5 Kết quả thảo luận Kết quả thu được đáp ứng mục tiêu, nội dung của đề tài, Xử lí số liệu và thảo luận, đánh giá số liệu, có nhận xét đối chiếu các nghiên cứu liên quan Nhận xét: Các k
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
GVHD: TS NGUYỄN DUY ĐẠT SVTH: HUỲNH NGUYỄN CAO THÔNG
NGUYỄN THẢO HÀ
TP Hồ Chí Minh, tháng 7/2024
CHO QUÁ TRÌNH OXY HÓA TETRACYCLINE TRÊN VẬT LIỆU C-Fe ĐƯỢC TỔNG HỢP TỪ BÃ ĐẬU NÀNH
VÀ QUẶNG GOETHITE
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC & THỰC PHẨM
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT
Đề tài: Đánh giá khả năng xúc tác của H2O2 và K2S2O8 cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng
hợp từ bã đậu nành và quặng goethite
TP HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
-
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng hợp từ bã đậu nành và
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
-
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng hợp từ bã đậu nành và
Trang 4NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Sinh viên thực hiện:
Huỳnh Nguyễn Cao Thông MSSV: 20150101
Nguyễn Thảo Hà MSSV: 20150057
1 TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá khả năng xúc tác của H2O2 và K2S2O8 cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng hợp từ bã đậu nành và quặng goethite
Lĩnh vực:
Nghiên cứu Thiết kế ☐ Quản lý ☐
2 NỘI DUNG VÀ NHIỆM VỤ
- Khảo sát các thông số tối ưu (nhiệt độ thuỷ nhiệt, thời gian thuỷ nhiệt) để tổng hợp vật liệu composite từ goethite và than sinh học có nguồn gốc từ bã đậu nành nhằm loại bỏ TCH
- Xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hoá TCH trong nước dưới tác nhân
H2O2 và K2S2O8: pH, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, nồng độ tác nhân
- So sánh hiệu suất phân huỷ TCH của α-FeOOH và các tác nhân oxy hóa
- Khảo sát dư lượng tác nhân oxy hoá trong quá trình phân huỷ TCH
- Xác định bậc phản ứng, hằng số tốc độ và các giá trị nhiệt động lực học của phản ứng phân huỷ TCH
- Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu composite
- Khảo sát khả năng xử lí TOC của quá trình oxy hoá bậc cao dưới tác nhân H2O2 và
K2S2O8
3 THỜI GIAN THỰC HIỆN: 15/10/2023 đến 30/07/2024
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
Trang 54 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Duy Đạt
Đơn vị công tác : Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2024
TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
Trang 6ĐÁNH GIÁ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đồ án: Đánh giá khả năng xúc tác của H2O2 và K2S2O8 cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng hợp từ bã đậu nành và quặng goethite
Sinh viên:
Huỳnh Nguyễn Cao Thông MSSV: 20150101
Nguyễn Thảo Hà MSSV: 20150057
Thời gian thực hiện từ 15/10/2023 đến 30/07/2024
Ngày Nội dung thực hiện Nội dung điều chỉnh Chữ ký
GVHD
15/10/2023
Tiến hành nhận đề tài
và lên kế hoạch thực hiện nghiên cứu
16/10/2023 –
17/12/2023
Tham khảo các nguồn tài liệu trong và ngoài nước có nghiên cứu tương tự
Xác định phương pháp tổng hợp vật liệu composite bằng phương pháp thủy nhiệt
Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp vật liệu hiệu quả
Kết hợp thêm phương pháp nhiệt phân, giảm hóa chất trong quá trình tổng hợp vật liệu
18/12/2023 –
20/02/2024
Tổng hợp vật liệu ở các
tỉ lệ và điều kiện khác nhau
Viết đề cương chi tiết
Thay đổi quy trình gắn sắt và rửa vật liệu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
Trang 721/02/2024 –
02/04/2024
Chỉnh sửa đề cương chi tiết theo sự góp ý của hội đồng phản biện
Chạy thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy TCH
Thêm một số nội dung nghiên cứu cần thực hiện:
- Phân tích TOC
- Phân hủy TCH bằng FeOOH và các tác nhân oxy hóa mà không cần vật liệu composite làm mẫu đối chứng
α-03/04/2024 –
03/05/2024
Xác định bậc phản ứng, hằng số tốc độ, nhiệt động học phản ứng Phân tích TOC
Kiểm tra lại các phương trình và cách tính của động học phản ứng
04/05/2024 –
20/05/2024
Khảo sát dư lượng tác nhân oxy hoá trong quá trình phân huỷ TCH Phân tích SEM, XRD, BET của mẫu vật liệu
Tính toán lượng tác nhân oxy hóa tiêu thụ ở các khoảng thời gian Nhận xét các ảnh SEM, XRD, BET
Ngày 30 tháng 06 năm 2024
Giảng viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)
Trang 8PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Người nhận xét (học hàm, học vị, họ tên): TS Nguyễn Duy Đạt
Cơ quan công tác: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Sinh viên được nhận xét: Huỳnh Nguyễn Cao Thông MSSV: 20150101
2) Mục tiêu và nội dung
Tính cấp thiết của đề tài được làm rõ, mục tiêu cụ thể, phân chia nội dung công việc phù hợp, đề
tài có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3) Các ưu điểm chính của đồ án
Có tham khảo bài báo khoa học và tài liệu liên quan từ trong và ngoài nước
Cơ sở nghiên cứu phù hợp
Phương pháp nghiên cứu được trình bày rõ ràng
Kết quả nghiên cứu có tính chính xác
Kết luận, kiến nghị phù hợp với kết quả đề tài
4) Các nhược điểm chính của đồ án
Tổng quan nghiên cứu còn một số điểm có thể bổ sung để hoàn thiện
Còn một số thí nghiệm chưa được thực hiện như: khảo sát khả năng xử lý nước thải thực tế, xác định sản phẩm trung gian sinh ra trong quá trình phản ứng
5) Thái độ, tác phong làm việc
Thái độ tích cực, tinh thần ham học hỏi, tác phong làm việc nghiêm túc
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
Trang 9TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Người nhận xét (học hàm, học vị, họ tên): TS Ngô Hoàng Long
Cơ quan công tác: Viện kỹ thuật công nghệ cao – Trường Đại Học Nguyễn Tất Thành
Sinh viên được nhận xét: Huỳnh Nguyễn Cao Thông MSSV: 20150101
Bài viết có ít lỗi chính tả, văn phong khoa học biểu đạt ý tưởng mạch lạc, dễ hiểu
