nghiên cứu khả năng xử lý dư lượng kháng sinh trong môi trường nước bằng vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính

- Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý SMX trong môi trường nước: Với pH dung dịch ở mức 7, 9 và 11, hiệu quả của quá trình xúc tác quang sử dụng vật liệu BTCN, tăng lên 100%.

-

LÊ THỊ THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ DƯ LƯỢNG KHÁNG SINH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU NANO GRAPHITIC CARBON

NITRIDE BIẾN TÍNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Thái Nguyên - 2023

-

LÊ THỊ THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ DƯ LƯỢNG KHÁNG SINH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU NANO GRAPHITIC CARBON

NITRIDE BIẾN TÍNH

Ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 8.44.03.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Thị Lan

CHỮ KÝ CỦA PHÒNG ĐÀO TẠO CHỮ KÝ KHOA CHUYÊN MÔN CHỮ KÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Thái Nguyên - 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2023

Học viên

Lê Thị Thuỳ Linh

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thấy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Nhân dịp hoàn thiện luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết

ơn sâu sắc PGS.TS Đỗ Thị Lan đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới nhóm nghiên cứu của đề tài cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo

dụng trong xử lý một số chất kháng sinh dư lượng nhỏ trong nước thải bằng công nghệ quang hóa”, mã số B2023-TNA-23 thực hiện năm 2023 – 2024 đã giúp đỡ, hỗ trợ, động viên trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu hoàn thành khóa luận Ngoài các cô, nhóm nghiên cứu tôi xin cảm ơn Trưởng phòng thí nghiệm Hoá-

Lý thuộc Bộ môn Lý – Lý sinh y học, Khoa Khoa học Cơ bản - trường Đại học Dược, và Phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu giống cây trồng thích ứng với biến đổi khí hậu - Trường Đại học Nông Lâm đã tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực nghiệm nghiên cứu, phân tích

Y-Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn./

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2023

Lê Thị Thuỳ Linh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN ix

THESIS ABSTRACT xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Ý nghĩa của đề tài 2

3.1 Ý nghĩa khoa học 2

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước và phản ứng quang xúc tác 3

1.1.1 Ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước 3

1.1.2 Quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm nước thải 7

1.2 Tổng quan vật liệu g-C3N4 và phương pháp tổng hợp 10

1.2.1 Giới thiệu về vật liệu g-C3N4 10

1.2.2 Tổng quan các phương pháp tổng hợp g-C3N4 11

1.2.3 Các phương pháp nâng cao hiệu suất g-C3N4 15

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 17

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 17

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 22

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 28

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 28

2.3 Nội dung nghiên cứu 28

2.4 Phương pháp nghiên cứu 29

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 29

2.4.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu g-C3N4 29

2.4.3 Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu g-C3N4 31

2.4.4 Phương pháp xác định hiệu suất hấp phụ của vật liệu 34

2.4.5 Phương pháp xử lý số liệu 35

2.4.6 Phương pháp bẫy điện tử 35

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Đặc tính của vật liệu g-C3N4 36

3.1.1 Đặc điểm hình thái cấu trúc và nhóm chức của vật liệu 36

3.1.2 Tính chất quang học và cấu trúc băng tần của vật liệu 39

3.2 Ứng dụng vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính cho quá trình quang xúc tác xử lý SMX trong môi trường nước 40

3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn loại vật liệu g-C3N4 phù hợp với quá trình xúc tác 40

3.2.2 Ảnh hưởng của liều lượng vật liệu tới hiệu suất phân huỷ SMX trong môi trường nước 43

3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý SMX trong môi trường nước 45

3.2.4 Cơ chế của quá trình phân huỷ SMX bởi quá trình xúc tác quang sử dụng vật liệu BTCN 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

1 Kết luận 51

2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

Microscopy

Vi phân tử truyền tải

spectroscopy

Ánh sáng vùng tử ngoại

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể (Lê Thanh Tuyền, 2019) 8

Hình 1.2 Năng lượng vùng cấm và vị trí vùng dẫn (màu xanh), vùng hóa trị (màu đỏ) của các vật liệu bán dẫn (Lu và cs, 2016) 10

Hình 1.3 Sơ đồ minh họa về phương pháp trùng hợp để tổng hợp g-C3N4 bằng melamine, urea, thiourea, cyanamide và dicyandiamide 11

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa các phương pháp tổng g-C3N4 được chia thành 2 phương pháp: từ dưới lên và từ trên xuống (Darkwah v cs, 2018) 12

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa các phương pháp tổng hợp g-C3N4 bằng oxy hóa nhiệt, bóc tách hóa học, tách siêu âm 14

Hình 1.6 Các phương pháp lai tạo chuyển tiếp dị thể (Shen và cs, 2019) 16

Hình 2.1 Vật liệu thu được sau khi sấy khô ở 60 oC 30

Hình 2.2 Vật liệu thu được sau khi nung ở 550 oC 30

Hình 3.1 Cấu trúc ảnh SEM của vật liệu nano g-C3N4: (a)- PCN, (b)- TCN và (c)- BTCN 37

Hình 3.2 Phổ hấp phụ FTIR của vật liệu g-C3N4 38

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu g-C3N4 38

Hình 3.4 Năng lượng vùng cấm của vật liệu g-C3N4 39

Hình 3.5 Khả năng tự phân huỷ của SMX 40

Hình 3.6 Hệ máy quang xúc tác 40

Hình 3.7 Hệ máy quang xúc tác bằng các vật liệu khác nhau (BTCN) trong xử lý SMX dưới ánh sáng nhìn thấy Điều kiện phản ứng: Nồng độ chất quang xúc tác (0,5 g/L) , nồng độ chất SMX =10 mg/L, pH =7, nhiệt độ = 25oC 41

Hình 3.8 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu BTCN tới sự phân hủy của SMX Điều kiện phản ứng: Nồng độ chất quang xúc tác (0,5 g/L), nồng độ chất SMX =10 mg/L, pH =7, nhiệt độ = 25oC 44

Hình 3.9 Sự phân hủy của SMX ở các độ pH khác nhau bằng BTCN Điều kiện

phản ứng: Nồng độ chất quang xúc tác (0,5 g/L) , nồng độ chất SMX =10

Hình 3.10 Ảnh hưởng của BQ, IPA và AO đến hiệu quả phân huỷ SMX bởi quá

trình quang xúc tác Điều kiện phản ứng: Nồng độ chất quang xúc tác

Hình 3.12 Cơ chế phân hủy chất ô nhiễm SMX bằng BTCN 49

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tên tác giả: Lê Thị Thuỳ Linh

Tên luận văn: Nghiên cứu khả năng xử lý dư lượng kháng sinh trong môi

trường nước bằng vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 8.44.03.01

Tên đơn vị đào tạo: Trường Đại học Nông lâm - Đại học Thái Nguyên

1 Mục tiêu nghiên cứu

Boron (B) dạng ống

xúc tác xử lý SMX trong môi trường nước

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính (biến tính dạng ống 1D và biến tính pha tạp nguyên tố boron) và ứng dụng công nghệ quang xúc tác xử lý chất kháng sinh SMX

3 Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng

Học viên đã sử dụng các phương pháp chính sau:

- Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp

cyanuric acid

+ Tổng hợp vật liệu g-C3N4 biến tính theo dạng ống 1D pha tạp boron (BTCN);

+ Xác định các đặc trưng vật liệu: Nhiễu xạ tia X (XRD), Chụp ảnh kính hiển

vi điện tử quét (SEM), Đo diện tích bề mặt riêng (BET), Phổ hồng ngoại (FTIR); Xác định tính năng lượng vùng cấm bằng phổ phản xạ khuếch tán

chúng với dung dịch SMX có nồng độ 10 mg/L dưới ánh sáng mô phỏng từ hệ đèn với công suất 400 W

+ Đánh giá ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý kháng sinh dư lượng nhỏ

- Phương pháp bẫy điện tử

4 Các kết quả chính và kết luận

4.1 Các kết quả chính

ống rỗng, với đường kính khoảng từ 1 đến 2 µm và chiều dài lên tới vài chục µm Kết quả FTIR cho thấy vật liệu có các nhóm chức C-N và liên kết C = N, C–N, và

27,3° của góc 2θ tương ứng với mặt phẳng tinh thể (100) của tri-s-triazine trong mặt phẳng đơn vị và mặt phẳng (002) của lớp xen kẽ có cấu trúc giống như than chì Thuộc tính quang học bao gồm biểu đồ quang và cấu trúc băng tần (DRS) đã được

BTCN với khả năng quang xúc tác vượt trội so với BCN và TCN cho xử lý SMX

- Ảnh hưởng của liều lượng vật liệu tới hiệu suất phân huỷ SMX trong môi trường nước: Liều lượng chất xúc tác BTCN 0.5 g/L là tối ưu cho quá trình quang xúc tác xử lý SMX

- Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý SMX trong môi trường nước: Với pH dung dịch ở mức 7, 9 và 11, hiệu quả của quá trình xúc tác quang sử dụng vật liệu BTCN, tăng lên 100%

- Cơ chế của quá trình phân huỷ SMX bởi quá trình xúc tác quang sử dụng vật

hợp sự hấp thụ ánh sáng khả kiến, tạo cặp lỗ electron và sản sinh các loại oxy phản ứng để phân hủy SMX thành các sản phẩm phụ ít độc hại hơn

4.2 Kết luận

(1) Vật liệu nano g-C3N4 có đặc trưng: PCN có hình thái 2D, sau đó chuyển thành cấu trúc dạng ống và pha tạp boron (BTCN), sau đó được xác định các đặc tính vật lý hóa học Phổ FTIR xác định các đỉnh đặc trưng của liên kết C-N thơm dị vòng và các liên kết chặt chẽ như các nhóm chức C = N, C–N và C–N–C, –NH2 và O–H; Phổ XRD chứng minh quá trình tổng hợp thành công của vật liệu g-C3N4 Sự đồng nhất về cấu trúc tinh thể giữa PCN, TCN là gần như giống nhau

(2) Vật liệu nano g-C3N4 mang lại hiệu quả trong ứng dụng cho quá trình quang xúc tác xử lý SMX, cụ thể là:

- Trong các dạng vật liệu cả thì BTCN vượt trội hơn cả khi hiệu suất phân hủy SMX đạt gần như hoàn toàn, đạt 99% sau 60 phút quang xúc tác Hiệu suất phân huỷ SMX của quá trình xúc tác quang của vật liệu BTCN cao hơn TCN và BTN tương ứng 1,6 và 2,4 lần

- Khi tăng liều lượng vật xúc tác BTCN lần lượt là 0,25 g/L, 0,5 g/L trong 90 phút thì hiệu suất phân huỷ SMX đạt tương ứng là 92% và 99% Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý SMX tốt nhất đạt được ở liệu lượng vật liệu trên thể tích chất ô nhiễm là 0.5/L, với mức độ phân hủy SMX đạt 99%

- Với các giá trị pH của dung dịch SMX tương ứng là 7, 9, 11 thì hiệu suất phân hủy SMX gần như hoàn toàn (99%) sau chỉ 60 phút phản ứng Tuy nhiên, khi tăng pH bằng 5, hiệu quả của quá trình xúc tác quang sử dụng vật liệu BTCN đã giảm dần xuống khoảng 78%

- Cơ chế phân hủy chất ô nhiễm bằng quá trình quang xúc tác là một quá trình hiệu quả trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm trong nước Vật liệu BTCN được nêu bật trong quá trình này, khi tiếp xúc với ánh sáng khả kiến, tạo ra các cặp electron-lỗ

THESIS ABSTRACT

Author's Name: Le Thi Thuy Linh

Thesis Title: Researching the potential for treating antibiotic residues in water

environments using modified Nano graphitic carbon nitride materials

Institute: Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry

1 Research Objectives

Boron (B) doping in tube-like form

treatment of SMX in water

2 Research Object and Scope

- Research Object: Modified nano graphitic carbon nitride materials (modified

in 1D tube form and doped with Boron) and their application in photocatalytic technology for treating antibiotic SMX

3 Research Methods Used

The student utilized the following main research methods:

- Secondary data collection method;

+ Synthesis of 1D tube-form Boron-doped modified g-C3N4 (BTCN);

- Determination of material characteristics: X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM) imaging, Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area measurement, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR); Determination of bandgap energy using diffused reflectance spectroscopy

them with an SMX solution at a concentration of 10 mg/L under simulated light from a 400 W lamp system

+ Assessment of the impact of time on SMX degradation by g-C3N4 material;

degradation;

+ Assessment of the impact of pH on the performance of residual antibiotic

- Electron trapping method

4 Main Results and Conclusions

4.1 Main Results

exhibited a hollow tube-like structure with a diameter ranging from 1 to 2 µm and lengths up to several tens of micrometers FTIR results indicated the presence of functional groups such as C-N aromatic bonds and tight bonds like C = N, C–N, and

27.3° of 2θ, corresponding to the crystal plane (100) of tri-s-triazine in the unit cell and the (002) plane of interlayer with a structure resembling graphite Optical properties, including diffuse reflectance spectra (DRS), were performed to

superior photocatalytic capability compared to BCN and TCN for SMX treatment

- Influence of material dosage on SMX degradation in water: The optimal catalyst dosage of BTCN was found to be 0.5 g/L for photocatalytic SMX degradation

- Investigation of pH influence on SMX treatment in water: At solution pH levels of 7, 9, and 11, the effectiveness of the photocatalytic process using BTCN reached nearly 100% However, when pH was adjusted to 5, the efficiency of the photocatalytic process using BTCN decreased to approximately 78%

- Mechanism of SMX degradation by photocatalytic process using BTCN: The degradation mechanism involves the absorption of visible light by BTCN, leading

to the generation of electron-hole pairs These electrons participate in the reduction

powerful oxidative species capable of oxidizing and degrading SMX

4.2 Conclusions

(1) Nano g-C3N4 materials were successfully characterized: PCN initially had a 2D morphology, which then transformed into a tube-like structure, and Boron-doped BTCN was characterized for its physicochemical properties FTIR spectra confirmed the characteristic peaks of aromatic C-N bonds and tight bonds such as C = N, C–N, C–N–C, –NH2, and O–H, while XRD analysis demonstrated the successful synthesis of g-C3N4 material The crystal structures of PCN, TCN, and BTCN were nearly identical

