PFAS thường bị giữ lại trong vật liệu lọc: Hạt nano mới bắt chúng trong nước rồi để nam châm kéo ra

Với nhiều công nghệ xử lý PFAS hiện nay, nước được ép đi qua một vật liệu còn chất ô nhiễm ở lại. Than hoạt tính giữ PFAS trên bề mặt xốp; nhựa trao đổi ion giữ chúng trên các hạt polymer; màng reverse osmosis lại tách chúng sang một dòng nước cô đặc khác. Điểm chung là sau một thời gian, vật liệu lọc hoặc dòng thải chứa PFAS vẫn phải được xử lý.

Một nhóm tại Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) đang thử đảo ngược cách tiếp xúc đó. Thay vì bắt nước đi qua một lớp lọc cố định, họ thả các hạt oxide sắt kích thước nano trực tiếp vào nước. Bề mặt hạt được thiết kế để hút PFAS; sau khi chất ô nhiễm bám vào, một nam châm kéo các hạt mang PFAS ra khỏi nước.

Nghiên cứu do Johannes Voß, Linda Rockmann và các cộng sự thực hiện, dưới sự dẫn dắt của Marcus Halik, được công bố trên Materials Today năm 2026. Nhóm không chỉ thử trên dung dịch PFAS pha trong phòng lab mà còn trên nước sông, nước từ một nguồn nước uống bị nhiễm, nước rửa đất và nước thải từ giặt quần áo ngoài trời.

Hình: Linda Rockmann, Johannes Voß / FAU. Hạt nano oxide sắt được chức năng hóa để bắt PFAS phân tử và fluoropolymer, sau đó được thu bằng nam châm.

Không phải bản thân nam châm bắt PFAS

PFAS không tự nhiên bị hút về phía nam châm. Thành phần có tính từ là lõi oxide sắt của hạt nano, thường được gọi là superparamagnetic iron oxide nanoparticles hay SPIONs.

Phần quyết định hạt sẽ bắt được chất gì lại nằm ở lớp hóa học bao phủ bên ngoài. Nhóm FAU tạo các self-assembled monolayer (SAM) trên bề mặt hạt để điều chỉnh tương tác điện tích và tính kỵ nước. Khi hạt được phân tán trong nước, các nhóm hóa học trên SAM tạo tương tác không cộng hóa trị với PFAS và giữ chúng trên bề mặt.

Cách thiết kế này quan trọng vì PFAS không phải một chất duy nhất. Đây là một họ rất lớn gồm các phân tử có chiều dài chuỗi, nhóm chức và điện tích khác nhau. Một vật liệu hấp phụ tối ưu cho PFOS hoặc PFOA không nhất thiết hoạt động tốt với một PFAS trung tính hay một fluoropolymer dạng hạt.

Nhóm nghiên cứu vì vậy không cố tạo một bề mặt duy nhất cho mọi tình huống. Họ điều chỉnh hóa học bề mặt để tạo tương tác điện tĩnh hoặc kỵ nước phù hợp với từng nhóm chất. Trong paper, nền tảng này xử lý được cả PFAS phân tử mang điện, PFAS trung tính và các hạt micro/nanoplastic chứa fluoropolymer.

Hạt nano đóng vai trò như chất hấp phụ có thể “bơi” tới pollutant

Khác biệt với một bed than hoạt tính cố định là SPION được phân tán vào toàn bộ thể tích nước. Về nguyên tắc, điều này tạo diện tích tiếp xúc lớn giữa chất hấp phụ và chất ô nhiễm mà không bắt toàn bộ dòng nước phải đi qua những lỗ nhỏ của một cartridge.

Sau giai đoạn hấp phụ, từ trường bên ngoài gom các hạt lại. Chất ô nhiễm đi theo vì đã bám trên bề mặt SPION. Quá trình vì thế gồm hai việc riêng biệt: hóa học bề mặt làm nhiệm vụ bắt PFAS; lõi từ làm nhiệm vụ thu hồi chất hấp phụ khỏi nước.

