Tìm hiểu về vật liệu nano, màng lọc nano và ứng dụng của chúng. Đời sống con người càng được cải thiện một phần là do khoa học kĩ thuật ngày càng tiến bộ. Trong những năm trở lại đây khoa học đã cho ra đời rất nhiều công nghệ có ích cho xã hội, trong đó phải kể đến công nghệ Nano. Vật liệu Nano cũng đã được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực.
Như chúng ta đã biết trên thị trường máy lọc nước hiện nay xuất hiện 2 loại hệ thống lọc nước nano. Đó là máy dùng vật liệu nano và màng lọc nano. Đây là cách gọi khác hay là 2 công nghệ nano khác nhau? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé!
Công nghệ nano là gì?
Công nghệ Nano (Nanotechnology) là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho các mục đích công nghiệp. Hay có thể hiểu đơn giản là sự phân tích, điều khiển và chế tạo các vật chất bằng cách đưa nó về hình dạng và kích thước từ 1 đến 100 nanomet.
Công nghệ Nano chỉ mới thực sự phát triển và phổ biến rộng rãi từ khi cuộc cách mạng 4.0 bắt đầu. Tính đến hiện tại, nó đã góp một phần không nhỏ đến việc phục vụ con người. Điển hình là khâu sản xuất các mặt hàng thủy tinh, gốm, sứ,… đều có sự góp mặt của công nghệ này. Công nghệ Nano hiện được coi là ngành công nghệ hàng đầu về khoa học – kĩ thuật trên thế giới và hứa hẹn sẽ ngày một phát triển trong tương lai.
Vật liệu nano là gì?
Định nghĩa
Như đã đề cập, công nghệ Nano là sự phân tích, điều khiển và chế tạo các vật chất bằng cách đưa nó về hình dạng và kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Chúng tạo ra loại vật liệu Nano - một loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, ống, hay các tấm mỏng có kích thước rất nhỏ khoảng từ 1 đến 100 nanomet. Từ thế kỉ 10, các hạt Nano đã được con người sử dụng, chế tạo ra các vật liệu nano, tuy nhiên con người lại không hề biết về nó.
Loại vật liệu này tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: Rắn, lỏng và cả ở thể khí. Tên của vật liệu Nano còn có thể đặc theo hình dáng vật liệu, bao gồm vật liệu Nano không chiều (đám Nano, hạt Nano), vật liệu Nano một chiều (dây Nano, ống Nano), vật liệu Nano hai chiều (màng mỏng), ngoài ra còn có vật liệu mang cấu trúc Nano hay Nanocomposite.
Các phương pháp chế tạo
Có rất nhiều các phương pháp chế tạo vật liệu Nano. Dưới đây là 5 phương pháp phổ biến nhất:
Phương pháp hóa ướt: Bao gồm các phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và đồng kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, độ pH, mà các vật liệu Nano được kết tủa từ dung dịch. Sau quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu có kích thước Nano.
Phương pháp cơ khí Nano: Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền bi hành tinh hay máy nghiền quay.
Phương pháp bay hơi nhiệt: Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), lắng đọng trong chân không (vacuum deposition), vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả trong chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt. Người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt Nano bằng cách cạo vật liệu Nano từ tấm chắn.
Phương pháp pha khí: Gồm các phương pháp nhiệt phân, nổ điện (electro-explosion), đốt laser, bốc hơi ở nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu Nano từ pha khí.
Phương pháp hóa học: Dung dịch muối kim loại thông qua quá trình phản ứng oxi hóa khử chuyển ion sang kim loại ở kích thước Nano. Do các hạt Nano có năng lượng lớn nên có khuynh hướng liên kết lại với nhau để quay về kích thước bền hơn (micro), do đó sau khi phản ứng hạt Nano kim loại được bọc bằng chất bảo vệ. Điển hình là bạc keo hay còn gọi là Nano bạc (Colloidal Silver).
