Đang tải... (xem toàn văn)
Trong nghiên cứu này, hiệu quả quang xúc tác phân hủy hợp chất kháng sinh sulfamethoxazole (SMX) sử dụng hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 và UV/H2O2/TiO2 được đánh giá dưới sự ảnh hưởng của các điều kiện khác nhau, bao gồm ảnh hưởng của các cation Na+, K+, Ca2+, Mg2+ và các anion NO3 -, Clvà SO4 2- .
Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Số 12 Nghiên cứu đánh giá hiệu xúc tác quang hóa hệ UV/S2O8/TiO2 UV/H2O2/TiO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh Nguyễn Hữu Vinh, Nông Xuân Linh, Nguyễn Thị Thương, Trần Văn Thuận, Nguyễn Duy Trinh * Viện Kĩ thuật Công nghệ cao Nguyễn Tất Thành, Đại học Nguyễn Tất Thành * ndtrinh@ntt.edu.vn Tóm tắt Trong nghiên cứu này, hiệu quang xúc tác phân hủy hợp chất kháng sinh sulfamethoxazole (SMX) sử dụng hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 UV/H2O2/TiO2 đánh giá ảnh hưởng điều kiện khác nhau, bao gồm ảnh hưởng cation Na+, K+, Ca2+, Mg2+ anion NO3-, Cl- SO42- Kết nghiên cứu rằng, SMX phân hủy tốt hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 sử dụng, khoảng 82,36% SMX loại bỏ sau 180 phút chiếu sáng Ngoài ra, kết nghiên cứu cho thấy anion cation có ảnh hưởng mạnh đến hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 Hoạt tính quang xúc tác tăng nhẹ có diện anion Cl- cation Na+, khoảng 89,78% SMX loại bỏ sau 180 phút chiếu sáng Trong đó, hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX giảm đáng kể diện anion SO42- cation K+ tương ứng với 53,70% 60,73% SMX loại bỏ sau 180 phút chiếu sáng… ® 2020 Journal of Science and Technology - NTTU Giới thiệu Hiện nay, việc sử dụng chất kháng sinh trở nên phổ biến kĩ thuật phân tích tiên tiến phát triển tồn chất môi trường sinh thái trở thành mối quan tâm nhà khoa học Vì chất kháng sinh hợp chất có độ bền tính ổn định tương đối cao nên diện chất kháng sinh nước thải gây nhiều mối đe dọa mơi trường[1] Do đó, việc loại bỏ hợp chất nước thải đạt đến tiêu chuẩn cho phép trước vào hệ thống thoát nước cần thiết Đến nay, có nhiều cơng nghệ phát triển để loại bỏ chất kháng sinh môi trường nước kĩ thuật điện phân, màng lọc phương pháp oxi hóa bậc cao (advanced oxidation processes, AOPs)[2] Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ bị hạn chế số trở ngại chi phí cao tiêu tốn nhiều lượng Vì vậy, việc phát triển công nghệ loại bỏ hợp chất kháng sinh mơi trường nước đạt hiệu cao phải có chi phí hợp lí cần quan tâm nghiên cứu Q trình oxi hóa bậc cao (AOPs) trở nên quan trọng việc loại bỏ triệt để chất kháng sinh môi trường nước ưu điểm xử lí chất hữu bền khơng bị phân hủy sinh học[3] Về bản, AOPs Đại học Nguyễn Tất Thành Nhận 08.08.2019 Được duyệt 14.02.2020 Cơng bố 30.03.2020 Từ khóa vật liệu TiO2, quang xúc tác, phân hủy sulfamethoxazole, chiếu xạ ánh sáng UV phân chia trình sau: ozone hóa, sóng siêu âm, oxi hóa tổng thể, UV, trình Fenton xúc tác quang hóa sử dụng vật liệu bán dẫn, phân hủy phóng xạ, phương pháp điện điện hóa[4] Trong q trình việc sử dụng vật liệu bán dẫn đánh giá cao ưu điểm xây dựng vận hành dễ dàng nhiệt độ phòng Ngồi ra, hình thành cặp electron-lỗ trống q trình AOPs tham gia vào phản ứng với chất nhận điện tử O2 chất cho điện tử H2O OH− để tạo gốc phản ứng, đặc biệt gốc hydroxyl phân hủy