Màng mỏng năng lượng mặt trời làm sạch nước bằng cách tiêu diệt vi khuẩn ngay cả trong điều kiện ánh sáng mặt trời yếu
bởi Sanjukta Mondal, Phys.org
Màng quang xúc tác tự nổi, có thể tái sử dụng, có thể vô hiệu hóa vi khuẩn trong nước và đảm bảo an toàn khi sử dụng. Nguồn: Nature Water (2025). DOI: 10.1038/s44221-025-00500-0
Khoảng 4,4 tỷ người trên toàn thế giới vẫn chưa được tiếp cận nguồn nước uống an toàn. Các màng mỏng nổi mới được thiết kế, tận dụng ánh sáng mặt trời để loại bỏ hơn 99,99% vi khuẩn có thể góp phần thay đổi điều đó, biến nước ô nhiễm thành nguồn tài nguyên an toàn và mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn cho thách thức toàn cầu cấp bách này.
Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Tôn Dật Tiên, Trung Quốc, đã trình bày một màng quang xúc tác tự nổi được cấu tạo từ chất xúc tác quang polyme liên hợp (Cz-AQ) được thiết kế đặc biệt, có khả năng tạo ra các gốc hữu cơ tập trung vào oxy (OCOR) trong nước.
Các OCOR này được hình thành hiệu quả nhờ các nhóm cho và nhận electron mạnh được tích hợp vào thiết kế polyme, mang lại tuổi thọ dài hơn gấp nhiều lần so với các loại oxy phản ứng thông thường. Với thời gian hoạt động dài hơn, các gốc tự do cho phép màng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và ức chế sự phát triển trở lại của vi khuẩn trong ít nhất năm ngày.
Những phát hiện được công bố trên tạp chí Nature Water cũng nhấn mạnh rằng màng có thể được tái sử dụng hơn 50 lần mà vẫn duy trì được tính ổn định và hiệu quả về mặt chi phí.
Việc thiếu nước uống an toàn làm phát sinh các bệnh lây truyền qua đường nước, cướp đi sinh mạng của tới 2 triệu người mỗi năm, và nhiều người trong số họ là trẻ nhỏ. Thách thức này đặc biệt nghiêm trọng ở các vùng xa xôi và thu nhập thấp, nơi việc xây dựng các nhà máy xử lý tập trung quy mô lớn là không khả thi và cơ sở hạ tầng hỗ trợ - chẳng hạn như nguồn cung cấp điện liên tục - thường không có sẵn.
| Sơ đồ minh họa các đặc điểm đặc trưng của OCOR. Nguồn: Nature Water (2025). DOI: 10.1038/s44221-025-00500-0
Trong những năm qua, một số phương pháp quy mô nhỏ, bao gồm khử trùng bằng clo, xử lý bằng tia cực tím (UV) và khử trùng bằng năng lượng mặt trời (SODIS), đã được nghiên cứu như những giải pháp thay thế. Tuy nhiên, những phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế vì khử trùng bằng clo có thể tạo ra các sản phẩm phụ hóa học độc hại, xử lý bằng tia cực tím đòi hỏi năng lượng đầu vào đáng kể, và SODIS hoạt động cực kỳ chậm, đôi khi mất tới 48 giờ để hoạt động vào những ngày nhiều mây.
Các hệ thống quang xúc tác nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn để xử lý ô nhiễm nước mà không cần cơ sở hạ tầng lớn. Tuy nhiên, có một yếu tố đã ngăn cản các hệ thống hiện tại phát huy hết tiềm năng của chúng: sự phụ thuộc vào các gốc oxy phản ứng (ROS), vốn chỉ tồn tại trong vài nano giây đến micro giây trong môi trường thực tế.
Những gốc hóa học không ổn định này nhanh chóng bị vô hiệu hóa bởi các phản ứng phụ trong môi trường, khiến những vũ khí nhỏ bé này trở nên bất lực ngay cả trước khi chúng có thể tấn công các vi khuẩn mà chúng được thiết kế để tiêu diệt.
Màng siêu mỏng mới này đã khắc phục được những vấn đề này khi các gốc tự do chất xúc tác quang Cz-AQ tạo ra tồn tại gần 14 phút trong nước. Để kiểm tra hiệu quả của nó, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với vi khuẩn E. coli và Staphylococcus aureus. Màng đạt được khả năng bất hoạt vi khuẩn >4,3 log (trên 99,995%) trong 10 lít nước bị ô nhiễm nặng chỉ trong vòng 40 phút.
Hiệu suất xử lý nước bằng quang xúc tác. Nguồn: Nature Water (2025). DOI: 10.1038/s44221-025-00500-0
Không giống như các chất xúc tác quang dựa trên TiO₂ và graphene thông thường, gần như không hiệu quả khi trời nhiều mây hoặc ánh sáng mặt trời yếu, màng này vẫn duy trì hiệu suất ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu khắc nghiệt như vậy. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng hiệu suất này có thể cung cấp nước uống an toàn cho bốn đến năm người lớn mỗi ngày.
Họ cũng lưu ý rằng màng mỏng, nổi này cung cấp một giải pháp đơn giản, di động và giá cả phải chăng để cung cấp nước uống an toàn về mặt vi sinh. Nếu được mở rộng hiệu quả, công nghệ này có thể mang lại nguồn nước an toàn cho các cộng đồng xa xôi và các khu vực bị ảnh hưởng bởi thiên tai, đồng thời cung cấp một giải pháp lâu dài đáng tin cậy cho việc sử dụng hàng ngày.
Bài viết này được viết riêng cho bạn bởi tác giả Sanjukta Mondal, biên tập bởi Sadie Harley, và được Robert Egan kiểm tra thực tế và thẩm định — bài viết này là kết quả của quá trình lao động miệt mài của con người. Chúng tôi tin tưởng vào những độc giả như bạn để duy trì báo chí khoa học độc lập. Nếu bài viết này quan trọng với bạn, vui lòng cân nhắc đóng góp (đặc biệt là hàng tháng). Bạn sẽ nhận được một tài khoản không có quảng cáo như một lời cảm ơn.
Thông tin thêm: Yuyan Huang và cộng sự, Màng quang xúc tác tái sử dụng để khử trùng nước hiệu quả trong điều kiện cường độ ánh sáng yếu, Nature Water (2025). DOI: 10.1038/s44221-025-00500-0
Thông tin tạp chí: Nature Water
