- Các nhà nghiên cứu MIT và Trung Quốc đang tìm cách biến nước biển thành nước uống bằng thiết bị khử mặn thụ động chạy bằng năng lượng mặt trời, đồng thời tránh hiện tượng tắc nghẽn do muối lặp lại trong các thiết kế trước đây
- Thiết bị mới tạo ra trong một hệ thống nhỏ dòng xoáy tương tự tuần hoàn nhiệt muối của đại dương, dùng nhiệt mặt trời để làm nước bay hơi và ngưng tụ nhằm thu nước ngọt
- Lượng muối còn lại không tích tụ bên trong mà liên tục tuần hoàn và thoát ra ngoài; thiết bị có tốc độ sản xuất nước và tỷ lệ loại bỏ muối cao hơn các ý tưởng khử mặn mặt trời thụ động khác đang được thử nghiệm
- Nếu mở rộng lên kích cỡ một vali nhỏ, thiết bị được ước tính có thể tạo khoảng 4–6 lít nước uống mỗi giờ và vận hành trong nhiều năm mà không cần linh kiện thay thế
- Vì là hệ thống hoàn toàn thụ động, không dùng điện, nó có thể nhắm tới nhu cầu nước uống hằng ngày của các khu vực ven biển ngoài lưới điện hoặc các hộ gia đình nhỏ
Thiết bị khử mặn thụ động chỉ vận hành bằng ánh nắng mặt trời
- Các nhà nghiên cứu MIT và Trung Quốc đã phát triển một thiết bị hoàn toàn thụ động biến nước biển thành nước uống
- Thiết bị dùng ánh nắng tự nhiên để làm nóng nước muối, cho nước bay hơi rồi ngưng tụ hơi nước để thu nước có thể uống được
- Kết quả nghiên cứu được công bố trong bài báo Joule Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection
- Khi mở rộng hệ thống lên kích cỡ một vali nhỏ, thiết bị được ước tính có thể sản xuất khoảng 4–6 lít nước uống mỗi giờ
- Ở quy mô và hiệu năng này, nước tạo ra bằng năng lượng mặt trời có thể rẻ hơn nước máy
Tuần hoàn nhiệt muối được triển khai trong một chiếc hộp nhỏ
- Hệ thống mới lấy cảm hứng từ tuần hoàn nhiệt muối của đại dương
- Trong đại dương, chênh lệch nhiệt độ và độ mặn làm thay đổi mật độ của nước, và sự khác biệt này tạo ra các dòng chảy nước trên toàn cầu
- Khi nước biển tiếp xúc với không khí, ánh nắng làm nước bay hơi, còn lượng muối còn lại làm tăng độ mặn, khiến phần nước nặng hơn chảy xuống dưới
- Nhóm nghiên cứu mô phỏng hiện tượng này trong một thiết bị nhỏ và tận dụng nó để thải muối
- Nhiệt mặt trời và độ nghiêng của thiết bị tạo ra dòng xoáy trong nước; dòng chảy này đưa nước tiếp xúc với lớp bay hơi, trong khi muối không lắng xuống mà tiếp tục tuần hoàn
Hạn chế của thiết kế trước và cải tiến lần này
- Thiết kế trước đây của nhóm nghiên cứu dùng bộ bay hơi và bộ ngưng tụ gồm nhiều tầng
- Thiết kế được thử nghiệm trên mái một tòa nhà của MIT sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả cho quá trình bay hơi nước
- Tuy nhiên, lượng muối còn lại kết tinh và tích tụ chỉ sau vài ngày, làm tắc hệ thống
- Trong môi trường thực tế, người dùng sẽ phải thay các tầng thường xuyên, có thể làm tổng chi phí tăng mạnh
- Thiết kế tiếp theo bổ sung chức năng tuần hoàn nước và lượng muối còn lại để ngăn muối kết tủa
- Tuy vậy, tốc độ khử mặn nước vẫn tương đối thấp
- Thiết kế mới nhất kết hợp cả hai cách tiếp cận
- Duy trì cấu trúc bộ bay hơi–bộ ngưng tụ nhiều tầng
- Tăng cường tuần hoàn nước và muối trong từng tầng
- Đồng thời hướng tới tốc độ sản xuất nước cao và tỷ lệ loại bỏ muối cao
Cấu trúc thiết bị và cách hoạt động
- Đơn vị cốt lõi là một tầng đơn có dạng hộp mỏng
- Phía trên đặt vật liệu tối màu hấp thụ nhiệt mặt trời hiệu quả
- Bên trong được chia thành khu vực phía trên và phía dưới
- Lớp bay hơi ở khu vực phía trên làm nóng phần nước tiếp xúc trực tiếp bằng nhiệt mặt trời và khiến nước bay hơi
- Lớp ngưng tụ ở khu vực phía dưới dùng không khí làm mát để ngưng tụ hơi nước thành nước uống không chứa muối
- Nhóm nghiên cứu đặt nghiêng toàn bộ hộp trong một thùng rỗng lớn, gắn một ống nối từ phía trên của hộp xuống phía dưới thùng, rồi thả thùng nổi trên nước muối
- Với cấu hình này, nước tự nhiên đi lên theo ống vào trong hộp; độ nghiêng kết hợp với nhiệt mặt trời tạo ra những dòng xoáy nhỏ bên trong
Kết quả thử nghiệm và ước tính chi phí
- Nhóm nghiên cứu đã chế tạo các nguyên mẫu 1 tầng, 3 tầng và 10 tầng, rồi thử nghiệm hiệu năng với nước có nhiều độ mặn khác nhau
- Đối tượng thử nghiệm bao gồm nước biển tự nhiên và nước mặn gấp 7 lần nước biển
- Dựa trên kết quả thử nghiệm, họ tính toán rằng nếu mở rộng mỗi tầng lên diện tích 1 mét vuông, hệ thống có thể sản xuất tối đa 5 lít nước uống mỗi giờ
- Họ tính toán rằng hệ thống có thể khử mặn nước trong nhiều năm mà không tích tụ muối
- Vì là hệ thống hoàn toàn thụ động, không dùng điện và có tuổi thọ dài, chi phí vận hành được ước tính có thể thấp hơn chi phí sản xuất nước máy tại Mỹ
Khả năng ứng dụng và đánh giá bên ngoài
- Thiết bị sau khi mở rộng có thể tạo ra lượng nước uống theo cách thụ động đủ đáp ứng nhu cầu hằng ngày của một gia đình nhỏ
- Nó có thể được dùng làm nguồn cung cấp nước cho các khu vực ven biển ngoài lưới điện dễ tiếp cận nước biển
- Guihua Yu từ University of Texas at Austin đánh giá rằng cách tiếp cận này giúp giảm bớt những thách thức lớn trong lĩnh vực khử mặn, và đặc biệt có lợi cho các khu vực gặp vấn đề với nước có độ mặn cao
- Thiết kế dạng mô-đun phù hợp để sản xuất nước tại hộ gia đình, đồng thời có thể mang lại khả năng mở rộng và thích ứng theo nhu cầu riêng
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Không phải muốn hạ thấp bản thân đổi mới này, nhưng theo tôi biết, một trong những bài toán lớn còn lại của khử muối là xử lý nước thải, vốn thường là nước muối cô đặc nồng độ cao, như thế nào
Nếu đổ trở lại biển, nó có thể gây xáo trộn hệ sinh thái địa phương. Cũng có một bài trên Scientific American liên quan: https://www.scientificamerican.com/article/slaking-the-world...
“Lượng muối dư thừa làm giảm oxy hòa tan trong nước và khiến sinh vật đáy biển bị ngạt”, “không chỉ gây hại cho sinh vật biển, độ mặn cực đoan còn khiến việc khử muối nước trở nên khó hơn và tốn kém hơn”
Tôi cũng không hẳn gọi đó là vấn đề chưa có lời giải. Xây một bãi đậu xe có khi còn làm xáo trộn hệ sinh thái nhiều hơn
Ví dụ, bờ biển California lẽ ra không nên thiếu nước vì bang này có rất nhiều năng lượng mặt trời và gió sạch, đồng thời tiếp cận được toàn bộ Thái Bình Dương để khử muối; chỉ cần ra khỏi bờ vài dặm là độ sâu đã tăng rất nhanh. Ở đó, ngay cả khi muốn cũng khó mà thay đổi độ mặn của nước biển theo cách có thể đo được
Vì vậy lời giải là đường ống và máy bơm. Chi phí sẽ tăng, nhưng ngoài điều đó ra thì đây là vấn đề hoàn toàn có thể giải quyết. Việc làm cạn kiệt các nguồn nước tự nhiên như nước ngầm và tầng chứa nước cũng gây tác động lớn. Khử muối đúng cách thậm chí có thể tạo cơ hội để một phần hệ sinh thái đang chịu áp lực được phục hồi
Ngay cả khi nước tạo ra từ quy trình này gần với nước cất, tức không có các khoáng chất cần cho nước uống, nếu đủ rẻ và có thể mở rộng thì có lẽ Ấn Độ, các nước Ả Rập và các nước Bắc Phi có thể bơm thứ nước sạch này xuống lòng đất để trộn với lượng nước ngọt ít ỏi còn lại trong đất
Nếu xây hệ thống ở quy mô 100 triệu lít mỗi ngày và bơm vào sâu trong đất liền, có thể sẽ bổ sung đủ mực nước ngầm trong khi chính Trái Đất tự thêm vào các khoáng chất cần thiết
Cũng có thể trồng cây ở những nơi vốn dĩ không thể làm được bằng loại nước này
Liệu khử muối thụ động có thể là cách để bootstrap một hệ sinh thái địa phương trong môi trường khô hạn lên mức tự duy trì hay không?