chất hữu độc hại[5] Về hướng nghiên cứu này, vật liệu bán dẫn TiO2 biết đến rộng rãi, phân hủy thuốc kháng sinh với độ bền cao thân thiện với môi trường TiO2 sở hữu lượng vùng cấm lớn Eg = 3.2 eV Khi chiếu xạ UV lên bề mặt TiO2, TiO2 bị kích thích hình thành cặp electron (e-) lỗ trống (h+) cần thiết cho q trình xúc tác quang hóa oxi hóa khử Electron (e-) lỗ trống (h+) phản ứng hiệu với phân tử nước oxi hấp phụ bề mặt TiO2 để tạo gốc tự Tuy nhiên, trình này, trình tái tổ hợp electron (e-) lỗ trống (h+) diễn ra, hoạt tính quang hóa q trình bị hạn chế Để ngăn chặn trình tái hợp này, việc sử dụng ion persulfate phân tử Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số H2O2 với vai trị bẫy điện tử nâng cao hiệu xúc tác TiO2 phân hủy hợp chất hữu cơ, đặc biệt hợp chất kháng sinh Về hướng nghiên cứu này, Emad S.Elmolla Malay Chaudhuri chứng minh việc thêm H2O2 vào hệ xúc tác UV/TiO2 cho kết phân hủy hồn tồn amoxicillin, ampicillin, cloxacillin 30 phút DOC loại bỏ nitrate (NO3−), ammonia (NH3), sulfate (SO42−) hình thành trình phân hủy Do dó, hệ xúc tác UV/H2O2/TiO2 đánh giá hiệu cho trình phân hủy amoxicillin, ampicillin cloxacillin mơi trường nước[6] Bên cạnh đó, Mantzavinos đồng nghiệp báo cáo hiệu xúc tác TiO2 pha tạp tungsten (W) cho phân hủy quang hóa sulfamethoxazole (SMX) với có mặt persulfate ánh sáng mặt trời mô Họ rằng, trình phân hủy SMX trải qua trình hình thành hàng loạt sản phẩm chuyển hóa sơ cấp thứ cấp (transformation by-products, TBPs) xác định phân tích LC-TOF-MS[7] Ngồi ra, Ismail cộng đánh giá hiệu persulfate hệ phản ứng khác (UV, solar light, electron, Fe(II)) phân hủy sulfaclozine với ảnh hưởng nồng độ persulfate Hệ UV/TiO2/K2S2O8 cho kết hoạt tính cao tất nồng độ persulfate khác nhau[8] Do đó, có mặt tâm hoạt động ion persulfate phân tử H2O2 với vai trị tâm bắt electron cải thiện tốc độ phân hủy hiệu trình Gần đây, áp dụng phương pháp oxi hóa bậc cao quan tâm nhà nghiên cứu nước cho phân hủy chất kháng sinh Ví dụ, nhóm tác giả Lê Trường Giang (Viện Hóa học, VAST) phát triển công nghệ phân hủy chất kháng sinh sarafloxacin sử dụng hệ xúc tác UV/H2O2 Hệ xúc tác UV/HOCl/ClO- thu hút quan tâm nghiên cứu[9] Tuy nhiên nay, theo tìm hiểu nhóm nghiên cứu, nghiên cứu trước nước hầu hết chưa tập trung vào nghiên cứu đánh giá hiệu xúc tác quang hóa hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 UV/H2O2/TiO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh Do đó, nghiên cứu này, hiệu xúc tác quang hóa hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 UV/H2O2/TiO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh đánh giá ảnh hưởng điều kiện khác nhau, bao gồm ảnh hưởng cation Na+, K+, Ca2+, Mg2+ anion NO3-, Cl-và SO42- Thực nghiệm 2.1 Hóa chất Titanium(IV) oxide (TiO2(P25), anatase, 99,8% (SigmaAldrich), sulfamethoxazole (Sigma-Aldrich), sodium persulfate (Na2S2O8, ≥98%, Sigma-Aldrich), hydrogen peroxide (H2O2, 30%, hóa chất cho phân tích (analytical 13 reagent, AR), Xilong Chemical, Trung Quốc), nước cất (từ máy nước cất lần hãng Lasany, Ấn Độ) 2.2 Phương pháp đánh giá hoạt tính quang hóa Hoạt tính quang xúc tác vật liệu đánh giá dựa phản ứng quang xúc tác phân hủy sulfamethoxazole (SMX) môi trường nước, nguồn chiếu xạ đèn UV (UV lamp; Shenzhen Yisi Technology