Tình trạng ô nhiễm nước thải ngày càng tăng ở Việt Nam đang gây sức ép lớn tới môi trường và đe dọa sức khỏe con người. Nhiều biện pháp xử lý nước thải đã được áp dụng, trong đó phổ biến nhất là công nghệ vi sinh. Mặc dù có ưu điểm thân thiện với môi trường song việc xử lý nước thải công nghiệp bằng công nghệ vi sinh còn không ít bất cập: chủ yếu mới xử lý được chất thải hữu cơ; khả năng xử lý nhiều chất ô nhiễm cùng lúc chưa cao; một số loại cần nguồn điện liên tục để đảm bảo vi sinh vật phát triển ổn định...
Nhận thấy hạn chế này, Đại tá Thiều Quốc Hân, Phó Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự (Bộ Quốc phòng) cùng các nhà khoa học ở Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Học viện Kỹ thuật quân sự đã nghiên cứu giải pháp xử lý nước thải bằng vật liệu nano kim loại hóa trị 0 trên nền nano sắt (một tổ hợp gồm nhiều nano kim loại hóa trị 0, thành phần chính là nano sắt và một số nano kim loại khác), có thể xử lý nhiều chất hữu cơ độc hại và kim loại nặng cùng lúc, dễ dàng vận hành và tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp truyền thống.
Việc ứng dụng nano sắt hóa trị 0 để xử lý nước thải không phải là vấn đề mới trên thế giới. Nhờ tính chất hấp phụ bề mặt và tính khử cao, nano sắt hóa trị 0 có khả năng oxy hóa mạnh các hợp chất vô cơ và hữu cơ khó phân hủy như clo, nitơ, các hợp chất phenol, benzen hay các hợp chất mang màu,... Sau khi phản ứng, nano sắt sẽ chuyển thành các hợp chất oxit sắt Fe3O4 và Fe2O3 không độc hại, không gây ô nhiễm thứ cấp. Do vậy, công nghệ xử lý nước thải bằng nano sắt hóa trị 0 thường được ứng dụng để xử lý nước thải có chứa hàm lượng kim loại nặng cao, đặc biệt là trong các nhà máy luyện kim hoặc tuyển khoáng.
Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa có nhiều nơi nghiên cứu về công nghệ này. Phần lớn các chế phẩm nano sắt hóa trị 0 trên thị trường hiện nay đều được nhập khẩu, có giá thành cao. Chính vì thế, nhiệm vụ đầu tiên mà Đại tá Thiều Quốc Hân và các cộng sự đặt ra trong nghiên cứu là phải chủ động chế tạo vật liệu nano sắt để giảm bớt chi phí.
Có rất nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu nano sắt hóa trị 0: phương pháp nghiền, vi nhũ tương, điện hóa, khử bo hyđrua,... trong đó phổ biến nhất là phương pháp khử bo hyđrua (khử pha lỏng), nguyên lý cơ bản là thêm một chất khử mạnh vào một dung dịch ion kim loại để khử thành các hạt kim loại có hóa trị 0 với kích thước nano.
Sau khi tham khảo các tài liệu, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương pháp khử bo hyđrua, cụ thể là kết hợp FeCl2 với NaBH4 và NaOH - những nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm ở Việt Nam. Công đoạn này không quá phức tạp bởi phương pháp thực hiện đã được mô tả chi tiết trong nhiều tài liệu. Sản phẩm thu được là nano sắt hóa trị 0 dạng nhũ tương có thể dùng trực tiếp để xử lý nước thải.
Chế phẩm đã có, nhưng sử dụng như thế nào, liều lượng bao nhiêu để đạt hiệu quả? Dựa trên những kinh nghiệm trong lĩnh vực vật liệu nano kết hợp với nhiều lần thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy câu trả lời – một quy trình xử lý nước thải bằng nano sắt hóa trị 0 đơn giản và dễ thực hiện, có thể áp dụng trên nhiều quy mô khác nhau. Cụ thể, sau bước xử lý sơ bộ để loại bỏ rác, chỉ cần phun nhũ tương nano sắt hóa trị 0 nồng độ 10-30% vào nước thải theo tỉ lệ 1 lít nhũ tương/100m3 nước thải, sục thổi khí liên tục trong khoảng thời gian từ 1-12 giờ để cung cấp khí cho phản ứng giữa nước thải với nano sắt hóa trị 0, điều chỉnh pH trung tính nằm trong khoảng từ 7-7,5 và nhiệt độ nằm trong khoảng từ 15-45oC. Nước thải sau đó sẽ chuyển sang các bể lắng sơ cấp và thứ cấp để loại bỏ các hợp chất lơ lửng, tách riêng phần bùn cặn và nước, phần bùn lắng sẽ được chôn lấp theo quy định còn phần nước sẽ được xả ra ngoài.
Kết quả thử nghiệm ở nhà máy xử lý nước thải tập trung tại khu công nghiệp Thạch Thất, Quốc Oai, Hà Nội cho thấy nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT về nước thải công nghiệp, với mức chi phí khoảng 4000 đồng/m3 nước thải, rẻ hơn gần một nửa so với mặt bằng chung.
Nhờ tính mới và khả năng ứng dụng cao, giải pháp xử lý nước thải bằng nano sắt hóa trị 0 của chủ đơn là Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (Bộ Quốc phòng) và nhóm tác giả Thiều Quốc Hân và các cộng sự đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-0001826 công bố ngày 25/09/2018. Công nghệ này cũng được triển khai tại một số cụm công nghiệp khác như trạm xử lý nước thải khu công nghiệp Liên Phương (Thường Tín, Hà Nội), khu công nghiệp Bờ trái Sông Đà (Hòa Bình),…
Đại tá Thiều Quốc Hân (bên phải) kiểm tra quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ nano tại trạm xử lý nước thải tập trung cụm công nghiệp Quất Động (huyện Thường Tín, TP Hà Nội). Ảnh: QĐND