Nhà khoa học Việt tạo vật liệu 'ăn' chất ô nhiễm

Nhóm nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu tạo xốp làm từ nhựa PE dùng để chứa vi sinh vật sẽ giúp các nhà máy Việt Nam tiếp cận công nghệ lọc nước với chi phí rẻ hơn nhập ngoại.

Cầm trên tay miếng xốp tròn mỏng màu trắng, ThS Mai Đức Huynh, Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ví đây như một "chung cư" dành cho vi sinh vật. Miếng xốp chỉ nhỏ bằng đầu ngón tay nhưng sở hữu "siêu diện tích bề mặt" nhờ cấu trúc lỗ đồng đều bên trong. Chỉ một mét khối vật liệu này sẽ có diện tích khoảng 2.500 m2, tương đương 2 bể bơi tiêu chuẩn Olympic.

Những miếng vật liệu còn được gọi là giá thể sinh học dạng xốp, đã được nhóm nghiên cứu đăng ký bằng độc quyền sáng chế số 54058. Nhóm tác giả gồm ThS Mai Đức Huynh, GS.TS Thái Hoàng, PGS.TS Nguyễn Vũ Giang cùng các đồng nghiệp tại Viện Khoa học vật liệu.

Ông Huynh cho biết, khi thả hàng triệu lát xốp này vào bể nước thải, vi sinh vật bám trên chúng sẽ tiếp xúc và "ăn" các chất ô nhiễm. Đây được gọi là công nghệ lọc bằng màng vi sinh chuyển động (Moving Bed Biofilm Reactor hay MBBR), tận dụng khả năng hấp thụ và phân giải chất hữu cơ của những sinh vật có kích thước siêu nhỏ.

"Có nhiều công nghệ xử lý nước thải khác nhau đang được áp dụng, nhưng MBBR là một trong những giải pháp phổ biến nhất cho xử lý nước thải sinh hoạt", ThS Huynh cho biết, thêm rằng nghiên cứu này bắt đầu từ sự quan tâm của các doanh nghiệp, tìm kiếm nguồn vật liệu chất lượng cao trong nước.

Bản thân giá thể không giúp lọc nước nhưng lại là công nghệ cốt lõi của MBBR. Lý do, vật liệu cần được thiết kế sao cho diện tích bề mặt lớn, chứa được nhiều vi sinh nhất có thể và tạo môi trường thuận lợi cho quần thể vi sinh phát triển. Khi diện tích bề mặt thấp, phải đưa vào khối lượng giá thể lớn hơn để tạo đủ nơi cư trú cho vi sinh. Điều này đồng nghĩa bể xử lý phải chứa nhiều vật liệu hơn để đạt cùng tải lượng xử lý.

Các giá thể đơn giản, hình cầu, trụ hoặc bánh xe dễ chế tạo và có giá thành rẻ, nhưng chỉ đạt được một nửa hoặc ít hơn diện tích bề mặt trên mỗi mét khối vật liệu so với dạng lát xốp, còn gọi là biochip. Dạng giá thể này đem lại hiệu quả "ăn" chất thải hữu cơ cao hơn hẳn, nhưng cùng với đó là giá thành từ 40 đến 60 triệu đồng cho một mét khối do phải nhập ngoại, theo ThS Huynh.

Với giá thể xốp dạng đĩa, bề mặt không chỉ nằm ở phía ngoài mà còn trải trên thành của hàng loạt lỗ rỗng bên trong. "Thách thức để tạo ra vật liệu này là kiểm soát tính chất xốp", ông nói.

Theo đó, nhóm nghiên cứu phải giải cùng lúc những yêu cầu đối lập: vật liệu cần nhiều lỗ liên thông nhưng vẫn đủ bền để chịu được va đập với thành bể trong nước thải, đủ nhẹ để chuyển động trong nước nhưng không nổi hoàn toàn. Từ ý tưởng đến khi có công thức tương đối ổn định, các nhà nghiên cứu mất khoảng hai năm thử nghiệm.

