Hình 2. Hình thái của TSH từ rơm rạ nung ở các nhiệt độ khác nhau (Vo & Dang, 2025) Ghi chú: (a) 500°C, (b) 600°C, (c) 700°C và (d) biến tính hóa học.

Các chất ô nhiễm hữu cơ hiện nay nổi lên là một mối quan tâm rất lớn cho các vấn đề về môi trường, sức khỏe con người và động thực vật. Các chất này bao gồm kháng sinh và các loại thuốc khác (bao gồm thuốc giảm đau, hormone và các sản phẩm chăm sóc cá nhân) có tác động ngày càng to lớn khi cuộc sống ngày càng phát triển (Ouda et al., 2021). Kháng sinh là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để điều trị các bệnh nhiễm trùng ở người và động vật. Hơn nữa, kháng sinh có thể được dùng như là thuốc ngăn ngừa và được sử dụng phổ biến ở các nông trại và nuôi trồng thủy sản (McEwen & Fedorka-Cray, 2002; Van Boeckel et al., 2015). Trong lúc kinh tế phát triển nhanh chóng, kháng sinh được sử dụng rộng rãi để đáp ứng nhu cầu to lớn của việc điều trị và cung cấp thực phẩm cho con người. Tuy nhiên, việc sản xuất và sử dụng lượng rất lớn kháng sinh cũng dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trường (Kümmerer, 2009). Kháng sinh được tìm thấy trong môi trường đất và nước như ao hồ, sông, nước ngầm, nước thải và thậm chí là nước uống (Kolpin et al., 2004; Valcárcel et al., 2013; Sui et al., 2015). 

Kháng sinh trong môi trường nước từ các nguồn khác nhau như từ nguồn thải từ bệnh viện, rác thải sinh hoạt hoạt động sản xuất nông nghiệp, thủy sản (Hirsch et al., 1999; Lin et al., 2008) và công nghiệp dược phẩm (Phillips et al., 2010). Đối với Việt Nam có nền kinh tế phát triển nhanh, việc sản xuất và sử dụng kháng sinh cho con người và vật nuôi là rất lớn (Sy et al., 2017). Do đó, lượng lớn kháng sinh tồn dư bị xả thải ra môi trường. Tuy nhiên, các thông tin về ô nhiễm kháng sinh tại Việt Nam là rất hạn chế so với các nước khác. Ở Việt Nam, có một số nghiên cứu về ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước, nhưng các nghiên cứu này khi được thực hiện phần lớn chỉ tập trung vào các nguồn thải từ quá trình hoạt động sản xuất thủy sản. Có khoảng 138 loại kháng sinh trong số 376 sản phẩm được sử dụng trong thuỷ sản tại Việt Nam (Tai, 2003). Điều đó dẫn đến lượng kháng sinh tồn dư trong nước thải sản xuất thuỷ sản được phát hiện là rất lớn. Kết quả một nghiên cứu cho thấy, 91,6% mẫu nước mặt được phân tích tại đồng bằng sông Cửu Long nhận nước thải từ thuỷ sản chứa 1 loại kháng sinh, và 55,2% mẫu có từ 3 đến 4 loại kháng sinh. Những loại kháng sinh trong nước thải nuôi trồng thuỷ sản được tìm thấy gồm sulfonamides, macrolides, cyclines and quinolones (Tai, 2003). Sự tồn tại kháng sinh trong nước thải thuỷ sản làm tăng nguy cơ ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người. 

Các phương pháp truyền thống được áp dụng để xử lý kháng sinh bằng các phương pháp sinh học và cơ học (Sen et al., 2023), tuy nhiên các phương pháp này chưa thể hiện sự hiệu quả cần thiết. Các cách tiếp cận mới được phát triển để tăng hiệu quả xử lý như phương pháp oxy hoá nâng cao (AOPs), lọc nano, lọc màng thẩm thấu ngược, các phản ứng sinh học (Homem & Santos, 2011; Hiller et al., 2019; Diao et al., 2021; Nasrollahi et al., 2022). Các phương pháp này cho thấy hiệu quả khi xử lý kháng sinh từ nước thải ở quy mô nhỏ, nhưng có nhược điểm là chi phí xây dựng và vận hành cao hoặc diễn ra chậm, do đó hiệu quả xử lý ở quy mô lớn là chưa được chứng minh rõ (Leng et al., 2020; Sen et al., 2023). Kết quả các nghiên cứu hiện nay cho thấy phương pháp hấp phụ có tính hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước như kim loại nặng, ô nhiễm hữu cơ, phẩm màu. Bên cạnh đó, phương pháp này có tính kinh tế cao, đặc biệt là sử dụng vật liệu hấp phụ từ các phụ phẩm nông nghiệp, do đó thường được sử dụng rộng rãi (Kermani et al., 2017; Kakavandi et al., 2018). Các loại vật liệu hấp phụ khác nhau được xử lý bằng phương pháp nhiệt hoặc hoá học để có được tính chất hấp phụ phù hợp. Than hoạt tính là vật liệu rất tiềm năng để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, tuy nhiên chi phí chế tạo than hoạt tính lại cao, làm giảm hiệu quả kinh tế. Một số vật liệu hấp phụ khác đang được nghiên cứu để xử lý ô nhiễm kháng sinh như vật liệu nano graphene, carbon nanotubes và than sinh học (TSH) (Ahmed et al., 2015; Biswal & Balasubramanian, 2022). Trong các loại vật liệu trên, TSH được sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp đang cho thấy tiềm năng rất lớn vì hiệu quả cao và chi phí thấp. TSH cho thấy tính chất hấp phụ tốt với diện tích bề mặt riêng lớn, thể tích lỗ xốp cao, nhiều nhóm chức trên bề mặt và các tính chất này có thể được thay đổi bằng các phương pháp hoạt hoá để phù hợp xử lý cho từng loại chất ô nhiễm riêng (He et al., 2022).  

