THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung
- Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano compozit trên cơ sở nano sắt từ oxit ứng dụng để xử lý một số chất hữu cơ khó phân hủy trong môi trường nước.
- Mã số: B2023-TNA-27
- Chủ nhiệm đề tài: TS. Bùi Minh Quý
- Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên
- Thời gian thực hiện: Từ tháng 01 năm 2023 đến tháng 12 năm 2024) – Gia hạn 06 tháng, đến 30/6/2025.
2. Mục tiêu
- Tổng hợp thành công vật liệu nano lai Fe3O4 – ZnO và vật liệu Fe3O4-ZnO/chitosan có cấu trúc và đặc tính ưu việt cho việc xử lý một số chất màu hữu cơ và dư lượng thuốc kháng sinh trong nước;
- Đánh giá và tối ưu hóa quá trình xử lý một số chất màu hữu cơ (xanh metylen, metyl da cam, Rodamin B, EBT, ...) và dư lượng một số thuốc kháng sinh (họ quinolon) trong nước bằng vật liệu chế tạo được dựa trên phương pháp hấp phụ và phân hủy quang hóa.
3. Tính mới và sáng tạo
Đã tổng hợp thành công vật liệu compozit ba thành phần Fe3O4, ZnO và chitosan. Vật liệu có diện tích bề mặt phù hợp để làm vật liệu xử lý môi trường, kích cỡ nanomet, thực hiện trong quy mô phòng thí nghiệm;
Đã đánh giá và xây dựng được quy trình xử lý chất màu hữu cơ (MO, MB, RhB) và dư lượng kháng sinh (ciprofloxacin, levofloxacin, moxifloxacin) trong nước bằng phương pháp hấp phụ và phân huỷ quang hoá.
4. Kết quả nghiên cứu
1. Đã tổng hợp thành công vật liệu composit CMZ với sự kết hợp của ZnO, Fe3O4 và chitosan (CMZ). Sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại đã xác định được cấu trúc tinh thể của CMZ ở dạng lục giác wurzite; các nguyên tử được sắp xếp đồng đều trong vật liệu; vật liệu có bề mặt xốp, được tạo thành bởi các đa phân tán có kích cỡ khoảng 10 – 15 nm, diện tích bề mặt riêng bằng 66,38 m2/g; CMZ là chất siêu thuận từ với độ từ hóa bằng 15,04 emu/g; Sự kết hợp của ZnO với Fe3O4 và chitosan đã làm giảm năng lượng vùng cấm của vật liệu xuống 2,84 eV, nhỏ hơn năng lượng vùng cấm của ZnO. Điều này làm tăng hoạt tính quang xúc tác của CMZ so với ZnO trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Đã xây dựng được đường chuẩn phù hợp (R2 = 0,999) để xác định nồng độ MO và RhB trong nước bằng phương pháp UV-Vis.
2. Vật liệu nancompozit CMZ có khả năng loại bỏ các chất màu MO và RhB trong nước bằng phương pháp quang xúc tác. Trong đó, điều kiện tối ưu để loại bỏ MO ở pH = 3, thời gian chiếu sáng là 60 phút, khối lượng CMZ là 0,1 g; điều kiện tối ưu để loại bỏ RhB ở pH = 8, thời gian chiếu sáng là 90 phút, khối lượng CMZ là 0,1 g. Hiệu suất quá trình quang xúc tác xử lý MO và RhB giảm khi nồng độ ban đầu của các chất màu tăng. Động học phản ứng phân hủy MO và RhB bằng CMZ tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc một Langmuir – Hinshelwood. Trong đó hằng số tốc độ phân hủy MO lớn hơn RhB.
3. CMZ có khả năng quang xúc tác hấp phụ để loại bỏ kháng sinh MFX và LFX ra khỏi môi trường nước. Điều kiện xử lý MFX đạt hiệu quả cao tại pH = 7, khối lượng CMZ bằng 0,1 g. Hiệu suất phân hủy MFX tăng khi thời gian chiếu sáng lớn và nồng độ ban đầu của MFX nhỏ; Hiệu suất quá trình phân hủy quang xúc tác LFX bằng vật liệu CMZ giảm từ 91,00% - 66,87% khi nồng độ ban đầu của LFX tăng từ 5 – 30 mg/L. Quá trình quang xúc tác phân huỷ MFX và LFX trên CMZ tuân theo mô hình động học bậc nhất Langmuir – Hinshellwood.
