Trong bối cảnh ô nhiễm công nghiệp ngày càng nghiêm trọng, các kim loại nặng như mangan, coban, niken, kẽm, crom và chì đang âm thầm tích tụ trong nguồn nước, đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Những kim loại này không bị phân hủy trong môi trường mà còn có khả năng tích lũy sinh học trong các sinh vật sống, trở nên ngày càng độc hại khi đi qua chuỗi thức ăn. Việc loại bỏ chúng khỏi nước thải đang là một trong những thách thức lớn nhất của ngành xử lý môi trường hiện đại.

Trong khi nhiều giải pháp truyền thống như hấp phụ bằng than hoạt tính, kết tủa hóa học hay màng lọc vẫn đang được sử dụng rộng rãi, thì tất cả đều tồn tại những điểm yếu đáng kể: dễ bão hòa, phát sinh bùn thải độc hại, tiêu tốn năng lượng, hoặc hiệu quả xử lý kém trong điều kiện nước thực tế. Đặc biệt, các phương pháp điện hóa mặc dù cho hiệu quả loại bỏ cao, nhưng lại đòi hỏi một lượng lớn điện năng tiêu thụ, dẫn đến chi phí vận hành cao và tác động môi trường không nhỏ.

Tuy nhiên, một đột phá mang tính cách mạng vừa được công bố bởi nhóm nghiên cứu tại Đại học Nam Khai (Trung Quốc) đã mở ra hướng đi hoàn toàn mới: sử dụng pin để vừa loại bỏ kim loại nặng, vừa tạo ra điện trong cùng một quá trình.

Khi pin trở thành công cụ xử lý ô nhiễm

Trong nhiều thập kỷ, ngành xử lý nước và ngành năng lượng tưởng như đi theo hai con đường song song, ít giao thoa về mặt công nghệ. Thế nhưng, bản chất của cả hai lĩnh vực đều liên quan đến việc vận chuyển và kiểm soát các ion. Trong pin, ion di chuyển giữa các điện cực để tạo ra hoặc lưu trữ năng lượng. Còn trong xử lý nước, việc kiểm soát và loại bỏ các ion độc hại cũng chính là mục tiêu cốt lõi.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Nam Khai đã khai thác mối liên kết khái niệm này bằng cách thiết kế một hệ thống gọi là "pin loại bỏ kim loại nặng" – không chỉ làm sạch nước mà còn chuyển hóa chất ô nhiễm thành năng lượng điện có thể sử dụng.

Cơ chế hoạt động: Đơn giản nhưng hiệu quả

Cấu trúc của hệ thống gồm hai ngăn chứa chất lỏng, được ngăn cách bởi một màng chọn lọc anion. Một ngăn chứa nước thải ô nhiễm với các ion kim loại nặng. Ngăn còn lại chứa điện cực kim loại (có thể là kẽm, sắt hoặc đồng). Điểm đặc biệt là điện cực tiếp xúc với nước ô nhiễm được làm từ đồng hexacyanoferrat (CuHCF) – một vật liệu có cấu trúc tinh thể xốp, cho phép "bẫy" các ion kim loại hydrat hóa vào bên trong.

Khi hai điện cực được kết nối, sự chênh lệch điện thế giữa chúng sẽ tạo ra dòng điện. Đồng thời, các ion kim loại nặng trong nước bị hút vào mạng tinh thể của CuHCF. Như vậy, quá trình hấp phụ kim loại và phát điện diễn ra song song trong cùng một hệ thống – không cần nguồn điện ngoài cấp vào.

Hiệu quả vượt trội so với phương pháp truyền thống

Hệ thống mới này đã được thử nghiệm với nhiều kim loại nặng khác nhau và cho thấy hiệu suất đáng kinh ngạc. Hơn 96% các ion mangan, coban, niken và kẽm được loại bỏ khỏi dung dịch chỉ sau một lần xử lý.

Trong một thử nghiệm với nước ô nhiễm chứa 100 ppm kẽm, hệ thống đã hạ nồng độ xuống dưới 2 ppm – vượt qua cả tiêu chuẩn môi trường về xả thải. Đặc biệt, tốc độ xử lý cực kỳ nhanh – chỉ chưa đầy 4 phút ngay cả khi tăng tốc độ dòng chảy.

Khả năng hấp phụ của CuHCF cũng nổi bật, lên tới 61 miligam kẽm trên mỗi gram vật liệu, trong khi than hoạt tính truyền thống chỉ đạt mức dưới 36 mg/g. Điều này cho thấy tiềm năng tiết kiệm vật liệu và chi phí rất lớn khi triển khai quy mô công nghiệp.

Hơn thế nữa, hệ thống vẫn duy trì hiệu suất cao ngay cả trong nước có chứa các ion cạnh tranh như natri – vốn rất phổ biến trong nước thải thực tế. Chỉ khi pH xuống mức cực thấp (~1), hiệu suất mới bị ảnh hưởng đáng kể.