Tiềm năng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam là rất lớn. Việt Nam là một nước sản xuất nông nghiệp, theo tính toán lý thuyết, tổng lượng sinh khối được ghi nhận là gần 100 triệu tấn/năm. Đồng bằng sông Cửu Long là vùng có tiềm năng sinh khối rất lớn, đặc biệt là sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, vỏ trấu, bã mía,… với khoảng 30 triệu tấn/năm (Nguyen et al., 2022). Về cơ bản, thành phần chính của sinh khối gồm hemicellulose (30 – 45%), cellulose (15 – 40%) và lignin (5 – 25%) với hàm lượng carbon và oxy cao (35 – 46%), do đó rất thích hợp để tạo ra vật liệu hấp phụ có tính chất tốt như diện tích bề mặt lớn, thể tích lỗ xốp cao và nhiều nhóm chức trên bề mặt vật liệu, phù hợp xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ, trong đó có kháng sinh. Các phương pháp tạo ra TSH từ sinh khối hiện nay có thể từ các phương pháp nhiệt phân, đốt cháy và khí hóa. Các phương pháp này ảnh hưởng rất lớn đến tính chất TSH bên cạnh điều kiện thực hiện như tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ nung và thành phần sinh khối (Xie et al., 2022). Kết quả các nghiên cứu cho thấy, quá trình nhiệt phân chậm ở nhiệt độ cao có thể thu được lượng than lớn hơn và tính chất bề mặt tốt hơn (Yaashikaa et al., 2020). Bên cạnh đó, để gia tăng đặc tính vật liệu TSH, các quá trình hoạt hóa vật lý và hóa học có thể được sử dụng để làm tăng hiệu quả xử lý (Tran et al., 2017; Sajjadi et al., 2019). Các kết quả phân tích cho thấy các tác động hóa học làm thay đổi rất lớn đến cấu trúc và tính chất vật liệu, từ đó có thể làm tăng hiệu quả rõ rệt khả năng hấp phụ các chất kháng sinh ô nhiễm trong nước (Sajjadi et al., 2018; Biswal & Balasubramanian, 2022; Wakejo et al., 2022).

Nghiên cứu này được thực hiện để đánh giá tiềm năng xử lý hiệu quả một số loại kháng sinh khác trong nước thải bằng vật liệu TSH từ phụ phẩm nông nghiệp bằng các phương pháp hoạt hóa khác nhau. Các tính chất của TSH và sự tương tác giữa kháng sinh và TSH sẽ giúp làm rõ cơ chế xử lý, hiệu quả loại bỏ kháng sinh trong nước thải, từ đó có thể tối ưu hóa hiệu quả xử lý và ứng dụng trong quy  mô lớn. 

Trong các loại vật liệu hấp phụ, than sinh học (TSH) từ phụ phẩm nông nghiệp ngày càng được quan tâm trong việc xử lý các ô nhiễm môi trường do có đặc tính tốt, chi phí sản xuất thấp và thân thiện với môi trường. TSH cho thấy được hiệu quả xử lý kháng sinh cao so với các loại vật liệu khác với dung lượng hấp phụ tối đa có thể đạt hơn 550 mg/g, trong khi chi phí sản xuất chỉ trong khoảng từ 0,35 đến 1,2 USD/kg, thấp hơn đáng kể so với các loại vật liệu khác.

Qua thời gian nghiên cứu, kết quả cho thấy, ô nhiễm kháng sinh đang trở thành một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người trong thời gian gần đây. Việc xử lý ô nhiễm kháng sinh là một trong những quan tâm rất lớn hiện nay của các nhà nghiên cứu và công nghiệp. Các phương pháp xử lý truyền thống không thể xử lý hiệu quả, còn với các cách tiếp cận mới chưa chứng minh được tính khả thi khi áp dụng ở quy mô lớn. TSH đang cho thấy tiềm năng rất lớn để giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường do có đặc tính tốt như diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp cao và nhiều nhóm chức trên bề mặt vật liệu. Quá trình sản xuất TSH đơn giản hơn và nguyên liệu có giá thành thấp có thể làm giảm đáng kể chi phí sản xuất (trong khoảng 0,35 đến 1,2 USD/kg). Bên cạnh đó, đặc tính thân thiện môi trường là những ưu điểm hấp dẫn của vật liệu này. 

Các kết quả nghiên cứu cho thấy TSH có hiệu quả xử lý cao các loại kháng sinh khác nhau như tetracyclines, quinolones và sulfonamide với dung lượng hấp phụ cao nhất có thể đạt đến hơn 550 mg/g. So với các loại vật liệu khác, khả năng xử lý kháng sinh của vật liệu từ TSH là rất tốt. Hơn nữa, các vật liệu có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hiệu quả xử lý vẫn suy giảm không đáng kể do vật liệu có cấu trúc ổn định trong quá trình sử dụng. Một trong những ưu điểm của TSH là có thể kết hợp với một số vật liệu khác để nâng cao hiệu quả xử lý kháng sinh thông qua quá trình khác như oxy hóa nâng cao, bên cạnh hấp phụ. Từ đó, TSH từ phụ phẩm nông nghiệp là một giải pháp hứa hẹn cho các vấn đề ô nhiễm môi trường từ các chất hữu cơ và kháng sinh ở quy mô lớn, cũng như nâng cao giá trị sản xuất nông nghiệp để đạt được các mục tiêu phát triển bền vững ở Việt Nam.