Phương pháp mới biến nước biển thành nước uống mà không tạo ra chất thải

 (rochester.edu)
1 điểm bởi GN⁺ 2 giờ trước | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Hệ thống khử mặn bằng năng lượng mặt trời kéo một lớp nước mỏng lên các tấm kim loại đen để hấp thụ bức xạ mặt trời và chưng cất nước, tạo ra nước ngọt mà không cần phụ gia hóa học hay tạo ra phụ phẩm nước muối
  • Các phương pháp thẩm thấu ngược và chưng cất nhiệt hiện nay tiêu tốn nhiều năng lượng, cần tiền xử lý và hậu xử lý, đồng thời nước muối thải xả trở lại biển làm tăng độ mặn và giảm oxy, gây hại cho sinh vật biển
  • Nhóm nghiên cứu tại University of Rochester đã thiết kế bề mặt kim loại đen siêu thấm hút (superwicking) được khắc bằng laser femtô giây, trong đó vùng hoạt động duy trì quá trình khử mặn còn các cạnh không xử lý sẽ nhận phần muối và khoáng chất còn lại
  • Trong các thử nghiệm với mẫu nước từ Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương, hiệu ứng vòng cà phê đưa muối và khoáng chất sang vùng thụ động để bề mặt tự làm sạch và có thể thu gom mà không làm giảm hiệu suất tấm panel
  • Cùng một tấm panel có thể chiết gần 100% muối ở dạng rắn, và với mẫu nước từ Great Salt Lake, nhóm nghiên cứu còn chiết được khoảng 50% lithium từ phần muối còn lại sau khử mặn

Hệ thống khử mặn tiết kiệm năng lượng tạo ra nước ngọt không cần phụ gia hóa học và biến phần muối còn lại thành vật chất hữu ích

  • Theo ước tính của UN, có 2,2 tỷ người chưa được tiếp cận nguồn nước uống được quản lý an toàn, và nhiều cộng đồng từ California đến Trung Đông đang phụ thuộc vào các cơ sở khử mặn để biến nước biển thành nước ngọt
  • Các công nghệ khử mặn phổ biến như thẩm thấu ngược và chưng cất nhiệt tiêu tốn nhiều năng lượng, đòi hỏi tiền xử lý và hậu xử lý nước, đồng thời để lại phụ phẩm là nước muối thải (brine) cô đặc
    • Khi nước muối thải được xả trở lại đại dương, nó làm tăng độ mặn của nước và làm giảm oxy, gây tổn hại cho sinh vật biển
  • Nhóm nghiên cứu tại Institute of Optics thuộc University of Rochester đã phát triển một quy trình khử mặn bằng năng lượng mặt trời mới không tạo ra nước muối thải và cũng không cần phụ gia hóa học cho bước tiền xử lý
  • Cốt lõi của công nghệ là các tấm kim loại đen được khắc bằng laser femtô giây; bề mặt này hấp thụ ánh sáng cực tốt và có đặc tính siêu thấm hút mạnh đối với nước
    • Vùng hoạt động được xử lý bằng laser kéo một lớp nước mỏng lên bề mặt, hấp thụ gần như toàn bộ bức xạ mặt trời và chưng cất nước
    • Phần muối và khoáng chất còn lại sẽ di chuyển sang các cạnh không được xử lý của tấm panel, tức vùng thụ động, nên không làm tắc vùng hoạt động
    • Cấu trúc này được thiết kế để tránh vấn đề muối làm nghẽn vùng hoạt động và cản trở quá trình khử mặn liên tục

Tận dụng hiệu ứng “vòng cà phê” và biến chất thải thành tài nguyên

  • Tận dụng hiệu ứng “vòng cà phê”

    • Một số nghiên cứu khử mặn bằng năng lượng mặt trời trước đây hoạt động tốt trong điều kiện phòng thí nghiệm với nước biển mô phỏng chỉ gồm nước và natri clorua
    • Khi nước bay hơi, natri clorua kết tinh thành dạng hạt và xốp, cho phép nước đi qua để hòa tan muối, đồng thời tấm panel mặt trời cũng dễ được làm sạch
    • Nhưng nước biển thực tế có thành phần phức tạp hơn nhiều nên thường phát sinh vấn đề trong các thử nghiệm thực địa
    • Các thành phần trong nước biển như chất gốc magiê và canxi sẽ kết tinh thành lớp vỏ cứng, không xốp trên bề mặt panel mặt trời và làm bít bề mặt
    • Điều này giống hiện tượng đầu vòi sen bị tắc hoặc ấm đun nước đóng cặn theo thời gian, nhưng nước biển chứa lượng muối nhiều gấp hàng trăm lần nước máy
    • Nhóm nghiên cứu đã khắc chính xác các rãnh trên kim loại đen để nhiều loại muối và khoáng chất trong nước biển có thể tách khỏi bề mặt
    • Hiệu ứng vòng cà phê là hiện tượng một giọt cà phê khô trên bề mặt để lại vòng hạt cà phê cô đặc ở mép ngoài
    • Nhóm áp dụng chính nguyên lý đó để đưa muối sang vùng thụ động
    • Các thử nghiệm với mẫu nước từ Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương đã xác nhận bề mặt có khả năng tự làm sạch
    • Trong khi nước ngọt được tách ra, phần muối còn lại được đưa sang vùng thụ động để có thể thu gom sau đó
    • Quá trình này không làm suy giảm hiệu suất của tấm panel

  • Biến chất thải thành tài nguyên

    • Một ưu điểm rõ rệt của phương pháp khử mặn mới là thay vì để lại nước muối thải cần xử lý hoặc loại bỏ, nó chiết gần như 100% muối ở dạng rắn
    • Đây có thể là nguồn cung dồi dào cho muối ăn, đồng thời cũng có thể dùng để khai thác các khoáng sản có giá trị hơn như lithium cho pin lithium-ion dùng trong xe điện và thiết bị điện tử
    • Bài báo liên quan trên Journal of Materials Chemistry A trình bày cách dùng cùng loại panel mặt trời siêu thấm hút để tách lithium khỏi các muối khác trong quá trình khử mặn
    • Phương pháp này đưa các hạt nano hydrogen titanate vào những rãnh siêu nhỏ trên bề mặt kim loại đen để tách lithium khỏi các muối và khoáng chất khác
    • Guo cho rằng vì việc khai thác lithium từ lòng đất gây gánh nặng rất lớn về năng lượng và môi trường, nên việc thu trực tiếp lithium từ nước muối có thể trở thành một hướng đi quan trọng trong tương lai
    • Trong thí nghiệm dùng mẫu nước từ Great Salt Lake, nhóm đã chiết được khoảng 50% lithium từ phần muối còn lại sau quá trình khử mặn
    • Công nghệ khử mặn siêu thấm hút đã được chứng minh ở mức độ proof-of-concept với thiết bị quy mô nhỏ, và Guo đánh giá công nghệ này có thể mở rộng để cải thiện khả năng tiếp cận nước uống trên toàn cầu cũng như tính bền vững của chuỗi cung ứng khoáng sản quý

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2 giờ trước
Ý kiến trên Hacker News

  • Khử muối cần mức năng lượng tối thiểu về mặt nền tảng
    Nghĩa là không thể làm với lượng năng lượng thấp hơn mức năng lượng có thể thu hồi được nếu để nước đã khử muối chịu áp suất thẩm thấu về phía nước muối còn lại và đẩy một piston, và mức này là lớn
    Bài báo này dùng phương pháp dựa trên nhiệt nên không có đầu vào điện, nhưng nếu muốn khẳng định hiệu suất thì phải so sánh với trường hợp dùng cùng diện tích đó cho tấm pin mặt trời và vận hành thiết bị hiện có
    Theo cách hiểu còn hạn chế của tôi, thẩm thấu ngược hiện nay đã khá gần mức tối ưu lý thuyết về mặt năng lượng, và khó khăn chính là vấn đề vận hành để xử lý tình trạng màng bị tắc. Tất nhiên, thẩm thấu ngược vẫn đắt hơn mưa
    Tuy vậy, điểm tạo ra muối kết tinh trực tiếp thì khá thú vị, vì thể tích nhỏ hơn nước muối, dễ xử lý hơn và có thể còn có giá trị

