Chất xúc tác nano làm sạch màng lọc nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường

Bộ lọc màng được sử dụng phổ biến để làm sạch nước thải do không cần năng lượng. Để thiết bị lọc nước làm việc hiệu quả, màng lọc thường được làm sạch bằng một lượng lớn hóa chất mạnh, nhưng các hóa chất sẽ dần phá hủy màng quá trình tẩy rửa.

Trong một báo cáo khoa học, đăng trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces, một nhóm nhà khoa học đã phát triển chất xúc tác hạt nano có thể tái sử dụng, kết hợp glucose phân hủy hiệu quả các chất gây ô nhiễm bên trong những bộ lọc mà không phá hỏng phin lọc.

Thông thường, bộ lọc nước thải bẩn bị tắc nghẽn được tẩy rửa bằng axit, bazơ hoặc chất oxy hóa mạnh. Những chất oxy hóa có chứa clo như thuốc tẩy có thể phá vỡ các mảnh vụn hữu cơ cứng rắn nhất.

Nhưng chất oxy hóa cũng làm hỏng màng polyamide, lắp đặt trong hầu hết các hệ thống lọc nano thương mại và tạo ra những sản phẩm phụ độc hại. Một chất thay thế thuốc tẩy nhẹ hơn là hydrogen peroxide, nhưng lại phân hủy chất gây ô nhiễm chậm.

Trước đây, các nhà khoa học đã kết hợp hydrogen peroxide với oxit sắt, tạo thành các gốc hydroxyl cải thiện hiệu quả của hydrogen peroxide trong quy trình oxy hóa các chất gây ô nhiễm hoặc nước thải, được gọi là phản ứng Fenton. Nhưng để phản ứng Fenton làm sạch hiệu quả các bộ lọc, cần bổ xung thêm hydro peroxit và axit, làm tăng chi phí và ảnh hưởng đến môi trường.

Giải pháp để tránh dùng những hóa chất bổ sung này là sử dụng enzyme glucose oxidase, enzyme này đồng thời tạo thành hydrogen peroxide và axit gluconic từ glucose và oxy.

Nhóm nghiên cứu do GS Jianquan Luo thuộc Viện Khoa học Trung Quốc tìm cách kết hợp các phân tử nano oxit sắt và glucose oxidase thành một hệ thống xúc tác quá trình phân hủy các chất gây ô nhiễm trên cơ sở phản ứng Fenton, tạo ra hệ thống làm sạch hiệu quả và tinh tế cho màng lọc.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu so sánh việc loại bỏ các chất bẩn hữu cơ khỏi bộ lọc polyamide bằng enzyme glucose oxidase và các hạt nano oxit sắt với những phương pháp làm sạch khác, bao gồm cả phản ứng Fenton. Các nhà khoa học phát hiện được, phương pháp này có hiệu quả vượt trội hơn trong việc phá vỡ các chất gây ô nhiễm phổ biến bisphenol A và xanh methylen, đồng thời bảo tồn các cấu trúc màng hơn.

Được khuyến khích từ kết quả thực nghiệm so sánh ban đầu, nhóm nghiên cứu kết hợp glucose oxidase và oxit sắt thành một hạt nano duy nhất, liên kết bằng một cầu nối amin.

Những hạt nano (hình trên) phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm và có từ tính, giúp dễ dàng thu hồi để tái sử dụng (hình dưới). Ảnh: Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS 2022

Sau đó, các nhà khoa học thử nghiệm khả năng làm sạch màng lọc nano ngâm methylene xanh bằng hạt nano mới trong 3 chu kỳ liên tiếp nhuốm bẩn và làm sạch. Sau mỗi chu kỳ làm sạch, các hạt nano được lấy lại bằng nam châm và tái sử dụng với glucose mới để kích hoạt chất xúc tác.

Những hạt nano mới có hiệu quả cao trong tẩy sạch màng, đạt được 94% công suất lọc nước ban đầu. Những hạt nano không yêu cầu hóa chất mạnh và có thể phục hồi dễ dàng, phương thức làm sạch mới thực sự là phương pháp tiếp cận “xanh hơn” và hiệu quả hơn về chi phí để làm sạch các màng lọc nano.