Công nghệ nanô lọc asen cho nước uống
1. Bài học về uống nước nhiễm asen ở Bănglađet
Bắt đầu từ những năm 1971 chính phủ Bănglađet với sự giúp đỡ của Unicef đã đưa ra dự án quốc gia đem nước sạch đến cho toàn dân. Đó là vì ở nước này tuyệt đại đa số dân chúng ở nông thôn uống nước sông, nước ao hồ bệnh đau bụng, tiêu chảy rất phổ biến. Giải pháp chủ yếu của dự án là trang bị đến từng hộ gia đình máy bơm tay, hướng dẫn khoan lỗ lấy nước ngầm. Kết quả của dự án là đến đầu những năm 1980 gần 95% người dân Bănglađet có “nước sạch” để dùng nhờ đã lắp đặt khoảng 10 triệu giếng khoan với máy bơm tay.
Nhưng cũng từ năm 1983 người ta phát hiện ra người dân Bănglađet đỡ hẳn bệnh đau bụng đi tả nhưng lại có nhiều người bị bệnh lở loét ở ngoài da và nhiều triệu chứng bệnh lạ khác. Kết quả phân tích y tế với sự giúp đỡ quốc tế cho biết đó là bệnh do nước uống có nhiều asen (As-arsenic – thạch tín). Thống kê cho thấy trên 30% giếng bơm tay mới lắp đặt ở Bănglađet, trong nước bơm lên nhìn bằng mắt thì rất trong nhưng asen trong một lit cao hơn nhiều mức 50 microgam 10%. Trong số 30% giếng nói trên có đến 300 microgam asen trong một lit. Theo tiêu chuẩn của Bănglađet, asen trong nước trên 50 microgam/lít là nguy hiểm không chấp nhận được, còn theo WHO cũng như theo tiêu chuẩn Mỹ trên 10 microgam/lít đã là nguy hiểm, không được dùng để uống.
Tính ra liên tục trong khoảng 10 năm, từ khi có phong trào dùng nước sạch với máy bơm tay, trên một phần tư dân số Bănglađat, cỡ 35 triệu người (dân số Bănglađet trên 140 triệu) đã uống nước với nồng độ asen cao rất nguy hiểm. Không chỉ ở nước uống, phân tích gạo ở những vùng trồng lúa tưới bằng nước giếng bơm cũng chứa đến 50 đến 180 phần tỷ (ppb – part per billion) asen mà chứa 50 ppb asen, tương đương với chứa 50 microgam/lít. Một số loài rau lại chứa asen nhiều đến mức trên 100 phần triệu (ppm). Vấn đề nước uống nhiễm asen ở Bănglađet đã làm thức tỉnh cả thế giới. Chú ý vấn đề này người ta thấy nhiều nước và vùng lãnh thổ như ấn Độ, Nêpan, Trung Quốc, Việt Nam, Achentina, Mêhicô, Chilê, Đài Loan, Mông Cổ, Mỹ… cũng có nhiều vùng nước ngầm chứa asen.
Cơ quan khảo sát địa chất của Anh đã có báo cáo tường trình nguyên nhân, phạm vi phân bố các mạch nước ngầm có asen. Đối với Bănglađet đã có những giải thích khá tường tận:
Bănglađet là vùng đồng bằng nằm giữa sông Hằng và sông Brahmaputra, hai con sông lớn của dãy Himalaya. Vùng đất đó đã hình thành từ 250 triệu năm, có những lớp trầm tích sâu đến 20km. Các mạch nước ngầm chứa nhiều asen ở độ sâu từ 10 đến 70 mét nằm ở phía nam và đông nam. Người ta cũng đưa ra những giả thuyết về nguyên nhân địa chất, địa lý dẫn đến nhiễm asen.
Qua việc nhiễm độc asen người ta rút ra kinh nghiệm đau xót là khi chủ trương phát triển hàng triệu máy bơm tay, không ai chú ý đến phân tích nước bơm tay bơm lên như thế nào, chỉ phấn khởi là thấy nước trong. Khi đã có nhiều người có biểu hiện bệnh lạ, y tế địa phương hoàn toàn không biết đó là những biểu hiện của việc nhiễm độc asen (có vết đen ở ngực, ở lưng và tay, xuất hiện nhiều đốm ở chân, khi còn nhẹ thì ho, khi nặng đau bụng, tiêu chảy, đau gan, thận và ung thư). Cả thế giới giật mình vì sự thiếu hiểu biết.
2. Những vấn đề đặt ra sau cuộc khoảng hoảng asen ở Bănglađet
Để giải quyết cuộc khủng hoảng về asen, năm 1998 Chính phủ Bănglađet đã thành lập cơ quan giảm thiểu asen ở Bănglađet (Bangladesh Arsenic Mitigation); đưa ra dự án cấp nước mới (Water Supply Project), Ngân hàng thế giới cho vay ngay 32,5 triệu đô la để cơ quan và dự án có điều kiện làm việc kịp thời. Tuy nhiên không phải cứ có tiền là giải quyết được vì cơ bản là chưa có phương hướng. Cứ dùng nước ngầm thì chưa lọc được asen, trở lại không dùng nước ngầm nữa mà dùng nước hồ ao cũng không được vì rất nhiều hồ ao đã được chuyển mục đích sử dụng, dùng để nuôi cá nuôi tôm v.v… không còn là ao hồ nước ngọt tự nhiên nữa. Khảo sát cho thấy khoan sâu dưới vài chục mét là tầng nước ngầm cạn, nước có nhiều asen còn khoan thật sâu, trên vài trăm mét là tầng nước ngầm sâu, nước tốt, không nhiễm asen. Nhưng việc khoan quá sâu phải đi đôi với máy bơm nước mạnh, chi phí tốn kém, chỉ thích hợp cho nơi dân cư tập trung, cấp nước cho dân theo kiểu nhà máy nước. Còn đối với vùng nông thôn rộng lớn, phổ biến đến từng hộ gia đình thì hiện thực nhất vẫn tự túc nước theo kiểu giếng bơm tay.
Vì vậy giải pháp vừa trước mắt vừa lâu dài là lọc nước cho sạch hết asen. Một mặt là vận dụng các phương pháp lọc asen kinh điển để làm ra các hệ thống lọc asen thích hợp với điều kiện địa phương, mặt khác chú trọng những phương pháp lọc dễ phổ biến nhanh, thích hợp với từng hộ gia đình.
Theo thống kê của các chuyên gia, cố vấn của UNICEF và WHO đặc trách về vấn đề cung cấp nước uống cho Bănglađet thì đến đầu những năm 2000 đã có các phương pháp lọc nước cho sạch asen như sau:
1. Cho asen kết tụ với muối sắt
2. Cho asen kết tụ với oxyt silic
3. Dùng vôi
4. Dùng các cột trao đổi ion
5. Dùng Al 2O 3hoạt hoá
6. Dùng các màng lọc
7. Dùng Fe-Mn oxy hoá
8. Dùng các môi trường xốp có nhiều lỗ nhỏ có chất hấp thụ asen kiểu như cát trộn oxyt sắt, oxyt kẽm xốp phủ oxyt sắt, cát xanh v.v…
Vì yêu cầu cấp bách, nơi này, nơi khác buộc phải ứng dụng ngay phương pháp này, phương pháp kia để kịp thời có nước sạch uống. Trong lúc đó phải tích cực, tìm phương pháp đáp ứng yêu cầu lọc asen trong nước uống, sạch đến mức cho phép, lọc nhanh, giá rẻ, nhất là dễ phổ biến đến hộ gia đình. Tổ chức khoa học của nhiều nước đã treo những giải thưởng lớn cho giải pháp tốt nhất lọc asen trong nước. Xu hướng mới là hướng về công nghệ nanô.
3. Lọc asen theo công nghệ nanô
Có thể kể một vài ứng dụng của công nghệ nanô để lọc asen cho nước uống được đánh giá cao.
- Tẩm hạt nanô vào hạt nhựa trao đổi ion:
Đây là cách mà giáo sư SenGupta ở đại học Lehigh (Mỹ) đề xướng, nay đã đưa ra thành sản phẩm lọc asen phổ biến.
Trong cách lọc nước bằng các cột trao đổi ion, các hạt nhựa đổ trong ống tác dụng hút rất mạnh các ion kim loại đặt biệt hút rất mạnh các hạt sắt. Các hạt sắt này bám tua tủa ngoài các hạt nhựa ngăn cản việc thu hút asen. Vì hyđroxit sắt có ái lực mạnh đối với asen nên nhóm của SenGupta đưa ra cách làm các hạt hyđroxit sắt thật nhỏ, cỡ nanomet tẩm thấm vào bên ngoài các hạt nhựa trao đổi ion. Các hạt nhựa này có tính hấp thụ lai, bên cạnh việc hấp thụ các ion kim loại, còn hấp thụ mạnh asen nhờ đó nước lọc theo cách này đạt tiêu chuẩn là nồng độ asen rất thấp.
