Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp wo3 pt composite định hướng ứng dụng xử lý tetracycline trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Nam Anh NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP WO3/Pt COMPOSITE ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ TETRACYCLINE TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Nam Anh NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP WO3/Pt COMPOSITE ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ TETRACYCLINE TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đào Văn Dương TS. Nguyễn Thị Hạnh Hà Nội – 2020 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Đào Văn Dương và TS. Nguyễn Thị Hạnh – những người thầy, người cô tâm huyết, mẫu mực đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu và Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Khoa Công nghệ sinh học, Hóa học và Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Phenikaa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được thực hiện và hoàn tất các kế hoạch nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn ủng hộ, động viên trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2020 Học viên thực hiện Trần Nam Anh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả thực nghiệm nêu trong luận văn là trung thực và được thực hiện trực tiếp tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học tự nhiên và Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ sinh học, Hóa học và Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Phenikaa, không sao chép từ bất kì nguồn nào và dưới bất kì hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Học viên thực hiện Trần Nam Anh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………..vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH……………………………………………...vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................... 11 1.1. lý Tổng quan về ô nhiễm kháng sinh Tetracycline và các phương pháp xử ............................................................................................................ 11 1.1.1. Nguồn phát sinh và đặc tính của Tetracycline trong môi trường nước 11 1.1.2. Các phương pháp xử lý kháng sinh trong môi trường nước 1.1.3. Một số nghiên cứu xử lý kháng sinh Tetracycline trong môi trường nước 14 13 1.2. Tổng quan về vật liệu nanocomposite ................................................ 18 1.3. Tổng quan về vật liệu WO3 và WO3/Pt .............................................. 19 1.3.1. Vật liệu WO3 cấu trúc nano 19 1.3.2. Vật liệu WO3/Pt cấu trúc nano 21 1.3.3. Một số phương pháp tổng hợp nano WO3/Pt 22 1.3.4. Một số nghiên cứu về WO3/Pt và ứng dụng trong xử lý môi trường 24 1.4. Tổng quan vể phương pháp tổng hợp vật liệu dựa trên plasma ......... 26 1.4.1. Tổng quan về plasma 26 1.4.2. Một số nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu dựa trên plasma lạnh 27 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................ 28 2.1. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 28 2.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 28 2.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 28 i 2.4. Thực nghiệm ....................................................................................... 28 2.4.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 28 2.4.2. Quy trình tổng hợp vật liệu cấu trúc nano WO3 bằng phương pháp kết tủa 28 2.4.3. Quy trình tổng hợp WO3/Pt bằng phương pháp plasma 28 2.4.4. Phương pháp phân tích đặc tính vật liệu 29 2.4.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ................................................................ 29 2.4.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét tích hợp phổ kế tán sắc năng lượng tia X (SEM/EDS) ................................................................................... 31 2.4.4.3. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua TEM ............ 32 2.4.4.4. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) ............................................. 32 2.4.4.5. Phân tích thế zeta (ξ) ........................................................................... 