Phương pháp mới lọc nước uống an toàn hơn
- Thứ năm - 23/09/2021 09:49
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật thuộc Đại học Tufts đã phát triển được công nghệ lọc nước mới. Công nghệ có thể ngăn chặn một căn bệnh liên quan đến nước uống ô nhiễm, gây ảnh hưởng đến hàng chục triệu người trên toàn thế giới và cải thiện hoạt động xử lý môi trường, sản xuất công nghiệp và hóa chất cũng như khai thác mỏ.
Trong nghiên cứu, màng polime mới có thể tách florua khỏi clorua và các ion khác (các nguyên tử tích điện) với độ chọn lọc cao gấp đôi so với các phương pháp khác. Phương pháp này có thể ngăn ngừa độc tính florua trong các nguồn cung cấp nước, trong đó, nguyên tố này xuất hiện tự nhiên ở mức quá cao so với khả năng tiêu thụ của con người.
Việc bổ sung florua vào nguồn cung cấp nước được biết đến là làm giảm tỷ lệ mắc bệnh sâu răng. Tuy nhiên, thực tế ít được biết đến là một số nguồn cung cấp nước ngầm có hàm lượng florua tự nhiên quá cao, gây các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Tiếp xúc lâu dài với florua dư thừa sẽ dẫn đến tình trạng nhiễm fluor làm suy yếu răng, vôi hóa gân và dây chằng và dẫn đến biến dạng xương. Theo đánh giá của Tổ chức Y tế Thế giới, nồng độ florua quá cao trong nước uống, đã gây ra hàng chục triệu ca nhiễm fluor ở răng và xương trên toàn thế giới.
Khả năng loại bỏ florua bằng màng lọc tương đối rẻ tiền, có thể bảo vệ cộng đồng khỏi bị nhiễm fluor mà không cần sử dụng phương pháp lọc áp suất cao hoặc loại bỏ hoàn toàn tất cả các thành phần và sau đó tái tạo khoáng cho nước uống.
Ayse Asatekin, phó giáo sư về kỹ thuật hóa sinh và là đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Màng lọc ion có tiềm năng giảm lượng florua dư thừa trong nguồn cung cấp nước uống. Tuy nhiên, công nghệ này không chỉ xử lý nước mà còn giải quyết được nhiều thách thức. Màng lọc rất dễ được mở rộng quy mô sản xuất cho các ứng dụng công nghiệp. Vì màng lọc đóng vai trò như bộ lọc, có cấu tạo tương đối đơn giản, chi phí thấp và bền vững về mặt môi trường, nên có thể được ứng dụng rộng rãi để cải thiện nguồn cung cấp nước nông nghiệp, xử lý chất thải hóa học và tăng cường sản xuất hóa chất”.
Thiết kế màng lọc nước tổng hợp được lấy cảm hứng từ sinh học. Màng tế bào có tính chọn lọc cao, cho phép các ion di chuyển vào trong và ra ngoài tế bào. Chúng thậm chí có thể điều chỉnh nồng độ bên trong và bên ngoài của các ion và phân tử với độ chính xác cao.
Các kênh ion sinh học tạo ra một môi trường chọn lọc hơn cho sự di chuyển của các ion nhỏ này, thông qua phủ lên bề mặt kênh các nhóm hóa chất chức năng có sự khác nhau về kích thước, điện tích và ái lực với nước. Tương tác giữa các ion đi qua với các nhóm hóa chất này, được tạo ra là do kích thước nanomet của các lỗ kênh và tốc độ di chuyển bị ảnh hưởng bởi độ mạnh hay yếu của các tương tác.
Màng lọc được thiết kế bằng cách phủ polime zwitterionic (một loại polime trong đó các nhóm phân tử chứa các điện tích âm và dương liên kết chặt chẽ trên bề mặt của chúng) lên một giá đỡ xốp để tạo nên các màng có các kênh cỡ gần 1 nanomet, được bao quanh bởi cả chất đẩy nước và các nhóm hóa chất mang điện tích dương và âm. Đối với các kênh sinh học, kích thước rất nhỏ của các lỗ buộc các ion phải tương tác với các nhóm hóa chất tích điện và đẩy nước trong các lỗ, cho phép một số ion di chuyển nhanh hơn nhiều so với các nhóm khác. Trong nghiên cứu, thành phần của polime được tạo ra nhằm mục tiêu chọn lọc giữa florua và clorua. Các nhà nghiên cứu cho rằng thay đổi thành phần của polime zwitterionic có thể đạt được mục tiêu lựa chọn các ion khác nhau.
Hầu hết các màng lọc hiện nay phân tách các phân tử thông qua sự khác biệt lớn về kích thước hạt hoặc phân tử và điện tích, nhưng khó phân biệt giữa các ion nguyên tử đơn lẻ, do kích thước của chúng nhỏ và điện tích của chúng gần giống nhau. Trái lại, màng lọc mới có thể tách các ion có đường kính nguyên tử chỉ khác nhau một chút, ngay cả khi điện tích của chúng gần giống nhau.
