Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang đa chức năng xử lý kháng sinh trong nước mặt

Ngày 14/1/2025, tại Hà Nội, Bộ Khoa học và Công nghệ đã tổ chức nghiệm thu đề tài khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang đa chức năng trên nền khoáng vermiculite, ứng dụng xử lý hiệu quả kháng sinh trong môi trường nước mặt”, thuộc Chương trình phát triển khoa học cơ bản trong lĩnh vực Hóa học, Khoa học sự sống, Khoa học Trái đất và Khoa học biển giai đoạn 2017-2025.

Đề tài do Viện Khoa học Công nghệ Năng lượng và Môi trường (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) chủ trì thực hiện, ThS. Vũ Văn Tú làm chủ nhiệm.

Thực trạng ô nhiễm kháng sinh và yêu cầu cấp thiết đặt ra

Việc sử dụng kháng sinh trong y tế và chăn nuôi tại Việt Nam những năm gần đây có xu hướng gia tăng, kéo theo nguy cơ phát thải dư lượng kháng sinh ra môi trường nước mặt thông qua nước thải bệnh viện, khu dân cư và hoạt động sản xuất nông nghiệp.

Các khảo sát thực địa tại nhiều địa phương ở khu vực phía Bắc cho thấy, mặc dù nồng độ kháng sinh trong nước mặt thường ở mức ng/L đến µg/L, song sự tồn tại đồng thời của nhiều nhóm kháng sinh như quinolon, tetracyclin và macrolid có thể gây ra tác động tích lũy, ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh và làm gia tăng nguy cơ kháng kháng sinh.

Trong bối cảnh đó, các công nghệ xử lý nước truyền thống như xử lý sinh học hoặc oxy hóa đơn lẻ bộc lộ nhiều hạn chế khi đối mặt với các hợp chất bền vững như kháng sinh. Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các giải pháp công nghệ mới, thân thiện môi trường, chi phí hợp lý và phù hợp điều kiện Việt Nam được xem là yêu cầu cấp thiết.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài đặt mục tiêu làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu xúc tác quang đa chức năng, kết hợp đồng thời khả năng hấp phụ - oxy hóa - khử, trên nền khoáng vermiculite tự nhiên, mang các pha xúc tác quang TiO₂ pha tạp (Co, Fe, N) và/hoặc BiVO₄. Đây là hướng tiếp cận mới, cho phép khắc phục hạn chế của từng phương pháp xử lý riêng lẻ, đồng thời tận dụng nguồn vật liệu khoáng sẵn có trong nước.

Theo nhóm nghiên cứu, vermiculite là vật liệu nền nhẹ, xốp, có diện tích bề mặt lớn, phù hợp làm chất mang cho các vật liệu xúc tác quang. Khi được biến tính và phủ TiO₂ hoặc BiVO₄, vật liệu có khả năng nổi hoặc lơ lửng trên bề mặt nước, giúp tăng hiệu quả hấp thụ ánh sáng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và dồi dào tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu nổi bật

Đề tài đã hoàn thành toàn diện các nội dung nghiên cứu đề ra, đạt được nhiều kết quả quan trọng.

Thứ nhất, nhóm nghiên cứu đã khảo sát, đánh giá thực trạng ô nhiễm kháng sinh trong nước mặt tại một số địa phương như Hà Nội, Hải Dương, Ninh Bình và Hà Nam, tập trung vào các khu vực lân cận bệnh viện. Kết quả phân tích cho thấy, sự xuất hiện của nhiều loại kháng sinh, đặc biệt là ofloxacin, ciprofloxacin và clarithromycin, với nồng độ cao hơn rõ rệt tại các điểm gần nguồn tiếp nhận nước thải y tế.

Thứ hai, đề tài đã nghiên cứu lựa chọn và biến tính khoáng vermiculite phù hợp, xây dựng các quy trình chế tạo vật liệu xúc tác quang đa chức năng bằng phương pháp sol-gel và thủy nhiệt. Các vật liệu TiO₂/Ver, TiO₂ pha tạp Co, Fe, N trên nền Ver, cũng như BiVO₄/Ver và tổ hợp TiO₂-BiVO₄/Ver đã được tổng hợp thành công, có cấu trúc tinh thể ổn định, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng được mở rộng sang vùng khả kiến.

Thứ ba, các thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý cho thấy, vật liệu chế tạo có khả năng loại bỏ hiệu quả ba nhóm kháng sinh chính (quinolon, tetracyclin và macrolid) trong nước mặt. Hiệu suất xử lý cao đạt được cả trong điều kiện thí nghiệm mẻ và trong hệ thống dòng chảy liên tục, dưới tác động của ánh sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời. Đáng chú ý, vật liệu Co-TiO₂/Ver thể hiện hiệu quả vượt trội trong xử lý kháng sinh nhóm quinolon.

Bên cạnh đó, đề tài cũng đánh giá ảnh hưởng của các ion cản trở, khả năng giải hấp - tái sinh vật liệu và đề xuất các quy trình xử lý an toàn sau sử dụng. Kết quả cho thấy, vật liệu có thể tái sinh nhiều chu kỳ mà không làm suy giảm đáng kể hiệu suất xử lý, đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tiễn.

Kết quả của đề tài được đánh giá có ý nghĩa quan trọng cả về mặt khoa học và ứng dụng. Về khoa học, nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm lĩnh vực vật liệu xúc tác quang đa chức năng, đặc biệt là các hệ vật liệu trên nền khoáng tự nhiên.

Về thực tiễn, đề tài mở ra hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm vi mô, đặc biệt là dư lượng kháng sinh trong nước mặt - vấn đề đang nhận được sự quan tâm lớn của xã hội.

Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu định hướng tiếp tục phát triển vật liệu theo hướng tối ưu hóa hiệu suất, mở rộng đối tượng xử lý và tiến tới ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước mặt tại khu vực đô thị, bệnh viện và vùng nông thôn. Đây được kỳ vọng sẽ là giải pháp bền vững, thân thiện môi trường, phù hợp với điều kiện kinh tế - kỹ thuật của Việt Nam trong giai đoạn phát triển mới./.

NMK