Cefalexin (CFX) là một loại kháng sinh thuộc nhóm Cephalosporin thế hệ thứ nhất. Thuốc này thường được kê đơn để điều trị một số bệnh về hô hấp và nhiễm trùng đường tiết niệu, là một trong những loại kháng sinh được tiêu thụ nhiều nhất, với quy mô sản xuất lớn trên toàn thế giới. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chỉ 10% cefalexin tiêu thụ được chuyển hóa bởi sinh vật, khoảng 90% được bài tiết qua nước tiểu và phân ở dạng không thay đổi cùng với các chất chuyển hóa của nó. Sự tích tụ các chất gây ô nhiễm này trong môi trường có liên quan đến sự xuất hiện của các mầm bệnh đa kháng thuốc, gây ra tác động khôn lường đến môi trường và các sinh vật.

Có nhiều phương pháp để xử lý CFX trong nước thải như phương pháp hóa học, phương pháp sinh học, phương pháp hóa lí,… Tuy nhiên, các phương pháp này tiêu tốn nhiều thời gian mà hiệu quả xử lý không cao, tốn nhiều chi phí đồng thời tạo ô nhiễm thứ cấp. Hiện nay, các phương pháp tiên tiến hiệu quả hơn như quá trình lai hợp, phương pháp oxy - khử, phương pháp oxy hóa nâng cao,… được quan tâm ứng dụng rộng rãi. Trong đó, phương pháp oxy hóa nâng cao có nhiều ưu điểm (như hiệu quả xử lý cao, khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các hợp chất vô cơ ít độc hại) nhờ sử dụng quá trình ozon hóa kết hợp với chất oxy hóa peroxymonosulfat (PMS) là một tác nhân oxy hóa mạnh, có thể xảy ra phản ứng oxy hóa với nhiều chất hữu cơ và chất vô cơ trong nước.

Nhiệm vụ nghiên cứu nêu trên được thực hiện với các mục tiêu chế tạo xúc tác nano tổ hợp Co2SnO4@rGO bằng phương pháp đồng hóa siêu âm; khảo sát quá trình phân hủy kháng sinh cefalexin bằng các hệ ozon hóa như O3/PMS, O3/Co2SnO4@rGO, PMS/Co2SnO4@rGO và O3/PMS/Co2SnO4@rGO; nghiên cứu động học và cơ chế phân hủy cefalexin trong nước thải bởi các hệ ozon hóa này.

Theo đó, đề tài đã chế tạo được xúc tác nano tổ hợp Co2SnO4@rGO; tìm được tỷ lệ tổ hợp giữa rGO và Co2SnO4 cho hiệu quả xử lý kháng sinh CFX; đánh giá đặc tính vật liệu (bằng các phương pháp BET, SEM, mapping, EDS và XRD); khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý CFX; đánh giá khả năng tái sử dụng và độ ổn định của nano tổ hợp Co2SnO4@rGO qua các lần sử dụng.

Kết quả nghiên cứu thử nghiệm tại phòng thí nghiệm cho thấy hiệu quả loại bỏ CFX trong nước thải bằng quá trình lai hợp giữa ozon và PMS được kích hoạt bởi nano tổ hợp Co2SnO4@rGO. Từ các kết quả khảo sát, có thể thấy hiệu quả loại bỏ CFX của quá trình ozon hóa (O3, O3/PMS/Co2SnO4@rGO, PMS/Co2SnO4@rGO) với hiệu suất lần lượt là 38.42%, 89.44% và 95.93%. Các điều kiện tốt nhất cho quá trình xử lý: nồng độ CFX = 100 mg/L; PMS = 300 mg/L; tại pH = 7; tỷ lệ tổ hợp Co2SnO4@rGO-2 (2Co2SnO4:1rGO); liều lượng xúc tác nano tổ hợp Co2SnO4@rGO = 0,3 g/L; thời gian phản ứng 90 phút.

Kết quả nghiên cứu này góp phần cung cấp một phương pháp xử lý cefalexin bằng cách sử dụng tác nhân oxy hóa mạnh, cụ thể là khí ozon hoặc peroxymonosulfate hoặc sử dụng cả hai tác nhân khí ozon và peroxymonosulfate kết hợp với xúc tác tổ hợp Co2SnO4@rGO dưới dạng nano. Đồng thời có thể sử dụng như một lựa chọn bổ sung vào các phương pháp xử lý nước thải dược phẩm hiện có. Kết quả của đề tài cũng là tiền đề cho các nghiên cứu trên mô hình lớn và triển khai ứng dụng ngoài thực tế. Qua đó giúp các doanh nghiệp, nhà máy xử lý nước thải có thêm một phương án mới để xử lý nước thải chứa dư lượng kháng sinh họ cefalexin như nước thải bệnh viện, sinh hoạt, chăn nuôi và dược phẩm với giá thành rẻ, hiệu quả xử lý cao, khả năng ứng dụng rộng rãi.