Một số chỉnh sửa dưới đây sẽ giúp bài khóa luận đầy đủ hơn
Đề nghị chỉnh sửa:
• Tất cả các đánh số danh mục, bảng biểu không để dấu chấm ở cuối
• Thống nhất cách đánh số chương
Trang 10• Không để khoảng trắng giữa các đánh số
• Hình ảnh mờ, những cấu trúc hóa học cần vẽ lại
• Chỉnh sửa lại ký hiệu nhiệt độ đúng quy chuẩn: °C
• Chỉnh sửa lại cách đánh dấu hình ảnh không để che khuất nội dung của hình
Trang 11• Cần trình bày lại hình này
2) Phần đặt vấn đề (Làm rõ tính cấp thiết của đề tài; Mục tiêu, nội dung nghiên cứu phù hợp)
Nhận xét:
Phần đặt vấn đề cũng như mục tiêu nghiên cứu đã được làm rõ
Nội dung nghiên cứu phù hợp với tên đồ án tốt nghiệp
Đề nghị chỉnh sửa:
3) Tổng quan (Tổng quan đầy đủ các vấn đề liên quan trực tiếp đến đề tài (chú ý tổng quan các nghiên cứu
trong và ngoài nước); Trình bày trích dẫn và liệt kê tài liệu tham khảo đúng quy định)
Nhận xét:
Tổng quan được trình bày rõ ràng đầy đủ thông tin các đối tượng trong nghiên cứu Tài liệu tham
khảo cập nhật Tuy vậy còn một số điểm cần bổ sung trong tổng quan
Trang 124) Phương pháp nghiên cứu (Phương pháp nghiên cứu phù hợp với mục tiêu, nội dung của đề tài, Viết rõ
ràng, dễ hiểu)
Nhận xét:
Phương pháp nghiên cứu được trình bày rõ ràng gồm đầy đủ các bước tổng hợp vật liệu và khảo sát khả năng hấp phụ
Phần thông tin về kính hiển vi điện tử quét còn sơ sài nên cập nhật thêm thông tin
Đường chuẩn thực nghiệm nên đưa xuống phần kết quả
Chưa nêu rõ quá trình lấy mẫu, xử lý mẫu và thu nhận kết quả UV-VIS (lấy mẫu thế nào, thời gian lấy mẫu, thể tích mẫu lấy khỏi dung dịch, lọc chất rắn thế nào để không ảnh hưởng kết quả
đo UV-Vis)
Đề nghị chỉnh sửa:
Chỉnh sửa lại những khuyết điểm trong phần nhận xét
5) Kết quả thảo luận (Kết quả thu được đáp ứng mục tiêu, nội dung của đề tài, Xử lí số liệu và thảo luận,
đánh giá số liệu, có nhận xét đối chiếu các nghiên cứu liên quan)
Nhận xét:
Các kết quả phân tích tính chất vật liệu cũng như đánh giá khả năng xử lý của vật liệu được trình bày rõ ràng cùng những bàn luận, có sự so sánh với các nghiên cứu đã thực hiện Tuy nhiên cần
bổ sung một số điểm để làm rõ bài nghiên cứu:
• Hình 3.1 chưa trình bày quá trình xác định lượng sắt thực tế có trong vật liệu
• Hình 3.3d chưa thấy rõ đâu là α-FeOOH, có thể thực hiện quét EDS để xác định nguyên
tố
• Kết quả XRD hình 3.4 của mẫu có chứa BC có cường độ khá thấp, cả mẫu trước và sau phản ứng đều có những peak không có cường độ thực sự khác biệt so với đường nền, cần chuẩn bị mẫu và phân tích mẫu XRD để thu được tín hiệu thực sự khác biệt
• Trang 52 có đoạn “nồng độ H2O2 quá cao sẽ làm tốc độ phản ứng của gốc OH* bị bão hòa” cần chứng minh luận điểm này bằng kết quả đã có (đường hấp phụ ở các nồng độ H2O2 khác nhau – tính ra hằng số tốc độ hấp phụ)
• Cần so sánh mẫu α-FeOOH hoạt động đơn lẻ nhằm nêu bật được ảnh hưởng của việc phải phân tán α-FeOOH lên nền than hoạt tính
• Vì kết quả TOC khá chênh lệch so với kết quả xử lý TCH nên nhóm nghiên cứu có thể đề suất một số sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn của TCH và nếu được có thể đánh giá ảnh hưởng của những sản phẩm trung gian này đối với môi trường
Trang 13Đề nghị chỉnh sửa:
Chỉnh sửa lại theo góp ý nhận xét
6) Kết luận – Kiến nghị và Tính khả thi của đề tài (Kết luận ngắn gọn, súc tích, đáp ứng được mục tiêu, nội dung đề ra, phù hợp với kết quả thu được)
Nhận xét:
Kết luận và nhận xét phù hợp với nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu đã đề ra được những điểm có thể cải thiện của nghiên cứu
Đề nghị chỉnh sửa:
7) Poster (Kết luận ngắn gọn, súc tích, đáp ứng được mục tiêu, nội dung đề ra, phù hợp với kết quả thu được)
Nhận xét:
Poster được trình bày rõ ràng đầy đủ thông tin Các kết quả chính đã được trình bày đầy đủ trong
poster Tuy vậy một số ghi chú trong hình còn chưa được rõ, có thể cải thiện thêm
Đề nghị chỉnh sửa:
Ngày 08 tháng 07 năm 2024
Người nhận xét
Trang 14TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
BÁO CÁO NỘI DUNG ĐƯỢC ĐIỀU CHỈNH
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Nguyễn Cao Thông MSSV: 20150101
Nguyễn Thảo Hà MSSV: 20150057 Tên đề tài: Đánh giá khả năng xúc tác của H2O2 và K2S2O8 cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng hợp từ bã đậu nành và quặng goethite
NỘI DUNG CHI TIẾT
STT Nội dung được yêu cầu Trang
Báo cáo điều chỉnh
(dựa trên báo cáo chính thức)
1 Chỉnh sửa hình thức theo
đúng quy định của bộ môn ☒ ☐ Cách đánh số chương, mục – iv Hình cấu trúc hóa học – 12
Trình bày biểu đồ kết quả – 59
2
Bổ sung tại sao sử dụng bã
đậu nành làm đối tượng
4 Thêm thông tin về kính
5
Đường chuẩn thực nghiệm
nên đưa xuống phần kết
bão hòa” cần chứng minh
Trang 15luận điểm này bằng kết quả
Giảng viên hướng dẫn Người viết
( Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên)
Trang 16Chúng em xin đặc biệt cảm ơn thầy TS Nguyễn Duy Đạt – Giảng viên Bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường, người trực tiếp hướng dẫn từng bước cho chúng em từ gợi ý
đề tài nghiên cứu đến giải đáp thắc mắc và góp ý để chúng em kịp thời sửa chữa, hoàn thiện đề tài Chúng em cũng xin cảm ơn cô Lê Thị Bạch Huệ - Chuyên viên phụ trách phòng thí nghiệm và xưởng thực hành Bộ Môn Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường đã tạo điều kiện cho chúng em được thực hiện nghiên cứu ở phòng thí nghiệm trong suốt thời gian thực hiện đề tài
Sau cùng, chúng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, thầy cô, anh chị và những người đã đồng hành cùng chúng em trong suốt 4 năm qua Chúng em sẽ không thể hoàn thành được khoá luận tốt nghiệp này và cũng không thể đạt được bất cứ kết quả nào nếu thiếu đi sự ủng hộ, động viên, giúp đỡ của tất cả mọi người
