Mỗi ngày, các nhà máy dệt may trên khắp thế giới xả hàng triệu lít nước thải nhuộm màu xuống sông, xuống suối. Màu sắc thì sặc sỡ. Hậu quả thì ngược lại. Nhiều loại thuốc nhuộm tổng hợp có độc tính cao, gần như không thể tự phân hủy trong tự nhiên, và còn ngăn ánh sáng mặt trời xuyên xuống mặt nước, đe dọa toàn bộ hệ sinh thái bên dưới. Xử lý loại nước thải này vừa là việc không thể trì hoãn, vừa là gánh nặng chi phí khổng lồ.

Các hệ thống xử lý nước thải truyền thống vận hành dựa trên hóa chất, màng lọc và nguồn điện ổn định. Chúng có hiệu quả, nhưng đi kèm với đó là hàng loạt chi phí: tiền điện, chất thải hóa học, và cơ sở hạ tầng mà nhiều địa phương đơn giản là không đủ khả năng xây dựng. Câu hỏi đặt ra lúc này không còn là làm thế nào để vận hành tốt hơn, mà là liệu những hệ thống này có nhất thiết phải phụ thuộc vào điện lưới hay không.

Năng lượng ẩn trong chuyển động

Máy phát điện nano triboelectric — hay TENG — nghe có vẻ phức tạp, nhưng nguyên lý hoạt động thì rất gần gũi: đó chính là tĩnh điện hình thành khi hai vật liệu cọ xát vào nhau, thứ mà ai trong chúng ta cũng đã từng chạm phải. TENG thu lấy nguồn điện tích đó và biến nó thành điện năng sử dụng được.

Gió, dòng chảy, rung động máy móc, hay thậm chí chuyển động của con người — tất cả đều có thể là “nhiên liệu” cho một TENG. Và tại một cơ sở xử lý nước thải, những nguồn năng lượng cơ học như thế này gần như không bao giờ vắng mặt.

Một bài tổng quan gần đây trên tạp chí Advanced Sustainable Systems, thực hiện bởi các nhà nghiên cứu từ Ấn Độ, Hàn Quốc và Phòng thí nghiệm Khoa học Vật liệu Kỹ thuật số thuộc Đại học VinUniversity tại Việt Nam, đã nhìn lại chặng đường công nghệ này đã đi được trong lĩnh vực môi trường.

Khi dòng chảy thành nguồn điện

Ấn tượng nhất trong số các ứng dụng được ghi nhận là các hệ thống phân hủy chất ô nhiễm tự cấp điện: TENG thu năng lượng cơ học và truyền trực tiếp vào một buồng điện hóa, nơi các gốc hoạt tính được tạo ra để phá vỡ phân tử thuốc nhuộm, biến chúng thành những sản phẩm vô hại như carbon dioxide và nước.

Một hệ thống được vận hành hoàn toàn bởi turbine gắn với dòng chảy tự nhiên đã tiêu diệt toàn bộ vi khuẩn gây hại — kể cả E. coli — trong 300 lít nước xử lý liên tục, không tắc nghẽn, không hóa chất, không cần đến một watt điện lưới nào.

Một hệ thống khác sử dụng điện cực carbon từ sinh khối đã phân hủy gần 96% thuốc nhuộm crystal violet chỉ trong vòng 60 phút.

Hệ thống thứ ba khử màu đến 99,9% một loại thuốc nhuộm công nghiệp độc hại sau 800 phút, với nguồn điện duy nhất là rung động cơ học.

Con số ở mỗi hệ thống có thể khác nhau, nhưng hướng chúng chỉ về thì nhất quán: TENG có tiềm năng thực sự trong xử lý nước thải, với mức tiêu hao tài nguyên đáng ngạc nhiên là thấp.

Mảnh ghép còn thiếu

Điều khiến TENG trở nên hấp dẫn không phải là một tính năng vượt trội nào đó, mà là sự kết hợp hiếm có của nhiều ưu điểm cùng lúc: không cần nguồn điện bên ngoài, vật liệu giá thành thấp, cấu trúc linh hoạt, và khả năng hoạt động ở những nơi lưới điện còn chưa vươn tới.

Các TENG làm từ polymer có thể được chế tạo từ vật liệu nhẹ, bền về mặt hóa học, thậm chí có thể phân hủy sinh học. Nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tích hợp chúng với lớp phủ quang xúc tác, vật liệu nano carbon và oxit kim loại, tạo ra những hệ thống vừa thu năng lượng vừa trực tiếp phân hủy chất ô nhiễm trên cùng một bề mặt.

Bài tổng quan không né tránh những hạn chế còn tồn tại: hiệu suất có thể dao động theo độ ẩm và tần số rung, và phần lớn các hệ thống vẫn đang dừng ở quy mô phòng thí nghiệm — còn khoảng cách khá dài so với nhu cầu vận hành liên tục ở quy mô công nghiệp. Song nền tảng vật lý đã vững, vật liệu đã sẵn có, và các hướng phát triển về quản lý điện năng, thiết kế lai ghép lẫn quy trình sản xuất có thể mở rộng quy mô đều đang được đẩy mạnh. Nền móng đã ở đó. Thứ đang được xây dựng tiếp là phần kiến trúc còn lại.

Khép vòng tròn

Có điều gì đó thật thú vị khi nghĩ đến một hệ thống xử lý nước lấy năng lượng từ chính dòng nước mình đang làm sạch, từ gió thổi qua hay rung động của máy móc kế bên. Không cần nguồn năng lượng mới, không cần quy trình hóa học phức tạp. Chỉ là năng lượng cơ học vốn đã có sẵn ở đó, được thu lại và quay ngược trở lại để xử lý chính nguồn ô nhiễm mà môi trường đang phải gánh chịu.

Nguồn: Advances in Triboelectric Nanogenerators for Sustainable Wastewater Treatment – Advanced Sustainable Systems.