PFAS ở cấp phân tử, fluoropolymer lớn hơn hàng nghìn lần: Nanoparticle từ tính kéo cả hai khỏi nước

Một phân tử PFAS chỉ ở thang nanomet, trong khi một mảnh microplastic có thể lớn hơn nó hàng nghìn lần. Sự chênh lệch kích thước ấy thường đồng nghĩa với hai bài toán xử lý nước khác nhau. Nhóm của Prof. Marcus Halik tại Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) vừa cho thấy một nền tảng hạt nano từ tính có thể xử lý cả hai đầu của khoảng kích thước này — từ PFAS hòa tan ở cấp phân tử tới các hạt fluoropolymer chứa fluor — rồi dùng từ trường để kéo chất ô nhiễm ra khỏi nước.

Nghiên cứu, do Johannes Voß và Linda Rockmann đồng dẫn dắt cùng các cộng sự tại FAU, Uniklinikum Erlangen và Cơ quan Y tế và An toàn Thực phẩm bang Bavaria, được công bố trên Materials Today. Điểm quan trọng không phải là tạo ra một “nam châm hút PFAS” theo nghĩa trực tiếp. Nam châm chỉ thu hồi lõi oxit sắt; phần thực sự quyết định chất nào bị bắt nằm ở lớp hóa học cực mỏng bao quanh hạt.

Một lõi từ tính, nhiều bề mặt hóa học khác nhau

Nền tảng của nhóm là các hạt nano oxit sắt siêu thuận từ, hay SPION. Ở kích thước này, hạt có thể phân tán trong nước và cung cấp diện tích bề mặt lớn để tương tác với chất ô nhiễm. Khi đặt trong từ trường ngoài, chúng lại có thể được gom về một phía để tách khỏi pha nước.

Nhưng oxit sắt tự nó không đủ chọn lọc. Nhóm nghiên cứu phủ bề mặt hạt bằng một self-assembled monolayer (SAM) — lớp đơn phân tử tự sắp xếp có thành phần được thay đổi tùy loại PFAS cần bắt. Theo bài báo, các lớp này được thiết kế để tạo ra tương tác tĩnh điện và tương tác kỵ nước với chất ô nhiễm.

Điều đó giải quyết một khó khăn cơ bản của PFAS: đây không phải một hóa chất đơn lẻ. Trong nhóm chất này có các phân tử mang điện như PFOA và PFOS, các hợp chất fluor hóa trung tính, và cả fluoropolymer rắn như PTFE. Một bề mặt hấp phụ tối ưu cho phân tử mang điện chưa chắc hoạt động tốt với hợp chất trung tính hoặc một sợi polymer.

Thay vì cố ép tất cả lên cùng một cơ chế, nhóm Halik dùng cùng lõi SPION nhưng “đổi áo” bề mặt. Một số lớp phủ ưu tiên tương tác điện tích; một số khác tăng tương tác kỵ nước hoặc ái lực với phần fluor hóa. Các thử nghiệm được nhóm trình bày trước đó tại American Chemical Society cũng cho thấy cách tiếp cận này có thể áp dụng cho PFOS, PFOA, hợp chất trung tính HFE 7500 và PTFE ở dạng hạt hoặc sợi.

Từ PFAS hòa tan tới microplastic chứa fluor

Phần đáng chú ý nhất của nghiên cứu mới là việc mở rộng cùng nguyên lý sang fluoropolymer ở kích thước nano và micro. FAU mô tả đây là lần đầu nhóm chứng minh nền tảng làm sạch từ tính của họ không chỉ bắt PFAS ở cấp phân tử mà còn thu được microplastic chứa fluor.

Trong trường hợp này, cần phân biệt rõ: nghiên cứu không chứng minh khả năng bắt mọi loại microplastic. Đối tượng được nhấn mạnh là micro- và nanoplastic perfluorinated, tức các fluoropolymer như PTFE, cùng các sợi chứa fluor có thể phát sinh từ vật liệu kỹ thuật và quá trình giặt đồ ngoài trời. Đây là phạm vi hẹp hơn nhiều so với toàn bộ polyethylene, polypropylene, PET hay polystyrene thường được gọi chung là microplastic.

Sau khi SPION tiếp xúc với nước, chất ô nhiễm bám lên bề mặt đã được chức năng hóa. Từ trường ngoài sau đó gom các hạt nano mang theo PFAS hoặc fluoropolymer, tạo ra một bước tách vật lý tương đối trực tiếp. Cơ chế này khác với màng lọc: chất ô nhiễm không cần bị giữ lại bởi kích thước lỗ mà được “gắn” vào một hạt có thể điều khiển bằng nam châm.

Không chỉ thử trong nước siêu sạch

Một vật liệu hấp phụ có thể cho kết quả đẹp trong nước khử ion nhưng suy giảm mạnh khi gặp muối, chất hữu cơ hòa tan, bùn hoặc các chất hoạt động bề mặt. Vì vậy nhóm nghiên cứu thử SPION trên nhiều nền mẫu thực tế hơn: nước sông, nước rửa đất trong xử lý ô nhiễm, nước thải từ giặt quần áo ngoài trời và một nguồn nước uống đã bị nhiễm PFAS.

Theo FAU, trong mẫu nguồn nước uống bị ô nhiễm, quy trình giảm tổng nồng độ PFAS khoảng 87%, xuống dưới mức 100 nanogram mỗi lít mà trường đại học dẫn như giới hạn mới tại Đức. Bài báo trên Materials Today còn báo cáo một số cấu hình SPION kỵ nước có khả năng giảm PFAS tới 95,4% trong các điều kiện thử nghiệm.

Nhóm cũng cho biết fluoropolymer dạng microplastic có thể được loại khỏi nước bằng cùng bước tách từ. Một thí nghiệm phối hợp được trình bày trước đó của nhóm cho thấy khi PFOS và hạt PTFE cùng xuất hiện, hiệu suất thu hồi từng loại không bị suy giảm rõ rệt, gợi ý rằng nền tảng có thể xử lý hỗn hợp thay vì chỉ một chất mục tiêu đơn lẻ.

Điểm mạnh thực sự là thu hồi chất hấp phụ

Hấp phụ PFAS không phải ý tưởng mới. Than hoạt tính, nhựa trao đổi ion và nhiều vật liệu xốp đều có thể giữ một số PFAS. Vấn đề khó hơn là làm sao thu hồi chất hấp phụ sau khi nó đã mang chất ô nhiễm, đặc biệt nếu vật liệu ở dạng bột rất nhỏ.

SPION biến bước đó thành thao tác từ tính. Khi hạt có tính siêu thuận từ, chúng phản ứng mạnh với từ trường ngoài nhưng không giữ từ dư lớn sau khi từ trường được bỏ đi. Về nguyên tắc, đặc tính này thuận lợi cho chu trình phân tán hạt vào nước, cho hạt bắt chất ô nhiễm rồi gom chúng trở lại.

Nhóm nghiên cứu cũng báo cáo một số hạt có thể được tái sinh và dùng lại sau khi tách từ. Trong các nghiên cứu tiền nhiệm của nhóm, quá trình “bắt và nhả” PFAS có thể được điều khiển bằng pH, cho phép giải phóng chất ô nhiễm khỏi bề mặt và phục hồi hạt hấp phụ cho chu kỳ kế tiếp.

Loại PFAS khỏi nước không có nghĩa là phá hủy PFAS

Đây cũng là giới hạn quan trọng nhất cần giữ khi đọc kết quả. Phương pháp của nhóm là thu gom và cô đặc PFAS lên vật liệu từ tính; nó không tự phá vỡ liên kết carbon–fluor vốn khiến nhiều PFAS rất bền. Sau khi nam châm lấy hạt ra khỏi nước, PFAS vẫn tồn tại và cần được tái sinh, cô đặc hoặc xử lý ở bước sau.

Ngoài ra, các thử nghiệm trên mẫu nước thực cho thấy vật liệu đã đi xa hơn một thí nghiệm chỉ trong nước tinh khiết, nhưng vẫn chưa đồng nghĩa với một quy trình xử lý nước quy mô nhà máy. Một hệ thống thương mại sẽ còn phải chứng minh khả năng thu hồi gần như toàn bộ nanoparticle, độ bền qua nhiều chu kỳ, chi phí của lớp chức năng hóa, tốc độ xử lý ở lưu lượng lớn và cách quản lý dòng PFAS cô đặc sau tái sinh.

FAU mô tả oxit sắt dùng trong nền tảng là vật liệu có thể mở rộng quy mô và không độc, nhưng việc triển khai ngoài thực địa vẫn cần kiểm soát chặt để các hạt nano không trở thành một dòng vật liệu thứ cấp trong nước đã xử lý.

Từ một chất ô nhiễm sang một nền tảng bề mặt

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu không nằm ở một kỷ lục hiệu suất duy nhất. Nó nằm ở việc dùng hóa học bề mặt có thể điều chỉnh để biến cùng một lõi từ tính thành chất hấp phụ cho những mục tiêu rất khác nhau — từ phân tử PFAS hòa tan tới vật liệu fluoropolymer lớn hơn nhiều bậc kích thước.

Nếu hướng này tiến tới quy mô xử lý thực, giá trị của nó có thể nằm ở các dòng nước khó xử lý bằng một công nghệ duy nhất: nước rửa đất, nước thải công nghiệp hoặc nước giặt chứa cả PFAS hòa tan lẫn mảnh fluoropolymer. Bước tiếp theo không còn chỉ là chứng minh rằng hạt có thể “bắt” chất ô nhiễm, mà là chứng minh toàn bộ chu trình bắt – thu hồi – tái sinh – xử lý PFAS cô đặc vẫn hiệu quả và kinh tế khi chạy liên tục.

Nguồn: Johannes Voß và cộng sự, The magnetic removal of PFAS from water − from molecules to microplastics, Materials Today (2026); thông cáo và hình minh họa chính thức của Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.