Thanh bên bài viết
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SINH VẬT NGOẠI LAI XÂM LẤN TRONG NƯỚC DẰN TÀU BẰNG VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO₂/BÔNG THẠCH ANH
Nội dung chính của bài viết
Tóm tắt
Nước dằn tàu biển là nguồn phát tán sinh vật ngoại lai xâm lấn toàn cầu, gây nguy cơ nghiêm trọng cho hệ sinh thái biển. Nghiên cứu này đánh giá bước đầu hiệu quả xử lý vi sinh vật chỉ thị Escherichia coli trong nước dằn tàu mô phỏng bằng vật liệu quang xúc tác TiO₂ phủ trên bông thạch anh dưới chiếu xạ UV-C. Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp tẩm ướt và đặc trưng bằng nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả XRD xác nhận sự hiện diện của pha anatase TiO₂ trên nền thạch anh, trong khi ảnh SEM cho thấy lớp phủ TiO₂ phân bố tương đối đồng đều ở nồng độ 3-5% và có xu hướng kết tụ ở nồng độ 10%. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu xạ (60-120 phút) và độ mặn (0-30‰) đến hiệu quả xử lý. Với mẫu HP5, mật độ E. coli giảm từ 10.000 CFU/100 mL xuống 5.000 CFU/100 mL sau 120 phút chiếu xạ, tương ứng hiệu suất 50% và mức giảm khoảng 0,30 log10. Hiệu quả xử lý giảm khi độ mặn tăng, với mức giảm chỉ khoảng 0,05 log10 ở độ mặn 30‰, phù hợp với cơ chế ion chloride cạnh tranh/quét gốc hydroxyl. Kết quả cho thấy hệ UV/TiO₂/bông thạch anh có tiềm năng nghiên cứu tiếp trong xử lý nước dằn tàu, nhưng hiệu quả hiện tại còn thấp so với yêu cầu D-2 của Công ước BWM và cần được tối ưu hóa về liều UV, cấu hình phản ứng, tải lượng xúc tác, kiểm soát độ mặn và đánh giá thống kê.
Abstract
Ship ballast water is a major vector for the global spread of invasive alien species, posing serious threats to marine ecosystems. This study provides a preliminary evaluation of the inactivation of the indicator microorganism Escherichia coli in simulated ballast water using TiO₂-coated quartz wool photocatalytic material under UV-C irradiation. The material was synthesized by wet impregnation and characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). XRD results confirmed the presence of anatase TiO₂ on the quartz substrate, while SEM images showed relatively uniform TiO₂ coating at 3-5% loading and particle agglomeration at 10%. Experiments investigated the effects of irradiation time (60-120 min) and salinity (0-30‰) on treatment efficiency. Using HP5, E. coli density decreased from 10,000 CFU/100 mL to 5,000 CFU/100 mL after 120 min, corresponding to 50% removal and approximately 0.30 log10 reduction. Treatment efficiency declined with increasing salinity, with only about 0.05 log10 reduction at 30‰, consistent with chloride competition and hydroxyl-radical scavenging. The results indicate that the UV/TiO₂/quartz wool system is a potential subject for further ballast-water-treatment research; however, the present efficacy remains below the BWM Convention D-2 requirement and requires optimization of UV dose, reactor configuration, catalyst loading, salinity control, and statistical validation.
Keywords: Ballast water, invasive alien species, photocatalysis, TiO₂, quartz wool, Escherichia coli, salinity.
Từ khóa
Nước dằn tàu, sinh vật ngoại lai xâm lấn, quang xúc tác, TiO₂, bông thạch anh, Escherichia coli, độ mặn
Chi tiết bài viết
Tài liệu tham khảo
[2] Y. Li, C. Li, S. Xu, Y. Yang, J. Hou, and L. Wang, “Photocatalytic inactivation of E. coli using Ag/N-Fe₃O₄-SiO₂-TiO₂ magnetic nanoparticles with UVCLED irradiation,” Water Research, vol. 142, pp. 452-463, 2018. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.06.006
[3] K. Sunada, T. Watanabe, and K. Hashimoto, “Bactericidal activity of copper-deposited TiO₂ thin film under weak UV light illumination,” Environmental Science & Technology, vol. 37, no. 20, pp. 4785-4789, 2003. https://doi.org/10.1021/es034106g
[4] J. Hou, L. Wang, C. Wang, S. Zhang, H. Liu, S. Li, and X. Wang, “Toxicity and mechanisms of action of titanium dioxide nanoparticles in living organisms,” Journal of Environmental Sciences, vol. 75, pp. 40-53, 2019. https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.06.010
[5] M. Cho, H. Chung, W. Choi, and J. Yoon, “Linear correlation between inactivation of E. coli and OH radical concentration in TiO₂ photocatalytic disinfection,” Water Research, vol. 38, no. 4, pp. 1069-1077, 2004. https://doi.org/10.1016/j.watres.2003.10.029
[6] S. Malato, P. Fernández-Ibáñez, M. I. Maldonado, J. Blanco, and W. Gernjak, “Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: Recent overview and trends,” Catalysis Today, vol. 147, no. 1, pp. 1-59, 2009. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.06.018
[7] A. G. Aragon, J. A. Cárdenas Sánchez, C. Zimeri, E. Shim, X. Fang, and K. R. L. Young, “TiO₂-Coated Meltblown Nonwoven Fabrics Prepared via Atomic Layer Deposition for the Inactivation of E. coli as a Model Photocatalytic Drinking Water Treatment System,” Environments, vol. 11, no. 5, Article 92, 2024. https://doi.org/10.3390/environments11050092
[8] W. Choi, “Pure and modified TiO₂ photocatalysts and their environmental applications,” Catalysis Surveys from Asia, vol. 10, no. 1, pp. 16-28, 2006. https://doi.org/10.1007/s10563-006-9002-5
[9] G. V. Buxton, C. L. Greenstock, W. P. Helman, and A. B. Ross, “Critical review of rate constants for reactions of hydrated electrons, hydrogen atoms and hydroxyl radicals in aqueous solution,” Journal of Physical and Chemical Reference Data, vol. 17, no. 2, pp. 513-886, 1988. https://doi.org/10.1063/1.555805
[10] X. Hou, X. Huang, F. Jia, Z. Ai, J. Zhao, and L. Zhang, “Hydroxylamine promoted goethite surface Fenton degradation of organic pollutants,” Environmental Science & Technology, vol. 51, no. 9, pp. 5118-5126, 2017. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b05906
[11] W. Choi, A. Termin, and M. R. Hoffmann, “The role of metal ion dopants in quantum-sized TiO₂: Correlation between photoreactivity and charge carrier recombination dynamics,” The Journal of Physical Chemistry, vol. 98, no. 51, pp. 13669-13679, 1994. https://doi.org/10.1021/j100102a038
[12] A. Chatzitakis, C. Berberidou, I. Paspaltsis, G. Kyriakou, T. Sklaviadis, and I. Poulios, “Photocatalytic degradation and drug activity reduction of chloramphenicol,” Water Research, vol. 42, no. 1-2, pp. 386-394, 2008. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.07.030
[13] C. S. Turchi and D. F. Ollis, “Photocatalytic degradation of organic water contaminants: Mechanisms involving hydroxyl radical attack,” Journal of Catalysis, vol. 122, no. 1, pp. 178-192, 1990. https://doi.org/10.1016/0021-9517(90)90269-P
[14] M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Choi, and D. W. Bahnemann, “Environmental applications of semiconductor photocatalysis,” Chemical Reviews, vol. 95, no. 1, pp. 69-96, 1995. https://doi.org/10.1021/cr00033a004
[15] J. Rodríguez-Chueca, M. I. Polo-López, R. Mosteo, M. P. Ormad, and P. Fernández-Ibáñez, “Disinfection of real and simulated urban wastewater effluents using a mild solar photo-Fenton,” Applied Catalysis B: Environmental, vol. 150-151, pp. 619-629, 2014. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.12.027
[16] Y. Wang, Y. Liu, K. Liu, S. Song, P. Tsiakaras, and H. Liu, “Preparation and characterization of a novel KNbO₃ photocatalyst with high activity in the degradation of organic pollutants,” Applied Surface Science, vol. 258, no. 24, pp. 9989-9996, 2012. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.06.055
[17] C. Pablos, J. Marugán, R. van Grieken, and E. Serrano, “Emerging micropollutant oxidation during disinfection processes using UV-C, UV-C/H₂O₂, UV-A/TiO₂ and UV-A/TiO₂/H₂O₂,” Water Research, vol. 47, no. 3, pp. 1237-1245, 2013. https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.11.041