Nhựa PE, một loại nhựa nhiệt dẻo, được lựa chọn làm vật liệu nền nhờ có độ bền cơ học tốt và khả năng chịu được nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Tuy nhiên, do bề mặt PE trơ và kỵ nước, vi sinh vật thường khó bám lên vật liệu. Để khắc phục, nhóm nghiên cứu bổ sung các chất phụ gia nhằm điều chỉnh đặc tính bề mặt và cấu trúc nhựa. Các thành phần này thuộc công thức được bảo hộ độc quyền, giúp vật liệu có khả năng tương tác với nước tốt hơn, đồng thời tạo thêm các lỗ nhỏ trên bề mặt cho vi sinh vật bám và phát triển.

Sau phối trộn cơ học ban đầu, hỗn hợp được đùn qua khuôn định hình và nở xốp tại đây, sau đó làm mát bằng không khí trước khi cắt thành lát dày khoảng 1 mm.

Đại diện nhóm cho biết, đã phát triển quy trình sản xuất theo hướng có thể tận dụng các dây chuyền sản xuất nhựa sẵn có trong nước, chỉ thay đổi về khuôn và thông số vận hành. Cách tiếp cận này được kỳ vọng giảm đầu tư thiết bị khi sản phẩm bước sang quy mô công nghiệp. Giá thể chưa được sản xuất ở quy mô công nghiệp, nhưng ước tính chi phí vật liệu sẽ chỉ bằng 25-30% so với sản phẩm nhập ngoại.

Vật liệu xốp đã được thử nghiệm trong xử lý nước thải sinh hoạt tại Bệnh viện Mắt Hưng Yên và một số nhà máy xử lý tại Hà Nội, đạt hiệu suất xử lý 90% chất thải hữu cơ và loại bỏ được nitơ, đáp ứng các tiêu chuẩn xử lý nước thải tại Việt Nam.

ThS Huynh cho biết vật liệu đang được hoàn thiện trước khi chuyển giao và sản xuất hàng loạt, mục tiêu tạo ra sản phẩm có tính năng vượt trội so với nhập khẩu. "Không dễ để thuyết phục doanh nghiệp chuyển đổi vật liệu sử dụng, thay đổi chuỗi cung ứng, do đó chúng tôi tiếp tục nâng cấp để tạo ra những tính năng mới chưa có trên thị trường", ông nói. Cụ thể, nhóm kỳ vọng tích hợp phụ gia giúp quần thể vi sinh hình thành nhanh hơn trên bề mặt vật liệu, bắt đầu quá trình xử lý nước thải nhanh 20% so với thông thường.

Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu 1-2 năm tới, việc sản xuất sẽ được thực hiện tại các nhà máy nhựa ở Việt Nam. Những miếng xốp nhỏ sẽ được sử dụng rộng để lọc nước thải tại các cơ sở sản xuất, trang trại, nhà hàng, phòng khám hoặc các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt có diện tích xây dựng hạn chế.

Theo báo cáo của hãng phân tích Dataintelo, thị trường MBBR toàn cầu được định giá ở mức 2,8 tỷ USD vào năm 2025 và dự kiến sẽ tăng lên 5,2 tỷ USD vào năm 2034, tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 7,8%.

Trong đó, khu vực châu Á - Thái Bình Dương chiếm khoảng 38,5% thị phần doanh thu toàn cầu, lý do là cơ sở hạ tầng xử lý nước thải hạn chế tạo ra nhu cầu đối với các công nghệ xử lý sinh học có thể triển khai nhanh. Theo hãng phân tích, MBBR đang ngày càng phổ biến tại các cơ sở chế biến thực phẩm, nhà máy dệt và trạm xử lý nước thải đô thị của Việt Nam, Thái Lan và Indonesia.

Nam Nguyễn

• Nhà khoa học Việt phát triển phòng thí nghiệm tự tổng hợp vật liệu