Khử ô nhiễm kim loại nặng trong nước bằng nanocarbon tích điện

Các nhà khoa học tại Đại học Nagoya Nhật Bản vừa phát minh ra một công nghệ mới, hứa hẹn giúp cải thiện tình hình bằng cách sử dụng loại vật liệu nanocarbon tích điện nhằm làm tăng hiệu quả lọc ion kim loại nặng trong hỗn hợp nước thải.

Các độc tố kim loại nặng có trong nước thải công nghiệp có thể gây hậu quả môi trường nghiêm trọng, và phá hủy chuỗi thức ăn tự nhiên. 

Trong số các nỗ lực loại bỏ độc tố kim loại nặng, bao gồm arsenic (thạch tín), thủy ngân, thiếc, chì, … trong nước thải, phải kể đến một số giải pháp sáng tạo như sử dụng robot tự hành siêu nhỏ để thu thập mẫu nước, chế tạo bộ lọc làm từ đá thạch anh, hay thậm chí tận dụng cả những phần bỏ đi của hành, tỏi, …

Vật liệu nanocarbon cũng được xem là một giải pháp lọc nước đầy hứa hẹn nhờ khả năng gắn kết các ion kim loại nặng, như chì và thủy ngân, bằng lực phân tử. Lực này trong tự nhiên thực ra rất yếu, vì vậy nhóm nghiên cứu đang tìm cách tạo ra những nanocarbon siêu tích điện bằng cách tinh chỉnh tiến trình sản sinh của chúng. Cụ thể, các nhà khoa học sẽ bổ sung thêm một số phân tử, chẳng hạn amino (gốc NH2), nhằm tạo ra liên kết hóa học mạnh hơn với kim loại.

Trong một thí nghiệm, nhóm đã sử dụng phenol (C6H5OH) làm vật liệu carbon và trộn nó với hợp chất APTES hay (3-Aminopropyl) triethoxysilane – tức amino. Tất cả được đặt trong buồng kính và để phơi nhiễm với dòng điện cao thế trong thời gian hơn 20 phút. Kết quả là APTES phân bố dàn đều trên bề mặt phenol, bao gồm cả bề mặt của những lỗ rỗng nhỏ bên trong.

Quy trình tạo thành nanocarbon tích điện. Ảnh: Nagahiro Saito.

“Quy trình chỉ gồm một bước này đã thúc đẩy sự hình thành liên kết của các amino ở cả bề mặt bên ngoài lẫn bên trong của nanocarbon rỗng”, nhà khoa học vật liệu Nagahiro Saito tại ĐH Nagoya lý giải. “Điều này giúp tăng cường khả năng hấp thụ ion kim loại nặng của vật liệu mới so với bản thân nanocarbon.”

Sau đó, nhóm đã tiến hành kiểm chứng bằng nhiều thí nghiệm nhằm so sánh hiệu quả của loại nanocarbon mới, so với những loại khác được tạo ra bằng các phương pháp thông thường. Nanocarbon tích điện thực sự đã cho khả năng hấp thụ ion kim loại vượt trội.

Trong một thí nghiệm như vậy, các nhà khoa học đã cho nanocarbon trải qua tới 10 chu kỳ hấp thụ, đối với ion đồng, kẽm, cadmium, … Mặc dù hiệu suất hấp thụ giảm dần sau mỗi chu kỳ như vậy, nhưng tỷ lệ là khá nhỏ, cho thấy khả năng tái sử dụng của vật liệu là rất tốt.

“Quy trình của chúng tôi có thể giúp làm giảm bớt chi phí lọc nước, đưa nhân loại đến gần hơn viễn cảnh có đủ nguồn cung nước sạch, an toàn, với chi phí hợp lý hơn vào năm 2030”, Saito nói.

Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí ACS Applied Nano Materials.