PGS.TS Hoàng Thị Thu Hương trình bày tham luận tại hội thảo khoa học “Bảo vệ môi trường và sử dụng bền vững tài nguyên”

 Nước thải bán dẫn chứa nhiều nguồn tài nguyên có giá trị

Nhóm nghiên cứu thuộc Trường Hóa và Khoa học Sự sống, Đại học Bách khoa Hà Nội, đang phát triển hệ thống xử lý nước thải công nghiệp bán dẫn theo hướng kinh tế tuần hoàn, kết hợp nhiều công nghệ nhằm tái sử dụng nước và thu hồi tài nguyên thay vì chỉ tập trung loại bỏ chất ô nhiễm.

Nghiên cứu do nhóm tác giả Nguyễn Đức Việt, Đỗ Khắc Uẩn, Hoàng Thị Thu Hương và các cộng sự thực hiện, được PGS.TS Hoàng Thị Thu Hương trình bày tại hội thảo với chủ đề “Bảo vệ môi trường và sử dụng bền vững tài nguyên”

Theo PGS.TS Hoàng Thị Thu Hương, khi ngành công nghiệp bán dẫn phát triển, các vấn đề liên quan đến sử dụng nước, quản lý hóa chất và kiểm soát chất thải cần được nghiên cứu song song với việc mở rộng sản xuất.

Nhu cầu đối với công nghệ bán dẫn tăng cùng sự phát triển của xe điện, trí tuệ nhân tạo và các hệ thống cảm biến. Theo số liệu được trình bày tại hội thảo, doanh thu ngành bán dẫn toàn cầu năm 2024 đạt hơn 600 tỷ USD và dự kiến tiến tới mốc 1.000 tỷ USD vào khoảng năm 2030. Tại Việt Nam, quy mô ngành được dự báo vượt 30 tỷ USD vào năm 2029.

Trong sản xuất bán dẫn, nước siêu tinh khiết được sử dụng ở nhiều công đoạn, đòi hỏi quy trình xử lý phức tạp và tiêu tốn đáng kể nước, năng lượng. Một nhà máy bán dẫn quy mô vừa có thể tiêu thụ lượng nước tương đương nhu cầu của một thị trấn nhỏ, theo thông tin được diễn giả nêu tại hội thảo.

Nước thải phát sinh từ hoạt động sản xuất có thể chứa chất hữu cơ, nitơ, phốt pho, hợp chất chứa flo, silic và nhiều kim loại. Nếu không được xử lý phù hợp, một số thành phần có thể gây tác động đến môi trường. Trong khi đó, silic và các kim loại cũng có thể là nguồn nguyên liệu có giá trị đối với sản xuất công nghiệp.

Đáng chú ý, kim loại nặng có khả năng ảnh hưởng đến hệ sinh thái ngay cả ở nồng độ thấp. Theo các nghiên cứu độc học được nhóm nghiên cứu đề cập, trong một số trường hợp, nồng độ kim loại ở mức giới hạn quy chuẩn vẫn có thể gây tác động mạn tính đối với hệ sinh thái.

Từ thực tế này, nhóm nghiên cứu đặt vấn đề kết hợp xử lý ô nhiễm với thu hồi tài nguyên. Cách tiếp cận đó có thể góp phần giảm lượng chất thải cần xử lý, đồng thời tạo thêm nguồn nguyên liệu thứ cấp phục vụ sản xuất.

Tích hợp vi tảo, công nghệ màng và quang xúc tác

Theo nhóm nghiên cứu, các phương pháp xử lý nước thải hiện nay vẫn có những hạn chế như tiêu thụ nhiều hóa chất, phát sinh bùn thải, sử dụng nhiều năng lượng và chưa đạt hiệu quả đồng đều đối với các hợp chất khó phân hủy. Với hệ thống sử dụng màng lọc, chi phí vận hành còn chịu ảnh hưởng từ nhu cầu năng lượng và nguy cơ tắc màng.

Để giải quyết những vấn đề này, đề tài hướng tới xây dựng hệ thống xử lý tích hợp ba hợp phần công nghệ chính, kết hợp năng lượng mặt trời và trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quá trình vận hành.

Hợp phần thứ nhất kết hợp vi tảo với hệ thống màng và màng quang xúc tác sinh học, hướng tới loại bỏ một phần chất ô nhiễm, giảm hàm lượng chất dinh dưỡng trong nước thải và thu hồi silic. Việc phối hợp các quá trình xử lý được kỳ vọng cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên, đồng thời hạn chế tình trạng tắc màng.

Hợp phần thứ hai sử dụng công nghệ chưng cất màng để thu hồi nước có độ tinh khiết cao, đưa trở lại quy trình sử dụng. Giải pháp này hướng tới giảm nhu cầu khai thác nguồn nước mới, đặc biệt trong ngành công nghiệp có yêu cầu lớn về nước siêu tinh khiết.

Hợp phần thứ ba tập trung thu hồi và tận dụng sinh khối vi tảo sau xử lý. Thay vì chỉ loại bỏ các chất dinh dưỡng trong nước thải, hệ thống hướng tới sử dụng một phần nguồn dinh dưỡng này để nuôi vi tảo, sau đó thu hoạch sinh khối phục vụ các mục đích tiếp theo.

Bên cạnh silic và sinh khối, khả năng thu hồi kim loại cũng nằm trong định hướng phát triển của đề tài. Theo nhóm nghiên cứu, việc chuyển một phần thành phần trong nước thải thành nguồn nguyên liệu đầu vào có thể giúp nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên. Tuy nhiên, hiệu quả thu hồi và khả năng tạo ra sản phẩm có giá trị vẫn cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Đề tài được Chính phủ Bỉ hỗ trợ, dự kiến triển khai trong ba năm. Nhóm nghiên cứu đã có hơn một năm chuẩn bị trước khi bắt đầu thực hiện; tại thời điểm báo cáo, dự án mới bước vào giai đoạn đầu.

