Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chứa dư lượng chất kháng sinh bằng vật liệu nano hoạt hóa

W; 60 phút

Kết quả thu đƣợc hiệu suất đạt 80% khi loại bỏ NOR trong môi trường pH =8, cao hơn khi so sánh với quá trình quang xúc tác chỉ sử dụng ZnO không pha tạp (Hiệu suất đạt 36%). Một tài liệu bao gồm những phương pháp sinh tổng hợp vật liệu nano ZnO NPs có chiết xuất từ thực vật, từ đó nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác của vật liệu trong xử lý nước thải có chứa thuốc nhuộm màu Azo. Mustapha và các cộng sự trong nghiên cứu sử dụng đất sét để tổng hợp TiO2 và ZnO, từ đó nghiên cứu triển vọng ứng dụng trong.

Với nhiều nguồn tài liệu tham khảo nhƣ trên, nghiên cứu sẽ tiến hành xác định đặc tính của vật liệu Fe-ZnO tổng hợp trong phòng thí nghiệm, đánh giá hiệu quả xử lý Levo của vật liệu Fe-ZnO dưới chiếu xạ của đèn UV-C (bước sóng 254 nm) kết hợp cùng chất oxi hóa mạnh – Kali Persulfate (PS/ K2S2O8). Nhận dạng gốc oxy hóa tự do đóng vai trò chủ đạo trong quá trình quang xúc tác và khả năng tái sử dụng của vật liệu.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Hóa chất và dụng cụ, thiết bị

Hóa chất

- Cuvet tương tích: Cell 1 inch chữ nhật và tròn, cell chữ nhật dài 100mm với adapter bổ sung.

Mô hình nghiên cứu

Sau đó tiến hành phân tích tính chất vật liệu bằng các phương pháp phân tích kỹ thuật hiện đại: Đo XRD, SEM-EDX-Mapping và UV-Vis để xác định ra tính chất đặc trƣng của vật liệu. Kết quả cho thấy độ tương quan rất cao, với R2 là 0,9987 cho thấy độ chính xác cao, sai số ít, có thể sử dụng để đánh giá hiệu suất xử lý kháng sinh Levo trong nước. Thiết lập nên phương trình đường chuẩn của kháng sinh Levo sẽ là tiền đề quan trọng hỗ trợ cho quá trình tính toán xác minh hiệu suất xử lý của vật liệu Fe-ZnO đƣợc tổng hợp dùng để xử lý chất kháng sinh.

FTIR sẽ sử dụng sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu bằng cách sử dụng các hợp chất phân tử khác nhau phản ứng với ánh sáng hồng ngoại để xác định cấu trúc vật liệu đƣợc phân tích. Các phương pháp trên là các phương pháp phổ biển được sử dụng, tuy nhiên do thời gian có hạn của đề tài, Phương pháp XRD, SEM, EDX, UV-Vis và phương pháp xác định pHpzc của vật liệu sẽ đƣợc sử dụng nhằm kiểm tra vật liệu đã đƣợc tổng hợp dựa trên những dãy chuẩn và các nghiên cứu đã đƣợc công bố về vật liệu ZnO và Fe- ZnO. Khi môi trường pH của dung dịch nhỏ hơn (<) pHpzc bề mặt vật liệu xúc tác quang có điện tích dương (+) và hút các hạt hoặc vật chất mang điện tích trái dấu với nó và ngƣợc lại.

Việc xác định giá trị pHpzc hỗ trợ cung cấp thông tin cho thí nghiệm xác định môi trường pH dung dịch sẽ có tác động đến hiệu quả xử lý của vật liệu quang xúc tác trong các môi trường pH khác nhau. Tiến hành thí nghiệm theo mẻ bằng mô hình trong phòng thí nghiệm, các điều kiện thí nghiệm khác nhau đƣợc điều chỉnh trong từng mẻ thí nghiệm, xác định nên các môi trường vận hành tối ưu dành cho vật liệu Fe- ZnO khi phân hủy chất kháng sinh Levo. Đánh giá khả năng ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý Levo của các yếu tố bao gồm: thời gian phản ứng, liều lƣợng vật liệu, pH, nồng độ Levo, liều lƣợng chất oxy hóa PS.

Sau khi đã xác định những điều kiện phản ứng chính của quá trình quang xúc tác, tiến hành các thực nghiệm chuyên sâu hơn, thu thập những dữ liệu cần thiết, những yếu tố môi trường ảnh hưởng đến cơ chế phân hủy Levo của vật liệu Fe-ZnO. Sau lần thử nghiệm đầu tiên, vật liệu nano đƣợc tách khỏi dung dịch bằng cách sử dụng giấy lọc thu hồi lại vật liệu, tiến hành sấy khô vật liệu ở 1050C trong 4 giờ tương tự nhƣ quy trình thu hồi vật liệu hạt nano từ tác giả Mustapha cùng các cộng sự đã thực hiện [37].  Ghi lại kết quả chỉ số abs và thay thế vào phương trình đường chuẩn -> từ đó tính ra nồng độ Levo trước và sau khi xử lý theo thời gian, trong các điều kiện thí nghiệm đƣợc điều chỉnh khác nhau.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết quả phân tích vật liệu

