Các đại dương trên thế giới hiện đang bị đe dọa, không chỉ từ những mảnh rác nhựa lớn mà còn từ các hạt "vi nhựa" cực nhỏ. Nhiều trong số các hạt nhựa thực ra có dạng sợi, chính là những sợi vải bong ra trong quá trình chúng ta giặt quần áo.
Tính toán cho thấy, cứ mỗi một lượt sử dụng máy giặt với 100 lít nước, chúng ta đang thải ra môi trường 10.000 sợi vi nhựa. Đáng tiếc, tất cả các công nghệ lọc hiện nay - kể cả các nhà máy xử lý nước thải tiên tiến nhất đều thất bại trong việc lọc bỏ các sợi vải này.
Hiện không có một màng lọc nào có thể thu thập hiệu quả các vật thể có kích thước nhỏ hơn 0,3 mm, bằng đường kính mắt lưới của những sinh vật phù du trong tự nhiên. Các bộ lọc có mắt càng nhỏ, chúng hoạt động càng chậm, dễ bị tắc nghẽn và thường xuyên phải làm sạch.
Hiroshi Moriwaki, một giáo sư người Nhật tại Khoa Khoa học Công nghệ Dệt May, Đại học Shinshu Nhật Bản đã tự hỏi: Liệu có cách nào khác để xử lý các hạt vi nhựa này hay không?
Ông đã chia sẻ ý tưởng của mình với đồng nghiệp của mình là phó giáo sư Yoshitake Akiyama. Và cả hai đã phát minh ra được một thiết bị thu thập hạt và sợi vi nhựa bằng sóng âm thanh.
Thiết bị này có thể được lắp vào từng ống cống gia đình, thậm chí tích hợp vào ngay bên trong máy giặt để lọc bỏ những hạt sợi vi nhựa ra khỏi nước thải, trước khi chúng phát tán vào môi trường và gây ô nhiễm.
Được gọi là bộ gom hạt vi nhựa sử dụng sóng âm (BAW), thiết bị của giáo sư Moriwaki và Akiyama được cấu thành từ những bộ 3 vi kênh siêu nhỏ. Áp dụng nguyên lý rung động piezo, khi nước thải chảy qua 3 kênh này, sóng dừng sẽ định hướng các sợi vi nhựa chảy qua kênh giữa, trong khi đó, nước thải chảy thoát ra qua hai kênh còn lại ở hai bên.
Điều này có nghĩa là nước sạch có thể chảy vào hệ thống cống, trong khi nước nặng chứa hạt vi nhựa được thu gom để xử lý sau (có thể bằng cách đơn giản làm bay hơi nước, sau đó thu thập các sợi vi nhựa mà không cần lọc).
Sơ đồ cấu tạo bộ gom hạt vi nhựa sử dụng sóng âm (BAW)
Các sợi vi nhựa di chuyển tự do qua 3 kênh khi bộ lọc tắt (bên trái) và bị hút vào kênh giữa khi bộ lọc bật (bên phải)
Để tối ưu hóa quá trình lọc, giáo sư Moriwaki và Akiyama đã phải tính toán lực và biên độ âm thanh phù hợp với chiều dài, đường kính và dao động của các hạt và sợi vi nhựa. Bởi mỗi loại vi nhựa khác nhau lại có mật độ khác nhau, modul khối và độ nén khác nhau, tạo nên hệ số tương phản âm thanh khác nhau.
Bằng cách chọn chiều rộng của vi kênh bằng dúng một nửa bước sóng trong nước, các hạt vi nhựa sẽ được đẩy vào đúng đường ống giữa, nước được đẩy sang hai bên.
Thử nghiệm với các loại sợi và hạt vi nhựa có nguồn gốc từ vật liệu Nylon 6, PET và polystyrene, giáo sư Moriwaki và Akiyama thấy mỗi vi kênh mất trung bình khoảng 0,7 giây để thu gom được một hạt vi nhựa.
Đó không phải là một tốc độ quá nhanh, nhưng bù lại, tỷ lệ thu gom của thiết bị BAW rất cao, đạt tới 95% cho PET và 99% cho Nylon 6. Hơn nữa, các lực thủy động vừa sắp hàng các hạt vi nhựa, vừa giúp cho các vi kênh không bị tắc nghẽn.
Các nhà nghiên cứu cho biết họ còn có thể cải thiện thiết bị, bằng cách giảm độ nhám của các bề mặt vi kênh khiến các hạt vi nhựa không bị dính lại đồng thời tăng được tốc độ thu gom lên nữa.
Tích hợp nhiều vi kênh một lúc, chẳng hạn như 7 bộ với 21 vi kênh, giáo sư Moriwaki và Akiyama đã có thể dễ dàng cô đặc 100 lít nước giặt thành 50mL nước chứa các hạt và sợi vi nhựa, giúp việc thu gom và xử lý trở nên dễ dàng.
Thiết bị đã chứng minh được khả năng ứng dụng vào thực tiễn, khi các bộ ba vi kênh có thể được mắc nối tiếp hoặc song song, với đường kính và sóng âm khác nhau để thu thập các loại hạt và sợi vi nhựa có kích thước và chất liệu khác nhau.
Hiện tại, BAW cũng đã có thể bắt được các hạt vi nhựa polystyrene có kích thước nhỏ tới 4,3μm. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng một nồng độ sợi và hạt vi nhựa tối đa so với thực tế. Hầu hết các vi hạt trong nước thải hiện nay có đường kính khoảng 10μm và chiều dài từ 2 đến 200μm.
Thiết bị BAW có thể chụp thành công các hạt vi nhựa này. Tuy nhiên, để lọc bỏ được các hạt nhỏ hơn nữa, giáo sư Moriwaki và Akiyama cho biết họ sẽ cần tinh chỉnh các vi kênh của mình.
Trong các nghiên cứu tương lai, bộ đôi nhà khoa học đặt mục tiêu sẽ chế tạo ra các thiết bị có thể thu thập được cả hạt nhựa nano, có kích thước dưới 100nm, đồng thời giảm thời gian lọc bỏ giúp tăng tốc quá trình thoát nước thải.
Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Sensors and Actuators B: Chemical.
Tham khảo Eurekalert