5. Sản phẩm
5.1. Sản phẩm khoa học
5.1.1. Bài báo khoa học quốc tế:
1. Quy B.M, Vinh D.N, Hoa N.T.H, Linh N.T.N, Tung V.Q, Saonilan Thapphanya, Phuong N.N, Ha L.T, N. T. Nghia, Synergistic Photocatalytic Removal of Moxifloxacin from Aqueous Solutions Using ZnO-Fe3O4-Chitosan Composites, Material Research Express, 2024, 11, 055509 https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad45b8 (ISI-Q2).
2. B. M. Quy, N. T. N. Thu, V. T. Xuan, N. T. H. Hoa, N. T. N. Linh, V. Q. Tung, V. T. T. Le, T. T. Thao, N. T. K. Ngan, P. T. Tho, N. M. Hung and L. T. Ha, Photocatalytic degradation performance of a chitosan/ZnO–Fe3O4 nanocomposite over cationic and anionic dyes under visible-light irradiation, RSC Adv., 2025, 15, 1590–1603. https://doi.org/10.1039/D4RA08262A (ISI, Q1)
5.1.2. Bài báo khoa học trong nước:
1. Bùi Minh Quý*, Sùng A Ba, Rương Thị An, Vũ Quang Tùng, Đặc trưng và tính chất quang xúc tác của vật liệu composite ZnO - Fe3O4, Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 13(1), 75-80, 2024. ISSN: 0866-7411/ https://doi.org/10.62239/jca.2024.012
2. Bui Minh Quy*, Tran Tuan Tu, Vu Thi Thu Le, Vu Quang Tung, Nguyen Thi Quynh Giang, Hoang Van Quang, Application of composite based on magnetite oxide to remove the ofloxacin from aqueous solution, Vietnam Journal of Science and Technology, (Scopus/ Q4) (được chấp nhận đăng ngày 17/4/2024)
5.2. Sản phẩm đào tạo
- Hỗ trợ đào tạo 01 nghiên cứu sinh đúng hướng nghiên cứu của đề tài.
- Đào tạo 01 thạc sĩ, Bảo vệ thành công và có nội dung theo hướng nghiên cứu của đề tài;
THAPPHAPYA SAONILAN "Ứng dụng các phương pháp phân tích hoá lý hiện đại để phân tích đặc trưng vật liệu và khả năng xử lý levofloxacin trong nước” Luận văn thạc sĩ Hoá phân tích, trường ĐẠi học Khoa học, Đại học Thái Nguyên (2024).
5.3. Sản phẩm ứng dụng
- 01 Sở hữu trí tuệ: 01 giải pháp hữu ích (được chấp nhận đơn).
5.4. Sản phẩm khác
- 300 g vật liệu nano compozit trên cơ sở các hạt nano sắt từ oxit:
- 01quy trình tổng hợp vật liệu nano compozit trên cơ sở Fe3O4;
- 01 quy trình ứng dụng vật liệu nano compozit trong xử lý nước ô nhiễm chất màu và dư lượng thuốc kháng sinh;
- 01báo cáo đánh giá quá trình xử lý một số chất màu hữu cơ (MB, MO, RhB, EBT, ...) và dư lượng một số thuốc kháng sinh (họ quinolon) trong nước bằng vật liệu đã chế tạo dựa trên phương pháp hấp phụ và phân hủy quang hóa.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu
6.1. Phương thức chuyển giao
- Kết quả của đề tài được công bố là các bài báo khoa học trên các tạp chí trong nước và quốc tế và các báo cáo khoa học tại các hội nghị khoa học cấp quốc gia và quốc tế.
- Báo cáo của đề tài được lưu tại thư viện làm tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu, giảng dạy và học tập tại các bậc đại học và sau đại học ngành Hoá học, Khoa học vật chất và Khoa học Môi trường... tại Đại học Thái Nguyên.
