Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Thiết bị lọc nước bằng công nghệ nano có chi phí thấp (16/05/2014)

Nước thải từ các nhà máy thuộc da, sơn, giấy và ngành dệt có chứa các loại thuốc nhuộm khác nhau thường chưa qua xử lý đã cho thải vào nguồn nước. Nguồn gây ô nhiễm nước sạch số 1 (sau nông nghiệp) là ngành công nghiệp dệt, một trong những lĩnh vực công nghiệp sử dụng nhiều hóa chất nhất hành tinh. Ngân hàng thế giới ước tính rằng, có đến 17-20% ô nhiễm nước công nghiệp xuất phát từ nhuộm màu và hoàn tất xử lý vải trong ngành dệt. Có tới 72 hóa chất độc hại trong nước được xác định là có xuất xứ chỉ từ nhuộm dệt, 30 trong số đó là những hóa chất không thể loại bỏ. Điều này dẫn đến mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường nước và đời sống con người. Ngoài ra, các nhà máy xử lý nước rất dễ bị tích tụ ô nhiễm do sự phát triển của các vi sinh vật trong nước bẩn dẫn đến tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành gia tăng.

Tổng hợp các hạt nano bạc trên nền nano silic (NSAgNP)

              bằng công nghệ tách chiết protein

Sự phát triển các công nghệ lọc nước hiệu suất cao, ổn định, hiệu quả chi phí hiện đang là một thách thức lớn. Các cách lọc nước thông thường bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học đều có những hạn chế nhất định như chi phí cao, công suất hấp thụ thấp, phát sinh bùn độc hại, v.v...

Các công nghệ ứng dụng bao gồm đông tụ, tạo bông, thẩm thấu ngược, tách màng, oxy hóa, ozon hóa và hấp thụ đều tốn kém hoặc không thích hợp để khử thuốc nhuộm. Hấp thụ bằng than hoạt tính là phương pháp rẻ và hiệu quả, có thể tách được thuốc nhuộm ra khỏi nước thải. Nhưng cách tiếp cận này không phù hợp với xử lý nước thải công nghiệp do than hoạt tính chỉ có thể sử dụng một lần và sau đó loại bỏ thành rác thải. Hơn nữa, việc loại bỏ được các tác nhân gây bệnh trong nước xử lý yêu cầu các công đoạn bổ sung như khử trùng bằng clo và ozon hóa... làm gia tăng chi phí xử lý.

Để giải quyết vấn đề trên các nhà khoa học Ấn Độ đã đưa ra một giải pháp khả thi. Họ đã phát triển phương pháp lọc nước dựa trên công nghệ nano, sử dụng vật liệu nano composit bạc-silic có tác dụng như một vật liệu chống ô nhiễm, chống vi khuẩn và hấp thụ thuốc nhuộm. Bằng công nghệ này có thể cùng một lúc xử lý vi khuẩn gây bệnh và khử thuốc nhuộm trong nước bẩn không phải sử dụng hóa chất, nhiệt độ, áp suất cao hay tiêu thụ điện.

Theo các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu thuộc da trung ương Ấn Độ (CSIR) cho biết, họ đã tổng hợp một loại vật liệu nano composit bạc trên nền nano silic bằng cách khử các ion bạc liên kết nano silic qua trung gian protein thân thiện sinh thái. Protein được chiết xuất từ Rhizopus oryzae - một loại nấm tiếp hợp zygomycetes đóng vai trò vừa là chất khử vừa là chất bảo vệ các hạt nano bạc và ngăn không cho chúng bị oxy hóa trong các điều kiện môi trường. Kết quả thu được là một loại vật liệu có hiệu quả cao, chi phí thấp sử dụng để lọc nước lâu dài.

Quy trình tổng hợp sinh học nhiệt độ thấp, đơn giản này không yêu cầu các thiết bị phức tạp hay tốn kém, có thể hoạt động không cần bất kỳ hóa chất nào để khử các ion bạc và sau đó chế tạo ra các hạt nano bạc, giảm thiểu được khối lượng các hóa chất độc hại trong quá trình chế tạo loại vật liệu nano composit này. Lớp màng phủ protein trên bề mặt các hạt nano có tác dụng ngăn chặn sự ngâm chiết các ion bạc, bản thân chúng có thể là một nguồn hấp thụ chất bẩn và tạo sự ổn định lâu dài cho vật liệu nano composit.

Trong công trình nghiên cứu công bố trên Tạp chí Nanoscale  nhóm nghiên cứu cho biết, vật liệu nano composit tổng hợp thể hiện khả năng khử thuốc nhuộm rất cao và có đặc tính chống vi khuẩn và chống gỉ. Vật liệu này có thể khử thuốc nhuộm trong dung dịch với các nồng độ thuốc nhuộm, độ pH, và nhiệt độ khác nhau. Ngoài ra, vật liệu nano composit này còn có tác dụng tiêu diệt các vi sinh vật thường xuyên hiện diện trong nước ô nhiễm. Vật liệu này có thể thu hồi lại sau xử lý nước thải có chứa thuốc nhuộm, có thể bảo quản và sử dụng lại trong nhiều chu trình.

Nano silic có tỷ lệ giữa diện tích và thể tích rất cao và có chứa số lượng lớn các nhóm hydroxyl bề mặt cung cấp năng lượng liên kết tĩnh điện với các phân tử thuốc nhuộm trên bề mặt chúng. Tính chất này kết hợp với hoạt tính chống khuẩn của các hạt nano bạc trên bề mặt nano silic tạo nên tác dụng kết hợp của nano composit, dẫn đến khả năng loại trừ cao các hóa chất nhuộm màu và các vi sinh vật trong nước ô nhiễm. Vật liệu này còn có thể ngăn chặn sự bám dính của các vi sinh vật trôi nổi và ngăn sự tạo thành màng sinh học trên bề mặt, điều này cho phép sử dụng lâu dài trong nước ô nhiễm.

Sau khi hoàn thành giai đoạn thử nghiệm, nhóm nghiên cứu có kế hoạch phát triển thiết bị xử lý nước thải công nghiệp với công suất lớn. Họ cũng có dự định chế tạo các bộ lọc nước gọn nhỏ để sử dụng cho lọc nước gia đình. 

Nguồn: www.vista.vn (Theo: Nanowerk)