Công trình này đã mở ra hướng tiếp cận nghiên cứu mới trong xử lý ô nhiễm kháng sinh tại môi trường nước theo hướng xanh, bền vững.
Kháng sinh giữ vai trò quan trọng trong nuôi trồng thủy sản và chăn nuôi, góp phần phòng ngừa dịch bệnh và nâng cao hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, việc sử dụng tràn lan và thiếu kiểm soát đã làm gia tăng dư lượng kháng sinh trong môi trường, nhất là môi trường nước, gây hệ lụy nghiêm trọng đối với sức khỏe con người, hệ sinh thái và nguy cơ kháng kháng sinh. Ước tính, mỗi năm có hơn 100.000 tấn kháng sinh xâm nhập vào các hệ thống nước thải. Xu hướng này được dự báo sẽ tiếp tục gia tăng trong những năm tới.
Trước thách thức đó, yêu cầu đặt ra là cần phát triển các giải pháp xử lý ô nhiễm theo hướng xanh, bền vững và hiệu quả. Công nghệ quang xúc tác, tận dụng năng lượng ánh sáng để phân hủy các hợp chất độc hại được đánh giá là hướng tiếp cận nhiều triển vọng. Tuy nhiên, các vật liệu quang xúc tác truyền thống vẫn còn hạn chế về khả năng hấp thụ ánh sáng, chi phí chế tạo và hiệu suất trong điều kiện tự nhiên.
Từ thực tiễn nêu trên, Tiến sĩ Lê Phương Thu, Trường đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội và nhóm nghiên cứu đã đề xuất và được lãnh đạo Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện Hàn lâm) phê duyệt triển khai đề tài “Nghiên cứu xử lý kháng sinh trong nuôi trồng thủy, hải sản bằng quá trình quang xúc tác Bi2MoO6/g-C3N4/Clinoptilolite” (VAST07.03/23-24), nhằm phát triển vật liệu và quy trình xử lý kháng sinh hiệu quả, thân thiện với môi trường, phục vụ sản xuất thủy sản bền vững.
Để triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đã phát triển hệ vật liệu ba thành phần, kết hợp giữa các chất bán dẫn nano và clinoptilolite, một loại khoáng zeolit tự nhiên có khả năng hấp thụ tốt và giá thành thấp. Bằng phương pháp thủy nhiệt đơn giản, nhóm đã tổng hợp thành công vật liệu Bi2MoO6/g-C3N4/Clinoptilolite (gọi tắt là CNBC). Vật liệu này có khả năng hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, tức là ánh sáng tự nhiên ban ngày, ưu điểm vượt trội so với nhiều hệ xúc tác khác phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo và khắc phục những hạn chế của vật liệu quang xúc tác truyền thống.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, vật liệu CNBC có thể phân hủy tới 87,47 oxytetracycline (OTC) sau 120 phút và 89,04% ciprofloxacin (CFX) chỉ sau 90 phút chiếu sáng. Khi được đưa vào hệ thống xử lý nước thải hoạt động liên tục ở quy mô phòng thí nghiệm, vật liệu đạt hiệu suất cao trong điều kiện thí nghiệm liên tục dù chỉ sử dụng lượng xúc tác rất nhỏ (150 mg/L) giảm đáng kể lượng xúc tác sử dụng so với nhiều hệ vật liệu đã công bố trước đó. Đặc biệt, vật liệu CNBC có thể tái sử dụng nhiều lần mà hiệu suất chỉ giảm khoảng 10%, cho thấy tính bền vững và ổn định cao, phù hợp để hướng tới ứng dụng thực tế.
Đáng chú ý, vật liệu CNBC có diện tích bề mặt lớn và mức năng lượng vùng cấm chỉ 2,23 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến (ánh sáng ban ngày) hiệu quả cao. Nhờ cấu trúc liên kết bền chặt giữa các hạt nano, vật liệu này hạn chế được hiện tượng “tái hợp” giữa điện tử và lỗ trống, nguyên nhân thường làm giảm hiệu suất trong các phản ứng quang xúc tác.
