Thiết bị khử muối bằng năng lượng mặt trời của Hàn Quốc đạt 3,4 lít mỗi giờ mà không cần điện

Thiết bị chưng cất năng lượng mặt trời siêu hiệu quả của Hàn Quốc

Nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) ở Hàn Quốc đã phát triển một thiết bị khử muối chạy bằng năng lượng mặt trời, với tốc độ bay hơi được báo cáo là 3,4 lít trên mỗi mét vuông mỗi giờ dưới cường độ ánh sáng một mặt trời. Mẫu thử biến nước biển thành nước uống được mà không cần điện từ bên ngoài, sử dụng ánh sáng mặt trời và vật liệu quang nhiệt tiên tiến có tên La0.7Sr0.3MnO3. Thiết bị cũng giải quyết một trong những vấn đề nan giải nhất của công nghệ khử muối bằng năng lượng mặt trời: muối tích tụ trên bề mặt bay hơi, cản ánh sáng và làm giảm hiệu suất. Bằng cách hướng muối hòa tan rời khỏi vùng nóng ở trung tâm và dồn về phía các cạnh, hệ thống có thể hoạt động trong thời gian dài, đồng thời tạo ra hơi nước sạch có thể ngưng tụ thành chất lỏng.

Công trình do Giáo sư Ji Hyun Jang thuộc Trường Kỹ thuật Hóa học và Năng lượng của UNIST dẫn dắt, được công bố trên Advanced Energy Materials, kết hợp cấu trúc dẫn nước bằng giấy đơn giản với bề mặt quang nhiệt hiệu suất cao. Trong các thử nghiệm độ bền, thiết bị hoạt động ổn định suốt hai tuần trong nước muối có nồng độ muối 20%, cao hơn nhiều so với độ mặn 3,5% của nước biển thông thường. Nhóm nghiên cứu cho biết thiết kế này cũng có thể hỗ trợ thu hồi tài nguyên, chẳng hạn kết tinh và thu gom muối ở các cạnh thay vì xả nước muối cô đặc trở lại đại dương.

Sự quan tâm đến công nghệ khử muối thụ động bằng năng lượng mặt trời đang tăng lên khi ngày càng nhiều khu vực đối mặt với tình trạng thiếu nước. Hàng tỷ người không được tiếp cận ổn định với nguồn nước uống được quản lý an toàn, còn các cộng đồng ven biển thường phụ thuộc vào những nhà máy thẩm thấu ngược chạy bằng diesel, vốn tốn kém khi vận hành và tạo ra lượng lớn nước muối thải. Một hệ thống mô-đun tạo nước ngọt chỉ bằng ánh sáng mặt trời, ít cần bảo trì và không cần điện lưới, có thể đáp ứng những nhu cầu cấp thiết tại các làng hẻo lánh, đảo, trang trại và khu vực cứu trợ thiên tai. Thiết bị của UNIST hướng thẳng đến nhu cầu đó, thay thế hạ tầng nhà máy công suất lớn bằng vật liệu đơn giản, hình học khéo léo và ánh sáng mặt trời.

Thiết bị hoạt động như thế nào

Thiết kế của UNIST sử dụng bộ bay hơi hình chữ L ngược đặc biệt, cấu tạo quanh một lớp giấy hút nước. Lớp giấy hoạt động giống giấy quỳ, hút nước biển lên trên nhờ hiện tượng mao dẫn. Trên đỉnh phần thẳng đứng là một lớp quang nhiệt hấp thụ ánh sáng làm từ La0.7Sr0.3MnO3, một oxit perovskite chuyển đổi ánh sáng mặt trời chiếu tới thành nhiệt với hiệu suất cao. Khi nước biển tiếp xúc với bề mặt nóng này, nước bay hơi nhanh và để lại muối. Hơi nước sau đó di chuyển đến một bề mặt mát hơn, nơi nó ngưng tụ và được thu lại thành nước ngọt dạng lỏng.

Một đặc điểm then chốt là hướng dòng chảy. Nhóm nghiên cứu thiết kế dòng chất lỏng di chuyển theo một hướng trên bề mặt nóng, tạo ra gradient nồng độ muối. Các ion hòa tan di chuyển về phía những vùng có hoạt độ nước thấp hơn gần các cạnh và kết tinh thành muối rắn ở những vị trí không che khuất ánh sáng. Hiệu ứng tự làm sạch này giúp vùng quang nhiệt trung tâm tiếp tục nhận ánh sáng mặt trời, đồng thời giữ muối ở các rìa để thu gom hoặc tái sử dụng. Hình dạng và đường đi của chất lỏng đảm nhiệm phần lớn công việc, giảm nhu cầu sử dụng máy bơm, màng lọc hoặc vệ sinh thủ công thường xuyên.

Vì sao vật liệu La0.7Sr0.3MnO3 nổi bật

Trung tâm của thiết bị là La0.7Sr0.3MnO3, thường được viết tắt là LSMO. Đây là một oxit perovskite, thuộc nhóm vật liệu nổi tiếng với các đặc tính quang học và điện học có thể điều chỉnh. Khác với các perovskite halide chứa chì thường dùng trong pin mặt trời, LSMO chứa lanthan, stronti và mangan, không phụ thuộc vào chì dễ bay hơi hoặc độc hại. Điều đó khiến vật liệu này trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng xử lý nước, nơi độ ổn định và an toàn môi trường là yếu tố thiết yếu.

LSMO hoạt động hiệu quả như một vật liệu chuyển đổi quang nhiệt nhờ cách nó xử lý các hạt tải điện bị kích thích dưới ánh sáng mặt trời. Nói đơn giản, vật liệu hình thành các trạng thái bẫy trong cấu trúc điện tử. Khi ánh sáng kích thích electron lên các trạng thái năng lượng cao hơn, nhiều electron tái hợp mà không phát ra ánh sáng, thay vào đó giải phóng trực tiếp năng lượng dưới dạng nhiệt. Con đường không bức xạ này, thường được gọi là quá trình nhiệt hóa, chuyển đổi một tỷ lệ lớn năng lượng mặt trời chiếu tới thành nhiệt tập trung trên bề mặt. Khả năng giải phóng nhiệt hiệu quả giúp nhiệt độ tăng nhanh và thúc đẩy nước bay hơi nhanh hơn với cùng một lượng ánh sáng mặt trời.

Giải quyết vấn đề muối

Tình trạng muối bám từ lâu đã cản trở công nghệ khử muối bằng năng lượng mặt trời. Khi nước bay hơi, muối hòa tan ngày càng cô đặc và cuối cùng kết tinh trên bề mặt nóng. Các tinh thể làm tán xạ ánh sáng và cản trở truyền nhiệt, khiến tốc độ bay hơi giảm mạnh. Nhiều hệ thống trước đây hoạt động tốt trong vài giờ nhưng sau đó cần được vệ sinh hoặc phải tạm dừng để xả muối. Nhóm UNIST xử lý thách thức này bằng hình học và dòng chảy được kiểm soát, thay vì dùng lớp phủ phức tạp hay bộ phận chuyển động.

Hình chữ L ngược và dòng chảy một chiều tạo ra gradient muối ổn định, đẩy các ion rời khỏi vùng nóng sáng nhất. Tinh thể hình thành mầm và phát triển ở các cạnh, nơi dễ thu gom. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, thiết bị duy trì hiệu suất suốt hai tuần ngay cả trong dung dịch rất mặn, có tổng lượng muối hòa tan 20%. Nồng độ này thường thấy ở nước muối thải từ các quy trình công nghiệp và cao hơn nhiều so với nước biển ngoài khơi, cho thấy thiết bị có dư địa hoạt động đáng kể trong điều kiện nước biển thực tế, đồng thời có thể được dùng để cô đặc nước muối và thu hồi tài nguyên.

Đặt các con số hiệu suất trong bối cảnh

Tốc độ bay hơi được báo cáo là 3,40 kilôgam trên mỗi mét vuông mỗi giờ dưới cường độ ánh sáng một mặt trời. “Một mặt trời” là mức ánh sáng thử nghiệm tiêu chuẩn, khoảng một kilowatt trên mỗi mét vuông. Nhiều thiết bị chưng cất thụ động bằng năng lượng mặt trời đạt khoảng 0,3 đến 0,4 kilôgam trên mỗi mét vuông mỗi giờ trong các thử nghiệm tương tự, vì vậy mẫu thử của UNIST hoạt động nhanh gấp 8 đến 10 lần. Trên thực tế, lượng nước tạo ra mỗi ngày phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời tại địa phương trong cả ngày và hiệu suất của bộ ngưng tụ chuyển hơi nước trở lại thành chất lỏng. Nếu có nắng mạnh trong vài giờ, một mô-đun diện tích một mét vuông hoạt động ở tốc độ được báo cáo có thể tạo ra vài chục lít nước mỗi ngày. Các cụm gồm nhiều mô-đun có thể tăng sản lượng hơn nữa.

Cần phân biệt tốc độ bay hơi với lượng nước uống thực sự thu được. Con số trong phòng thí nghiệm đo khối lượng nước thoát khỏi bề mặt nóng dưới dạng hơi mỗi giờ. Các hệ thống thực tế phải thu và ngưng tụ gần như toàn bộ lượng hơi đó vào một bể chứa sạch, đồng thời giảm thiểu thất thoát nhiệt. Thiết kế bộ ngưng tụ tốt, cách nhiệt và tái sử dụng nhiệt ẩn có thể giúp tổng sản lượng của hệ thống tiến gần hơn đến tốc độ bay hơi của bộ bay hơi. Nhóm UNIST cũng cho rằng khả năng chống bám bẩn của thiết bị góp phần quan trọng giúp sản lượng ổn định, vì bề mặt quang nhiệt sạch duy trì được cả khả năng hấp thụ ánh sáng lẫn khả năng tạo nhiệt theo thời gian.

So sánh với công nghệ khử muối thông thường

Thẩm thấu ngược đang chiếm ưu thế trong ngành khử muối hiện đại. Công nghệ này ép nước biển qua các màng lọc tinh dưới áp suất cao, tạo ra lượng lớn nước ngọt cho đô thị và công nghiệp. Hiệu suất đó đi kèm những đánh đổi. Thẩm thấu ngược tiêu thụ vài kilowatt giờ điện cho mỗi mét khối nước được sản xuất, cần xử lý sơ bộ để bảo vệ màng lọc và thải ra nước muối cô đặc cần được quản lý có trách nhiệm. Các nhà máy đòi hỏi vốn đầu tư lớn và thường được kết nối với lưới điện hoặc nguồn điện chuyên dụng.

Thiết bị bay hơi thụ động bằng năng lượng mặt trời như thiết kế của UNIST không cần áp suất, máy bơm hay lượng điện lớn. Thiết bị tạo ra ít nước hơn trong cùng một đơn vị thời gian và diện tích, nhưng có thể hoạt động độc lập với lưới điện, êm ái và cần bảo trì đơn giản hơn. Khả năng hướng muối kết tinh về các cạnh cũng làm giảm lượng nước muối thải. Ở những vùng khí hậu phù hợp, một cụm thiết bị bay hơi mô-đun có thể cung cấp nước uống cho hộ gia đình, phòng khám hoặc trang trại, trong khi các hệ thống lớn hơn có thể đáp ứng nhu cầu ở quy mô cộng đồng. Đối với các thành phố, bay hơi bằng năng lượng mặt trời nhiều khả năng sẽ bổ trợ chứ không thay thế các nhà máy công suất lớn, đóng vai trò dự phòng có khả năng chống chịu hoặc giải pháp cho những khu dân cư xa lưới điện.

Ứng dụng và hướng triển khai

Thiết bị hướng đến những nơi hạn chế điện lưới và thiếu đội ngũ bảo trì. Các cộng đồng đảo, làng chài và trang trại ven biển phù hợp với tiêu chí này. Những hoạt động nhân đạo sau bão, động đất hoặc xung đột, khi hạ tầng nước bị hư hại, cũng vậy. Ý tưởng của nhóm có cấu trúc mô-đun, nên có thể triển khai từng tấm riêng lẻ cho nhu cầu nhỏ hoặc ghép thành cụm để đáp ứng nhu cầu cao hơn. Độ ồn thấp và không có thiết bị áp suất cao cũng khiến hệ thống phù hợp với trường học và phòng khám, nơi độ tin cậy và an toàn rất quan trọng.

Vì thiết kế đẩy muối về các rìa, hệ thống cũng có thể được dùng để thu hồi tài nguyên. Thay vì xả nước muối lỏng cô đặc, đơn vị vận hành có thể thu gom muối khô và các khoáng chất kết tinh khác. Cách làm này có thể giảm tác động môi trường và tạo ra nguồn thu nhỏ. Nhóm nghiên cứu đề xuất các phiên bản tương lai kết hợp nhiều bộ bay hơi hình chữ L ngược thành những mô-đun lớn hơn, giúp việc lắp đặt và bảo trì tại hiện trường thuận tiện hơn.

Mở rộng quy mô và thách thức kỹ thuật

Để chuyển từ mẫu thử trong phòng thí nghiệm sang thiết bị sử dụng thực tế, cần chú ý kỹ đến vật liệu, quy trình sản xuất và quản lý nhiệt. Bấc giấy của bộ bay hơi cần chịu được nhiều tháng trải qua các chu kỳ ướt khô, hiện tượng bám bẩn sinh học do sinh vật biển và tia cực tím. Bề mặt quang nhiệt phải duy trì khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi nhiệt mà không bị suy giảm đáng kể. LSMO là oxit perovskite có độ ổn định nhiệt tốt, một ưu điểm hữu ích. Phương pháp sản xuất sẽ ảnh hưởng đến chi phí. Các kỹ thuật phủ đồng đều diện tích lớn ở nhiệt độ thấp có thể giảm chi phí và cải thiện tính nhất quán.

Ngưng tụ và thu hồi nhiệt là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất hệ thống. Mỗi kilôgam hơi nước mang theo một lượng nhiệt ẩn lớn. Các thiết kế ngưng tụ hơi nước trên những bề mặt truyền nhiệt cho nước biển đầu vào có thể tái sử dụng năng lượng đó và tăng tổng sản lượng. Vỏ bao quanh cần giảm thất thoát nhiệt và rò rỉ hơi nước, đồng thời vẫn dễ vệ sinh. Bụi, nước biển bắn và tinh thể muối cần được xử lý bằng các quy trình vệ sinh đơn giản. Các thử nghiệm độ bền của nhóm ở độ mặn rất cao đem lại kết quả đáng khích lệ, nhưng các thử nghiệm kéo dài nhiều tháng tại môi trường ven biển sẽ giúp kiểm chứng độ bền lâu dài và nhu cầu bảo trì. Quan hệ hợp tác với các tổ chức cứu trợ và đơn vị cung cấp dịch vụ tiện ích địa phương có thể hỗ trợ những thử nghiệm đó và định hướng lựa chọn thiết kế phù hợp với từng vùng khí hậu.

Các vấn đề về khí hậu và tính bền vững

Khử muối bằng năng lượng mặt trời mang lại lợi ích rõ rệt cho khí hậu tại những địa điểm ngoài lưới điện. Công nghệ này thay điện bằng ánh sáng mặt trời, tránh tiêu thụ nhiên liệu và phát thải từ máy phát điện diesel. Tuy vậy, tác động trong toàn bộ vòng đời vẫn cần được tính đến, từ việc khai thác lanthan và stronti đến sản xuất vật liệu hấp thụ và vỏ thiết bị. Sử dụng vật liệu bền và lắp ráp đơn giản có thể kéo dài tuổi thọ vận hành, đồng thời phân bổ lượng carbon hàm chứa trong sản phẩm cho nhiều năm sử dụng. Không cần máy bơm áp suất cao giúp giảm cả tiêu thụ năng lượng lẫn tiếng ồn, mang lại lợi ích cho cộng đồng ven biển và động vật hoang dã.

Dòng chất thải của hệ thống cũng khác với các nhà máy thông thường. Bằng cách kết tinh muối ở các cạnh, phương pháp của UNIST có thể giảm lượng nước muối cô đặc xả ra vùng biển ven bờ. Khi khả thi, muối thu gom có thể được tái sử dụng trong các quy trình công nghiệp hoặc đưa trở lại các ruộng muối một cách an toàn. Điều này phù hợp với nỗ lực giúp công nghệ khử muối tương thích hơn với hệ sinh thái biển và các mục tiêu toàn cầu về nước sạch, vệ sinh. Khi biến đổi khí hậu làm hạn hán và các đợt nắng nóng trở nên dữ dội hơn, những giải pháp thực tiễn biến nguồn nước biển dồi dào thành nước uống an toàn với mức năng lượng tối thiểu sẽ trở thành một phần trong nhiều kế hoạch thích ứng tại địa phương.

Những điều cần biết

• Các nhà nghiên cứu UNIST đã chế tạo thiết bị khử muối bằng năng lượng mặt trời không dùng điện, với tốc độ được báo cáo là 3,40 kilôgam trên mỗi mét vuông mỗi giờ dưới cường độ ánh sáng một mặt trời.
• Thiết kế sử dụng bấc giấy và cấu trúc hình chữ L ngược để đưa nước biển đến bề mặt quang nhiệt.
• Lớp quang nhiệt làm từ La0.7Sr0.3MnO3, một oxit perovskite chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiệt thông qua quá trình tái hợp không bức xạ.
• Dòng chảy một chiều đẩy muối về phía các cạnh, giảm hiện tượng bám bẩn và che khuất ánh sáng ở vùng nóng trung tâm.
• Các thử nghiệm độ bền cho thấy thiết bị hoạt động ổn định suốt hai tuần trong dung dịch có 20% muối, cao hơn độ mặn của nước biển thông thường.
• Các thiết bị chưng cất thụ động bằng năng lượng mặt trời thường tạo ra 0,3 đến 0,4 kilôgam trên mỗi mét vuông mỗi giờ, vì vậy tốc độ được báo cáo cao hơn khoảng 8 đến 10 lần.
• Thiết kế này hỗ trợ thu hoạch muối và giảm lượng nước muối lỏng thải ra so với nhiều phương pháp thông thường.
• Các cụm mô-đun có thể cung cấp nước ngoài lưới điện cho làng mạc, phòng khám, đảo và hoạt động cứu trợ thiên tai.
• Nghiên cứu được công bố trên Advanced Energy Materials, do Giáo sư Ji Hyun Jang dẫn dắt, với tác giả chính là Tiến sĩ Saurav Chaule.
• Các thử nghiệm thực địa, thiết kế bộ ngưng tụ và khả năng sản xuất ở quy mô lớn sẽ quyết định sản lượng và chi phí thực tế.