Nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học Viện Khoa học công nghệ Năng lượng và Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã phát triển thành công một loại màng mỏng thẩm thấu thuận (FO) hiệu năng cao, giúp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải ngành mạ. Đây là bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ màng thân thiện môi trường nhằm giải quyết bài toán ô nhiễm nước công nghiệp tại Việt Nam.

Hiện nay, ngành công nghiệp xi mạ, một lĩnh vực quan trọng trong chế tạo cơ khí, điện tử và ô tô đang trở thành nguồn gây ô nhiễm nước nghiêm trọng. Trong quá trình mạ điện, nước thải phát sinh chứa hàm lượng lớn kim loại nặng độc hại như asen, chì, niken cùng các hóa chất như xyanua và sunfat. Chỉ một phần nhỏ các chất này được xử lý, phần còn lại xả thải ra môi trường, gây hại lâu dài đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

Nhiều công nghệ xử lý đã được áp dụng như kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ hay lọc nano nhưng hạn chế của các phương pháp này là chi phí cao, phát sinh bùn thải hoặc hiệu quả thấp trong điều kiện nước thải phức tạp. Trong khi đó, công nghệ FO nổi lên như một giải pháp hứa hẹn nhờ khả năng tiết kiệm năng lượng, ít bị bám bẩn và đặc biệt phù hợp để loại bỏ kim loại nặng. Tuy nhiên, một trong những trở ngại lớn của FO là dòng nước thẩm thấu còn thấp, do hiện tượng phân cực nồng độ. Từ thách thức này, Th.S. Lê Xuân Thanh Thảo và nhóm nghiên cứu đã thực hiện thành công đề tài: “Chế tạo màng mỏng thẩm thấu thuận hiệu năng cao và ứng dụng trong loại bỏ kim loại nặng nước thải ngành mạ” (Mã số: VAST07.02/23-24), với mục tiêu phát triển thành công loại màng FO mới có hiệu suất cao hơn nhờ tích hợp vật liệu ưa nước dextran, mang lại giải pháp khả thi hơn trong xử lý nước thải ngành mạ điện hiện nay.

Th.S. Lê Xuân Thanh Thảo trong phòng thí nghiệm

Tối ưu hóa cấu trúc màng - tăng hiệu quả lọc tách

Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu dextran - một polysaccharide tự nhiên có tính ưa nước cao khi được thêm vào lớp đế polyethersulfone (PES) đã giúp tăng đáng kể độ xốp và tính thấm ướt của màng, góc tiếp xúc nước giảm, mật độ lỗ rỗng tăng, cấu trúc lớp cắt ngang trở nên xốp hơn. Những thay đổi đã được chứng minh rõ nét qua ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).

Ảnh chụp SEM các vị trí của màng lọc thẩm thấu trước và sau khi cải tiến

Sự cải tiến này đã trực tiếp giúp màng FO khắc phục được hiệu ứng phân cực nồng độ bên trong, một trong những hạn chế lớn nhất của các hệ màng truyền thống, vốn làm giảm áp suất thẩm thấu hiệu dụng và khiến dòng nước đi qua màng thấp hơn nhiều so với lý thuyết. Lớp đế chứa 5% dextran giúp tăng gấp đôi tốc độ thẩm thấu nước so với màng mỏng tổng hợp (TFC) thương mại trong cùng điều kiện thử nghiệm, đồng thời vẫn giữ được khả năng ngăn muối và ion kim loại nặng hiệu quả, đạt hiệu suất loại bỏ trên 97% đối với các kim loại như As, Pb, Ni…

A) Quy trình hình thành màng mỏng và B) phản ứng hình thành lớp màng mỏng poly amide của màng FO

Từ thành công trong phòng thí nghiệm, nhóm đã triển khai đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn thông qua các thí nghiệm mô phỏng nước thải chứa kim loại nặng từ ngành mạ. Th.S. Lê Xuân Thanh Thảo cho biết: Trong quy trình thẩm thấu thuận FO, dung dịch cấp (FS) có áp suất thẩm thấu thấp và dung dịch hòa (DS) có áp suất thẩm thấu cao được phân tách bằng màng bán thấm. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của màng như độ pH, nồng độ dung dịch cấp và dung dịch hòa nêu trên đã được phân tích kỹ lưỡng, góp phần làm rõ cơ chế vận hành của màng trong các điều kiện thực tế khác nhau.

