Công nghệ Nano còn nhiều tiềm năng cần khai phá trong lĩnh vực bảo vệ môi trường

Công nghệ Nano và các ứng dụng

Công nghệ Nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 10-9 m). Đối tượng nghiên cứu chính của công nghệ Nano là vật liệu nano.

Công nghệ Nano chỉ mới thực sự phát triển và phổ biến rộng rãi từ khi cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0 bắt đầu. Tính đến hiện tại, nó đã góp một phần không nhỏ đến việc phục vụ con người. Công nghệ Nano hiện được coi là ngành công nghệ hàng đầu về khoa học - kĩ thuật trên thế giới và hứa hẹn sẽ ngày một phát triển trong tương lai.

Công nghệ Nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, tạo ra và làm tăng tính chất đặc biệt của vật liệu nhưng lại giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Đây được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… Vì thế có thể coi công nghệ này đã và đang tác động đến toàn xã hội.

Nền công nghệ Nano góp phần nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài…

Về mặt kỹ thuật, công nghệ này giúp chế tạo các linh kiện điện tử Nano với tốc độ xử lý cực nhanh. Các nhà xưởng cũng dùng vật liệu Nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, chế tạo màn hình máy tính, điện thoại và các linh kiện cho xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…

Công nghệ hiện đại này còn có thể khiến các loại thực phẩm thay đổi hương vị cũng như giàu dinh dưỡng hơn. Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta sẽ được thưởng thức những món ăn với hương vị vô cùng lạ mà giá trị dinh dưỡng vẫn cao nhờ công nghệ Nano thực phẩm. Ngoài ra, công nghệ Nano cũng sẽ giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng cách tạo ra những vật liệu đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn, tiêu biểu là các tủ lạnh với các ngăn chứa thực phẩm được tích hợp công nghệ này.

Về môi trường, nó giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Cụ thể chúng ta đã chế tạo thành công các màng lọc Nano, góp phần lọc được các phân tử gây ô nhiễm. Các chất hấp phụ, xúc tác Nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn… Trong đó, điển hình là Máy lọc nước Nano.

Ngoài công nghệ Nano thì ứng dụng của vật liệu Nano ngày nay cũng đã được triển khai vào nhiều mặt của đời sống xã hội. Vật liệu Nano đã và đang được giới y học đánh giá cao và ngày càng áp dụng vào trong lĩnh vực y học, sinh học này. Các hạt Nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể. Giúp con người có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào. Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt Nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc và thậm chí là tiêu diệt các tế bào ung thư.

Bên cạnh đó, ngành may mặc cũng có những bước chuyển mình từ khi vật liệu Nano được tạo ra. Họ áp dụng vật liệu Nano bạc có khả năng thu hút và tiêu diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo. Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao ở các hãng lớn như áo Nike, áo Adidas nam... Và đặc biệt, còn được sử dụng trong một số loại quần lót khử mùi.

Tiềm năng của công nghệ Nano

Vật liệu nano thể hiện đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt khiến chúng trở nên có giá trị với các sản phẩm thân thiện với môi trường. Chính vì các tính chất đặc biệt của vật liệu nano cũng như công nghệ Nano mà tiềm năng ứng dụng công nghệ cũng như vật liệu này hiện đang chiếm ưu thế trong cuộc cách mạng khoa học công nghệ hiện nay.

Vật liệu Nano giảm tác động từ va chạm cơ học hoặc thời tiết, giúp tăng tuổi thọ hữu ích của các sản phẩm; các lớp phủ chống ăn mòn và chống thấm nước dựa trên công nghệ nano có tuổi thọ cao; tăng cường hiệu suất năng lượng của các tòa nhà khi dung các vật liệu cách nhiệt từ nano; giảm trọng lượng và tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận chuyển khi thêm các hạt nano vào vật liệu. Việc nghiên cứu về vật liệu nano cũng như ứng dụng vật liệu nano trong sản xuất các sản phẩm công nghệ cao đang được các nước phát triển đặc biệt quan tâm, nó tạo ra sức hút cho các quốc gia đang phát triển trong chuyển giao, ứng dụng và sử dụng trong tương lai.