Hệ thống lọc nước của SenGupta đã được phổ biến ở nhiều làng đặc biệt là ở ấn Độ, hiệu quả sử dụng là nước uống chưa lọc có 100 đến 500 phần tỉ (ppb) asen, sau khi lọc chỉ còn dưới 50 ppb asen là mức mà chính phủ ấn Độ cho phép. Mỗi bộ lọc giá khoảng 1200 đến 1500 đô la, chỉ cần bơm tay là hoạt động được, không cần điện.
Nanô composit hấp thụ asen
Đây là thành tựu của phòng thí nghiệm quốc gia Idaho (INL-Idaho National Laboratory). Vật liệu chuyên dùng để lọc asen mới phát minh có tên là N-CAS, viết gọn của cụm từ Nano Composite Arsenic Sorbent nghĩa là nanô composit hấp thụ asen. N-CAS gồm những hạt hyđrô oxit sắt kích cỡ nanomet, từng hạt có lớp vỏ mỏng là polyme. Hyđrô oxit sắt có tính chất hấp thụ mạnh asen, kích cỡ nanomet của các hạt làm cho diện tích mặt ngoài cực lớn, tính ra một gam N-CAS có diện tích trên 300 mét vuông. Vừa hấp thụ mạnh vừa có diện tích lớn nên lọc asen bằng N-CAS rất có hiệu quả.
4. Bước đột phá về ứng dụng công nghệ nanô để lọc asen trong nước
Một bài báo khoa học đăng ở tờ Science số 10/11/2006 nhan đề “Tách các hạt tinh thể nanô Fe 3O 4phân tán ở trong nước bằng từ trường yếu (Low Field Magnetic Separation of Monodisperse Fe 3O 4Nanocrystals) đã làm chấn động những nhà khoa học quan tâm đến vấn đề lọc asen khỏi nước uống. Nhiều tờ báo lớn đưa tin với những cái tít giật gân “Rỉ sắt nanô đẩy sạch asen ra khỏi nước”, “Công nghệ nanô mở ra con đường xanh cho môi trường bền vững”…
Đó là vì nội dung bài báo này cho thấy có một phương pháp lọc asen hiệu suất rất cao, dễ thực hiện, chi phí ít, rất thích hợp để triển khai cho từng hộ gia đình. ý tưởng chính của bài báo như sau: Sắt, các loại oxit sắt có ái lực mạnh đối với asen. Oxit sắt có hai loại: Fe 2O 3không có từ tính và Fe 3O 4có từ tính mạnh. Nhiều người đã nghĩ rằng nếu chế tạo được các hạt Fe 3O 4sao cho thật nhỏ rồi trộn vào trong nước, asen sẽ bám dính vào các hạt Fe 3O 4này. Sau đó dùng từ trường có thể tách các hạt từ Fe 3O 4ra khỏi nước, tức là lọc sạch được asen. Tuy nhiên thực tế ban đầu lọc asen như vậy rất ít hiệu quả, khó thực hiện. Đó là vì muốn lọc có hiệu quả các hạt Fe 2O 3phải thật nhỏ vì cùng một khối lượng, hạt càng nhỏ diện tích mặt ngoài tổng cộng của các hạt càng lớn. Nhưng khi hạt càng nhỏ, chúng dễ bị vón cục lại mà vón cục lại tức là giảm rất đáng kể diện tích bề mặt tổng cộng. Mặt khác, không giống như điện trường tác dụng lên hạt mang điện, lực do từ trường tác dụng lên hạt từ còn phụ thuộc vào kích thước hạt từ. Cùng một từ trường ngoài, hạt từ càng nhỏ, lực từ tác dụng lên hạt càng yếu. Vì vậy theo lập luận thông thường thì tác dụng lực từ để đẩy hoặc kéo hạt từ về một phía rồi từ đó tách hạt từ ra thì hạt càng nhỏ, từ trường ngoài càng cần phải lớn. Tính toán sơ bộ, khi hạt từ nhỏ hơn micromet, từ trường ngoài phải vào cỡ vài tesla mới kéo được hạt từ về một phía để tách ra. Đó là từ trường rất mạnh rất khó tạo ra nhất là trong phạm vi to như bình lọc nước (ở máy chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân MRI, để có từ trường mạnh cỡ 1,5 tesla trong một thể tích to bằng đầu người phải dùng đến cuộn dây siêu dẫn cho