Công nghệ nano trong xử lý môi trường

Công nghệ vật liệu nano có khả năng làm sạch môi trường với diện tích bề mặt thể tích cao với đặc tính lý hóa với chức năng linh hoạt, khả năng phản ứng hoặc tính chọn lọc nâng cao. Điều này tiết kiệm nguyên liệu thô, năng lượng, nước, giảm khí nhà kính, chất thải nguy hiểm trong nhiều quy trình khác nhau.

Sản xuất nước sạch

Gia tăng dân số, biến đổi khí hậu toàn cầu và ô nhiễm nguồn nước là những thách thức cao nhất làm gia tăng những khó khăn mà các hệ thống cấp nước phải đối mặt. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, tình trạng khan hiếm nước càng trở nên trầm trọng hơn do các hoạt động của con người có vai trò lớn nhất trong việc gây ô nhiễm nguồn nước tự nhiên bằng cách giải phóng năng lượng, hóa chất và các chất ô nhiễm khác làm suy giảm chất lượng nước cho những người sử dụng khác. 

Xử lý nước thải liên quan đến công nghệ lý hóa sinh và dẫn đến các giai đoạn xử lý sơ bộ, sơ cấp, thứ cấp và xử lý nâng cao bậc ba. Một số công nghệ thường dùng là đông tụ tạo bông, lắng cặn, tuyển nổi không khí hòa tan, trao đổi ion, khử ion, thẩm thấu ngược và khử trùng. Một số vật liệu thường dùng như chất đông tụ, than hoạt tính, polyme nhưng nhiều quy trình xử lý thông thường lại tốn kém hoặc phát sinh chất thải thứ cấp ô nhiễm.

Giải pháp công nghệ nano đóng góp to lớn vào chất lượng, tính sẵn có và khả năng tồn tại của nước. Kỹ thuật này mang lại thế hệ nano mới cho phép phân tách lọc nước và khử muối tốt hơn để loại bỏ, giảm và trung hòa chất gây ô nhiễm trong nước. Hoặc dùng kỹ thuật như zeolite, ống nano cacbon, màng sinh học và hạt nano đơn enzym.

Các cảm biến mới và nâng cao khả năng phát hiện ô nhiễm hóa học và sinh học ở nồng độ thấp. Vật liệu nano sử dụng phân tích quang điện, tích hợp phản ứng ánh sáng và cảm biến hóa học để theo dõi phản ứng sinh hóa.

Giải pháp này còn cung cấp chức năng diệt khuẩn thay thế clo, chất xúc tác trong khử trùng bằng xúc tác quang. Các ứng dụng làm sạch nước bao gồm việc dùng nano sắt loại bỏ dung môi hữu cơ trong nước ngầm. Các hạt nano phân tán trong nước, phân hủy dung môi mà không cần bơm nước giúp phương pháp này trở nên hiệu quả và ít tốn kém hơn.

Công nghệ nano cũng loại bỏ chất thải phóng xạ, sợi nano titan đóng vai trò như chất hấp thụ tốt loại bỏ ion phóng xạ ra khỏi nước. Vật liệu nano liên kết với màng trở thành phương pháp hiệu quả trong xử lý nước thải. Điều này cải thiện tính thấm của màng, khả năng chống bốc mùi, độ bền cơ học, nhiệt độ với sự cải tiến về sự phân hủy chất ô nhiễm.

Vật liệu nano như nanocomposite, ống nano, kim loại dựa trên oxit của chúng sử dụng để loại bỏ chất thải ra khỏi nước. Các giải pháp xử lý nước gồm phân hủy quang xúc quang, hấp phụ, lọc qua hạt nano xử lý thành phần ô nhiễm khác nhau.

Làm sạch không khí

Cacbon dioxide là mối đe dọa lớn nhất đối với môi trường. Trong các lĩnh vực công nghiệp, nhu cầu nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng dẫn đến việc làm phát sinh lượng lớn khí nhà kính gây ô nhiễm, dẫn đến hiện tượng biến đổi khí hậu.

Sử dụng năng lượng tái tạo làm giảm lượng CO2 thải vào không khí. Tuy nhiên lọc khí CO2 từ khí thải phải thu giữ nếu không có giải pháp thay thế đốt nhiên liệu hóa thạch. Các phương pháp hiện tại tách CO2 ra khỏi khí thải thường rất tốn kém, sử dụng hóa chất cho các ứng dụng quy mô lớn. Màng nano hoạt động với chi phí thấp và không dùng hóa chất bổ sung.

Màng polyme siêu mỏng kích thước nano lọc sạch khí CO2, độ thấm cao với vài chục nanomet. Vật liệu này có thể được sử dụng xử lý dòng khí lớn bằng áp suất thấp như thu giữ CO2 từ khí thải trong các nhà máy nhiệt điện. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOC là mối nguy hiểm đối với chất lượng không khí góp phần tạo ra bụi, nồng độ ozone cao.

Các nhà nghiên cứu dùng oxit mangan loại bỏ VOC, lưu huỳnh và oxit nito ra khỏi không khí ở nhiệt độ môi trường xung quanh. Hạt nano được dùng làm chất xúc tác để phân hủy và loại bỏ các hợp chất ô nhiễm. Vật liệu nano loại bỏ SO2 thải ra môi trường bằng cách khử lưu huỳnh trong nhiên liệu hóa thạch hoặc bằng cách loại bỏ trực tiếp ra khỏi nguồn phát thải bằng nhiều công nghệ khác như hấp phụ, oxy hóa.

Loại bỏ SO2 đôi khi dẫn đến một số thay đổi về hình thái hoặc đặc tính của vật liệu được sử dụng. Ví dụ, trong quá trình ứng dụng than hoạt tính với các hạt nano sắt lắng đọng làm chất hấp phụ, sự hình thành các nhóm axit yếu trên bề mặt chất hấp phụ có liên quan đến quá trình hấp phụ SO2 làm tăng độ axit bề mặt.

Công nghệ nano cũng có thể được sử dụng tạo ra năng lượng xanh cho tăng trưởng công nghiệp bền vững và sản xuất thân thiện với môi trường. Một hệ thống xử lý môi trường hiệu quả, linh hoạt và đa chức năng cung cấp quy trình hứa hẹn mang lại hiệu suất cao, không tốn kém, ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng.