Graphene – giải pháp mới cho vấn đề nước sạch  


Khi dân số thế giới ngày một tăng lên, cũng như việc khí hậu thay đổi dẫn đến hạn hán thường xuyên, việc cung cấp nguồn nước sạch phục vụ sản xuất và sinh hoạt của mọi người trở thành một vấn đề cấp thiết ở nhiều quốc gia. Trước tình hình đó, chính quyền các nước đã tập trung đẩy mạnh việc nghiên cứu và khai thác từ nguồn tài nguyên gần như vô tận của trái đất, đại dương. Tuy nhiên, hiện nay công nghệ lọc muối từ nước biển vẫn còn gặp phải nhiều trở ngại do chi phí sản xuất cao, quy trình họat động phức tạp để có thể đưa lên sản xuất ở quy mô công nghiệp và phổ biến rộng rãi.

Gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã tìm ra một giải pháp đầy hứa hẹn cho vấn đề này bằng cách thay đổi loại vật liệu polyamide thông thường làm nên màng lọc bằng graphene. Graphene là một dạng thù hình 2 chiều của carbon với bề dày chỉ vào khoảng kích thước của một phân tử. Loại vật liệu này được cho rằng là sẽ gia tăng được hiệu suất lọc muối so với các loại màng lọc đang được sử dụng trên thị trường, đồng thời mang lại hiệu quả về mặt năng lượng, yếu tố quyết định chính lên giá thành của sản phẩm.

Graphene đã được phát hiện và nghiên cứu lần đầu từ năm 1947 nhưng chỉ đến năm 2004, khi hai nhà khoa học người Nga là Andre Geim và Konstantin Novoselov tại trường đại học Manchester của Anh tìm ra được một cách đơn giản để có thể thu được graphene thì nó mới được nhiều người biết đến. Graphene sở hữu rất nhiều ưu điểm vượt trội như là bề dày siêu mỏng, độ bền cơ học cao, khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện tốt,… dẫn đến việc số lượng các nghiên cứu về ứng dụng của graphene tăng vọt chỉ trong vài năm [1]. Trong ngành công nghệ lọc nước, nếu được tổng hợp và ứng dụng thành công, loại màng này có thể tiết kiệm được đến 15% năng lượng đối với nước mặn và 50% đối với nước lợ nhờ vào việc cắt giảm hoạt động của các máy bơm nước qua màng, vốn chiếm đến một nửa chi phí hoạt động của nhà máy. Ngoài ra, do được cấu tạo hoàn toàn từ carbon, một nguyên tố khá trơ đối với hầu hết các chất hóa học, hiện tượng tắc nghẽn sinh học do sự phát triển của vi sinh vật cũng như việc làm sạch định kỳ bằng chlorine cũng sẽ không làm suy giảm chất lượng và độ bền của màng.

Hình 1: Mô phỏng quá trình lọc nước qua màng graphene. Nếu kích thước các lỗ trong màng ở vào khoảng 0.8 nanometer, các phân tử nước (màu trắng đỏ) sẽ qua được màng còn các ion muối (màu vàng) sẽ bị giữ lại.

Ở các phòng thí nghiệm, graphene thường được tách ra từ đá graphite bằng phương pháp tách lớp cơ học với băng keo Scotch. Phương pháp này tuy đơn giản nhưng lại khó có thể kiểm soát chất lượng của màng và phát triển lên quy mô công nghiệp. Trước tình hình đó, nhóm nghiên cứu tại đại học MIT và đại học Michigan ở Mỹ đã áp dụng các phương pháp nhiệt học và hóa học thay cho cơ học để có thể tạo ra được màng graphene ở kích thước lớn hơn thông quá quá trình lắng đọng pha hơi - Chemical Vapour Deposition.

Quá trình lắng đọng phá hơi là sự kết hợp giữa các phân tử khí có chứa carbon (methane) trong một thiết bị phản ứng và chất nền (thường là các kim loại chuyển tiếp như niken, đồng hoặc vật liệu ceramic như thủy tinh). Khi chất khí tiếp xúc với chất nền được đun nóng, phản ứng sẽ xảy ra tạo thành một lớp màng vật liệu lên bề mặt chất nền. Nhiệt độ của chất nền là yếu tố chính quyết định quá trình của phản ứng, do đó cần phải kiểm soát nhiệt độ thật hiệu quả để phản ứng có thể xảy ra đều trên bề mặt, tránh tạo thành các khối carbon [2].