Co., Ltd, Longhua New, Shenzhen, China; Wavelength range: 300 ~ 400nm; Main wave for peak: 365nm; Wattage: 20W) Q trình thí nghiệm cụ thể sau: Xúc tác (50mg) phân tán dung dịch SMX (100ppm) khuấy bóng tối 60 phút Sau đó, chiếu đèn mẫu lấy theo khoảng thời gian (30 phút) Dung dịch sau lấy li tâm 5000 vòng/phút 10 phút để loại bỏ xúc tác Nồng độ SMX kiểm tra máy UV-vis (Evolution 60S UV-Visible Spectrophotometer) Kết bàn luận 3.1 Kết hoạt tính quang xúc tác TiO2-P25 Hoạt tính quang xúc tác mẫu TiO2 đánh giá thông qua phản ứng quang xúc tác phân hủy SMX môi trường nước ánh sáng đèn UV Theo kết đánh giá hoạt tính quang xúc tác thể Hình 1A, thấy diện H2O2 S2O8- có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt tính quang xúc tác TiO2 SMX khơng bị quang phân khơng có mặt TiO2, cho thấy SMX bền ánh sáng UV Hiệu phân hủy SMX tăng từ 57,92% hệ UV/TiO2 lên 68,66% hệ UV/H2O2/TiO2 sau 180 phút chiếu sáng Kết do, H2O2 sử dụng hiệu phân tách electron lỗ trống TiO2 cải thiện, từ nâng cao hoạt tính quang xúc tác vật liệu hình thành gốc hydroxyl nhiều phản ứng H2O2 với TiO2 bị kích thích xạ với bước sóng thích hợp Ảnh hưởng hiệu phân tách electron lỗ trống lên hoạt tính quang xúc tác TiO2 quan sát rõ hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2, trước S2O8 sử dụng, khoảng 57,92% SMX loại bỏ hệ xúc tác UV/TiO2, khả phân hủy SMX tăng đáng kể với khoảng 82,36% SMX bị phân hủy sau 180 phút chiếu sáng hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 sử dụng Sự quang xúc tác phân hủy SMX theo thời gian tuân theo động học bậc nhất, xác nhận thơng qua đường tuyến tính ln(C0/Ct) theo t biểu diễn Hình 1B Hoạt tính quang xúc tác tăng theo thứ tự hệ xúc tác sau: UV/TiO2< UV/H2O2/TiO2< UV/S2O8/TiO2 với số tốc độ (k) tương ứng 4,77×10-3 phút-1, 6,20×10-3 phút-1 và, 9,17×10-3 phút-1 Hình 1C cho thấy thay đổi phổ hấp thu UV-vis SMX theo thời gian chiếu sáng hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 sử dụng Khi tăng thời gian chiếu sáng, đỉnh hấp thu cực đại SMX bước sóng 266nm giảm dần Đại học Nguyễn Tất Thành Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Số 14 (B) (A) SMX SMX-P25 SMX-H2O2 0.8 SMX-H2O2-P25 Absorbance -ln(C/C0) C/C0 0.4 SMX SMX-P25 SMX-H2O2 1.0 SMX-S2O8 SMX-H2O2-P25 -60 -30 min 30 60 90 120 150 180 SMX-S2O8 1.5 SMX-S2O8-P25 0.6 SMX-S2O8-P25 (C) 2.0 1.0 0.5 SMX-S2O8-P25 0.2 -60 -30 30 60 0.0 90 120 150 180 30 60 90 Time (min) 120 150 200 180 250 300 350 400 450 500 450 500 Wavelength Time (min) Hình Hiệu phân hủy SMX mẫu P25: (A) C/C theo thời gian(t), (B) –ln(C/C0) theo thời gian (t) (C) thay đổi phổ hấp thu SMX theo thời gian hệ xúc tác SMX/S 2O8/P25 (B) (A) P25-S2O8 P25-S2O8-NaNO3 P25-S2O8-NaCl P25-S2O8-Na2SO4 1.0 P25-S2O8 P25-S2O8-NaNO3 P25-S2O8-NaCl P25-S2O8-Na2SO4 Absorbance -ln(C/C0) C/C0 0.6 0.2 -60 -30 min 30 60 90 120 150 180 1.5 0.8 0.4 SMX-P25-S2O8-NaCl (C) 2.0 1.0 0.5 0.0 0.0 -60 -30 30 60 90 120 150 180 30 Time (min) 60 90 120 150 180 200 250 Time (min) 300 350 400 Wavelength C/C0 Hình Hiệu phân hủy SMX mẫu P25 ảnh hưởng anion khác nhau: (A) C/C0 theo thời gian (t), (B) –ln(C/C0) theo thời gian (t) (C) thay đổi phổ hấp thu SMX theo thời gian hệ xúc tác SMX/S 2O8/Cl-/P25 (B) (A) P25-S2O8 P25-S2O8-NaCl P25-S2O8-KCl P25-S2O8-CaCl2 P25-S2O8-MgCl2 1.0 2.0 0.4 