Chất ô nhiễm nồng độ thấp (nồng độ từ vài pg/L tới vài µg/L) là những hạt nhỏ có thể gây hại cho sức khỏe con người và môi trường. Chúng có từ thuốc trừ sâu, kim loại nặng và một số loại hóa chất tổng hợp. Những hạt này khó được loại bỏ khỏi nước vì chúng đa dạng, tồn tại dai dẳng ở nồng độ thấp.

Các chất ô nhiễm nồng độ thấp ngày càng trở thành mối lo ngại trong những năm gần đây, vì chúng liên quan đến nhiều vấn đề sức khỏe và môi trường khác nhau.

Chúng có thể gây ung thư, rối loạn nội tiết tố và rối loạn hệ thống miễn dịch con người.

Trichloroethylene là một hóa chất gây ung thư khác được tìm thấy trong chất tẩy rửa nhanh và các sản phẩm tiêu dùng khác, chì cũng là kim loại độc hại ảnh hưởng đến não, hệ thần kinh và huyết áp.

Để bảo vệ sự an toàn của tài nguyên nước, nhiều quy định khác nhau được đề xuất, hoặc thực hiện nhằm hạn chế sự hiện diện của các chất ô nhiễm nồng độ thấp trong nước.

Tuy nhiên, những quy định này cũng phải đối mặt với nhiều thách thức nan giải, liên quan đến các quy trình chuyên xử lý nước chứa loại chất ô nhiễm này.

Giải pháp hiện tại: Than hoạt tính

Các chất ô nhiễm nồng độ thấp trong nước có thể được xử lý bằng than hoạt tính, một vật liệu xốp có thể hấp thụ các chất ô nhiễm này trên bề mặt của nó. Tuy nhiên, có một số hạn chế khi sử dụng than hoạt tính.

Ví dụ, sản xuất than hoạt tính đòi hỏi nhiệt độ cao và cơ sở vật chất lớn, tiêu thụ nhiều năng lượng và thải ra khí nhà kính. Ngoài ra, than hoạt tính có công suất và độ chọn lọc hạn chế, có nghĩa là nó không thể loại bỏ tất cả các chất ô nhiễm nồng độ thấp.

Hơn nữa, việc sử dụng than hoạt tính đòi hỏi thời gian tiếp xúc lâu hơn với nước, đồng nghĩa với việc cần phải có nhiều không gian và thiết bị hơn để hoạt động, khiến nó không thể tối ưu được tiềm năng cũng như tính hiệu quả.

Cuối cùng, than hoạt tính bị nhiễm các chất ô nhiễm nồng độ thấp đó cũng phải được xử lý như chất thải nguy hại, còn không nó có thể thấm ngược vào môi trường khiến môi trường trở nên không bền vững.

Giải pháp mới: hydrogel zwitterionic

Trước bài toán nan giải này, mới đây giáo sư Patrick Doyle và nhóm Kỹ thuật Hóa học của Viện Công nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đưa ra giải pháp mới để loại bỏ các chất ô nhiễm nồng độ thấp khỏi nước, bằng vật liệu hydrogel zwitterionic.

Vật liệu hydrogel zwitterionic chứa các phân tử mang điện tích dương và âm, giống như nam châm có cực bắc và cực nam.

Các nhà nghiên cứu phát triển hydrogel zwitterionic ở dạng vật liệu mềm, xốp có thể hấp thụ nhiều nước, nhờ cấu trúc mạng lưới tựa như các lỗ chân lông có thể thu giữ các chất ô nhiễm nồng độ thấp.

Nó cũng rất dễ được sử dụng và có thể được áp dụng cho các loại nguồn nước khác nhau, chẳng hạn như nước máy, nước thải và nước biển.

Hydrogel Zwitterionic mang lại một số lợi ích tối ưu hơn so với than hoạt tính. Loại hydrogel này giúp tiết kiệm năng lượng, vì chúng không yêu cầu nhiệt độ cao hoặc cơ sở vật chất lớn để sản xuất, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn và ít tạo ra khí thải nhà kính hơn. 

Ngoài ra, nhờ công suất và tính lọc nước cao, hydrogel zwitterionic có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm nồng độ thấp và các chất kém hữu ích khỏi nước. Hơn nữa, loại hydrogel này yêu cầu thời gian tiếp xúc ngắn với nước, cần ít không gian cũng như thiết bị hơn để hoạt động.

Hydrogel zwitterionic rất bền vững vì chúng có thể được tái tạo và tái sử dụng, do đó làm giảm việc tạo ra chất thải nguy hại, ngăn chặn việc thải các chất ô nhiễm nồng độ thấp trở lại môi trường.