Công nghệ mới có thể sản xuất nước sạch cho hàng triệu người

Một loại gel đặt trong bể chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời giúp tạo ra một lượng nước ngọt kỷ lục.

Theo UNICEF, hiện nay 783 triệu người, tức gần cứ 10 người thì có một người thiếu nước sạch, và họ phải mất tổng cộng 200 triệu giờ mỗi ngày để lấy nước từ các nguồn ở rất xa. Trong khi đó, các thiết bị dạng bể sử dụng năng lượng mặt trời để bay hơi nước bẩn hoặc nước mặn và ngưng tụ hơi nước thành nước uống sạch có nhược điểm là đắt đỏ và chỉ có thể sản xuất đủ nước ngọt cho một gia đình nhỏ. Mặt khác, các công nghệ lọc nước bị ô nhiễm và khử mặn nước biển thường đòi hỏi đầu tư lớn về cơ sở hạ tầng và tốn nhiều năng lượng vận hành, do đó nằm ngoài tầm với của nhiều cộng đồng.

Bể chưng cất năng lượng mặt trời truyền thống là một thùng có đáy màu đen, chứa đầy nước và trên cùng được đậy bằng thủy tinh hoặc nhựa trong. Đáy đen hấp thụ ánh sáng mặt trời, làm nước bay hơi và để lại các chất gây ô nhiễm phía sau. Hơi nước sau đó ngưng tụ trên tấm đậy và nhỏ giọt vào một bể chứa. Cách này tạo ra ít nước sạch vì các tia mặt trời phải làm nóng toàn bộ thể tích nước trước khi nước bắt đầu bay hơi. Các phiên bản thương mại hiện nay có thể sản xuất khoảng 0,3 lít nước mỗi giờ trên một mét vuông (L/h/m2) diện tích mặt nước. Một người trung bình cần khoảng 3 lít nước mỗi ngày, vậy để cung cấp đủ nước uống cho một gia đình nhỏ cần một diện tích khoảng 5 mét vuông. Khi hoạt động ở công suất tối đa, các thiết bị như vậy chỉ có thể sản xuất 1,6 L/h/m2.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã nâng cấp bể chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời để tạo ra phương pháp lọc nước giá rẻ thay thế cho các công nghệ này. Guihua Yu, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Texas ở Austin, và các đồng nghiệp gần đây đã tìm ra một phương pháp khắc phục hạn chế này. Họ đã tạo ra một miếng hydrogel từ hai loại polymer, một loại polymer liên kết với nước gọi là polyvinyl alcohol (PVA), một loại khác hấp thụ ánh sáng gọi là polypyrrole (PPy) sau đó đặt tấm gel này lên bề mặt nước trong các bể chưng cất. Bên trong gel, một lớp các phân tử nước liên kết chặt chẽ với PVA, mỗi phân tử nước tạo ra nhiều liên kết hóa học được gọi là liên kết hydro. Do đã “dành chỗ” cho liên kết với PVA nên các phân tử nước chỉ còn giữ sự liên kết lỏng lẻo với các phân tử nước gần đó, tạo ra thứ mà Yu gọi là "nước trung gian" (intermediate water) giữ lại trong gel, khiến chúng bay hơi dễ dàng hơn so với nước thường. Với công nghệ này, bể chưng cất nước năng lượng mặt trời của Yu tạo ra 3,2 L/h/m2 nước, gấp đôi giới hạn lý thuyết, theo công bố của họ trên Nature Nanotechnology vào năm 2018.

Hiện nay, Yu và đồng nghiệp đã tạo ra một hydrogel thậm chí còn tốt hơn nữa. Họ trộn chitosan - một loại polymer thứ ba có khả năng hút nước rất mạnh, vào gel để tạo ra một loại gel có khả năng giữ được nhiều nước hơn và tăng lượng nước trung gian được giữ trong gel. Một bể sử dụng loại hydrogel mới này chưng cất nước với tốc độ 3,6 L/h/m2, cao hơn các loại đã được thương mại hóa trên thị trường tới 12 lần. Công bố này mới được xuất bản trên Science Advances.

"Đây là một điểm khởi đầu tuyệt vời", Peng Wang, một kỹ sư môi trường tại Đại học KH&CN King Abdullah ở Thuwal, Ả Rập Saudi, nói. Wang lưu ý, với tốc độ này, một bể có diện tích 1 mét vuông có thể sản xuất khoảng 30 lít nước uống sạch mỗi ngày, đủ đáp ứng nhu cầu cho một gia đình nhỏ. Ngoài ra, cả ba polymer để tạo ra loại hydrogel này đều có sẵn trên thị trường với mức giá rẻ và sẽ giúp cung cấp nước sạch cho những người cần nguồn nước nhất.