Tổng quan nghiên cứu

Tetracycline (TCH) là một loại kháng sinh phổ biến được sử dụng rộng rãi trong y tế và chăn nuôi, tuy nhiên, việc lạm dụng dẫn đến dư lượng lớn trong môi trường nước, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Theo báo cáo của ngành, nồng độ TCH trong nước thải có thể lên đến 450 – 900 µg/L, vượt xa giới hạn an toàn 10 µg/L do Liên minh Châu Âu quy định. Việc xử lý dư lượng kháng sinh trong nước thải hiện nay còn nhiều hạn chế, đặc biệt là đối với các phương pháp truyền thống. Do đó, nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp vật liệu composite gắn Fe trên nền carbon từ bã đậu nành và goethite bằng phương pháp thủy nhiệt, nhằm ứng dụng trong quá trình xúc tác Fenton dị thể để phân hủy TCH trong nước.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tối ưu hóa điều kiện tổng hợp vật liệu xúc tác, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa Fenton dị thể như pH, nồng độ H2O2, liều lượng chất xúc tác và nhiệt độ phản ứng, đồng thời đánh giá hiệu quả phân hủy TCH, động học và nhiệt động lực học của phản ứng, cũng như khả năng tái sử dụng vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh, với mẫu nước thải giả lập chứa TCH nồng độ 50 mg/L.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc phát triển vật liệu xúc tác thân thiện môi trường, tận dụng phế phẩm nông nghiệp là bã đậu nành, góp phần giảm chi phí và ô nhiễm chất thải rắn, đồng thời nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh khó phân hủy, hướng tới 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: (1) Quá trình xúc tác Fenton dị thể, trong đó Fe gắn trên nền carbon kích hoạt H2O2 tạo ra gốc hydroxyl (•OH) có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như TCH; (2) Lý thuyết về vật liệu carbon và composite, tập trung vào đặc tính vật lý – hóa học của than sinh học (biochar) từ bã đậu nành và goethite (α-FeOOH) làm chất xúc tác dị thể.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Xúc tác Fenton dị thể: quá trình oxy hóa sử dụng chất xúc tác rắn chứa sắt để phân hủy chất ô nhiễm trong nước.
  • Vật liệu nền carbon: vật liệu có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao, tạo điều kiện phân tán chất xúc tác và tăng hiệu quả phản ứng.
  • Động học phản ứng bậc hai: mô hình mô tả tốc độ phân hủy TCH phù hợp hơn so với mô hình bậc một trong điều kiện thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu composite tổng hợp từ bã đậu nành và goethite, cùng với mẫu nước thải giả lập chứa TCH. Vật liệu xúc tác được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ở 200°C trong 2 giờ, với các tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa than sinh học và goethite để khảo sát ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu.

Phân tích đặc tính vật liệu sử dụng các kỹ thuật:

  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt.
  • Phân tích diện tích bề mặt riêng (BET) để xác định khả năng hấp phụ.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.

Các thí nghiệm xúc tác Fenton dị thể được thực hiện với các biến số: pH (tối ưu ở 2), nồng độ H2O2 (60 mM), liều lượng chất xúc tác (0,5 g/L), nhiệt độ (30°C), và thời gian phản ứng (90 phút). Động học và nhiệt động lực học phản ứng được xác định qua các mô hình toán học phù hợp.

Khả năng tái sử dụng vật liệu được đánh giá qua 5 chu kỳ sử dụng liên tiếp, đo hiệu suất phân hủy TCH còn khoảng 75% sau chu kỳ cuối cùng. Các phân tích bổ sung như UV-Vis, TOC và GC-MS được dùng để xác định cơ chế phân hủy và các sản phẩm trung gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính vật liệu composite: Vật liệu BCG (biochar gắn goethite) có diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 150 m²/g, cấu trúc tinh thể ổn định với sự phân bố đồng đều của Fe trên nền carbon, hỗ trợ hiệu quả quá trình xúc tác.

  2. Hiệu quả phân hủy TCH: Dưới điều kiện tối ưu (pH 2, 60 mM H2O2, 0,5 g/L chất xúc tác), hiệu quả loại bỏ TCH đạt khoảng 90% sau 90 phút với nồng độ ban đầu 50 mg/L. So sánh với các vật liệu khác, BCG cho hiệu suất cao hơn khoảng 10-15%.

  3. Động học phản ứng: Mô hình động học bậc hai mô tả quá trình phân hủy TCH chính xác hơn mô hình bậc một, đặc biệt khi tăng nồng độ H2O2 và nhiệt độ, đồng thời giảm pH dung dịch ban đầu. Hằng số tốc độ phản ứng tăng khoảng 20% khi nhiệt độ tăng từ 25°C lên 35°C.

  4. Khả năng tái sử dụng: Sau 5 chu kỳ sử dụng, hiệu suất xúc tác vẫn duy trì khoảng 75%, cho thấy vật liệu có độ bền và ổn định cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của vật liệu BCG được giải thích bởi diện tích bề mặt lớn và khả năng phân tán tốt của goethite trên nền than sinh học, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tiếp xúc giữa H2O2 và TCH. Kết quả động học phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước, khẳng định vai trò quan trọng của pH và nồng độ H2O2 trong quá trình Fenton dị thể.

So sánh với các vật liệu xúc tác khác như Fe-GAC hay Fe3O4@CA, BCG thể hiện hiệu quả tương đương hoặc vượt trội, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo từ bã đậu nành, giảm chi phí và thân thiện môi trường. Các phân tích UV-Vis, TOC và GC-MS xác nhận gốc hydroxyl (•OH) là tác nhân chính phân hủy TCH, đồng thời đề xuất con đường phân hủy chi tiết, góp phần làm rõ cơ chế phản ứng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian, bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng dưới các điều kiện khác nhau, và biểu đồ hiệu suất tái sử dụng qua các chu kỳ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt ở 200°C trong 2 giờ với tỷ lệ phối trộn than sinh học và goethite phù hợp để đảm bảo diện tích bề mặt và khả năng phân tán Fe tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả xúc tác.

  2. Kiểm soát điều kiện phản ứng Fenton dị thể: Duy trì pH ở khoảng 2, nồng độ H2O2 60 mM và liều lượng chất xúc tác 0,5 g/L để đạt hiệu quả phân hủy TCH trên 90% trong 90 phút, giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu suất xử lý.

  3. Phát triển hệ thống tái sử dụng vật liệu xúc tác: Khuyến khích áp dụng vật liệu BCG trong các hệ thống xử lý nước thải y tế và công nghiệp, với khả năng tái sử dụng ít nhất 5 chu kỳ, giảm thiểu chi phí thay thế và ô nhiễm thứ cấp.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế: Thử nghiệm xử lý nước thải thực tế chứa TCH và các kháng sinh khác, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như ion cạnh tranh, chất hữu cơ hòa tan để hoàn thiện quy trình xử lý.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp về quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu composite BCG trong xử lý nước thải, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong ngành 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 cơ sở khoa học và phương pháp thực nghiệm chi tiết về vật liệu composite và quá trình xúc tác Fenton dị thể, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Chuyên gia xử lý nước thải công nghiệp và y tế: Tham khảo để áp dụng vật liệu xúc tác mới, tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải chứa kháng sinh, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu carbon và xúc tác: Hướng đến phát triển sản phẩm mới từ nguồn nguyên liệu tái tạo, thân thiện môi trường, mở rộng thị trường ứng dụng trong xử lý ô nhiễm.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: 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 và kiểm soát ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite BCG được tổng hợp như thế nào?
    Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, phối trộn than sinh học từ bã đậu nành với goethite ở 200°C trong 2 giờ, tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt lớn và khả năng phân tán Fe đồng đều.

  2. Tại sao chọn pH 2 cho quá trình xúc tác Fenton dị thể?
    pH 2 là điều kiện tối ưu giúp tăng hiệu quả tạo gốc hydroxyl (•OH) và hạn chế sự kết tủa ion sắt, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy TCH, phù hợp với nhiều nghiên cứu trước đây.

  3. Hiệu quả phân hủy TCH đạt được là bao nhiêu?
    Dưới điều kiện tối ưu, hiệu quả loại bỏ TCH đạt khoảng 90% sau 90 phút với nồng độ ban đầu 50 mg/L, thể hiện khả năng xử lý cao của vật liệu composite BCG.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Vật liệu BCG duy trì hiệu suất khoảng 75% sau 5 chu kỳ sử dụng liên tiếp, cho thấy độ bền và khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Cơ chế phân hủy TCH trong quá trình Fenton dị thể là gì?
    Gốc hydroxyl (•OH) được sinh ra từ phản ứng giữa H2O2 và Fe trên vật liệu composite là tác nhân chính phân hủy TCH. Các phân tích UV-Vis, TOC và GC-MS xác nhận sự hình thành các sản phẩm trung gian và con đường phân hủy chi tiết.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite gắn Fe trên nền carbon từ bã đậu nành và goethite bằng phương pháp thủy nhiệt, với diện tích bề mặt lớn và cấu trúc ổn định.
  • Quá trình xúc tác Fenton dị thể sử dụng vật liệu BCG đạt hiệu quả phân hủy TCH khoảng 90% trong 90 phút ở điều kiện pH 2, 60 mM H2O2 và 0,5 g/L chất xúc tác.
  • Mô hình động học bậc hai mô tả chính xác quá trình phân hủy, đồng thời vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt với hiệu suất duy trì 75% sau 5 chu kỳ.
  • Cơ chế phân hủy TCH chủ yếu do gốc hydroxyl (•OH) sinh ra trong phản ứng giữa H2O2 và vật liệu xúc tác, được xác nhận qua các phân tích UV-Vis, TOC và GC-MS.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác thân thiện môi trường, chi phí thấp, ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và ứng dụng thực tế để đánh giá hiệu quả và tính khả thi của vật liệu composite trong xử lý nước thải công nghiệp và y tế. Đề nghị các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành.

Hãy liên hệ để được tư vấn chi tiết về quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu xúc tác composite trong xử lý ô nhiễm nước thải kháng sinh.