MỸ – Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của trợ lý Giáo sư – Tiến sĩ Chibueze Amanchukwu, ở trường kỹ thuật phân tử Pritzker thuộc đại học Chicago (UChicago PME – university of Chicago Pritzker school of molecular engineering) đã dành ba năm để tìm kiếm nguyên nhân gây hỏng hóc, rà soát các tài liệu học thuật về sự hỏng hóc của pin và tình trạng phân hủy của chất điện phân.

Hợp tác cùng các chuyên gia từ đại học Northwestern, đội ngũ các nhà khoa học của trường UChicago PME đã biến những điều kiện gây hại cho linh kiện pin thành một kỹ thuật mới: chủ động phân hủy các chất gây ô nhiễm nguồn nước, được gọi là hóa chất vĩnh cửu PFAS (per- and polyfluoroalkyl substances) (*).
(*) PFAS: là một nhóm gồm hơn 12.000 loại hóa chất nhân tạo khác nhau. Điểm chung của chúng là chứa các liên kết giữa nguyên tử carbon và flourine (flo). Đây là một trong những liên kết mạnh nhất trong hóa học hữu cơ, khiến PFAS gần như không bị phân hủy trong tự nhiên, tồn tại trong môi trường hàng chục năm. Vì vậy nhóm chất này được gọi là hóa chất vĩnh cửu (forever chemicals) 

Ông Amanchukwu và Sarkar hy vọng sẽ áp dụng thành công kỹ thuật phân hủy cho nhiều hóa chất khác

Ông Amanchukwu chia sẻ: “Khi ai đó phàn nàn rằng một hợp chất bị phân hủy theo cách này khiến chu kỳ pin kém đi, chúng tôi lại thấy hào hứng. Bởi vì chúng tôi có thể tận dụng chính cơ chế đó để xử lý các chất PFAS.”

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Chemistry đã cho thấy kết quả kinh ngạc trong việc bẻ gãy axit perfluorooctanoic (PFOA) (một loại PFAS chuỗi dài) thành fluorine khoáng hóa (mineralised fluorine) (*). Điểm mấu chốt là quá trình này không tạo ra các chuỗi phân tử ngắn (vốn khó loại bỏ khỏi nước hơn). Nguồn fluorine mới này có thể được sử dụng để tạo ra các hợp chất không chứa PFAS, biến chất ô nhiễm thành sản phẩm thương mại có giá trị.
(*) Mineralised fluorine: là thuật ngữ mô tả trạng thái fluorine (flo) sau khi được cố định vào dạng khoáng chất ổn định, thay vì tồn tại dưới dạng liên kết hữu cơ nguy hiểm như trong PFAS.

Tiến sĩ Bidushi Sarkar, tác giả chính của nghiên cứu, nói rằng: “Chúng tôi đạt tỷ lệ khử fluorine gần 94% và tỷ lệ phân hủy 95%. Điều đó có nghĩa là gần như toàn bộ các liên kết carbon-fluorine trong các chất PFAS đều bị phá vỡ. Mục tiêu chính là khoáng hóa và thúc đẩy sự phân hủy hoàn toàn, thay vì chỉ cắt chúng thành các mảnh nhỏ.”

Ưu thế của điện hóa học
Trong khi các nhà khoa học trên thế giới đang thử nghiệm bằng tia cực tím (UV), nhiệt độ cao, plasma hay vi khuẩn ăn nhựa để tiêu hủy các chất PFAS, nghiên cứu này đã đưa điện hóa học (electrochemistry – sự tương tác giữa dòng điện và các liên kết phân tử) tham gia vào dự án nghiên cứu.

Ông Amanchukwu nói tiếp: “Điện hóa học được ưa chuộng bởi tính mô-đun linh hoạt. Khách hàng có thể dùng một hệ thống pin năng lượng mặt trời kèm pin lưu trữ, và một lò phản ứng điện hóa nhỏ gọn tại chỗ để xử lý các dòng chất thải tại địa phương. Không cần một nhà máy lớn, vận hành ở nhiệt độ hay áp suất cao như các hệ thống khác hiện nay.”

Phương pháp mới đạt tỷ lệ khử fluorine gần 94% và phân hủy 95% đối với axit perfluorooctanoic (PFOA). Trong số 33 hợp chất PFAS được thử nghiệm, 22 hợp chất cho thấy tỷ lệ phân hủy trên 70%, một số đạt mức 99%.

Hóa chất “bền vững” và vấn đề nan giải cho giới khoa học
PFAS là một nhóm gồm hàng ngàn loại hóa chất có độ bền cao, được ứng dụng rộng rãi từ bọt chữa cháy, áo mưa, chảo chống dính cho đến chính những chiếc áo khoác tại phòng thí nghiệm (mà nhóm nghiên cứu đang mặc). Tuy nhiên, chính đặc tính bền bỉ này đã biến các chất PFAS thành một “bài toán nan giải” khi muốn loại bỏ chúng khỏi nguồn nước ngầm và nước sinh hoạt, dẫn đến biệt danh: “Hóa chất vĩnh cửu”.

Tiến sĩ Sarkar nói tiếp: “Tất cả những ưu điểm như kháng lửa, kháng nước và kháng dầu đều bắt nguồn từ liên kết carbon-fluorine rất bền vững. Những đặc tính khiến các chất PFAS trở nên hữu ích cũng chính là rào cản khiến chúng không thể phân hủy.”

Nghiên cứu về các chất PFAS đánh dấu một bước đi mới của phòng thí nghiệm Amanchukwu tại trường UChicago PME, nơi vốn tập trung thiết kế chất điện phân cho pin và các lò phản ứng điện hóa nhằm thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng xanh. Tuy nhiên, sau các buổi thuyết trình, ông Amanchukwu thường xuyên đối mặt với một vấn đề về môi trường.

Ông Amanchukwu chia sẻ: “Không quá lời khi nói rằng, sau mỗi buổi diễn thuyết, tôi chắc chắn sẽ nhận được câu hỏi: ‘Tại sao ông lại tạo ra thêm nhiều hóa chất vĩnh cửu như vậy?'”

Mặc dù phòng thí nghiệm đang tiên phong phát triển các loại pin không chứa chất PFAS, nhưng thực tế nhiều chất điện phân hiện nay vẫn chứa một lượng nhỏ hợp chất này (dù không phải loại gây ung thư). Thay vì né tránh, nhóm nghiên cứu đã lật ngược vấn đề: Nếu các chất điện phân gốc PFAS vốn dĩ đã bị phân hủy trong pin, chúng ta có thể học hỏi được gì từ cơ chế đó?

Hành trình đi tìm giải pháp
“Về cơ bản, điện hóa học là việc đặt các điện cực vào dung môi,” Giáo sư hóa học George Schatz từ đại học Northwestern, đồng tác giả nghiên cứu, nói rằng: “Khi các phân tử này hòa tan trong dung môi và dòng điện chạy qua, nhóm nghiên cứu của ông Amanchukwu đã phát triển một cơ chế giúp phá hủy các chất PFAS.”

Tuy nhiên, chỉ đơn thuần “phóng điện” vào nước là không đủ. Việc phá vỡ các chất PFAS bằng cách oxy hóa (loại bỏ electron cho đến khi liên kết nguyên tử mất ổn định) là khó khăn do đặc tính hóa học của fluorine.

Ông Amanchukwu nói thêm: “Fluorine là nguyên tố có độ âm điện (electro negative) (*) lớn nhất, nó cực kỳ ‘đói’ electron. Điều này khiến việc oxy hóa các hợp chất chứa fluorine trở nên phức tạp. Thay vào đó, việc khử chúng (thêm electron) sẽ khả thi hơn.”
(*) Electro negative: là một tính chất hóa học mô tả mức độ một nguyên tử có xu hướng hút electron về phía mình khi liên kết với một nguyên tử khác.

Vấn đề nảy sinh khi nỗ lực khử các hợp chất này trong môi trường nước thường dẫn đến việc phân tách nước thành hydro và oxy thay vì tác động lên các chất PFAS. Sau khi nghiên cứu các tài liệu về việc các chất PFAS vô tình bị phân hủy trong các chất điện phân pin không chứa nước, nhóm đã tìm ra một kế hoạch mới.

Ông Amanchukwu chia sẻ: “Đột phá của chúng tôi là sử dụng các chất điện phân không chứa nước (non-aqueous) có độ ổn định khử cao. Khi thêm hợp chất chứa fluorine vào, chính hợp chất này sẽ bị khử và phân hủy”.

Kết quả vượt mong đợi
Bằng cách xử lý các điện cực đồng với lithium (thành phần phổ biến trong pin), quy trình mới đã được hoàn thiện. Kết quả thử nghiệm không chỉ thành công với hợp chất PFOA mà còn mở ra triển vọng cho toàn bộ nhóm hóa chất vĩnh cửu. Trong số 33 hợp chất PFAS được kiểm tra, có đến 22 hợp chất đạt tỷ lệ phân hủy trên 70%, đặc biệt có những hợp chất bị tiêu hủy đến 99%.

Giáo sư Schatz nói rằng: “Điện hóa học đã tồn tại từ rất lâu. Nếu việc này dễ dàng, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nó từ lâu rồi.”

Để xem các tin bài khác về “Hóa chất vĩnh cửu”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online