LIỆU CÔNG NGHỆ MOFS CÓ PHẢI LÀ GIẢI PHÁP TIỀM NĂNG ĐỂ LOẠI BỎ TÁC NH N G Y UNG THƯ TRONG NƯỚC?

Công nghệ MOFs đã chứng minh được tính ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm chức năng xử lý nguồn nước. 

Vậy công nghệ MOFs có gì nổi bật để khẳng định được sự ưu việt trong ngành nước? Và liệu công nghệ này có khả năng loại bỏ NH3, NH4 và các tác nhân có thể gây ung thư trong nguồn nước hay không? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu về vật liệu MOFs và ứng dụng của nó trong bài viết dưới đây.

1. VẬY VẬT LIỆU MOFs LÀ GÌ?

MOFs là viết tắt của Metal-Organic Frameworks, có nguồn gốc từ lĩnh vực hóa học vô cơ và hữu cơ. MOFs còn được gọi là Khung kim loại-hữu cơ hay khung cơ kim, được phát minh bởi Giáo sư người Mỹ Omar Yaghi.

Chúng bắt đầu được nghiên cứu vào những năm 1990 và từ đó đã trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu nổi bật trong hóa học vật lý và vật lý định lượng. MOFs được cấu tạo từ các ion kim loại liên kết với các phân tử hữu cơ để tạo thành các cấu trúc tinh thể có độ xốp cao.

 

Hạt vật liệu lọc MOFs 

Vật liệu này bao gồm hai thành phần chính: ion kim loại hoặc cụm các ion kim loại và các phân tử hữu cơ được gọi là chất liên kết. Các ion kim loại tạo ra các “nút” trong cấu trúc, trong khi các chất liên kết tạo ra các “liên kết” giữa các nút này, hình thành nên một mạng lưới ba chiều có độ xốp cao.

Nghiên cứu của Giáo sư Yaghi và các cộng sự đã mở ra một kỷ nguyên mới trong việc thiết kế và tổng hợp các vật liệu có khả năng hấp thụ và lưu trữ các phân tử khác nhau. Với diện tích bề mặt có thể lên tới 7800 m²/g, MOFs có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm như NH3 và NH4+ với hiệu suất đáng kinh ngạc. Thí nghiệm cho thấy MOFs có thể loại bỏ đến 99% NH4+ trong các mẫu nước ô nhiễm, chứng minh tiềm năng to lớn của chúng trong việc tạo ra nguồn nước sạch và an toàn.

2. CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU MOFs

MOFs thể hiện một cấu trúc phức tạp được hình thành từ sự kết hợp tổ hợp của các ion kim loại và các phân tử hữu cơ, bao gồm cacbon, hydro, và oxy. Sự kết hợp này không chỉ tạo ra các lưới tam giác với các lỗ và kênh, mà còn mở ra một thế giới của tính linh hoạt và đa dạng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

 

Cấu trúc của công nghệ MOFs

Các ion kim loại trong MOFs không chỉ đơn thuần tạo ra các nút kết nối mà còn tham gia vào việc tạo ra mạng lưới phức tạp, nơi mà các phân tử hữu cơ chịu trách nhiệm liên kết các nút lại với nhau. Cấu trúc này không chỉ là một sự kết hợp vật lý mà còn là một tác phẩm nghệ thuật hoạt động tại cấp độ nguyên tử.

Điều đặc biệt là sự tồn tại của các kênh và lỗ trong cấu trúc, kết hợp với diện tích bề mặt lớn, tạo ra một không gian rỗng lớn giữa các phân tử. Như vậy, MOFs không chỉ có diện tích bề mặt riêng lớn, mà còn có khả năng cung cấp không gian lớn cho các phản ứng hóa học hoặc quá trình hấp phụ.

Từ các nghiên cứu, có thể thấy rằng diện tích bề mặt riêng của MOFs thường nằm trong khoảng từ 1000 đến 10000 mét vuông/gam, một con số ấn tượng trong thế giới của vật liệu nano. Sự lớn mạnh của diện tích bề mặt này không chỉ giúp MOFs trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong lọc nước, lọc khí, mà còn mở ra một loạt các cơ hội trong các quá trình hấp phụ và phản ứng hóa học trong nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực khoa học khác.

3. ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU MOFs

MOFs nổi bật với những đặc tính đặc biệt, bao gồm: độ xốp cao, cấu trúc linh hoạt, khả năng thích ứng linh hoạt, và liên kết mạnh mẽ. Mặc dù cấu trúc của MOFs không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng ở góc độ phân tử, chúng hiển thị nhiều lỗ rỗng. Những lỗ này có khả năng hút và giữ các phân tử khác nhau khi đi sâu vào bên trong vật liệu.

Một trong những điểm đặc trưng của MOFs là độ bền trong môi trường nước, được cải thiện bởi sự tăng độ liên kết giữa các phần vô cơ và hữu cơ. Tuy nhiên, MOFs không bền nhiệt và dễ bị phá hủy ở nhiệt độ cao trên 500 độ C hoặc ở nhiệt độ thấp trong điều kiện chân không.

Ngoài ra, MOFs cũng có độ bền hóa học cao, giúp chúng chống lại các tác nhân môi trường như nước, độ ẩm, và oxy hóa, từ đó bảo vệ cấu trúc của vật liệu khỏi sự phá hủy. Độ ổn định cơ học của MOFs cũng được nâng cao nhờ vào kích thước lỗ lớn và độ xốp cao, giúp chúng chịu được áp suất cao và tải trọng lớn.

Những đặc tính này làm cho MOFs trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng, từ lọc nước, khí đến các quá trình hóa học và công nghiệp.

4. ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MOFs

1. Lọc nước: MOFs đã chứng minh hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm từ nước, bao gồm kim loại nặng, hợp chất hữu cơ, nitơ, fosfat, và các chất cơ bản khác. Nghiên cứu của Nihon University (Nhật Bản) đã chỉ ra rằng MOFs có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm trong nước với hiệu suất lên đến 95%, vượt trội so với các vật liệu lọc truyền thống.
2. Lưu trữ và phân phối khí: Trong lĩnh vực lưu trữ và phân phối khí, MOFs đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu với khả năng hấp phụ và giải phóng khí một cách hiệu quả. Một nghiên cứu của California Institute of Technology (Mỹ) đã chứng minh rằng MOFs có thể lưu trữ khí hidro với mật độ năng lượng cao, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp năng lượng sạch.
3. Tách và lọc hỗn hợp khí: Các nghiên cứu của University of Cambridge (Anh) đã chỉ ra rằng MOFs có khả năng tách và lọc các hỗn hợp khí phức tạp với hiệu suất cao và lựa chọn chọn lọc tốt. Việc sử dụng MOFs trong các quy trình công nghiệp như tách chiết và sản xuất khí sạch đã mang lại nhiều tiềm năng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu các phát thải ô nhiễm.
4. Chứa và giải phóng dược phẩm: Các nghiên cứu của ETH Zurich (Thụy Sĩ) đã khẳng định rằng MOFs có khả năng chứa các dược phẩm và giải phóng chúng một cách điều chỉnh, tạo điều kiện cho phát triển các hệ thống phát dược phẩm tự điều chỉnh. Sự linh hoạt và tính chất đa dạng của MOFs mở ra tiềm năng trong việc cải thiện hiệu quả và an toàn của các liệu pháp dược lý.
5. Catalysis (xúc tác): Các nghiên cứu của University of California, Berkeley (Mỹ) đã chỉ ra rằng MOFs có thể được sử dụng như xúc tác cho các phản ứng hóa học quan trọng trong ngành công nghiệp và nghiên cứu. Sự cấu trúc linh hoạt và khả năng điều chỉnh của MOFs tạo điều kiện cho việc tối ưu hóa các quy trình phản ứng và tăng hiệu suất sản xuất.
6. Lưu trữ và phân phối nhiệt: Thêm vào đó, MOFs cũng có khả năng lưu trữ và phân phối nhiệt một cách hiệu quả. Một nghiên cứu của Tsinghua University (Trung Quốc) đã chỉ ra rằng MOFs có tiềm năng trong việc phát triển các hệ thống quản lý nhiệt độ và lưu trữ nhiệt năng, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

 

Những ứng dụng của công nghệ MOFs

5. NHỮNG LỢI ÍCH ĐẶC BIỆT CHỈ CÓ KHI SỬ DỤNG VẬT LIỆU LỌC MOFs TRONG CÔNG NGHỆ LỌC NƯỚC ION KIỀM ETUGI

Loại bỏ được Amoni NH4+, tiền chất gây ung thư

Nếu như các loại máy lọc nước RO hiện có trên thị trường chỉ lọc được khoảng 50% các khí ô nhiễm trong nước như Amoni (NH4+), Amoniac (NH3) – là những chất dễ dàng chuyển hóa thành Nitrit, Nitrat, có thể biến thành N-nitroso (tiền chất gây ung thư) thì công nghệ lọc nước ion kiềm với vật liệu lọc MOFs có thể lọc được triệt để các chất này.

