Tiềm năng công nghệ nano trong xử lý ô nhiễm môi trường

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). Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano.

Lợi ích môi trường tiềm tiềm năng từ công nghệ Nano

Giá nguyên liệu và năng lượng ngày càng tăng, cùng với nhận thức về môi trường ngày càng tăng của người tiêu dùng, họ cũng chịu trách nhiệm về một loạt sản phẩm trên thị trường hứa hẹn những lợi ích nhất định đối với việc bảo vệ môi trường và khí hậu. Vật liệu nano thể hiện đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt khiến chúng trở nên thú vị với các sản phẩm thân thiện với môi trường.

Các ví dụ về lợi ích tiềm năng này bao gồm sự bền bỉ tăng lên của vật liệu chống lại sự va chạm cơ học hoặc thời tiết, giúp tăng tuổi thọ hữu ích của một sản phẩm; các lớp phủ chống ăn mòn và chống thấm nước dựa trên công nghệ nano; vật liệu cách nhiệt mới để nâng cao hiệu suất năng lượng của các tòa nhà; thêm các hạt nano vào vật liệu để giảm trọng lượng và tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận chuyển. Trong lĩnh vực 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 tiềm năng đang được đặt trong các sản phẩm tối ưu hóa công nghệ nano và các quy trình sản xuất và lưu trữ năng lượng; hiện đang trong giai đoạn phát triển và 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.

Công nghệ nano có thể làm cho pin tái chế về mặt kinh tế hấp dẫn: Nhiều pin vẫn 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 pin không đúng cách. Không chỉ hàng tỷ đô la cho hàng tỉ ắc quy trong bãi chôn lấp gây ra vấn đề môi trường mà còn là sự lãng phí hoàn toàn của một nguyên liệu thô tiềm năng và giá rẻ. Các nhà nghiên cứu đã tìm cách thu hồi các hạt nano oxit kẽm tinh khiết từ pin alkaline dùng cho pin Zn-MnO2.

Vật liệu nano để 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.

Các giải pháp dựa trên công nghệ nano đối với sự cố tràn dầu: Các kỹ thuật làm sạch thông thường không đủ để giải quyết vấn đề tràn dầu tràn lan. Trong những năm gần đây, công nghệ nano đã nổi lên như là một nguồn tiềm năng của các giải pháp mới cho nhiều vấn đề nổi bật của thế giới. Mặc dù việc áp dụng công nghệ nano để dọn sạch dầu tràn vẫn còn trong giai đoạn mới mẻ, nó hứa hẹn rất lớn cho tương lai. Trong vài năm gần đây, đã có sự quan tâm đặc biệt ngày càng tăng trên toàn thế giới trong việc khám phá cách tìm ra các giải pháp phù hợp để làm sạch sự cố tràn dầu thông qua việc sử dụng vật liệu nano.

Ứng dụng xử lý nước: Các lĩnh vực tác động tiềm tàng đối với công nghệ nano trong các ứng dụng xử lý nước được chia thành ba loại: xử lý và khắc phục hậu quả, phát hiện và phát hiện, và ngăn ngừa ô nhiễm  và cải tiến kỹ thuật khử muối là một lĩnh vực chính. 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.

Một phương pháp thanh lọc mới tương đối mới: nước lợ là công nghệ deionization dung (CDI). Những ưu điểm của CDI là không gây ô nhiễm thứ cấp, hiệu quả về chi phí và tiết kiệm năng lượng. 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. Họ phát hiện ra rằng các điện cực graphene cho kết quả CDI tốt hơn so với các vật liệu carbon hoạt hóa thông thường.
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.

Sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời – quang hợp nhân tạo: 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 vàbền 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 sắt 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. Schrick và các cộng sự đã chứng minh rằng nguồn cacbon hạn chế đáng kể sự kết tụ và tăng sự vận chuyển hạt sắt nano.

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.

• Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa clo

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.

Lowry đã 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.

1. Loại bỏ các ion kim loại nặng

• Loại bỏ Asen

Kanel và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm ở các hàm lượng sắt nano khác nhau (0,5; 2,5; 5; 7,5; 10g/l) để đánh giá khả năng hấp phụ As(III) (1mg/l ở pH =7) trên bề mặt vật liệu. 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.

• Loại bỏ Pb và Cr

Sắt nano đã được ổn định tách và giữ Cr(VI) và Pb(II) từ dung dịch nhanh hơn, khử Cr(VI)àCr(III) và Pb(II)àPb(0), đồng thời oxy hóa sắt thành geolit. 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).

1. Sự loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ

• Loại bỏ Selen

Mondal và các cộng sự đã 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.

• Loại bỏ nitrat

Xem xét động học phản ứng khử nitrat bằng sắt nano, Choe và cộng sự cho thấy có thể 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.