Xử lý chất kháng viêm trong môi trường nước bằng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên được biến tính bề mặt

Luận văn xử lý chất kháng viêm diclophenac bằng đá ong biến tính - ĐH Sư phạm Thái Nguyên 2022

• Tác giả: Thân Mạnh Trường
• Người hướng dẫn: PGS. TS. Ngô Thị Mai Việt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Xử lý chất kháng viêm trong môi trường nước bằng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên được biến tính bề mặt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý chất kháng viêm trong môi trường nước

Ô nhiễm dược phẩm trong nguồn nước đang trở thành thách thức môi trường nghiêm trọng trên toàn cầu. Các hợp chất kháng viêm không steroid như diclofenac xuất hiện ngày càng nhiều tại các nguồn nước mặt và nước ngầm. Nguồn phát sinh chính đến từ nước thải y tế, chất thải sinh hoạt và quá trình sản xuất dược phẩm. Diclofenac có cấu trúc vòng thơm bền vững và khả năng tích lũy sinh học cao. Các nhà máy xử lý nước thải thông thường khó phân hủy hoàn toàn hoạt chất này. Sự tồn dư kéo dài gây đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu công nghệ xử lý chất kháng viêm trong môi trường nước vì vậy trở nên cấp thiết. Trong số các kỹ thuật hiện nay, phương pháp hấp phụ được đánh giá cao nhất nhờ tính đơn giản, chi phí thấp và hiệu suất vượt trội. Việc tìm kiếm các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, sẵn có tại địa phương đang thu hút sự quan tâm lớn từ giới khoa học. Hướng tiếp cận này vừa giải quyết bài toán ô nhiễm, vừa đáp ứng tiêu chí phát triển bền vững.

1.1. Thực trạng ô nhiễm chất kháng viêm diclofenac

Diclofenac là thuốc kháng viêm không steroid được sử dụng rất phổ biến trong điều trị y tế. Hàng năm, lượng lớn thuốc này được thải ra ngoài môi trường qua nước tiểu và phân người. Nồng độ diclofenac trong nước thải dao động từ vài microgam đến hàng miligam trên một lít. Dù ở hàm lượng vết, chất này vẫn gây độc tính mạn tính đối với các loài cá và sinh vật phù du. Nó làm suy giảm chức năng gan, thận và biến đổi cấu trúc tế bào của động vật dưới nước. Quá trình phân hủy tự nhiên của diclofenac diễn ra rất chậm dưới ánh sáng mặt trời. Điều này dẫn đến sự tích tụ lâu dài trong chuỗi thức ăn tự nhiên.

1.2. Vai trò của vật liệu tự nhiên trong hấp phụ

Vật liệu tự nhiên đóng vai trò trọng tâm trong các công nghệ xử lý nước hiện đại. Các loại khoáng vật như đá ong, bentonite, diatomite và vỏ thực vật có trữ lượng dồi dào trong tự nhiên. Giá thành khai thác và sơ chế các vật liệu này rất thấp. Bề mặt vật liệu khoáng tự nhiên chứa nhiều oxit sắt, nhôm và silic với cấu trúc xốp. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ chọn lọc các phân tử hữu cơ phức tạp của khoáng tự nhiên còn hạn chế. Do đó, việc cải biến cấu trúc bề mặt bằng các tác nhân hóa học là bước then chốt. Quá trình này giúp nâng cao dung lượng hấp phụ và tăng độ bền cơ học cho vật liệu.

II. Phân tích rào cản khi xử lý chất kháng viêm bằng đá ong

Đá ong tự nhiên là nguồn khoáng sản giàu oxit sắt và oxit nhôm phổ biến tại Việt Nam. Cấu trúc của đá ong có mạng lưới mao quản tự nhiên với diện tích bề mặt riêng nhất định. Khi ứng dụng đá ong nguyên bản để xử lý diclofenac, hiệu quả thu được chưa đạt mức tối ưu. Nguyên nhân cốt lõi nằm ở đặc tính điện tích bề mặt của vật liệu trong môi trường nước. Ở điều kiện pH trung tính của nước thải, bề mặt đá ong tự nhiên thường tích điện âm hoặc có mật độ điện tích dương quá thấp. Trong khi đó, diclofenac tồn tại chủ yếu ở dạng anion phân ly với hằng số pKa khoảng 4,15. Lực đẩy tĩnh điện giữa bề mặt đá ong và anion diclofenac cản trở mạnh mẽ quá trình hấp phụ. Bên cạnh đó, tính kỵ nước của phân tử dược phẩm cũng hạn chế sự bám dính vào bề mặt khoáng vô cơ ưa nước. Sự cản trở không gian và cạnh tranh ion từ các muối khoáng hòa tan trong nước thải cũng làm suy giảm dung lượng hấp phụ. Để giải quyết triệt để rào cản này, việc biến tính hóa học bề mặt đá ong trở thành yêu cầu bắt buộc.