Bởi vật liệu MOFs có thể hấp thụ mạnh mẽ chất ô nhiễm, khí độc hại có trong nguồn nước vượt trội hơn từ 5 – 20 lần so với vật liệu lọc thông thường. Bên cạnh đó nó còn giúp khử lượng khí Clo tòn dư trong nguồn nước trong khi đó các lõi lọc RO hiện vẫn chưa xử lý được triệt để. Nhờ đó, nước ion kiềm được tạo ra sẽ đảm bảo an toàn 100% khi đưa vào cơ thể.

6. VẬT LIỆU LỌC MOFs ORGAN

Vật liệu lọc MOFs Organ là phiên bản của MOFs trong đó ligand hữu cơ chiếm vai trò chủ đạo trong cấu trúc. Thường là các hợp chất hữu cơ phổ biến như axit benzoic, axit fumaric, pyridine, hay các dẫn xuất của chúng được sử dụng để tạo thành các mạng lưới MOFs. Vật liệu này có tính chất linh hoạt, có thể được thiết kế để hấp phụ các phân tử nhất định trong môi trường, làm nóng lên nhu cầu trong các ứng dụng từ y tế đến môi trường.

Thông số kỹ thuật:

• Hình dạng: Hạt màu xanh
• Mùi: Không mùi
• Kích thước (mm): 2 – 4
• Hệ số đồng dạng: < 1
• Khả năng hấp phụ NH4+: 223 mg/L (0.2 mg/g)
• Tỷ trọng (kg/m3): 1.116

Tính năng:

• Loại bỏ 99.9% ô nhiễm: Amoni NH4, NO2, NO3, thuốc BVTV, Clo, H2S…
• Loại bỏ màu mùi, tạo độ trong cho nước.
• Hiệu suất lọc cao: Gấp 5-20 lần so với các vật liệu lọc khác (trên cùng đơn vị thể tích).

Ứng dụng vật liệu lọc MOFs Organ

• Ứng dụng hệ thống lọc tổng: Hệ thống MOFs Organ mang đến công nghệ lọc hấp phụ mới, hoàn nguyên hoàn toàn trong xử lý nước ô nhiễm Amoni và các hợp chất hữu cơ, với hiệu suất xử lý cao và chi phí thấp. Áp dụng cho cả hệ thống bằng tay và tự động.
• Ứng dụng trong lọc công nghiệp: Khả năng xử lý siêu cao cho phép thiết kế hệ thống cung cấp nước cho khu dân cư và nhà máy, với khối lượng hàng nghìn mét khối mỗi ngày, đồng thời giảm chi phí nguyên vật liệu.
• Ứng dụng thay thế lõi than hoạt tính cho máy lọc nước R.O: MOFs – Organ có thể thay thế lõi than hoạt tính trong máy lọc nước R.O để nâng cao khả năng loại bỏ Amoni. Màng lọc R.O chỉ loại bỏ được 50% Amoni khỏi nước.

7. VẬT LIỆU LỌC MOFs METAL

Trong khi đó, Vật liệu lọc MOFs Metal tập trung vào việc sử dụng các ion kim loại làm nút trong cấu trúc, giúp tăng cường tính chất hấp phụ và tính chọn lọc. Các ion kim loại như zinc (Zn), copper (Cu), và các kim loại chuyển tiếp khác thường được sử dụng để tạo thành các mạng lưới MOFs, cung cấp cho chúng tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. MOFs – Metal thường có khả năng hấp phụ cao hơn và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ xử lý nước thải đến công nghiệp hóa chất và năng lượng tái tạo.

Thông số kỹ thuật:

• Hình dạng: Hạt màu nâu đen
• Mùi: Không mùi
• Kích thước (mm): 0.1 – 0.5
• Hệ số đồng dạng: < 1.75
• Mật độ khối (kg/m3): 1300
• Độ ẩm (%): 0.5

Tính năng:

Vật liệu lọc MOFs Metal được phủ lớp Alpha mangan diovide – MnO2 cho khả năng hấp phụ và xúc tác tuyệt vời. Với diện tích bề mặt lớn, nó có thể lọc cặn và chất rắn lơ lửng dưới 3 micromet. Đặc biệt, MOFs – Metal có khả năng loại bỏ sắt, mangan, asen và H2S, làm sạch nước một cách hiệu quả.

