Các nhà khoa học đã phát minh ra một loại thiết bị lọc dựa trên graphene có thể biến nước biển thành nước uống
Đại học Manchester
Các nhà nghiên cứu đã đạt được một bước ngoặt lớn trong hành trình tìm kiếm phương pháp khử muối hiệu quả bằng cách công bố phát minh ra màng graphene-oxide có thể lọc muối trực tiếp ra khỏi nước biển.
Ở giai đoạn này, kỹ thuật này vẫn chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm, nhưng đây là minh chứng cho thấy một ngày nào đó chúng ta có thể nhanh chóng và dễ dàng biến một trong những nguồn tài nguyên dồi dào nhất của chúng ta, nước biển, thành một trong những nguồn tài nguyên khan hiếm nhất - nước uống sạch.
Nhóm nghiên cứu do Rahul Nair từ Đại học Manchester ở Anh dẫn đầu đã chứng minh rằng rây có thể lọc muối hiệu quả và bước tiếp theo là thử nghiệm phương pháp này với các màng khử muối hiện có.
"Việc tạo ra các màng có thể mở rộng quy mô với kích thước lỗ đồng đều xuống đến quy mô nguyên tử là một bước tiến đáng kể và sẽ mở ra những khả năng mới để cải thiện hiệu quả của công nghệ khử muối", Nair cho biết.
"Đây là thí nghiệm rõ ràng đầu tiên trong chế độ này. Chúng tôi cũng chứng minh rằng có những khả năng thực tế để mở rộng phương pháp tiếp cận được mô tả và sản xuất hàng loạt màng dựa trên graphene với kích thước sàng cần thiết".
Màng graphene-oxide từ lâu đã được coi là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho quá trình lọc và khử muối, nhưng mặc dù nhiều nhóm đã phát triển màng có thể sàng các hạt lớn ra khỏi nước, việc loại bỏ muối đòi hỏi phải có những sàng thậm chí còn nhỏ hơn mà các nhà khoa học đã phải vật lộn để tạo ra.
Một vấn đề lớn là khi màng graphene-oxide được ngâm trong nước, chúng sẽ phồng lên, cho phép các hạt muối chảy qua các lỗ rỗng căng phồng.
Nhóm nghiên cứu Manchester đã khắc phục điều này bằng cách xây dựng các bức tường nhựa epoxy ở cả hai bên màng graphene-oxide, ngăn không cho màng bị phồng lên trong nước.
Điều này cho phép họ kiểm soát chính xác kích thước lỗ rỗng trong màng, tạo ra các lỗ đủ nhỏ để lọc tất cả các loại muối thông thường khỏi nước biển.
Điểm mấu chốt của điều này là thực tế là khi muối thông thường hòa tan trong nước, chúng sẽ tạo thành một 'lớp vỏ' các phân tử nước xung quanh chính chúng.
"Các phân tử nước có thể đi qua riêng lẻ, nhưng natri clorua thì không. Nó luôn cần sự trợ giúp của các phân tử nước", Nair nói với Paul Rincon từ BBC.
"Kích thước của lớp vỏ nước xung quanh muối lớn hơn kích thước kênh, vì vậy nó không thể đi qua".
Điều này không chỉ giúp nước biển tươi để uống mà còn khiến các phân tử nước chảy nhanh hơn nhiều qua hàng rào màng, rất lý tưởng để sử dụng trong quá trình khử muối.
"Khi kích thước mao dẫn khoảng một nanomet, rất gần với kích thước của phân tử nước, các phân tử đó tạo thành một sự sắp xếp kết nối tốt đẹp giống như một đoàn tàu", Nair giải thích với Rincon.
"Điều đó làm cho chuyển động của nước nhanh hơn: nếu bạn đẩy mạnh hơn về một phía, tất cả các phân tử đều di chuyển về phía bên kia do các liên kết hydro giữa chúng. Bạn chỉ có thể gặp tình huống đó nếu kích thước kênh rất nhỏ".
Đã có một số nhà máy khử muối lớn trên khắp thế giới sử dụng màng polyme để lọc muối, nhưng quy trình này vẫn còn kém hiệu quả và tốn kém, vì vậy, việc tìm ra cách làm cho quy trình này nhanh hơn, rẻ hơn và dễ dàng hơn là mục tiêu lớn đối với các nhà nghiên cứu.
Nhờ biến đổi khí hậu, nước biển là thứ chúng ta sẽ có rất nhiều trong tương lai - các chỏm băng ven biển của Greenland đã vượt qua điểm không thể quay lại được dự đoán sẽ làm mực nước biển dâng thêm khoảng 3,8 cm (1,5 inch) vào năm 2100 và nếu toàn bộ Băng hà Greenland tan chảy, các thế hệ tương lai sẽ phải đối mặt với mực nước biển cao hơn tới 7,3 mét (24 feet).
Nhưng đồng thời, nước uống sạch vẫn cực kỳ khó kiếm ở nhiều nơi trên thế giới - Liên hợp quốc dự đoán rằng đến năm 2025, 14 phần trăm dân số thế giới sẽ gặp phải tình trạng thiếu nước. Và nhiều quốc gia trong số đó sẽ không đủ khả năng chi trả cho các nhà máy khử muối quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu hiện đang hy vọng rằng sàng lọc dựa trên graphene có thể hiệu quả như các nhà máy lớn ở quy mô nhỏ, do đó dễ triển khai hơn.
Oxit graphene cũng dễ sản xuất và rẻ hơn nhiều trong phòng thí nghiệm so với các lớp graphene đơn, điều đó có nghĩa là công nghệ này sẽ có giá cả phải chăng và dễ sản xuất.
"Việc tách chọn lọc các phân tử nước khỏi các ion bằng cách hạn chế vật lý khoảng cách giữa các lớp mở ra cánh cửa cho việc tổng hợp các màng giá rẻ để khử muối", Ram Devanathan từ Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương, người không tham gia vào nghiên cứu, đã viết trong bài báo Nature News and Views đi kèm.
"Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một thiết bị lọc có thể sản xuất nước uống từ nước biển hoặc nước thải với lượng năng lượng đầu vào tối thiểu".
Ông nói thêm rằng bước tiếp theo sẽ là kiểm tra độ bền của màng khi sử dụng trong thời gian dài và tần suất cần thay thế màng.
Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.