Chúng em biết rằng, những kiến thức và tầm hiểu biết của bản thân mình còn nhiều hạn chế nên bài luận này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được những ý kiến, đóng góp của thầy cô và các bạn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2024
Sinh viên thực hiện
Trang 17ii
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài nghiên cứu này được thực hiện bởi hai sinh viên là:
Nguyễn Thảo Hà, là sinh viên khóa 2020 chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, mã số sinh viên 20150057 và Huỳnh Nguyễn Cao Thông, là sinh viên khóa 2020 chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, mã số sinh viên 20150101
Chúng tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu khoa học của chúng tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Duy Đạt
Các thông tin tham khảo trong đề tài này được thu thập từ những nguồn đáng tin cậy,
đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được chúng tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng
ở phần Danh mục tài liệu tham khảo Các kết quả nghiên cứu trong đồ án này là do chính chúng tôi thực hiện một cách nghiêm túc, trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác
TS Nguyễn Duy Đạt, giảng viên hướng dẫn đề tài, có quyền sử dụng số liệu từ báo cáo này
Chúng tôi xin được lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này
TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2024
Sinh viên thực hiện
Trang 18iii
TÓM TẮT
Ô nhiễm nước do dư lượng kháng sinh Tetracycline (TCH) gây ra ngày càng được quan tâm trên toàn cầu, đây là loại kháng sinh được sử dụng phổ biến ở người và động vật TCH xâm nhập vào môi trường thông qua nhiều con đường, có thời gian tồn tại trong môi trường lâu dài và gây hại cho sức khỏe của con người Quá trình oxy hóa bậc cao (AOP)
sẽ là kỹ thuật mang đầy hứa hẹn để loại bỏ TCH, do hiệu quả xử lí đem lại rất cao Vật liệu composite (BC@Fe) có nguồn gốc từ bã đậu nành và goethite (α-FeOOH) được tổng hợp
dễ dàng thông qua 2 giai đoạn nhiệt phân và thủy nhiệt, tiết kiệm chi phí hóa chất, dễ thu hồi và tách ra khỏi nước thải, được sử dụng rộng rãi làm chất xúc tác rắn trong quá trình AOP Các kết quả mô tả đặc tính của BC@Fe11 cho thấy than sinh học có dạng lưới đồng đều với các hạt nano α-FeOOH phủ trên bề mặt, diện tích bề mặt riêng (33,7369 m2/g) cao hơn than sinh học (BC), phân tích XRD thì thấy có nhiều đỉnh nhiễu xạ phù hợp với các mặt phẳng (110), (130), (111), (140) và (221) chứng minh cho sự xuất hiện của các hạt nano α-FeOOH Trong nghiên cứu, vật liệu BC@Fe được sử dụng là chất kích hoạt Hydrogen peroxide (H2O2) và Peroxydisulfate (S2O82-) để phân hủy TCH có trong nước Hiệu suất xúc tác vượt trội của BC@Fe5, BC@Fe9, BC@Fe11 đạt được trong điều kiện
pH 2, nhiệt độ 30oC, nồng độ tác nhân 60mM lần lượt là 61,5%; 81,4%; 88,9% trong 90 phút với sự có mặt của H2O2 và 62,3%; 81,2%; 83,4% trong 15 phút với sự có mặt của
K2S2O8 Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, cả hai phản ứng xúc tác trên vật liệu BC@Fe với
sự có mặt của H2O2 và K2S2O8 đều tuân theo mô hình động học bậc 2 Các giá trị nhiệt động lực học cho thấy, quá trình oxy hoá TCH dưới hai tác nhân H2O2 và K2S2O8 trên vật liệu BC@Fe đều là phản ứng thu nhiệt (ΔH>0), có xu hướng xảy ra theo chiều làm tăng mức độ hỗn loạn của hệ phản ứng (ΔS>0) và tự diễn ra ở nhiệt độ 30oC (ΔG<0) Các khảo sát về khả năng tái sử dụng được thực hiện qua 5 chu kỳ cho thấy sự suy giảm hiệu suất phân hủy ở các tỉ lệ vật liệu BC@Fe không quá lớn và có cùng xu hướng, khi có mặt tác nhân H2O2 thay đổi từ 89,6% xuống còn 81,7% và tác nhân K2S2O8 từ 84,9% xuống còn 76,5% đối với BC@Fe11 Khả năng xử lí TOC và dư lượng tác nhân oxy hoá trong quá trình phản ứng cũng được tiến hành khảo sát Từ các kết quả trên, cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu composite vào quy trình xử lí nước thải có chứa hợp chất hữu
cơ khó phân huỷ sinh học
Trang 19iv
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
TÓM TẮT iii
DANH MỤC BẢNG viii
DANH MỤC HÌNH x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 2
3 Nội dung nghiên cứu 3
4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
4.1 Đối tượng nghiên cứu 3
4.2 Phạm vi nghiên cứu 6
5 Phương pháp nghiên cứu 6
6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 7
6.1 Ý nghĩa khoa học 7
6.2 Ý nghĩa thực tiễn 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 8
1.1 Kháng sinh và ô nhiễm dư lượng kháng sinh 8
1.1.1 Nguồn gốc phát sinh 8
1.1.2 Ảnh hưởng của chất kháng sinh đến hệ sinh thái 9
1.1.3 Tổng quan về Tetracycline 10
1.1.4 Các tác động của Tetracycline đến hệ sinh thái 12
Trang 20v
1.1.5 Các phương pháp xử lí tetracycline 13
1.2 Tổng quan về vật liệu xúc tác Fenton dị thể 14
1.2.1 Than sinh học (BC) 14
1.2.2 Goethite (α-FeOOH) 15
1.3 Tổng quan về quá trình oxy hóa bậc cao 16
1.3.1 Ứng dụng công nghệ xử lí nước thải bằng phương pháp Fenton 16
1.3.2 Quá trình Fenton đồng thể 19
1.3.3 Quá trình Fenton dị thể 20
1.3.4 Vai trò của các tác nhân oxy hóa trong quá trình oxy hóa bậc cao để phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ 21
1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 24
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 24
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 26
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28
2.1 Nội dung nghiên cứu 28
2.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu 29
2.2.1 Điều chế than sinh học từ bã đậu nành (BC) 29
2.2.2 Điều chế quặng Goethite (α-FeOOH) 30
2.2.3 Vật liệu composite tổng hợp từ than sinh học bã đậu nành và quặng Goethite (BC@Fe) 31
2.3 Phân tích hình thái bề mặt vật liệu 33
2.3.1 Phân tích sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33
2.3.2 Phân tích diện tích bề mặt (BET) 33
2.3.3 Phân tích quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 34
Trang 21vi