Công ty Zwitterco có trụ sở tại Cambridge, đơn vị tài trợ cho nghiên cứu, sẽ xem xét quy mô sản xuất màng tách ion để thử nghiệm ứng dụng trong các môi trường công nghiệp.
Trong nghiên cứu, màng polime mới có thể tách florua khỏi clorua và các ion khác (các nguyên tử tích điện) với độ chọn lọc cao gấp đôi so với các phương pháp khác. Phương pháp này có thể ngăn ngừa độc tính florua trong các nguồn cung cấp nước, trong đó, nguyên tố này xuất hiện tự nhiên ở mức quá cao so với khả năng tiêu thụ của con người.
Việc bổ sung florua vào nguồn cung cấp nước được biết đến là làm giảm tỷ lệ mắc bệnh sâu răng. Tuy nhiên, thực tế ít được biết đến là một số nguồn cung cấp nước ngầm có hàm lượng florua tự nhiên quá cao, gây các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Tiếp xúc lâu dài với florua dư thừa sẽ dẫn đến tình trạng nhiễm fluor làm suy yếu răng, vôi hóa gân và dây chằng và dẫn đến biến dạng xương. Theo đánh giá của Tổ chức Y tế Thế giới, nồng độ florua quá cao trong nước uống, đã gây ra hàng chục triệu ca nhiễm fluor ở răng và xương trên toàn thế giới.
Khả năng loại bỏ florua bằng màng lọc tương đối rẻ tiền, có thể bảo vệ cộng đồng khỏi bị nhiễm fluor mà không cần sử dụng phương pháp lọc áp suất cao hoặc loại bỏ hoàn toàn tất cả các thành phần và sau đó tái tạo khoáng cho nước uống.
Ayse Asatekin, phó giáo sư về kỹ thuật hóa sinh và là đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Màng lọc ion có tiềm năng giảm lượng florua dư thừa trong nguồn cung cấp nước uống. Tuy nhiên, công nghệ này không chỉ xử lý nước mà còn giải quyết được nhiều thách thức. Màng lọc rất dễ được mở rộng quy mô sản xuất cho các ứng dụng công nghiệp. Vì màng lọc đóng vai trò như bộ lọc, có cấu tạo tương đối đơn giản, chi phí thấp và bền vững về mặt môi trường, nên có thể được ứng dụng rộng rãi để cải thiện nguồn cung cấp nước nông nghiệp, xử lý chất thải hóa học và tăng cường sản xuất hóa chất”.
Thiết kế màng lọc nước tổng hợp được lấy cảm hứng từ sinh học. Màng tế bào có tính chọn lọc cao, cho phép các ion di chuyển vào trong và ra ngoài tế bào. Chúng thậm chí có thể điều chỉnh nồng độ bên trong và bên ngoài của các ion và phân tử với độ chính xác cao.
Các kênh ion sinh học tạo ra một môi trường chọn lọc hơn cho sự di chuyển của các ion nhỏ này, thông qua phủ lên bề mặt kênh các nhóm hóa chất chức năng có sự khác nhau về kích thước, điện tích và ái lực với nước. Tương tác giữa các ion đi qua với các nhóm hóa chất này, được tạo ra là do kích thước nanomet của các lỗ kênh và tốc độ di chuyển bị ảnh hưởng bởi độ mạnh hay yếu của các tương tác.
Màng lọc được thiết kế bằng cách phủ polime zwitterionic (một loại polime trong đó các nhóm phân tử chứa các điện tích âm và dương liên kết chặt chẽ trên bề mặt của chúng) lên một giá đỡ xốp để tạo nên các màng có các kênh cỡ gần 1 nanomet, được bao quanh bởi cả chất đẩy nước và các nhóm hóa chất mang điện tích dương và âm. Đối với các kênh sinh học, kích thước rất nhỏ của các lỗ buộc các ion phải tương tác với các nhóm hóa chất tích điện và đẩy nước trong các lỗ, cho phép một số ion di chuyển nhanh hơn nhiều so với các nhóm khác. Trong nghiên cứu, thành phần của polime được tạo ra nhằm mục tiêu chọn lọc giữa florua và clorua. Các nhà nghiên cứu cho rằng thay đổi thành phần của polime zwitterionic có thể đạt được mục tiêu lựa chọn các ion khác nhau.
Hầu hết các màng lọc hiện nay phân tách các phân tử thông qua sự khác biệt lớn về kích thước hạt hoặc phân tử và điện tích, nhưng khó phân biệt giữa các ion nguyên tử đơn lẻ, do kích thước của chúng nhỏ và điện tích của chúng gần giống nhau. Trái lại, màng lọc mới có thể tách các ion có đường kính nguyên tử chỉ khác nhau một chút, ngay cả khi điện tích của chúng gần giống nhau.
Công ty Zwitterco có trụ sở tại Cambridge, đơn vị tài trợ cho nghiên cứu, sẽ xem xét quy mô sản xuất màng tách ion để thử nghiệm ứng dụng trong các môi trường công nghiệp.