Trong không gian sống hiện đại, nơi những căn hộ kín gió với cửa kính cách âm, điều hòa nhiệt độ và nội thất công nghiệp ngày càng phổ biến, chất lượng không khí trong nhà đang trở thành một vấn đề đáng quan tâm hơn bao giờ hết. Ít ai biết rằng, ngay trong chính phòng khách, phòng ngủ hay văn phòng làm việc của mình, một “vị khách không mời” có thể đang hiện diện mỗi ngày: formaldehyde.

Đây là một hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC – Volatile Organic Compound) được sử dụng rộng rãi trong sản xuất vật liệu xây dựng, nội thất và nhiều sản phẩm gia dụng. Formaldehyde có thể phát tán âm thầm từ ván ép, gỗ công nghiệp, sơn, keo dán, thảm trải sàn và nhiều vật liệu khác. Vì không màu và thường chỉ có mùi hắc nhẹ ở nồng độ cao, nên phần lớn người dân khó nhận biết được sự tồn tại của nó trong không khí.

Ngay cả ở nồng độ thấp, formaldehyde cũng có thể gây kích ứng mắt, mũi, họng và hệ hô hấp. Khi tiếp xúc kéo dài ở nồng độ vượt ngưỡng cho phép, chất này làm tăng nguy cơ mắc các bệnh lý nghiêm trọng, trong đó có ung thư. Trong bối cảnh người dân đô thị dành tới 80–90% thời gian sinh hoạt trong không gian kín, vấn đề kiểm soát formaldehyde trong không khí trong nhà trở nên cấp thiết.

Tuy nhiên, việc loại bỏ formaldehyde không hề đơn giản.

Những giới hạn của vật liệu lọc truyền thống

Hiện nay, nhiều vật liệu hấp phụ được sử dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, bao gồm zeolit, silica gel và các polymer xốp. Những vật liệu này hoạt động như những “miếng bọt biển” siêu nhỏ, giữ các phân tử ô nhiễm trên bề mặt hoặc trong hệ thống lỗ xốp của chúng.

Dù có khả năng hấp phụ VOC tương đối hiệu quả, song hiệu suất của các vật liệu này thường suy giảm mạnh trong môi trường có độ ẩm cao – điều kiện phổ biến tại các quốc gia nhiệt đới như Việt Nam. Hơi nước cạnh tranh với các phân tử formaldehyde để chiếm chỗ trên bề mặt vật liệu, làm giảm đáng kể hiệu quả xử lý.

Các giải pháp hiện đại hơn thường sử dụng than hoạt tính thương mại. Tuy nhiên, quy trình sản xuất than hoạt tính đòi hỏi nung ở nhiệt độ rất cao (thường trên 700°C), tiêu tốn nhiều năng lượng và phát thải carbon đáng kể. Điều này khiến giá thành sản phẩm cao và không thực sự thân thiện môi trường.

Chính bài toán này đã thôi thúc các nhà khoa học tìm kiếm một giải pháp thay thế: vừa hiệu quả, vừa bền vững và phù hợp với điều kiện trong nước.

Từ phụ phẩm lúa gạo đến vật liệu công nghệ cao

Tại Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TP HCM, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hà Thúc Chí Nhân và ThS Đào Thị Băng Tâm dẫn dắt đã lựa chọn một nguồn nguyên liệu tưởng chừng rất bình thường: tro trấu.

Việt Nam là một trong những quốc gia sản xuất và xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới. Mỗi năm, ngành lúa gạo tạo ra một lượng lớn phụ phẩm, trong đó có trấu. Khi trấu được đốt để làm nhiên liệu hoặc xử lý chất thải, phần còn lại là tro trấu – giàu silica và có cấu trúc vi mô đặc biệt.

Thay vì xem tro trấu là chất thải, nhóm nghiên cứu đã nhìn thấy trong đó tiềm năng của một vật liệu nền cho công nghệ lọc không khí.

Theo công bố trên tạp chí quốc tế Carbon Research, nhóm đã chuyển hóa thành công tro trấu thành một loại “than sinh học hoạt tính” chuyên dụng. Đây là vật liệu có cấu trúc xốp phát triển, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ tốt.

Nhưng bước đột phá không dừng lại ở đó.

Tăng gấp đôi hiệu quả nhờ polymer PEI

Để nâng cao khả năng “bắt giữ” formaldehyde, nhóm đã biến tính than sinh học bằng một polymer có tên polyethyleneimine (PEI). PEI là hợp chất giàu các nhóm chức amin (-NH₂), có khả năng phản ứng hóa học mạnh với formaldehyde.

Khi được gắn lên bề mặt than sinh học, PEI làm tăng mật độ các nhóm amin, tạo ra hàng loạt “móc hóa học” có thể liên kết chặt chẽ với phân tử formaldehyde. Nhờ đó, cơ chế hấp phụ không chỉ dừng lại ở tương tác vật lý mà còn bao gồm liên kết hóa học bền vững.

Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ formaldehyde của vật liệu biến tính PEI tăng gấp đôi so với than sinh học thông thường.

