Tận dụng ánh nắng để xử lý nước thải
Một xu hướng của khoa học ứng dụng hiện nay là nghiên cứu và sử dụng vật liệu có kích thước nano mét. Nguyên do, với kích thước này tính chấ́t của vật liệu khác hẳn với tính chấ́t của chúng ở dạng khối về các tính chất từ, tính chất quang, hoạt tính phản ứng bề mặt… Vì vậy, vật liệu nano là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động hiện nay, được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như y học, dược phẩm, mỹ phẩm, công nghệ hóa học.
Vật liệu nano TiO2 với những tính chất ưu việt như quang xúc tác, siêu thấm ướt đồng thời rất bền, không độc, trữ lượng cao... được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.
Nhiễm bẩn hữu cơ đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu. Chất thải phổ biến thường chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như các hợp chất vòng benzen, chất có nguồn gốc từ các chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng, thuốc diệt cỏ, hóa chất công nghiệp…
Các vi sinh vật độc hại (gồm các loài sinh vật có khả năng lây nhiễm được đưa vào trong môi trường nước. Ví dụ như nước thải của các bệnh viện khi chưa được xử lý hoặc xử lý không triệt để các mầm bệnh).
Hiện nay, để xử lí chúng không thể sử dụng chất oxy hóa thông thường, mà cần phải có một vật liệu mới có khả năng oxy hoá cực mạnh. TiO2 ở kích thước nano là chất xúc tác quang có hiệu lực mạnh, có khả năng phân hủy các chất hữu cơ bền vững này.
Việt Nam là một nước nhiệt đới cận xích đạo, thời lượng chiếu sáng hằng năm của Mặt trời rấ́t cao. Mặt khác, trữ lượng TiO 2 ở nước ta rất phong phú. Cho nên, tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang TiO2 ở nước ta là rấ́t lớn. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO 2 vào xử lý nước bị ô nhiễm và một số ứng dụng khác là một vấn đề có ý nghĩa thực tiễn rất cao.
Hai học sinh lớp 8 Trường THCS Giảng Võ (Hà Nội) là Hoàng Nhật Minh và Bùi Linh Ngân đã thực hiện ý tưởng ứng dụng vật liệu nano TiO2 pha tạp sắt để xử lý nước thải hộ gia đình, trước khi được thải ra ngoài.
Tìm hiểu về các phương pháp xử lý nước thải trên thế giới, Hoàng Nhật Minh biết được, nano TiO2 là vật liệu phổ biến được các chuyên gia môi trường sử dụng và đặc biệt ấn tượng với những cống nước thải sạch đến mức có thể nuôi cá Koi ở Nhật.
Chia sẻ những trăn trở của mình với Bùi Linh Ngân - bạn học cùng trường có chung đam mê nghiên cứu khoa học, cả hai đưa ra ý tưởng xây dựng hệ thống xử lý nước thải cho một hoặc một vài hộ gia đình.
Cụ thể, mỗi hộ có một bể xử lý nước thải bằng TiO2 riêng, trước khi được xả thải ra ngoài. Điều này sẽ giúp giảm phần nào gánh nặng xử lý nước thải ở các hệ thống như sông Tô Lịch. Sau hơn 1 tháng làm việc liên tục cùng thầy trên phòng thí nghiệm, Nhật Minh và Linh Ngân đã chế tạo thành công TiO2 và thiết kế bộ xử lý nước thải gồm bể lọc có chứa TiO2, đèn chiếu sáng và máy bơm tuần hoàn.
Kết quả là nước thải ô nhiễm được bổ sung thêm TiO2, dưới tác động của ánh sáng tử ngoại (có thể sử dụng ánh sáng Mặt trời), sau 4 giờ đã được xử lý sạch lên tới 70%.
Học đi đôi với hành
TiO2, ở dạng bình thường, là chất bột màu trắng, rất bền, không độc, rẻ tiền. TiO2 có thể tồn tại ở một trong ba dạng tinh thể: Rutile, anatase và brookite. TiO2 dạng rutile đã được sử dụng hàng trăm năm nay trong vật liệu xây dựng, làm chất độn màu (pigment) cho sơn, trong công nghệ hóa chất, dược phẩm, mỹ phẩm...
TiO2 cấu trúc anatase có hoạt tính quang xúc tác nên gần đây đã được tập trung nghiên cứu như một trong những giải pháp có triển vọng nhất để xử lý các chất thải độc hại phân tán trong môi trường. Đặc biệt là diệt vi khuẩn, nấm mốc trong phòng bệnh, nhà ở, khử mùi hôi trong văn phòng, phân hủy các khí NOx, SOx, VOCs.... trong môi trường không khí.
PGS.TS Nguyễn Cao Khang – Phó Giám đốc Trung tâm Khoa học và Công nghệ nano, Giảng viên Khoa Vật lí, Trường ĐH Sư phạm Hà Nội là người hướng dẫn hai học sinh thực hiện nghiên cứu này.
Theo ông, đối với học sinh lớp 7, 8 ở nhiều nước trên thế giới, việc chế tạo vật liệu nano TiO2 không phải là điều mới mẻ. Vì từ nhỏ các em đã được giáo dục theo phương pháp tích hợp STEM. Tuy nhiên, với học sinh ở Việt Nam, đây là bước khởi đầu đáng ghi nhận cho cố gắng tìm tòi kiến thức không có trong sách giáo khoa và học đi đôi với hành.
“Việc các em có thể chế tạo được hạt nano TiO2, và bước đầu biết sử dụng hạt này để xử lý nước thải trong phòng thí nghiệm là rất tốt. Nó cho các học sinh lớp 8 như Minh và Ngân kiến thức nền tảng để xây dựng ý tưởng thực hiện nghiên cứu khác và đam mê nghiên cứu khoa học”, thầy Nguyễn Cao Khang nói.
“Cái khó lớn nhất khi thực hiện nghiên cứu này là có nhiều kiến thức, thí nghiệm nằm ngoài hiểu biết và chúng em chưa từng được học. Em được thực hiện và quan sát từng thí nghiệm về cách TiO2 khử các chất bẩn trong nước dưới ánh sáng Mặt trời. Nếu không tự tay thực hiện, em sẽ chỉ nhìn và nghe những câu chuyện về người Nhật biến nước bẩn thành nước sạch như một điều kỳ diệu mà thôi”, Bùi Linh Ngân cho biết.
Để có thêm kiến thức, cả Ngân và Minh đều đọc thêm tài liệu bằng tiếng Anh. Quan trọng hơn, nhờ đọc tài liệu mà các em nắm được cách các nhà khoa học trên thế giới đã và đang ứng dụng TiO2 trong xử lý nước thải như thế nào và cách xây dựng ý tưởng nghiên cứu. Hai em hy vọng sẽ hoàn thiện nghiên cứu đề áp dụng rộng rãi xử lý nước thải ở Việt Nam.
