Các nhà khoa học đã phát triển phương pháp sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành các hóa chất có giá trị, cung cấp giải pháp thay thế bền vững cho sản xuất hóa chất truyền thống. Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Gao Xiang, nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ tiên tiến Thâm Quyến, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Lu Lu, giáo sư tại Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân, đã đề xuất một phương pháp mới sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành các hóa chất có giá trị, mở đường cho việc sản xuất hóa chất bền vững và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu được công bố ngày 16 tháng 10 trên tạp chí Nature Sustainability.

Thách thức của các phương pháp truyền thống

Sản xuất hóa chất truyền thống phụ thuộc vào các quy trình sử dụng nhiều năng lượng. Vật liệu lai sinh học bán dẫn kết hợp vật liệu thu ánh sáng hiệu quả với tế bào sống chất lượng cao, mang lại những tiến bộ thú vị trong việc khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất hóa chất. Tuy nhiên, thách thức là tìm ra cách khả thi về mặt kinh tế và thân thiện với môi trường để mở rộng quy mô công nghệ này.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đặt ra mục tiêu chuyển đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành hỗn hợp sinh học bán dẫn trực tiếp trong môi trường nước thải. Khái niệm này liên quan đến việc sử dụng carbon hữu cơ, kim loại nặng và các hợp chất sunfat có trong nước thải làm nguyên liệu thô để tạo ra các hỗn hợp sinh học này và sau đó chuyển đổi chúng thành các hóa chất có giá trị.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ tiên tiến Thâm Quyến và Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân đã phát triển phương pháp sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành các hóa chất có giá trị. Quá trình này sử dụng một loại vật liệu lai sinh học bán dẫn được sản xuất trực tiếp từ các chất ô nhiễm trong nước thải, khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất hóa chất. Nguồn ảnh: SIAT

Độ phức tạp và giải pháp xử lý nước thải

Tuy nhiên, nước thải công nghiệp thực tế thường khác nhau về thành phần gồm các chất ô nhiễm hữu cơ chính, kim loại nặng và các chất ô nhiễm phức tạp, thường gây độc cho tế bào vi khuẩn và khó chuyển hóa hiệu quả. Nó cũng chứa hàm lượng muối và oxy hòa tan cao, đòi hỏi vi khuẩn có khả năng khử sunfat hiếu khí. Vì vậy, việc sử dụng nước thải làm nguyên liệu vi khuẩn là một thách thức.

Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã chọn Vibrionatriegens, một loại vi khuẩn biển phát triển nhanh, có khả năng chịu đựng đặc biệt với nồng độ muối cao và khả năng sử dụng nhiều nguồn carbon khác nhau. Họ đã giới thiệu một con đường khử sunfat hiếu khí ở V. natriegens, một loại vi khuẩn biển gram âm và huấn luyện chủng được thiết kế để sử dụng các nguồn kim loại và carbon khác nhau để tạo ra các chất bán dẫn sinh học lai trực tiếp từ nước thải đó.

Hóa chất mục tiêu chính mà họ sản xuất là 2,3-butanediol (BDO), một loại hóa chất hàng hóa có giá trị.

Bằng cách chế tạo một chủng V. natriegens, họ đã tạo ra hydro sunfua, chất này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất các hạt nano CdS hấp thụ ánh sáng hiệu quả. Được biết đến với khả năng tương thích sinh học, các hạt nano này cho phép tạo ra các chất bán dẫn sinh học lai tại chỗ và cho phép vi khuẩn không quang hợp khai thác ánh sáng.

Kết quả cho thấy các chủng sinh học lai được kích hoạt bằng ánh sáng mặt trời này cho thấy khả năng sản xuất BDO được tăng cường đáng kể, vượt xa mức mà chỉ riêng tế bào vi khuẩn đạt được. Ngoài ra, quy trình này còn thể hiện khả năng mở rộng, cho phép sản xuất BDO năng lượng mặt trời quy mô 5 lít bằng cách sử dụng nước thải thực tế.

Giáo sư Gao cho biết: "So với phương pháp lên men vi khuẩn truyền thống và sản xuất BDO dựa trên nhiên liệu hóa thạch, nền tảng sinh học lai không chỉ có lượng khí thải carbon thấp hơn mà còn giảm giá thành sản phẩm, dẫn đến tác động môi trường tổng thể nhỏ hơn. Điều đáng chú ý là các hỗn hợp sinh học này có thể được sản xuất bằng nhiều nguồn nước thải khác nhau."