Bộ lọc kiểu mang cá giúp loại bỏ 99% hạt vi nhựa từ máy giặt

Một trong những thủ phạm thầm lặng, nhưng đóng góp lượng lớn rác thải nhựa vào hệ thống nước thải chính là chiếc máy giặt quen thuộc trong mỗi gia đình. Trước thách thức nan giải về việc lọc sạch các sợi vải nhựa siêu nhỏ mà không làm tắc nghẽn hệ thống. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bonn (Đức) đã tìm thấy câu trả lời từ một nguồn cảm hứng bất ngờ - thế giới đại dương.

Bên trong miệng của cá cơm này, các hạt sinh vật phù du được hệ thống mang bắt giữ

Bằng cách mô phỏng cấu trúc vòm mang của các loài cá chuyên lọc thức ăn. Nhóm các nhà khoa học đã phát triển thành công một thiết bị lọc mới, có khả năng loại bỏ hơn 99% sợi vi nhựa khỏi nước thải máy giặt. Hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới cho công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Bài học từ đại dương: Khi cấu trúc mang cá trở thành bản thiết kế công nghệ

Vấn đề ô nhiễm vi nhựa từ quá trình giặt giũ quần áo tổng hợp, nghiêm trọng hơn nhiều so với hình dung của đại đa số công chúng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng chỉ riêng một chiếc máy giặt trong một hộ gia đình bốn người có thể giải phóng tới 500 gram vi nhựa mỗi năm vào hệ thống thoát nước. Phần lớn số rác thải này sinh ra do sự ma sát và mài mòn của vải vóc trong quá trình giặt. Khi thoát ra khỏi máy giặt, các hạt vi nhựa này đi vào các nhà máy xử lý nước thải, nơi chúng thường tích tụ trong bùn thải.

Điều đáng lo ngại là loại bùn này thường được tái sử dụng làm phân bón trong nông nghiệp, vô tình đưa các sợi nhựa quay trở lại đất canh tác, xâm nhập vào chuỗi thức ăn và cuối cùng là quay lại bàn ăn của con người. Trước áp lực ngày càng tăng này, các nhà sản xuất thiết bị gia dụng đã nỗ lực tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để giữ lại vi nhựa trước khi chúng thoát ra môi trường.

Tuy nhiên, Tiến sĩ Leandra Hamann từ Viện Sinh học Sinh vật tại Đại học Bonn cho biết: Các hệ thống lọc hiện có trên thị trường đều tồn tại những nhược điểm chí mạng. Phổ biến nhất là tình trạng bộ lọc nhanh chóng bị tắc nghẽn hoặc hiệu suất lọc không đủ cao để giữ lại các hạt siêu nhỏ.

Để tìm ra một giải pháp vượt trội hơn, Tiến sĩ Hamann cùng người hướng dẫn tiến sĩ của mình là Tiến sĩ Alexander Blanke và các đồng nghiệp đã quyết định quay về với tự nhiên. Nghiên cứu các hệ thống lọc sinh học đã được hoàn thiện, qua hàng trăm triệu năm tiến hóa. Sự chú ý của nhóm nghiên cứu tập trung vào các loài cá kiếm ăn bằng cách lọc nước như cá thu, cá mòi và cá cơm.

Những loài sinh vật này bơi với cái miệng mở rộng, liên tục lọc nước qua hệ thống vòm mang để giữ lại các sinh vật phù du làm thức ăn. Tiến sĩ Blanke, thành viên của các khu vực nghiên cứu xuyên ngành về Sự sống, Sức khỏe và Tương lai Bền vững tại Đại học Bonn, giải thích rằng họ đã xem xét kỹ lưỡng cấu trúc giải phẫu của hệ thống này và sử dụng nó làm mô hình để phát triển bộ lọc cho máy giặt.

Qua quá trình tiến hóa lâu dài, các loài cá này đã phát triển một kỹ thuật tinh vi tương tự như nguyên lý lọc dòng chảy chéo trong công nghiệp. Hệ thống vòm mang của chúng có hình dạng giống như một cái phễu, rộng nhất ở miệng cá và thu hẹp dần về phía thực quản. Các thành của phễu này được định hình bởi các cung mang, vốn có cấu trúc giống như những chiếc lược được bao phủ bởi các răng nhỏ. Cấu tạo đặc biệt này tạo ra một loại lưới sinh học được căng bởi các cung mang, cho phép nước đi qua nhưng giữ lại thức ăn một cách hiệu quả mà không gây tắc nghẽn dòng chảy.