Cụm “rẻ hơn nước máy” nghe khá khó hiểu. Tôi lớn lên trên một hòn đảo dùng khử muối, và đó chính là nước máy của chúng tôi
Tiêu đề đầu tiên có thể dùng để câu click. Dù tôi cũng muốn clickbait tốt hơn, nhưng ít nhất tôi còn muốn biết chuyện gì đang xảy ra. “Chúng tôi tạo ra nước uống miễn phí vô hạn!” => “Loại bỏ cặn muối khỏi thiết bị chưng cất bằng năng lượng mặt trời”
Tại sao cứ mỗi 3~4 năm lại có tin về một phát minh khử muối mới và rẻ hơn?
Hầu hết các quốc gia đã bắt đầu đối mặt với áp lực nước nghiêm trọng. Đặc biệt là khi các mùa không còn tuân theo đúng quy luật cũ nữa. Hạn hán bất ngờ có thể làm tê liệt gần như mọi nguồn cung nước, còn bơm nước ngầm quá mức làm mặt đất bị lún. Cứ nhìn vấn đề hố sụt xuất hiện ngẫu nhiên ở China do sụt lún mặt đất là thấy
Khử muối nước theo kiểu hiện đại vẫn còn khá mới nên còn nhiều dư địa phát triển về mặt kỹ thuật. Nó cũng hấp dẫn ở góc độ bằng sáng chế cho các hệ thống tốt hơn, và lúc nào cũng có thị trường
Nestle Strawman Inc. vừa mua bằng sáng chế đó xong. Tôi ước có nhiều quốc gia cho phép xâm phạm sở hữu trí tuệ hơn để tiến bộ công nghệ có thể phát triển mạnh
Rửa phần muối tích tụ đi à? Muối biển phơi nắng bán khoảng 3 USD mỗi pound
Nhu cầu cho thứ đó khá hạn chế. Chỉ vì mua được với giá 1,50 USD mỗi pound thì bạn sẽ dùng thêm được bao nhiêu muối?
Trong khi đó thiết bị này tạo ra “nước biển cô đặc”. Toàn bộ tảo, phân cá, ô nhiễm nhựa và mọi thứ vốn có trong nước biển ban đầu đều vẫn nằm trong đó
Nếu xem đây như một ‘hộp đen’, thì Mặt Trời với vai trò nguồn nhiệt sẽ làm nóng toàn bộ lượng nước. Nếu 10% lượng nước bốc hơi và ngưng tụ ở khu lưu trữ, phần còn lại sẽ mặn hơn thêm 0,35% so với độ mặn 3,5% ban đầu và vẫn giữ nhiệt
Nếu xả 10% đó đi và thay bằng nước biển lạnh có độ mặn 3,5%, đồng thời dòng xả đi qua bộ trao đổi nhiệt ngược dòng thì nhiệt tích trữ sẽ được giữ lại, còn lượng muối tăng thêm 0,35% sẽ trở thành chất thải không đáng kể rồi phân tán đi
Vấn đề lớn nhất là tảo và sinh vật biển lơ lửng sẽ sớm phát triển và làm tắc mọi bề mặt. Ai từng nuôi bể nước mặn hoặc nước ngọt đều sẽ biết đây là vấn đề. Hệ thống này sẽ hoạt động cho tới khi gặp vấn đề về tảo, rồi cả ấu trùng sò, vẹm, hà bám vốn rất phổ biến trong nước biển nữa
Có ai biết có thể tìm bài báo gốc hoặc thiết kế ở đâu không?
Có vẻ là bài này: https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00360-4
Tôi sẽ tìm xem hệ thống này đã được nộp đơn xin bằng sáng chế chưa. Hiện giờ chưa tìm ngay được, nhưng để tin dù chỉ một chút rằng nó có thể thành công trong thế giới thực thì bằng sáng chế và việc cấp phép cho startup liên quan là bước tối thiểu cần có