Tái sinh điện cực: Không chất thải, không tốn năng lượng

Một điểm cộng lớn khác của hệ thống này là khả năng tái sử dụng điện cực mà không gây ô nhiễm thứ cấp. Trong các công nghệ truyền thống, việc tái sinh hấp phụ thường tiêu tốn nhiều năng lượng, hoặc tạo ra chất thải nguy hại.

Ngược lại, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp đơn giản, chỉ cần sử dụng hydro peroxide (H₂O₂) để oxy hóa CuHCF, qua đó giải phóng các ion kim loại đã hấp phụ và phục hồi lại cấu trúc điện cực ban đầu.

Phần kim loại thu được có thể chuyển hóa thành muối công nghiệp có giá trị. Ví dụ, khi tái sinh kẽm, chỉ cần thêm natri hydroxit, kẽm sẽ kết tủa dưới dạng Zn₄SO₄(OH)₆·4H₂O, một chất có thể sử dụng trong sản xuất. Các sản phẩm phụ khác như natri sulfat – cũng là muối công nghiệp không độc hại – cũng được thu hồi thay vì trở thành chất thải.

Sau 25 chu kỳ tái sử dụng, các điện cực vẫn giữ được hơn 80% hiệu suất ban đầu – một con số rất tích cực cho ứng dụng lâu dài.

Phát điện trong quá trình xử lý: Biến chi phí thành tài sản

Một điểm sáng khác của công nghệ này chính là khả năng tạo ra điện trong khi xử lý nước. Tùy theo loại kim loại làm điện cực đối diện, pin có thể tạo ra mức điện áp và mật độ năng lượng khác nhau.

Trong đó, điện cực kẽm tạo ra điện áp cao nhất (1,42 V) và đạt mật độ năng lượng lên đến 71,9 Wh/kg CuHCF – một con số đáng chú ý, dù chưa thể so sánh với pin thương mại nhưng vẫn cao hơn năng lượng tiêu thụ bởi các hệ thống xử lý truyền thống (vốn chỉ tiêu thụ điện mà không sinh ra điện).

Trong một thử nghiệm quy mô nhỏ, các nhà nghiên cứu đã kết nối chín pin loại bỏ kim loại để tạo thành một tổ hợp có thể cấp điện cho đèn LED, với điện áp đầu ra lên tới 14 volt. Đồng thời, hệ thống có thể xử lý tới 3,8 lít nước ô nhiễm mỗi giờ, phù hợp cho ứng dụng trong các nhà máy vừa và nhỏ.

Khả năng mở rộng hệ thống theo kiểu dòng chảy liên tục (redox flow configuration) cũng là một hướng đi tiềm năng để phục vụ xử lý quy mô công nghiệp với khối lượng lớn.

Chi phí thấp, giá trị cao

Tính toàn diện và hiệu quả của hệ thống không chỉ dừng lại ở khả năng xử lý và tạo điện. Khi xét đến chi phí tổng thể, công nghệ này cho thấy sự vượt trội. Mức chi phí hiệu quả để loại bỏ kim loại ước tính chỉ 0,024 USD/g, chưa bằng một nửa so với than hoạt tính thương mại.

Việc thu hồi muối có giá trị thay vì tạo ra bùn thải độc hại còn giúp cải thiện đáng kể lợi nhuận và hồ sơ môi trường. Điều này có ý nghĩa đặc biệt trong bối cảnh các doanh nghiệp công nghiệp đang phải đối mặt với áp lực kép: quy định xả thải ngày càng chặt chẽ và chi phí vận hành ngày càng cao.

Định hình tương lai ngành xử lý nước thải

Công nghệ pin lọc nước sinh điện là minh chứng rõ nét cho xu hướng vòng tuần hoàn trong công nghiệp – nơi mà chất thải không còn bị coi là gánh nặng mà trở thành tài nguyên. Hệ thống không chỉ xử lý hiệu quả nhiều kim loại khó phân hủy mà còn biến quá trình xử lý thành một hoạt động tạo ra giá trị, vừa sinh điện, vừa thu hồi vật liệu tái sử dụng, vừa giảm chi phí vận hành.

Về lâu dài, công nghệ này còn mở ra khả năng tùy biến để nhắm mục tiêu đến từng loại kim loại cụ thể, phục vụ cả các ngành khai khoáng, tái chế điện tử, và xử lý nước đô thị. Ngoài ra, việc cải thiện mật độ năng lượng và độ bền điện cực có thể giúp pin trở thành nguồn năng lượng phụ trợ cho các hệ thống xử lý thông minh trong tương lai.

Trong thời đại mà năng lượng và tài nguyên ngày càng khan hiếm, việc tích hợp xử lý môi trường với sản xuất năng lượng là một chiến lược thông minh. Pin loại bỏ kim loại nặng của Đại học Nam Khai không chỉ mang lại giải pháp kỹ thuật hiệu quả, mà còn mở ra tư duy mới trong việc biến thách thức thành cơ hội, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững và hiệu quả hơn cho ngành công nghiệp toàn cầu.

Nguồn: VISTA