(2) Nano material g-C3N4 demonstrates effectiveness in applications for the photocatalytic treatment of SMX, specifically:

performance, achieving nearly complete (99%) SMX degradation within 60 minutes of photocatalysis The photocatalytic SMX degradation efficiency of BTCN was 1.6 and 2.4 times higher than that of TCN and BCN, respectively

- Increasing the BTCN catalyst dosage to 0.25 g/L and 0.5 g/L for 90 minutes resulted in SMX degradation efficiencies of 92% and 99%, respectively The

optimal SMX treatment efficiency was achieved at a BTCN catalyst dosage of 0.5 g/L, with a SMX degradation rate of 99%

At solution pH values of 7, 9, and 11, the photocatalytic efficiency of BTCN reached nearly 100% within 60 minutes of reaction However, increasing the pH by

5 units resulted in a gradual decrease in the efficiency of the photocatalytic process using BTCN to around 78%

- The photocatalytic degradation of pollutant compounds is an effective process for organic pollution treatment in water BTCN material plays a key role in this process, as it absorbs visible light, generates electron-hole pairs, and promotes

which contribute to the oxidation and degradation of SMX

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Thực trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay đang được sự quan tâm kể cả Việt Nam và trên toàn thế giới Tình trạng nhiễm môi trường nước đã và đang là một vấn đề nan giải toàn cầu, cần phải có những biện pháp cấp thiết để xử lý vấn đề này Trong những năm gần đây, tình trạng khan hiếm nước trên toàn thế giới dẫn tới

tỷ lệ nước ngọt không đủ đáp ứng nhu cầu của dân số hiện nay Quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa, các hoạt động nông nghiệp và dân số tăng nhanh đã dẫn đến khủng hoảng nước sạch được xác định là nguy cơ hàng đầu mà nhân loại phải đối mặt trong thập kỷ tới Với sự phát triển ồ ạt của các hoạt động công nghiệp và sản xuất nông nghiệp đã dẫn đến ô nhiễm nguồn nước tự nhiên bởi các chất hóa học độc hại khác nhau như thuốc nhuộm, phenol, thuốc trừ sâu, dung môi và các chất ô nhiễm dư lượng kháng sinh hữu cơ tồn tại trong tự nhiên khác nhau Sự ô nhiễm nguồn nước làm ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của con người và mất cân bằng hệ sinh thái

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý ô nhiễm nước thải khác nhau đã được áp dụng Phương pháp truyền thống để xử lý nước thải có thể được chia thành

ba loại: sinh học, hóa học và vật lý Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nước thải truyền thống này không hiệu quả vì chúng không loại bỏ được hoàn toàn chất ô nhiễm trong môi trường nước (Đặng Nguyên Giáp, 2019) Hơn nữa, chúng có những hạn chế do trong quá trình xử lý nó chỉ đơn giản là chuyển các chất ô nhiễm sang giai đoạn khác, điều này lại tạo ra các vấn đề để xử lý chất ô nhiễm mới Các phương pháp vật lý như lọc màng (lọc nano, thẩm thấu ngược, thẩm tách điện, )

và kỹ thuật hấp phụ được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, nhược điểm lớn của các quá trình màng là chúng có thời gian tồn tại lâu gây ra nhiều hạn chế trước khi xảy ra hiện tượng tắc màng và do chi phí vận hành cao, buộc chúng ta phải suy nghĩ về hiệu quả kinh tế của chúng (Nguyễn Mạnh Dũng và cs., 2022)

Quang xúc tác là một kỹ thuật oxy hóa nâng cao (Advanced oxidation AOP) cải tiến để xử lý các chất ô nhiễm vi sinh hữu cơ và vô cơ do nó khoáng hóa

process-hoàn toàn các chất ô nhiễm với chi phí vận hành thấp, vận hành dễ dàng và xử lý chất ô nhiễm kháng sinh triệt để Quang xúc tác sử dụng vật liệu bán dẫn đã thu hút

sự chú ý rộng rãi do năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng vô tận và thân thiện với môi trường và đã được ứng dụng thành công trong việc phân hủy các chất

ô nhiễm hữu cơ và khử trùng vi khuẩn gây bệnh trong hệ thống quang xúc tác (Nguyễn Lan Hương và cs., 2022)

Xuất phát từ những nhu cầu thực tiễn, được sự đồng ý của Khoa Môi trường, Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên và với sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS

Đỗ Thị Lan tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý dư lượng kháng sinh

trong môi trường nước bằng vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Boron (B) dạng ống

xúc tác xử lý SMX trong môi trường nước

3 Ý nghĩa của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu và áp dụng công nghệ quang xúc tác để xử lý dư lượng kháng sinh trong môi trường nước, từ đó giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường và nguy cơ sức khỏe con người Đồng thời, nghiên cứu vật liệu nano graphitic carbon nitride sẽ nâng cao năng lực nghiên cứu cho học viên

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nội dung của đề tài cung cấp giải pháp mới cho việc xử lý dư lượng kháng sinh trong môi trường nước, giảm thiểu tác động xấu của sự ô nhiễm môi trường đến sức khỏe con người và động vật Việc sử dụng vật liệu nano graphitic carbon nitride biến tính cũng có thể mở ra cơ hội cho việc sản xuất các vật liệu mới có tính chất và khả năng ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực khác như y tế, điện tử, năng lượng,

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước và phản ứng quang xúc tác

1.1.1 Ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước

Sự ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước đã trở thành một vấn đề đáng lo ngại vì ảnh hưởng có hại đến cả hệ sinh thái và các sinh vật Nguyên nhân là do việc

xả thải các chất kháng sinh thông qua các hoạt động của con người Tác động của ô nhiễm kháng sinh đối với hệ sinh thái là đáng kể, không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn làm xáo trộn sự cân bằng của những hệ sinh thái này

Dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân (Pharmaceuticals and personal care products - PPCPs) - được sử dụng rộng rãi và ngày càng tăng trong y học thú y

và con người, dẫn đến việc chúng ta thải ra môi trường một lượng lớn hằng ngày Các nhóm hợp chất hữu cơ đa dạng, chẳng hạn như thuốc kháng sinh, nội tiết tố, thuốc chống viêm, thuốc chống động kinh, thuốc điều hòa lipid máu, chất kháng khuẩn, thuốc đuổi côn trùng, chất bảo quản, sản phẩm chăm sóc cá nhân Đặc biệt thuốc kháng sinh (Antibiotics) được thêm vào thức ăn chăn nuôi để cải thiện sức đề kháng cho vật nuôi và thúc đẩy tốc độ tăng trưởng và hiệu quả sử dụng thức ăn ở một số nước như tetracyclines, sulphonamides, arsphenamines, polypeptides,

streptogramins, ansamycins, and lincosamides Trong quá trình sản xuất và ứng dụng, thuốc kháng sinh có thể xâm nhập hoặc chuyển hóa vào môi trường thông qua đường thải trực tiếp hoặc thải gián tiếp trong môi trường Điều này đã trở thành một mối quan tâm lớn do chúng được sử dụng rộng rãi và ngày càng tăng trong y học thú y và con người, dẫn đến việc chúng được thải ra môi trường liên tục (Keerthanan và cs, 2021)

