Các hóa chất này được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm như bọt chữa cháy, lớp phủ chống dính và vật liệu chống thấm nước. Theo thời gian, chúng trở thành mối lo ngại lớn về môi trường, vì chúng có thể tích tụ trong đất, nước, thậm chí cả trong cơ thể người.
Hầu hết nghiên cứu khoa học hiện nay tập trung vào việc loại bỏ PFAS khỏi môi trường và tìm cách xử lý chúng một cách an toàn. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice lại áp dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác.
Thay vì chỉ đơn giản là cố gắng tiêu hủy chất thải PFAS, các nhà nghiên cứu phát triển một phương pháp, sử dụng PFAS để chiết xuất lithium, kim loại giá trị sử dụng trong pin. Công trình nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Nature Water.
Lithium là vật liệu quan trọng trong pin lithium-ion, loại pin cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh, máy tính xách tay, xe điện và nhiều hệ thống lưu trữ năng lượng. Thông thường, lithium được khai thác từ đá hoặc chiết xuất từ nước muối ngầm.
Mặc dù việc chiết xuất lithium từ nước muối có thể ít gây hại hơn so với khai thác mỏ, nhưng nó vẫn gặp nhiều thách thức. Các thách thức này thường là chi phí cao, lượng nước sử dụng nhiều và khó khăn trong việc tách lithium khỏi các khoáng chất khác trong nước muối.
Nhóm nghiên cứu, do nhà khoa học James Tour từ Đại học Rice và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Yi Cheng dẫn đầu, nhìn ra cơ hội giải quyết đồng thời hai vấn đề cùng một lúc: xử lý chất thải PFAS và cải thiện quá trình chiết xuất lithium.
Quy trình của họ bắt đầu với bọt chữa cháy có chứa PFAS khi làm sạch môi trường. Bọt này thường được xử lý bằng than hoạt tính dạng hạt. Vật liệu này hấp thụ PFAS và giữ lại bên trong. Tuy nhiên, khi than hoạt tính bão hòa PFAS, nó tạo ra vấn đề chất thải khác là than bị ô nhiễm phải được xử lý.
Thay vì vứt bỏ loại than hoạt tính bị ô nhiễm PFAS này, các nhà nghiên cứu sử dụng nó làm nguyên liệu ban đầu. Họ trộn than hoạt tính chứa PFAS với dung dịch nước muối có nồng độ cao, chứa lithium cùng với các khoáng chất khác.
Bên trong các phân tử PFAS có chứa fluor, một nguyên tố có thể tạo liên kết hóa học mạnh với lithium. Các nhà nghiên cứu muốn giải phóng fluor này từ PFAS và cho phép nó kết hợp với lithium trong nước muối để tạo thành lithium florua, một hợp chất lithium hữu ích.
Để làm điều này, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật gia nhiệt điện. Quá trình này làm nóng nhanh chóng hỗn hợp đến nhiệt độ cực cao, hơn 1.000 độ C, sau đó làm nguội nhanh chóng. Điều kiện khắc nghiệt này phá vỡ các phân tử PFAS, giải phóng các nguyên tử fluor để chúng có thể phản ứng với lithium và các kim loại khác trong nước muối.
Sau phản ứng, hỗn hợp chứa một số muối florua, gồm lithium florua, canxi florua và magie florua. Sau đó, các nhà nghiên cứu lại sử dụng nhiệt để tách lithium florua khỏi các hợp chất khác. Vì lithium florua sôi ở nhiệt độ thấp hơn các muối khác, nên nó có thể được chưng cất và thu thập.
Sử dụng phương pháp này, nhóm nghiên cứu thu hồi được khoảng 82% lượng lithium florua có sẵn với độ tinh khiết 99%. Họ đã thử nghiệm lithium thu hồi được trong chất điện phân của pin lithium-ion và thấy rằng nó hoạt động tốt, cải thiện độ ổn định và hiệu suất.
Quy trình mới sử dụng ít nước và năng lượng hơn so với các phương pháp khai thác lithium hiện có. Nó cũng tạo ra lượng khí thải nhà kính thấp hơn và hoạt động nhanh hơn, chỉ mất vài phút để hoàn thành. Theo các nhà nghiên cứu, công trình này cho thấy các vật liệu thải đi như PFAS có thể chuyển thành nguồn nguyên liệu hữu ích thay vì xử lý như chất gây ô nhiễm.
