Ước mơ xử lý dòng kênh đen ngòm
Sinh viên Trương Thị Thùy Trang, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) và nhóm nghiên cứu vừa hoàn thiện vật liệu xử lý nước từ vỏ trấu. Trang chia sẻ, hồi còn nhỏ, nhìn thấy dòng nước thải xả thẳng ra kênh, Trang mơ ước sau này mình có thể xử lý môi trường làm sạch dòng nước.
“Ban đầu, em nghĩ điều đó xa vời. Cho tới khi em vào học Khoa Hóa và có cơ hội làm việc tại phòng thí nghiệm tìm hiểu các cách để làm sạch môi trường nước. Em nghĩ nghiên cứu khoa học sẽ giúp mình thực hiện được ước mơ lúc bé”, Trang nói.
Đó là chưa kể, hiện nay dư lượng dược phẩm trong các nguồn nước ở mức cao gây ô nhiễm môi trường, đồng thời gây ra hiện tượng kháng thuốc nghiêm trọng. Nhiều loại thuốc trong đó phải kể đến kháng sinh Amoxicillin (AMX) và Levofloxacin (LFX).
Những nhóm vi khuẩn này thích ứng với điều kiện nước thải có chứa các chất kháng sinh bằng cách tạo ra các loại enzyme như Beta-Lactamase gây thủy phân vòng beta-lactam, từ đó làm mất hoạt tính AMX hay chúng tạo ra các đích giả làm cho LFX không tác dụng đúng chỗ và gây mất hoạt tính. Do đó, việc loại bỏ (xử lý) kháng sinh ra khỏi môi trường nước đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm.
Khi còn là sinh viên, Trang xin làm việc tại phòng thí nghiệm của TS Phạm Tiến Đức (Bộ môn Hóa Phân tích, Khoa Hóa học, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội).
“Em bắt đầu có cơ hội tìm hiểu đề tài cách chế tạo vật liệu nanosilica từ vỏ trấu, dưới sự hướng dẫn của thầy Phạm Tiến Đức. Em thấy đây là đề tài rất hay, khi tận dụng được lượng vỏ trấu thải ra trong sản xuất nông nghiệp để chế tạo vật liệu mới hỗ trợ cho việc làm sạch môi trường”, Trang chia sẻ.
Trấu là chất thải rắn khó tái chế nhưng chứa một hàm lượng lớn silica (SiO2) - một chất hấp phụ cơ bản với hoạt tính bề mặt cao. Silica có thể dễ dàng được chế tạo từ trấu với kích thước nano và khả năng hấp phụ tốt nhiều chất gây ô nhiễm vô cơ như kim loại nặng.
Tuy nhiên, nanosilica chế tạo từ vỏ trấu có tỷ trọng điện tích bề mặt thấp nên khả năng để xử lý trực tiếp các chất ô nhiễm mang điện không cao. Để nâng cao hiệu suất xử lý, việc phủ các oxit kim loại hoặc pha tạp để tăng độ bền và tỷ trọng điện tích bề mặt cao là cần thiết.
Trong số các oxit kim loại, kẽm oxit (ZnO) có cấu trúc bền vững, có hoạt tính diệt khuẩn tốt và tỷ trọng điện tích dương đặc biệt lớn nên đã được nghiên cứu phủ trên silica tạo thành vật liệu nanocomposite ZnO-SiO2 để xử lý nhiều chất gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra, ở trong môi trường ô nhiễm kháng sinh này cũng tồn tại nhiều nhóm vi khuẩn gram âm kháng thuốc như Pseudomonas, Escherichia coli (E. coli)... ZnO được biết đến với hoạt tính kháng khuẩn mạnh, do đó, vật liệu ZnO-SiO2 hứa hẹn trong việc xử lý ô nhiễm kháng sinh và diệt các nhóm vi khuẩn trong nguồn nước thải bệnh viện.
Loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải
Theo TS Phạm Tiến Đức, vật liệu nanocomposite ZnO-SiO2 được sử dụng để hấp phụ loại bỏ các chất ô nhiễm như kháng sinh, thuốc nhuộm, thuốc giảm đau... Ngoài ra, vật liệu ZnO-SiO2 có khả năng diệt vi khuẩn tốt, đặc biệt là nhóm vi khuẩn gram âm. Hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm khi sử dụng ZnO-SiO2 đạt hiệu suất cao, chi phí thấp, cách vận hành đơn giản.
Trước khi phủ ZnO lên nanosilica, hiệu suất hấp phụ kháng sinh AMX đạt dưới 20%. Thử nghiệm với quy mô phòng thí nghiệm khi sử dụng vật liệu ZnO-SiO2 hấp phụ kháng sinh AMX cho hiệu suất hấp phụ lên tới 90%.
Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ZnO-SiO2 đã được kiểm tra bằng cách tiếp xúc với E.coli trong môi trường nước. Kết quả có hơn 87% lượng khuẩn lạc E.coli trong dung dịch huyền phù đã bị tiêu diệt khi sử dụng vật liệu ZnO-SiO2.
Vỏ trấu sau khi thu gom từ ruộng sẽ được xay nhỏ sau đó xử lý bằng axit H2SO4 đặc ở nhiệt độ cao để loại bỏ các tạp chất. Vật liệu vỏ trấu tiếp tục được rửa bằng nước cất đến pH 5 - 6 và nung ở 800 độ C trong 24 giờ để tạo thành nanosilica.
Sau đó, nanosilica sẽ được phủ oxit kim loại ZnO bằng phương pháp sol-gel. Quá trình bắt đầu tiến hành khuấy trộn nanosilica với Zn(OAc)2 ở 80 độ C, sau đó cho NaOH khan vào cốc đựng vật liệu nhằm kết tủa ion Zn2+.
Vật liệu nanocomposite
ZnO-SiO2 được chế tạo thành công sau khi nung ở 400 độ C trong 3 giờ. Vật liệu mới sau khi tổng hợp sẽ được tiến hành nghiên cứu các điều kiện tối ưu quá trình hấp phụ kháng sinh của một số họ kháng sinh như beta lactam và fluoroquinolone.
Ngoài ra, các thí nghiệm tái sử dụng đã được tiến hành để đánh giá tiềm năng tái sử dụng và độ ổn định của vật liệu. Vật liệu cũng sẽ được thử nghiệm khả năng diệt vi khuẩn để có thể ứng dụng xa hơn ở lĩnh vực y sinh.
Sau khi nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm, vật liệu sẽ được thử nghiệm hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ ở quy mô lớn hơn bằng cách gắn vật liệu ZnO-SiO2 lên các vật liệu có kích thước lớn hơn như gạch, đá ong, than đá… rồi nhồi vào cột để có thể ứng dụng xử lý nước thải của bệnh viện hay ở ao hồ, đầm nuôi tôm cá.
Trang cho biết, để triển khai sản phẩm với quy mô lớn hơn ứng dụng ra môi trường cần một hệ thống đồng bộ của các máy móc thiết bị. Nhóm dự định thiết kế các hồ điều hòa nhằm điều chỉnh nước thải cần xử lý về điều kiện tối ưu.
Sau đó, xây dựng hệ thống các cột nhồi để nhồi vật liệu lên trên các cột và đưa nước thải từ hồ điều hòa chảy qua. Quá trình vận hành này cần phối hợp nhịp nhàng, thích ứng lẫn nhau, do đó cần các bộ điều khiển hay xây dựng hệ thống các máy tính, thiết bị điều khiển từ xa được kết nối đồng bộ với nhau.