    • Phương pháp nhiệt cũng cần năng lượng, và có vẻ nền này hiệu quả hơn ở chỗ giữ được đặc tính hấp thụ nhiệt mặt trời tốt hơn so với vật liệu hút muối
      Nội dung là: “Khi thử nghiệm kỹ thuật khử muối bằng nhiệt mặt trời với các mẫu nước từ Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương, nhóm của Guo đã có thể làm cho bề mặt tự làm sạch. Tức là họ trích xuất nước ngọt và đưa phần muối còn lại sang vùng thụ động để có thể thu gom sau đó, mà không làm giảm hiệu suất của tấm”
      Đây không hẳn là một cải tiến “lớn” mà là cải tiến ở mức vừa phải, thay đổi albedo có lẽ cũng hạn chế, và năng lượng mặt trời đầu vào trên mỗi đơn vị diện tích là như nhau
      Tùy theo chi phí của quy trình này, xét theo giá trị hiện tại ròng thì có khả năng gần như ngang nhau
    • Nếu áp dụng được việc này cho nước thải mỏ thì không còn là “có thể có giá trị” nữa mà gần như chắc chắn có giá trị
      Vì các hồ nước thải axit sulfuric hòa tan đủ loại kim loại quý từ lòng đất
    • Nếu chỉ nhìn vào hiệu suất năng lượng thuần túy thì có thể bỏ lỡ hiệu quả kinh tế
      Nhà máy khử muối RO cần điện để chạy bơm, và lượng điện đó có thể được tạo ra từ các tấm pin hiệu suất 15~20%
      Nếu có thể chế tạo các tấm khử muối nhiệt giá rẻ thì dù hiệu suất năng lượng thấp hơn 6 lần vẫn có thể thắng, đồng thời tránh được nhà máy khử muối đắt đỏ và dễ hỏng, cho phép cấu hình phân tán với lao động tay nghề thấp
    • Nước muối chỉ cần bơm trở lại nơi vốn có của nó nên rất dễ xử lý
      Ngược lại, muối kết tinh rắn mới là thứ phiền toái hơn
    • Thẩm thấu ngược thường ở mức gấp 2~4 lần mức tối thiểu lý thuyết, tùy vào việc bạn chấp nhận bỏ đi bao nhiêu nước

  • Bài báo ở đây: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02315-4
    Hiện vẫn chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm trong một bình thủy tinh, chưa phải giai đoạn tạo ra được hệ thống có thể dùng thực tế, dù là loại nhỏ
    Tuyên bố lớn là nó không bị tắc, nghĩa là tác động mao dẫn chuyển muối sang một vùng khác ngoài vùng hoạt động, và một cơ chế nào đó chưa được phát triển sẽ loại bỏ nó ở đó. Phần này cần được chứng minh
    Nếu có thể tạo ra thứ vận hành nhiều năm mà không bị tắc và không cần thay vật liệu hoạt tính thì đó sẽ là một bước tiến thật sự
    Xử lý bề mặt bằng laser vốn đã là công nghệ được biết đến: https://www.youtube.com/watch?v=BKYOglHYo_Y
    Nó hữu ích khi chuẩn bị sơn, bằng cách làm nhám một bề mặt trơn theo cách có cấu trúc rất cao để lớp sơn hoàn thiện cuối cùng lại mịn
    Nếu làm nhám bằng sandblast thì lớp sơn đầu tiên sẽ hơi không đều, nên lại phải chà nhám và sơn tiếp
    Việc làm nhám bằng laser đã từng được thử cho sơn ô tô nhưng không trở thành xu hướng chính, và câu hỏi hay ở đây là liệu thiết bị xử lý bề mặt laser thương mại có thể tạo ra vật liệu cho quy trình mới này hay không