Hình 2: Hệ thống lắng đọng pha hơi hóa học được phát triển tại đai học MIT và đại học Michigan. Khí methane sẽ được thổi qua buồng chân không tiếp xúc với các dải đồng được cuốn đi liên tục bên trong hệ thống.

Phương pháp này đã cho ra các tấm graphene có kích thước lớn với chất lượng cao, cũng như quy trình sản xuất ít tốn kém, hiệu suất cao và độ lặp lại tốt, tạo tiền đề để phát triển lên quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, đồng không phải là một loại vật liệu xốp, không thể được sử dụng trong màng lọc nên đòi hỏi phải có quá trình chuyển màng graphene sang một bề mặt khác. Đó là thách thức hiện nay đối với các nhà khoa học bởi vì qúa trình này có thể làm màng bị rách hoặc lủng, ảnh hưởng đến chất lượng của màng. Ngoài ra, do quá trình sản xuất sử dụng nhiều loại hóa chất, màng tạo ra cũng mang nhiều nguy cơ bị các khuyết tật bên trong cấu trúc nếu không kiểm soát được độ tinh khiết của nguyên liệu.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu của giáo sư Rohit Karnik tại đại học MIT đã áp dụng thành công một quy trình gồm 2 bước để lần lượt xử lý các khuyết tật bên trong và và các vết rách/lủng trên màng. Đầu tiên, màng sẽ được đưa vào một buồng chân không cho tiếp xúc với các chất hóa học có chứa hafnium. Do graphene có năng lượng bề mặt cao, các nguyên tử hafnium sẽ tự động đi vào các lỗ trống bên trong cấu trúc của graphene và lắp đầy các khuyết tật này. Phương pháp này được gọi là phương pháp lắng đọng lớp nguyên tử (atomic layer deposition), và sẽ được lặp lại nhiều lần cho đến khi đạt yêu cầu. Tuy nhiên, đối với các khuyết tật lớn hơn ở khoảng vài trăm nanometer, quá trình này sẽ tốn rất nhiều thời gian và năng lượng. Do đó, sau quá trình trên, màng graphene sẽ được chuyển qua một bể phản ứng chứa 2 dung dịch khác nhau là nước và một dung môi hữu cơ không tan trong nước, trong mỗi dung dịch là các chất hóa học thành phần của nylon. Khi đặt tấm màng graphene vào giữa bề mặt tiếp xúc của hai dung dịch, các hóa chất sẽ tiếp xúc với nhau qua các lỗ khuyết tật của màng và thực hiện quá trình polymer hóa, giúp bịt kín các lỗ trống này [3].

Hình 3: Mô phỏng quá trình 2 bước xử lý khuyết tật của màng graphene. Đầu tiên, màng graphene được tạo ra trên chất nền là đồng trong quá trình xuất hiện các khuyết tật nhỏ trong cấu trúc của màng (góc trái ở trên),. Sau khi chuyển qua một bề mặt khác, màng có thể bị rách hoặc lủng (góc phải ở trên). Để giải quyết vấn đề này, phương pháp lắng đọng lớp phân tử (góc trái ở dưới) được áp dụng để xử lý các khuyết tật nhỏ bằng hafnium (màu xám) và sau đó xử lý các khuyết tật lớn hơn bằng nylon (màu đỏ) thông qua quá trình polymer hóa (góc phải ở dưới).

Dù các kĩ thuật trên vẫn cần phải được nghiên cứu và hoàn thiện để có thể áp dụng rộng rãi, các kiểm tra ban đầu đã cho thấy khả năng lọc nước tốt hơn hẳn so với các màng thương mại hiện nay. Phương pháp này được coi là bước đột phá mới trong việc đưa màng graphene vào ứng dụng ở quy mô công nghiệp vì bây giờ các nhà sản xuất có thể tập trung tạo ra màng kích thước lớn mà không cần phải lo về chất lượng khi đã có các biện pháp để cải thiện các khuyết tật trên bề mặt của màng.

Tác giả: Nguyễn Đăng Hải, Đại học Bách Khoa TP.HCM

Tài liệu tham khảo:

1.         Geim, A.K., Graphene: status and prospects. science, 2009. 324(5934): p. 1530-1534.

2.         Polsen, E.S., et al., High-speed roll-to-roll manufacturing of graphene using a concentric tube CVD reactor. Scientific reports, 2015. 5.

3.         O’Hern, S.C., et al., Nanofiltration across defect-sealed nanoporous monolayer graphene. Nano letters, 2015. 15(5): p. 3254-3260.