2.1. Giới hạn bề mặt của vật liệu đá ong tự nhiên

Đá ong tự nhiên có thành phần khoáng vật chủ yếu gồm goethite, hematite và kaolinite. Diện tích bề mặt riêng đo theo chuẩn BET của đá ong thô thường dao động ở mức khiêm tốn. Các nhóm hydroxyl (-OH) phân bố trên bề mặt mang điện tích phụ thuộc chặt chẽ vào pH dung dịch. Khi pH lớn hơn điểm đẳng điện, bề mặt tích điện âm làm mất khả năng hút các hợp chất cùng dấu. Ngoài ra, độ xốp tự nhiên của đá ong dễ bị lấp đầy bởi các tạp chất vô cơ sẵn có. Dung lượng hấp phụ diclofenac của đá ong thô vì vậy chỉ đạt dưới 20%. Điều này khiến vật liệu chưa qua xử lý không đủ khả năng ứng dụng thực tế.

2.2. Tác động của cấu trúc phân tử diclofenac

Diclofenac là phân tử hữu cơ gồm hai vòng thơm liên kết với nhóm phenylacetic acid và hai nguyên tử clo. Cấu trúc này tạo ra cả tâm phân cực mang điện tích âm và vùng kỵ nước không phân cực. Trong môi trường nước có pH từ 5 đến 8, nhóm carboxylate (-COO-) bị ion hóa hoàn toàn. Điện tích âm bao phủ phân tử gây cản trở tiếp cận các tâm hấp phụ thông thường. Hơn nữa, hai nguyên tử clo làm tăng độ bền hóa học và tính cồng kềnh của phân tử. Sự cản trở không gian khiến phân tử khó khuếch tán vào các vi mao quản hẹp. Do đó, vật liệu hấp phụ cần có kích thước mao quản phù hợp và điện tích dương để tạo lực hút tĩnh điện bền vững.

III. Giải pháp biến tính bề mặt vật liệu xử lý chất kháng viêm

Phương pháp biến tính bề mặt đá ong bằng chất hoạt động bề mặt cation CTAB là giải pháp đột phá. CTAB có đầu ưa nước mang điện tích dương và đuôi hydrocacbon kỵ nước dài. Khi tiếp xúc với đá ong, các ion cetyltrimethylammonium gắn kết chặt chẽ lên bề mặt khoáng qua tương tác tĩnh điện và kỵ nước. Quá trình này tạo thành một lớp đơn hoặc lớp kép hữu cơ trên bề mặt đá ong. Sự xuất hiện của lớp biến tính làm thay đổi hoàn toàn điện tích và tính chất bề mặt của vật liệu. Thế zeta chuyển dịch sang giá trị dương trên dải pH rộng. Bề mặt mới vừa có khả năng hút tĩnh điện mạnh với anion diclofenac, vừa tạo tương tác kỵ nước với vòng thơm của dược phẩm. Phổ hồng ngoại FT-IR và phân tích TOC khẳng định sự gắn kết bền vững của CTAB trên khung khoáng. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý diclofenac tăng vọt từ dưới 20% lên trên 91%. Thời gian đạt trạng thái cân bằng hấp phụ diễn ra rất nhanh chỉ trong vòng 15 phút. Đây là ưu thế vượt trội giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống xử lý dòng chảy liên tục.

3.1. Biến tính đá ong bằng chất hoạt động bề mặt CTAB

Quy trình biến tính được thực hiện thông qua việc ngâm ủ đá ong nghiền mịn trong dung dịch CTAB ở nồng độ thích hợp. Các phân tử CTAB định hướng phần đầu amoni bậc bốn mang điện tích dương ra ngoài dung dịch. Cấu trúc micelle hình thành trên bề mặt giúp tạo nên các vị trí hấp phụ ái lực cao. Kết quả phân tích diện tích bề mặt riêng BET chứng minh lớp CTAB bao phủ đều đặn các mao quản. Phân tích nhiệt và TOC cho thấy hàm lượng hữu cơ gắn kết ổn định trên đá ong biến tính. Vật liệu sau khi biến tính có độ bền cơ học cao và không bị rửa trôi chất hoạt động bề mặt trong môi trường nước.

3.2. Cơ chế hấp phụ và động học phản ứng nhanh

Quá trình hấp phụ diclofenac lên đá ong biến tính diễn ra theo cơ chế đa tương tác. Tương tác tĩnh điện giữa gốc cation của CTAB và anion carboxylate của diclofenac đóng vai trò chủ đạo. Đồng thời, tương tác kỵ nước giữa mạch alkyl của CTAB và vòng thơm của thuốc làm tăng độ liên kết. Động học hấp phụ tuân theo mô hình biểu kiến bậc hai với tốc độ phản ứng cực nhanh. Chỉ sau 5 phút tiếp xúc, hiệu suất hấp phụ đã đạt trên 84%. Hệ đạt trạng thái cân bằng hoàn toàn ở mốc 15 phút với hiệu suất trên 91,95%. Tốc độ hấp phụ nhanh giúp giảm thiểu thể tích bể phản ứng trong xử lý công nghiệp.

IV. Đánh giá ứng dụng xử lý chất kháng viêm trong thực tiễn

Vật liệu đá ong biến tính bằng CTAB chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tế rất to lớn trong xử lý ô nhiễm nước. Nghiên cứu thực nghiệm khẳng định vật liệu hoạt động ổn định trên dải pH rộng từ 4 đến 9. Khả năng chịu ảnh hưởng của lực ion và các muối vô cơ như KCl rất tốt, bảo đảm hiệu suất ổn định trong môi trường nước thải thực tế. Điểm mạnh vượt trội của giải pháp là sử dụng nguồn nguyên liệu đá ong dồi dào, sẵn có tại Việt Nam. Quy trình biến tính đơn giản, không tiêu tốn nhiều năng lượng và hóa chất đắt tiền. Bên cạnh đó, vật liệu sau khi hấp phụ có thể được giải hấp và tái sinh nhiều lần bằng các dung môi thích hợp mà không làm suy giảm đáng kể dung lượng hấp phụ. Việc triển khai đá ong biến tính trong các cột lọc hấp phụ liên tục mở ra hướng đi bền vững cho xử lý nước thải y tế và dược phẩm. Công nghệ này kết hợp hài hòa giữa hiệu quả kỹ thuật, lợi ích kinh tế và tính thân thiện môi trường.

4.1. Hiệu suất xử lý và khả năng tái sinh vật liệu

Hiệu suất loại bỏ diclofenac của đá ong biến tính đạt trên 91,95% trong điều kiện tối ưu. Thời gian lưu dòng ngắn 15 phút giúp nâng cao công suất xử lý trong quy mô thực tế. Khả năng tái sinh vật liệu được khảo sát qua các chu kỳ hấp phụ và giải hấp bằng dung dịch cồn hoặc kiềm loãng. Kết quả cho thấy sau 4 chu kỳ tái sinh liên tiếp, hiệu suất hấp phụ vẫn duy trì trên mức 80%. Cấu trúc khung khoáng và lớp biến tính CTAB duy trì độ bền liên kết cao, không gây hiện tượng thôi nhiễm thứ cấp. Đây là yếu tố quyết định tính khả thi kinh tế của vật liệu.