2.4 Thiết lập các thí nghiệm phân hủy TCH 35
2.4.1 Phương pháp xác định nồng độ TCH 35
2.4.2 Thí nghiệm xác định điều kiện tổng hợp vật liệu 35
2.4.3 Thí nghiệm xác định lượng sắt tổng có trong vật liệu composite 37
2.4.4 Thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hướng đến quá trình phân hủy TCH 37
2.4.4.1 Thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khi có mặt tác nhân oxy hóa H2O2 37
2.4.4.2 Thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khi có mặt tác nhân oxy hóa K2S2O8 40
2.4.5 Thí nghiệm đánh giá hiệu suất xử lí TCH của α-FeOOH và các tác nhân oxy hóa……… 41
2.4.6 Thí nghiệm khảo sát dư lượng của tác nhân oxy hóa 43
2.4.7 Động học và nhiệt động lực học của quá trình phân hủy TCH ở điều kiện tối ưu………44
2.4.8 Thí nghiệm khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu 45
2.5 Xác định tổng hàm lượng cacbon hữu cơ (TOC) 46
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48
3.1 Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp vật liệu 48
3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thuỷ nhiệt đến quá trình tổng hợp vật liệu 48
3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian thuỷ nhiệt đến quá trình tổng hợp vật liệu 49
3.2 Kết quả phân tích hình thái bề mặt vật liệu 51
3.2.1 Kết quả phân tích XRD trên vật liệu 51
3.2.2 Kết quả phân tích diện tích bề mặt của vật liệu 52
3.2.3 Kết quả ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 52
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy TCH 54
Trang 22vii
3.3.1 Ảnh hưởng của pH và thời gian phản ứng đến quá trình phân hủy TCH 54 3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và K2S2O8 đến quá trình phân hủy TCH 56 3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình phân hủy TCH 58 3.3.4 So sánh hiệu suất xử lí TCH của vật liệu có và không có nền chất mang BC 59 3.3.5 Khảo sát dư lượng tác nhân H2O2 và K2S2O8 trong quá trình phản ứng 62 3.4 Động học và nhiệt động lực học của phản ứng phân huỷ TCH 64 3.4.1 Động học phản ứng phân huỷ TCH dưới tác nhân H2O2 và K2S2O8 64 3.5 Đánh giá tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu BC@Fe 71 3.6 So sánh hiệu quả xử lí TOC của vật liệu BC@Fe dưới tác nhân H2O2 và K2S2O8 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 PHỤ LỤC xiv DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO xxix
Trang 23Bảng 2.6: Các thông số thí nghiệm đánh giá hiệu suất xử lí TCH của α-FeOOH và các tác nhân oxy hóa 41 Bảng 2.7: Các thông số thí nghiệm đo dư lượng của tác nhân oxy hóa 43 Bảng 3.1: Thông số phân tích BET của vật liệu………52
Bảng 3.2: Hàm lượng TCH bị loại bỏ, nồng độ tác nhân oxy hoá tiêu thụ và tỉ lệ nồng độ tác nhân oxy hoá tiêu thụ / hàm lượng TCH bị phân hủy 63 Bảng 3.3: Phương trình động học bậc nhất 65 Bảng 3.4: Phương trình động học bậc hai 65 Bảng 3.5: Tốc độ phân huỷ TCH ở các pH khác nhau trên BC@Fe11 67 Bảng 3.6: Hằng số tốc độ phản ứng phân huỷ TCH theo nhiệt độ 68 Bảng 3.7: Các giá trị nhiệt động lực học của phản ứng phân huỷ TCH 70
Trang 24ix
Bảng 3.8: So sánh năng lượng hoạt hoá trên một số xúc tác phân huỷ chất hữu cơ 70 Bảng T.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ thuỷ nhiệt đến hiệu suất phân huỷ TCH…………xxiii Bảng T.2: Ảnh hưởng của thời gian thuỷ nhiệt đến hiệu suất phân huỷ TCH xxiii Bảng T.3: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân huỷ TCH xxiii Bảng T.4: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến hiệu suất phân huỷ TCH xxiv Bảng T.5: Ảnh hưởng của nồng độ K2S2O8 đến hiệu suất phân huỷ TCH xxiv
Bảng T.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất phân huỷ TCH dưới tác nhân
H2O2 trên vật liệu BC@Fe11 xxv Bảng T.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất phân huỷ TCH dưới tác nhân
K2S2O8 trên vật liệu BC@Fe11 xxv Bảng T.8: So sánh hiệu quả xử lí TCH khi có và không có nền chất mang BC xxvi Bảng T.9: Dư lượng tác nhân oxy hoá trong quá trình phản ứng phân huỷ TCH xxvii Bảng T.10: Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu BC@Fe11 xxvii
Bảng T.11: Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu BC@Fe5, BC@Fe9, BC@Fe11 dưới tác nhân H2O2 xxvii Bảng T.12: So sánh hiệu quả xử lí TOC của vật liệu BC@Fe dưới tác nhân H2O2 và
K2S2O8 xxviii
Trang 25x
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Biểu đồ lượng tiêu thụ tetracycline mỗi năm ở một số quốc gia [45] 11 Hình 1.2: Cấu trúc tetracycline hydrochloride [47] 12 Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể goethite [70] 16 Hình 1.4: Quá trình oxy hóa của phản ứng Fenton dị thể [93] 21 Hình 2.1: Nội dung nghiên cứu……….28 Hình 2.2: Quy trình điều chế than sinh học từ bã đậu nành 29 Hình 2.3: Quy trình điều chế quặng Goethite 30 Hình 2.4: Quy trình thủy nhiệt than sinh học với quặng Goethite 31 Hình 2.5: Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại của IUPAC 34 Hình 2.6: Sơ đồ thực hiện thí nghiệm khảo sát nhiệt độ và thời gian cho quá trình thủy nhiệt 36 Hình 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ thuỷ nhiệt đến quá trình điều chế vật liệu a) đối với khả năng phân hủy TCH và b) lượng sắt thực tế có trong vật liệu………48 Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian thuỷ nhiệt đến quá trình điều chế vật liệu a) đối với khả năng phân hủy TCH và b) lượng sắt thực tế có trong vật liệu 49 Hình 3.3: Thể hiện giản đồ XRD của BC, Goethite và BC@Fe11 trước/ sau phản ứng 51 Hình 3.4: Ảnh SEM a) Bề mặt than sinh học (BC), b) Bề mặt than sinh học sau thủy nhiệt (ở điều kiện 200oC, 2 giờ) (BC-HTC), c) Bề mặt Goethite, d) Bề mặt vật liệu composite (BC@Fe11) 53
