Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice, hợp tác với Đại học Công nghệ Quảng Đông, đã phát triển một phương pháp đột phá để xử lý nước thải hữu cơ có độ mặn cao bằng cách ứng dụng công nghệ lọc máu (dialysis) trong y học.

Trong lọc máu y tế, một thiết bị gọi là máy lọc máu (dialyzer) lọc các chất thải và chất lỏng dư thừa khỏi máu của bệnh nhân suy thận. Máu được lấy ra khỏi cơ thể, lọc sạch trong máy lọc máu, sau đó được đưa trở lại cơ thể qua một kim hoặc ống riêng biệt.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Water, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng một quy trình tương tự có thể hiệu quả trong việc tách muối khỏi các hợp chất hữu cơ trong nước thải với mức pha loãng tối thiểu (minimal dilution). Cách tiếp cận này vượt qua các hạn chế lớn của các phương pháp xử lý truyền thống và mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm tác động môi trường, hạ thấp chi phí vận hành, và khả năng thu hồi tài nguyên giá trị trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

“Phương pháp lọc này đã chứng tỏ hiệu quả đáng kinh ngạc trong việc tách muối khỏi chất hữu cơ trong các thử nghiệm của chúng tôi,” Menachem Elimelech, một tác giả chính của nghiên cứu và Giáo sư Kỹ thuật Môi trường, Hóa học và Công nghệ Sinh học tại Đại học Rice, cho biết. “Đây là một phát hiện thú vị với tiềm năng định nghĩa lại cách chúng ta xử lý một số thách thức nước thải khó khăn nhất (intractable wastewater challenges).”

Thách thức với các phương pháp xử lý nước thải truyền thống

Nhiều ngành công nghiệp tạo ra nước thải hữu cơ có độ mặn cao, bao gồm hóa dầu, dược phẩm, và dệt may. Do hàm lượng muối và chất hữu cơ cao kết hợp, các dòng nước thải này gây ra những thách thức lớn cho các quy trình xử lý hiện có. Phương pháp xử lý sinh học và quá trình oxy hóa nâng cao thường bị giảm hiệu quả do nồng độ muối cao.

Các phương pháp nhiệt, mặc dù khả thi về mặt kỹ thuật, lại tiêu tốn nhiều năng lượng và dễ bị ăn mòn, tắc nghẽn, và các vấn đề vận hành, làm tăng chi phí và phức tạp hóa việc bảo trì. Trong khi đó, các quy trình màng lọc áp lực như siêu lọc thường gặp vấn đề nghiêm trọng về tắc màng, dẫn đến việc phải pha loãng nước thải nhiều lần, làm tăng tiêu thụ nước và phức tạp hóa vận hành.

“Các phương pháp truyền thống thường tiêu tốn nhiều năng lượng và yêu cầu pha loãng lặp đi lặp lại,” Yuanmiaoliang Selina Chen, đồng tác giả và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Elimelech tại Đại học Rice, cho biết. “Phương pháp kiểu lọc máu loại bỏ nhiều điểm bất cập này, giảm tiêu thụ nước và chi phí vận hành.”

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm kiểu lọc máu ở quy mô phòng thí nghiệm (bench-scale) và mô hình hóa quá trình vận chuyển để đánh giá hiệu suất trong việc tách muối và các hợp chất hữu cơ. Họ chọn các màng siêu lọc thương mại khác nhau để nghiên cứu sự vận chuyển muối và loại bỏ chất hữu cơ. Sau đó, họ thiết lập chế độ dòng chảy ngược hai chiều (countercurrent flow mode) trong hệ thống lọc, trong đó dòng nước thải hữu cơ có độ mặn cao chảy qua một bên màng, trong khi dòng nước ngọt chảy qua bên kia mà không cần áp dụng áp suất thủy lực.

Phương pháp này không chỉ hiệu quả trong việc giảm độ mặn mà còn giữ lại hầu hết các hợp chất hữu cơ trong dung dịch ban đầu. So với siêu lọc sử dụng cùng loại màng, phương pháp mới kiểu lọc máu có hiệu quả cao hơn trong việc tách muối khỏi các phân tử hữu cơ nhỏ, trung tính.

“Chúng tôi nhận thấy rằng một trong những lợi ích lớn nhất của “lọc máu” trong xử lý nước thải là tiềm năng thu hồi tài nguyên,” Elimelech cho biết. “Ngoài việc xử lý nước thải, chúng ta còn có thể thu hồi các loại muối hoặc hóa chất có giá trị, góp phần xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn hơn.”

Không giống như các hệ thống dựa trên áp lực, “lọc máu” hầu như không gây tích tụ các chất hữu cơ trên màng vì tuân theo nguyên tắc khuếch tán chứ không phụ thuộc vào áp suất thủy lực. Điều này có thể dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, ít phải bảo trì hơn và giảm số lần thay thế màng lọc.

“Phương pháp “lọc máu” mang lại một giải pháp bền vững cho việc xử lý các dòng nước thải phức tạp, có độ mặn cao, bằng cách tiết kiệm nước ngọt, giảm chi phí năng lượng và hạn chế tắc nghẽn,” Elimelech nói.

Các nhà nghiên cứu đã ứng dụng phương pháp lọc máu y tế để xử lý nước thải hữu cơ có độ mặn cao, tách muối khỏi chất hữu cơ hiệu quả với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Phương pháp này cung cấp giải pháp bền vững, tiết kiệm chi phí, đồng thời cho phép thu hồi tài nguyên trong các ngành công nghiệp.