Theo Liên Hợp Quốc, hiện vẫn còn khoảng 2,2 tỷ người trên thế giới chưa được tiếp cận nguồn nước uống an toàn. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, nhiều khu vực từ bang California - Mỹ đến các quốc gia Trung Đông đã phải dựa vào các nhà máy khử mặn để biến nước biển thành nước ngọt.

Tuy nhiên, các công nghệ khử mặn truyền thống như thẩm thấu ngược hay chưng cất nhiệt thường có chi phí cao và tiêu tốn nhiều năng lượng. Chúng cũng đòi hỏi các bước xử lý hóa học trước và sau quá trình khử mặn, đồng thời tạo ra lượng lớn nước muối cô đặc. Khi được xả trở lại biển, loại nước thải này có thể gây hại cho hệ sinh thái biển bằng cách làm tăng độ mặn và giảm lượng oxy hòa tan trong nước.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester đã phát triển một phương pháp mới có khả năng giải quyết nhiều hạn chế trên. Hệ thống khử mặn sử dụng năng lượng mặt trời của họ có thể tạo ra nước ngọt hiệu quả, không cần xử lý hóa chất trước khi vận hành và đặc biệt không tạo ra nước thải mặn. Nghiên cứu này do giáo sư Chunlei Guo dẫn dắt và được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications.

Công nghệ mới dựa trên các tấm kim loại màu đen được xử lý bằng femtosecond lasers - loại laze phát ra các xung cực ngắn chỉ kéo dài một phần triệu tỷ giây.

Quá trình xử lý này tạo cho bề mặt hai đặc tính quan trọng:

* Hấp thụ gần như toàn bộ ánh sáng mặt trời chiếu tới;

* Có khả năng hút nước rất mạnh, siêu thấm.

Một vùng hoạt động được khắc bằng laze sẽ kéo một lớp nước biển mỏng trải đều trên bề mặt. Khi hấp thụ ánh sáng mặt trời, nước sẽ bốc hơi và được chưng cất thành nước ngọt. Đồng thời, các muối và khoáng chất hòa tan được dẫn ra khỏi vùng bay hơi và tích tụ tại các khu vực thụ động nằm ở rìa tấm pin. Nhờ cơ chế này, muối không tích tụ tại khu vực tạo nước ngọt, giúp hệ thống có thể hoạt động liên tục mà không bị giảm hiệu suất.

Theo giáo sư Guo, nhiều công nghệ khử mặn bằng năng lượng mặt trời trước đây hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm vì chỉ sử dụng dung dịch nước muối đơn giản gồm nước và natri clorua (NaCl). Trong điều kiện đó, tinh thể muối hình thành có cấu trúc xốp, cho phép nước tiếp tục lưu thông và hòa tan chúng, giúp hệ thống dễ làm sạch. Tuy nhiên, nước biển thực tế phức tạp hơn rất nhiều.

Ngoài natri clorua, nước biển còn chứa nhiều khoáng chất khác như magie và canxi. Khi kết tinh, các chất này thường tạo thành lớp cặn cứng và đặc, có thể làm tắc đường dẫn nước và cuối cùng khiến hệ thống ngừng hoạt động.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các rãnh siêu nhỏ trên bề mặt kim loại đen nhằm hướng muối và khoáng chất di chuyển ra khỏi vùng bay hơi trước khi chúng kịp tích tụ. Các nhà khoa học cũng tận dụng một hiện tượng quen thuộc trong đời sống gọi là "hiệu ứng vòng cà phê" (coffee ring effect).

Giáo sư Guo giải thích: "Khi một giọt cà phê rơi trên bề mặt, nước sẽ bốc hơi dần và để lại một vòng cặn ở mép ngoài. Chúng tôi sử dụng chính nguyên lý đó để đẩy muối đến các vùng thụ động”.

Khi thử nghiệm với các mẫu nước lấy từ Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương, hệ thống cho thấy khả năng tự làm sạch hiệu quả. Nước ngọt được tạo ra liên tục trong khi muối được chuyển ra các vùng thụ động để thu gom mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.

Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của công nghệ này là cách xử lý phần muối còn lại. Các hệ thống khử mặn truyền thống tạo ra nước thải mặn cần được xử lý hoặc xả bỏ. Trong khi đó, công nghệ mới thu hồi gần như toàn bộ lượng muối và khoáng chất dưới dạng rắn.

Những vật liệu này có thể trở thành nguồn tài nguyên giá trị. Ngoài việc sản xuất muối ăn, hệ thống còn có khả năng thu hồi lithium - nguyên liệu quan trọng dùng trong pin lithium-ion cho xe điện và các thiết bị điện tử.

Trong một nghiên cứu liên quan được công bố trên Journal of Materials Chemistry A, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng các tấm pin siêu thấm này còn có thể tách lithium khỏi các loại muối khác.

Để thực hiện điều đó, nhóm nghiên cứu đưa các hạt nano hydro titanate vào các rãnh vi mô trên bề mặt kim loại. Các hạt nano này có khả năng chọn lọc và giữ lại lithium trong khi loại bỏ các khoáng chất khác.

Theo giáo sư Guo: "Khai thác lithium từ lòng đất hiện nay tiêu tốn rất nhiều năng lượng và gây tác động môi trường đáng kể. Vì vậy, việc thu hồi lithium trực tiếp từ nước mặn có thể trở thành một hướng đi rất quan trọng trong tương lai”.

Khi thử nghiệm với nước từ hồ muối lớn ở phía tây, Hoa Kỳ, nhóm nghiên cứu đã thu hồi được khoảng 50% lượng lithium có trong phần muối còn lại sau quá trình khử mặn. Mặc dù hiện nay công nghệ mới chỉ được chứng minh ở quy mô thử nghiệm, giáo sư Guo tin rằng hệ thống hoàn toàn có thể được mở rộng trong tương lai. Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ này không chỉ giúp tăng khả năng tiếp cận nguồn nước sạch cho hàng tỷ người mà còn tạo ra nguồn cung khoáng sản quan trọng theo hướng bền vững hơn.

Đ.T.V (NASATI), theo https://www.sciencedaily.com