Vật liệu nhạy sáng loại bỏ thuốc diệt cỏ trong nước

Các điện cực nhạy sáng

Trong các loại hóa chất nông nghiệp có atrazine, một loại thuốc diệt cỏ được gọi là “sát thủ cỏ dại” do hiệu quả cao, nhưng lại phân hủy rất chậm trong môi trường tự nhiên.

Liên minh châu Âu, qua các điều tra nghiên cứu khoa học, đã cấm sử dụng loại thuốc này từ năm 2003, nhưng ở Bắc Mỹ, atrazine vẫn là một trong những loại thuốc trừ sâu diệt cỏ được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong trồng ngô, khoai tây và cà chua...

Chính vì thế, các phần tử thuốc atrazine có thể được tìm thấy ở bất cứ nơi nào canh tác sản phẩm truyền thống, được tìm thấy trong nước uống của hàng triệu người. Những phương pháp xử lý nước thông thường như đun sôi hoặc lọc không thể phân hủy thuốc diệt cỏ.

Trước tình huống đáng lo ngại này, GS My Ali El Khakani, Trường Đại học Québec, chuyên gia vật liệu cấu trúc nanô và Patrick Drogui, chuyên gia về công nghệ điện và xử lý nước, cùng hợp tác để giải quyết vấn đề tồn đọng chất diệt cỏ atrazine.

Các nhà nghiên cứu quyết định sửa đổi một quy trình thông dụng, sử dụng phản ứng hóa học với các gốc hóa trị tự do, được gọi là xúc tác quang điện tử (PEC) để tạo ra sự thoái biến của atrazine. Quá trình này hình thành các phản ứng hóa học bằng các gốc tự do, có hoạt tính cao và không ổn định tương tác với các phân tử atrazine và vô hiệu hóa độc tính chất diệt cỏ.

Bước đầu tiên, nhóm nghiên cứu phát triển vật chất xúc tác quang nhạy sáng nhằm tạo ra các gốc hóa trị tự do. Các nhà khoa học chọn oxit titan để sản xuất các điện cực nhạy sáng, do đặc tính ổn định về hóa học, rẻ tiền và không độc hại.

Nhưng đặc tính của oxit titan là chỉ dưới bức xạ UV (tia cực tím) mới có thể tạo ra các gốc hóa trị tự do. Các nhà nghiên cứu giải quyết trở ngại này bằng cách kết hợp nitơ và vonfram vào kim loại của điện cực, khiến màng oxit titan nhạy cảm với ánh sáng trong quang phổ thông thường.

Những thử nghiệm thực tế với nước

Trong điều kiện phòng thí nghiệm, vật liệu xúc tác quang điện tử mới loại bỏ khoảng 60% thuốc trừ sâu sau 300 phút xử lý. Nhưng khi các nhà nghiên cứu lấy các mẫu nước thực tế, được thu thập từ sông Nicolet ở Quebec, Canada, gần các khu vực thâm canh nông nghiệp để xử lý thì kết quả suy giảm đáng kế. Trong các mẫu nước thực tế, chỉ có 8% atrazine bị suy thoái độc tính khi sử dụng kỹ thuật mới.

Nhóm nghiên cứu kết luận, có 3 khả năng khiến thử nghiệm cho kết quả tồi tệ:

1) các hạt huyền phù lơ lửng khác cản trở nguồn sáng chiếu tới những điện cực quang;

2) các loại hóa chất khác không mong muốn và hạt nhỏ tích tụ trên điện cực, giảm thiểu diện tích bề mặt tiếp xúc;

3) bicacbonat và photphat có trong mẫu nước bẫy các gốc tự do, ngăn chặn phản ứng với atrazine. Sau khi lọc các mẫu nước này, nhóm nghiên cứu có thể làm suy giảm giảm 38-40% các phân tử atrazine.

GS El Khakani giải thích: Quy trình xúc tác quang điện ảnh nên được sử dụng như một phương pháp xử lý giai đoạn ba sau khi loại bỏ tối đa những chất ô nhiễm hoặc những chất khác có trong nước bằng những phương pháp xử lý nước sơ cấp và thứ cấp.

Bước  tiếp theo là mở rộng quy mô và cải tiến công nghệ của phương pháp PEC nhằm xử lý khối lượng nước lớn hơn. Các nhà nghiên cứu có kinh nghiệm với các trang thiết bị xử lý nước tiền công nghiệp, nhưng phải tìm ra cách tạo ra những quang điện cực lớn hơn so với những quang điện cực, được sử dụng trong nghiên cứu để chứng minh nguyên lý quy trình trong thực tế. Có thể thiết kế cấu trúc nano cho các quang điện tử để có được diện tích tiếp xúc bề mặt lớn hơn.

Trong tương lại, chất lượng nước uống có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với cuộc sống con người, những thử nghiệm cho thấy đầy khả năng đầy hứa hẹn là đưa những quy trình EPC đó vào cuối chuỗi các giải pháp xử lý nước trước khi cung cấp nước sạch cho sử dụng.

Trong tương lai, công nghiệp sản xuất nước sạch cũng có thể loại bỏ dư lượng kháng sinh trong nước bằng phương pháp PEC. “Chúng tôi hy vọng sẽ áp dụng công nghệ này để giải quyết các chất ô nhiễm mới xuất hiện trong quá trình công nghiệp hóa mà các phương thức xử lý nước truyền thống không thể loại bỏ được", GS El Khakani cho biết.