0.2 P25-S2O8 P25-S2O8-NaCl P25-S2O8-KCl P25-S2O8-CaCl2 P25-S2O8-MgCl2 0.0 -60 -30 min 30 60 90 120 150 180 Absorbance -ln(C/C0) C/C0 0.8 0.6 SMX-P25-S2O8-NaCl (C) 2.5 1.5 1.0 0.5 0.0 -60 -30 30 60 90 120 150 180 30 60 Time (min) 90 120 Time (min) 150 180 200 250 300 350 400 450 500 Wavelength Hình Hiệu phân hủy SMX mẫu P25 ảnh hưởng anion khác nhau: (A) C/C theo thời gian (t), (B) –ln(C/C0) theo thời gian (t) (C) thay đổi phổ hấp thu SMX theo thời gian hệ xúc tác SMX/S 2O8/Na+/P25 Ảnh hưởng anion cation đến hiệu phân hủy SMX hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 nghiên cứu Hình cho thấy hiệu phân hủy SMX giảm đáng kể diện anion SO42- (giảm từ 82,36% xuống Đại học Nguyễn Tất Thành 53,70%), nhiên hiệu phân hủy SMX tăng nhẹ diện anion Cl- (tăng từ 82,36% lên 89,78%) Trong đó, diện anion NO3- không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu phân hủy SMX Bên cạnh đó, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Số 15 diện cation cho thấy ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 Hình cho thấy hiệu phân hủy SMX tăng nhẹ diện cation Na+ (tăng từ 82,36% lên 89,78%), hiệu phân hủy SMX giảm nhẹ diện cation Ca2+ Mg2+ giảm mạnh diện cation K+ (giảm từ 82,36% xuống 60,73%) Dưới xuất anion cation, quang xúc tác phân hủy SMX theo thời gian hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 tuân theo động học bậc nhất, xác nhận thơng qua đường tuyến tính ln(C0/Ct) theo t biểu diễn Hình 2B 3B UV/S2O8/TiO2 UV/H2O2/TiO2 ảnh hưởng điều kiện khác nhau, bao gồm ảnh hưởng cation Na+, K+, Ca2+, Mg2+ anion NO3-, Cl-, SO42- Kết quang xúc tác rằng, hiệu phân hủy SMX sử dụng hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 cao UV/H2O2/TiO2 Sự diện anion Cl- cation Na+ làm tăng hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 Trong đó, anion SO42- cation K+ làm giảm đáng kể hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX Nghiên cứu mở tiềm ứng dụng lớn TiO2 lĩnh vực xử lí chất kháng sinh gây ô nhiễm môi trường Kết luận Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quĩ Phát triển Khoa học Công nghệ NTTU, đề tài mã số 2019.01.23/HĐKHCN Đề tài nghiên cứu hiệu quang xúc tác phân hủy hợp chất kháng sinh SMX sử dụng hệ xúc tác Tài liệu tham khảo P Huo, X Gao, Z Lu, X Liu, Y Luo, W Xing, J Li, Y Yan, Photocatalytic degradation of antibiotics in water using metal ion@TiO2/HNTs under visible light, Desalin Water Treat 52 (2014) 6985–6995 doi:10.1080/19443994.2013.822327 N Olama, M Dehghani, M Malakootian, The removal of amoxicillin from aquatic solutions using the TiO 2/UV-C nanophotocatalytic method doped with trivalent iron, Appl Water Sci (2018) 97 doi:10.1007/s13201-018-0733-7 W Wang, X Liu, J Fang, C Lu, TiO2@g-C3N4 heterojunction with directional charge migration behavior for photodegradation of tetracycline antibiotics, Mater Lett 236 (2019) 622–624 doi:https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.11.025 S Shehu Imam, R Adnan, N.H Mohd Kaus, Photocatalytic degradation of ciprofloxacin in aqueous media: a short review, Toxicol Environ Chem 100 (2018) 518–539 doi:10.1080/02772248.2018.1545128 M Farzadkia, E Bazrafshan, A Esrafili, J.