Ứng dụng vật liệu lọc MOFs Metal

• Lọc nước thải công nghiệp: MOFs Metal được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý nước thải từ các nhà máy sản xuất, nhà máy chế biến thực phẩm, và các ngành công nghiệp khác. Vật liệu này có khả năng loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng như sắt, mangan, asen và các chất hữu cơ từ nước thải, giúp cải thiện chất lượng nước thải trước khi thải ra môi trường.
• Lọc nước sạch trong gia đình: Trong các hệ thống lọc nước gia đình, MOFs – Metal được dùng để loại bỏ các chất cặn bẩn và tạp chất có trong nước như sắt, mangan, và các tạp chất hữu cơ. Điều này giúp cải thiện hương vị và màu sắc của nước uống, đảm bảo nước sạch và an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng.
• Ứng dụng trong hệ thống cấp nước công nghiệp: MOFs – Metal được tích hợp trong các hệ thống cung cấp nước sạch cho khu công nghiệp và khu dân cư. Vật liệu này giúp loại bỏ các tạp chất gây ô nhiễm như sắt, mangan và các kim loại nặng khác, từ đó cải thiện chất lượng nước tiêu thụ và giảm thiểu tác động đến môi trường.
• Ứng dụng trong điều trị nước giếng khoan: MOFs – Metal cũng có thể được áp dụng để xử lý nước từ các giếng khoan, nơi thường chứa nhiều tạp chất và các kim loại nặng. Vật liệu này giúp cải thiện chất lượng nước để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất.
• Ứng dụng trong hệ thống cấp nước thành phố: Trong các hệ thống cấp nước lớn của thành phố, MOFs – Metal có thể được sử dụng để giảm thiểu sự tích tụ của các tạp chất và kim loại nặng trong đường ống cấp nước. Điều này giúp bảo vệ hệ thống cấp nước và duy trì chất lượng nước ổn định.

Với những tính năng và ứng dụng đa dạng, vật liệu lọc MOFs – Metal đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường, đồng thời đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch của các cộng đồng và ngành công nghiệp hiện nay.

8. CÁC NHÀ KHOA HỌC ĐƯA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MOFs VÀO XỬ LÝ NƯỚC NHƯ THẾ NÀO?

Chúng tôi, NYK – Đơn vị phân phối các vật liệu lọc MOFs vào máy lọc nước ion kiềm tại Việt Nam. 

Việc ứng dụng vật liệu lọc MOFs đã mở ra một chuỗi tiện ích và ứng dụng mới, đưa ra thị trường những tính năng vượt trội mà trước đây chưa từng có đối với thị trường nước uống ion kiềm tại Việt Nam.

Quy trình ứng dụng công nghệ và vật liệu lọc MOFs để tạo ra nước ion kiềm  như sau:

• Bước lọc thứ nhất: Lọc RO (Reverse Osmosis) – Loại bỏ hoàn toàn các độc tố, tuy nhiên không lọc được Amoni NH4 (tiền chất gây ung thư) và một số hợp chất hữu cơ khác. Bên cạnh đó, lọc RO tạo ra nước có tính axit gây mất khoáng
• Bước lọc thứ 2: Lọc Khung cơ kim MOFs – Loại bỏ Amoni NH4 và các hợp chất hữu cơ độc hại khác ra khỏi nước, tạo ra nước thực sự an toàn
• Bước lọc thứ 3: Điện phân – Biến đổi nước chết tạo ra từ nước RO thành nước sống – nước ion kiềm. Nước này có độ PH 8,5 0 9,5, Cluster nhỏ, đầy đủ các tính chất của nước điện phân mà không cần thêm bất kỳ hoá chất nào, bổ sung Magie tốt cho tim mạch.

Với giải pháp lọc nước ứng dụng công nghệ MOFs, hệ thống lọc nước của NYK sẽ tạo ra nguồn nước ion kiềm mang lại những ưu điểm vượt trội, đảm bảo tiêu chí “nước không chỉ sạch mà còn tốt cho sức khỏe”.