Tổng quan về nước hoạt hóa plasma và những tác dụng kì diệu

Nước hoạt hóa plasma hứa hẹn mang lại một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nông nghiệp.

Nước sẽ xuất hiện những tính chất kì diệu khi bạn cho nó đi qua một vùng có cường độ điện từ cao, chẳng hạn như chống lại và tiêu diệt các vi khuẩn. Dạng cấu trúc mới này được gọi là nước hoạt hóa plasma (PAW).

Các phương pháp tạo ra PAW

PAW chủ yếu được sản xuất dựa trên quá trình phóng plasma lạnh (CAP) theo ba loại/ phương pháp sau:

• phóng plasma trực tiếp trong chất lỏng (Hình a–c);
• phóng plasma trong pha khí trên bề mặt chất lỏng (Hình d–f);
• phóng plasma nhiều pha như phóng plasma trong bóng khí trong chất lỏng (Hình g và h) hoặc tiếp xúc với chất lỏng dạng phun hoặc dạng bọt (Hình i).

Tia plasma, phóng điện hồ quang trượt, phóng điện rào cản điện môi (DBD) và phóng điện vi bề mặt (SMD) là những nguồn plasma phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất PAW.

Các phương pháp chế tạo dung dịch hoạt hóa plasma

Tia plasma, phóng điện hồ quang trượt, phóng điện rào cản điện môi (DBD) và phóng điện vi bề mặt (SMD) là những nguồn plasma phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất PAW.

Đặc tính lý hóa của PAW

Khi plasma tương tác với chất lỏng, các phản ứng hóa học phức tạp khác nhau xảy ra tại vùng phân cách giữa hai môi trường, dẫn đến việc tạo ra các loại hoạt chất và những thay đổi mạnh mẽ về đặc tính hóa lý của các dung dịch được xử lý, bao gồm pH, thế oxy hóa – khử (ORP) và độ dẫn điện của những dung dịch này.

• Các hoạt chất chứa oxi và nitơ (RONS): Trong quá trình phóng plasma, nhiều loại RONS khác nhau được tạo ra trong khí, chẳng hạn như các gốc tự do của oxit nitric (NO.), hydroxyl (OH.), superoxide (O₂^-.), oxy nguyên tử (O), oxy mức đơn (¹O₂), ion nitơ (N₂⁺), và các phân tử nitơ bị kích thích (N₂^*). Khi các hoạt chất này tiếp xúc với chất lỏng, các phản ứng hóa học xảy ra, tạo ra các sản phẩm tương đối bền như hydro peroxit (H₂O₂), nitrat (NO₃^–), nitrit (NO₂^–), ozon (O₃), peroxynitrite (ONOO⁻) và axit peroxynitơ (ONOOH). Loại và nồng độ của các hoạt chất trong PALs bị ảnh hưởng đáng kể bởi nguồn plasma, khí và chất lỏng được sử dụng.
• Ion kim loại: Sự ăn mòn điện cực trong quá trình phóng điện trong lòng chất lỏng có thể giải phóng các ion kim loại vào chất lỏng PAW. Nồng độ ion đồng và kẽm trong PAW tăng lên theo thời gian tiếp xúc với plasma, góp phần làm tăng khả năng bất hoạt vi sinh vật của PAW.
• pH: Các phương pháp xử lý plasma khác nhau dẫn đến axit hóa nước hoặc dung dịch được xử lý (được thể hiện qua pH). Giá trị pH giảm như vậy được giải thích chủ yếu là do sự hình thành các axit nitric và nitơ cũng như ONOOH, được tạo ra từ NO, NO₂ và NO_x hình thành trong pha plasma. Ngoài ra, việc tạo ra các ion hydro có tính axit (H₃O⁺) do phản ứng của các phân tử nước với H₂O₂ được tạo ra trong không khí hoặc chất lỏng cũng có thể góp phần làm giảm giá trị pH.
• Thế oxi hóa khử (ORP): ORP phản ánh khả năng oxy hóa hoặc khử của dung dịch và được coi là yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng bất hoạt vi sinh vật bằng cách phá hủy tính toàn vẹn của màng tế bào và các cơ chế bảo vệ tế bào. Giá trị ORP của PAW thay đổi, chủ yếu phụ thuộc vào thời gian xử lý plasma. PAW được tạo ra trong lòng chất lỏng có giá trị ORP cao hơn so với PAW được tạo ra trên bề mặt chất lỏng. ORP của PAW cao chủ yếu là do sự hình thành của các loại RONS khác nhau như H₂O₂, O₃, NO₃^–, NO₂^– và ONOOH.
• Độ dẫn điện: Độ dẫn điện – thước đo khả năng dẫn điện của dung dịch nước, phụ thuộc vào loại ion, nồng độ của chúng và nhiệt độ dung dịch. Sự gia tăng đột ngột độ dẫn điện của PAW theo thời gian xử lý cho thấy các ion hoạt tính đã được tạo ra trong quá trình tương tác giữa chất lỏng và plasma.
• Nhiệt độ: Quá trình xử lý bằng plasma không làm tăng nhiệt độ dung dịch đáng kể, nhiệt độ của chất lỏng được xử lý bằng nguồn plasma DBD được duy trì trong khoảng 23°C-26°C, ngay cả khi quá trình xử lý kéo dài 3 phút. Nhiệt độ của các mẫu PAW được kích hoạt bởi một chùm tia plasma trên bề mặt và trong nước cất vô trùng trong 20 phút lần lượt là 31,5°C và 38,1°C.

Đây là một chủ đề hấp dẫn mà các nhà khoa học trên khắp thế giới đang rất quan tâm. Nếu được nghiên cứu và phát triển đúng đắn, nước hoạt hóa plasma sẽ mở ra một lĩnh vực mới có tiềm năng khai thác và sử dụng cực kì sâu rộng. Chúng sẽ được sử dụng để diệt khuẩn trong các bệnh viện và các trang trại với tốc độ nhanh và hiệu quả cực cao mà không gây bất kì ảnh hưởng tiêu cực nào đến sức khỏe con người và môi trường.

Thật sự, nước hoạt hóa plasma không phải là một phát minh hoàn toàn mới mẻ. Sau rắn, lỏng và khí, plasma chính là dạng cấu trúc thứ tư của vật chất. Trong tự nhiên, plasma được hình thành từ sấm sét. Và các nhà khoa học có thể tái tạo lại quá trình này trong phòng thí nghiệm bằng cách cho dòng điện chạy qua một cặp điện cực. Từ trường có cường độ mạnh sẽ làm ion hóa các phân tử không khí và biến đổi cấu trúc của chúng thành vật chất plasma.

Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu tìm cách tạo ra plasma từ cuối thế kỷ 19. Cho đến khoảng giữa thế kỷ 20, họ phát hiện ra rằng khi nước tiếp xúc với chất plasma, chúng sẽ hấp thụ những phân tử như nitơ oxit và hydro peroxide từ trong không khí. Điều này sẽ làm cho nước bị axit hóa và có khả năng diệt khuẩn. Nói ngắn gọn, bạn chỉ cần phun nước qua các tia điện, sau đó khuấy đều lên. Thành phẩm chính là nước hoạt hóa plasma (PAW).

Hiện nay, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục tìm hiểu sâu hơn về tính chất và khả năng của nước hoạt hóa plasma. Nhưng các kết quả ứng dụng thực nghiệm đã chứng minh được tiềm năng rất lớn của loại nước này trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Gần đây, một nhóm nghiên cứu của Trung Quốc đã báo cáo rằng việc ngâm các loại nấm thực phẩm trong nước plasma đã làm giảm số lượng vi khuẩn và nấm mốc, giúp giữ cho nấm tươi lâu hơn.

Ứng dụng Plasma lạnh trong xử lý thực phẩm

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu ở Đức đã phát triển một phương thức khử trùng bệnh viện và các dụng cụ y tế bằng nước plasma. Một bản báo cáo của các nhà khoa học Nga cho thấy rằng PAW có khả năng làm tăng tỷ lệ nảy mầm và rễ trong việc nuôi trồng giống cây bách nhật. Trong khi đó, công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ đã công bố một kết quả khá kì lạ. Một quy trình khử trùng bằng nước hoạt hóa plasma kéo dài chỉ trong 15 phút lại có khả năng tiêu diệt nhiều vi khuẩn E.Coli hơn so với một quy trình kéo dài hơn 3 giờ đồng hồ.

Nước hoạt hóa plasma hoạt động như một chất khử trùng. Các nhà nghiên cứu đang so sánh hiệu quả của loại nước này với các dạng thuốc khử trùng khác như cồn, thuốc đỏ. Giá rẻ và khả năng ứng dụng rộng rãi là những yếu tố chính giúp nước hoạt hóa plasma đóng một vai trò quan trọng trong việc làm giảm tỷ lệ nhiễm trùng ở các cơ sở chăm sóc tế trong tương lai. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ở các nước phát triển, có đến 7% số bệnh nhân nhập viện lại bị mắc thêm một bệnh nhiễm trùng mới trong quá trình điều trị. Trong khi đó, tỷ lệ này ở các nước đang phát triển là 10%.

Xử lý các sản phẩm thô và khô: sử dụng nhiệt độ, hóa học và các loại khí (ví dụ ethylene oxide, hydrogen peroxide) để khử trùng bề mặt của trái cây, gia vị, hạt…có thể gây hại đến sản phẩm hoặc để lại dư lượng sau quá trình xử lý. Với plasma lạnh, các ion có thể xâm nhập vào các vết nứt và khe hở của sản phẩm thô và khô có hình dạng phức tạp. Do đó, công nghệ này rất hiệu quả trên các sản phẩm có bề mặt không đều và nứt gãy như đậu, đậu xanh, đậu tương, lúa mạch, yến mạch, ngô, thịt,…

Xử lý màng sinh học các bề mặt: thực phẩm khi để lâu ngoài trời thường xuất hiện một lớp màng bao phủ gọi là màng sinh học. Ví dụ, thịt sẽ hình thành một lớp màng khô bao bên ngoài, còn sữa sẽ hình thành lớp màng mỏng phía bên trên dung dịch. Vi sinh vật thường sinh sôi nảy nở trong môi trường giàu dinh dưỡng bên dưới các màng sinh học và được bảo vệ khỏi các biện pháp khử trùng bề mặt sử dụng nhiệt độ cao, thuốc,…Công nghệ plasma có thể xử lý việc hình thành màng sinh học trên bề mặt sản phẩm bằng cách làm sạch và khử trùng các bề mặt, giúp tăng khả năng chống bám vi khuẩn.

Xử lý lạnh cho kết quả tương đương xử lý bằng tia UV và ozone mà không gây tác hại lên chất lượng lớp vỏ ngoài tự nhiên của thực phẩm để chống lại vi sinh vật.

Plasma lạnh cũng có thể xử lý nhanh và an toàn các bao bì thực phẩm như chai nhựa, nắp đậy mà không gây biến tính vật liệu và không để lại dư lượng trên sản phẩm.

Tuy nhiên, ở Việt Nam, ứng dụng plasma lạnh mới được bắt đầu nghiên cứu, chỉ một vài nơi công bố các kết quả nghiên cứu theo hướng này, ví dụ Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ plasma lạnh hoạt động ở điều kiện khí quyển thông thường” để khử trùng, bảo quản hoa quả mà không cần sử dụng hóa chất độc hại; Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM) chế tạo và thử nghiệm thành công ở quy mô phòng thí nghiệm và sẵn sàng chuyển giao các thiết bị tạo plasma xử lý bề mặt, Plasma Jet và xử lý không khí có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp ráp, hoạt động hoàn toàn tự động, an toàn khi sử dụng, không gây ô nhiễm. Về vấn đề này, TS. Bùi Nguyên Quốc Trình (Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ) cho biết, trên thế giới ngày càng có nhiều nơi nghiên cứu về plasma, cũng như phát triển plasma lạnh. Ngoài ứng dụng trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm, plasma lạnh còn có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnhvực công nghệ khác như chế tạo linh kiện điện tử, pin mặt trời thay thế các phương pháp truyền thống; xử lý bề mặt hoặc sơn phủ; nghiên cứu và điều trị về y sinh,…

Các công nghệ đang được tiếp tục cải thiện và cung cấp cho các bệnh viện nhằm tạo ra nguồn nước hoạt hóa plasma tiêu thụ tại chỗ. Đây chính là một lựa chọn hữu ích giúp thay thế cho thuốc khử trùng hiện có.

PAW cũng đóng vai trò như một chất bảo quản. Các công ty thực phẩm đang quan tâm đến việc sử dụng giải pháp nước hoạt hóa plasma để có thể trữ được thực phẩm lâu hơn. Theo một báo cáo năm 2011, plasma có khả năng gây ra những vụ nổ nhỏ và nhanh trong không khí, giúp khử trùng thịt gà. Trong khi đó, FloraHolland, một hợp tác xã trồng hoa ở Hà Lan đã bắt đầu áp dụng nước hoạt hóa plasma để giữ độ tươi cho những bó hoa đã cắt nhằm thay thế cho phương pháp khử trùng truyền thống bằng chất clo.

Trong tương lai, nông dân có thể xịt nước hoạt hóa plasma lên các loại cây trồng nhằm thúc đẩy tốc độ tăng trưởng. Vì trong loại nước này có chứa chất ammonia nên có thể sử dụng như một loại phân bón tự nhiên và cắt giảm lượng vi khuẩn có hại trong đất. Tuy nhiên, để tiến đến sử dụng nước hoạt hóa plasma ở quy mô lớn vẫn còn một chặng đường dài. Hiện nay, tốc độ sản xuất tối đa nước hoạt hóa plasma chỉ vào khoảng 120 lít một giờ. Lượng nước này chỉ đủ tưới cho 1 ha đất nông nghiệp trong 1 ngày.