Các nhà máy khử mặn nước biển có thể sớm loại bỏ việc sử dụng các hóa chất đắt đỏ nhờ sử dụng các điện cực làm từ vải carbon mới, có khả năng loại bỏ boron khỏi nước biển — một bước thiết yếu để làm cho nước biển an toàn để uống. Công nghệ này được mô tả chi tiết trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Water của các kỹ sư đến từ Đại học Michigan và Đại học Rice.
Boron là nguyên tố có tự nhiên trong nước biển, nhưng trở thành chất gây ô nhiễm độc hại trong nước uống khi nó đi qua các bộ lọc loại bỏ muối tiêu chuẩn. Nồng độ của boron trong nước biển cao gấp khoảng hai lần mức an toàn cao nhất mà Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cho phép đối với nước uống, và cao gấp 5 đến 12 lần mức mà nhiều loại cây trồng có thể chịu được.
Tại sao các bộ lọc hiện nay chưa hiệu quả
“Hầu hết các màng thẩm thấu ngược (reverse osmosis) không loại bỏ được nhiều boron, vì vậy các nhà máy khử mặn thường phải xử lý hậu kỳ để loại bỏ hóa chất này, và điều này khá tốn kém,” Jovan Kamcev, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học và khoa học kỹ thuật đại phân tử tại Đại học Michigan, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết. “Chúng tôi đã phát triển một công nghệ mới có khả năng mở rộng và loại bỏ boron một cách tiết kiệm năng lượng hơn so với nhiều công nghệ truyền thống.”
Trong nước biển, boron tồn tại dưới dạng axit boric không mang điện tích, do đó nó đi qua các màng thẩm thấu ngược — vốn thường hoạt động bằng cách đẩy lùi các ion mang điện. Để khắc phục vấn đề này, các nhà máy khử mặn thường thêm bazơ vào nước sau xử lý, khiến axit boric chuyển thành dạng mang điện tích âm. Một bước thẩm thấu ngược khác sẽ loại bỏ boron đã được tích điện, sau đó axit sẽ được thêm vào để trung hòa lượng bazơ. Các bước xử lý bổ sung này rất tốn kém.
“Thiết bị của chúng tôi làm giảm nhu cầu sử dụng hóa chất và năng lượng trong quá trình khử mặn, giúp nâng cao tính bền vững về môi trường và giảm chi phí đến 15%, tương đương khoảng 20 cent cho mỗi mét khối nước đã xử lý,” Weiyi Pan, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Rice và là đồng tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ.
Tiết kiệm toàn cầu và khả năng tiếp cận nước
Với công suất khử mặn toàn cầu đạt 95 triệu mét khối mỗi ngày vào năm 2019, các màng lọc mới có thể giúp tiết kiệm khoảng 6,9 tỷ USD mỗi năm. Các nhà máy khử mặn quy mô lớn có thể tiết kiệm hàng triệu đô la mỗi năm.
Những khoản tiết kiệm đó có thể giúp nước biển trở thành nguồn nước uống dễ tiếp cận hơn và góp phần giảm bớt cuộc khủng hoảng nước đang ngày càng gia tăng. Theo báo cáo năm 2023 của Ủy ban Toàn cầu về Kinh tế Nước, nguồn nước ngọt dự kiến chỉ đáp ứng 40% nhu cầu vào năm 2030.
Các điện cực mới loại bỏ boron bằng cách giữ nó trong các lỗ nhỏ có các cấu trúc chứa oxy. Những cấu trúc này liên kết đặc biệt với boron nhưng cho phép các ion khác trong nước biển đi qua, tối đa hóa lượng boron có thể được thu giữ.
Tuy nhiên, các cấu trúc bắt giữ boron vẫn cần boron có điện tích âm. Thay vì thêm bazơ, điện tích được tạo ra bằng cách phân tách nước giữa hai điện cực, tạo ra ion hydro tích điện dương và ion hydroxide tích điện âm. Hydroxide gắn vào boron, khiến nó mang điện tích âm và dính vào các điểm bắt giữ trong các lỗ trên điện cực dương. Việc bắt giữ boron bằng điện cực cũng giúp các nhà máy xử lý tránh phải tiêu tốn thêm năng lượng cho một giai đoạn thẩm thấu ngược khác. Sau đó, các ion hydro và hydroxide kết hợp lại tạo thành nước trung tính, không còn boron.
“Nghiên cứu của chúng tôi giới thiệu một nền tảng linh hoạt tận dụng thay đổi pH để biến các chất gây ô nhiễm khác, như asen, thành các dạng dễ loại bỏ,” giáo sư Menachem Elimelech, Giáo sư Kỹ thuật Môi trường và Dân dụng Nancy và Clint Carlson kiêm Giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử tại Đại học Rice, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.
“Thêm vào đó, các nhóm chức năng trên điện cực có thể được điều chỉnh để liên kết đặc biệt với các chất ô nhiễm khác nhau, hỗ trợ quá trình xử lý nước tiết kiệm năng lượng,” ông Elimelech nói thêm.
Jovan Kamcev, trợ lý giáo sư ngành kỹ thuật hóa học và khoa học – kỹ thuật đại phân tử tại Đại học Michigan (U-M), đang đưa một điện cực làm từ vải carbon vào buồng dòng chảy để khử mặn nước. Ảnh: Khoa Kỹ thuật Đại học Michigan.
