Giải pháp trị giá 6,9 tỷ đô la: Các kỹ sư công bố cách khử muối nước biển sạch hơn, rẻ hơn
Tác giả: Derek Smith, Đại học Michigan
Jovan Kamcev, phó giáo sư kỹ thuật hóa học và khoa học và kỹ thuật đại phân tử tại U-M, đặt một màng lọc giữa hai điện cực, dùng để đo mức độ dẫn điện của màng. Điều này giúp nhóm của ông dự đoán mức độ làm sạch nước của màng. Nguồn: Marcin Szczepanski, Kỹ thuật Michigan
Việc loại bỏ các phương pháp xử lý axit và bazơ khỏi các nhà máy khử muối thông thường có thể tiết kiệm hàng tỷ đô la trên toàn thế giới, giúp nước biển trở thành nguồn nước uống tiết kiệm chi phí hơn.
Các nhà máy khử muối nước có thể sớm loại bỏ việc sử dụng các hóa chất đắt tiền bằng cách sử dụng các điện cực vải carbon mới loại bỏ bo khỏi nước biển, một bước thiết yếu để làm cho nước biển an toàn để uống.
Công nghệ này được trình bày chi tiết trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Water của các kỹ sư từ Đại học Michigan và Đại học Rice.
Bo, một nguyên tố tự nhiên có trong nước biển, trở thành chất gây ô nhiễm độc hại trong nước uống khi đi qua các bộ lọc loại bỏ muối tiêu chuẩn. Nồng độ của nó trong nước biển cao gấp khoảng hai lần giới hạn an toàn thoải mái nhất của Tổ chức Y tế Thế giới đối với nước uống và cao hơn từ năm đến mười hai lần so với mức mà nhiều loại cây trồng có thể chịu đựng được.
Jovan Kamcev, phó giáo sư kỹ thuật hóa học, khoa học và kỹ thuật đại phân tử tại U-M, đang lắp điện cực vải carbon vào một ô lưu lượng để khử muối nước. Nguồn: Marcin Szczepanski, Kỹ thuật Michigan.
Tại sao các bộ lọc hiện tại không hiệu quả
“Hầu hết các màng thẩm thấu ngược không loại bỏ được nhiều bo, vì vậy các nhà máy khử muối thường phải xử lý sau để loại bỏ bo, điều này có thể tốn kém”, Jovan Kamcev, phó giáo sư kỹ thuật hóa học, khoa học và kỹ thuật đại phân tử tại U-M và là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. “Chúng tôi đã phát triển một công nghệ mới có khả năng mở rộng khá tốt và có thể loại bỏ bo theo cách tiết kiệm năng lượng so với một số công nghệ thông thường”.
Trong nước biển, bo tồn tại dưới dạng axit boric trung tính về điện, do đó nó đi qua màng thẩm thấu ngược, thường loại bỏ muối bằng cách đẩy lùi các nguyên tử và phân tử tích điện gọi là ion. Để giải quyết vấn đề này, các nhà máy khử muối thường thêm một bazơ vào nước đã xử lý, khiến axit boric trở thành tích điện âm. Một giai đoạn khác của quá trình thẩm thấu ngược sẽ loại bỏ bo mới tích điện và bazơ được trung hòa sau đó bằng cách thêm axit. Các bước xử lý bổ sung đó có thể tốn kém.
Khi được xử lý bằng axit, các sợi vải carbon trong điện cực của các nhà nghiên cứu có được các đặc điểm chứa oxy có thể giữ lại bo. Tín dụng: Jovan Kamcev, Phòng nghiên cứu Kamcev, Đại học Michigan
“Thiết bị của chúng tôi làm giảm nhu cầu về hóa chất và năng lượng của quá trình khử muối nước biển, cải thiện đáng kể tính bền vững của môi trường và cắt giảm chi phí tới 15 phần trăm, hoặc khoảng 20 xu cho mỗi mét khối nước đã xử lý”, Weiyi Pan, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Rice và là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết.