    • Làm tôi nhớ đến việc xây dựng kênh đào Panama
      Nỗ lực quy mô lớn đầu tiên đã thất bại và bị bỏ dở, và điều học được ở nỗ lực thứ hai là vấn đề khó nhất không phải là đào mà là di chuyển đất. Khối lượng đất thực sự khổng lồ
      Liên quan đến chuyện này, Path Between the Seas là một cuốn sách rất hay và rất khó đặt xuống
    • Công nghệ thú vị, nhưng cũng đầy nghi ngờ
      Nhìn ảnh thì có vẻ bề mặt bị phủ một ít muối, mà với loại hệ thống này thì chỉ từng đó thôi cũng đã có vẻ quá nhiều
      Dù vậy vẫn hy vọng nó hoạt động tốt và có thể mở rộng

  • Có vẻ đây là cùng một bài về University of Rochester đã có 20 bình luận cách đây 4 ngày
    https://news.ycombinator.com/item?id=48349507

  • Theo tôi, cách hiệu quả nhất để “biến nước biển thành nước uống” là mưa
    Về cơ bản chỉ cần thu gom và vận chuyển tốt hơn sản lượng mà cỗ máy khử muối bằng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới tạo ra

    • Tùy khu vực, nhưng làm cho nước chảy chậm lại là một trong những cách tốt nhất để đảm bảo nước ngọt
      Nếu làm chậm tốc độ nước chảy dọc theo sườn dốc thì thảm thực vật sẽ tăng lên, thảm thực vật đó cũng giữ nước, và nước có thêm thời gian ngấm vào đất nên cũng giúp các giếng địa phương
      Ngay cả vùng sa mạc cũng có thể được “terraforming” hoàn toàn: https://youtube.com/shorts/cfhbtgon4Nk?is=oAExB5UeMAsShBux
    • Dù vậy vẫn có lúc không có mưa, và đặc biệt ở các vùng ven biển thì năng lực khử muối có thể trở nên rất quan trọng

  • Thật tốt khi thấy nghiên cứu từ Rochester. Dù là RIT, UofR hay các trường gần đó, đây thực sự là một khu vực bị đánh giá thấp về mặt học thuật

    • Tôi tốt nghiệp vật lý ở UofR và cũng từng làm ở LLE, nên tôi đồng ý rằng các trường ở Rochester bị đánh giá thấp. Tất nhiên có thể tôi hơi thiên vị
      Ít nhất trong khoa học, tôi đã có thể tiếp cận nhiều cơ hội mà ở những trường nổi tiếng hơn khó có được
      Nó đã giúp tôi xây nền cho cuộc đời theo cách mà ở nơi khác có lẽ khó làm được
    • Cũng chính trường đại học đó từng cho ra siêu dẫn nhiệt độ phòng
    • Với tư cách cựu sinh viên RIT, tôi nhìn chung đồng ý
    • Cũng xin dành lời khen cho Laboratory for Laser Energetics
    • Tôi nghĩ RIT được biết đến khá rộng rãi như một trường tốt

  • Có thể là một câu hỏi kỳ lạ, nhưng liệu có thể gắn các tấm pin mặt trời vào máy hút ẩm để tạo ra nước không uống được dùng cho tưới tiêu nông nghiệp ở quy mô lớn, ở bất cứ đâu không phải sa mạc không? Nếu không được thì vì sao?

