Biến nước biển thành nước ngọt trong 'tích tắc'

Thử nghiệm thiết bị tại bờ biển.

Nặng chưa tới 10kg nhưng chỉ cần một nút bấm, thiết bị có thể loại bỏ tạp chất và muối để tạo ra nước uống vượt tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO).

Chiếc máy lọc nước trên có kích thước bằng chiếc vali, cần năng lượng để hoạt động ít hơn so với bộ sạc điện thoại. Nó cũng có thể được điều khiển bởi một tấm pin mặt trời nhỏ, có thể mua được qua mạng với giá 50 USD.

Không giống như các thiết bị khử mặn di động khác yêu cầu nước phải chạy qua các bộ lọc, thiết bị trên sử dụng năng lượng điện để loại bỏ tạp chất. Do đó nó không cần phải thay bộ lọc và giảm đáng kể các yêu cầu bảo trì lâu dài.

Đỉnh cao của 10 năm nghiên cứu

Tác giả cao cấp của nghiên cứu này là Giáo sư ngành kỹ thuật điện, khoa học máy tính và kỹ thuật sinh học Jongyoon Han. “Đây thực sự là đỉnh cao của chặng đường 10 năm mà tôi và nhóm của mình đã đồng hành”, ông chia sẻ.

Theo Giáo sư Han, họ đã làm việc trong nhiều năm để nghiên cứu cơ chế vật lý phía sau các quá trình khử muối riêng lẻ, rồi kết hợp tất cả vào một chiếc hộp, xây dựng một hệ thống và thử nghiệm nó tại đại dương. Tất cả là một trải nghiệm thực sự có ý nghĩa và bổ ích.

Đồng tác giả của nghiên cứu trên là nhà khoa học Jonghyo Yoon. Ông cho biết, các thiết bị khử muối di động trên thị trường thường yêu cầu phải lắp máy bơm áp suất cao để đẩy nước qua bộ lọc. Do vậy, rất khó thu nhỏ mà không ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị.

Trái lại, thiết bị của họ dựa trên một kỹ thuật gọi là phân cực nồng độ ion (Ion concentration polarization - ICP) mà nhóm của ông Han đi tiên phong từ 10 năm trước. Thay vì lọc nước, quy trình ICP đưa một điện trường vào các màng được đặt trên và dưới dòng nước.

Các màng này đẩy lùi những phần tử mang điện tích dương hoặc âm, bao gồm các phân tử muối, vi khuẩn và virus khi chúng chạy qua. Các hạt mang điện này được tạo thành dòng nước thứ 2 và cuối cùng bị đẩy ra ngoài.

Quá trình loại bỏ cả chất rắn hòa tan và lơ lửng, cho phép nước sạch chạy qua. Do chỉ yêu cầu một máy bơm áp suất thấp nên ICP cần ít năng lượng hơn so với các kỹ thuật khác.

Tuy nhiên, không phải lúc nào ICP cũng loại bỏ tất cả các muối nổi ở giữa dòng nước. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã kết hợp một quy trình thứ 2, gọi là thẩm tách điện để loại bỏ các ion muối còn lại.

Các nhà khoa học đã tìm ra sự kết hợp lý tưởng giữa ICP và mô-đun thẩm tách điện. Thiết lập tối ưu của họ bao gồm quy trình ICP 2 giai đoạn.

Trong đó, nước chảy qua 6 mô-đun trong giai đoạn đầu tiên rồi qua 3 mô-đun trong giai đoạn thứ 2, tiếp theo là một quy trình thẩm tách điện. Điều này giảm thiểu việc sử dụng năng lượng trong khi đảm bảo việc tự làm sạch.

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế máy lọc này để chỉ cần một nút bấm là có thể khởi động quá trình khử muối và thanh lọc tự động. Khi độ mặn và số lượng các tạp chất giảm đến ngưỡng cụ thể, thiết bị sẽ thông báo cho người dùng rằng nước có thể uống được.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng tạo ra một ứng dụng điện thoại thông minh có thể điều khiển thiết bị không dây này. Nó có thể báo dữ liệu theo thời gian thực về mức độ tiêu thụ điện và độ mặn của nước.

Máy lọc nước dễ sử dụng và chỉ nặng gần 10kg.

Kết quả bất ngờ

Thiết bị khử muối di động được triển khai ở các khu vực xa xôi và hạn chế tài nguyên nghiêm trọng, chẳng hạn như cộng đồng trên các hòn đảo nhỏ hoặc trên các tàu biển chở hàng. Nó cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ người tị nạn chạy trốn thảm họa thiên nhiên hoặc cho binh lính thực hiện các hoạt động quân sự dài ngày.

Sau khi thực hiện các thí nghiệm bằng cách sử dụng nước có độ mặn và độ vẩn đục khác nhau, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra máy lọc tại bãi biển Carson của Boston. Họ đã đặt thiết bị gần bờ và ném ống cấp liệu xuống nước. Trong khoảng nửa giờ, thiết bị đã tạo ra một cốc nước trong và có thể uống được.

“Nó đã thành công ngay trong lần chạy đầu tiên, điều này khá thú vị và bất ngờ. Nhưng tôi nghĩ lý do chính khiến chúng tôi thành công là do tích lũy tất cả những tiến bộ nhỏ mà chúng tôi đã đạt được suốt chặng đường”, ông Han nói.

Thiết bị đã tạo ra nước có chất lượng vượt qua chỉ dẫn của WHO với tốc độ 0,3 lít mỗi giờ và chỉ cần 20 watt điện để tạo ra 1 lít.

Theo ông Yoon, nghiên cứu đang được thúc đẩy để mở rộng quy mô sản xuất. Ông hy vọng thiết bị sẽ trở nên thân thiện hơn với người dùng và cải thiện hiệu suất năng lượng. Bên cạnh đó ông dự định thành lập một công ty khởi nghiệp để tăng tốc độ sản xuất và thương mại hóa công nghệ này.

Trong phòng thí nghiệm, ông Han muốn áp dụng những bài học có được trong thập kỷ qua cho các vấn đề về chất lượng nước vượt ra ngoài quá trình khử muối. Chẳng hạn như phát hiện nhanh chóng các chất ô nhiễm trong nước uống. Ông cho biết đây chắc chắn là một dự án thú vị nhưng vẫn còn rất nhiều việc cần làm.

Cẩm Bình