Màng lấy cảm hứng từ hến có thể tăng cường tính bền vững và gia tăng giá trị cho xử lý nước thải công nghiệp
bởi Đại học Bath
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại màng mới hiệu quả cao lấy cảm hứng từ loài trai. Ảnh: Đại học Bath
Các kỹ sư đã phát triển một loại màng mới giúp phân tách các hóa chất trong nước thải một cách hiệu quả đến mức chúng có thể được tái sử dụng, mang đến cơ hội mới cho các ngành công nghiệp để cải thiện tính bền vững, đồng thời chiết xuất các sản phẩm phụ và hóa chất có giá trị từ nước thải.
Được tạo ra để sử dụng trong xử lý nước thải, màng xốp nano tổng hợp màng mỏng được gọi là TFC NPM, thể hiện khả năng "chưa từng có" để tách muối và các thành phần hóa học khác khỏi nước, đồng thời có thể dẫn đến việc xử lý và quản lý nước bền vững hơn trong phạm vi của các ngành công nghiệp.
Một bài báo nghiên cứu được xuất bản hôm nay, ngày 3 tháng 8, trên Nature Water chi tiết về hiệu suất của màng và giải thích cách thức các đặc tính độc đáo của màng, các khía cạnh được lấy cảm hứng từ loài trai, có thể mở đường cho việc quản lý nước bền vững hơn trong các ngành như dược phẩm, dầu khí , dệt may và chế biến thực phẩm. Bài báo được viết bởi các học giả từ Đại học Bath của Vương quốc Anh cùng với các đồng nghiệp có trụ sở tại Trung Quốc, Hàn Quốc, Singapore, Úc và Bỉ.
Họ nói rằng màng này có thể thay thế các dòng điện tương đương được sử dụng trong điện phân, một quy trình được sử dụng để xử lý nước bằng cách vận chuyển các ion qua màng từ dung dịch này sang dung dịch khác dưới dòng điện. Các màng hiện tại đắt tiền và có thể đạt được hiệu suất tách từ 90%–95%. Các tác giả của công trình mới cho biết TFC NPM mới có thể cải thiện điều này một cách đáng kể, với hiệu suất hơn 99%, trong khi sử dụng ít năng lượng hơn với chi phí thấp hơn.
Tiến sĩ Ming Xie, giảng viên Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Bath và là một trong những tác giả của bài báo, cho biết màng này có thể dẫn đến sự thay đổi trong suy nghĩ về xử lý nước thải. Ông nói: "Theo truyền thống, nhiều ngành công nghiệp coi nước thải mà họ tạo ra là chất thải thương mại và là chi phí kinh doanh cần thiết.
"Các công nghệ như màng mà chúng tôi tạo ra có thể giúp chúng tôi thực hiện các bước để giảm lượng khí thải carbon bằng cách giảm nhu cầu năng lượng trong xử lý nước thải, đồng thời tìm cách phân tách hiệu quả các thành phần trong đó như hóa chất, muối, năng lượng, sinh khối và chất dinh dưỡng, trước khi tái sử dụng chúng như những sản phẩm phụ có giá trị cao."
Các nhà nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ loài trai khi thiết kế lớp phủ trên bề mặt màng, được tạo thành từ polymer polyetylenimine (PEI) và polydopamine (PDA), một hợp chất mà loài trai tiết ra và sử dụng để dính vào đá hoặc gỗ trong điều kiện ẩm ướt. Độ dính của lớp phủ làm cho màng có tính chọn lọc cao, cho phép nước đi qua nhưng ngăn chặn các hợp chất và vật liệu hữu cơ khác. Quá trình nhiều giai đoạn này dẫn đến việc lọc nước được cải thiện và một cách hiệu quả cao, ít tốn năng lượng để phân đoạn (hoặc tách) các hóa chất riêng lẻ.
Điện phân là một công nghệ đã cho thấy khả năng thích ứng của nó với một số ứng dụng, trong trường hợp này là quản lý các dòng chất thải có độ mặn cao. Trong quá trình điện phân, điện thế được sử dụng để đẩy các ion dương và âm của muối hòa tan qua màng tổng hợp bán thấm riêng biệt.
Trong quá trình thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bốn loại kháng sinh—ceftriaxone natri, cefotaxime natri, carbenicillin disodium và ampicillin natri—để chứng minh hiệu suất lọc chạy bằng điện của màng phủ PDA/PEI. Màng này cho thấy hiệu quả thu hồi cao chưa từng thấy trong việc loại bỏ kháng sinh khỏi dung dịch nước mặn (nước và NaCl natri clorua)—với hiệu suất khử muối hơn 99,3% và thu hồi kháng sinh hơn 99,1%.
Nếu được kết hợp trong xử lý nước thải công nghiệp, màng có khả năng thực hiện phân đoạn (tách) điện phân hiệu quả cao của các dung dịch hỗn hợp hữu cơ/NaCl khác nhau, hiệu quả hơn các quy trình tiêu chuẩn hiện có.
Đồng tác giả, Tiến sĩ Dong Han Seo từ Khoa Kỹ thuật Năng lượng, Viện Công nghệ Năng lượng Hàn Quốc, cho biết: "Công trình này chứng minh công nghệ điện phân hiện đại để giải quyết thách thức lớn trong ngành dược phẩm đối với việc xử lý nước thải dựa trên sinh học, để cho phép thu hồi hiệu quả các hóa chất có giá trị cao trong khi thu được nước có thể tái sử dụng ở đầu bên kia với mức tiêu thụ năng lượng thấp."
Tiến sĩ Jiuyang Lin từ Học viện Khoa học Trung Quốc, cũng là đồng tác giả, cho biết: "Lớp phủ đơn giản nhưng hiệu quả này mang lại sự ổn định lâu dài và đảm bảo mức tiêu thụ năng lượng thấp bất kể điều kiện nước thải. Đây là một phát hiện đột phá về điện phân để xử lý nước thải có liên quan thiết kế thông minh của màng, mô phỏng và phân tích."