Trên thế giới, việc sử dụng kháng sinh vượt quá 100.000 tấn/năm và ngày càng có nhiều lo ngại về tác động tiêu cực tới hệ sinh thái và môi trường Trong các chất kháng sinh, tetracycline (TC) đã được ứng dụng rộng rãi trong y học và thực

phẩm cho người và động vật do nó có tính năng kháng khuẩn vượt trội, chi phí thấp

và cải thiện khả năng tăng trưởng Tetracycline chủ yếu được tổng hợp dưới dạng bột tinh thể màu vàng không mùi và không tan trong dung môi hữu cơ Chính xác,

có thể chia các TC thành 4 loại chính các loại: tetracycline (TC), oxytetracycline (OTC), chlortetracycline (CTC) và doxycycline (DC) Tuy nhiên, tetracycline có thể được tích lũy trong cơ thể con người theo chuỗi thức ăn, có thể gây nguy hiểm đến sức khỏe con người ngay cả ở liều lượng thấp, như độc tính đối với các cơ quan và mất thính giác Ngoài ra, việc lạm dụng tetracycline đã làm gia tăng tần số của các gen kháng thuốc, có thể dẫn đến giảm hiệu quả điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn Hơn nữa, sự xuất hiện của vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh có khả năng lây lan sang các quần thể vi sinh vật khác gây ra tác động tiêu cực tiềm ẩn đến sức khỏe con người và động vật (Keerthanan và cs, 2021)

Tuy nhiễn, thuốc kháng sinh được thải ra ngoài môi trường tự nhiên một cách không kiểm soát, đều này gây ra những mối nguy hại tiền tàng đối với môi trường nước và con người Dựa vào nguồn thải, có 2 nguồn chính gây ô nhiễm kháng sinh tetracycline: trong bệnh viện và thuốc thú ý Trong bệnh viện, nguồn thứ nhất là thuốc kháng sinh hết hạn từ cơ sở y tế Thứ hai, nguồn kháng sinh tồn dư trong các thiết bị y tế của các bệnh viện Thứ ba, phân của bệnh nhân cũng mang theo kháng sinh thô và kháng sinh đã chuyển hóa Những loại kháng sinh không sử dụng này thải ra môi trường qua hệ thống nước thải đô thị Ngoài ra, kháng sinh trong nước thải đã qua xử lý ngấm vào đất và nước mặt, rồi đi vào nước ngầm gián tiếp Mặt khác, chúng đi vào hệ thống xử lý nước thải đô thị, tuy nhiên, các công nghệ xử lý nước không thể loại bỏ hoàn toàn chất kháng sinh, dự lượng thừa sẽ gây ô nhiễm môi trường nước Đối với thuốc thú y, tetracycline thường được sử dụng làm chất phụ gia thức ăn chăn nuôi, việc sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi và thủy sản là hai nguồn kháng sinh chính của thú y, các kháng sinh này cũng sẽ vào môi trường nước dưới dạng bài tiết của vật nuôi Theo một số nghiên cứu, phần lớn chăn nuôi

và nuôi trồng thủy sản ở nông thôn, thường không có hệ thống xử lý nước thải mà

xả trực tiếp vào nước mặt Trong những năm gần đây, vấn đề của ô nhiễm chất

kháng sinh đã xuất hiện tại các dòng kênh và sông đang đứng trước mức cảnh báo Các chất kháng sinh thường là các hợp chất khó phân hủy sinh học hoặc xử lý không hiệu quả Trong số đó, chất kháng sinh sulfamethoxazole (SMX) nằm trong danh sách 5 loại thuốc sulfonamide phổ biến, một trong những dạng kháng sinh thường xuyên được phát hiện trong môi trường nước, đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, nông nghiệp chăn nuôi và nuôi trồng thuỷ sản nhờ vào tính hiệu quả và chi phí thấp của nó Đặc biệt, Sulfamethoxazole thể hiện độ bền cao trong nước và khi tồn tại trong môi trường, nó có thể chuyển hóa thành các chất trung gian có độc tố

Ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước cũng tác động tiềm năng đến cả sức khỏe con người Điều quan trọng là hiểu rõ nguồn gốc và nguyên nhân của ô nhiễm này để hiệu quả giải quyết và giảm thiểu tác động tiêu cực của nó Theo một nghiên cứu của Qadeer và cs (2023), các nguồn ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước rất phức tạp Một trong những nguồn chính là sự xả thải nước thải từ các cơ sở sản xuất dược phẩm và bệnh viện, chăn nuôi Sự sử dụng rộng rãi của kháng sinh trong cả y học và thú y cũng góp phần tăng tổng lượng kháng sinh vào môi trường Những xả thải này chứa nồng độ kháng sinh cao nhưng không được loại bỏ hiệu quả Ngoài ra, việc sử dụng kháng sinh quá mức trong nông nghiệp, đặc biệt là trong chăn nuôi gia súc, đóng góp vào ô nhiễm của các nguồn nước thông qua việc xả thải phân của động vật Hơn nữa, việc tiêu hủy không đúng cách các kháng sinh hết hạn sử dụng gây ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước Kháng sinh là chất khó phân huỷ trong nước, dẫn đến tích tụ và tồn tại lâu dài trong hệ sinh thái môi trường nước Hơn nữa, thiếu công nghệ xử lý nước thải hiệu quả ở nhiều khu vực cho dẫn đến ô nhiễm trực tiếp của môi trường nước Tóm lại, hiểu rõ nguồn gốc và nguyên nhân của ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước là vô cùng quan trọng để phát triển các chiến lược hiệu quả để ngăn chặn và giảm thiểu tác động tiêu cực của ô nhiễm này Cần triển khai các phương pháp xử lý nước thải hợp lý, thúc đẩy việc sử dụng và phân huỷ kháng sinh và nâng cao nhận thức về hậu quả tiềm tàng của ô nhiễm kháng sinh để bảo vệ cả sức khỏe con người và hệ sinh thái

Ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước là một vấn đề đáng lo ngại có tiềm năng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Để giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh, đã có một số giải pháp được đề xuất Thushari và Senevirathna (2020)

đề xuất một trong những chiến lược chính là thi hành các quy định và chính sách nghiêm ngặt về việc sử dụng và xử lý kháng sinh Điều này bao gồm việc theo dõi

và kiểm soát việc thải ra kháng sinh từ các cơ sở sản xuất dược phẩm, các vùng nông nghiệp và các cơ sở chăm sóc sức khỏe Ngoài ra, việc khuyến khích sử dụng kháng sinh có trách nhiệm và giáo dục công chúng về hậu quả của ô nhiễm kháng sinh cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sự ô nhiễm Một giải pháp khác là phát triển và áp dụng các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến hiệu quả trong việc loại bỏ kháng sinh từ nước thải Điều này có thể bao gồm việc sử dụng lọc màng, các quá trình oxi hóa tiên tiến và hấp phụ Hơn nữa, triển khai các chương trình giám sát hiệu quả để định kỳ đánh giá sự hiện diện và nồng độ kháng sinh trong môi trường nước có thể giúp xác định các điểm ô nhiễm và hướng dẫn các nỗ lực giảm thiểu có định hướng Một nghiên cứu của Vittecoq và cs (2016) nêu rõ những hậu quả có hại của ô nhiễm kháng sinh đối với hệ sinh thái nước Việc

sử dụng quá mức và tiêu hủy không đúng cách kháng sinh đã dẫn đến ô nhiễm trong các nguồn nước, dẫn đến sự gián đoạn của quá trình sinh thái tự nhiên Kháng sinh

có thể làm mất cân bằng môi trường sống của các vi khuẩn trong nước, dẫn đến sự hình thành vi khuẩn kháng kháng sinh Những vi khuẩn kháng kháng sinh này sau

đó có thể lan truyền đến động vật hoang dã thông qua nhiều con đường, như tiếp xúc trực tiếp hoặc tiêu thụ nguồn nước và thức ăn bị nhiễm kháng sinh Điều này đe dọa sức khỏe và sự sinh tồn của các loài động vật hoang dã và con người Hơn nữa,

sự xuất hiện của kháng sinh trong hệ sinh thái nước cũng có thể làm gián đoạn cân bằng trong chuỗi thức ăn, khi một số sinh vật có thể nhạy cảm hơn với tác động của các chất ô nhiễm này so với những sinh vật khác

Tóm lại, ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước đặt ra mối đe dọa đáng kể đến cả sức khỏe con người và môi trường Việc sử dụng rộng rãi của kháng sinh trong y tế và thú y, kết hợp với việc tiêu hủy không đúng cách và hạ tầng xử lý

nước thải không phù hợp, đã dẫn đến sự hiện diện của những loại chất này trong nguồn nước Ô nhiễm này có thể dẫn đến sự hình thành các vi khuẩn kháng kháng sinh, làm cho những loại thuốc quan trọng này không còn hiệu quả trong việc điều trị các bệnh nhiễm trùng Hơn nữa, sự hiện diện của kháng sinh trong hệ sinh thái nước cũng có thể làm gián đoạn cân bằng trong chuỗi thức ăn, khi một số sinh vật

có thể nhạy cảm hơn với tác động của các chất ô nhiễm này so với những sinh vật khác Cần phải đưa ra các biện pháp cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm, bao gồm việc cải tiến các phương pháp quản lý chất thải, khuyến khích việc sử dụng kháng sinh

có trách nhiệm và triển khai các công nghệ xử lý nước tiên tiến Bảo vệ tính nguyên vẹn của môi trường nước là rất quan trọng đối với sức khỏe và cuộc sống của cả thế

hệ hiện tại và tương lai

1.1.2 Quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm nước thải

Để xử lý hoàn toàn các chất ô nhiễm hữu cơ khó có thể phân hủy, các nhà nghiên cứu đã áp dụng quá trình oxi hóa nâng cao -Advanced Oxidation Processes Những quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) được chứng minh là phương pháp mạnh

mẽ để chuyển hóa chất ô nhiễm thành chất không độc hại AOPs dựa vào việc tạo ra

có khả năng phân hủy mọi hợp chất hữu cơ khó phân hủy nhất và biến chúng thành

lý thông thường, AOPs cung cấp tốc độ phản ứng nhanh hơn và hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ chịu lửa sinh học khác nhau có trong nước và nước thải Quang xúc tác là một kỹ thuật AOPs cải tiến để xử lý các chất ô nhiễm vi sinh hữu cơ và vô cơ do nó có khả năng khoáng hóa hoàn toàn các chất ô nhiễm với chi phí vận hành thấp, dễ vận hành và xử lý triệt để Quang xúc tác sử dụng vật liệu bán dẫn đã thu hút sự chú ý rộng rãi do năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng vô tận và thân thiện với môi trường và đã được ứng dụng thành công trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và khử trùng vi khuẩn gây bệnh trong một hệ thống quang xúc tác Quá trình xúc tác quang hóa bắt đầu khi các photon bị hấp thụ bởi các chất bán dẫn có năng lượng cao hơn hoặc bằng với năng lượng vùng cấm, dẫn

đến kích thích các electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron - lỗ trống quang sinh Các electron và lỗ trống quang sinh này có thể tương tác lại trên

bề mặt vật liệu xúc tác bán dẫn hoặc trong khối các hạt bán dẫn, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc di chuyển đến bề mặt để tham gia vào các phản ứng với các phân tử hấp phụ trên bề mặt vật liệu bán dẫn Lỗ trống quang sinh

có khả năng oxi hóa, trong khi electron quang sinh có khả năng khử

Xúc tác quang là quá trình phức tạp với nhiều bước và hàng loạt các phản ứng xảy ra đồng thời và tuần tự (Lê Thanh Tuyền, 2019) Hình 1.1 mô tả cơ chế phản

các cấu tử oxi hóa mạnh khác, thúc đẩy quá trình phân hủy các chất độc hữu cơ trong nước Cơ chế xúc tác quang dưới bức xạ UV bao gồm các bước sau: (1) hình thành chất mang điện tích, (2) di chuyển chất mang điện tích, (3) bắt giữ chất mang điện tích, (4) tái kết hợp chất mang điện tích và (5) các phản ứng xảy ra trên bề mặt xúc tác

Hình 1.1 Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể (Lê Thanh Tuyền, 2019)

Cơ chế phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường của hệ xúc tác

quang sinh có thể di chuyển ra bề mặt hạt xúc tác và tác dụng trực tiếp hay gián tiếp với các chất hấp phụ trên bề mặt

Các electron quang sinh trên bề mặt chất xúc tác có khả năng khử mạnh Nếu

vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật xúc tác quang

Trong những năm gần đây, việc sử dụng các hợp chất có hoạt tính xúc tác

vật liệu được quan tâm nhiều nhất, những nghiên cứu đã chỉ ra bằng nó là chất xúc

có hoạt tính xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV) có giá trị năng lượng vùng cấm lớn ~ 3.2 eV sẽ sử dụng được ánh sáng tử ngoại (100 nm – 380 nm), nên việc

áp dụng trong thực tế khó khăn, ít hiệu quả vì trong ánh sáng mặt trời chỉ có 4 - 5% tia tử ngoại

Vì vậy, các đặc tính ấn tượng của các vật liệu sử dụng ánh sáng nhìn thấy (chiếm gần 43% dải ánh sáng) ngày càng được quan tâm và phát triển Một trong

sự quan tâm đáng kể, đạt nhiều thành tích trong lĩnh vực quang hóa, năng lượng sạch, khoa học môi trường và năng lượng nhờ cấu trúc dải điện tử hấp dẫn, độ rộng

vùng cấm trung bình (~ 2,7 eV) tương ứng với bước sóng quang ∼460 nm, và độ ổn định nhiệt và hóa học tuyệt vời (Wang và cs 2019)

Hình 1.2 Năng lượng vùng cấm và vị trí vùng dẫn( màu xanh), vùng hóa

trị (màu đỏ) của các vật liệu bán dẫn (Lu và cs, 2016)

Tính hiệu quả của một chất xúc tác quang hóa phụ thuộc vào cạnh tranh của các quá trình chuyển hóa khác nhau trên bề mặt liên quan đến cặp lỗ trống - electron quang sinh và sự giảm hoạt hóa do tái hợp lại của các hạt mang điện tích này Có nhiều yếu tố nội tại và bên ngoài ảnh hưởng đến quá trình động học và cơ chế của phản ứng xúc tác quang hóa trong môi trường nước Các yếu tố nội tại bao gồm pha tinh thể, bề mặt tinh thể tiếp xúc, kích thước tinh thể và sự có mặt của các chất phụ gia, tạp chất, và các trạng thái bề mặt khác nhau

Trong khi đó, môi trường xung quanh và các điều kiện xúc tác quang (như pH của dung dịch, chất ô nhiễm và nồng độ ban đầu của chúng, sự có mặt của các tạp chất trong hệ, cường độ ánh sáng, liều lượng chất xúc tác và tốc độ dòng chảy) được coi là các yếu tố bên ngoài Các yếu tố này cùng nhau tác động lên quá trình phản ứng xúc tác quang hóa và có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tốc độ của phản ứng trong môi trường nước

1.2.1 Giới thiệu về vật liệu g-C 3 N 4

gồm các nguyên tử C và N có cấu trúc tương tự như graphene, nó có tính ổn định

nhiệt lên đến 600°C trong không khí cũng như độ ổn định hóa học cao Lịch sử của carbon nitride có thể được bắt nguồn từ những ngày đầu của Berzelius và Liebig vào năm 1834 Những nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc đã được Franklin mô tả sớm nhất vào năm 1922 (Wang và cs 2012) Wang và cs (2009) lần đầu tiên báo cáo

loại, hoạt động dưới ánh sáng khả kiến cho quá trình sản xuất năng lượng hydro

gồm melamine (Li và cs 2016) cyanamide (Shiraishi và cs 2015) dicyandiamide (Wu và cs 2019), thiourea (Xiao và cs 2016) và urê (Zhang và cs 2016), là một

bằng melamine, urea, thiourea, cyanamide và dicyandiamide

1.2.2 Tổng quan các phương pháp tổng hợp g-C 3 N 4

Các phương pháp tổng hợp đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát cấu trúc nano, bao gồm việc điều chỉnh kích thước, cấu trúc và hình thái của chất

loại tiền chất Phương pháp thứ nhất là phương pháp từ dưới lên (bottom-up), sử

dụng hợp chất chứa Ni tơ làm tiền chất để tổng hợp g-C3N4 Phương pháp thứ hai là phương pháp từ trên xuống (top-down method) Phương pháp này thường sử dụng

tách hóa học và bóc tách nhiệt

Hình 1.4

phương pháp: từ dưới lên và từ trên xuống (Darkwah v cs, 2018)

1.2.2.1 Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

Phương pháp tổng hợp từ dưới lên là một phương pháp quan trọng để chuẩn bị

Cách tiếp cận từ dưới lên chủ yếu được chia thành hai loại: Loại đầu tiên là: phương

là: Phương pháp siêu phân tử tự lắp ráp- sử dụng lực giữa các phân tử để đảm bảo rằng sản phẩm có cấu trúc lỗ rỗng Phương pháp tạo khuôn được chia ra là: phương pháp khuôn mẫu cứng và phương pháp khuôn mẫu mềm

Phương pháp khuôn mẫu cứng được coi là một phương pháp linh hoạt để

KIT-6) và tiền chất giàu nitơ với nhau Sau khi làm khô, vật liệu composite thu

phương pháp này là diện tích về mặt cúa vật liệu rất cao và đồng đều Tuy nhiên

các tiền chất chứa Ni tơ, sau đó được nung trong môi trường chân không ở nhiệt độ

thống vì không dùng hóa chất quá độc hại như HF, HCl loãng có thể dễ dàng loại bỏ

khuôn silicon

Phương pháp khuôn mẫu mềm là một cách tổng hợp tương đối thân thiện thông qua việc lựa chọn các khuôn mẫu mềm Trong quá trình phát triển nhanh chóng của khuôn mẫu cứng, phương pháp khuôn mẫu mềm cũng đã thu hút được sự chú ý rộng rãi vì quy trình chuẩn bị đơn giản và không cần loại bỏ khuôn mẫu bằng

a xít độc hại như HF Các chất hoạt động bề mặt khác nhau (ví dụ, P-123 và F-127) Triton X-100 đã được sử dụng làm chất định hướng để tạo rác các cấu trúc trong

butylmethylimidazolium dicyanamide vào làm tác nhân định hướng cấu trúc

Trong những năm gần đây, tự lắp ráp phân tử đã được đề xuất như một phương pháp thay thế khuôn cứng và mềm đã đề cập bên trên Phương pháp tự lắp ráp phân tử

có thể dễ dàng kiểm soát hình thái carbon nitride thông qua các liên kết hydro so với phương pháp khuôn mẫu Điều đặc biệt là phương pháp này nhanh gọn, đơn giản,

1.2.2.2 Cách tiếp cận từ trên xuống (top-down)

BCN thông qua một hoặc nhiều bước xử lý bao gồm oxy hóa nhiệt, bóc tách hóa học, tách siêu âm và các phương pháp khác để làm CN mỏng hơn

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa các phương pháp tổng hợp g-C 3 N 4 bằng oxy hóa

nhiệt, bóc tách hóa học, tách siêu âm

Bóc tách hóa học là phương pháp dùng axit mạnh, amoniac và các chất có tính

mòn và điều kiện phản ứng do các cơ chế phản ứng khác nhau Tuy nhiên, tác nhân

chế PCN bằng phương pháp ăn mòn hóa học cần được cải thiện hơn nữa

Phương pháp bóc tách nhiệt cũng là phương pháp thân thiện với môi trường

do diện tích bề mặt (BET) lớn hơn rất nhiều (Pawar và cs 2016) Tuy nhiên, cách

năng lược và thời gian Phương pháp từ dưới lên rõ ràng thuận tiện và dễ dàng so với phương pháp từ trên xuống Nếu giải quyết được vấn đề dung môi trong phương pháp tự kết hợp siêu phân tử thì nó sẽ trở thành một phương pháp tiềm năng trong việc chuẩn bị các vật liệu có cấu trúc siêu nano

1.2.3 Các phương pháp nâng cao hiệu suất g-C 3 N 4

khiết vẫn có nhiều điểu hạn chế như: thiếu sự hấp thụ ánh sáng, diện tích bề mặt vật liệu thấp, dễ tái kết hợp điện tích Vì vậy, có một số phương pháp để khắc phục những điển hạn chế trên như: Kết hợp dị thể, biến đổi hình thái, biến tính, chất màu nhạy quang

1.2.3.1 Phương pháp pha tạp nguyên tố (doping)

một trong những kỹ thuật để điều chỉnh độ rộng vùng cấm của chất xúc tác quang bán dẫn và tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và các đặc tính vật lý khác (trích từ Recent development in graphitic carbon nitride based photocatalysis for hydrogen generation) Đã có nhiều nghiên cứu khác nhau được thực hiện biến

quá trình này cũng tăng diện tích bề mặt, năng lượng vùng cấp được thu hẹp, thời gian duy trì của các electron dài hơn, và hạn chế khả năng tái kết hợp của electron

và các lỗ trống

Sự khan hiếm kim loại trong tự nhiên và với giá thành cao của chúng là những rào cản đáng kể đối với các ứng dụng thực tế quy mô lớn Hơn nữa, tính nhiệt không ổn của chất xúc tác quang bán dẫn pha tạp kim loại này gây ra sự ăn mòn hóa học và tự phân hủy Vì vậy trong những năm gần đây, pha tạp phim kim đã thu hút được sự chú ý trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu Phốt pho, lưu huỳnh, cacbon, nitơ, ôxy, boron và halogen (F, Cl, Br, I ) là những chất pha tạp phi kim loại đã được kết

1.2.3.2 Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction)

quang hóa, sự lai tạo có thể chia làm 6 loại (Shen và cs 2019): Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction): Dị thể loại II, dị thể p-n, dị thể sơ đồ Z, cấu trúc chuyển tiếp kiểu Schottky, dị thể carbon và dị thể chứa nhiều chất bán dẫn

Hình 1.6 Các phương pháp lai tạo chuyển tiếp dị thể (Shen và cs, 2019)

biến tính giảm năng lượng vùng cấm, tăng cường năng lượng ánh sáng hấp thụ

1.2.3.3 Chất nhuộm màu nhạy quang (Dye- sensitization)

Phương pháp này phát huy tối đa dải ánh sáng mặt trời, dưới sự kích thích, electron sẽ được sinh ra từ vùng dẫn của chất nhuộm màu Chính các electron này

Kết quả nghiên cứu sự kết hợp với chất nhuộm màu tăng hiệu suất lên 7.7 lần

1.2.3.4 Thay đổi hình thái

Việc nâng cao hiệu suất quang xúc tác vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào hình thái, kích thước và cấu trúc của vật liệu Hơn nữa, thay đổi hình thái cũng thay đổi các tính chất quang học, hóa học và vật lý khác nhau Tổng hợp từ nhiều nghiên cứu, vật liệu quang xúc tác có những hình thái: Dạng cầu 0D, cấu trúc dạng ống 1D, dạng tấm 2D và dạng 3 chiều 3D

Do đặc tính quang học tuyệt vời dạng cầu 0D, nó có thể chuyển đổi ánh sáng cận Tia hồng ngoại thành ánh sáng khả kiến, điều này đóng một vai trò quan trọng trong việc hấp thụ năng lượng mặt trời Li và cs (2016) tiến hành nghiên cứu kết

năng lượng hy đro Các cấu trúc dạng ống (1D) giúp cho vật liệu có diện tích bề mặt lớn, giảm độ dài khuếch tán điện tích và tăng cường khả năng thu sáng Pawar

cứu cho thấy diện tích bề mặt tăng lên, đồng thời giảm năng lượng vùng cấm, tăng cường tính dẫn điện, nâng cao hiệu suất phản ứng cao gấp 26 lần so với số lượng

hóa học, nâng cao khả năng truyền điện tích Li và cs (2016) đã bóc tách bulk g-

cho thấy hiệu suất vượt trội do những phiến mỏng giúp tăng nhiệt tích về bề mặt, tăng diện tích tiếp xúc, đồng thời nâng cao khả năng truyền điện tích Tuy nhiên có

những năm gần đây, vật liệu 3 chiều (3D) được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Vật liệu dạng 3 chiều (3D) có diện tích bề mặt vượt trội, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, tăng khả năng tương tác với hợp chất khác đồng thời khả năng khếch tán rất

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.3.1.1 Tình hình nghiên cứu xử lý kháng sinh trong nước thải

Quá trình xử lý kháng sinh trong nước thải đóng vai trò quan trọng trong bảo

vệ sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường Nước thải đóng vai trò là một nguồn

chứa quan trọng cho các kháng sinh và vi khuẩn kháng kháng sinh, có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho sức khỏe con người nếu không được xử lý đúng cách Theo Kümmerer (2001), sự hiện diện của kháng sinh trong nước thải có thể đóng góp vào

sự phát triển và lây lan của vi khuẩn kháng kháng sinh Vi khuẩn kháng kháng sinh

có thể được giải phóng vào môi trường thông qua việc xả thải nước thải chưa qua

xử lý hoặc xử lý không đúng cách, dẫn đến ô nhiễm nguồn nước và tiềm tàng lây nhiễm cho con người thông qua tiêu thụ nước hoặc tiếp xúc với bề mặt bị nhiễm kháng sinh Hơn nữa, việc xả thải chất kháng sinh vào môi trường cũng có thể làm gián đoạn các cộng đồng vi khuẩn tự nhiên trong hệ sinh thái nước, ảnh hưởng đến cân bằng của các loài và sức khỏe tổng thể của hệ sinh thái Do đó, việc triển khai các phương pháp xử lý kháng sinh hiệu quả là cần thiết

Các phương pháp thông thường được sử dụng để xử lý kháng sinh trong nước thải bao gồm các quá trình vật lý, hóa học và sinh học Các phương pháp vật lý liên quan đến việc sử dụng lọc, kết tủa và hấp phụ để loại bỏ kháng sinh khỏi nước thải Các kỹ thuật lọc như lọc cát và lọc màng hiệu quả trong việc loại bỏ các hạt bám và các phân tử kháng sinh lớn hơn (Mendez và cs 2017) Các phương pháp hóa học, bao gồm các quy trình oxi hóa tiên tiến (AOPs) sử dụng các chất oxi hóa mạnh để

thấy kết quả đáng kể trong việc phân hủy nhiều loại kháng sinh có mặt trong nước thải Cuối cùng, các phương pháp sinh học sử dụng vi khuẩn nhằm phân hủy kháng sinh thông qua các quá trình như phân hủy sinh học và biến đổi sinh học Việc sử dụng các hệ thống xử lý bùn hoạt tính, bể xử lý sinh học đã được xem là hiệu quả trong việc loại bỏ kháng sinh khỏi nước thải

Tuy nhiên, việc xử lý kháng sinh trong nước thải vẫn đối mặt với một số thách thức trong việc loại bỏ kháng sinh một cách hiệu quả và giảm thiểu sự phát triển của các loại vi khuẩn kháng kháng sinh Như được nhấn mạnh bởi Strathdee và cs (2023), một trong những thách thức chính nằm ở tính đa dạng và phức tạp của các hợp chất kháng sinh có mặt trong nước thải Các hợp chất này có thể khác nhau về cấu trúc hóa học, tốc độ phân hủy và cơ chế kháng kháng sinh, khiến cho việc tạo ra một chiến lược xử lý chung là khó khăn Hơn nữa, sự có mặt của vi khuẩn kháng

kháng sinh và gene kháng kháng sinh trong nước thải là một vấn đề đáng lo ngại Gene kháng kháng sinh có thể tồn tại trong môi trường trong thời gian dài và thậm chí có thể chuyển giao giữa các chủng vi khuẩn khác nhau, dẫn đến sự xuất hiện của các loại vi khuẩn kháng kháng sinh đa dược Để giải quyết những thách thức này, nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các công nghệ xử lý tiên tiến có thể nhắm mục tiêu hiệu quả một loạt các kháng sinh và các sản phẩm phân hủy của chúng Ngoài ra, cần nỗ lực hiểu rõ hơn cơ chế kháng kháng sinh và truyền nhiễm gen kháng kháng sinh trong hệ thống xử lý nước thải, từ đó định hướng phát triển các chiến lược để ngăn chặn việc truyền nhiễm vi khuẩn kháng kháng sinh

Như vậy, việc xử lý kháng sinh trong nước thải nhấn mạnh tính quan trọng của việc giải quyết vấn đề ô nhiễm kháng sinh trong môi trường Sự hiện diện của kháng sinh trong nước thải đặt ra mối nguy hiểm đáng kể đối với sức khỏe con người và môi trường Với việc ngày càng sử dụng kháng sinh và sự gia tăng kháng kháng sinh kết quả, việc triển khai các phương pháp xử lý hiệu quả để giảm thiểu việc thải kháng sinh vào hệ thống nước của chúng ta là cần thiết Trong khi có các công nghệ xử lý khác nhau như phương pháp vật lý, hóa học và sinh học, một phương pháp tổng thể kết hợp nhiều chiến lược có thể là hiệu quả nhất trong việc giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh Nghiên cứu, đổi mới và sự hợp tác giữa các nhà khoa học, nhà quyết định chính sách và các bên liên quan là cần thiết để phát triển các giải pháp bền vững cho việc quản lý và xử lý nước thải chứa kháng sinh Bằng việc hành động ngay lúc này, chúng ta có thể bảo vệ nguồn tài nguyên nước và bảo

vệ sức khỏe cho thế hệ tương lai

1.3.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp quang xúc tác trong nước thải

Quang xúc tác đã nổi lên như một kỹ thuật hứa hẹn trong xử lý nước thải nhờ khả năng phân hủy nhiều chất ô nhiễm hữu cơ và khử trùng nước thông qua việc tạo

ra các loại nhóm oxy hóa dưới ánh sáng Quá trình này bao gồm sử dụng các chất

ánh sáng để khởi đầu các phản ứng hóa học Các chất xúc tác này, thông thường là

các vật liệu bán dẫn, tạo ra các cặp electron - lỗ trống sau khi hấp thụ ánh sáng, sau

đó tham gia vào các phản ứng oxi hóa - khử với nước và các hợp chất hữu cơ bám vào bề mặt Quá trình này tạo ra các nhóm oxy hóa như radicat hydroxyl (•OH),

năng oxy hóa, khoáng hóa các chất ô nhiễm hữu cơ Tính hiệu quả của quang xúc tác trong xử lý nước thải đã được nghiên cứu rộng rãi, với nhiều nghiên cứu chứng minh tiềm năng của nó trong việc phân hủy nhiều loại chất ô nhiễm, bao gồm các chất nhuộm, thuốc trừ sâu, dược phẩm Mashuri và cs (2020) đã tiến hành một

nhiễm hữu cơ trong nước thải mang lại hiệu quả loại bỏ đáng kể Tác giả cho rằng quá trình phân hủy thành công này là do việc tạo ra các nhóm oxy hóa, mà hiệu quả oxi hóa các chất ô nhiễm, dẫn đến việc khoáng hóa chúng

Một nghiên cứu được tiến hành bởi Pandey và cs (2021) đã nhấn mạnh một số

xu hướng và phát triển nghiên cứu hiện tại trong việc sử dụng quang xúc tác trong

xử lý nước thải Theo các tác giả, việc sử dụng các chất xúc tác mới, chẳng hạn như khung kết cấu kim loại và khung cấu trúc hóa học, đã thu hút sự chú ý đáng kể Những vật liệu này có diện tích bề mặt cao và tính chất có thể điều chỉnh, làm cho chúng trở thành vật liệu xúc tác lý tưởng để tăng cường hiệu suất quang xúc tác Ngoài ra, việc kết hợp quang xúc tác với các công nghệ tiên tiến khác, chẳng hạn như quá trình lọc màng và quá trình điện hóa, đã được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất xử lý Việc kết hợp này cho phép loại bỏ cả các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, dẫn đến quá trình xử lý nước thải toàn diện và hiệu quả hơn Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các chất xúc tác phản ứng với ánh sáng

có thể nhìn thấy để vượt qua những hạn chế liên quan đến việc sử dụng nguồn ánh sáng cực tím Bằng cách sử dụng ánh sáng có thể nhìn thấy, chiếc túi ánh sáng chiếm một phần đáng kể của bức xạ mặt trời, hiệu suất năng lượng của quang xúc tác có thể được cải thiện đáng kể Hơn nữa, nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu cơ chế tham gia trong các phản ứng quang xúc tác và nhu cầu phát triển các kỹ thuật đặc trưng tiên tiến để khám phá các tính chất bề mặt và cấu trúc

của các chất xúc tác Bằng cách hiểu rõ hơn về cơ chế này, các nhà nghiên cứu có thể tối ưu hóa thiết kế và tổng hợp chất xúc tác để cải thiện việc xử lý nước thải Các ứng dụng thực tế của quang phổ trong xử lý nước thải là đa dạng và bao gồm sự phân hủy các hợp chất hữu cơ, loại bỏ các kim loại nặng và làm cho vi khuẩn trở nên không hoạt động Ví dụ, quang xúc tác đã được áp dụng thành công

để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khác nhau, chẳng hạn như thuốc nhuộm, dược phẩm và thuốc trừ sâu, từ dòng nước thải (Sacco và cs 2020) Ngoài ra, quang xúc tác đã thể hiện tiềm năng lớn trong việc loại bỏ các kim loại nặng, chẳng hạn như chì, đồng và cadmium, thông qua việc hình thành các kết tủa oxit kim loại trên bề mặt xúc tác Hơn nữa, quang xúc tác đã được sử dụng hiệu quả để khử trùng nước bằng cách làm cho các vi sinh vật gây bệnh không hoạt động, bao gồm vi khuẩn, virus và nấm

liệu này đã được nghiên cứu một cách rộng rãi về hoạt tính quang xúc tác và khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới tác động vùng ánh sáng nhìn thấy (Ohno và cs 2014) Một nghiên cứu đã khám phá việc sử dụng một loại xúc tác

acetaldehyde Xúc tác quang học hỗn hợp đã thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao

chắc, giá thành thấp và không độc hại, khiến nó trở thành một ứng viên hấp dẫn cho các ứng dụng xử lý nước (Wang và cs 2020) Tiềm năng của nó trong phân tách nước bằng quang xúc tác đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực này Việc sử dụng

điện của chromium(VI) trong mẫu nước Quá trình tổng hợp bao gồm xử lý nhiệt

cao (Fang và cs 2016)