Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang pha tạp agtio2 ứng dụng để xử lý một số loại kháng sinh trong nước

Bộ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỊ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KÉT ĐÈ TÀI KHOA HỌC BÁO CÁO KÉT QUẢ THựC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang pha tạp Ag/TiƠ2 ứng dụng để xử lý số loại kháng sinh nước Mã số đề tài: 21.2VMT04 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Chí Hiếu Đơn vị thực hiện: Viện Khoa học Công nghệ & Quản lý Môi trường Tp Hồ Chí Minh, 10/2023 LỜI CÁM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Pho Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho thực đề tài Cơng trình Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh (IUH), Việt Nam tài trợ thơng qua chương trình nghiên cứu khoa học cấp trường Mã số 21.2VMT04 (theo hợp đồng số 36/HĐ-ĐHCN, ký ngày 24/3/2022), với nguồn kinh phí tạo điều kiện cho nhóm chúng tơi tiến hành triển khai hồn thành nghiên cứu Bên cạnh để hồn thành nghiên cứu nhóm tác giả gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS.TS Ruey-Shin Juang Trường Đại học Chang Gung, Đài Loan hỗ trợ việc đo đạc kết XPS nghiên cứu Các tác giả cảm ơn Viện Khoa học, Công nghệ Quản lý Môi trường (IESEM) IUH hỗ trợ thiết bị phịng thí nghiệm sử dụng q trình nghiên cứu Ngồi nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Quản lý Khoa học & Hợp tác Quốc tế Phịng Tài Ke tốn tạo điều kiện thuận lợi để nhóm chúng tơi triển khai hồn thành nghiên cứu Tp Hồ Chí minh ngày 01 tháng 10 năm 2023 TS Nguyễn Chí Hiếu PHẦN I THỒNG TIN CHƯNG Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang pha tạp Ag/TiO2 ứng dụng để xử lý số loại kháng sinh nước 1.2 Mã số: 21.2VMT04 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài Họ tên (học hàm, học TT vỉ) TS Nguyễn Chí Hiếu Đơn vị cơng tác Viện Khoa học Cơng nghệ & Qn Vai trị thực đề tài Chủ nhiệm đề tài lý Môi trường TS Trần Thị Tường Vân Viện Khoa học Công nghệ & Quàn Tham gia lý Môi trưởng TS Trần Mai Liên Viện Khoa học Công nghệ & Quản Tham gia lý Môi trưởng 1.4 Đơn vị chủ trì: Viện Khoa học Cơng nghệ & Quản lý Mơi trưởng 1.5 Thời gian thực hiện: 1.1.1 Theo hợp đồng: từ tháng năm 2022 đến tháng năm 2023 1.1.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng năm 2023 1.1.3 Thực thực tế: từ tháng năm 2022 đến tháng năm 2023 1.6 Những thay đổi so vói thuyết minh ban đầu (nếu có): (về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ỷ kiến Cơ quan quản Ịý) Báo cáo trình bày kết nghiên cứu chất kháng sinh Oxytetracycline (OTC), phạm vi đề tài đánh giá hiệu vật liệu chất khảng sinh enrofloxacin levofloxacin (trong cảc đề tài sinh viên học viên) Tuy nhiên để đảnh giá sâu tập trung nên báo cáo nhóm chl tập trung vào đảnh giá hiệu vật liệu tổng hợp chất kháng sinh OTC 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 50 triệu đồng Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Với đời thuốc khảng sinh đem lại hiệu lón việc điều trị loại bệnh cho người loại sinh vật khác Bên cạnh lợi ích to lớn mà chất kháng sinh mang lại đời sống, việc sử dụng rộng rãi chất khảng sinh nhiều lĩnh vực sản xuất để lại tác động tiêu cực định đến môi trưởng sống Một số nghiên cứu gần diện chất kháng sinh khắp nơi môi trường, đặc biệt môi trường nước vói nồng độ ngày tăng Kháng sinh thải môi trường chủ yếu hoạt động người y học, sản xuất thuốc, chăn nuôi, trồng trọt ni trồng thủy sàn [1,2] Chúng tồn hệ thống xử lý nước thài, nước biển, nước mặt, đất trầm tích [3] Chính chất kháng sinh đàng xem chất ô nhiễm cần loại bỏ cách an toàn trước xả thải ngồi mơi trường tiếp nhận (sơng, hồ, suối, V.V.) Các nghiên cứu gần chl chất kháng sinh nước loại bị thơng qua trình sinh học, hấp phụ, lọc màng, oxy hóa bậc cao (xúc tác quang, Fenton, ) [4-7] Trong quang xúc tác phương pháp hứa hẹn, có khả loại bỏ hồn tồn chuyển hóa chất kháng sinh thành chất khơng độc độc Cho đến ngày nay, vật liệu bán dẫn TiOỉ ứng cử viên sáng giá cho nghiên cứu liên quan đến q trình xúc tác quang hiệu quang hóa, độ ổn đinh, khơng độc chi phí tổng hợp thấp Do việc tổng họp vật liệu xúc tác quang TiCh có hiệu cao cho loại bỏ chất kháng sinh nước trở thành hướng nghiên cứu đáng quan tâm thời gian tới Mục tiêu Mục tiêu chung: Tổng hợp vật liệu nanocomposite Ag/TiO2 ứng dụng vật liệu tổng hợp để loại bỏ chất kháng sinh nước Mục tiêu cụ thể: ❖ Tổng hợp vật liệu TiCh pha tạp Ag phương pháp sol-gel đơn giản ❖ Đánh giá thay đổi tính chất vật liệu bổ sung lượng Ag thích hợp trình tổng hợp TiOỉ ❖ Đánh giá hiệu hoạt động quang xúc tác vật liệu Ag/TiCh để phân hủy số chất kháng sinh nước Phương pháp nghiên cửu Nội dung 1: Tổng hựp vật liệu xúc tác quang Ag/TiCh với tỉ lệ khác phương pháp soỉ-geỉ - Cách tiếp cạn : J Các phương pháp sử dụng phổ biến để tổng hợp vật liệu xúc tác quang TÌƠ2 như: nhiệt phân, sol-gel, thủy nhiệt, điện hóa J Các phương pháp thường sử dụng để biến tính T1O2 như: đồng kết tủa, nung, ngâm tẩm, khử J Dựa điều kiện thực tế phịng thí nghiệm Viện Khoa học Công nghệ & Quản lý Môi trường để lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu xúc tác quang cho phù hợp - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng; Phương pháp thực nghiệm sử dụng để thực nội dung Trong nghiên cứu tiến hành biến tính vật liệu T1O2 cách pha tạp T1O2 với Ag tỉ lệ khác Trong nội dung tiến hành khảo sát tối ưu điều kiện tổng hợp vật liệu (nhiệt độ tổng hợp, hàm lượng pha tạp, ) Nội dung 2: Phân tích đặc tính vật liệu phương pháp phân tích kỹ thuật xác định tính chất đặc trưng vật liệu xúc tác quang - Cách tiếp cận: Để đánh giá đặc tính vật liệu vừa tổng hợp (cấu trúc tính thể, hỉnh thái, tính chất quang học, cấu trúc rỗng, ) để khẳng định việc tổng hợp vật liệu thành công (pha tạp thành công kim loại vào cấu trúc T1O2, kết hợp thành công T1O2 với hợp chất khác) đảnh giá thay đổi tính chất vật liệu sau biến tính, việc phân tích đặc tính vật liệu cần thiết nghiên cứu liên quan đến tổng hợp vật liệu - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Trong nghiên cứu sau vật liệu tổng hợp, phân tính đặc trưng vật liệu thực phương pháp phân tích kỹ thuật đại Bao gồm: J Phổ nhiễu xạ tia X (XRD): Khi xạ tia X tương tấc với vật chất tạo hiệu ứng tán xạ đàn hồi với điện tử nguyên tử vật liệu có cấu trúc tinh thể, dẫn đến tượng nhiễu xạ tia X Căn vào cực đại nhiễu xạ giản đồ ta xác định thành phần cấu trúc mạng tinh thể vật liệu cần nghiên cứu J Phổ hồng ngoại FTIR: dựa sở tương tác chất cần phân tích vói tia đơn sắc có bước sóng nằm miền hồng ngoại (400 - 4000 cm'1) Đường cong biểu diễn phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng gọi phổ hấp thụ hồng ngoại Mỗi cực đại phổ IR đặc trưng cho có mặt nhóm chức đao động liên kết Do đó, dựa vào tần số đặc trưng để dự đốn có mặt liên kết nhóm chức phân tử chất nghiên cứu J Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM): Hiển vi điện tử quét thưởng sử dụng để nghiên cứu bề mặt, kích thước, hỉnh dạng vi tinh thể khả phóng đại tạo ảnh rõ nét chi tiết J Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp nitơ (BET): thường ứng dụng để xác định diện tích bề mặt vật liệu so sánh mẫu trước sau phần ứng Xác đinh diện tích bề mặt vật liệu có ý nghĩa quan trọng ứng dụng vật liệu xúc tác J Phổ phản xạ khuếch tán nằm vừng tử ngoại hay vùng khả kiến gọi phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS): Khảo sát phổ UV-Vis DRS cho biết thông tin đỉnh hấp thụ chất xúc tác cho phép tính lượng vùng cấm (Eg) - tính chất quan trọng vật liệu bán đẫn rắn J Phương pháp xác điện zeta điểm đẳng điện bề mặt vật liệu: Điểm đẳng điện chất rắn điểm mà điện zeta không Điện Zeta vật liệu xác định mảy phân tích điện zeta (Zetasizer Nano-ZS, Vương quốc Anh) Nội dung 3: Đánh giá khả loại bỗ kháng sinh nước trình quang xúc tác sử dụng vật liệu Ag/TiOi - Phương pháp nghiên cửu, kỹ thuật sử dụng: Tiến hành thí nghiệm xử lý 01 loại kháng sinh đại diện Khảo sảt vật liệu khác từ lựa chọn vật liệu tối ưu cho trình phân hủy chất kháng sinh lựa chọn Sau tiến hành khảo sát thông số vận hành trình vật liệu tốt vừa lựa chọn Trong nội dung đánh giá khả thu hồi tải sử dụng vật liệu J Các trinh oxy hóa bậc cao khác nghiên cứu thực nghiệm: khơng có vật liệu có bổ sung vật liệu; quang xúc tác (UV, ánh sảng mặt trời) J Thiết kế chế tạo mô hình thí nghiệm quang xúc tác dạng mẻ quy mơ phịng thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm xúc tác quang theo mẻ quy mơ phịng thí nghiệm J Phương pháp xác định nồng độ kháng sinh trước sau xử lý thực thơng qua phép phân tích quang phổ UV-Vis Tổng kết kết nghiên cứu Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang pha tạp Ag/TiCh ứng dụng để xử lý số loại kháng sinh nước” hoàn thành nội dung đề Tổng kết kết nghiên cứu cụ thể sau: ♦♦♦ Đề tài lựa chọn triển khai phương pháp tổng hợp vật liệu xúc tác quang Ag/TiCh với tỉ lệ khác phù hợp với điều kiện sở vật chất có ♦♦♦ Đe tài thiết kế mơ hình quang xúc tác quy mơ phịng thí nghiệm phục vụ cho đánh giá hiệu trình quang xúc tác sử dụng vật liệu tổng hợp được, đồng thời phục vụ công tác giảng dạy nghiên cứu cho sinh viên học viên cao học Cấu tạo mơ hình: Mơ hình quang xúc tác thiết kế với thiết bị sau: Mơ hình xúc tác quang sử dụng đèn uvc Ghi chú: Máy khuấy từ ĐènUVC Cốc 400ml Cá từ Trục gắn đèn Nút điều khiển Vận hành mơ hình: > Trước khởi động mơ hình: Cần kiểm tra nguồn điện cung cấp, hệ thống dây điện ổ cắm Tiếp đến, kiểm tra điện hoàn chỉnh chưa, đèn có hoạt động khơng, Khi tất ổn định, tiến hành vào việc vận hành mơ hình > Việc vận hành thực theo trình tự sau: - Bước 1: Chuẩn bị mẫu nước giả thải đầu vào (300 ml) - Bước 2: Cho lượng xác định vật liệu quang xúc tác vào để đánh giá hiệu loại bỏ chất kháng sinh (chất ô nhiễm) vật liệu tổng hợp - Bước 3: Đặt cốc chứa chất ô nhiễm vật liệu quang xúc tác lên máy khuấy từ, cho đèn uv ngập vào cốc (đảm bảo ánh sáng đèn phân bố cốc để trình xử lý đạt hiệu tốt nhất) - Bước 4: Tiến hành bật công tắc nguồn điện máy khuấy đèn uv để vận hành mơ hình - Bước 5: Tiến hành lấy mẫu khoảng thời gian định sẵn - Bước 6: Kết thúc q trình quang xúc tác cách tắt cơng tắc đèn máy khuấy từ ❖ Đề tài hoàn thành số liệu đánh giá hiệu hoạt động quang xúc tác vật liệu tổng hợp phân hủy chất kháng sinh chứa nước điều kiện chiếu sáng đèn tia cực tím ánh sáng mặt trời bao gồm: • Bộ số liệu đậc tính vật liệu xúc tác quang TiAgx với hàm lượng Ag pha tạp khác • Bộ số liệu liên quan đến hiệu loại bỏ chất kháng sinh OTC nước vật liệu T1O2 pha tạp Ag tổng hợp • Bộ số liệu yếu tố vận hành ảnh hưởng đến kết hoạt động quang xúc tác vật liệu TiAgx • Bộ số liệu khả thu hồi tái sử dụng vật liệu TiAgx Đánh giá kết đạt kết luận ❖ Tổng hợp vật liệu xúc tác quang Ag/TiOi vói tĩ lệ khác phương pháp sol-gel Nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu TiAgx với tỉ lệ khác (0 -5,0% khối lượng) Ag phương pháp sol-gel đơn giản bước Vật liệu thu có độ tinh khiết cao có hoạt tính quang xúc tác tốt Kết quả: Phương pháp sol-gel lựa chọn nghiên cứu triển khai cho sinh viên IESEM thực đồ án tốt nghiệp năm học 2021-2022 Hai nhóm sinh viên bảo vệ thành cơng Khóa luận tốt nghiệp với tên đề tài: ❖ Tổng hợp vật liệu xúc tác quang SnOỉ/TiCh composite ứng dụng loại bỏ dư lượng kháng sinh nước Tổng hợp vật liệu xúc tác quang nanocomposite Ag/TiOs Ag/rGO/TiO2 ứng dụng loại bỏ chất kháng sinh nước Cà nhóm sinh viên tiếu hành tổng hợp vật liệu quang xúc tác TÌO2 phương pháp sol-gel đơn giàn để ứng dụng phân hủy kháng sinh nước Kết quà đạt khả quan có cơng bố abstract hội nghi khoa học trẻ YSC lần ❖ Phân tích đặc tính vật liệu phương pháp phân tích kỹ thuật xác định tính chất đặc trưng vật liệu xúc tác quang Trong nội dung lựa chọn đặc tính tiêu biểu vật liệu xúc tác quang lựa chọn phương pháp phân tích kỹ thuật đại có Việt Nam đồng thời lựa chọn đơn vi có lực để gửi mẫu đảm bảo độ xác tin cậy kết Kết quả: Đã chọn quan đơn vị có uy tín Việt Nam để tiến hành gửi mẫu phân tích đặt tính vật liệu xúc tác quang nghiên cứu Riêng kết quà phổ huỳnh quang tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)) chưa tìm quan để gửi mẫu phân tích Việt Nam nên gửi sang Đài Loan để phân tích ❖ Đánh gỉá khả loại bõ kháng sinh nước trình quang xúc tác sử dụng vật liệu Ag/TiOi Nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu loại bỏ chất kháng sinh oxytetracycline vật liệu TiAgx với hàm lượng Ag khác Các vật liệu TiAgx thể hoạt động quang xúc tác tốt chiếu sáng tia cực tím Tuy nhiên hiệu quang xúc tác cao đạt TiAg2 với việc loại bỏ 99,6% OTC sau 120 phút chiếu xạ tia cực tím Hơn nữa, loại bỏ OTC tốt chiếu xạ ánh sáng mặt trời nhận cho TiAg5, 94,1% OTC loại bỏ sau 180 phút Nghiên cứu cho thấy việc bổ sung Ag trinh tổng hợp TĨƠ2 phương pháp sol-gel cải thiện hiệu suất quang xúc tảc vật liệu nano TiAgx điều kiện ánh sáng tía cực tím ánh sáng mặt trời so với TÍƠ2 tình khiết Kết quả: Một báo ISI đăng Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers (4/2023) thuộc danh mục SCIE-Q1 với số IF 5.7 “Facile synthesis of reusable Ag/TiCh composites for efficient removal of antibiotic oxytetracycline under uv and solar light irradiation”, 145, 104825 Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Trong nghiên cứu này, vật liệu nano T1O2 pha tạp Ag (TÌAgx, X biểu thi tỷ lệ phần trăm trọng lượng Ag) tổng hợp phương pháp sol-gel bước đơn giản Kết phân tích đặc tính vật liệu tổng hợp phạm vi hấp thụ ánh sáng nhìn thấy vật liệu TiAgx mở rộng hiệu T1O2 tinh khiết Kết quang dòng cho thấy việc bổ sung lượng Ag thích hợp q trình tổng hợp T1O2 cải thiện hiệu suất phân tách cặp lỗ điện tử TiAgx, điểu giúp tăng cường hoạt động quang xúc tác vật liệu TiAgx Vật liệu TĨAgx áp dụng làm chất xúc tấc quang để phân hủy chất kháng sinh oxytetracycline (OTC) dung dịch nước tác dụng xạ tia cực tím (tía UV) ánh sáng mặt trời Khả hấp phụ OTC vật liệu TĨAgx tăng cường đáng kể so với T1O2 tinh khiết gia tăng diện tích bề mặt riêng hỗn hợp Hiệu quà quang xúc tác cao đạt ĨĨAg2 với việc loại bỏ 99,6% OTC sau 120 phút chiếu xạ tía cực tím Hơn nữa, loại bỏ OTC tốt chiếu xạ ánh sáng mặt trời nhận cho TiAg5, 94,1% OTC loại bỏ sau 180 phút Các loài phản ứng gốc O2” tác nhân chiếm ưu q trình oxy hóa OTC; đó, h+ *OH góp phần vào q trình quang hóa Hiệu suất khống hóa OTC sử dụng TĨAg2 đật 59,6% sau 240 phút chiếu xạ uv Hơn nữa, khả tái sử dụng vật liệu tốt, cụ thể việc loại bỏ OTC vật liệu TiAg2 quang xúc tác trì 97% sau chu kỳ In this work, Ag-doped T1O2 nanomaterials (TiAgx, where X denotes the weight percentage of Ag) were synthesized using a facile one-step sol-gel method The characterization results indicated that the visible light absorption range of TiAgx material was effectively expanded more than pure T1O2 The photocurrent results suggested that the introduction of appropriate silver content during TÌỌ2 synthesis process improved the electron-hole pairs separation efficiency of TiAgx, which could enhance the photocatalytic degradation activity of TiAgx material These materials were applied as photocatalysts to degrade oxytetracycline (OTC) in aqueous solution under ƯV and solar light irradiation The OTC adsorption capacity on TiAgx materials was also greatly enhanced as compared to pure T1O2 owing to an increase in specific surface area of the