Tia UV hứa hẹn cho quá trình khử muối tiết kiệm năng lượng
bởi David Danelski, Đại học California - Riverside
Ánh sáng cực tím, phát ra từ nhôm nitride (AIN-OH), có thể phá vỡ liên kết giữa muối và nước như thế nào. Nguồn: UCR/Singh và cộng sự. ACS Applied Materials & Interfaces (2025). DOI: 10.1021/acsami.5c12331
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại UC Riverside đã khám phá ra một bước đột phá tiềm năng trong quá trình khử muối bằng năng lượng mặt trời, có thể giảm nhu cầu xử lý nước mặn tiêu tốn nhiều năng lượng.
Dẫn đầu bởi Luat Vuong, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Trường Kỹ thuật Marlan và Rosemary Bourns của UCR, nhóm nghiên cứu đã lần đầu tiên chứng minh được tần số cao nhất của ánh sáng mặt trời - cụ thể là tia cực tím (UV) vô hình - có thể phá vỡ liên kết cứng đầu giữa muối và nước.
"Theo hiểu biết của chúng tôi, chưa có ai khác từng phát triển kênh UV sâu này để tách nước mặn", Luat Vuong cho biết. "Ánh sáng UV trong dải bước sóng 300–400 nanomet được sử dụng để khử trùng, nhưng kênh UV sâu này, khoảng 200 nanomet, vẫn chưa được biết rõ. Chúng tôi có thể là những người đầu tiên thực sự nghĩ về cách tận dụng nó để khử muối."
Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi các ứng dụng thực tế được phát triển, nhưng khám phá này mở ra một hướng đi rõ ràng cho nghiên cứu và đổi mới tiếp theo.
Được công bố trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces, nghiên cứu của Vuong và các đồng nghiệp đã trình bày chi tiết cách nhóm nghiên cứu chế tạo bấc từ nhôm nitride—một loại gốm cứng, màu trắng—để tách muối khỏi nước bằng cách khai thác các bước sóng ánh sáng cụ thể tương tác với nước muối mà không làm nóng khối chất lỏng.
Không giống như các phương pháp khử muối bằng năng lượng mặt trời truyền thống, vốn dựa vào vật liệu tối màu để hấp thụ nhiệt và đun sôi nước, phương pháp của Vuong có thể bỏ qua hoàn toàn nhu cầu về các quá trình nhiệt.
Các thí nghiệm bao gồm việc đặt các cặp bấc gốm vào một buồng kín, mỗi bấc được phép cân bằng hoặc điều chỉnh theo các điều kiện môi trường tương tự. Dưới ánh sáng UV, tốc độ bay hơi của nước muối tăng đáng kể so với các mẫu đối chứng được giữ trong bóng tối hoặc tiếp xúc với ánh sáng đỏ, vàng hoặc hồng ngoại.
"Nhôm nitride rất thích hợp để phát ra tia UV nhờ cấu trúc tinh thể của nó", ông Vương giải thích.
Vật liệu này có thể kích hoạt một quá trình gọi là "chuyển đổi ngược photon", trong đó các photon năng lượng thấp kết hợp thành một photon năng lượng cao duy nhất. Photon chuyển đổi ngược đó tạo ra một cú đấm mạnh hơn, có khả năng đủ mạnh để phá vỡ các liên kết giữa nước muối và nước.
Nếu quá trình chuyển đổi ngược này xảy ra mà không tạo ra nhiệt dư thừa, điều này vẫn chưa được xác định, thì phương pháp này có thể cung cấp một giải pháp thay thế phi quang nhiệt cho các hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời truyền thống, vốn đun sôi hoặc làm nóng nước muối để tạo ra hơi nước, sau đó ngưng tụ thành nước ngọt.
Các hệ thống năng lượng mặt trời như vậy cũng có thể giảm nhu cầu điện năng lớn của các hệ thống thẩm thấu ngược, sử dụng bơm cao áp để đẩy nước muối qua màng. Hệ thống này cũng có thể xử lý chất thải nước muối thẩm thấu ngược cô đặc, vốn gây độc cho sinh vật biển khi thải ra đường thủy.
Các ứng dụng tiềm năng khác của phương pháp thấm hút có thể là cho các quy trình quản lý chất thải khác, khai thác khoáng sản trong môi trường khắc nghiệt, hoặc thay thế các bộ làm mát "đầm lầy" bằng hệ thống bay hơi nước mặn.
Tuy nhiên, Vuong nhấn mạnh rằng cần phải nghiên cứu thêm trước khi các hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời dựa trên nhôm nitrua có thể được thiết kế để sử dụng rộng rãi.
"Các vật liệu khác có thể được thiết kế để đạt hiệu quả tương đương, nhưng nhôm nitrua lại thiết thực hơn. Nó không đắt, phổ biến rộng rãi, không độc hại, có tính ưa nước cao và bền", Vuong nói.
Trong tương lai, nhóm của Vuong đang thiết kế kiến trúc hệ thống, quy trình chế tạo và các công cụ quang phổ để hiểu rõ hơn và tăng cường quá trình bay hơi do ánh sáng điều khiển.
Thông tin thêm: Navindra Singh và cộng sự, Giao diện và Vật liệu Chọn lọc Phổ hướng tới Bay hơi Nước mặn Không quang nhiệt: Trình diễn với Bấc Gốm Trắng, ACS Applied Materials & Interfaces (2025). DOI: 10.1021/acsami.5c12331
Thông tin tạp chí: Vật liệu và Giao diện Ứng dụng ACS
Được cung cấp bởi Đại học California - Riverside