Hình 3.5: Ảnh hưởng của pH và thời gian phản ứng đến quá trình phân huỷ TCH dưới tác nhân (a),(c) H2O2 và (b),(d) K2S2O8 54 Hình 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân (a) H2O2 và (b) K2S2O8 đến quá trình phân huỷ TCH 56 Hình 3.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình phân huỷ TCH dưới tác nhân (a) H2O2 và (b) K2S2O8 58
Trang 26xi
Hình 3.8: So sánh hiệu quả xử lí TCH của vật liệu có và không có nền chất mang BC a) quá trình phân hủy TCH và b) quá trình hấp phụ TCH 59 Hình 3.9: Dư lượng của tác nhân oxy hoá trong quá trình phản ứng 62 Hình 3.10: Hiệu suất phân hủy TCH qua các lần tái sử dụng a) của vật liệu BC@Fe11 khi
có mặt tác nhân H2O2 và K2S2O8, b) chỉ có mặt tác nhân H2O2 ở các tỉ lệ vật liệu BC@Fe khác nhau 73 Hình 3.11: So sánh hiệu quả xử lí TOC của vật liệu BC@Fe dưới tác nhân H2O2 và
K2S2O8 74 Hình S.1: Ảnh SEM bề mặt vật liệu thủy nhiệt ở thời gian a) 2 giờ và b) 3 giờ……… xiv Hình S.2: Phương trình độc học bậc nhất của phản ứng phân huỷ TCH dưới tác nhân
H2O2 xiv Hình S.3: Phương trình độc học bậc nhất của phản ứng phân huỷ TCH dưới tác nhân
K2S2O8 xv Hình S.4: Phương trình độc học bậc hai của phản ứng phân huỷ TCH dưới tác nhân H2O2
xv Hình S.5: Phương trình độc học bậc hai của phản ứng phân huỷ TCH dưới tác nhân
Trang 28xiii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AOPs Advanced oxydation processes
BC@Fe Than sinh học gắn sắt
BET Brunauer – Emmett – Teller
COD Chemical oxygen demand
EDS Energy-dispersive X-ray spectroscopy FTIR Fourier-transform infrared
Trang 291
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Sự hiện diện của kháng sinh trong nước thải là vấn đề đáng lo ngại, đe doạ nghiêm trọng đến môi trường Ở một số loại thuốc kháng sinh khi đi vào cơ thể người và được bài tiết ra ngoài sẽ không phân hủy mà tồn tại trong nước thải Việc dư lượng kháng sinh có mặt ở trong nước thải dẫn đến sự kháng kháng sinh của vi sinh vật, ức chế kìm hãm các quá trình sinh trưởng tự nhiên và gây mất cân bằng hệ sinh thái, đặc biệt hơn là ảnh hưởng xấu tới sức khỏe và sự an toàn của con người [1] Tetracycline (TCH) là một loại thuốc kháng sinh được sử dụng rộng rãi để điều trị một số bệnh nhiễm trùng ở người và động vật,
có 70% kháng sinh TCH được thải vào nguồn nước dưới dạng các hợp chất gốc [2] Con đường chủ yếu để TCH xâm nhập vào nguồn nước thải là thông qua bài tiết của con người
và động vật, ngoài ra còn được tạo ra trong quá trình hoạt động sản xuất ở nhà máy dược phẩm và bệnh viện [3] Trong những năm gần đây do sự phát triển nhanh chóng của ngành nông nghiệp đã khiến việc sử dụng TCH ngày càng tăng, một lượng lớn TCH được tích lũy thải ra môi trường Mặc dù nước thải ở mỗi bệnh viện, cơ sở chăn nuôi và hộ gia đình đều được xử lí ở các nhà máy xử lí nước thải nhưng không thể loại bỏ được hoàn toàn TCH [4] Dư lượng TCH được tìm thấy tại các trang trại chăn nuôi và hệ thống thoát nước đô thị (tại Hà Nội) lần lượt là 318,6 ng/l và 258 ng/l Cho thấy mức độ tồn dư TCH trong nguồn nước thải là khá phổ biến [5] Vì vậy vấn đề xử lí dư lượng kháng sinh có trong môi trường là điều đáng quan tâm
Là một loại vật liệu thân thiện với môi trường, than sinh học có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp ngày càng cho thấy tiềm năng phát triển mạnh trong việc giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, nếu than sinh học chỉ được điều chế bằng một bước nhiệt phân thì thường có cấu trúc lỗ rỗng kém, nhóm chức bề mặt không đa dạng, dẫn đến khả năng xử lí chất ô nhiễm kém hiệu quả [6] Nhưng khi than sinh học được kết hợp thêm phương pháp thủy nhiệt, vật liệu sẽ trở nên đồng nhất, giàu nhóm chức cacbon và oxy, có thể được làm tiền chất hiệu quả cho quá trình cacbon hóa và hoạt hóa hóa học [7] Để nâng cao khả năng xử lí của vật liệu, phương pháp điều chế đã được phát triển bằng cách kết hợp với các oxit sắt Chẳng hạn như sử dụng vật liệu biến tính tổng hợp từ than sinh học
có nguồn gốc là chất thải nông nghiệp và goethite giúp giảm thiểu lượng kháng sinh tồn
Trang 302
dư trong môi trường nước [8] Trong đó, goethite có kích thước hạt nano là chất xúc tác được ưa dùng nhất cho quá trình Fenton dị thể do không gây độc, chi phí thấp, tính ổn định cao và khoảng cách dải hẹp [9] Bên cạnh đó, việc ứng dụng goethite kết hợp Hydrogen Peroxide (H2O2) cũng đã được nghiên cứu như một quá trình oxy hóa bậc cao giúp kiểm soát nguồn ô nhiễm nước Trong số các công nghệ oxy hóa bậc cao (AOP), quá trình Fenton
dị thể đã được chứng minh là một trong những cách hiệu quả nhất để loại bỏ các chất hữu
cơ với khoảng pH rộng, ít tốn hóa chất hơn quá trình Fenton đồng thể [10]
Phương pháp oxy hóa bậc cao là phương pháp được ứng dụng khá phổ biến để xử lí
dư lượng TCH có trong nước bởi hiệu quả cao trong việc phân hủy TCH với chi phí hợp
lý Sắt phản ứng với Hydrogen Peroxide (H2O2) trong quá trình Fenton dị thể tạo ra phản ứng mạnh không tạo ra lượng bùn thải Đồng thời oxy hóa bậc cao với tác nhân oxy hóa là Peroxydisulfate (S2O82-) cũng được áp dụng để xử lí nước thải [11] Phương pháp oxy hóa bậc cao dựa trên gốc Sulfate (SO4-*) sinh ra từ phản ứng giữa Peroxydisulfate (S2O82- ) và
Fe2+ đang ngày càng thu hút nhiều sự chú ý hơn khi so sánh với gốc hydroxyl (OH*) bởi tính chọn lọc oxy hóa cao hơn, thời gian tồn tại lâu hơn và thích ứng với khoảng pH rộng [12]
Từ những lý do nêu trên, bài nghiên cứu này sẽ tập trung “Đánh giá khả năng xúc tác của H2O2 và K2S2O8 cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng hợp từ bã đậu nành và quặng goethite”, với mong muốn loại bỏ dư lượng kháng sinh TCH có mặt trong nước thải
2 Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu composite bằng phương pháp thuỷ nhiệt Goethite và than sinh học có nguồn gốc từ bã đậu nành
- Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình Oxy hoá Tetracycline trong nước dưới tác nhân H2O2 và K2S2O8 trên vật liệu composite
- Phân tích động học và nhiệt động lực học của phản ứng phân huỷ TCH