Tiềm năng ứng dụng của công nghệ, vật liệu Nano được thể hiện trong lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm ngành Công nghiệp hóa chất. Vật liệu nano được ứng dụng dựa trên các đặc tính xúc tác đặc biệt của chúng để tăng năng lượng và hiệu quả nguồn tài nguyên, và các vật liệu nano có thể thay thế các hóa chất có hại cho môi trường trong các lĩnh vực ứng dụng nhất định. Các sản phẩm tối ưu hóa công nghệ nano và các quy trình sản xuất và lưu trữ năng lượng hiện nay đang trong giai đoạn phát triển và thử nghiệm, dự kiến sẽ đóng góp đáng kể vào việc bảo vệ khí hậu và giải quyết các vấn đề năng lượng của chúng ta trong tương lai.

Mặt khác, công nghệ Nano có thể ứng dụng trong tái chế pin năng cao hiệu quả về kinh tế cho các doanh nghiệp. Nhiều pin chứa các kim loại nặng như thủy ngân, chì, catmi và niken, có thể gây ô nhiễm môi trường và đe dọa đến sức khoẻ con người khi sử dụng không đúng cách. Các nhà nghiên cứu đã tìm cách thu hồi các hạt nano oxit kẽm tinh khiết từ pin alkaline dùng cho pin Zn-MnO2. Giải pháp này có thể tiết kiệm hàng tỷ đô la cho các nhà sản xuất ắc quy thay vì chôn lấp tại các bãi chôn lấp, giảm các tác nhân gây ra ô nhiễm môi trường cũng như tận dụng được nguyên liệu tiềm năng và giá rẻ.

Tiềm năng của công nghệ Nano còn thể hiện trong nghiên cứu, chế tạo các sản phẩm làm sạch chất thải phóng xạ trong nước. Các nhà khoa học đang nghiên cứu giải pháp xử lý chất thải phóng xạ cho công nghệ nano, đặc biệt là việc sử dụng các sợi nano titanate làm chất hấp phụ để loại bỏ các ion phóng xạ khỏi nước. Các nhà nghiên cứu cũng đã khẳng định rằng các đặc tính cấu trúc độc đáo của các ống nano cực tím và các sợi nano tạo thành nguyên liệu cao cấp để loại bỏ các ion phóng xạ cisium và iodine phóng xạ trong nước.

Trong những năm gần đây, công nghệ nano cũng đã nổi lên như là một công nghệ tiềm năng cho các giải pháp mới đối phó với sự cố tràn dầu. Mặc dù việc áp dụng công nghệ nano để dọn sạch dầu tràn vẫn còn trong giai đoạn mới mẻ, nhưng nó hứa hẹn rất lớn cho tương lai.

Các lĩnh vực có thể khai mở tiềm năng tiềm tàng tưg công nghệ nano trong lĩnh vực xử lý nước như: xử lý và khắc phục hậu quả, phát hiện và phát hiện, và ngăn ngừa ô nhiễm và cải tiến kỹ thuật khử muối hiện nay. Các thiết bị lọc nước có công nghệ nano có khả năng biến đổi lĩnh vực khử muối, ví dụ bằng cách sử dụng hiện tượng phân cực nồng độ ion. Các nhà nghiên cứu Công nghệ Nano đã phát triển một ứng dụng CDI sử dụng graphene giống như nanoflakes như các điện cực cho deion hóa điện dung. Các điện cực graphene cho kết quả CDI tốt hơn so với các vật liệu carbon hoạt hóa thông thường. Các ứng dụng này mở ra kỷ nguyên mới đối với lọc nước lợ mà không gây ô nhiễm thứ cấp, hiệu quả về chi phí và tiết kiệm năng lượng.