So sánh với phổ UV-Vis của mẫu ZnO thuần túy không pha tạp [6], mẫu Fe-ZnO thể hiện gờ hấp thụ rộng hơn trong vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng lớn hơn 400 nm), cho thấy một sự chuyển dịch đỏ (red-shift) diễn ra và sự chuyển dịch mạnh hơn về vùng ánh sáng khả kiến của vật liệu Fe-ZnO. Đồng thời năng lƣợng vùng cấm (Eg) của vật liệu Fe-ZnO cũng đƣợc tính toán dựa trên đồ thị Tauc (Eg = 1,91 eV) cho thấy năng lƣợng vùng cấm của vật liệu pha tạp nhỏ hơn rất nhiều khi so với vật liệu ZnO thuần túy (Eg = 3,37 eV) [10], điều đó chứng tỏ khả năng quang xúc tác của vật liệu pha tạp có thể diễn ra trong vùng ánh sáng khả kiến, tăng cường khả năng ứng dụng cho vật liệu thay vì ZnO bị hạn chế chỉ có thể quang xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, với thí nghiệm không cung cấp không khí, electron (e-) đã không khử oxi và hình thành nên gốc superoxide (O2●-), chỉ lỗ trống quang sinh (h+) hoạt động, oxy hóa OH- để hình thành gốc hydroxyl tự do (OH●) khoáng hóa chất ô nhiễm (61,25%).

Nghiên cứu vẫn chƣa tập trung vào mục đích xử lý hoàn toàn 100% dư lượng kháng sinh trong nước, chỉ khảo sát những điều kiện ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác của vật liệu, do đó, thời gian phản ứng cho các khảo sát kế tiếp sẽ chỉ tiến hành đến 120 phút. Tuy nhiên, khi lƣợng chất xúc tác đến 1g/L, độ mờ huyền phù trong dung dịch tăng lên, làm gia tăng sự tán xạ ánh sáng, năng lƣợng photon từ ánh sáng không bằng năng lƣợng vùng cấm của vật liệu, từ đó không dẫn tới sự hình thành cặp electron và lỗ trống quang sinh, hiệu suất xử lý của vật liệu bị suy giảm [15]. Do đó, với hàm lƣợng PS cần thiết là 0,05 g/L đã có thể đạt đƣợc hiệu quả phân hủy Levo trong thời gian ngắn (5 phút), việc gia tăng sử dụng chất oxy hóa sẽ đƣợc xem xét thêm trong thí nghiệm khảo sát về việc gia tăng nồng độ kháng sinh Levo trong nước.

Trong môi trường dung dịch có tính Axit, Levo cho đi H+, khiến cho Levo có bề mặt là điện tích âm, nhờ đó phản ứng hiệu quả hơn với vật liệu xúc tác Fe-ZnO, song song đó, chất oxy hóa hoạt động mạnh trong khoảng pH rộng (pH=3-9), sản sinh thêm gốc Sulfate tự do góp phần đẩy mạnh hiệu suất xử lý kháng sinh Levo trong nước. Trong môi trường pH=11, thế oxi hóa khử của gốc Sulfate cũng giảm thấp, các electron hình thành trong môi trường kiềm sẽ chuyển tiếp vào Fe được pha tạp trên ZnO, cơ chế quang xúc tác sẽ tiếp tục diễn ra với kim loại pha tạp sẽ đóng vai trò chính khoáng hóa chất ô nhiễm. Thế oxy hóa khử 1O2 là cao nhất trong quá trình quang xúc tác bằng Fe-ZnO, trong cùng một nồng độ Levo, điều kiện ổn định về môi trường pH =7, gốc 1O2 sẽ quyết định đến hiệu suất tổng thể của quá trình xử lý kháng sinh Levo, do đó khi sử dụng dung môi Sodium Azide dập tắt gốc tự do 1O2 thì hiệu suất xử lý kháng sinh đã giảm mạnh.

Nguyên nhân một phần do điều kiện Phòng thí nghiệm và các thiết bị hỗ trợ đã không tái tạo đƣợc chính xác nhƣ quy trình thí nghiệm của Shaleh, nồng độ ZnO pha tạp Fe là 12%, vẫn còn nhiều tiềm năng để điều chỉnh quy trình tổng hợp nên vật liệu, gia tăng độ pha tạp Fe nhằm nâng cao thêm hiệu quả của vật liệu. So sánh với việc sử dụng Fe-ZnO xử lý CIP [25], hiệu suất của vật liệu cũng đạt hiệu quả tương tự với Levo (cùng nhóm kháng sinh 8 với CIP), thời gian phản ứng ngắn hơn (120 phút so với 210 phút) nhờ có sự hỗ trợ của K2S2O8, mang đến cho vật liệu tiềm năng tiết kiệm thời gian phản ứng và chi phí xử lý. Một so sánh tương quan là vật liệu Fe-ZnO của Coulibaly và các đồng sự [33] xử dụng cho việc phân hủy kháng sinh CIP cũng cần 5 giờ để xử lý hoàn toàn, một phần là do khác biệt khi sử dụng đèn UV-A cho thí nghiệm, nồng độ pha tạp Fe-ZnO của Coulibaly, vật liệu được tiến hành thử nghiệm với nước thải từ bệnh viện do đó hiệu suất xử lý CIP và FLU của nghiên cứu bị ảnh hưởng bởi những hợp chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải.