LỌC CHÌ TRONG NƯỚC BẰNG BÃ MEN BIA

Các nhà nghiên cứu từ MIT và Georgia Tech đã làm ra một bộ lọc từ men bia bọc trong hydrogel để nhanh chóng hấp thụ chì khi nước chảy qua.

Bã men bia và kim loại chì

Ở nhiều quốc gia trên thế giới, bia là một thức uống được ưa thích và sản xuất rộng rãi. Mỗi năm, các nhà máy bia sản xuất và loại bỏ hàng nghìn tấn men dư thừa. Bã men bia có giá trị kinh tế thấp, dễ gây ô nhiễm môi trường như hiện tượng phú dưỡng: ao hồ bị ô nhiễm do dư thừa các chất dinh dưỡng, khiến rêu, tảo phát triển mạnh, dẫn tới cá chết nổi trên mặt nước. Làm sao để xử lý bã men bia là bài toán gây đau đầu. Thế nhưng, với các nhà khoa học tại Đại học MIT và Georgia Tech, đây lại là nguồn nguyên liệu dồi dào để tạo ra bộ lọc hấp thụ chì từ nước bị ô nhiễm.

Chì là một chất độc thần kinh mạnh, tiếp xúc với chì có thể gây tổn thương não. Ngoài ra, nó cũng gây tổn thương các mô mềm và cơ quan khác, có thể cản trở quá trình hình thành máu, tiếp xúc với lượng chì nhất định có thể gây tử vong. Cả trẻ em lẫn người lớn đều dễ bị ảnh hưởng sức khỏe nếu nhiễm chì. Ước tính, nhiễm độc chì gây ra cái chết cho gần một triệu người mỗi năm (IHME, 2020) và 30% gánh nặng toàn cầu về khuyết tật phát triển trí tuệ không rõ nguyên nhân (WHO, 2019). Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã xác định chì là một trong 10 hóa chất gây quan ngại lớn đối với sức khỏe cộng đồng, đòi hỏi các Quốc gia Thành viên phải có hành động.

Nguồn gốc gây nhiễm chì trong nước chủ yếu là do rò rỉ từ vật liệu chứa chì trong hệ thống nước, bao gồm hệ thống ống nước trong các tòa nhà (như nhà ở, trường học...) và các bộ phận của máy bơm tay. Những vật liệu này có thể được làm bằng chì, hợp kim kim loại có chứa chì hoặc polyvinyl clorua (PVC), polyvinyl clorua không dẻo (uPVC) với chất ổn định chì.

Giải pháp hữu ích nhất dĩ nhiên là phòng bệnh hơn chữa bệnh: sử dụng và thay thế vật liệu trong hệ thống nước như đường ống, mối nối, vòi... Thế nhưng, chi phí để thực hiện điều này rất tốn kém, và không thể thực hiện trong một sớm một chiều. Ngoài ra, có nhiều trường hợp tự trong nước đã có chì do nhiễm từ nền đá cứng hoặc ô nhiễm từ hoạt động khai khoáng, chì có thể tích tụ dưới dạng cặn trên các bộ phận mạ kẽm hoặc gang rồi nhiễm vào nước... Chính vì những yếu tố trên, bộ lọc mới từ bã men bia có ứng dụng hết sức quan trọng.

Viên nang chứa bã men

Khởi nguồn cho sản phẩm thú vị này tới từ nghiên cứu năm 2021 của Patricia Stathatou và Christos Athanasiou, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Georgia Tech. Vào thời điểm ấy, Athanasiou là học giả thỉnh giảng tại Trung tâm Bit và Nguyên tử của MIT. Họ đã cùng nhau tính toán được rằng lượng bã men bia thải ra từ một nhà máy bia ở Boston sẽ đủ để xử lý toàn bộ nguồn cung cấp nước của thành phố.

Thông qua quá trình hấp thụ sinh học, tế bào nấm men có thể liên kết và nhanh chóng hấp thụ ion kim loại nặng, ngay cả nồng độ ban đầu là dưới 1 phần triệu. Nhóm MIT phát hiện quá trình này có thể khử nhiễm nước một cách hiệu quả với nồng độ chì thấp. Tuy nhiên, một trở ngại khi áp dụng là làm sao loại bỏ được men ra khỏi nước sau khi nó đã hấp thụ chì.

Trùng hợp làm sao, tại Hội nghị thường niên AIChE ở Boston, họ đã gặp được Devashish Gokhale – sinh viên thuộc phòng thí nghiệm của giáo sư kỹ thuật hóa học Patrick Doyle – lên trình bày nghiên cứu về sử dụng hydrogel để thu giữ các chất ô nhiễm vi mô trong nước. Nhận thấy tiềm năng hợp tác, cả hai nhóm quyết định bắt tay với nhau và cùng khám phá xem liệu chiến lược dùng nấm men có thể dễ dàng mở rộng quy mô hơn không khi bao nấm men trong hydrogel mà Gokhale và Doyle phát triển.

Gokhale nói: “Chúng tôi quyết định tạo ra những viên nang rỗng – giống như viên vitamin tổng hợp vậy. Nhưng thay vì lấp đầy khoang bằng vitamin, chúng tôi cho vào đó các tế bào nấm men. Những viên nang này đủ xốp để nước thấm qua, và men có thể ‘tóm được’ chì trong nước, nhưng lại không thể thoát ra ngoài nước”.

Viên nang hydrogel chứa men có thể dùng để lọc chì trong nước.

Viên nang được làm từ polymer gọi là polyethylene glycol (PEG), được ứng dụng phổ biến trong y tế. Để tạo thành viên nang, các nhà nghiên cứu hòa tan men đông khô vào nước, rồi trộn chúng với các tiểu đơn vị polymer. Khi chiếu tia UV vào hỗn hợp, các polymer liên kết với nhau để tạo thành viên nang với men bia nằm bên trong. Mỗi viên nang có đường kính khoảng nửa milimet. Vì hydrogel rất mỏng và xốp, nên nước có thể dễ dàng đi qua và tiếp xúc với men bên trong, trong khi men bị giữ lại. Khi thử nghiệm, các nhà nghiên cứu thấy rằng men bia bọc nang có thể loại bỏ chì trong nước nhanh chóng như men bia không bọc trong nghiên cứu ban đầu của Stathatou và Athanasiou vào năm 2021.

Mở rộng quy mô

Sau khi xác định tính hiệu quả của men bia được bọc, các nhà nghiên cứu tiếp tục kiểm tra độ ổn định cơ học của viên nang hydrogel. Kết quả là viên nang và men bên trong đều có thể chịu được những lực tương tự như lực sinh ra khi nước chảy từ vòi. Họ cũng tính xem các viên nang chứa đầy men có chịu được lực tạo ra từ dòng chảy trong các nhà máy xử lý nước phục vụ hàng trăm hộ dân hay không.

Athanasiou giải thích: “Thiếu độ bền cơ học là nguyên nhân phổ biến dẫn tới thất bại của các nỗ lực tăng quy mô hấp thụ sinh học dùng tế bào cố định trước đây. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi muốn đảm bảo khía cạnh này được giải quyết triệt để ngay từ đầu để đảm bảo khả năng mở rộng”.

Sau khi hoàn thành đánh giá, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một bộ lọc sinh học dưới dạng ống phức hợp, có thể xử lý nước nhiễm chì và đáp ứng các hướng dẫn về nước uống của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ trong khi hoạt động liên tục 12 ngày. Quá trình này sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các quá trình hóa lý hiện có để loại bỏ các hợp chất vô cơ khỏi nước, chẳng hạn như dùng kết tủa và màng lọc.

Phương pháp này bắt nguồn từ nguyên tắc kinh tế tuần hoàn, có thể giảm thiểu chất thải và tác động môi trường, đồng thời thúc đẩy cơ hội kinh tế trong cộng đồng địa phương. Phương pháp này có thể tạo nên tác động lớn ở những khu vực người dân thu nhập thấp từng đối mặt với ô nhiễm môi trường, không dễ dàng tiếp cận nước sạch và không đủ tài lực để tìm cách khắc phục khác. Các tác giả hình dung quy trình này sẽ được sử dụng để lọc nước uống từ vòi trong nhà, hoặc mở rộng quy mô để xử lý lượng nước khổng lồ tại các nhà máy.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang tìm cách tái chế và thay thế bã men khi chúng đã lọc nước, và cố gắng tính toán tần suất của việc này. Họ cũng hy vọng tìm hiểu xem liệu có thể dùng nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh khối để làm hydrogel, thay cho polymer có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch hay không, và liệu có thể dùng bã men để “tóm” các loại chất ô nhiễm khác (như PFAS hoặc thậm chí là vi nhựa) hay không.