34 2.4.4.6. Phân tích điểm đẳng điện (pHpzc) ........................................................ 34 2.4.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ TETRACYCLINE TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA WO3 VÀ WO3/Pt 35 2.4.5.1. Phương pháp xác định nồng độ TTC trong nước ............................... 35 2.4.5.2. Khảo sát khả năng xử lý TTC trong môi trường nước của WO3 và WO3/Pt ............................................................................................................. 35 2.4.5.3. Phương pháp phân tích TOC............................................................... 36 2.4.5.4. Phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép khối phổ ..... 37 2.4.5.5. Phương pháp thiết lập các phương trình động học dạng tuyến tính ... 38 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 41 3.1. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU WO3 VÀ WO3/Pt NANO COMPOSITE ................................................................................... 41 3.1.1. Kết quả phân tích cấu trúc tinh thể vật liệu WO3 và WO3/Pt 3.1.2. Kết quả phân tích hình thái và cấu trúc hóa học của vật liệu WO3 và WO3/Pt 41 43 ii 3.1.3. Kết quả phân tích cấu trúc và kích thước của vật liệu WO3 và WO3/Pt 44 3.1.4. Kết quả xác định năng lượng vùng cấm của vật liệu WO3 và WO3/Pt 46 3.1.5. 3.2. Kết quả phân tích thế zeta và pHpzc của vật liệu WO3/Pt 48 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ KHÁNG SINH TETRACYCLINE BẰNG VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO WO3 VÀ WO3/Pt ......................... 48 3.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của ánh sáng đến hiệu suất xử lý TTC bằng WO3 và WO3/Pt 3.2.2. 48 Khảo sát thời gian đạt trạng thái cân bằng hấp phụ TTC của WO3/Pt 50 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng tới hiệu suất xử lý TTC bởi WO3/Pt 3.2.4. 51 Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Tetracycline bằng WO3/Pt 3.2.5. 54 Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng WO3/Pt đến hiệu suất xử lý Tetracycline 3.2.6. 57 Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ Tetracycline ban đầu đến hiệu suất xử lý Tetracycline bằng WO3/Pt 59 3.2.7. Khảo sát hiệu suất xử lý TTC bởi WO3/Pt trong điều kiện phù hợp 61 3.2.8. Đánh giá hiệu suất khoáng hóa TTC nhờ quá trình xử lý bởi vật liệu quang xúc tác WO3/Pt trong điều kiện thích hợp 3.2.9. 63 Dự đoán sản phẩm tạo thành sau phản ứng và con đường phân hủy quang hóa xúc tác TTC bởi WO3/Pt 65 3.2.10. Mô tả cơ chế xử lý TTC bởi WO3/Pt 3.2.11. Thiết lập phương trình động học phân hủy quang hóa TTC bởi WO3/Pt 71 71 iii KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ…………………………………………...75 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………...78 PHỤ LỤC ………………………………………………………………........96 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, Tên tiếng anh Nghĩa tiếng việt Energy-dispersive X-ray Tán xạ năng lượng tia X viết tắt 1. EDX/EDS Spectroscopy 2. Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm 3. IR Infrared Hồng ngoại 4. Nm Nano meter Nano met 5. SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét 6. TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua 7. TLTK - Tài liệu tham khảo 8. TOC Total organic carbon Cacbon hữu cơ tổng số 9. TTC Tetracycline Tetracycline 10. UV-VIS Ultraviolet–Visible Tử ngoại – khả kiến 11. XRD X–ray Diffraction Nhiễu xạ tia X v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số nghiên cứu xử lý TTC trong nước........................................ 15 Bảng 1.2. Một số phương pháp tổng hợp trực tiếp WO3/Pt hoặc biến tính từ WO3 .................................................................................................................. 23 Bảng 1.3. Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác ........ 25 Bảng 1.4. Một số nghiên cứu biến tính vật liệu ứng dụng plasma lạnh .......... 27 Bảng 2.1 Phương trình các mô hình động học dạng tuyến tính ...................... 40 Bảng 3.1. Hiệu quả phân hủy Tetracycline theo thời gian chiếu sáng ............ 51 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng WO3/Pt đến quá trình xử lý TTC.......... 58 Bảng 3.3. Các thông số động học của mô hình động học biểu kiến bậc 1 đối với sự phân hủy quang hóa TTC bởi WO3/Pt ở các nồng độ khác nhau ............... 