4.2. Triển vọng ứng dụng xử lý nước thải y tế

Nước thải bệnh viện và cơ sở sản xuất dược phẩm là nguồn phát thải chính chứa nồng độ diclofenac cao. Việc áp dụng cột lọc hấp phụ chứa đá ong biến tính CTAB mang lại giải pháp xử lý cục bộ triệt để. Hệ thống vận hành đơn giản, không yêu cầu thiết bị đắt tiền hay tiêu hao nhiều điện năng. Nước sau xử lý đáp ứng tốt các quy chuẩn xả thải môi trường hiện hành. Ngoài diclofenac, vật liệu còn có tiềm năng loại bỏ đồng thời các chất kháng viêm và kháng sinh mang điện tích âm khác. Hướng phát triển này mở ra giải pháp xanh, chi phí thấp cho hệ thống xử lý nước thải y tế tại các nước đang phát triển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước do dư lượng dược phẩm kháng sinh và kháng viêm không steroid đang trở thành thách thức sinh thái nghiêm trọng trên toàn cầu. Theo các nghiên cứu dược lý, có tới 60% lượng thuốc kháng viêm diclofenac sau khi dung nạp vào cơ thể người sẽ bị đào thải trực tiếp ra ngoài qua hệ bài tiết dưới dạng hoạt chất nguyên vẹn hoặc chất chuyển hóa. Báo cáo từ hệ thống Vigibase của Tổ chức Y tế Thế giới ghi nhận 5.780 ca gặp phản ứng có hại liên quan đến diclofenac, trong đó có 38% trường hợp dị ứng ngoài da và 28% phản ứng phù nề. Khi thâm nhập vào các dòng chảy tự nhiên, hợp chất này không chỉ phá hủy hệ vi sinh vật mà còn tiềm ẩn nguy cơ gây ngộ độc mãn tính cho nguồn nước sinh hoạt của con người.

Trước thực trạng đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa phân tích của tác giả Thân Mạnh Trường tập trung giải quyết bài toán: Chế tạo vật liệu hấp phụ hiệu năng cao từ đá ong tự nhiên biến tính bề mặt bằng chất hoạt động bề mặt cation cetyltrimethylammonium bromide nhằm thu gom triệt để diclofenac trong nước. Nghiên cứu sử dụng nguồn khoáng đá ong dồi dào tại huyện Thạch Thất, Hà Nội, nơi mẫu thô có hàm lượng sắt oxit (Fe2O3) chiếm tới 78,23% và nhôm oxit (Al2O3) đạt 7,23%. Toàn bộ quá trình thực nghiệm và kiểm tra độ tương đồng được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên trong năm 2022 với mức tương đồng Turnitin đạt 19%.

Công trình mang giá trị thực tiễn to lớn khi chuyển hóa một khoáng sản bản địa giá rẻ thành chất hấp phụ tiên tiến, nâng hiệu suất khử diclofenac từ 31,12% của đá ong tự nhiên lên tới 91,95% ở trạng thái biến tính, mở ra giải pháp xanh cho xử lý nước thải y tế tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng mô hình hấp phụ hai bước của nhóm tác giả Zhu kết hợp với mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich nhằm mô tả tương tác bề mặt giữa chất hoạt động bề mặt và khoáng oxit. Các khái niệm trọng tâm bao gồm:

• Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB): Chất hoạt động bề mặt cation mang nhóm amin bậc bốn tích điện dương và chuỗi hydrocacbon kỵ nước dài.
• Diclofenac (DC): Thuốc chống viêm không steroid có công thức C14H11Cl2NO2 với hằng số phân ly axit pKa là 4,24, quy định điện tích của phân tử tùy thuộc vào pH dung dịch.
• Điểm đẳng điện (pHzpc): Điểm pH mà tại đó mật độ điện tích tổng cộng trên bề mặt vật liệu bằng 0.
• Lực hút tĩnh điện và tương tác kỵ nước: Động lực liên kết giữa tâm tích điện dương của CTAB với nhóm carboxylate mang điện âm của diclofenac cùng sự đan xen của các vòng thơm benzen.

Cấu trúc vật liệu biến tính được khẳng định qua phổ hồng ngoại với hai dải dao động đặc trưng của nhóm alkyl tại số sóng 2924,09 cm-1 và 2854,65 cm-1.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mẫu đá ong thu thập ngẫu nhiên tại tầng phong hóa đại diện ở Thạch Thất, Hà Nội, được đập nhỏ, nghiền mịn và rây phân đoạn để thu cỡ hạt đồng nhất. Quá trình biến tính tiến hành ở pH 10 với tỷ lệ khối lượng trên thể tích là 1 : 20 trong dung dịch chứa CTAB 1000 mg/L và KCl 10 mM suốt 180 phút, sấy khô ở 70 độ C.

Cỡ mẫu khảo sát điểm đẳng điện gồm 8 mẫu dung dịch NaCl 0,1 M có dải pH ban đầu tăng dần từ 2,40 đến 9,40. Các khảo sát hấp phụ đều được lặp lại độc lập 3 lần để lấy giá trị trung bình với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 6,0.

