Phát triển lớp phủ chống bám bẩn sinh học mới trên cơ sở các hợp chất silic hữu cơ – Giải pháp xanh cho ngành hàng hải

Sự ô nhiễm bởi sinh vật biển xảy ra do sự tích tụ không mong muốn của các vi sinh vật biển, thực vật và động vật trên bề mặt ngập nước, có tác động bất lợi đến ngành công nghiệp hàng hải và các hoạt động ngoài khơi. Điều này làm tăng trọng lượng và độ nhám của thân tàu, dẫn đến lực cản ma sát tăng đáng kể và gây tiêu hao thêm nhiên liệu cũng như phát thải khí nhà kính. Bám bẩn sinh học bắt đầu hoặc đẩy nhanh quá trình ăn mòn của các kết cấu kim loại và bê tông, làm cho cầu và các công trình ngoài khơi khác trở nên không an toàn. Nó cũng chặn các đường ống dẫn nước biển trong cơ sở hạ tầng năng lượng ven biển như nhà máy điện hạt nhân và nhà máy thủy điện tích năng, làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và ảnh hưởng đến hoạt động của máy phát điện. Mặc dù có kích thước nhỏ, hà là một trong những loài sinh vật gây hại nghiêm trọng đối với ngành hàng hải. Khi bám vào bề mặt kim loại, hà tiết ra chất kết dính có độ bám dính cực cao, làm hỏng lớp sơn bảo vệ và tăng nguy cơ ăn mòn, rỉ sét trên bề mặt kim loại. Trong trường hợp tàu thuyền bị hà bám dày đặc trên thân, tốc độ di chuyển của tàu có thể giảm tới 50%, kéo theo sự gia tăng tiêu thụ nhiên liệu và chi phí vận hành.

Hình 1. Hình ảnh hà bám bẩn sinh học trên tàu biển.

Trong ngành nuôi trồng thực vật biển, các chất gây ô nhiễm bám và tích tụ vào thùng chứa cản trở quá trình trao đổi chất dinh dưỡng và làm biến dạng thùng chứa do trọng lượng tăng lên, dẫn đến giảm sản lượng. Ngoài ra, các sinh vật gây ô nhiễm trên tàu di cư đến các vùng biển khác nơi chúng không sinh sống và phá vỡ hệ sinh thái. Vấn đề ô nhiễm sinh học đặc biệt rõ rệt ở vùng khí hậu nhiệt đới, nơi nhiệt độ tăng cao thúc đẩy sự phát triển tích cực của vi sinh vật. Về vấn đề này, việc chống ô nhiễm trong môi trường nước biển nơi có độ ẩm cao là có nhiều lợi ích về mặt kinh tế và môi trường trên toàn thế giới, kể cả ở Việt Nam.

Tại phiên họp thứ 46 của Ủy ban bảo vệ môi trường biển IMO (MEPC), Hội nghị quốc tế về kiểm soát các hệ thống chống hà có hại trên tàu vào tháng 4 năm 2001 tại London đã thông qua Công ước quốc tế về kiểm soát các hệ thống chống bám bẩn sinh học có hại trên tàu (Công ước PIC), quy định từ ngày 01 tháng 01 năm 2003, trong quá trình đóng và sửa chữa tàu, ngừng áp dụng lớp phủ chống bám bẩn sinh học có chất độc thiếc-hữu cơ cho phần dưới nước của tàu biển cho mọi mục đích, cũng như từ ngày 01 tháng 01 năm 2008, không có lớp phủ chống hà bằng các hợp chất thiếc hữu cơ trên phần dưới nước của thân tàu.

Đã hơn 10 năm trôi qua kể từ khi Công ước PIC được thông qua, nhưng các vấn đề liên quan đến việc sử dụng lớp phủ chống bám bẩn vẫn còn tính thời sự. Quy định này được xác nhận bởi Nghị quyết MEPC 207(62). Nghị quyết nhấn mạnh rằng các biện pháp quản lý bám bẩn sinh học có thể cải thiện hiệu suất thủy động lực của tàu và là phương tiện hiệu quả để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm lượng khí thải từ tàu. Trong những năm đầu tiên sau lệnh cấm sử dụng lớp phủ chứa hợp chất thiếc hữu cơ, các lớp phủ chống bám bẩn dạng tiếp xúc, trong đó oxit đồng được sử dụng làm độc tố, được sử dụng rộng rãi nhất. Các lớp phủ này đáp ứng các yêu cầu của các tổ chức bảo vệ môi trường, vì chúng không chứa các hợp chất thiếc hữu cơ, tuy nhiên, chúng không có tác dụng tự làm sạch và có tuổi thọ giới hạn từ 2 đến 2,5 năm.

An toàn nhất cho môi trường là lớp phủ trên cơ sở silic hữu cơ có hoạt tính bề mặt cao hoặc năng lượng bề mặt thấp. Khả năng chống bám bẩn được lý giải là do các sinh vật biển có độ bám dính rất thấp với các lớp phủ này. Khi tàu đứng yên, các bám bẩn có thể được hình thành trên bề mặt của lớp phủ, nhưng khi tàu di chuyển, chúng sẽ bị cuốn trôi. Hình 2 minh họa quá trình sinh vật biển bám lên bề mặt, sau đó bị tác động bởi lực cắt của dòng nước và cuối cùng bị loại bỏ khỏi bề mặt. Đây là cơ chế chống hà (anti-fouling) thường gặp. Lớp phủ silic hữu cơ tạo ra bề mặt cực kỳ mịn, giảm khả năng chống ma sát, tiết kiệm nhiên liệu 8-10% và thời gian giữa các lần lên đốc lên đến 5 năm.

Hình 2. Sơ đồ hoạt động của lớp phủ chống bám bẩn sinh học

Nhóm nghiên cứu của Viện Độ bền nhiệt đới/Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga và Viện Tổng hợp vật liệu Polymer mang tên Enikolopov (Enikolopov Institute of Synthetic Polymeric Materials - ISPM RAS) cùng nhau phối hợp thực hiện một hướng nghiên cứu nhiều tiềm năng, mục tiêu là chế tạo được lớp phủ chống bám bẩn sinh học thế hệ mới trên cơ sở hợp chất silic hữu cơ thân thiện với môi trường.

Hình 3. Cấu trúc lớp phủ chống bám bẩn sinh học trên cơ sở silic hữu cơ.

Trong nghiên cứu này, các hợp chất silic hữu cơ có chứa chất kháng bám bẩn sinh học phổ biến là polyhexamethyleneguanidine (PHMG) đã được sử dụng để tạo ra các lớp phủ polyme trên bề mặt thép. Trong quá trình chế tạo lớp phủ polyme chống bám bẩn sinh học, các hợp chất PHMG đã được liên kết cộng hóa trị với khung siloxan nhằm tăng độ bám dính của lớp màng polyme trong môi trường nước vì đặc tính PHMG có độ hòa tan cao trong nước.

Lớp phủ có hoạt tính sinh học thu được thể hiện độ đồng nhất cao trên bề mặt thép đã được sơn một lớp lót từ trước, đồng thời có độ trong suốt và khả năng bám dính cao. Các mẫu tấm thép được phủ lớp chống bám bẩn sinh học sau đó thử nghiệm tự nhiên, ngâm mẫu trong môi trường nước biển tại Trạm thử nghiệm biển Đầm Báy/Chi nhánh Ven biển/ Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga (Nha Trang, Khánh Hoà).

 Các mẫu nghiên cứu được tiến hành quan sát định kỳ sau mỗi tháng. Sau 12 tháng, tấm mẫu được lấy lên, chụp ảnh trước khi tiến hành xử lý bằng dòng nước áp lực cao nhằm mô phỏng giống như quá trình tàu di chuyển trên biển.

Kết quả cho thấy sau khi xử lý dòng nước áp lực cao, phần lớn sinh vật bám bẩn bị loại bỏ, và bề mặt lớp phủ trên nền thép không khác biệt so với ban đầu (hình 4).           

Hình 4. Hình ảnh bề mặt tấm mẫu thử nghiệm trước (a) và sau (b) khi xử lý bằng phun dòng nước áp lực cao.

Nghiên cứu đã cho thấy lớp phủ chống bám bẩn sinh học mới dựa trên hợp chất silic hữu cơ kết hợp với PHMG và PGMG có tiềm năng ứng dụng cao trong ngành hàng hải. Không sử dụng các chất độc hại, lớp phủ này thân thiện với môi trường, an toàn cho con người và sinh vật biển. Qua các thử nghiệm thực tế tại môi trường biển Việt Nam trong 12 tháng, lớp phủ cho thấy khả năng ngăn cản hiệu quả sự bám dính của sinh vật biển và dễ dàng làm sạch khi gặp dòng nước mạnh, tương tự như điều kiện khi tàu di chuyển.

Giải pháp lớp phủ mới này không chỉ giúp bảo vệ bề mặt tàu và các công trình biển khỏi ăn mòn và hư hại, mà còn góp phần tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải khí nhà kính và chi phí bảo trì. Đây là một hướng đi an toàn, bền vững và đầy triển vọng trong việc giải quyết các vấn đề về ô nhiễm sinh học trong môi trường biển hiện nay.

Tin bài : Vũ Trần Dương (Viện ĐBNĐ)