Sáng tạo tuổi học trò: Bài 2: Công trình nước sạch cho người nghèo

Đề tài của các em với tên gọi Ứng dụng công nghệ keo bạc nano và lõi lọc xốp từ đất sét, mùn cưa để thiết kế hệ thống xử lí nước ngầm quy mô hộ gia đình đã đoạt giải nhì cấp quốc gia trong Cuộc thi nghiên cứu khoa học dành cho học sinh THPT 2014.

Từ thực trạng người dân các khu vực quận/huyện vùng ven TP.HCM phải sử dụng nguồn nước không đảm bảo từ giếng khoan, kênh rạch… bị nhiễm phèn và các kim loại nặng, lại không có điều kiện trang bị máy lọc nước nên phải đi mua từng can nước ngọt; nhóm đã nghiên cứu, tìm hiểu và đề ra giải pháp lọc nước bằng lõi lọc từ đất sét và mùn cưa bằng cách trộn đất sét với mùn cưa theo các tỉ lệ để tạo gốm và nung ở nhiệt độ khác nhau. Sau những mẻ gốm đầu không đạt chất lượng, giòn và dễ gãy, nhóm đã tạo ra sản phẩm gốm xốp, nhẹ với các lỗ nhỏ trên bề mặt. Trưởng nhóm Nguyễn Thiện Thành giải thích, những lỗ nhỏ xuất hiện trên bề mặt và trong lòng gốm chính là những mùn cưa bị đốt cháy trong quá trình nung; những lỗ nhỏ này là chỗ để nước chảy qua, hình thành khả năng lọc của lõi gốm, đồng thời sẽ hấp phụ các kim loại nặng có trong nguồn nước. Từ những mẫu gốm với tỉ lệ khác nhau, nhóm tiến hành lọc nước có đo tốc độ chảy, khả năng hấp phụ để cuối cùng xác định tỉ lệ thích hợp nhất đảm bảo lượng nước chảy qua nhanh, sạch và cấu trúc gốm khá chắc chắn là tỉ lệ 4:6 (4 đất sét : 6 mùn cưa) và 1:2.

Sau khi hoàn thành xong lõi gốm lọc nước, nhóm tiếp tục thực hiện điều chế keo bạc nano bằng cách sử dụng tác nhân hóa học để khử ion bạc tạo thành bạc kim loại và để kết tụ lại tạo thành các hạt nano bạc kim loại. Lớp keo này được quét lên bề mặt lõi gốm rồi đem nung ở nhiệt độ 90-1000C để keo bạc nano khô và phân tán đều khắp các mao mạch lẫn bề mặt gốm. Lớp bạc nano và lõi gốm có tác dụng diệt khuẩn, giữ hấp phụ các kim loại nặng có trong nguồn nước sẽ được đặt trong hệ thống lọc gồm có hai bồn nước. Bồn thứ nhất có cấu tạo gồm 5 lớp mica được đục lỗ đều và dày đặc để tạo giàn mưa đơn giản, có nhiệm vụ tạo ôxy giúp thúc đẩy quá trình ôxy hóa các kim loại nặng diễn ra nhanh hơn. Quá trình ôxy hóa biến các ôxít sắt, mangan thành các hydroxit và lắng xuống, trong quá trình lắng đó các hydroxit hấp thụ một phần asen có trong nước. Điều này giúp loại bớt các kim loại nặng có trong nước. Bồn thứ hai được dẫn từ bồn thứ nhất bằng một van dẫn nước, nước này sẽ được chảy vào lõi gốm xốp đã được phủ keo bạc nano. Để kiểm soát lượng nước trong lõi gốm, nhóm cũng đặt một phao ngắt nước tự động trong lõi gốm. Ngoài ra, nhóm cũng lắp một phao tự động ngắt nước ở phần chứa nước phía dưới lõi lọc để ngăn ngừa quá trình thẩm thấu ngược. Giữa hai bồn này có hệ thống van dẫn nước vào, van dẫn nước ra, có phao ngắt nước để tự động bơm, ngắt nước khi đầy và một van xả phèn ở dưới đáy để thuận tiện cho việc vệ sinh bồn nước. Sau khi lọc qua hai bồn, nước thu được có màu trong suốt và vượt xa quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống. Cụ thể: Nếu trước khi lọc, nước có nồng độ asen là 0,003mg/lít, sắt là 9,23mg/lít, mangan 0,91 mg/lít thì sau khi lọc và phân tích tại Viện Công nghệ hóa học TP.HCM, cả ba chỉ tiêu này đều không xác định được, nghĩa là quá nhỏ so với các chỉ số của Bộ Y tế đưa ra là 0,01; 0,3 và 0,3. Điều đáng nói là nếu áp dụng tấm lõi lọc có kích thước lớn thì khả năng lọc nước sẽ nhanh hơn, đủ lượng nước dùng trong ngày của một hộ gia đình. Khi kết hợp các phao tự động, việc bơm nước sẽ được tự động hóa. Và nếu kết hợp với một bể chứa bình thường, hệ thống lọc nước có thể thay cho một hệ thống bể bơm nước giếng bình thường với chất lượng nước đạt tiêu chuẩn mà không phát sinh thêm quá nhiều chi phí.

Nghe thì có vẻ đơn giản, nhưng để thực hiện được hệ thống hoàn chỉnh này, nhóm phải đầu tư khá nhiều thời gian, công sức cho việc tiến hành, rút kinh nghiệm. Chỉ riêng việc kiểm tra mẫu nước, nhóm đã phải chạy tới chạy lui ở Viện Công nghệ hóa học TP.HCM để tiến hành các xét nghiệm. Các thành viên trong nhóm cũng phải thay phiên vào phòng thí nghiệm của Khoa Môi trường Trường ĐH KHTN TP.HCM để phân tích và thử nghiệm điều chế keo bạc nano. Nhiều lần thất bại, bế tắc, cả nhóm lại phải tự động viên nhau, hoặc ngưng một thời gian để cùng suy nghĩ hướng giải quyết khác. Những “tai nạn nghề nghiệp” khi điều chế bạc nano bị dính vào tay, hay kết quả của bài thi không được như ý muốn do ngôn ngữ tiếng Anh hạn chế là bài học đắt giá để nhóm rút kinh nghiệm cho những lần thực hiện sau này.

Hiện tại, nhóm đã tiến hành cấy khuẩn ecoli vào nước ngầm và đưa nước qua giàn mưa tạo thoáng trước khi lọc qua lõi gốm có tỉ lệ 1:2. Mẫu nước lọc này đã được gửi lên Viện Công nghệ hóa học TP.HCM và chờ kết quả phân tích. Nếu thành công, kết quả lọc nước sẽ là động lực để các thành viên trong nhóm nghiên cứu vật liệu hỗ trợ tạo xốp, tăng độ bền cho gốm và ứng dụng thương mại hóa sản phẩm vào đời sống thực tiễn.

Bài, ảnh: Ngọc Anh