Các phương pháp phân tách chất gây ô nhiễm trong nước hiện tại có xu hướng sử dụng nhiều năng lượng và các chất hóa học. Giờ đây, một phương pháp mới được phát triển tại MIT có thể xem như giải pháp thay thế để loại bỏ các hợp chất không mong muốn trong nước ngay cả khi nồng độ của chúng ở mức rất thấp.
Cách tiếp cận mới được mô tả trong bài báo của nghiên cứu sinh Xiao Su, Ralph Landau, Giáo sư Hóa học T. Alan Hatton, và năm người khác tại MIT và tại Đại học Kỹ thuật trên tạp chí Năng lượng và Khoa học Môi trường.
Hệ thống sử dụng một phương pháp mới, dựa vào một quá trình điện hóa để loại bỏ một cách có chọn lọc các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc trừ sâu, các chất thải hóa học, và dược phẩm. Cách tiếp cận này cũng giải quyết những hạn chế chủ yếu của các phương pháp tách điện hóa thông thường, chẳng hạn như dao động axit và tổn thất về hiệu năng có thể xảy ra do phản ứng phản ứng bề mặt.
Theo Su, các hệ thống hiện tại để xử lý các chất gây ô nhiễm hòa tan như lọc màng, tốn kém và có hiệu quả hạn chế khi các chất nồng độ thấp, phương pháp điện phân và deion hóa điện dung, thường đòi hỏi điện áp cao có xu hướng tạo phản ứng phụ. Các quá trình này cũng bị cản trở bởi các muối dư thừa.
Trong hệ thống mới, dòng nước chảy giữa các bề mặt được xử lý hóa học cũng là các điện cực dương và âm. Các bề mặt điện cực này được phủ bằng vật liệu Faradaic, có thể trải qua các phản ứng để tích điện dương hoặc âm. Những nhóm vật liệu hoạt tính này có thể được điều chỉnh để gắn kết mạnh mẽ với một loại phân tử gây ô nhiễm cụ thể. Ví dụ, nhóm nghiên cứu đã chứng minh sử dụng ibuprofen có hiệu quả phân tách các loại thuốc trừ sâu khác nhau. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng quá trình này có thể loại bỏ những phân tử như vậy thậm chí ở nồng độ một phần triệu.
Các nghiên cứu trước đây thường tập trung vào các điện cực dẫn điện, hoặc các thanh đặt chỉ trên một điện cực, nhưng thường khi đạt đến điện áp cao, quá trình này tạo ra các hợp chất gây ô nhiễm. Bằng cách sử dụng điện cực chức năng thích hợp trên cả cực âm và cực dương, các nhà nghiên cứu gần như hoàn toàn loại bỏ các phản ứng phụ. Ngoài ra, các hệ thống này cho phép loại bỏ đồng thời cả hai ion dương tính và âm trong cùng một thời điểm, như nhóm nghiên cứu đã chứng minh với các chất diệt cỏ paraquat và quinchlorac.
Quy trình chọn lọc tương tự cũng có thể được áp dụng cho việc thu hồi các hợp chất có giá trị cao trong một nhà máy sản xuất hoá chất hoặc dược phẩm, nơi mà chúng có thể bị lãng phí.
Hệ thống này vốn có tính chọn lọc cao, nhưng thực tế nó có thể được thiết kế với nhiều giai đoạn để áp dụng với nhiều hợp chất theo thứ tự, tùy thuộc vào thực tế ứng dụng, Su nhấn mạnh, “đối với các hệ thống lọc nước cho các vùng sâu vùng xa ở các nước đang phát triển, nơi phải đối mặt với sự ô nhiễm nguồn nước từ thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm và các hóa chất khác. Hệ thống vận hành bằng điện có hiệu quả cao và hoàn toàn có thể vận hành bằng năng lượng từ các tấm pin mặt trời ở khu vực nông thôn”.
Không giống các hệ thống dựa trên cơ chế màng lọc, đòi hỏi áp suất cao, và các hệ thống điện hóa khác hoạt động ở điện áp cao, hệ thống mới hoạt động ở mức điện áp và áp suất thấp, Hatton nói. Và, ông chỉ ra, ngược lại với các hệ thống trao đổi ion thông thường, trong đó việc giải phóng các hợp chất và tái tạo các chất hấp phụ sẽ đòi hỏi phải bổ sung thêm hóa chất. Với phương pháp mới, bạn chỉ cần bật một công tắc”
Nhóm nghiên cứu đã nhận được nhiều giải thưởng cho công nghệ xử lý nước mới này, bao gồm các khoản tài trợ từ các giải pháp của J-WAFS và các cuộc thi Catalyst năng lượng sạch Massachusetts. Nghiên cứu cũng chiến thắng ở vị trí dẫn đầu của giải MIT Water Innovation Prize năm ngoái.