Trang 313
3 Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát các thông số tối ưu (nhiệt độ thuỷ nhiệt, thời gian thuỷ nhiệt) để tổng hợp vật liệu composite từ goethite và than sinh học có nguồn gốc từ bã đậu nành nhằm loại bỏ TCH
- Khảo sát các thông số tối ưu trên vật liệu composite cho quá trình oxy hoá bậc cao dưới tác nhân H2O2 và K2S2O8 để loại bỏ TCH trong nước: pH, thời gian phản ứng, nhiệt
độ phản ứng, nồng độ tác nhân
- So sánh hiệu suất phân huỷ TCH khi có và không có chất nền
- Khảo sát dư lượng tác nhân oxy hoá trong quá trình phân huỷ TCH
- Xác định bậc phản ứng, hằng số tốc độ và các giá trị nhiệt động lực học của phản ứng phân huỷ TCH
- Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu composite
- Khảo sát khả năng xử lí TOC của quá trình oxy hoá bậc cao dưới tác nhân H2O2 và
K2S2O8
4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1 Đối tượng nghiên cứu
4.1.1 Đối tượng dùng để điều chế
Than sinh học biến tính được tổng hợp từ quá trình thủy nhiệt than sinh học bã đậu nành và quặng goethite
Hình 1 a) Bã đậu nành, b) Quặng Goethite trong tự nhiên
Bã đậu nành được xem là một loại phế phẩm nông nghiệp phát sinh từ hoạt động sản xuất sữa đậu nành, đậu phụ và dầu đậu nành Sau khi đậu nành được chế biến phần bã đậu
a
b
b
Trang 324
nành sẽ được thải ra ngoài, sản phẩm phụ khô này có màu trắng ngà, xốp có độ mịn và rời rạc Trong sản xuất sữa đậu nành, cứ 250 kg đậu nành tươi thành phẩm sữa thu được sẽ là 1000L, trung bình một năm sẽ có 8 x 105 tấn bã đậu nành được thải ra trong quá trình sản xuất sữa và đậu phụ [13] Theo các phương pháp truyền thống thì bã đậu nành thường được tận dụng để chế biến thức ăn chăn nuôi nhưng do trong bã đậu nành có chứa nhiều hàm lượng kháng yếu tố dinh dưỡng tự nhiên nên phương pháp này không được ưa chuộng [14] Phần lớn những phế phẩm này sẽ được chôn lấp hoặc đốt một cách lãng phí gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường đất, sinh mùi, ô nhiễm nước, mất tính đa đạng sinh học bởi
sự nóng lên toàn cầu Hiện nay với các nghiên cứu thực tế, để tăng khả năng tận dụng giá trị của nguồn phế phẩm nông nghiệp này bã đậu nành đã trở thành nguồn nguyên liệu tổng hợp than sinh học biến tính Trong quá trình cacbon hóa thủy nhiệt cho thấy diện tích bề mặt của vật liệu được tổng hợp từ bã đậu nành lên tới 1945 m2/g [15] Goethite (α-FeOOH)
là một khoáng vật phổ biến nằm trong đất, ngoài ra còn là thành phần chính của nhiều quặng, trầm tích Trong các loại oxit sắt, goethite được xem oxit sắt ổn định nhiệt động lực học nhất, thành phần bao gồm O2-, OH- và Fe3+ [16] Goethite có thể coi như một chất hấp phụ vì có diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng phản ứng trên bề mặt cao, đồng thời làm chất xúc tác quan trọng xử lí các chất gây ô nhiễm hữu cơ và cation [17] Tuy nhiên do khả năng phản ứng bề mặt cao nên các chất xúc tác ở dạng hạt nano này có xu hướng kết tụ, gây giảm hiệu suất trong quá trình phân hủy Cách tốt nhất là nên sử dụng chất xúc tác kết hợp với nền mang là chất rắn Giữa các chất mang được dùng như nhựa, zeolit, than hoạt tính, than sinh học, graphene oxyde (GO), ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) thì chất mang gốc cacbon có ưu điểm là dẫn điện cao, xốp với diện tích bề mặt cao cho phép các chất ô nhiễm tập trung xung quanh chất xúc tác và phân hủy hiệu quả [18] Dựa trên nghiên cứu đã được thực hiện bằng cách sử dụng than sinh học làm chất mang sắt xúc tác cho quá trình Fenton phân hủy methylene blue [19], đã chỉ ra rằng vật liệu cacbon có thể tăng cường hoạt động Fenton bằng cách tác động đến động lực học (cải thiện cơ chế chuyển điện tử) cũng như nhiệt động lực học (giảm thế oxy hóa khử Fe(III)/Fe(II))
Mặc dù than sinh học biến tính bằng phương pháp thủy nhiệt có nhiều tiềm năng trong việc xử lí chất ô nhiễm trong nước, nhưng hầu như các nghiên cứu về loại vật liệu này chưa được áp dụng nhiều Do đó việc nghiên cứu để tạo ra một loại vật liệu có thể ứng
Trang 335
dụng được trong quy trình xử lí nước một cách hiệu quả có nhiều ý nghĩa về mặt khoa học
và thực tiễn
4.1.2 Đối tượng dùng làm tác nhân oxy hóa trong quá trình oxy hóa bậc cao
Tác nhân oxy hóa (H 2 O 2 )
Hydrogen peroxide (H2O2) là một chất oxy hóa hiệu quả có thể oxy hóa các hợp chất hữu cơ với H2O và O2 là các sản phẩm phụ duy nhất [20] H2O2 đã nhận được sự quan tâm rộng rãi do hiệu quả cao và bảo vệ môi trường Sau khi kích hoạt bằng kim loại chuyển tiếp, điện phân, quang phân và ozone, H2O2 có thể được chuyển đổi thành gốc oxy hóa mạnh [21] Quá trình Fenton liên quan đến phản ứng của Fe2+ và H2O2 là phản ứng có tiềm năng oxy hóa khử cao (2,8 V / SHE), có thể làm suy giảm hiệu quả nhiều loại chất gây ô nhiễm hữu cơ thành các hợp chất không độc hại một cách nhanh chóng và không chọn lọc [22] Việc kích hoạt H2O2 bằng chất xúc tác ion sắt giúp quá trình oxy hóa bậc cao có hiệu suất cao hơn rất nhiều so với chỉ sử dụng H2O2 đơn lẻ một mình, bởi trong quá trình kích hoạt phản ứng sẽ tạo ra gốc OH* Đây là gốc oxy hóa mạnh, phản ứng nhanh và không chọn lọc với hầu hết các vị trí giàu electron của các chất gây ô nhiễm hữu cơ [23, 24, 25]
Tác nhân oxy hóa (K 2 S 2 O 8 )
Quá trình oxy hóa bậc cao dựa trên gốc sulfate (SO4-*) là một ứng dụng có tiềm năng loại bỏ các chất gây ô nhiễm được nghiên cứu rộng rãi vào giữa những năm 2000 Gốc
SO4-* được tạo ra nhờ quá trình kích hoạt tác nhân oxy hóa peroxydisulfate (PDS, S2O82- ) hoặcperoxymonosulfate (PMS, HSO5-),đây là hai trong số các chất số các oxy hóa mạnh nhất được ứng dụng trong các vấn đề về môi trường [26] Trong đó PMS là một loại muối hỗn hợp chủ yếu bao gồm kali hydro sulfate, kali sulfate và kali peroxymonosulfate theo