Màng lọc nano là gì?
Màng lọc nano (Nanofiltration – NF) Màng lọc nano có kích thước lỗ rỗng khoảng 0,001μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 100 – 600 psi; là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc màng là RO và UF. Nó có thể lọc được các phân tử muối hoá trị thấp và các chất khoáng ; được ứng dụng trọng lọc cặn các protein, gelatin, công nghệ chế biến nước hoa quả, phân ly chất rắn hoà tan trong dung dịch và sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt. Màng lọc nano có khe lọc kích thước 1 nanomet được phát triển bởi các công ty Mỹ, Nga,…
Công dụng và cơ chế hoạt động của vật liệu nano và màng lọc nano?
Chúng đều hoạt động theo nguyên tắc lọc lý hóa. Vừa ứng dụng tính chất hóa học vừa ứng dụng tính chất vật lý để đạt hiệu quả lọc tốt nhất.
Tính chất vật lý ngăn chặn vi khuẩn, virus, huyền phù, ion gây ô nhiễm nguồn nước đi qua những lỗ nhỏ của lõi lọc (màng lọc hoặc, lõi lọc). Tính chất hóa học quyết định khả năng làm chết vi khuẩn của máy nano.
Về cơ bản, chỉ cần sử dụng 1 lõi lọc nano, nước đã đạt tiêu chuẩn. Tuy nhiên, lõi nano có giá thành cũng không hẳn rẻ, các dòng máy lọc nước nano, sẽ có thêm các vài lõi phía trước để giúp kéo dài thời gian sử dụng lõi lọc nano.
Cả 2 loại máy lọc nước theo 2 công nghệ này đều có ưu điểm không có nước thải. Giữ được hoàn toàn nước, không tốn điện như các dòng máy RO, giữ lại được ion có lợi trong nước.
Cơ chế hoạt động của lõi lọc vật liệu nano phân tử bạc
Cơ chế hoạt động của công nghệ lọc nano là tạo ra các lỗ kích thước nano ngăn cho vi khuẩn, virus đi qua
Đầu tiên phải khẳng định đây là công nghệ không mới, đã được sử dụng nhiều trên toàn thế giới. Các sản phẩm lõi lọc vật liệu nano bạc được sản xuất phổ biến ở Nga.
Để vi khuẩn được diệt thật sự, chúng phải được tiếp xúc với ion Ag+ hơn 6 phút. Các lõi lọc Nano do Nga chế tạo: được cải tiến để Nano bạc có thể giết chết được vi khuẩn, kìm hãm vi khuẩn phát triển. Nguyên lý của lõi lọc là: người ta tạo ra các lõi lọc có khe lọc rộng từ 0.01micron tới 0.1micron, có thể ngăn được con vi khuẩn không đi xuyên qua lõi lọc.
Khi con vi khuẩn đi vào lõi lọc, nó bị mắc kẹt tại các khe lọc. Khi nằm tại các khe lọc, bạc Nano có đủ thời gian để giết chết con vi khuẩn. Tuy xác vi khuẩn nằm lại trong lõi lọc, nhưng tránh được nguy cơ vi khuẩn phát triển và phá vỡ tấm lọc. Các lõi lọc của Nga sản xuất có thế mạnh là diệt vi khuẩn.
Cơ chế đối với máy sử dụng màng lọc nano:
Màng lọc nano là một công nghệ cao cấp hơn so với vật liệu nano thông. Chúng có khả năng lọc được nước lợ. Tỷ lệ loại bỏ vi khuẩn, virus là 100%.
Công nghệ nano khác?
Ngoài 2 công nghệ trên, trên thị trường còn xuất hiện dòng máy lọc nước nano Diatomite. Khác với hai loại trên loại này còn không được sản xuất từ con người. Diatomite được hình thành từ một loại tảo biển đã bị hóa thạch hàng triệu năm dưới biển sâu.
