Công nghệ lọc mới giúp loại bỏ muối và kim loại độc hại khỏi nước

Hầu hết mọi người đều lấy nước ngọt từ sông hồ. Nhưng nguồn này chỉ chiếm 0,007% lượng nước trên thế giới. Khi dân số ngày càng tăng, nhu cầu về nước ngọt cũng tăng lên. Hiện nay, cứ ba người trên thế giới thì có hai người phải đối mặt với tình trạng khan hiếm nước trầm trọng ít nhất một tháng mỗi năm.

Có thể tận dụng các nguồn nước khác – như nước biển và nước thải – để đáp ứng nhu cầu nước ngày càng tăng, nhưng những nguồn nước này chứa đầy muối và các chất gây ô nhiễm như kim loại độc hại. Đã có những phương pháp nhằm loại bỏ muối và chất độc khỏi nước – quá trình này còn được gọi là quá trình khử muối đều có chi phí cao và tiêu tốn nhiều năng lượng, vì chúng đòi hỏi phải trải qua nhiều bước.

Tôi* là nghiên cứu sinh về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, nhóm nghiên cứu mà tôi tham gia mới đây đã tạo ra một phương pháp lọc nước mới. Chúng tôi hy vọng phương pháp này sẽ giúp quá trình khử muối diễn ra hiệu quả hơn, dễ quản lý chất thải hơn và quy mô của các nhà máy xử lý nước cũng sẽ nhỏ hơn. Công nghệ này có một loại bộ lọc mới có thể nhắm mục tiêu và thu giữ các kim loại độc hại, đồng thời loại bỏ muối khỏi nước.

Để tạo ra một bộ lọc có thể vừa thu giữ kim loại vừa loại bỏ muối, trước tiên tôi và các đồng nghiệp cần một loại vật liệu có thể loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm khác nhau – chủ yếu là kim loại nặng – khỏi nước. Để làm được điều này, chúng tôi chuyển sang xem xét các hạt thấm hút nhỏ, còn gọi là PAF. Các hạt này được thiết kế để thu giữ các chất gây ô nhiễm riêng lẻ một cách chọn lọc. Ví dụ, một loại hạt thấm hút chỉ có thể thu được thủy ngân. Các loại khác thì chỉ loại bỏ đồng, sắt hoặc boron. Sau đó, tôi nhúng bốn loại hạt khác nhau này vào màng nhựa mỏng - về cơ bản, tôi đang tạo ra các bộ lọc tùy chỉnh có thể thu giữ các chất gây ô nhiễm theo loại hạt tương ứng mà tôi đưa vào màng.

Sau đó, tôi và một đồng nghiệp đã đặt những màng lọc này vào một máy lọc nước thẩm tách bằng điện. Thẩm tách bằng điện là phương pháp sử dụng điện để kéo muối và chất độc ra khỏi nước, đi qua màng lọc và đi vào một dòng chất thải riêng biệt. Chất thải này – thường gọi là nước muối – có thể trở nên độc hại, nếu muốn xử lý chúng bằng các quy trình khử muối hiện có thì sẽ cực kỳ tốn kém.

Trong quy trình cải tiến của nhóm chúng tôi, được gọi là thẩm tách bằng điện thu giữ ion, chúng tôi hy vọng các màng chứa những hạt thấm hút kim loại cực nhỏ sẽ thu giữ những kim loại độc hại khỏi nước muối. Công đoạn này sẽ giúp đạt được đồng thời ba lợi ích, từ đó tiết kiệm năng lượng: Muối và kim loại sẽ được loại bỏ khỏi nước, các kim loại độc hại sẽ được giữ lại trong một màng nhỏ, có thể dùng một lần hoặc thậm chí là tái sử dụng; và dòng nước thải mặn sẽ không độc hại.

Chúng tôi đã tiến hành những thử nghiệm để xem xét hiệu quả của các màng này. Trong thử nghiệm đầu tiên, chúng tôi sử dụng màng lọc chứa hạt thu giữ thủy ngân để lọc nước từ ba nguồn chứa cả thủy ngân và muối: nước lợ, nước ngầm và nước thải công nghiệp. Thật ngạc nhiên, các màng đã thu giữ tất cả lượng thủy ngân. Ngoài ra, các màng lọc còn hoạt động tốt trong việc loại bỏ muối – loại bỏ hơn 97% khỏi nước. Chỉ sau một lần cho nước chảy qua máy thẩm tách bằng điện mới của chúng tôi, nước đã hoàn toàn có thể uống được. Quan trọng hơn, các thí nghiệm tiếp cho thấy, không một lượng thủy ngân nào có thể lọt qua bộ lọc, trừ khi gần như tất cả các hạt thấm hút bên trong bộ lọc đã được sử dụng hết.

Sau đó, tôi và các đồng nghiệp xem xét liệu quy trình thẩm tách bằng điện thu giữ ion của chúng tôi có hoạt động trên các kim loại gây hại thông thường khác hay không. Tôi đã thử nghiệm ba bộ lọc màng có chứa chất thu giữ đồng, sắt hoặc boron. Mỗi bộ lọc đều thu giữ thành công tất cả các chất mục tiêu mà không để sót bất kỳ một lượng nhỏ nào đi vào nước muối, đồng thời loại bỏ hơn 96% muối khỏi nước, làm sạch nước đến điều kiện có thể sử dụng được.

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp lọc nước mới của chúng tôi có thể thu giữ một cách chọn lọc nhiều chất gây ô nhiễm phổ biến, đồng thời loại bỏ muối khỏi nước, nhưng chúng tôi vẫn còn phải đối mặt với nhiều thách thức về mặt công nghệ.

Đầu tiên, các hạt thu giữ có tính chọn lọc cao mà tôi và các đồng nghiệp nhúng vào màng lại quá đắt đỏ nếu muốn mở rộng ra sản xuất hàng loạt. Có thể thay thế bằng chất thấm hút rẻ hơn – chất lượng cũng thấp hơn – vào bộ lọc, nhưng điều này có thể làm giảm hiệu suất lọc nước.

Thứ hai, chúng tôi vẫn cần thử nghiệm thẩm tách bằng điện thu giữ ion trên quy mô lớn hơn so với quy mô hiện tại trong phòng thí nghiệm. Các vấn đề thường nảy sinh trong quá trình chuyển giao công nghệ mới từ phòng thí nghiệm sang ngành công nghiệp.

Cuối cùng, các kỹ sư của nhà máy xử lý nước sẽ cần đưa ra một phương án để tạm dừng quy trình ngay trước khi chất thấm hút trong màng được sử dụng hết. Nếu không, các chất ô nhiễm độc hại sẽ rò rỉ qua bộ lọc, đi vào nước đã lọc. Sau khi thay bộ lọc hoặc loại bỏ kim loại khỏi bộ lọc và gom chúng thành chất thải riêng biệt, các kỹ sư có thể khởi động lại quy trình.

Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này sẽ gợi mở những phương pháp mới giúp làm sạch hiệu quả các nguồn nước dù dồi dào nhưng bị ô nhiễm nhiều hơn so với nước ngọt. Những tác động của việc khan hiếm nước là rất nghiêm trọng, ở cả cấp độ xã hội và toàn cầu, vì vậy các công trình tương tự thực sự sẽ mang lại ý nghĩa lớn.