Tiết kiệm toàn cầu và khả năng tiếp cận nước
Với tổng công suất khử muối toàn cầu đạt 95 triệu mét khối mỗi ngày vào năm 2019, màng lọc mới có thể tiết kiệm khoảng 6,9 tỷ đô la mỗi năm. Các nhà máy khử muối lớn—như Nhà máy khử muối Claude “Bud” Lewis Carlsbad của San Diego—có thể tiết kiệm hàng triệu đô la mỗi năm.
Những khoản tiết kiệm như vậy có thể giúp nước biển trở thành nguồn nước uống dễ tiếp cận hơn và làm giảm bớt cuộc khủng hoảng nước đang gia tăng. Theo báo cáo năm 2023 của Ủy ban Kinh tế Nước Toàn cầu, nguồn cung cấp nước ngọt dự kiến sẽ đáp ứng 40% nhu cầu vào năm 2030.
Các điện cực mới loại bỏ bo bằng cách giữ nó bên trong các lỗ rỗng có chứa các cấu trúc chứa oxy. Các cấu trúc này liên kết cụ thể với bo trong khi cho các ion khác trong nước biển đi qua, tối đa hóa lượng bo mà chúng có thể thu được.
Sơ đồ này cho thấy cách các điện cực của các nhà nghiên cứu loại bỏ bo. Đầu tiên, phần lớn các ion muối được loại bỏ bằng thẩm thấu ngược. Sau đó, nước chảy vào một ô chứa màng có lớp dương (màu hồng) và lớp âm (màu cam). Các điện cực tích điện tương tự hướng vào các lớp màng và khi có dòng điện chạy qua, các phân tử nước tại giao diện của màng sẽ tách thành các ion hydro và hydroxit. Các ion hydroxit bám vào bo, khiến nó bám vào điện cực dương. Nguồn: Jovan Kamcev, Phòng nghiên cứu Kamcev, Đại học Michigan và Weiyi Pan, Phòng nghiên cứu Elimelech, Đại học Rice
Tuy nhiên, các cấu trúc bắt bo vẫn cần bo có điện tích âm. Thay vì thêm một bazơ, điện tích được tạo ra bằng cách phân tách nước giữa hai điện cực, tạo ra các ion hydro dương và các ion hydroxit âm. Hydroxit bám vào bo, tạo cho nó điện tích âm khiến nó bám vào các vị trí bắt bên trong các lỗ rỗng ở điện cực dương. Việc bắt bo bằng các điện cực cũng cho phép xử lý cây trồng để tránh tiêu tốn nhiều năng lượng hơn cho một giai đoạn thẩm thấu ngược khác. Sau đó, các ion hydro và hydroxide kết hợp lại để tạo ra nước trung tính, không chứa bo.
“Nghiên cứu của chúng tôi trình bày một nền tảng linh hoạt tận dụng những thay đổi về độ pH có thể chuyển đổi các chất gây ô nhiễm khác, chẳng hạn như asen, thành các dạng dễ loại bỏ”, Menachem Elimelech, Giáo sư Nancy và Clint Carlson về Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường và Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử tại Đại học Rice, đồng thời là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.
“Ngoài ra, các nhóm chức năng trên điện cực có thể được điều chỉnh để liên kết cụ thể với các chất gây ô nhiễm khác nhau, tạo điều kiện cho việc xử lý nước tiết kiệm năng lượng”, Elimelech cho biết.
Tài liệu tham khảo: “Một phương pháp tiếp cận có tính chọn lọc cao và tiết kiệm năng lượng để loại bỏ boron khắc phục điểm yếu của quá trình khử muối nước biển” của Weiyi Pan, Debashis Roy, Betül Uralcan, Sohum K. Patel, Arpita Iddya, Eungjin Ahn, Amir Haji-Akbari, Jovan Kamcev và Menachem Elimelech, ngày 20 tháng 1 năm 2025, Nature Water.
DOI: 10.1038/s44221-024-00362-y
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Liên minh quốc gia về đổi mới nước, Bộ năng lượng Hoa Kỳ, Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ và Quỹ khoa học song phương Hoa Kỳ-Israel.