Khi còn sống, các loài tảo này có kích thước siêu nhỏ, các cơ quan thu gom thức ăn trên cơ thể chúng là rất nhiều các lỗ nhỏ li li, kích thước khoảng 100 nanomet, khi nước đi qua cơ thể chúng thì các chất huyền phù làm thức ăn cho chúng được giữ lại tại các lỗ này. Sau khi các tảo này bị hóa thạch, chúng tạo thành các mỏ diatomite dưới đại dương. Chúng có đặc tính là tỉ lệ các lỗ xốp rỗng trên diện tích rất lớn, giúp chúng có khả năng lọc nước (nhỏ hơn kích thước vi khuẩn) với tốc độ dòng chảy cao.
Đặc tính ưu việt, nhưng khâu khai thác làm Diatomite thêm đắt hơn. Có thể khẳng định đây lọc nano tốt nhất. Tuy nhiên do giá thành đắt, hiện chúng tôi chưa thấy có dòng máy sử dụng Diatomite xuất hiện trên thị trường Việt Nam.
Công nghệ nào lọc nước tốt hơn?
Công nghệ máy lọc nước tốt nhất là Diatomite, tiếp đó là màng lọc nano, sau là vật liệu nano. Cả 3 loại công nghệ này đều được đạt nước tiêu chuẩn ăn uống. Nhưng đối với vật liệu nano, không xử lý được nước lợ, cũng như nếu hàm lượng nước nước cứng cao. Do đó khi mua máy sử dụng vật liệu lọc, cần phải làm các xét nghiệm test nước đầu vào trước.
Ứng dụng của công nghệ và vật liệu Nano
- Ứng dụng của công nghệ Nano
Công nghệ Nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, tạo ra và làm tăng tính chất đặc biệt của vật liệu nhưng lại giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Đây được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… Vì thế có thể coi công nghệ này đã và đang tác động đến toàn xã hội.
Nền công nghệ Nano góp phần nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài…
Công nghệ Nano trong pin năng lượng mặt trời
Về mặt kỹ thuật, công nghệ này giúp chế tạo các linh kiện điện tử Nano với tốc độ xử lý cực nhanh. Các nhà xưởng cũng dùng vật liệu Nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, chế tạo màn hình máy tính, điện thoại và các linh kiện cho xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…
Công nghệ Nano trong công nghệ thông tin
Công nghệ hiện đại này còn có thể khiến các loại thực phẩm thay đổi hương vị cũng như giàu dinh dưỡng hơn. Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta sẽ được thưởng thức những món ăn với hương vị vô cùng lạ mà giá trị dinh dưỡng vẫn cao nhờ công nghệ Nano thực phẩm. Ngoài ra, công nghệ Nano cũng sẽ giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng cách tạo ra những vật liệu đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn, tiêu biểu là các tủ lạnh với các ngăn chứa thực phẩm được tích hợp công nghệ này.
Công nghệ Nano có khả năng thay đổi hương vị
Về môi trường, nó giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Cụ thể chúng ta đã chế tạo thành công các màng lọc Nano, góp phần lọc được các phân tử gây ô nhiễm. Các chất hấp phụ, xúc tác Nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn… Trong đó, điển hình là Máy lọc nước Nano.
Ứng dụng của vật liệu Nano
Vật liệu Nano đã và đang được giới y học đánh giá cao và ngày càng áp dụng vào trong lĩnh vực y học, sinh học này. Các hạt Nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể. Giúp con người có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào. Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt Nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc và thậm chí là tiêu diệt các tế bào ung thư.
Vật liệu Nano dùng trong y học
Ngành may mặc cũng có những bước chuyển mình từ khi vật liệu Nano được tạo ra. Họ áp dụng vật liệu Nano bạc có khả năng thu hút và tiêu diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo. Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao ở các hãng lớn. Và đặc biệt, còn được sử dụng trong một số loại quần lót khử mùi.