Khác với nhiều nghiên cứu trước đây tập trung chủ yếu vào cấu trúc màng, các nhà khoa học đã khai thác sâu mối quan hệ giữa cấu trúc - tính chất - hiệu năng, cung cấp hướng tiếp cận mang tính hệ thống và thực tiễn cao cho các ứng dụng xử lý nước. So với các nghiên cứu gần đây sử dụng vật liệu nano như graphene oxide hay zeolite để cải tiến màng lọc, phương pháp sử dụng dextran không chỉ an toàn sinh học, chi phí thấp mà còn phù hợp với điều kiện công nghệ của các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa ở Việt Nam.

Từ kết quả nghiên cứu, nhóm đã xây dựng quy trình chế tạo màng FO hiệu năng cao và mẫu màng lọc hoàn chỉnh, sẵn sàng chuyển giao ứng dụng. Đồng thời, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCIE (Q2) và tạp chí khoa học trong nước. Hai bài báo đã cho thấy rõ tiềm năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ này. Trong đó, bài báo quốc tế đăng trên tạp chí Chemical Engineering Research and Design đã chứng minh việc bổ sung dextran giúp tăng gấp đôi lưu lượng nước so với màng TFC thương mại, đồng thời giữ được hiệu quả lọc ổn định. Bài báo thứ 2 đi sâu vào ứng dụng loại bỏ asen, chất gây ung thư phổ biến trong nước thải mạ và nước ngầm, qua đó cho thấy màng TFC-Dex không chỉ hiệu quả về mặt kỹ thuật mà còn phù hợp với các vấn đề môi trường cấp bách tại Việt Nam.

Theo Th.S. Lê Xuân Thanh Thảo: Nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến tính chất vật liệu với mục tiêu cao hơn là tạo ra một giải pháp khả thi, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. “Chúng tôi muốn phát triển một loại màng không chỉ hiệu quả trong phòng thí nghiệm mà còn có thể ứng dụng được ở quy mô sản xuất vừa và nhỏ, nơi các yêu cầu về chi phí, độ ổn định và khả năng vận hành đơn giản là rất quan trọng,” Th.S. Thảo chia sẻ thêm.

Bà cũng cho biết: Việc lựa chọn vật liệu sinh học như dextran giúp cải thiện hiệu năng màng, đảm bảo tính an toàn, thân thiện môi trường và khả năng sản xuất cả trên quy mô lớn. Điều quan trọng nhất là công nghệ phải tiếp cận được yêu cầu về cả kỹ thuật và kinh tế. Nếu chỉ dừng lại ở mô hình lý tưởng, công nghệ sẽ rất khó đi vào thực tế.

So với các công nghệ lọc hiện nay, đặc biệt là hệ thống thẩm thấu ngược (RO) vốn tiêu tốn nhiều năng lượng, công nghệ màng FO trong nghiên cứu này mang lại lợi thế rõ rệt về tiết kiệm năng lượng, đồng thời có thể tích hợp linh hoạt trong cả hệ thống FO và RO. Với hiệu suất loại bỏ ion kim loại gần như tuyệt đối, cấu trúc màng bền vững và quy trình chế tạo đơn giản, công nghệ mới không chỉ phù hợp cho xử lý nước thải ngành xi mạ mà còn có thể mở rộng quy mô ứng dụng trong các lĩnh vực khác như tái sử dụng nước, xử lý nước thải công nghiệp hoặc tiền xử lý cho hệ thống lọc tinh. Thành công bước đầu của các nhà khoa học đã mở ra hướng tiếp cận mới trong xử lý môi trường theo hướng tiết kiệm và bền vững.

Thực hiện: Chu Thị Ngân, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.