“Siêu thuận từ” cũng là một đặc tính hữu ích ở đây. Các hạt phản ứng mạnh khi có từ trường ngoài nhưng không giữ từ tính dư lớn như một nam châm vĩnh cửu sau khi trường được bỏ đi. Điều đó giúp chúng dễ phân tán lại hơn để tái sử dụng, thay vì luôn dính thành những cụm lớn.

Ý tưởng dùng vật liệu từ để xử lý nước không phải mới. Các nanoparticle oxide sắt đã được nghiên cứu cho kim loại nặng, thuốc nhuộm, vi nhựa và nhiều chất hữu cơ khác. Phần đáng chú ý của công trình FAU là phạm vi PFAS mà cùng một nền tảng vật liệu có thể nhắm tới, từ phân tử hòa tan cho tới hạt fluoropolymer, cùng việc kiểm tra trong những mẫu nước thực có nhiều thành phần cạnh tranh.

Từ nước giếng tới nước giặt: hệ thống vẫn hoạt động khi mẫu không còn “sạch” như trong lab

Một vật liệu hấp phụ thường trông rất tốt khi thử trong nước tinh khiết chỉ chứa một chất đích. Vấn đề xuất hiện khi chuyển sang nước thật: muối, chất hữu cơ, khoáng, vi sinh vật và nhiều hợp chất khác cùng tranh giành bề mặt hấp phụ.

Nhóm FAU vì vậy thử SPION trên nhiều matrix khác nhau. Theo thông báo của trường, trong một nguồn nước uống bị nhiễm PFAS thực tế, quy trình giảm tổng nồng độ PFAS được theo dõi khoảng 87%, xuống dưới mốc 100 nanogram/lít mà nhóm dùng để so sánh với quy định mới tại Đức.

Paper còn báo cáo các SPION kỵ nước có thể tái sinh vẫn duy trì hiệu suất cao, với mức giảm PFAS lên tới 95,4% trong các điều kiện thử nghiệm được mô tả. Nhóm cũng xử lý nước sông, nước rửa từ quá trình remediation đất và nước giặt quần áo ngoài trời — loại mẫu có thể chứa hỗn hợp surfactant, chất hữu cơ và hạt fluoropolymer.

Một phần khác của nghiên cứu mở rộng từ PFAS hòa tan sang micro- và nanoplastic chứa fluor. Các hạt nhựa này không chỉ có thành phần hóa học khác PFAS phân tử mà còn lớn hơn nhiều. Việc cùng nguyên lý chức năng hóa bề mặt vẫn có thể tạo tương tác đủ mạnh để thu chúng bằng nam châm cho thấy nền tảng không bị giới hạn hoàn toàn ở một thang kích thước.

Ưu điểm lớn nhất có thể nằm ở việc thay đổi bề mặt, không phải ở nam châm

Nam châm giải quyết bài toán thu hồi, nhưng khả năng mở rộng sang nhiều pollutant lại đến từ SAM. Nếu bề mặt hạt có thể được thay đổi tương đối độc lập với lõi oxide sắt, cùng một kiến trúc vật liệu có thể được “lập trình hóa học” cho những chất ô nhiễm khác nhau.

Nhóm của Halik đã dùng cách tiếp cận tương tự cho các chất khác ngoài PFAS, và năm 2026 cũng công bố công trình về nanoparticle chức năng hóa để loại phthalate khỏi nước. Điều đó gợi ý mục tiêu dài hạn không phải một loại hạt duy nhất thay mọi bộ lọc, mà là một họ chất hấp phụ từ có bề mặt được thiết kế theo pollutant cần xử lý.

Cách tiếp cận này cũng có một lợi thế vận hành tiềm năng: chất hấp phụ có thể được thu riêng khỏi dòng nước bằng từ trường, thay vì phải tháo cả cartridge hoặc thay toàn bộ bed hấp phụ. Một số hạt trong nghiên cứu có thể được tái sinh và dùng lại, yếu tố quan trọng nếu vật liệu nano được triển khai với khối lượng lớn.