    • Để mở rộng quy mô thì tốn quá nhiều năng lượng và tạo nước quá chậm
      Nói chung, những khu vực có đủ độ ẩm trong không khí để đáng cân nhắc cách này thì đã có thể tiếp cận mưa và nước ngầm dễ dàng hơn rồi
    • Nói ngắn gọn là những vấn đề đó thực ra đã được giải quyết từ lâu
      Israel khử mặn 75~85% nước uống của mình, và vấn đề nằm ở sự rối loạn chức năng về chính trị và kinh tế
      Ví dụ, California đã có thể khử mặn trên diện rộng bằng công nghệ thập niên 1970 và năng lượng hạt nhân, đồng thời cũng có thể mở rộng đáng kể hồ chứa và kênh dẫn nước, nhưng đã không làm
      Rất giống với việc Rome vào những năm 400 vẫn dùng các cầu dẫn nước do nền văn minh trước đó xây, nhưng đã đánh mất khả năng xây mới
    • Nếu ý nghĩa của “có tác dụng” là “hoạt động được”, thì 99% các trò lừa thu nước từ không khí bán trên thị trường chính là kiểu đó
      Lý do thực tế nó không hiệu quả là vì cực kỳ kém hiệu suất. Để ngưng tụ nước, bạn phải thải một lượng nhiệt khổng lồ ra đâu đó, và đây là một giới hạn mang tính nền tảng của vật lý
      Hơn nữa, những nơi máy hút ẩm hoạt động khá tốt thì lại thường ẩm và thường không thiếu nước nghiêm trọng đến vậy. Sa mạc có độ ẩm rất thấp nên máy hút ẩm hầu như không tạo được nước
      Ngay cả một máy hút ẩm tốt trong môi trường ẩm cũng đốt điện ở mức kW chỉ để tạo ra chừng 10 lít nước mỗi ngày
      Trên Trái Đất thực ra có những nơi về cơ bản là sa mạc nhưng sáng sớm thường xuyên có sương mù ẩm tràn vào, và ở những nơi đó người ta đã biết cách thu nước từ không khí từ rất lâu trước khi chu trình làm lạnh được phát minh
      Nói thẳng ra thì khử mặn còn rẻ hơn
      Cũng có thể làm một nhà kính khổng lồ chứa đầy nước biển, cho bốc hơi bằng mặt trời rồi thu lại bằng máy hút ẩm, nhưng vẫn kém hiệu quả đến mức phi lý. Nước có nhiệt dung riêng rất lớn nên bất kỳ con đường nào tách nước bằng nhiệt cũng tiêu tốn năng lượng khổng lồ
    • Những vùng ẩm mà cách này có thể hoạt động thì có lẽ vốn đã có nhiều nước rồi
    • Còn tùy “hoạt động” được hiểu theo nghĩa nào
      Không máy hút ẩm nào trên thị trường có thể tạo đủ nước, nên cuối cùng bạn sẽ tốn 80.000 USD, trong khi gọi xe chở nước tới còn hợp lý hơn

  • Tôi tự hỏi liệu việc kết hợp hiệu ứng quang phân tử có thể cải thiện hiệu quả năng lượng hơn nữa không
    https://news.mit.edu/2024/how-light-can-vaporize-water-witho...

  • Từ lâu tôi vẫn thắc mắc vì sao người ta không làm tràn lan các kênh dẫn chứa nước biển dọc bờ Red Sea, để nước đó bốc hơi dưới mái kính tạo ra nước ngọt, còn phần muối còn lại thì khai thác
    cát → kính → nước biển được đun nóng → nước ngọt + khoáng sản → ??? → có vẻ như có thể thành một mô hình sinh lời
    Nếu kết hợp thêm cả các trang trại rừng ngập mặn, có lẽ bờ biển sa mạc cũng có thể nâng đỡ nhiều sự sống hơn
    Tôi cũng tò mò liệu công nghệ này có mở rộng quy mô được không, và có thể xử lý nước nhanh tới mức nào. Nếu kết hợp với các tấm pin mặt trời trong suốt thì có thể sẽ thành một công nghệ khá ấn tượng

    • Có một ý tưởng hơi khác là lấy nước từ Red Sea, cô đặc rồi cho chảy vào Dead Sea để giúp ổn định mực nước. Mực nước của Dead Sea là một vấn đề lớn
      Khoảng 1 tỷ USD đã được chi ra, nhưng vì các vấn đề tài chính, chính trị và môi trường đan xen phức tạp nên dự án hiện đang bị đình lại
      https://en.wikipedia.org/wiki/Red_Sea%E2%80%93Dead_Sea_Water...
    • Nếu bạn từng ra bãi biển, bạn sẽ biết không khí mặn, mùi rong biển thối rữa và cả tiếng chim
      Tất cả những thứ đó sẽ bám lên cả mặt trên lẫn mặt dưới của kính, và cuối cùng phần muối còn lại cũng sẽ tích tụ
      Phần muối còn lại rất khắc nghiệt đối với các kết cấu hay máy móc dùng để di chuyển nó, nên việc sửa chữa các kết cấu kính lớn cũng trở nên phiền phức
      Nếu phải làm đến mức này mà lượng nước thu được chỉ như một dòng chảy nhỏ chậm chạp thì nhìn chung là không đáng giá