Thiết bị chưng cất này có thể đồng thời khử muối, khử trùng và khử nhiễm nước với chi phí thấp.
Hiệu quả cao - giá thành rẻ
“Nước, nước, khắp mọi nơi, không có giọt nào để uống”, chắc hẳn, không ít người đã nghe một phiên bản khác của câu thơ này trong bài “The Rime of the Ancient Mariner” năm 1798. Bởi, việc thiếu nước uống sạch là một vấn đề toàn cầu.
Tuy nhiên, mới đây, một thiết bị khử muối ở nước giá rẻ do các nhà nghiên cứu của Đại học Dalhousie (Canada) phát triển có thể giúp giải quyết tình trạng thiếu nước tại các quốc gia đang phát triển hoặc vùng xa xôi.
Những phát hiện về việc thử nghiệm thiết bị chưng cất chạy bằng năng lượng Mặt trời này có thể khử muối ở nước và tạo ra nhiệt điện đã được công bố trên iScience, tạp chí truy cập mở mới của Cell Press cung cấp nền tảng cho nghiên cứu gốc trong khoa học sự sống, vật lý, xã hội, Trái đất và sức khỏe.
Có rất nhiều yếu tố khiến thiết bị của nhóm nghiên cứu trở nên độc đáo. Tuy nhiên, thứ quan trọng nhất trong số đó là thiết kế tập trung vào một thành phần khiêm tốn hơn nhiều so với các thiết bị cạnh tranh được làm bằng kim loại quý. Thành phần đó là lốp xe đã qua sử dụng.
Ý tưởng về thiết bị chưng cất năng lượng Mặt trời bắt nguồn từ plasmonics chịu nhiệt. Đây là một lĩnh vực nhằm phát triển các vật liệu nano ổn định về mặt nhiệt và hóa học, có thể điều khiển ánh sáng theo những cách đặc biệt trong điều kiện khắc nghiệt.
“Vật liệu nano plasmonic chịu nhiệt rất tốt trong việc thu ánh sáng và chuyển đổi ánh sáng đó thành nhiệt”, PGS hóa học, Tiến sĩ Mita Dasog - Chủ tịch thư viện Killam Memorial, Đại học Dalhousie, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu cho biết. PGS Mita Dasog là tác giả chính của công trình, cùng với nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Matthew Margeson và cựu thành viên phòng thí nghiệm đại học Mark Atwood.
Ông Margeson đã hình thành ý tưởng và phát triển nguyên mẫu máy chưng cất với mục đích khắc phục những thách thức mà các thiết kế trước đây gặp phải, như giảm thiểu tổn thất nhiệt, ngăn ngừa sự tích tụ muối và chịu được gió, sóng cũng như điều kiện thời tiết thay đổi.
Sau khi đặt thiết bị vào nước, người dùng có thể thấy kết quả gần như ngay lập tức. Một hệ thống thấm đưa nước biển lên bề mặt của thiết bị. Sau đó, nước sẽ bốc hơi, do vật liệu plasmonic được làm nóng bằng năng lượng Mặt trời.
Với lượng muối còn lại, nước ngưng tụ trên mái vòm nhựa trong suốt ở phía trên cùng của thiết bị. Sau đó, nước được chuyển xuống các mặt bên và cuối cùng là có thể thu thập trong một túi kín.
Các thử nghiệm thực tế tại Cảng Halifax đã tạo ra sản lượng nước hằng ngày lên tới 3,67 lít. Con số này được coi là một lượng kỷ lục đối với thiết bị chưng cất năng lượng Mặt trời thụ động. Thiết bị chưng cất này có thể đồng thời khử muối, khử trùng và khử nhiễm nước với chi phí chưa đến một xu Canada cho mỗi lít. Điều đó giúp tiết kiệm chi phí đáng kinh ngạc.
“Tối đa hóa việc sử dụng ánh sáng Mặt trời có nghĩa là thiết bị chưng cất năng lượng Mặt trời plasmonic của chúng tôi có thể tạo ra một lượng lớn nước trong khi vẫn duy trì thiết kế đơn giản. Thật thú vị khi chứng minh hiệu quả của thiết bị chưng cất này trên quy mô thực tế.
Nhóm đồng thời chứng minh rằng, loại thiết bị này có khả năng mang nước ngọt đến những nơi đang có nhu cầu cấp bách”, Tiến sĩ Margeson cho biết và chia sẻ thêm, thiết bị này cũng có thể được sửa đổi để tạo ra một lượng nhỏ nhiệt điện để chạy các cảm biến trên tàu.
Biến rác thải thành kho báu
Các vật liệu plasmonic được sử dụng phổ biến nhất là những kim loại quý như vàng và bạc, có hiệu suất cao nhưng giá thành lớn. Để năng lượng Mặt trời vẫn được sử dụng rộng rãi ở các nước đang phát triển, nó cần phải được chế tạo bằng những vật liệu có nhiều trên Trái đất, mà không gây ảnh hưởng đến hiệu suất.
“Chúng ta không nên chế tạo một thiết bị có chi phí cao hoặc quá phức tạp. Thiết bị phải dễ sản xuất, bền lâu và dễ tháo rời cũng như di chuyển”, Tiến sĩ Dasog cho biết.
Một quy trình được gọi là nhiệt phân, bao gồm việc nung chất thải carbon ở nhiệt độ cao mà không có oxy, tạo ra than nhiệt phân có thể được kết hợp vào cacbua titan plasmonic. Từ đó, thay thế hiệu quả các kim loại quý đắt tiền. Tại khu vực khử muối, một lớp mỏng như giấy của vật liệu nằm trên bề mặt thiết bị. Từ đó, giúp thiết bị tránh xa nước biển lạnh và tối đa hóa khả năng tập trung nhiệt.
Nhóm nghiên cứu đã tìm và thử nghiệm hàng loạt loại chất thải carbon khác nhau, bao gồm bã cà phê, vỏ tôm hùm và cặn gỗ bulô. Trong đó, lốp xe bằng cao su được đánh giá là loại có hiệu suất tốt nhất. Lốp xe không thể phân hủy sinh học, cũng như mất hàng trăm năm để phân hủy trong bãi chôn lấp và có nguồn cung dồi dào trên toàn thế giới.
Đó là những yếu tố khiến lốp xe đại diện cho một cơ hội tái chế độc đáo. “Nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với chủ đề của Tháng Kinh tế Tuần hoàn, bằng cách biến lốp xe đã qua sử dụng thành một thành phần quan trọng của thiết bị khử muối ở nước”, Tiến sĩ Dasog nhấn mạnh.
Theo kế hoạch, các nhà nghiên cứu sẽ tiến hành thêm những thử nghiệm ở Nam Á. Nhóm hy vọng rằng, thiết bị này có thể sớm được đưa vào sử dụng trên toàn thế giới. Tiến sĩ Dasog cho biết, dù là do chiến tranh hay biến đổi khí hậu, các cộng đồng buộc phải di chuyển từ nơi này sang nơi khác đều phải vật lộn để tiếp cận nguồn tài nguyên.
Vì vậy, một thiết bị di động có thể tạo ra nước uống sạch từ đại dương là giải pháp cứu cánh. Tiến sĩ Dasog nói: “Nước là một nhu cầu cơ bản để tồn tại. Vì vậy, chúng tôi hy vọng có thể giúp đỡ những cộng đồng đang gặp khó khăn”.
Theo Hiệp hội Khử mặn quốc tế, hơn 300 triệu người trên thế giới phải dựa vào nước khử muối. Lượng nước này được cung cấp bởi hơn 21.000 nhà máy, gần gấp đôi so với 10 năm trước. Nhu cầu về những nhà máy tương tự có thể tăng cao hơn nữa khi dân số thế giới tăng và biến đổi khí hậu tiếp tục gây áp lực lên nguồn cung nước ngọt.
Theo một báo cáo được công bố đầu năm 2023, ít nhất một nửa dân số thế giới “sống trong điều kiện căng thẳng về nước trong ít nhất một tháng của năm”. Trong khi đó, một nghiên cứu năm 2020 cho biết, lĩnh vực khử mặn sẽ tăng trưởng 9% mỗi năm từ nay đến năm 2030.