“Kéo PFAS ra” không đồng nghĩa với phá hủy PFAS

Đây là giới hạn quan trọng nhất của công nghệ. SPION không làm biến mất liên kết carbon–fluorine khiến PFAS nổi tiếng bền vững. Nó chuyển PFAS từ pha nước sang bề mặt một vật liệu có thể thu hồi.

Sau đó vẫn còn câu hỏi phải làm gì với PFAS đã cô đặc. Nếu hạt được tái sinh, pollutant sẽ đi vào một dòng thải nhỏ hơn nhưng đậm đặc hơn và dòng này vẫn cần xử lý hoặc tiêu hủy phù hợp. Nếu hạt không được tái sử dụng, bản thân vật liệu chứa PFAS trở thành chất thải cần quản lý. Đây cũng là vấn đề chung của than hoạt tính, resin và nhiều công nghệ tách PFAS khác: removal không phải destruction.

Trước khi công nghệ có thể đi vào nhà máy nước, một vấn đề khác là độ thu hồi của chính nanoparticle. Trong thí nghiệm, nam châm có thể gom các hạt ở quy mô mẫu tương đối nhỏ. Một hệ thống liên tục xử lý hàng nghìn mét khối nước mỗi ngày sẽ phải chứng minh rằng hạt được thu đủ nhanh, đủ triệt để và không để lượng nanoparticle đáng kể đi theo nước thành phẩm.

Paper và FAU mô tả vật liệu là có khả năng scale, nhưng nghiên cứu hiện chưa phải một thử nghiệm full-scale tại nhà máy nước đô thị. Chưa có dữ liệu vận hành dài hạn về chi phí trên mỗi mét khối, tuổi thọ hạt qua nhiều chu kỳ, tiêu hao vật liệu trong hệ thống liên tục hay cách tích hợp bước magnetic separation vào dây chuyền xử lý nước hiện có.

Không phải “filter killer”, mà là một cách khác để đưa chất hấp phụ tới đúng chỗ

Than hoạt tính, ion exchange và reverse osmosis đã có lợi thế lớn: chúng tồn tại trong các hệ xử lý thương mại, có quy trình vận hành và tiêu chuẩn kiểm chứng rõ hơn. Hạt nano từ chưa ở vị trí thay thế chúng chỉ vì một thử nghiệm cho hiệu suất cao.

Điểm mới đáng theo dõi nằm ở kiến trúc của quá trình. Thay vì ép pollutant tìm đường tới một lớp lọc cố định, hệ thống đưa các bề mặt hấp phụ rất nhỏ tới pollutant, cho chúng bắt mục tiêu trong toàn bộ thể tích nước rồi dùng một lực vật lý đơn giản — từ trường — để kéo chất hấp phụ trở lại.

Nếu nhóm nghiên cứu chứng minh được khả năng thu hồi nanoparticle gần như hoàn toàn ở dòng chảy lớn, tái sinh chúng qua nhiều chu kỳ và xử lý được dòng PFAS cô đặc sau tái sinh, công nghệ này có thể bổ sung một lựa chọn mới cho những nguồn nước mà filter bed truyền thống khó vận hành hiệu quả. Hiện tại, thành tựu quan trọng hơn nằm ở việc cho thấy cùng nền tảng SPION có thể làm việc với PFAS rất khác nhau và vẫn giữ hiệu quả trong các mẫu nước thật, thay vì chỉ trong một cốc nước tinh khiết của phòng lab.

Nguồn: Johannes Voß, Linda Rockmann và cộng sự, The magnetic removal of PFAS from water − from molecules to microplastics, Materials Today 99 (2026), DOI: 10.1016/j.mattod.2026.103471; Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg; U.S. EPA về các công nghệ lọc PFAS hiện có.