội so với mẫu chưa biến tính và các mẫu biến tính ở nhiệt độ thấp hơn.

  3. Ảnh hưởng của pH, hàm lượng H2O2 và lượng xúc tác: Qua mô hình tối ưu hóa, pH tối ưu nằm trong khoảng 3-4, hàm lượng H2O2 và lượng xúc tác tro bay biến tính được điều chỉnh để đạt hiệu suất phân hủy Ampicillin trên 85%. Sự tương tác giữa các yếu tố này được thể hiện rõ qua đồ thị mặt mục tiêu và đường đồng mức.

  4. Động học phân hủy Ampicillin: Quá trình phân hủy tuân theo động học bậc nhất với hằng số tốc độ tăng theo nhiệt độ, cho thấy sự ổn định và hiệu quả của xúc tác tro bay biến tính trong kỹ thuật Fenton dị thể.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hàm lượng Fe2O3 và diện tích bề mặt riêng của tro bay biến tính khi tăng nhiệt độ nung làm tăng số lượng vị trí hoạt động xúc tác, từ đó nâng cao hiệu quả tạo gốc hydroxyl và phân hủy Ampicillin. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của oxit sắt trong xúc tác Fenton dị thể. Việc tối ưu pH trong khoảng 3-4 giúp cân bằng giữa sự hòa tan ion sắt và hạn chế kết tủa, đồng thời duy trì hoạt tính gốc hydroxyl cao. So với các phương pháp xử lý khác như hấp phụ hay màng lọc, kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính cho hiệu quả xử lý cao hơn và thân thiện môi trường hơn do khả năng tái sử dụng xúc tác và giảm bùn thải. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ EDX, đường đẳng nhiệt hấp phụ khí N2, đồ thị hiệu suất phân hủy theo nhiệt độ và các đồ thị mặt mục tiêu thể hiện sự tương tác các yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng nhiệt độ biến tính tro bay ở 600°C: Để tối ưu hiệu suất phân hủy Ampicillin, các nhà máy xử lý nước thải nên sử dụng tro bay biến tính ở nhiệt độ này nhằm tăng hàm lượng Fe2O3 và diện tích bề mặt xúc tác.

  2. Kiểm soát pH trong khoảng 3-4: Đảm bảo môi trường phản ứng duy trì pH tối ưu để tăng hiệu quả tạo gốc hydroxyl và giảm kết tủa ion sắt, giúp quá trình Fenton dị thể hoạt động ổn định.

  3. Điều chỉnh hàm lượng H2O2 và lượng xúc tác phù hợp: Sử dụng phần mềm mô hình hóa để xác định chính xác liều lượng H2O2 và tro bay biến tính, nhằm đạt hiệu suất xử lý trên 85% trong thời gian 120 phút.

  4. Tái sử dụng và thu hồi xúc tác: Phát triển quy trình thu hồi tro bay biến tính sau xử lý để tái sử dụng, giảm chi phí và tác động môi trường, đồng thời nghiên cứu khả năng tái sinh xúc tác sau nhiều chu kỳ.

  5. Mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng kỹ thuật Fenton dị thể với tro bay biến tính cho các loại kháng sinh và chất ô nhiễm hữu cơ khác trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học và Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật Fenton dị thể và ứng dụng tro bay biến tính, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về tối ưu hóa điều kiện xử lý Ampicillin giúp cải tiến công nghệ xử lý nước thải bệnh viện và công nghiệp dược phẩm, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu khoa học về tác động của kháng sinh trong môi trường và giải pháp xử lý hiệu quả, hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý chất thải và bảo vệ nguồn nước.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và công nghệ xử lý nước: Thông tin về biến tính tro bay và ứng dụng trong kỹ thuật Fenton dị thể mở ra cơ hội phát triển sản phẩm xúc tác mới, thân thiện môi trường và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kỹ thuật Fenton dị thể khác gì so với Fenton đồng thể?
    Fenton dị thể sử dụng chất xúc tác rắn cố định như tro bay biến tính, cho phép làm việc ở dải pH rộng hơn, dễ thu hồi xúc tác và giảm bùn thải so với Fenton đồng thể sử dụng ion sắt hòa tan.

  2. Tại sao chọn tro bay làm chất xúc tác?
    Tro bay chứa hàm lượng oxit sắt cao, có diện tích bề mặt lớn và giá thành thấp, đồng thời là chất thải công nghiệp cần được tái chế, nên rất phù hợp làm chất xúc tác Fenton dị thể thân thiện môi trường.

  3. Hiệu suất phân hủy Ampicillin đạt được là bao nhiêu?
    Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất phân hủy Ampicillin đạt khoảng 90% sau 120 phút xử lý bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính nung ở 600°C.

  4. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả xử lý?
    pH dung dịch, hàm lượng hydro peroxit (H2O2) và lượng xúc tác tro bay biến tính là các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy Ampicillin, cần được tối ưu hóa đồng thời.

  5. Có thể áp dụng kỹ thuật này cho các loại kháng sinh khác không?
    Kỹ thuật Fenton dị thể có tiềm năng xử lý nhiều loại kháng sinh và hợp chất hữu cơ bền khác, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để điều chỉnh điều kiện phù hợp cho từng loại chất ô nhiễm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định nhiệt độ biến tính tro bay tối ưu là 600°C, làm tăng hàm lượng Fe2O3 và diện tích bề mặt xúc tác, nâng cao hiệu quả phân hủy Ampicillin.
  • Kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính cho hiệu suất xử lý Ampicillin đạt khoảng 90% trong 120 phút, vượt trội so với các phương pháp truyền thống.
  • Các yếu tố pH, hàm lượng H2O2 và lượng xúc tác được tối ưu hóa bằng phần mềm Modde, giúp thiết lập quy trình xử lý hiệu quả và ổn định.
  • Luận văn góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải chứa kháng sinh, đồng thời tận dụng nguồn tro bay công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tái sử dụng xúc tác, mở rộng ứng dụng cho các chất ô nhiễm khác và phát triển quy trình công nghiệp.

Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải kháng sinh, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.