Nhà khoa học gốc Việt biến lá dứa thành vật liệu aerogel vô giá

Mới đây, tờ Straitstimes đưa tin, sau ba năm nghiên cứu, các nhà khoa học tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) do PGS gốc Việt Dương Minh Hải dẫn đầu đã tìm ra phương pháp biến lá dứa thành aerogel phân hủy sinh học để xử lý nước thải và bảo quản thực phẩm.

 Nghiên cứu này của PGS Dương Minh Hải xuất phát chính từ nhu cầu trong nước, khi anh biết vùng thủ phủ của dứa ở Tân Phước, Tiền Giang, nơi chọn dứa làm cây chủ lực nhưng chưa biết phải làm cách nào để xử lý chất thải chiếm đến 70% cây dứa.

Dứa rất giàu vitamin, enzym và chất chống oxy hóa, được coi là một trong những loại trái cây quan trọng nhất trên thế giới. Quả dứa hiếm khoảng 20% ​​sản lượng trái cây nhiệt đới của thế giới, với hơn 25 triệu tấn được thu hoạch mỗi năm.

Tuy nhiên, việc thu hoạch loại trái cây thơm ngon và tốt cho sức khỏe này dẫn đến hàng tấn chất thải vỏ và lá dứa. Lượng rác thải này thường bị để thối rữa hoặc đốt, thải ra các hóa chất độc hại và khí nhà kính, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

Tiền Giang hiện là địa phương có diện tích trồng dứa lớn nhất vùng đồng bằng sông Cửu Long với diện tích gần 16.000 ha, tập trung chủ yếu ở Tân Phước. Người dân trồng dứa ở đây đang được các nhà khoa học tại ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh hỗ trợ để nâng cao chuỗi giá trị về dứa bằng cách chuyển đổi giống cây trồng tăng năng suất cho cây dứa, tận dụng phế phụ phẩm dứa vỏ dứa sản xuất enzyme bromelain, thức ăn cho gia súc. Lá dứa đang được nhóm hướng dẫn bà con ủ làm phân bón, tuy nhiên với cách này, hiệu quả của lá dứa chưa cao.

PGS Lê Kim Phụng, ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh cho biết: “Chúng tôi đã liên hệ với anh Dương Minh Hải vì biết anh ấy từng nghiên cứu để biến nhiều loại chất thải khác nhau như giấy, vải, nhựa và cao su thành vật liệu aerogel và may mắn là người đồng nghiệp cũ của chúng tôi đã nhận lời”. (Trước khi sang giảng dạy và nghiên cứu tại NUS, PGS Dương Minh Hải cũng từng là giảng viên của ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh).

Trong chương trình hợp tác, PGS Hải đã hỗ trợ cho hai nghiên cứu viên từ Việt Nam sang Singapore để tham gia nhóm nghiên cứu, từ đó, hướng nghiên cứu về sản phẩm aerogel từ phế phụ phẩm nông nghiệp cũng được triển khai mạnh ở Việt Nam để tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp vốn là thế mạnh của đồng bằng sông Cửu Long.

 Về điều này, PGS Dương Hải Minh, người đứng đầu nhóm nghiên cứu gồm chín nhà khoa học thuộc ngành Cơ khí của Khoa Công nghệ Đại học NUS chia sẻ: "Cứ thu hoạch 1 kg dứa thì có 3 kg chất thải từ dứa được tạo ra, đây là một trong những loại cây có tỷ lệ chất thải nông nghiệp cao nhất trên thế giới. Vì vậy, chúng tôi quyết định tìm hiểu cách sử dụng chất thải từ dứa để sản xuất aerogel".

Và ba năm qua, PGS Dương Minh Hải đã hợp tác cùng các đồng nghiệp tại Việt Nam nghĩ ra một phương pháp đơn giản và chi phí thấp, sử dụng sợi lá dứa để tạo ra các aerogel siêu nhẹ, có thể phân hủy sinh học. Khi được phủ bằng các hóa chất cụ thể, những aerogel phân hủy sinh học này có thể được sử dụng để giữ trái cây và rau quả trong thời gian dài hơn, đồng thời loại bỏ các kim loại độc hại khỏi nước thải trong nhiều ứng dụng khác.

Các aerogel sinh học này có thể được tái sử dụng, tiếp tục giảm thiểu chất thải và cải thiện tính bền vững. Chúng cũng có thể được thải ra môi trường một cách an toàn mà không gây ô nhiễm.

 Aerogel là vật liệu nhẹ và xốp thường được làm bằng silicon, được sử dụng làm chất hấp thụ dầu và trong các ứng dụng cách nhiệt. Nhưng quá trình sản xuất vật liệu này thải ra một lượng carbon dioxide độc ​​hại vào bầu khí quyển.

 Để giảm thiểu chất thải và thúc đẩy tính bền vững của môi trường, các nhà nghiên cứu do PGS Dương Minh Hải dẫn đầu đã tận dụng các loại chất thải khác nhau như giấy, vải, nhựa và cao su, để chế biến thành các vật liệu aerogel đa chức năng. Kể từ đó, họ đã nhận được giấy phép sở hữu trí tuệ cho công nghệ này.

 Kể từ khi mạo hiểm nghiên cứu chất thải thực phẩm nông nghiệp vào năm 2016, các nhà nghiên cứu do PGS Dương Minh Hải dẫn đầu cũng đã khám phá việc sử dụng các sản phẩm phụ khác như bã mía và bã cà phê để tạo ra aerogel sinh học có thể tái sử dụng, hiện đang trong quá trình thương mại hóa.