Điều này đồng nghĩa với việc, trong cùng một thể tích vật liệu lọc, lượng formaldehyde bị loại bỏ có thể nhiều hơn đáng kể, nâng cao hiệu suất và kéo dài thời gian sử dụng của thiết bị lọc.

Quy trình sản xuất xanh và tiết kiệm năng lượng

Một điểm đáng chú ý của nghiên cứu là quy trình chế tạo vật liệu được thiết kế theo hướng giảm phát thải carbon.

Thay vì nung ở nhiệt độ cao như phương pháp sản xuất than hoạt tính truyền thống, nhóm nghiên cứu đã kết hợp hoạt hóa hóa học với xử lý siêu âm. Công nghệ siêu âm giúp tạo ra các hiệu ứng vi mô trong dung dịch, hỗ trợ mở rộng cấu trúc lỗ xốp mà không cần gia nhiệt quá mức.

Cách tiếp cận này mang lại nhiều lợi ích:

- Giảm tiêu thụ năng lượng

- Giảm phát thải CO₂

- Hạ giá thành sản phẩm

- Tăng tính thân thiện môi trường

Việc tận dụng tro trấu – một phụ phẩm nông nghiệp sẵn có – cũng góp phần giảm chi phí nguyên liệu đầu vào, đồng thời tạo thêm giá trị cho chuỗi sản xuất lúa gạo.

Cấu trúc “mê cung vi mô” dưới kính hiển vi

Để phân tích đặc tính vật liệu, nhóm đã sử dụng các kỹ thuật hiện đại như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).

Hình ảnh SEM cho thấy vật liệu có cấu trúc xốp đa tầng, với hệ thống lỗ nhỏ liên thông như một “mê cung siêu nhỏ”. Chính cấu trúc này cho phép các phân tử formaldehyde đi sâu vào bên trong và bị giữ lại hiệu quả.

Phân tích FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm amin từ PEI trên bề mặt, chứng minh quá trình biến tính đã thành công.

Các nghiên cứu động học và đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy quá trình diễn ra ổn định, phù hợp với các mô hình khoa học có thể dự đoán. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu trong các thiết bị lọc không khí thương mại.

Triển vọng ứng dụng và mở rộng

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục đánh giá độ bền lâu dài và khả năng tái sinh của vật liệu – yếu tố quan trọng quyết định tính kinh tế khi thương mại hóa. Bên cạnh đó, các thử nghiệm trong điều kiện không khí thực tế sẽ giúp xác định hiệu quả xử lý trong môi trường có độ ẩm và nhiệt độ thay đổi.

Không chỉ dừng lại ở formaldehyde, nhóm cũng dự kiến mở rộng nghiên cứu sang các VOC khác như benzene, toluene và xylene – những chất thường xuất hiện trong môi trường đô thị.

Nếu được ứng dụng rộng rãi, vật liệu này có thể tích hợp vào:

- Máy lọc không khí gia đình

- Hệ thống thông gió tòa nhà

- Tấm lọc thay thế cho than hoạt tính

- Vật liệu xây dựng thông minh có khả năng hấp phụ khí độc

Hóa học tuần hoàn và tầm nhìn phát triển bền vững

Nghiên cứu không chỉ giải quyết một vấn đề môi trường cụ thể mà còn minh chứng cho vai trò ngày càng quan trọng của “hóa học tuần hoàn”. Theo đó, chất thải hoặc phụ phẩm từ một ngành có thể trở thành nguyên liệu đầu vào cho ngành khác, tạo ra vòng tuần hoàn giá trị.

Trong trường hợp này, tro trấu – từng bị xem là chất thải – trở thành nguồn nguyên liệu cho vật liệu lọc không khí công nghệ cao. Điều này vừa giảm áp lực xử lý chất thải, vừa tạo sản phẩm có giá trị gia tăng cao.

Trong bối cảnh Việt Nam đang hướng tới phát triển kinh tế xanh và giảm phát thải, những nghiên cứu như vậy có ý nghĩa chiến lược.

Lá chắn mới cho không gian sống

Khi đô thị hóa gia tăng và không gian sống ngày càng khép kín, việc bảo đảm chất lượng không khí trong nhà trở thành yêu cầu thiết yếu. Công trình của các nhà khoa học tại Đại học Quốc gia TP HCM cho thấy một hướng đi khả thi: kết hợp tri thức khoa học hiện đại với nguồn tài nguyên sẵn có trong nước.

Từ tro trấu – một phụ phẩm nông nghiệp quen thuộc – đến vật liệu lọc công nghệ cao có khả năng loại bỏ formaldehyde hiệu quả gấp đôi, hành trình này là minh chứng cho sức mạnh của đổi mới sáng tạo.

Nếu được thương mại hóa thành công, vật liệu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng không khí trong hàng triệu ngôi nhà, mà còn góp phần xây dựng nền kinh tế tuần hoàn, giảm phát thải và nâng cao giá trị tài nguyên nội địa.

Đó không chỉ là câu chuyện về một vật liệu lọc mới, mà còn là câu chuyện về cách khoa học có thể biến những thứ tưởng chừng bỏ đi thành “lá chắn” bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Nguồn: Tổng hợp