Màng lọc từ vật liệu tự nhiên loại bỏ hóa chất vĩnh cửu trong nước

Ô nhiễm nước do các hóa chất được sử dụng trong công nghệ hiện nay đang ngày càng trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Một nghiên cứu gần đây do Trung tâm Kiểm soát Dịch bệnh Hoa Kỳ đã phát hiện 98% số người được xét nghiệm phát hiện nồng độ PFAS trong máu. PFAS là một họ hợp chất tồn tại cực kỳ lâu, còn được gọi là hóa chất vĩnh cửu. Có nhiều loại vật dụng mà chúng ta sử dụng hằng ngày có chứa loại hóa chất này: mỹ phẩm, bao bì thực phẩm, quần áo chống nước, bọt khí cứu hỏa và lớp phủ chống dính cho dụng cụ nấu nướng.

Theo Cơ quan bảo vệ môi trường, chi phí khắc phục nhằm đáp ứng các quy định hạn chế PFAS ở mức dưới 7 phần nghìn tỷ trong nước uống có thể lên tới 1,5 tỷ USD mỗi năm.

Ô nhiễm do PFASvà các hợp chất tương tự “thực sự là một vấn đề rất lớn, mà không có nhiều biện pháp giải quyết được toàn diện vấn đề này một cách hiệu quả hoặc kinh tế”, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Yilin Zhang tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết. “Đây là lý do chúng tôi nghĩ ra giải pháp dựa trên protein và xenlulo và hoàn toàn tự nhiên này”.

Một khám phá tình cờ

Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Zhang và giáo sư Benedetto Marelli đã cùng các nhà nghiên cứu tại MIT phát triển một vật liệu lọc làm từ lụa tự nhiên và xenlulo.

Vật liệu lai này thể hiện tiềm năng lớn trong việc loại bỏ các hợp chấp PFAS dai dẳng và kim loại nặng trong nước, đồng thời có đặc tính kháng khuẩn làm giảm tình trạng tắc nghẽn màng lọc.

“Chúng tôi đến với dự án này một cách tình cờ”, Marelli cho biết. Ban đầu, nhóm nghiên cứu dự định phát triển công nghệ này cho một mục đích khác, không liên quan: tạo ra hệ thống dán nhãn để chống lại tình trạng lan tràn hạt giống giả, thường có chất lượng kém.

Vật liệu lai có đặc tính riêng biệt

Nhóm của Marelli đã nghĩ ra một phương pháp biến protein tơ thành các tinh tế có kích cỡ nano đồng nhất, được gọi là sợi siêu mỏng (nanofibrils), sử dụng kỹ thuật nhỏ giọt nước thân thiện môi trường ở nhiệt độ thường.

Zhang đưa ra giả thuyết rằng những sợi nano tơ này có thể phát huy tác dụng trong việc lọc chất gây ô nhiễm, thế nhưng các nỗ lực ban đầu chỉ dùng tơ để tạo màng lọc đều không thành công. Nhóm quyết định thử cho thêm xenlulo, một vật liệu dễ kiếm thu được từ chất thải bột gỗ nông nghiệp.

Họ sử dụng phương pháp tự lắp ráp, trong đó protein fibroin tơ tằm (loại vật liệu sợi tơ không tan, có nguồn gốc từ một số loại nhện, tơ tằm) lơ lửng trong nước và sau đó được tạo khuôn thành các sợi nano bằng cách chèn “hạt giống” của các tinh thể nano xenlulo. Điều này khiến các phân tử tơ tằm mất trật tự trước đây xếp thành hàng dọc theo các hạt giống.

Dựa trên cơ sở này, các nhà nghiên cứu phát triển được một vật liệu lai có nhiều đặc tính riêng biệt. Vật liệu tích hợp này, dưới dạng màng mỏng, đã thể hiện khả năng loại bỏ chất gây ô nhiễm và kháng khuẩn đáng chú ý trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhất là sau khi điều chỉnh điện tích của xenlulo.

Phát hiện ra xenlulo có đặc tính kháng khuẩn mạnh do tích điện là một yếu tố đột phá trong công nghệ lọc. Ưu điểm này giải quyết vấn đề chính là vi khuẩn và nấm bám vào màng lọc, có khả năng cách mạng hóa quá trình lọc nước.

Phương pháp lọc nước mới

“Loại vật liệu này thực sự có thể cạnh tranh với các vật liệu tiêu chuẩn hiện đang được dùng trong màng lọc nước hướng tới mục đích chiết xuất các ion kim loại và các chất gây ô nhiễm mới xuất hiện này, và chúng có thể làm tốt hơn một số vật liệu hiện tại”, Marelli lưu ý.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng vật liệu lai có thể loại bỏ chất gây ô nhiễm hiệu quả hơn so với các vật liệu thường được dùng như than hoạt tính và than hoạt tính dạng hạt, bằng cách tách nhiều chất gây ô nhiễm hơn đáng kể từ nước.

Những phát hiện của nhóm nghiên cứu có thể chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu lai theo quy mô lớn hơn. Theo Zhang, vật liệu này trước tiên có thể làm bộ lọc tại điểm sử dụng, chẳng hạn như làm phụ kiện gắn vào vòi nước nhà bếp.

Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu là vật liệu lai này có thể được mở rộng quy mô để ứng dụng trong hệ thống lọc nước thành phố, tùy thuộc vào quá trình thử nghiệm kỹ lưỡng nhằm đảm bảo không có nguy cơ ô nhiễm.

Zhang cho biết một lợi thế đáng kể của vật liệu này là cả tơ tằm và xenlulo đều là chất dùng trong thực phẩm, nhờ thế mà khả năng gây ô nhiễm có hại của màng lọc sẽ rất thấp.

“Hầu hết các vật liệu thông thường hiện nay đều đang tập trung vào một loại chất gây ô nhiễm hoặc giải quyết vấn đề đơn lẻ”, Zhang cho biết. “Tôi nghĩ nhóm chúng tôi là những người đầu tiên giải quyết tất cả những vấn đề này cùng một lúc”.

Mục tiêu hướng tới

Khám phá ra loại vật liệu lai là bước đầu tiên đầy hứa hẹn. Dựa trên cơ sở này, nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực cải thiện độ bền của vật liệu và tìm kiếm các nguồn protein thay thế để đảm bảo khả năng mở rộng quy mô.

Để đảm bảo màng lọc hoạt động hiệu quả khi được nhân rộng trong các hệ thống lọc nước thực tế, đặc biệt là ở những khu vực có nguồn nước bị ô nhiễm nặng, nhóm nghiên cứu phải nâng cao tuổi thọ và khả năng chống mài mòn của vật liệu.

Ngoài ra, chi phí cũng là một vấn đề cần cân nhắc. Bởi nguyên nhân này, các nhà nghiên cứu đang xem xét các vật liệu thay thế như protein từ thực vật hoặc tổng hợp. Theo Marelli, tuy protein tơ tằm có thể lấy từ sản phẩm phụ của ngành công nghiệp dệt lụa, nhưng để mở rộng quy mô sản xuất, đáp ứng nhu cầu lớn thì có thể gây ra thách thức về nguồn cung.

Các vật liệu thay thế khác có thể đem lại giải pháp với chi phí thấp hơn, dồi dào hơn cho nhu cầu lọc nước trên toàn cầu mà không ảnh hưởng tới hiệu suất hoặc tính bền vững. Các vật liệu thay thế cũng có thể giúp mở rộng phạm vi công nghệ, đảm bảo rằng ngay cả những khu vực có ít tài nguyên cũng có thể hưởng lợi từ các hệ thống lọc tiên tiến.

“Điều tôi thích ở phương pháp này là nó chỉ sử dụng vật liệu tự nhiên như lụa và xenlulo để chống ô nhiễm”, Hannes Schniepp, giáo sư khoa học ứng dụng tại Trường William & Mary, không tham gia vào công trình này, cho biết. “Trong các phương pháp tiếp cận cạnh tranh, vật liệu tổng hợp được sử dụng - thường sẽ cần nhiều hóa chất hơn để chống lại một số hệ quả bất lợi mà hóa học đã tạo ra. [Công trình nghiên cứu này] phá vỡ chu kỳ ấy!… Nếu màng lọc mới này có thể được sản xuất hàng loạt và khả thi về mặt kinh tế, thì nó thực sự có thể tạo ra tác động lớn”.

Kết quả nghiên cứu đã được nhóm công bố trên tạp chí ACS Nano.

Nguồn:

earth.com, techexplorist.com, news.mit.edu