tỷ lệ 1:1:2 [27], ngược lại PDS thì chứa các ion sulfate và ion dương Nhìn chung, PMS và PDS đều được áp dựng rộng rãi nhờ khả năng tan trong nước tốt, chi phí thấp, dễ bảo quản
và ít tác động tới môi trường Tuy nhiên về mặt lý thuyết, đặc tính hóa học của PDS ổn định hơn và tiềm năng oxy hóa khử cao hơn PMS [27, 28] PDS thông thường bao gồm các chất như Na2S2O8, K2S2O8 và (NH4)2S2O8, trong số đó K2S2O8 được ứng dụng thường xuyên vì giá thành thấp, đặc tính hóa học ổn định và dễ hòa tan [28]
Trang 345 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu
Dựa vào dữ liệu được thu thập từ các bài báo khoa học, các tài liệu và các trang web liên quan … tìm hiểu về vấn đề ô nhiễm của loại kháng sinh cần xử lý, hiểu được đặc tính của dư lượng kháng sinh khi có mặt trong nước thải và các tác động có hại ảnh hưởng đến môi trường và con người Tìm hiểu về phương pháp oxy hóa nâng cao, Fenton dị thể và phương pháp điều chế vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt Tiến hành các thí nghiệm khảo sát bám sát với mục tiêu đề tài đã đặt ra để mang lại kết quả nghiên cứu hợp lý và chính xác nhất
Phương pháp thực nghiệm
Sau khi lập ra các kế hoạch mà bài nghiên cứu cần thực hiện, người nghiên cứu tiến hành thu thập các thông tin về đối tượng nghiên cứu thông qua sự thay đổi của các yếu tố môi trường và điều kiện xung quanh Tiến hành các thí nghiệm hóa học, vật lý khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của vật liệu
Phương pháp chuyên gia
Phương pháp này được sử dụng khi người nghiên cứu gặp các vấn đề khó giải đáp, cần có chuyên gia am hiểu nghiên cứu về vấn đề đó để giải đáp thắc mắc và đưa ra câu trả lời thỏa đáng Từ đó người nghiên cứu đúc kết, tích lũy thông tin để đưa những tri thức uyên bác về vấn đề được nhắc đến vào trong bài nghiên cứu khoa học của mình
Phương pháp phân tích và xử lí số liệu
Số liệu khi tiến hành các thí nghiệm sẽ được xử lí và phân tích qua các bước sau:
- Mã hóa số liệu: Các số liệu định tính (biến định tính) cần được chuyển đổi (mã hóa) thành các con số
Trang 357
- Nhập liệu: Số liệu được nhập và lưu trữ vào file dữ liệu để tiện cho quá trình thực hiện tính toán trên máy tính
- Hiệu chỉnh: Kiểm tra và ra soát những sai sót trong quá trình nhập số liệu từ bảng
số liệu ở file mềm vào file cứng trên máy tính
6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
6.1 Ý nghĩa khoa học
Kết quả thực nghiệm chế tạo vật liệu composite từ bã đậu nành và quặng goethite cung cấp cơ sở khoa học cho việc chuyển hoá chất thải rắn thành một loại vật liệu mới ứng dụng hiệu quả trong quá trình xử lí nước thải Với khả năng xúc tác của vật liệu dưới các tác nhân oxy hoá, nghiên cứu cho thấy những ưu điểm riêng biệt của H2O2 và K2S2O8 trong quá trình phân huỷ TCH Nghiên cứu có tính ứng dụng cao, chứng minh khả năng xúc tác cho quá trình oxy hoá bậc cao của vật liệu composite và tạo tiền đề cho các loại vật liệu tổng hợp chi phí thấp, thân thiện với môi trường
6.2 Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu chứng minh tính thực tiễn cao khi tái sử dụng nguồn nguyên liệu thô có sẵn, đã qua sử dụng là bã đậu nành Không những góp phần làm giảm thiểu chất thải rắn, giảm thiểu chi phí xử lí chất thải mà còn được ứng dụng trong việc điều chế vật liệu có khả năng xử lí nước thải y sinh chứa TCH, một loại thuốc kháng sinh khó phân huỷ bằng các phương pháp xử lí thông thường nhưng chiếm hàm lượng không nhỏ trong nước thải hiện nay
Trang 368
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 Kháng sinh và ô nhiễm dư lượng kháng sinh
ở gia súc, gia cầm, một lượng nhỏ chất kháng sinh thường được thêm vào thức ăn, nước uống Các trang trại chăn nuôi không thể không sử dụng thuốc kháng sinh để tối ưu kinh
tế, do đó, sẽ phát thải một lượng lớn dư lượng chất kháng sinh vào môi trường xung quanh [31]
Theo thống kê về tổng lượng tiêu thụ kháng sinh toàn cầu năm 2010 trong chăn nuôi
đã đạt tới 63 151 tấn và ước tính mức tiêu thụ kháng sinh sẽ tăng 67% vào năm 2030 [32]
Do nhiều hình thức sử dụng kháng sinh khác nhau, sử dụng quá liều, xử lí không đúng cách
đã dẫn đến hậu quả là sự xuất hiện lượng lớn dư lượng kháng sinh trong môi trường Theo nghiên cứu, khoảng 40 – 90% (tuỳ thuộc loại kháng sinh) dư lượng kháng sinh không được
cơ thể hấp thụ sẽ được bài tiết qua nước tiểu và phân dưới dạng hợp chất gốc và được thải
ra môi trường Các nhà máy xử lí nước thải thông thường sẽ không thể loại bỏ hoàn toàn
dư lượng kháng sinh có trong nước Nước thải sau xử lí và bùn thải sinh ra từ quá trình xử
lí sẽ tiêm nhiễm chất kháng sinh Một mối lo ngại khác nảy sinh là bùn có thể được tái sử dụng làm phân bón cho cây trồng trong khi nước thải sau xử lí sẽ được đưa trực tiếp vào nguồn nước mặt [33] Dư lượng kháng sinh có thể tác động tiêu cực đến các bậc dinh dưỡng
Trang 379
khác nhau trong hệ sinh thái và ảnh hưởng đến sức khoẻ con người [34] Trong đó, chất kháng sinh và các chất chuyển hoá thứ cấp của chúng thường được tìm thấy trong hệ sinh thái dưới nước, gây ra nhiều ảnh hưởng bất lợi đối với động vật thuỷ sinh [35] Mặt khác, trong môi trường đất, ở những vùng thu nhận trực tiếp nước thải bệnh viện, nước thải chăn nuôi, nồng độ kháng sinh có thể lên đến hàng trăm nanogram trên một kilogram đất Trên thực tế, dư lượng kháng sinh còn sót lại trong môi trường không chỉ do chúng được bổ sung liên tục mà còn ở tính bền, khó phân huỷ dẫn đến chúng có thể tồn tại lâu hơn, tích luỹ và lan rộng trong môi trường [36]
1.1.2 Ảnh hưởng của chất kháng sinh đến hệ sinh thái
Trong nhiều thập kỷ sau khi nghiên cứu và phát triển chất kháng sinh, người ta nhận thấy rằng việc sử dụng kháng sinh trong y học ở người, động vật và nông nghiệp là cần thiết để duy trì sức khoẻ cộng đồng và nâng cao chất lượng cuộc sống [37] Tuy nhiên, việc
sử dụng quá nhiều chất kháng sinh trong khi không có biện pháp xử lí phù hợp đã làm gia tăng mạnh mẽ hàm lượng kháng sinh trong hệ sinh thái tự nhiên Sự hiện diện của kháng sinh trong môi trường đất, nước không chỉ gây ảnh hưởng tới cấu trúc quần thể của vi sinh vật trong tự nhiên mà còn có thể làm thay đổi trạng thái sinh lý của vi sinh vật, làm tăng khả năng kháng kháng sinh của vi khuẩn Vi khuẩn có khả năng kháng kháng sinh cũng có thể chia sẻ gen cho những vi khuẩn khác để cung cấp khả năng kháng kháng sinh cho vi khuẩn khác.Việc tạo ra gen kháng thuốc ở vi khuẩn có thể gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình điều trị y học ở người, làm tăng độ khó và tỉ lệ tử vong [38]
Chính phủ Anh đã thực hiện nghiên cứu, đánh giá về tình trạng kháng kháng sinh ở
vi khuẩn và ước tính rằng tình trạng kháng kháng sinh ở vi khuẩn có thể giết chết khoảng
10 triệu người vào năm 2050 [39] Ở Mỹ, Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh Hoa Kỳ đã thống kê được tình trạng nhiễm trùng kháng kháng sinh ở quốc gia này đã tăng tới 15% trong giai đoạn 2019 – 2020, gây ra 29 400 ca tử vong ở người [40] Tình trạng nhiễm trùng kháng kháng sinh không chỉ gây ra tác động tiêu cực cho hệ thống y tế mà còn gây ra những thiệt hại không nhỏ về kinh tế Các loại thuốc cần thiết để điều trị khó dung nạp hơn và đắt hơn rất nhiều so với liệu pháp điều trị thông thường Ngoài ra, chi phí nằm viện và chăm sóc sức khoẻ cũng cao hơn khi thời gian nằm viện của bệnh nhân nhiễm trùng kháng kháng sinh sẽ lâu hơn Báo cáo của Ngân hàng Thế giới vào năm 2017 nhấn mạnh rằng thương mại, dịch vụ và sản xuất nông nghiệp sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi sự
Trang 3810
xuất hiện của vi khuẩn kháng kháng sinh, đặc biệt là ở những nước thu nhập vừa và thấp Các dịch vụ y tế bị ảnh hưởng trực tiếp nhất với chi phí thuốc men, thời gian điều trị, phác
đồ điều trị cũng như sẽ tốn kém hơn trong việc chẩn đoán bệnh Mặt khác, nhu cầu về dịch
vụ chăm sóc sức khoẻ ngày càng tăng cao đòi hỏi chi phí đầu tư về nhân lực và vật lực cho
y tế Đối với sản xuất, tình trạng kháng kháng sinh sẽ làm giảm năng suất trồng trọt, sản lượng chăn nuôi gây ra tác động không nhỏ đối với nền kinh tế toàn cầu Theo các báo cáo, thế giới sẽ thiệt hại từ 1,1 – 3,8% GDP hàng năm vào năm 2050 do những tác động tiêu cực của vi khuẩn kháng kháng sinh đến thương mại và sản xuất Tình trạng kháng kháng sinh của vi khuẩn là một vấn đề cấp bách trên toàn cầu, đòi hỏi một kế hoạch dài hạn Nếu không được kiểm soát và xử lí đúng cách, sự lây lan của mầm bệnh kháng kháng sinh trong tương lai sẽ trở nên nguy hiểm hơn rất nhiều so với hiện nay [41, 42]
Để giảm bớt những tác động tiêu cực của việc phát thải dư lượng kháng sinh ra ngoài môi trường, một số loại chất kháng sinh trong nông nghiệp đã bị giới hạn liều lượng sử dụng Ở nhiều quốc gia như Thuỵ Điển, Đan Mạch và một số nước châu Âu, thuốc kháng sinh đã bị loại bỏ khỏi vai trò là chất kích thích tăng trưởng và đã bị cấm sử dụng trong một số trường hợp [43]
1.1.3 Tổng quan về Tetracycline
Theo nghiên cứu của Xu và các cộng sự, Tetracycline là chất kháng sinh được sử dụng phổ biến thứ ba ở Brazil chỉ sau penicillin và quinolone [44] Trong khi đó, theo thống kê của Amangelsin và các cộng sự, tetracycline có mức tiêu thụ lên đến 13 579 tấn mỗi năm ở Nga, 6950 tấn mỗi năm ở Trung Quốc, 3230 tấn mỗi năm ở Mỹ và 2575 tấn mỗi năm ở các nước thuộc Liên minh Châu Âu (Hình 1.1) [45]
Trang 3911
Hình 1.1: Biểu đồ lượng tiêu thụ tetracycline mỗi năm ở một số quốc gia [45]
Tetracycline là một nhóm kháng sinh phổ rộng, có khả năng ức chế hoạt động của hầu hết các chủng gram dương và gram âm, kí sinh trùng đơn bào, bao gồm cả các sinh vật như mycoplasma, chlamydia và rickettsia [46] Kháng sinh nhóm này hoạt động tốt ở pH
6 – 6.5, nhưng không bền khi ở pH > 7 Tetracycline được hấp thu vào tá tràng và có khả năng khuếch tán nhanh chóng, đồng đều đến các mô trong cơ thể như phổi, màng phổi, tim, gan, thận, lách, mắt và nước bọt, trong khi sẽ tích luỹ ở xương và răng Kháng sinh nhóm tetracycline có thể phối hợp đồng thời với kháng sinh macrolide, sulfonamides và chloramphenicol Bên cạnh các lợi ích mà tetracycline đem lại, loại kháng sinh này cũng
có các tác dụng phụ như rối loạn tiêu hoá, buồn nôn, nôn mửa Mặt khác, tetracycline có thể tạo phức chất với các ion hoá trị II, vì vậy, không thể sử dụng với những dược phẩm
có chứa sắt [47]
Trang 4012
Hình 1.2: Cấu trúc tetracycline hydrochloride [47]
- Tên quốc tế: Tetracycline hydrochloride
- Phân nhóm: Cyclines
- Loại thuốc điển hình: Tetracycline 500mg, Tetracycline 1%
- Công thức phân tử: C22H25ClN2O8
- Khối lượng phân tử: 480,896 g/mol
Với các tính chất đã được đề cập, quy trình xử lí TCH thông qua nghiên cứu này bằng phương pháp oxy hoá bậc cao nếu có thể chứng minh thành công sẽ tạo tiền đề để áp dụng
xử lí các dư lượng dược phẩm khác
1.1.4 Các tác động của Tetracycline đến hệ sinh thái
Tetracycline là một trong những loại thuốc kháng sinh được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới Tuy nhiên, việc sử dụng quá mức của con người và các hạn chế của hệ thống
xử lí nước thải đã khiến tetracycline trở thành một mối đe dọa tiềm tàng đối với hệ sinh thái Nồng độ tetracycline cao trong các con sông sẽ tạo ra tình trạng vi khuẩn và mầm bệnh trong nước có thể phát triển khả năng kháng thuốc [48] Mặt khác, sự hiện diện của tetracycline trong môi trường nước sẽ ức chế sự phát triển của các loại tảo khác nhau Tảo xanh nước ngọt dễ nhạy cảm với tetracycline và các sản phẩm thoái hoá của tetracycline, trong khi các loài tảo nhân chuẩn có thể bị ức chế tăng trưởng [49] Ngoài ra, nồng độ tetracycline quá cao sẽ làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước, khuếch tán mật độ vi khuẩn