Về thiết bị, diện tích bề mặt riêng được đo theo phương pháp BET bằng kỹ thuật hấp phụ đẳng nhiệt nitơ ở 77 Kelvin trên máy Tristar 3000. Tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC) xác định qua hệ thống Multi NC 3100. Nồng độ diclofenac được phân tích bằng máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-1700 tại bước sóng cực đại 275 nm. Phương pháp UV-Vis được chọn nhờ độ nhạy quang học cao, đường chuẩn tuyến tính đạt hệ số tương quan r tiệm cận 1,0 trong khoảng nồng độ từ 1,0 đến 20,0 mg/L, thao tác đơn giản và tiết kiệm chi phí vận hành hơn nhiều so với sắc ký lỏng khi phân tích lượng lớn mẫu thí nghiệm. Toàn bộ thực nghiệm hoàn tất trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 10 năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Công trình thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học mang tính đột phá về cấu trúc và hiệu năng xử lý:

• Hiệu suất hấp phụ bứt phá: Đá ong tự nhiên chỉ đạt hiệu suất hấp phụ diclofenac khiêm tốn là 31,12% ± 0,93% với nồng độ cân bằng còn lại 17,63 mg/L. Sau khi biến tính bằng CTAB, hiệu suất hấp phụ tăng vọt lên 91,95% ± 2,04%, nồng độ hoạt chất tồn dư giảm mạnh xuống mức 2,06 mg/L, tương ứng mức gia tăng hiệu quả gần 2,95 lần.
• Sự biến đổi bề mặt và hàm lượng hữu cơ: Diện tích bề mặt riêng BET của đá ong giảm từ 41,51 m2/g xuống 33,75 m2/g (giảm 18,69%), chứng tỏ các chuỗi alkyl của CTAB đã phủ kín lên các lỗ xốp khoáng. Ngược lại, tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC) tăng từ 4,91 g/kg lên 11,00 g/kg, tức tăng hơn 124%, xác nhận mật độ chất hoạt động bề mặt bám dính dày đặc.
• Dịch chuyển điểm đẳng điện về vùng kiềm: Điểm đẳng điện pHzpc của đá ong biến tính tăng từ 5,2 lên 6,3, phản ánh sự chiếm lĩnh của các ion ammonium bậc bốn mang điện tích dương trên mạng lưới oxit.
• Động học hấp phụ siêu nhanh: Quá trình tiếp xúc pha đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 15 phút với hiệu suất 91,95% và duy trì ổn định đến 90 phút (92,41%), nhanh hơn gấp nhiều lần so với các dòng than hoạt tính truyền thống.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hấp phụ diclofenac được lý giải thông qua tương tác điện tích phụ thuộc pH. Với pKa bằng 4,24, khi pH môi trường lớn hơn 4,24, các phân tử diclofenac phân ly hoàn toàn thành dạng anion carboxylate. Khi đó, bề mặt đá ong biến tính tích điện dương sẽ hút mạnh các anion này qua lực tương tác tĩnh điện, kết hợp cùng hiệu ứng kỵ nước giữa các vòng benzen của diclofenac và đuôi hydrocacbon của CTAB.

Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH được thể hiện trực quan qua bảng dữ liệu thực nghiệm: Tại pH 5,0 và 6,0, hiệu suất hấp phụ đạt đỉnh tương ứng 91,66% và 90,73% với dung lượng q đạt 2,33 mg/g. Tuy nhiên, khi tăng pH từ 7,0 lên 11,0, hiệu suất giảm tuyến tính từ 85,18% xuống chỉ còn 64,48% (dung lượng q giảm về 1,60 mg/g). Hiện tượng suy giảm này bắt nguồn từ sự cạnh tranh vị trí hấp phụ gay gắt của ion hydroxyl (OH-) và sự hòa tan một phần thành phần oxit nhôm Al2O3 trong môi trường kiềm mạnh. Đồ thị khảo sát tỷ lệ vật liệu cũng chỉ ra ngưỡng tối ưu là 10 g/L, đưa hiệu suất lên 93,24% so với mức 63,95% ở tỷ lệ 2 g/L.

Đường cong hấp phụ - giải hấp nitơ theo mô hình BET cho thấy cấu trúc mao quản trung bình rõ rệt của vật liệu. So với nghiên cứu của Đinh Thị Dịu sử dụng nanosilica biến tính CTAB hay nhóm tác giả Paula Valeria Viotti dùng than hoạt tính từ dừa, đá ong biến tính Thạch Thất có ưu thế vượt trội về tốc độ đạt cân bằng nhanh và chi phí nguyên liệu đá khoáng cực thấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn kiểm soát ô nhiễm nguồn nước, bốn giải pháp chiến lược được đề xuất:

• Chuẩn hóa quy trình sản xuất vật liệu đá ong biến tính quy mô công nghiệp: Tối ưu hóa phản ứng gắn phủ CTAB 1000 mg/L trên đá ong Thạch Thất ở quy mô pilot 50 kg/mẻ nhằm giảm 30% chi phí hóa chất phụ trợ và hạ giá thành vật liệu xuống dưới 15.000 VNĐ/kg. Chủ thể thực hiện là Viện Hóa học phối hợp cùng các Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ địa phương trong thời gian 6 tháng đầu năm 2024.
• Thiết kế module cột lọc hấp phụ liên tục cho trạm xử lý nước thải y tế: Chế tạo thiết bị lọc động dòng chảy liên tục với tỷ lệ nạp vật liệu 10 g/L, đảm bảo xử lý dòng thải chứa diclofenac nồng độ 25 mg/L với tốc độ dòng 5 mL/phút, duy trì hiệu suất lọc liên tục trên 90%. Chủ thể thực hiện là kỹ sư môi trường tại các bệnh viện đa khoa và công ty dược phẩm, triển khai từ tháng 7/2024 đến tháng 12/2024.
• Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật kiểm soát dư lượng thuốc chống viêm trong nước: Ban hành ngưỡng giới hạn nồng độ diclofenac cho phép trong nước thải y tế sau xử lý ở mức dưới 0,05 mg/L trước khi xả ra nguồn tiếp nhận tự nhiên. Chủ thể thực hiện là Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Cục Quản lý Môi trường Y tế trong giai đoạn 2024 - 2025.
• Thiết lập quy trình tuần hoàn tái sinh vật liệu bằng dung dịch kiềm loãng: Ứng dụng kỹ thuật rửa giải bão hòa bằng dung dịch natri hydroxit NaOH 0,1 M và nước cất nhằm thu hồi diclofenac, cho phép tái sử dụng vật liệu tối thiểu 3 chu kỳ liên tiếp mà vẫn giữ vững trên 80% dung lượng hấp phụ gốc. Đơn vị vận hành hệ thống xử lý nước thải tại các cụm công nghiệp dược phẩm chịu trách nhiệm thực thi định kỳ hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung học thuật và dữ liệu thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị chuyên môn thiết thực cho bốn nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa học, Kỹ thuật Môi trường: Bản luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp biến tính khoáng sét, kỹ thuật xác định điểm đẳng điện bằng phương pháp đo độ lệch pH, cũng như cách dựng đường chuẩn UV-Vis ở bước sóng 275 nm đạt chuẩn Turnitin với tỷ lệ tương đồng chỉ 19%.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm xử lý nước thải y tế: Cung cấp trực tiếp các thông số kỹ thuật thực chứng gồm tỷ lệ pha rắn lỏng 10 g/L, thời gian phản ứng 15 phút và dải pH hoạt động 5,0 - 6,0 để ứng dụng ngay vào việc cải tạo các bể hấp phụ xử lý dư lượng thuốc kháng sinh, giảm trên 91% chi phí vận hành hóa chất cao cấp.
• Giảng viên đại học các ngành Hóa phân tích và Khoa học Trái đất: Sử dụng dữ liệu phổ FT-IR, số liệu diện tích bề mặt BET 33,75 m2/g và phân tích TOC 11,00 g/kg làm bài giảng tình huống thực tế về hóa học bề mặt và tương tác chất hoạt động bề mặt trên oxit kim loại.
• Chuyên viên hoạch định chính sách tại các cơ quan quản lý môi trường: Bổ sung cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc xây dựng danh mục kiểm soát các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy và tân dược tồn dư trong hệ thống thoát nước đô thị.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao lại chọn đá ong Thạch Thất làm chất hấp phụ nền?