6.2. Địa chỉ ứng dụng
Kết quả nghiên cứu của có thể được ứng dụng tại các cơ sở xử lý nước.
6.3. Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu
Đề tài góp phần nâng cao trình độ, năng lực nghiên cứu của cán bộ của cán bộ tham gia đề tài.
Đề tài phục vụ công tác đào tạo đại học và sau đại học tại ĐH Thái Nguyên, kết quả của đề tài là tài liệu tham khảo tốt cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và cán bộ giảng dạy ngành Hóa học, Khoa học Môi trường tại Đại học Thái Nguyên.
Tăng cường hợp tác nghiên cứu khoa học của cán bộ Đại học Thái Nguyên với các cơ sở khác ở trong và ngoài nước.
Kết quả nghiên cứu về vật liệu nanocompozit trên cơ sở sắt từ oxit có khả năng ứng dụng trong xử lý nước. Kết quả của đề tài góp phần vào việc tìm ra giải pháp xử lý nước thải theo phương pháp thân thiện với môi trường. Qua đó, nâng cao chất lượng nguồn nước bảo vệ hệ sinh thái, cải thiện sức khỏe của nhân dân.
Đề tài góp phần bồi dưỡng và nâng cao khả năng nghiên cứu của các giảng viên, hình thành nhóm nghiên cứu về vật liệu xử lý nước trong các cơ sở giáo dục đại học liên quan đến khoa học Vật liệu của Đại học Thái Nguyên.
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information
Project title: Study on the fabrication of magnetic iron oxide-based nanocomposite materials for treating persistent organic pollutants in water.
Code number: B2023-TNA-27
Coordinator: Bui Minh Quy
Implementing institution: Thai Nguyen
Duration: from January 2023 to December 2024 (Extended by 6 months until June 30th, 2025)
2. Objective(s)
Successfully synthesise Fe3O4-ZnO hybrid nanomaterials and Fe3O4-ZnO/chitosan composite materials with superior structures and properties for treating organic dyes and antibiotic residues in water.
Evaluate and optimise the treatment process for organic dyes (Methylene Blue, Methyl Orange, Rhodamine B, Eriochrome Black T, etc.) and certain antibiotics (quinolone family) in water using the synthesized materials through adsorption and photocatalytic degradation methods
3. Creativeness and innovativeness
Successfully synthesized a three-component composite material consisting of Fe3O4, ZnO, and chitosan. The material possesses an appropriate surface area for environmental treatment applications, nanoscale size, and was developed at the laboratory scale.
Evaluated and established a treatment process for organic dyes (MO, MB, RhB) and antibiotic residues (ciprofloxacin, levofloxacin, moxifloxacin) in water using adsorption and photocatalytic degradation methods.
4. Research results
Successfully synthesized the CMZ composite material incorporating ZnO, Fe3O4, and chitosan. Advanced physicochemical analysis methods confirmed that CMZ has a hexagonal wurtzite crystal structure, with evenly distributed atoms and a porous surface formed by poly-dispersed particles of 10–15 nm size and a specific surface area of 66.38 m²/g. CMZ exhibits superparamagnetic properties with a magnetization of 15.04 emu/g. The combination of ZnO with Fe3O4 and chitosan reduced the material's bandgap energy to 2.84 eV, lower than ZnO, thereby enhancing CMZ's photocatalytic activity under visible light compared to ZnO.
Established a suitable calibration curve (R² = 0.999) for determining MO and RhB concentrations in water using the UV-Vis method.
CMZ nanocomposite material demonstrated the ability to remove MO and RhB dyes from water via photocatalysis. Optimal conditions for MO removal: pH = 3, illumination time = 60 minutes, CMZ dosage = 0.1 g. Optimal conditions for RhB removal: pH = 8, illumination time = 90 minutes, CMZ dosage = 0.1 g. The photocatalytic efficiency for MO and RhB decreased with increasing initial dye concentration. The degradation kinetics of MO and RhB by CMZ followed the pseudo-first-order Langmuir-Hinshelwood model, with a higher degradation rate constant for MO than for RhB.
CMZ exhibited photocatalytic adsorption capabilities for removing MFX and LFX antibiotics from water. Optimal conditions for MFX treatment: pH = 7, CMZ dosage = 0.1 g. The degradation efficiency increased with longer illumination time and lower initial MFX concentration. The photocatalytic degradation efficiency of LFX by CMZ decreased from 91.00% to 66.87% as the initial LFX concentration increased from 5 to 30 mg/L. The photocatalytic degradation of MFX and LFX by CMZ followed the pseudo-first-order Langmuir-Hinshelwood model.
5. Products
5.1. Scientific Publications
5.1.1. International Scientific Articles
1. Quy B.M, Vinh D.N, Hoa N.T.H, Linh N.T.N, Tung V.Q, Saonilan Thapphanya, Phuong N.N, Ha L.T, N. T. Nghia, Synergistic Photocatalytic Removal of Moxifloxacin from Aqueous Solutions Using ZnO-Fe3O4-Chitosan Composites, Material Research Express, 2024, 11, 055509 https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad45b8 (ISI-Q2).
2. B. M. Quy, N. T. N. Thu, V. T. Xuan, N. T. H. Hoa, N. T. N. Linh, V. Q. Tung, V. T. T. Le, T. T. Thao, N. T. K. Ngan, P. T. Tho, N. M. Hung and L. T. Ha, Photocatalytic degradation performance of a chitosan/ZnO–Fe3O4 nanocomposite over cationic and anionic dyes under visible-light irradiation, RSC Adv., 2025, 15, 1590–1603. https://doi.org/10.1039/D4RA08262A (ISI, Q1)
5.1.2. Domestic Scientific Articles:
1. Bui Minh Quy*, Sung A Ba, Ruong Thi An, Vu Quang Tung, "Characteristics and Photocatalytic Properties of ZnO-Fe3O4 Composite Materials," Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 13(1), 75-80, 2024. DOI.
2. Bui Minh Quy*, Tran Tuan Tu, Vu Thi Thu Le, Vu Quang Tung, Nguyen Thi Quynh Giang, Hoang Van Quang, "Application of Composite-Based Magnetite Oxide to Remove Ofloxacin from Aqueous Solution," Vietnam Journal of Science and Technology (Scopus/Q4), accepted on April 17, 2024.
5.2. Training Products
- Contribution training of 01 PhD candidate in the project's research direction.
- Training 01 master of defended successfully in the direction of the topic’s research: THAPPHAPYA SAONILAN, "Application of Modern Physicochemical Analysis Methods to Characterize Materials and Assess the Treatment of Levofloxacin in Water," Master's Thesis in Analytical Chemistry, Thai Nguyen University of Sciences, Thai Nguyen University (2024).
5.3. Application-Oriented Outputs
- Intellectual Property: 01 Useful solution (valid applications accepted).
- Other Outputs:
- 300 g of magnetic iron oxide-based nanocomposite material.
- 01 synthesis process for Fe3O4-based nanocomposite materials.
- 01 application process for using nanocomposite materials in wastewater treatment for organic dyes and antibiotic residues.
- 01 report evaluating the treatment process of organic dyes (MB, MO, RhB, EBT, etc.) and certain antibiotics (quinolone family) in water using the synthesized materials through adsorption and photocatalytic degradation methods.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results
6.1. Transfer method
Research findings have been published in international and domestic scientific journals and presented at national and international conferences.
The project report is archived in the university library as a reference for research, teaching, and learning at undergraduate and postgraduate levels in Chemistry, Materials Science, and Environmental Science at Thai Nguyen University.
6.2. Application address
The research findings can be applied in water treatment facilities.
6.3. Impact and Benefits of research results
Enhances the research capacity of project members.
Supports undergraduate and postgraduate education at Thai Nguyen University, serving as a valuable reference for students, master's candidates, PhD researchers, and faculty members in Chemistry and Environmental Science.
Strengthens scientific collaboration between Thai Nguyen University and domestic/international institutions.
Provides an environmentally friendly wastewater treatment solution, improving ecosystem protection and public health.
Fosters the development of research groups focused on water treatment materials at Thai Nguyen University.