72 Bảng 3.4. Các thông số động học của mô hình động học biểu kiến bậc 2 đối với sự phân hủy quang hóa TTC bởi WO3/Pt ở các nồng độ khác nhau ............... 73 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc vật liệu WO3/Pt .................................................................. 21 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu WO3 và WO3/Pt ....................... 41 Hình 3.2. Ảnh chụp SEM của WO3 (a), WO3/Pt (b); ....................................... 44 Hình 3.3. Ảnh chụp TEM của WO3 (a), WO3/Pt (b) ....................................... 45 Hình 3.4. Quang phổ hấp thụ UV VIS DRS WO3 và WO3/Pt ......................... 46 Hình 3.5. Đồ thị Tauc của vật liệu WO3 và WO3/Pt ........................................ 47 Hình 3.6. Ảnh hưởng của ánh sáng tới hiệu quả xử lý TTC bằng WO3 và WO3/Pt .......................................................................................................................... 49 Hình 3.7. Hiệu quả xử lý TTC của WO3/Pt trong điều kiện không chiếu sáng .......................................................................................................................... 50 Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến hiệu quả phân hủy quang hóa TTC .................................................................................................................. 52 Hình 3.9. Biểu đồ nhiệt theo chiều ngang dung dịch kháng sinh trước (a) và sau khi chiếu sáng (b) ............................................................................................. 53 Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả phân hủy quang hóa TTC.......... 55 Hình 3.11. Sự phân ly của Tetracycline dưới các điều kiện pH khác nhau ..... 57 Hình 3.12. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất xúc tác đến hiệu quả xử lý TTC ........... 58 Hình 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ TTC ban đầu đến hiệu quả phân hủy quang hóa TTC............................................................................................................ 60 Hình 3.14. Hiệu quả phân hủy quang hóa TTC trong các điều kiện thích hợp dưới 2 nguồn sáng là ánh sáng đèn compact và ánh sáng hệ mô phỏng ASMT .......................................................................................................................... 62 Hình 3.15. Thành phần của ánh sáng mặt trời ................................................. 63 Hình 3.16. Hiệu suất xử lý cacbon tổng số (TC), cacbon vô cơ tổng số (TIC) và cacbon hữu cơ tổng số (TOC) sau quá trình xử lý ........................................... 64 vii Hình 3.17. Biểu đồ Tổng sắc ký đồ ion và khối phổ của TTC và một số sản phẩm trung gian trong quá trình phân hủy quang hóa TTC ............................. 69 Hình 3.18. Dự đoán con đường suy thoái của quá trình phân hủy quang hóa TTC bằng WO3/Pt dưới ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời .......................................................................................................................... 70 Hình 3.19. Thiết lập phương trình động học biểu kiến bậc 1 .......................... 72 Hình 3.20. Thiết lập phương trình động học biểu kiến bậc 2 .......................... 73 viii Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường MỞ ĐẦU Sự ra đời của kháng sinh như Ampicillin, Ciprofloxacin, Sulfamerazine, Sulsamethoxazole, Tetracycline,... mang nhiều ý nghĩa quan trọng đối với y học thế giới nói chung và sức khỏe con người nói riêng. Kháng sinh được sử dụng rộng rãi trong công tác chữa bệnh cho con người, trong chăn nuôi và nông nghiệp, đặc biệt là nuôi trồng thủy hải sản. Tuy nhiên, vì lợi ích quá lớn mà chúng mang lại đã gây ra hiện tượng kháng sinh được sử dụng tràn lan, bừa bãi. Kết quả là dư lượng kháng sinh trong môi trường nước ngày càng tăng cao. Mặt khác, theo kết quả các nghiên cứu về tính độc của kháng sinh, sự có mặt của kháng sinh nói chung và Tetracycline nói riêng trong môi trường nước có thể làm xáo trộn hệ sinh thái học vi sinh vật, gián tiếp ảnh hưởng tới sức khỏe con người bởi nguy cơ gia tăng sự phát triển của các loài vi khuẩn kháng kháng sinh. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu khảo sát về dư lượng cũng như phương pháp xử lý Tetracycline trong môi trường nước hiện nay vẫn con hạn chế và chưa thực sự được chú trọng. Trong thời gian qua, các loại vật liệu nano xúc tác quang như TiO2, ZnO, WO3,… đã và đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Vật liệu nano xúc tác quang là các oxit kim loại chuyển tiếp, có đầy đủ tính chất của một vật liệu nano cơ bản như hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Mặt khác, dưới tác dụng của ánh sáng kích thích, chúng thể hiện đặc tính quang xúc tác, sản sinh ra các gốc oxi hóa mạnh (gốc • OH). Các gốc tự do dễ dàng khuếch tán vào dung dịch và phân hủy nhanh hầu hết các hợp chất hữu cơ. Như vậy, vật liệu nano xúc tác quang với những ưu điểm của cả hai loại vật liệu là vật liệu nano và vật liệu xúc tác quang, có tiềm năng lớn trong việc xử lý các vấn đề môi trường. Xuất phát từ những lý do trên, luận văn tập trung “Nghiên cứu tổng hợp WO3/Pt composite định hướng ứng dụng xử lý Tetracycline trong nước”. Đề tài mang tính thực tiễn cao và việc thực hiện đề tài với mong muốn sẽ phát triển 9 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường hướng ứng dụng vật liệu nano xúc tác quang trong xử lý môi trường đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh trong nước. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Nghiên cứu tổng hợp vật liệu WO3/Pt nanocomposite và ứng dụng xử lý Tetracycline trong nước NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Tổng hợp nano WO3 bằng phương pháp kết tủa; 2. Tổng hợp WO3/Pt nanocomposite từ WO3 với sự hỗ trợ của phương pháp khử plasma lạnh; 3. Phân tích, đánh giá và so sánh đặc tính vật liệu nano trước và sau biến tính; 4. Đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình phân hủy Tetracycline bởi WO3/Pt (điều kiện chiếu sáng, thời gian xử lý, pH, hàm lượng xúc tác, nồng độ Tetracycline ban đầu, nguồn sáng) từ đó tìm ra điều kiện thích hợp để phân hủy Tetracycline bằng vật liệu tổng hợp được. 5. Đánh giá hiệu quả xử lý và mức độ khoáng hóa Tetracycline trong điều kiện thích hợp; 6. Phân tích và dự đoán các sản phẩm trung gian tạo thành sau phản ứng từ đó đề xuất các con đường phân hủy quang hóa xúc tác Tetracycline bởi WO3/Pt trong điều kiện thích hợp; 7. Thiết lập phương trình động học phân hủy quang hóa Tetracycline bởi WO3/Pt. 10 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về ô nhiễm kháng sinh Tetracycline và các phương pháp xử lý 1.1.1. Nguồn phát sinh và đặc tính của Tetracycline trong môi trường nước a. Tổng quan kháng sinh Tetracycline Kháng sinh Tetracycline (TTC) lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1953. Chúng là kháng sinh có phổ tác dụng rộng, chúng có tác dụng với cả vi khuẩn Gram (+) và Gram (-), ricketsia và một vài virut lớn [8]. Do có chi phí rẻ, phổ kháng khuẩn rộng nên TTC là một trong những kháng sinh cơ bản và được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, chỉ sau penicillin và quinolones. Nhiều hơn 2500 tấn TTC được sử dụng cho thú y mỗi năm tại Châu Âu [74]. Trong quá trình sử dụng, một phần kháng sinh TTC được chuyển hóa thành các hợp chất không hoạt động. Một phần khác được bài tiết dưới dạng các hợp chất ban đầu, các sản phẩm chuyển hóa hoặc cả hai dạng trên [13]. Tỷ lệ bài tiết tương đối cao được quan sát thấy đối với TTC (khoảng 80 đến 90%) [12]. Hầu hết kháng sinh TTC được giải phóng vào môi trường thông qua con đường nước tiểu và phân sau quá trình điều trị bệnh ở con người và động vật, đi vào các hệ thống thu gom và đến các nhà máy xử lý nước thải. Trong khi đó, các nhà máy xử lý nước thải lại không cho thấy hiệu quả cao khi xử lý dư lượng TTC ở thời điểm hiện tại [8]. Vì vậy, đây được coi là một nguồn chính gây ô nhiễm môi trường bởi TTC. Tim aus der Beek và cộng sự (2016) sau khi tổng hợp các nghiên cứu về sự tồn dư dược chất trong môi trường đã cho biết, kháng sinh TTC đã được phát hiện trong nguồn nước thải đô thị ở mọi quốc gia thuộc Liên Hợp Quốc [27]. Ngoài ra, một phần kháng sinh TTC tồn dư trong môi trường nước từ hoạt động chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản và gây ra ô nhiễm đất và nước ngầm, nước mặt thông qua các quá trình rửa trôi hoặc thẩm thấu [64]. Hellweger và cộng sự (2011) đã nghiên cứu TTC và cho kết quả về nồng độ của chúng trong môi trường nước mặt thường nhỏ hơn 0.11 mg/l, mặc dù nồng độ TTC cao hơn, lên khoảng 7 mg/l cũng đã được phát hiện [29]. 11 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Một số tính chất vật lý và hóa học của TTC được tổng hợp tại Bảng 1 – Phụ lục 1. b. Tác động của TTC tới môi trường và sức khỏe của các loài sinh vật Trong môi trường, nhờ vào quá trình vận chuyển tích cực, TTC được đưa vào tế bào vi sinh vật. Tại đây, chúng liên kết thuận nghịch với tiểu đơn vị 30S của ribosome và ngăn cản sự gắn kết chuyển aminoacyl với DNA, ức chế quá trình tổng hợp protein và phát triển của tế bào, ngăn cản sự sinh trưởng và có thể tiêu diệt các hệ sinh thái vi sinh vật. Hai loài tảo là Microcystis aeruginosa và Selenastrum capricornutum được xác định có EC50 - nồng độ hiệu quả trung bình (liều lượng ảnh hưởng tới 50% cá thể thí nghiệm) với TTC tương ứng là 0.09 và 2.2 mg/l [24]. Đối với một số sinh vật sống dưới nước khác như Daphnia magna, Danio rerio và Carassius auratus, độc tính cấp tính của TTC tương ứng là 617.2 mg/l (48 giờ - EC50), 406.0 mg/l (96 giờ - LC50) và 322.8 mg/l (96 giờ - LC50) [54]. Ngoài ra, TTC và các dạng hòa tan của chúng trong môi trường nước (Oxytetracycline và Chlortetracycline) cũng có thể ảnh hưởng tới khả năng sinh sản đối với các loài động vật thủy sinh [46, 60]. Sự có mặt của TTC trong môi trường cũng nhận được nhiều sự chú ý từ các nhà khoa học do gián tiếp ảnh hưởng tới con người [27, 7]. Chúng thúc đẩy sự tiến hóa hoặc sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh, có thể gây ra tác dụng phụ đối với sức khỏe con người khi tồn tại trong nước uống hoặc nước tưới dùng cho rau quả như xáo trộn hệ vi sinh vật đường ruột, tăng nguy cơ mắc một số bệnh nhiễm trùng [21, 50]. Đồng thời, áp lực chọn lọc đối với các gen kháng kháng sinh tương ứng của chúng (ARGs) tăng lên theo nồng độ của thuốc kháng sinh [68, 101]. Các nhà khoa học đã chỉ ra nồng độ kháng sinh rất thấp (10 – 100 lần dưới nồng độ tối thiểu gây ức chế) có thể làm tăng sự đa dạng, tăng tính chọn lọc của vi khuẩn kháng thuốc bằng cách thúc đẩy tốc độ tiến hóa thích nghi [41, 73]. Theo Tổ chức Y tế thế giới ước tính có khoảng 700000 người chết mỗi năm do tình trạng tồn dư và kháng kháng sinh. Nếu vấn đề đó 12 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường không được giải quyết, con số đó sẽ tăng lên khoảng 10 triệu người chết hằng năm vào năm 2050 [89]. 1.1.2. Các phương pháp xử lý kháng sinh trong môi trường nước a. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ có thể loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ như dược phẩm trong nước thải, đặc biệt là với nhiều loại dược phẩm khó phân hủy bằng phương pháp sinh học như các thuốc kháng sinh. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, việc sử dụng vật liệu hấp phụ để xử lý chất ô nhiễm vẫn tồn tại một số nhược điểm cố hữu và khó có thể khắc phục như: (i) Khả năng tái sử dụng thấp; (ii) Tính chọn lọc đối với chất ô nhiễm yếu; (iii) Tạo ra một lượng lớn chất thải rắn sau xử lý [104]. b. Phương pháp sinh học Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng khả năng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải. Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý kháng sinh có thể gia tăng nguy cơ tạo ra những chủng vi sinh vật có khả năng kháng kháng sinh. c. Phương pháp lọc màng Phương pháp lọc màng là phương pháp vật lý, đặc trưng bởi khả năng tách các phân tử có kích thước và đặc điểm khác nhau. Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống, như tiêu hao ít năng lượng, có thể tiến hành liên tục, vận hành các dưới điều kiện khác nhau, dễ dàng kết hợp với các phương pháp khác, tính ổn định cao. Một ví dụ điển hình về công nghệ lọc màng trong xử lý nước là màng thẩm thấu ngược (RO, kích cỡ lỗ < 0.001 µm). Nhiều nghiên cứu cho thấy có đến 90% các loại kháng sinh đã được loại bỏ khi sử dụng phương pháp này [63, 11]. Mặc dù vậy, chi phí để lắp đặt những công nghệ này lại khá tốn kém, mặt khác thiết bị có cấu tạo phức tạp nhưng công suất cấp nước nhỏ và chi phí dùng điện cao là những thách thức không nhỏ trong thực tế khi áp dụng phương pháp. 13 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường d. Phương pháp phân hủy hóa học dựa vào các quá trình oxi hóa Việc áp dụng các quá trình oxy hóa (thường bởi các tác nhân như O3, Fe/H2O2, UV, H2O2) đã giải quyết được vấn đề xử lý nước thải từ một số ngành đặc thù, chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (như nước thải dệt nhuộm, luyện kim, chăn nuôi và chế biến thực phẩm,…) mà các phương pháp sinh học hay vật lý thông thường khó thể giải quyết được. Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp phân hủy hóa học (bởi O3, Fe/H2O2, UV, H2O2) tồn tại một số nhược điểm bao gồm: - Chi phí lắp đặt thiết bị và vận hành lớn. - Tiêu tốn lượng lớn hóa chất. - Cần có bước tiền xử lý để quá trình oxy hóa đạt hiệu quả tối ưu. - Ít phù hợp với nước thải có lưu lượng lớn và thường được sử dụng trong giai đoạn cuối, sau khi đã trải qua các bước xử lý trước đó - Tạo ra chất thải rắn sau quá trình xử lý. Trong thời gian qua, ứng dụng vật liệu xúc tác quang (TiO2, WO3, WO3/Pt,…) trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy đã trở thành một xu hướng nghiên cứu mới và được đánh giá có triển vọng áp dụng thực tế cao. Một số nghiên cứu đã cho thấy, các vật liệu xúc tác quang xử lý chất ô nhiễm thông qua nhiều cơ chế khác nhau và khắc phục được các nhược điểm của phương pháp oxy hóa bởi các tác nhân thông thường. 1.1.3. Một số nghiên cứu xử lý kháng sinh Tetracycline trong môi trường nước Giống như các loại kháng sinh khác, TTC có thể được loại bỏ bằng các phương pháp hóa lý như lọc màng hoặc hấp phụ bằng than hoạt tính,… Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp hóa lý này là không phân hủy chất ô nhiễm mà chỉ chuyển chúng từ pha này sang pha khác. Do vậy, các quá trình oxy hóa tiên tiến thường được đề xuất sử dụng để xử lý TTC trong nước thải [58, 90]. Tổng hợp một số nghiên cứu xử lý TTC trong nước được thể hiện trong Bảng 1.1. 14 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Bảng 1.1. Một số nghiên cứu xử lý TTC trong nước Phương pháp xử lý Điều kiện Kết quả và nhận xét TLTK UV (125 W); pH = 6; Nồng độ TTC ban đầu: 10 – 50 mg/l; TiO2 (100% anatase hoặc anatase/rutile = 4/1); 0.4 g/l TiO2; Hơn 98% TTC bị oxy hóa và 100% TOC bị xử lý. [76] Thời gian: 120 phút Phân hủy 100% kháng sinh và 90% TOC trong điều kiện chiếu sáng UV 254 nm; Phân hủy quang hóa 0.5 g/l chất xúc tác; Nồng độ TTC ban Phân hủy 100% kháng sinh và 70% TOC bị loại bỏ trong đầu: 40 mg/l; Thời gian xử lý: 120 phút điều kiện chiếu sáng hệ mô phỏng ánh sáng mặt trời; [30] Phân hủy 50% kháng sinh và 10% TOC bị loại bỏ trong điều kiện chiếu sáng UV 365 nm. Phân hủy khoảng 37% dưới đèn ánh sáng đèn UV ngay Đèn UV (9 - 30W, T8, Philips); pH = 3; Nồng độ TTC ban đầu: 20 mg/l trong 30 phút đầu và gần như không đổi trong khoảng 270 phút chiếu sáng tiếp theo. Hiệu suất đạt 19.7% sau 300 phút, với sự có mặt của 5 mM H2O2 dưới điều kiện chiếu sáng vùng UV. 15 [23] Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Phương Điều kiện pháp xử lý Kết quả và nhận xét TLTK Hiệu suất khử 57.5% sau 120 phút và 89.7% sau 300 phút với sự có mặt của 5 mM K2S2O8. Hiệu suất xử lý lần lượt đạt 48.7%, 75.1%, 92% sau 30 phút, 120 phút và 300 phút chiếu sáng đối với vật liệu MnFe-LDO-BC. Với hệ xúc tác MnFe-LDO-BC/K2S2O8/UV, hiệu suất xử lý cao, đạt 93.4% sau 120 phút và 97.2% sau 180 phút. UV (365 nm); pH = 6; Nồng độ TTC ban đầu: 10 - 40 mg/l pH = 3.9; mật độ dòng điện = 47.6 Oxy hóa mA/cm2; thời gian: 60 phút; Ti/RuO2– điện hóa IrO2: anot, thép không gỉ: catot; Nồng độ TTC ban đầu: 100 mg/l, pH = 5; 23°C; Nồng độ TTC ban đầu: 25 Hấp phụ mg/l, Lượng vật Fe/graphene = 25 mg liệu hấp phụ Hiệu suất xử lý đạt 73% kháng sinh và 15% TOC. [102] Nhiều hơn 90% của TTC bị phân hủy ở pH = 3.9, mật độ dòng điện = 47.6 mA/cm2, nồng độ Na2SO4 = 0.1 mol/l và [49] nồng độ TTC ban đầu: 100 mg/l, thể tích = 200 ml. Hiệu suất hấp phụ đạt 65.02%. Khả năng hấp phụ cực đại trong thí nghiệm đạt 422.40 mg/g (cột hấp phụ liên tục có 16 [99]