Thiết bị lọc nước biển di động, sử dụng pin điện mặt trời

Nhóm nhà nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Massachusetts (MIT) đã phát triển một thiết bị khử muối di động, nặng dưới 10 kg, có thể loại bỏ các hạt và muối để tạo ra nước uống, không cần đến bộ lọc hoặc máy bơm cao áp.

Thiết bị lọc nước biển trong một vali thông thường. Ảnh: M. Scott Brauer

Thiết bị có kích thước bằng một chiếc vali, cần ít năng lượng hơn cả bộ sạc điện thoại. Thiết bị hoạt động từ điện năng của một tấm pin mặt trời nhỏ, di động, có giá khoảng 50 USD. Thiết bị tự động tạo ra nước uống, vượt quá tiêu chuẩn chất lượng của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Công nghệ được đóng gọn thành một thiết bị thân thiện với người dùng, chạy chỉ bằng một nút bấm.

Không giống như các thiết bị khử mặn di động khác, yêu cầu nước phải chạy qua các bộ lọc, thiết bị lọc mới sử dụng năng lượng điện loại bỏ các hạt khỏi nước uống. Việc không có nhu cầu thay thế bộ lọc giảm đáng kể những yêu cầu bảo trì bảo dưỡng thời gian dài.

Thiết bị bao gồm quy trình phân cực nồng độ ion (ICP) hai giai đoạn, nước chảy qua 6 module trong giai đoạn đầu tiên, sau đó đi qua 3 mô-đun giai đoạn thứ hai, tiếp theo là quy trình thẩm tách điện đơn. Ảnh: M. Scott Brauer

Những đặc tính này có thể cho phép triển khai thiết bị ở các khu vực xa xôi và hạn chế nghiêm trọng tài nguyên như các cộng đồng trên những đảo nhỏ, trên các tàu hàng đi biển dài ngày. Thiết bị có thể được sử dụng để hỗ trợ những người tị nạn trong thiên tai hoặc binh lính, thực hiện các hoạt động quân sự dài ngày trên đảo nhỏ hoặc trên biển.

Tác giả chính công trình, Jongyoon Han, GS Kỹ thuật điện, Khoa học máy tính và kỹ thuật sinh học, thành viên của Phòng nghiên cứu thí nghiệm điện tử (RLE) cho biết, đây là kết quả của 10 năm nghiên cứu, các nhà khoa học phân tích và phát triển những quy trình khử muối riêng lẻ và đưa tất cả những sáng tạo đó vào một chiếc hộp, xây dựng một hệ thống và thử nghiệm thực tế với nước biển.

Các thiết bị khử muối di động bán trên thị trường thường yêu cầu máy bơm áp suất cao để đẩy nước qua các bộ lọc, rất khó thu nhỏ do ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của thiết bị.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật, được gọi là phân cực nồng độ ion (ICP), được nhóm nhà khoa học của Han phát triển hơn 10 năm trước. Quy trình ICP áp điện trường lên các màng đặt trên và dưới kênh dẫn nước. Những màng này đẩy lùi các hạt mang điện tích dương hoặc âm, như các phân tử muối, vi khuẩn và virus khi chảy qua. Các hạt mang điện kết hợp thành dòng nước thứ hai và cuối cùng bị thải ra ngoài.

Quy trình loại bỏ cả chất rắn hòa tan và lơ lửng, chỉ cho phép nước sạch đi qua kênh. Kỹ thuật này chỉ yêu cầu một máy bơm áp suất thấp, ICP sử dụng ít năng lượng hơn so với tất cả các kỹ thuật khác.

Thiết bị di động không yêu cầu bất kỳ bộ lọc nào, giảm đáng kể yêu cầu bảo trì thời gian dài. Ảnh: M. Scott Brauer

Nhưng không phải lúc nào ICP cũng loại bỏ tất cả các muối nổi ở giữa kênh. Vì vậy, nhóm nghiên cứu kết hợp thêm quy trình thứ hai, được gọi là thẩm phân điện, loại bỏ các ion muối còn lại.

Nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ Máy học để tìm ra sự kết hợp lý tưởng giữa ICP và mô-đun thẩm tách điện. Thiết lập tối ưu quy trình ICP hai giai đoạn, nước chảy qua 6 module giai đoạn đầu tiên, sau đó là ba module giai đoạn thứ hai, tiếp theo là quy trình thẩm phân điện.

Mặc dù một số hạt mang điện có thể bị giữ lại trên màng trao đổi ion, nhưng nếu các hạt bị mắc kẹt, chỉ cần đảo ngược phân cực của điện trường và các hạt mang điện dễ dàng bị loại bỏ.

Các nhà khoa học thu nhỏ và xếp chồng những module ICP và thẩm tách điện nhằm tăng hiệu quả năng lượng và cho phép kích thược phù hợp cho thiết bị di động. Nhóm thiết kế thiết bị này cho người dùng bình thường, chỉ với một nút bấm để khởi động quá trình khử muối và thanh lọc tự động.

Khi độ mặn và số lượng hạt giảm đến ngưỡng cụ thể, thiết bị sẽ thông báo cho người dùng, nước đã có thể uống. Nhóm cũng cũng phát triển một ứng dụng điện thoại thông minh, có thể điều khiển thiết bị không dây, báo cáo dữ liệu thời gian thực về mức tiêu thụ điện năng và độ mặn của nước.

Sau khi thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, sử dụng các loại nước có độ mặn và độ đục khác nhau, thiết bị được thử nghiệm tại Bãi biển Carson ở Boston. Thiết bị có thể lọc được một cốc nước trong vòng nửa giờ.

TS Jongyoon Han và nhà khoa học Junghyo Yoon trong quá trình nghiên cứu. Ảnh: M. Scott Brauer

Nước lọc vượt quá hướng dẫn về chất lượng của Tổ chức Y tế Thế giới và giảm lượng chất rắn lơ lửng thấp nhất bằng hệ số 10. Nguyên mẫu sản xuất nước uống với tốc độ 0,3 lít mỗi giờ và tiêu hao 20 watt điện cho mỗi lít .

Công nghệ mới cũng có thể giải quyết các vấn đề khác trong nước như phát hiện nhanh chóng các chất gây ô nhiễm có trong nước, độc hại với con người.