Hiệu quả vượt trội và triển vọng thương mại hóa: Chặn đứng dòng chảy vi nhựa từ nguồn

Cơ chế vận hành của bộ lọc sinh học này chính là chìa khóa giải quyết bài toán tắc nghẽn mà các bộ lọc nhân tạo trước đây gặp phải. Tiến sĩ Blanke mô tả quy trình này một cách chi tiết rằng trong quá trình nạp thức ăn, nước chảy qua thành phễu thấm, được lọc sạch và sau đó nước không chứa hạt được giải phóng trở lại môi trường qua mang.

Bộ phận lọc ở trung tâm mô phỏng hệ thống mang cá. Vỏ bộ lọc cho phép vệ sinh định kỳ và lắp đặt trong máy giặt.

Tuy nhiên, các sinh vật phù du có kích thước quá lớn để đi qua lưới lọc tự nhiên này sẽ bị giữ lại. Nhờ hình dạng phễu đặc biệt và dòng chảy của nước, thức ăn không đâm thẳng vào màng lọc gây tắc nghẽn mà lăn dọc theo thành phễu về phía thực quản. Tại đây, chúng được thu gom lại cho đến khi cá thực hiện động tác nuốt, giúp làm sạch hệ thống và chuẩn bị cho chu trình lọc tiếp theo. Nguyên lý tự làm sạch này giúp bộ lọc không bao giờ bị chặn, đồng thời duy trì hiệu suất lọc cực cao khi loại bỏ gần như toàn bộ sinh vật phù du khỏi nước. Đây chính xác là hai yếu tố cốt lõi mà một bộ lọc vi nhựa lý tưởng cần phải đạt được.

Dựa trên nguyên lý này, các nhà nghiên cứu đã sao chép hệ thống vòm mang cá, tiến hành tinh chỉnh kích thước mắt lưới của cấu trúc sàng và góc mở của phễu để phù hợp với môi trường máy giặt. Kết quả thu được là một bước đột phá lớn. Tiến sĩ Hamann khẳng định nhóm đã tìm ra sự kết hợp các thông số cho phép bộ lọc tách được hơn 99% vi nhựa ra khỏi nước mà không bị tắc nghẽn.

Để đạt được độ chính xác này, nhóm không chỉ dựa vào các thí nghiệm vật lý mà còn sử dụng các mô phỏng máy tính phức tạp để tối ưu hóa dòng chảy. Một ưu điểm lớn khác của thiết kế này là nó không chứa các cơ cấu cơ khí phức tạp, do đó chi phí sản xuất dự kiến sẽ rất thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng đại trà.

Trong mô hình ứng dụng thực tế cho máy giặt, các hạt vi nhựa được lọc ra khỏi nước giặt sẽ thu thập tại đầu ra của bộ lọc và được hút đi nhiều lần trong mỗi phút. Theo các nhà nghiên cứu, số vi nhựa này sau đó có thể được ép lại ngay trong máy để loại bỏ nước dư thừa, tạo thành các viên nén nhựa nhỏ. Người dùng chỉ cần loại bỏ các viên nén này sau vài chục lần giặt và vứt bỏ cùng rác thải sinh hoạt thông thường, ngăn chặn hoàn toàn việc chúng đi vào hệ thống nước thải.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Bonn và Viện Fraunhofer về Công nghệ Môi trường, An toàn và Năng lượng UMSICHT đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phát minh này tại Đức và đang tiến hành thủ tục cấp bằng sáng chế trên toàn Liên minh Châu Âu.

Kỳ vọng của các nhà khoa học là các nhà sản xuất thiết bị gia dụng sẽ sớm tiếp nhận công nghệ này, phát triển thêm và tích hợp nó vào các thế hệ máy giặt tương lai. Đây là một bước đi cần thiết và cấp bách để ngăn chặn sự lây lan của vi nhựa từ hàng dệt may, đặc biệt trong bối cảnh các phân tích y tế gần đây đã phát hiện các hạt vi nhựa trong sữa mẹ, nhau thai và thậm chí là trong não bộ con người, gây ra những lo ngại nghiêm trọng về sức khỏe lâu dài.

Với bộ lọc lấy cảm hứng từ loài cá này, con người đang tiến một bước gần hơn đến việc giải quyết một trong những vấn đề môi trường nhức nhối nhất của thế kỷ 21 bằng chính trí tuệ của thiên nhiên.

Bùi Tú