-K Yang, M Shirzad-Siboni, Photocatalytic degradation of Metronidazole with illuminated TiO2 nanoparticles, J Environ Heal Sci Eng 13 (2015) 35 doi:10.1186/s40201-015-0194-y E.S Elmolla, M Chaudhuri, Photocatalytic degradation of amoxicillin, ampicillin and cloxacillin antibiotics in aqueous solution using UV/TiO2 and UV/H2O2/TiO2 photocatalysis, Desalination 252 (2010) 46–52 doi: https://doi.org/10.1016/j.desal.2009.11.003 E Ioannidou, Z Frontistis, M Antonopoulou, D Venieri, I Konstantinou, D.I Kondarides, D Mantzavinos, Solar photocatalytic degradation of sulfamethoxazole over tungsten – Modified TiO2, Chem Eng J 318 (2017) 143–152 doi:https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.06.012 L Ismail, C Ferronato, L Fine, F Jaber, J.-M Chovelon, Elimination of sulfaclozine from water with SO 4− radicals: Evaluation of different persulfate activation methods, Appl Catal B Environ 201 (2017) 573–581 doi: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.08.046 N.N.T Lê Trường Giang, Bùi Thị Ngọc Thơm, Đào Hải Yến, Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình phân hủy thuốc kháng sinh sarafloxacin quang hóa UV, Tạp chí Phân tích Hóa, Lí Sinh học 20 (2015) 1–6 Đại học Nguyễn Tất Thành Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 16 Study on the evaluation of UV/S2O8/TiO2 and UV/H2O2/TiO2 process efficiency for degradation of antibiotics from aqueous solutions Nguyen Huu Vinh, Nong Xuan Linh, Nguyen Thi Thuong, Tran Van Thuan, Duy Trinh Nguyen * NTT Hi-Tech Institute, Nguyen Tat Thanh University * ndtrinh@ntt.edu.vn Abstract In this study, the photocatalytic effect of decomposition of sulfamethoxazole (SMX) using UV/S2O8/TiO2 and UV/H2O2/TiO2 systems was evaluated under the influence of different conditions, including the effects of Na+, K+, Ca2+, Mg2+ cations and NO3-, Cl-, and SO42- anions The results indicate that about 82.36% SMX was removed after 180 minutes of lighting using UV/S2O8/TiO2 catalytic system In addition, the results also showed that anion and cation have a strong influence on photocatalytic activity of SMX decomposition on UV/S 2O8/TiO2 system The photocatalytic activity slightly increased in the presence of Cl- anion and Na+ cation, and about 89.78% SMX was removed after 180 minutes of illumination Meanwhile, SMX degradation photocatalytic activity significantly reduced in the presence of SO42-anion and K+ cation, approximately 53.70%, and 60.73% SMX were removed after the180 minutes of lighting in the appearance of SO42anion and K+ cation, respectively Keywords TiO2 material, photocatalysis, sulfamethoxazole degradation, UV irradiation Đại học Nguyễn Tất Thành ... nhóm nghiên cứu, nghiên cứu trước nước hầu hết chưa tập trung vào nghiên cứu đánh giá hiệu xúc tác quang hóa hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 UV/H2O2/TiO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh Do đó, nghiên cứu. .. Kết quang xúc tác rằng, hiệu phân hủy SMX sử dụng hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 cao UV/H2O2/TiO2 Sự diện anion Cl- cation Na+ làm tăng hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 Trong. .. phân hủy chất kháng sinh Do đó, nghiên cứu này, hiệu xúc tác quang hóa hệ xúc tác UV/S2O8/TiO2 UV/H2O2/TiO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh đánh giá ảnh hưởng điều kiện khác nhau, bao gồm ảnh