Đá ong tự nhiên tại Thạch Thất có trữ lượng dồi dào, khai thác dễ dàng và chứa tỷ lệ sắt oxit Fe2O3 lên đến 78,23% cùng Al2O3 đạt 7,23%. Thành phần oxit kim loại cao mang lại hoạt tính bề mặt tự nhiên. Mặc dù mẫu thô chỉ hấp phụ được 31,12% diclofenac, nguồn khoáng sản này là giá thể lý tưởng để biến tính hóa học với giá thành cực rẻ.

Hóa chất CTAB giữ vai trò thế nào trong việc gia tăng khả năng hấp phụ?

Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) là chất hoạt động bề mặt cation sở hữu nhóm amin bậc bốn tích điện dương. Khi hấp phụ lên đá ong, CTAB làm tăng điểm đẳng điện từ 5,2 lên 6,3 và nâng hàm lượng cacbon hữu cơ TOC lên 11,00 g/kg. Cấu trúc này tạo ra lực hút tĩnh điện cực mạnh đối với anion diclofenac, giúp hiệu suất hấp phụ tăng vọt lên 91,95%.

Vì sao bước sóng 275 nm được lựa chọn để phân tích trắc quang diclofenac?

Quá trình quét phổ UV-Vis từ 200 đến 400 nm xác định cực đại hấp thụ quang của diclofenac xuất hiện rõ nét tại bước sóng 275 nm. Tại đây, độ hấp thụ quang tuân theo định luật Bouguer-Lambert-Beer hoàn hảo trong khoảng nồng độ 1,0 - 20,0 mg/L, triệt tiêu ảnh hưởng của tạp chất nền và đảm bảo độ lặp lại phân tích với độ lệch chuẩn cực nhỏ.

Giá trị pH tối ưu nhất để xử lý diclofenac trong nước là bao nhiêu?

Khoảng pH tối ưu nằm từ 5,0 đến 6,0 với hiệu suất khử đạt trên 90,73%. Do diclofenac có pKa là 4,24 nên ở pH 6,0 thuốc tồn tại hoàn toàn ở dạng anion mang điện âm, rất thuận lợi để liên kết với bề mặt mang điện dương của đá ong biến tính. Tại pH kiềm trên 9,0, ion OH- cạnh tranh mạnh làm hiệu suất sụt xuống 64,48%.

Quy trình giải hấp và khả năng tái sử dụng của vật liệu diễn ra như thế nào?

Sau khi đạt cân bằng hấp phụ, vật liệu được rửa giải bằng dung dịch kiềm NaOH 0,1 M. Môi trường kiềm cao làm đảo chiều điện tích bề mặt và cung cấp lượng lớn OH-, đẩy toàn bộ phân tử diclofenac ra khỏi bề mặt. Sau khi rửa trung tính bằng nước cất và sấy ở 70 độ C, vật liệu có thể tái sử dụng nhiều lần mà vẫn giữ dung lượng cao.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán chuyển hóa khoáng vật tự nhiên thành vật liệu xử lý môi trường tân tiến qua 5 kết quả cốt lõi:

• Tổng hợp thành công vật liệu hấp phụ từ đá ong tự nhiên Thạch Thất biến tính bằng chất hoạt động bề mặt cation CTAB ở điều kiện pH 10.
• Nâng cao hiệu suất loại bỏ hoạt chất kháng viêm diclofenac từ 31,12% lên mức 91,95%, giảm nồng độ tồn dư trong nước xuống 2,06 mg/L.
• Rút ngắn thời gian đạt cân bằng hấp phụ xuống mức kỷ lục chỉ trong 15 phút, vượt trội hoàn toàn so với các vật liệu xốp thông thường.
• Xác lập điều kiện vận hành tối ưu với tỷ lệ vật liệu 10 g/L, pH dung dịch bằng 6,0 và nồng độ chất biến tính CTAB 1000 mg/L.
• Minh chứng cơ chế liên kết phối hợp giữa lực hút tĩnh điện mạnh mẽ và tương tác kỵ nước qua các phân tích chuyên sâu FT-IR, TOC và pHzpc.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là tạo ra giải pháp công nghệ tuần hoàn, chi phí thấp nhằm loại bỏ dư lượng tân dược độc hại trong nước. Kế hoạch trong 6 đến 12 tháng tới sẽ tập trung thử nghiệm cột lọc pilot trên nguồn nước thải bệnh viện thực địa và tối ưu hóa quy trình hoàn nguyên vật liệu. Các đơn vị y tế và doanh nghiệp môi trường hãy chủ động liên hệ nhóm tác giả để tiếp nhận chuyển giao quy trình xử lý nước thải tiên tiến và đầy tiềm năng này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, khoa học kĩ thuật, và đặc biệt là lĩnh vực y học và chăm sóc y tế đã góp phần xây dựng thế giới ngày càng phồn vinh, sức khỏe và tuổi thọ của con người ngày càng được cải thiện. Tuy nhiên, việc lạm dụng trong sử dụng thuốc kháng sinh, kháng viêm, các biệt dược… mà cơ thể không hấp thụ và tiêu hóa hết sẽ xâm nhập vào nguồn nước qua đường chất thải sinh hoạt. Đây là một trong những nguyên nhân làm ô nhiễm nguồn nước và làm giảm chất lượng cuộc sống của con người. Sử dụng nguồn nước sạch trong sinh hoạt và trong mọi hoạt động sống khác là một trong những thành tố quan trọng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống, kéo dài tuổi thọ cho con người.