Công nghệ Nano cũng còn có thể phát huy tiềm năng trong việc thu giữ carbon dioxide. Trước khi CO₂ có thể được lưu giữ, nó phải được tách ra khỏi các khí thải khác phát sinh từ quá trình đốt hoặc quá trình công nghiệp. Hầu hết các phương pháp hiện tại được sử dụng cho loại lọc này là tốn kém và đòi hỏi sử dụng hóa chất. Các kỹ thuật nano để chế tạo màng mỏng cỡ nano có thể dẫn đến công nghệ màng mới có thể thay đổi điều đó.

Các công ty phát triển các công nghệ sử dụng hydro như để bọc trong màu xanh lá cây của công nghệ thân thiện với môi trường. Trong khi nhiên liệu hydro thực sự là một nguồn lớn năng lượng sạch. Vấn đề là bạn không thể đào một cái giếng để lấy hydro, nhưng hydro phải được sản xuất, và có thể được thực hiện bằng nhiều nguồn lực. Sự quang hợp nhân tạo, sử dụng năng lượng mặt trời để phân tách nước tạo ra hydro và oxy, có thể cung cấp một nguồn năng lượng sạch và bền vững như ánh sáng mặt trời. Phải mất khoảng 2,5 volt để phá vỡ một phân tử nước đơn lẻ thành oxy cùng với các điện tử tích điện âm và các proton tích điện dương. Đó là việc tách và tách các điện tử và proton có điện tích dương này ra khỏi các phân tử nước cung cấp năng lượng điện. Nghiên cứu trên quy mô nano, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng một màng tinh thể nano thu được chất vô cơ không tốn kém và thân thiện với môi trường có thể được kết hợp với một bộ phận điện phân giá rẻ có chứa các nguyên tố dồi dào để tạo ra một hệ thống sản xuất hydrogen quang điện quang rẻ tiền và ổn định.

Ứng dụng Nano trong xử lý ô nhiễm môi trường

Công nghệ nano đã và đang tham gia vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường nước ngày càng gia tăng. Trong các ứng dụng như lọc nước, công nghệ nanô giúp tạo ra những vật liệu kích thước nano, màng lọc nano để xử lý muối hòa tan và các chất ô nhiễm có kích thước nhỏ, làm mềm nước và xử lý nước thải. Màng lọc nano đóng vai trò như rào cản vật lý, ngăn chặn các hạt và vi sinh vật lớn hơn lỗ của màng lọc và loại bỏ có chọn lọc các chất ô nhiễm. Nguyên tắc chủ yếu của các công nghệ nano làm giảm các vấn đề nan giải về nước là giải quyết các khó khăn về kỹ thuật để xử lý các chất ô nhiễm trong nước, bao gồm vi khuẩn, virút, asen, thủy ngân, thuốc bảo vệ thực vật và muối. Nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư khẳng định, công nghệ nano đảm bảo các giải pháp hiệu quả và bền vững hơn vì sử dụng các hạt nano để xử lý nước ít gây ô nhiễm hơn so với các phương pháp truyền thống và đòi hỏi ít nhân công, vốn, đất đai và năng lượng.

Một trong các ứng dụng quan trọng của công nghệ Nano trong xử lý ô nhiễm môi trường có thể kể đến là ứng dựng hạt Nano sắt.

Ứng dụng hạt Nano sắt trong xử lý ô nhiễm môi trường

So với hạt có kích thước micro, hạt sắt nano có tốc độ phản ứng lớn hơn do diện tích bề mặt riêng và diện tích bề mặt hoạt động lớn hơn. Hơn thế nữa, do có khả năng tồn tại ở dạng lơ lửng, sắt nano có thể đi vào trong đất bị ô nhiễm, trầm tích và tầng ngậm nước. Tuy nhiên, do sự kết đám của các hạt nano, chúng rất khó tồn tại lâu dài ở dạng lơ lửng. Người ta thấy rằng sắt nano có thể phản ứng một cách hiệu quả với nhiều loại đất ô nhiễm khác nhau trong môi trường, bao gồm các hợp chất hữu cơ chứa clo, kim loại nặng và các chất vô cơ khác.

Sắt nano có thể khử hầu hết các hợp chất hữu cơ chứa clo thành các hợp chất không độc như hydrocacbon, clo và nước.

Nhiều nghiên cứu đã được thử nghiệm và đánh giá hiệu quả loại bỏ clo của PCBs hòa tan trong dung dịch nước - metanol bằng sắt có kích thước mico và nano. Với vật liệu sắt micro ngoài thị trường không quan sát thấy bất kỳ sự loại bỏ clo nào sau 180 ngày, còn thí nghiệm sau 45 ngày với sắt nano cho thấy sắt nano có khả năng khử clo của PCBs trong hỗn hợp nước - metanol ở điều kiện thường.

Ứng dụng hạt Nano sắt có thể giúp loại bỏ các ion kim loại nặng đồng thời loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ.

Ở các hàm lượng sắt nano khác nhau (0,5; 2,5; 5; 7,5; 10g/l) khả năng hấp phụ As(III) (1mg/l ở pH =7) trên bề mặt vật liệu cho các kết quả khác nhau. Kết quả thu được cho thấy ngoại trừ ở nồng độ 0,5g/l, hơn 80% lượng Asen bị hấp phụ trong 7 phút và gần 99% bị hấp phụ sau 60 phút. Dung lượng hấp phụ cực đại tính theo định luật Freundlich là 3,5mg Asen/g sắt nano ở 25⁰C. Kết quả khẳng định được khả năng loại bỏ Asen trong nước thải ô nhiễm.

Bên cạnh đó, Sắt nano giữ ổn định tách và giữ Cr(VI) và Pb(II) từ dung dịch nhanh hơn, khử Cr(VI)àCr(III) và Pb(II) và Pb(0), đồng thời oxy hóa sắt thành geolit nên có thể loại bỏ Pb và Cr trong nước thải. Dựa trên những thí nghiệm với 0,5g sắt nano và 100ml hoặc 50mmol dung dịch trong 8 ngày, 1g sắt nano loại bỏ 12mmol Cr(VI) và 0,18mmol Pb(II).

Ứng dụng hạt Nano sắt cũng có thể giúp loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ. Nghiên cứu loại bỏ Selen bằng vật liệu sắt nano và hợp kim Fe-Ni tổng hợp. Trong 5h thí nghiệm, gần 100% Selen bị loại bỏ bởi vật liệu Fe⁰ nano. Với hàm lượng vật liệu là 0,1g/l, sự loại bỏ của sắt nano đạt 155mg/g. Ở những nồng độ xác định, hiệu quả xử lý Selen của sắt nano tăng khi tăng lượng vật liệu sử dụng. Cùng với đó khi xét động học phản ứng khử nitrat bằng sắt nano, có thể thấy khả năng khử hoàn toàn nitrat trong dung dịch chỉ sau vài phút bằng cách cho dung dịch đó tiếp xúc với bột sắt nano ở điều kiện thường, không có sự kiểm soát pH.

Ngoài việc xử lý nước thải, công nghệ Nano còn được ứng dụng trong sản xuất, chăn nuôi thủy sản. Công nghệ Nano giúp môi trường trong ao nuôi giảm các chỉ số COD, BOD, NH₃, xử lý khí độc H2s và tình trạng phú dưỡng do tảo, tăng nồng độ oxy hòa tan DO trong nước và độ trong của nước ao nuôi, ngăn ngừa ô nhiễm môi trường nước do thức ăn bị phân hủy.

Những tiến bộ của khoa học và công nghệ đã tác động đến hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội. Việc triển khai ứng dụng các thành quả của khoa học công nghệ nói chung và công nghệ Nano nói riêng sẽ đem lại những thành công ở mức độ nhất định cho mỗi quốc gia. Tận dụng hết các tiềm năng mà công nghệ Nano mang đến trong các lĩnh vực nhất là lĩnh vực bảo vệ môi trường sẽ góp phần sớm đưa Việt Nam tiến bước nhanh hơn, đạt nhiều thành tựu hơn trong tiến trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước.