Công nghệ mới giúp việc khử mặn nước biển rẻ hơn cả sản xuất nước đóng chai

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp để dệt các hạt nano vào vật liệu bay hơi quang nhiệt ba chiều, giúp tăng đáng kể hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời để thúc đẩy quá trình khử muối. Ảnh: Shutterstock.

Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển thành công hệ thống khử mặn bằng năng lượng Mặt Trời có thể hoạt động ổn định suốt một năm mà không cần sử dụng điện lưới. Công nghệ mới được kỳ vọng sẽ mở ra giải pháp cung cấp nước sạch với chi phí thấp cho các khu vực ven biển, hải đảo và những nơi khan hiếm nguồn nước.

Điểm đột phá của nghiên cứu nằm ở việc tạo ra một loại vật liệu quang nhiệt hoàn toàn mới, có khả năng hấp thụ ánh sáng Mặt Trời với hiệu suất rất cao để chuyển đổi trực tiếp thành nhiệt, phục vụ quá trình làm bay hơi nước biển.

Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu này giúp nâng đáng kể hiệu quả khử mặn, đồng thời giảm gần một nửa lượng năng lượng cần thiết để bốc hơi cùng một lượng nước biển so với các phương pháp thông thường.

Trong thử nghiệm ngoài thực địa, hệ thống đã vận hành liên tục chỉ nhờ ánh sáng tự nhiên, không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào và đủ cung cấp nước tưới cho khu đất canh tác rộng khoảng 5 m² trong suốt một vụ mùa.

Các nhà nghiên cứu cũng ước tính nếu hệ thống hoạt động trong khoảng hai năm, chi phí sản xuất nước sạch sẽ thấp hơn cả giá nước đóng chai. Khi mở rộng quy mô thương mại hoặc vận hành trong thời gian dài, lợi thế kinh tế của công nghệ sẽ còn rõ rệt hơn.

Nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật Quá trình (Institute of Process Engineering - IPE) trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phối hợp với Đại học Thâm Quyến thực hiện và được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials ngày 21/6.

Khử mặn bằng năng lượng Mặt Trời: Hướng đi xanh thay thế công nghệ truyền thống

Trong nhiều thập kỷ qua, khử mặn nước biển luôn được xem là một trong những phương pháp sản xuất nước ngọt tiêu tốn nhiều năng lượng nhất.

Hiện nay, công nghệ phổ biến nhất là thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis), sử dụng điện năng để bơm nước biển qua các màng lọc siêu mỏng nhằm giữ lại muối và các tạp chất, chỉ cho các phân tử nước đi qua.

Do chi phí đầu tư và vận hành rất lớn, công nghệ này chủ yếu được áp dụng tại các quốc gia giàu năng lượng, đặc biệt là khu vực Trung Đông.

Theo số liệu được Al Jazeera công bố trong năm nay, các quốc gia vùng Vịnh hiện sản xuất khoảng 40% tổng lượng nước khử mặn trên toàn cầu, với hơn 400 nhà máy đặt dọc bờ biển.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và khan hiếm nước ngọt ngày càng nghiêm trọng, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đang hướng tới giải pháp khử mặn bằng năng lượng Mặt Trời.

Ý tưởng của công nghệ này là sử dụng vật liệu quang nhiệt để hấp thụ ánh sáng, chuyển thành nhiệt, làm bốc hơi nước biển, sau đó ngưng tụ hơi nước thành nước ngọt.

Tuy nhiên, việc hiện thực hóa giải pháp này trên quy mô lớn từ trước đến nay vẫn gặp rất nhiều trở ngại.

Quá trình khử muối theo truyền thống tiêu tốn nhiều năng lượng, hoặc sử dụng lượng điện khổng lồ hoặc phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng rộng lớn và đắt đỏ. Ảnh: Shutterstock

Lấy cảm hứng từ… chiếc cúc áo

Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu quang nhiệt hiệu quả nhất thường được chế tạo từ các hạt nano siêu nhỏ.

Thách thức lớn là khi ghép các hạt nano thành một thiết bị hoàn chỉnh, chúng rất dễ kết tụ giống như bột mì bị vón cục, làm cản trở đường thoát của hơi nước và khiến hiệu suất giảm mạnh.

Ngoài ra, nhiều loại polymer hữu cơ dùng để liên kết các hạt nano cũng nhanh chóng xuống cấp khi phải tiếp xúc lâu dài với ánh nắng mạnh.

Để giải quyết bài toán này, các nhà khoa học đã tìm cảm hứng từ những chiếc cúc áo.

Họ biến từng hạt nano thành những "chiếc cúc" siêu nhỏ, sau đó sử dụng các chuỗi polymer như những "sợi chỉ" xuyên qua các lỗ siêu nhỏ trên bề mặt hạt nano để "khâu" chúng lại với nhau thành một cấu trúc ba chiều cực kỳ bền vững.

Quá trình này bắt đầu bằng việc chế tạo các hạt nano rỗng nhiều lớp.

Tiếp đó, dung môi đặc biệt giúp các chuỗi polymer luồn chính xác qua các lỗ cực nhỏ trên bề mặt giống như xỏ chỉ qua vải.

Khi hệ thống được làm lạnh, các chuỗi polymer hoạt động như những chiếc khóa, liên kết hàng tỷ hạt nano thành một "khu rừng nano" ba chiều có độ ổn định rất cao.

Hoạt động bền bỉ trong môi trường biển khắc nghiệt

Để đánh giá độ bền, nhóm nghiên cứu đặt vật liệu vào nước biển và khuấy liên tục với tốc độ 450 vòng/phút trong suốt 30 ngày nhằm mô phỏng môi trường biển khắc nghiệt.

Kết quả quan sát dưới kính hiển vi cho thấy gần như không có hạt nano nào bị tách khỏi cấu trúc.

Đặc biệt, cấu trúc ba chiều còn khiến ánh sáng Mặt Trời liên tục phản xạ và tán xạ bên trong vật liệu, nâng hiệu suất hấp thụ năng lượng Mặt Trời lên tới 90,2%.

Đồng thời, lượng năng lượng cần để làm bốc hơi cùng một thể tích nước biển giảm tới 45,7%.

Mỗi ngày tạo hơn 20 lít nước ngọt đạt chuẩn WHO

Nhóm nghiên cứu sau đó chế tạo một hệ thống thử nghiệm có diện tích khoảng 0,75 m².

Các tấm pin Mặt Trời chỉ dùng để cấp điện cho quạt đưa hơi nước sang bộ phận ngưng tụ, nơi hơi nước được chuyển thành nước ngọt.

Trong điều kiện ánh nắng tự nhiên, hệ thống tạo ra hơn 20 lít nước ngọt mỗi ngày, đủ đáp ứng nhu cầu nước uống cơ bản của khoảng 10 người.

Theo thông cáo của Viện Kỹ thuật Quá trình, chất lượng nước thu được đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO).

Nguồn nước này tiếp tục được sử dụng để tưới cho khu đất thử nghiệm rộng 5 m², nơi các loại cây như rau bina, ngô và cải thảo đều hoàn thành trọn vẹn chu kỳ sinh trưởng.

Sau một năm vận hành liên tục, vật liệu quang nhiệt vẫn duy trì hiệu suất ổn định mà không ghi nhận sự suy giảm đáng kể.

Nhóm nghiên cứu cho biết hiện đang tiếp tục tối ưu hóa hiệu suất ngưng tụ và cắt giảm chi phí chế tạo nhằm đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế tại các vùng ven biển thiếu nước, các đảo xa và những khu vực hẻo lánh trên thế giới.

Theo SCMP

Huyền Chi