Dùng năng lượng mặt trời và trí tuệ nhân tạo tối ưu vận hành

Nhu cầu năng lượng là một trong những thách thức đối với hệ thống xử lý nước thải tích hợp công nghệ màng. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đưa năng lượng mặt trời vào thiết kế nhằm tận dụng điều kiện bức xạ tại Việt Nam, giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài. Các giải pháp lưu trữ năng lượng cũng được xem xét để tăng khả năng sử dụng nguồn điện tạo ra trong thời gian có nắng.

Song song với đó, trí tuệ nhân tạo được định hướng ứng dụng để hỗ trợ giám sát, điều khiển và tối ưu hóa hoạt động của các hợp phần công nghệ. Mục tiêu là nâng cao hiệu suất xử lý, hạn chế các vấn đề kỹ thuật như tắc màng, giảm nhu cầu sử dụng hóa chất và kiểm soát chi phí vận hành.

Điểm đáng chú ý của hướng nghiên cứu là sự phối hợp giữa các lĩnh vực hóa học, hóa lý, công nghệ màng, sinh học và trí tuệ nhân tạo trong cùng một hệ thống. Thay vì xử lý riêng lẻ từng nhóm chất ô nhiễm, nhóm nghiên cứu hướng tới tối ưu hóa toàn bộ quy trình, từ xử lý nước thải đến thu hồi tài nguyên và tái sử dụng nước.

Các công nghệ liên quan đến màng, quang xúc tác và vi tảo đã được nghiên cứu tại một số cơ sở ở Bỉ, Hàn Quốc và Việt Nam. Nhóm nghiên cứu đang phối hợp với các đối tác tại Bỉ và trong nước để phát triển phương án tích hợp.

Theo thông tin được trình bày tại hội thảo, đề tài là một trong sáu đề xuất được lựa chọn hỗ trợ trong số khoảng 42 đề xuất thuộc chương trình. Quá trình triển khai trong ba năm tới sẽ tạo cơ sở đánh giá khả năng vận hành và hiệu quả của hệ thống.

Đánh giá tính khả thi trước khi ứng dụng công nghiệp

Bên cạnh hiệu quả xử lý, khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ phụ thuộc đáng kể vào chi phí đầu tư, năng lượng tiêu thụ, lượng hóa chất sử dụng và giá trị tài nguyên thu hồi. Đây cũng là nội dung được đặt ra trong phần trao đổi sau báo cáo.

PGS.TS Hoàng Thị Thu Hương cho biết nhóm nghiên cứu có yêu cầu nhân lực nghiên cứu sinh tham gia và đã định hướng nhân sự phụ trách các nội dung kỹ thuật. Nhóm cũng mong muốn phối hợp với các đơn vị có chuyên môn về đánh giá vòng đời sản phẩm và công nghệ.

Theo đó, phương pháp đánh giá vòng đời (Life Cycle Assessment - LCA) có thể được sử dụng để phân tích các dòng vật chất, năng lượng, chi phí và lợi ích trong quá trình triển khai hệ thống. Cách tiếp cận này giúp đánh giá tác động môi trường và hiệu quả kinh tế trên toàn bộ vòng đời, thay vì chỉ xem xét kết quả của một công đoạn riêng lẻ.

Một công nghệ có thể xử lý chất ô nhiễm hiệu quả nhưng vẫn khó áp dụng trên quy mô lớn nếu tiêu thụ quá nhiều năng lượng, hóa chất hoặc phát sinh chi phí vận hành cao. Vì vậy, nhóm nghiên cứu hướng tới đánh giá đồng thời các yếu tố kỹ thuật, môi trường và kinh tế, bao gồm khả năng thu hồi nước, silic, kim loại, tận dụng sinh khối và tiết kiệm năng lượng.

Vấn đề quy chuẩn nước thải cũng được đề cập tại hội thảo. Theo nội dung trình bày, Việt Nam hiện chưa có quy chuẩn riêng cho nước thải công nghiệp bán dẫn và việc quản lý vẫn áp dụng quy chuẩn chung về nước thải công nghiệp. Khi đối chiếu với một số quy định tại châu Âu và Hàn Quốc, nhóm nghiên cứu nhận thấy giới hạn của một số chỉ tiêu trong quy chuẩn Việt Nam còn cao hơn, có trường hợp chênh lệch khoảng ba đến tám lần. Riêng đồng, phenol và xyanua cũng được nêu là những chỉ tiêu có mức giới hạn cao hơn so với các quy định được đối chiếu.

Theo phân tích của diễn giả, việc nâng yêu cầu xử lý cần được xem xét cùng khả năng đáp ứng về công nghệ và chi phí của doanh nghiệp. Giải pháp xử lý kết hợp thu hồi tài nguyên được kỳ vọng tạo thêm cơ sở kinh tế để thúc đẩy đầu tư cho công nghệ môi trường.

Do đề tài mới ở giai đoạn đầu, các mục tiêu về hiệu quả xử lý, tỷ lệ thu hồi tài nguyên, mức tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành vẫn cần được kiểm chứng qua nghiên cứu, thử nghiệm và đánh giá vòng đời. Kết quả này sẽ quyết định khả năng chuyển hệ thống từ nghiên cứu sang ứng dụng công nghiệp, góp phần giải quyết bài toán môi trường trong quá trình phát triển ngành bán dẫn tại Việt Nam.