dòng điện hàng ngàn ampe đi qua mà không nóng). Phát hiện quan trọng công bố ở bái báo đăng ở tờ Science nói trên là khi kích thước hạt từ Fe 3O 4giảm xuống đến cỡ 20 nanomet thì lực từ ngoài rất yếu, thí dụ lực từ do thanh nam châm cầm tay tạo ra cũng đủ sức để kéo, tách các hạt từ trong nước dồn sang một bên. Nguyên nhân là khi các hạt từ có kích thước giảm đến cỡ nanomet thì khi có từ trường ngoài, bên cạnh lực từ do từ trường ngoài tác dụng lên hạt, còn có thêm lực hút lẫn nhau giữa các hạt từ. Lực này rất yếu nên bước đầu chỉ những hạt từ nanô cận kề nhau mới đủ sức hút nhau để tạo thành cụm nhỏ có vài ba hạt nanô. Nhưng khi hợp thành hạt to hơn, lực hút giữa các hạt lại mạnh hơn, nhanh chóng kéo các hạt gần đó làm thành hạt to hơn nữa. Kết quả là tuy từ trường yếu ban đầu chỉ làm cho các hạt nanô gần nhau co cụm lại thành những hạt to, to dần và cuối cùng thì từ trường yếu cũng đủ để tách những hạt to ra dồn về một phía để lấy riêng ra được.
Phát hiện quan trọng này dẫn đến một phương pháp lọc asen có hiệu quả, dễ thực hiện dễ phổ biến vì:
- Vật liệu chủ yếu là bột từ nanô Fe 3O 4tương đối dễ chế tạo và giá rẻ. Vật liệu xuất phát là oxit sắt, gọi nôm na là rỉ sắt rất dễ kiếm. Từ rỉ sắt có thể trộn với đầu thực vật (dầu ôliu) và đun nóng đến 350 0C để lấy ra hạt nanô Fe 3O 4bên ngoài có các phân tử chất béo bám vào chống co cụm khi trộn vào nước.
- Khi đã có bột từ nanô, có thể cho vào nước cần lọc asen, bột từ sẽ phân tán đều và hút dính các hạt asen vào hạt bột từ.
- Chỉ cần từ trường nhỏ, kiểu như từ trường của nam chậm vĩnh cửu cầm tay là có thể làm cho các hạt từ co cụm lại để dễ tách riêng ra tức là lọc được asen khỏi nước.
Theo những nguyên tắc trên các hộ gia đình có thể tự túc lọc asen cho chính mình có nước sạch sử dụng. Cũng theo những nguyên tắc trên, có thể tổ chức các doanh nghiệp chế tạo bột từ nanô giá rẻ và các loại máy lọc đơn giản ứng dụng công nghệ nanô để lọc nước sạch dễ phổ biến.
Vấn đề nước uống có thể nhiễm asen không phải là không gay gắt đối với Việt Nam . Nhìn đại cục thì các vùng nước ngầm quá nhiều asen ở ấn Độ và Bănglađet về mặt địa chất rất liên quan đến những lắng đọng phun trào khi hình thành dãy Himalaya. Những dãy núi cao ở miền Bắc Việt Nam là sự kéo dài của dãy Himalaya về phía biển do đó nước ngầm vùng này, vùng nọ ở miền Bắc có nồng độ asen cao là điều đã được đo đạc, xác minh. ở miền Nam, theo một số tài liệu đã công bố thì vùng đồng bằng sông Cửu Long thuở xa xưa đã được con sông này tải nhiều loại đất cát đá quặng từ đầu nguồn là vùng núi cao ở tỉnh Vân Nam . Những lắng đọng từ thời xa xưa đó ở sâu dưới mặt đất, rất có thể có nhiều nơi tiếp xúc với mạch nước ngầm. Vì vậy một số vùng nào đấy ở miền Nam , nước uống có khả năng nhiễm asen là điều phải nghĩ đến.
Một mặt là phải tổ chức điều tra kỹ hơn, chính xác hơn vấn đề nồng độ asen trong nước uống ở các vùng (đo đến ppm là rất khó), một mặt cần tổ chức triển khai việc lọc asen cho những vùng đã biết là nước uống có nhiễm asen. Trong nhiệm vụ thứ hai này, học hỏi những tiến bộ mới kiểu như phổ biến ở tờ Science số 10/11/2006 là rất nên chú ý.