Không chỉ dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả xử lý, nhóm nghiên cứu còn làm rõ cơ chế phản ứng quang xúc tác - yếu tố then chốt quyết định hiệu suất của hệ vật liệu. Thông qua các phân tích chuyên sâu, vai trò của các gốc oxy hóa mạnh trong quá trình phân hủy kháng sinh đã được xác định, tạo cơ sở khoa học quan trọng cho việc tối ưu hóa hiệu quả xử lý, mở rộng ứng dụng cho các hệ xúc tác tương tự. Nhóm đã xây dựng thành công mô hình xử lý quang hóa tuần hoàn quy mô phòng thí nghiệm, vận hành ổn định. Điều này cho thấy khả năng xử lý hiệu quả kháng sinh trong nước thải nuôi trồng thủy sản-môi trường có thành phần ô nhiễm phức tạp và biến động.
Hướng tới các giải pháp thân thiện môi trường và có tính khả thi cao, nhóm nghiên cứu đã tận dụng vật liệu tự nhiên giá rẻ, kết hợp với quy trình tổng hợp đơn giản, để phát triển hệ xúc tác quang Bi2MoO6/g-C3N4/Clinoptilolite vừa hiệu quả, bền vững vừa phù hợp thực tế.
Mục tiêu của đề tài không chỉ là xử lý hiệu quả các kháng sinh phổ biến như oxytetracycline hay ciprofloxacin, mà còn hướng tới xây dựng các hệ xúc tác xanh, chi phí thấp, có thể hoạt động dưới ánh sáng mặt trời, phù hợp với điều kiện nông thôn và vùng nuôi trồng thủy sản. Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm sẽ tiếp tục tối ưu hóa thiết kế hệ thống, mở rộng nghiên cứu sang các chất ô nhiễm hữu cơ khác, đồng thời đánh giá độc tính của các sản phẩm sau xử lý nhằm bảo đảm an toàn môi trường. Các thử nghiệm thực địa cũng đang được đề xuất để kiểm chứng hiệu quả của vật liệu trong điều kiện vận hành thực tế.
Tiến sĩ Lê Phương Thu
Trường đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội
Theo Tiến sĩ Lê Phương Thu, mục tiêu của đề tài không chỉ là xử lý hiệu quả các kháng sinh phổ biến như oxytetracycline hay ciprofloxacin, mà còn hướng tới xây dựng các hệ xúc tác xanh, chi phí thấp, có thể hoạt động dưới ánh sáng mặt trời, phù hợp với điều kiện nông thôn và vùng nuôi trồng thủy sản. Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm sẽ tiếp tục tối ưu hóa thiết kế hệ thống, mở rộng nghiên cứu sang các chất ô nhiễm hữu cơ khác, đồng thời đánh giá độc tính của các sản phẩm sau xử lý nhằm bảo đảm an toàn môi trường. Các thử nghiệm thực địa cũng đang được đề xuất để kiểm chứng hiệu quả của vật liệu trong điều kiện vận hành thực tế.
Theo đánh giá của Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm, đề tài nghiên cứu nêu trên có giá trị thực tiễn cao, tiếp cận theo định hướng công nghệ xanh và bền vững nhằm giải quyết bài toán ô nhiễm dư lượng kháng sinh là vấn đề cấp bách về môi trường đang đặt ra. Nghiên cứu đã có những đóng góp thiết thực cho lĩnh vực chế tạo và ứng dụng vật liệu xúc tác trong xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý kháng sinh trong nước. Đề tài còn góp phần đào tạo nguồn nhân lực nghiên cứu, hỗ trợ đào tạo thạc sĩ và kỹ sư trong lĩnh vực liên quan. Các kết quả chính của đề tài đã được công bố trên hai bài báo quốc tế thuộc danh mục SCIE (IF >3,5; Q1) và một bài trên tạp chí VAST1.