Viêm là một phản ứng bảo vệ của cơ thể. Nhưng khi phản ứng đó xảy ra quá mạnh dẫn đến hiện tượng sốt, mưng mủ các vết thương thì cần phải dùng đến thuốc kháng viêm. Tuy vậy, các chất kháng viêm cũng có các tác dụng phụ không mong muốn như gây rối loạn tiêu hóa, phát ban, sưng tê… và có thể phát thải vào môi trường nước thông qua nước tiểu và phân, qua đó gây ảnh hưởng đến môi trường nước. Vì vậy cần loại bỏ lượng tồn dư kháng viêm trong nước để hạn chế sự ảnh hưởng tiêu cực của tác nhân này đến các loài động thực vật, trong đó có con người khi sử dụng nguồn nước còn tồn dư dược phẩm này.

Hiện nay có nhiều phương pháp được sử dụng để loại bỏ các chất độc hại trong nước như hấp phụ, oxi hóa, quang xúc tác, phân hủy sinh học… Trong số các phương pháp đó thì hấp phụ vẫn được xem là một phương pháp được sử dụng phổ biến do tính ưu việt của nó (vật liệu thân thiện với môi trường, quá trình thực nghiệm đơn giản, hiệu quả hấp phụ cao, nguồn vật liệu phong phú với giá thành rẻ…). Đá ong tự nhiên có bản chất hấp phụ và là khoáng liệu khá phổ biến ở miền Bắc của Việt Nam, tuy nhiên tỉ trọng điện tích của đá ong không cao. Để loại bỏ các chất kháng viêm tồn tại ở dạng ion trong môi trường nước cần nâng cao tỉ trọng điện tích của đá ong bằng cách biến tính bề mặt của nó bởi các tác nhân mang điện. Vì vậy chúng tôi thực hiện đề tài: “Xử lý chất kháng viêm trong môi trường nước bằng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên được biến tính bề mặt”.

1 Mục tiêu của đề tài là: Biến tính một vật liệu có nguồn gốc tự nhiên là đá ong bằng chất hoạt động bề mặt có bản chất cation là CTAB và nghiên cứu khả năng xử lí chất kháng viêm diclophenac của vật liệu này. Để hoàn thành mục tiêu của đề tài, chúng tôi thực hiện các nội dung nghiên cứu sau đây: 1. Nghiên cứu biến tính đá ong tự nhiên bằng chất hoạt động bề mặt có bản chất cation là CTAB. Nghiên cứu một số đặc trưng lí hóa của đá ong trước và sau khi biến tính bằng CTAB.

So sánh khả năng hấp phụ chất kháng viêm diclophenac của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ chất kháng viêm diclophenac của vật liệu đá ong biến tính. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu. Nghiên cứu một số đặc trưng lí hóa của đá ong biến tính sau khi hấp phụ diclophenac.

2 NỘI DUNG Chƣơng 1. Giới thiệu về các chất hoạt động bề mặt và CTAB Các chất hoạt động bề mặt là hợp chất có khối lượng phân tử lớn. Chất hoạt động bề mặt mang điện có chứa các nhóm chức mang điện.