Các nhà khoa học Trung Quốc chuyển đổi nước thải thành vật liệu bán dẫn

Các nhà khoa học Trung Quốc đã tìm ra cách chiết xuất các hóa chất hữu ích từ nước bị ô nhiễm kim loại nặng, từ đó dẫn tới việc sản xuất các vật liệu bán dẫn có giá trị một cách bền vững. Ảnh: Shutterstock

Theo hãng tin SCMP, nghiên cứu này được dẫn đầu bởi Giáo sư Gao Xiang thuộc Viện Sinh học Tổng hợp Thâm Quyến thuộc Viện Khoa học Trung Quốc và Giáo sư Lu Lu của Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân ở Thâm Quyến. Thông qua việc chiết xuất các hóa chất hữu ích từ nước thải công nghiệp bị ô nhiễm kim loại nặng, nghiên cứu này có thể giúp mở đường cho việc sản xuất các vật liệu bán dẫn có giá trị theo cách thân thiện với môi trường.

Trên lý thuyết, các linh kiện bán dẫn – nền tảng của ngành công nghệ cao - được sản xuất bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý trong môi trường siêu sạch. Vật liệu chế tạo ra các linh kiện này có thể được sản xuất theo hướng bền vững là từ vi khuẩn biến đổi gen trong nước thải.

Tuy nhiên, thành phần đa dạng và phức tạp của nước thải công nghiệp đặt ra thách thức khi sử dụng nó làm nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn. Trong khi đó, hạn chế trong sản xuất khiến chi phí cho việc này cao gấp 100 lần giá vàng. Vì vậy để tìm ra một phương pháp tối ưu hơn, các nhà nghiên cứu muốn tìm cách chuyển đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành các chất bán dẫn sinh học lai – các chất được tạo thành từ các thành phần sinh học và phi sinh học.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã chọn vibrio natriegens – một loại vi sinh vật nước mặn – là điểm khởi đầu. Theo hãng tin SCMP dẫn lời ông Gao Xiang, “vi khuẩn này là một trong những vi khuẩn công nghiệp sinh sôi nhanh nhất khi chúng có thể phát triển nhanh gấp đôi so với E coli thường được sử dụng”.

Ông cho biết: “Vibrio natriegens có thể phát triển mạnh trong môi trường có độ mặn cao và có khả năng chịu nước thải cao. Chúng cũng có thể sử dụng hơn 200 loại vật liệu hữu cơ làm chất dinh dưỡng, bao gồm đường, rượu, axit amin và axit hữu cơ, từ đó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nghiên cứu này”.

Nhóm nghiên cứu khiến chủng vi khuẩn này hấp thụ trực tiếp sulphate từ môi trường và tạo ra khí hydro sulphide, sau đó kết hợp với các ion kim loại trong nước thải để tạo ra các hạt nano bán dẫn, hay còn được gọi là chấm lượng tử. Nhờ tính linh hoạt, phương pháp này còn có thể áp dụng cho nhiều ion kim loại khác nhau, thu được các hợp chất như cadmium sulphide, chì sulphide và thủy ngân sulphite.

Các hạt nano sau đó được cố định trên bề mặt vi khuẩn, tạo thành các hạt sinh học bán dẫn. Khi tiếp xúc với ánh sáng, vật liệu bán dẫn sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành electron, cung cấp thêm năng lượng cho vi khuẩn.

Nhận định về nghiên cứu, ông Gao cho biết: “Sau một chu trình hoàn chỉnh, các chất sinh học trong nước thải có thể được thu thập thông qua quá trình lọc hoặc lắng để chiết xuất vật liệu bán dẫn”. Hệ thống lai sinh học này có thể là một phương pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí để sản xuất các chấm lượng tử có giá trị cao”.

Ngoài ra, quá trình này còn có một tác dụng khác là chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành 2,3-butanediol (BDO), một loại hóa chất có thể được ứng dụng rộng rãi trong mỹ phẩm, nông nghiệp và chăm sóc sức khỏe.

Ông Gao cho biết: “Năng lượng bổ sung được tạo ra bởi các hạt nano thông qua việc hấp thụ ánh sáng đã cải thiện hiệu quả tổng hợp của các chất lai sinh học và tỷ lệ chuyển đổi chất hữu cơ trong nước thải”.

Ngân Hà