Theo PGS Dương Minh Hải, aerogel sinh học rất dễ sản xuất, vì thế có chi phí sản xuất thấp. Để làm ra một tấm aerogel sinh học có diện tích 1 m2 và dày 1 cm chỉ cần chưa đến 10 đô la Singapore. Khi được tung ra thị trường, một tấm aerogel có cùng kích thước có thể được bán với giá từ 30 đến 50 đô la Singapore.

 Quá trình chế tạo thay đổi tùy theo loại nguyên liệu thô được sử dụng. Các bước quan trọng để chế tạo aerogel sinh học từ lá dứa là: cắt nhỏ lá, trộn với nước và một lượng nhỏ hóa chất không độc hại, khuấy, làm già, đông lạnh và đông khô. Trung bình, mất khoảng 12 giờ để sản xuất aerogel từ nguyên liệu thô, tốc độ này nhanh hơn khoảng 18 lần so với phương pháp thông thường được sử dụng để sản xuất aerogel thương mại.

 Để thực hiện chức năng bảo quản thực phẩm, aerogel sinh học được cho thêm bột than hoạt tính để chúng có thể hấp thụ hiệu quả khí ethylene vốn được gọi là “hormone làm chín trái cây”, kích thích quá trình chín của trái cây và rau quả. Khí ethylene có nhiều ở các loại trái cây và rau có vi khuẩn cao - chẳng hạn như chuối, xoài, đu đủ, khoai tây và cà chua, khiến các loại hoa quả này tiếp tục chín đáng kể sau khi thu hoạch.

Giáo sư Phan Thiện Nhân, thành viên cao cấp của nhóm nghiên cứu, giải thích: “Một lượng lớn nông sản tươi bị loại bỏ do không có đầy đủ cơ sở vật chất để bảo quản và chế biến sau thu hoạch, cũng như hệ thống vận chuyển không hiệu quả hoặc bị gián đoạn. Do đó, việc sử dụng aerogel sinh học từ lá dứa có thể giảm lượng hoa quả hư hỏng và tiến tới giảm thiểu chất thải”.

 “Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, aerogel sinh học được biến đổi bằng than hoạt tính có thể trì hoãn quá trình thối rữa của nông sản ít nhất 14 ngày. Aerogel sinh học được cải tiến có thể hấp thụ ethylene gấp sáu lần so với chất hấp thụ ethylene kali pemanganat thương mại. Đây cũng là phương pháp an toàn hơn so với việc sử dụng các chất oxy hóa mạnh thông thường và hiệu quả hơn so với việc phun hóa chất không độc hại để bảo quản thực phẩm”, GS Phan-Thiện Nhân cho biết. 

Aerogel sinh học được làm từ sợi lá dứa có tính chất cơ học mạnh hơn và chúng thích hợp để sử dụng trong xử lý nước thải. Khi được phủ một chất hóa học diethylenediamine (DETA), aerogel sinh học có thể loại bỏ các ion niken trong nước thải công nghiệp nhiều hơn gấp bốn lần so với các phương pháp thông thường sử dụng đất sét có nguồn gốc tự nhiên và hay vật liệu graphene pha tạp tổng hợp. Các lớp phủ hóa học khác nhau có thể được sử dụng để cho phép aerogel sinh học hút được các loại kim loại nặng khác nhau từ nước thải.

 PGS Dương Minh Hải cho biết: “Do có độ xốp cao, aerogel sinh học có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các ion kim loại, ngay cả trong dung dịch loãng có lượng ion kim loại thấp. Quá trình xử lý đơn giản, rẻ hơn và không tạo ra chất thải thứ cấp. Aerogel sinh học cũng có thể dễ dàng khử hấp thụ các ion kim loại và được tái sử dụng nhiều lần, giúp giảm chi phí hơn nữa”.

 Nhóm gồm chín thành viên từ NUS đã nộp bằng sáng chế cho việc sản xuất vật liệu aerogel sinh học làm từ sợi lá dứa để bảo quản thực phẩm và xử lý nước thải. Nhóm cũng đang có kế hoạch làm việc với một đối tác trong ngành để mở rộng quy mô và thương mại hóa công nghệ này.

Dựa trên kết quả đầy hứa hẹn, các nhà khoa học hiện đang xem xét mở rộng nghiên cứu của họ trong một số lĩnh vực chính.

 Thứ nhất, họ đang xác định các lớp phủ hóa học khác nhau để chế tạo các aerogel sinh học có khả năng hấp phụ cao và chọn lọc các ion kim loại nặng khác nhau.

 Thứ hai, các nhà nghiên cứu đang tìm cách thu hồi hiệu quả các kim loại nặng từ aerogel sinh học sau khi xử lý nước thải, bên cạnh việc tái sử dụng aerogel sinh học.

 Cuối cùng, nhóm đang tiến hành các nghiên cứu để phát triển các kỹ thuật không dệt tiên tiến, tiết kiệm chi phí để sản xuất aerogel sinh học liên tục dưới dạng cuộn với chiều dài không giới hạn. Các kỹ thuật không dệt không cần đến bất kỳ dung môi nào và có thể sản xuất aerogel sinh học nhanh hơn, sử dụng ít năng lượng hơn và thiết bị rẻ hơn. Điều này sẽ làm giảm đáng kể chi phí sản xuất của aerogel sinh học.

 Thực hiện: THẢO LÊ. Xuất bản ngày 20-9-2020.