Tiến sĩ Việt Nam phát triển thành công vật liệu biến nước biển thành nước sạch sinh hoạt

[Romano]

TS Phạm Tiến Thành (38 tuổi) cùng nhóm nghiên cứu trường Đại học Việt Nhật (ĐHQGHN) chế tạo thành công vật liệu quang nhiệt có khả năng biến nước biển thành nước sạch.Nhóm nghiên cứu trường Đại học Việt Nhật, ĐHQG Hà Nội do TS Phạm Tiến Thành (38 tuổi) dẫn đầu. Đây là loại vật liệu tích hợp ứng dụng trong các hệ tạo hơi nước bằng năng lượng mặt trời, nhằm lọc nước biển thành nước sạch, giải quyết bài toán khan hiếm nước. Quy trình chế tạo vật liệu mới bằng cách tạo ra phức chất sắt kết hợp polyphenol chiết xuất từ nước trà xanh (hoặc trà mạn) trên vật liệu nền tự nhiên từ quả phật thủ để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời. Các nghiên cứu chỉ ra thành phần nước trà có rất nhiều loại polyphenol khác nhau với hàm lượng cao. Do đó, thay vì sử dụng polyphenol tổng hợp bán trên thị trường với giá khá đắt đỏ, nhóm sử dụng nước trà xanh. Sau nhiều thử nghiệm, TS Thành cùng cộng sự tìm ra cách pha chế để thu được hàm lượng polyphenol tối ưu. Bằng cách phân tích cấu trúc bề mặt vật liệu, nhóm cũng phát hiện phần lõi của quả phật thủ có cấu trúc lỗ xốp đa lớp như cấu trúc tổ ong với các ống mao dẫn dọc theo cấu trúc giúp vật liệu này có khả năng dẫn nước và cách nhiệt tốt.

"Vật liệu quang nhiệt đóng vai trò chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành nhiệt lượng, do đó vật liệu phải đáp ứng yêu cầu gồm khả năng dẫn nước tốt và có độ truyền nhiệt thấp. Phần lõi của quả phật thủ rất phù hợp tiêu chí để chế tạo vật liệu quang nhiệt", TS Thành giải thích. Các nhà khoa học lấy lõi xốp của quả phật thủ cắt lát, xử lý bằng cồn, sau đó ngâm vào dung dịch nước trà xanh và tổng hợp với dung dịch Fe3+ để tạo thành vật liệu. Khi đó phản ứng giữa Fe3+ và các polyphenol sẽ tạo lớp phức có kích cỡ nanomet bám trên bề mặt cấu trúc xốp đa lớp của lõi phật thủ từ đó tạo thành lớp hấp thụ ánh sáng với hiệu suất cao.

TS Thành cho biết, khoảng 6 năm gần đây hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu quang nhiệt ứng dụng vào hệ lọc nước mặn và xử lý nước ô nhiễm phát triển mạnh trên thế giới. Nhiều loại vật liệu và phương pháp khác nhau được sử dụng như vật liệu nano kim loại, polyme, vật liệu carbon... Tuy nhiên để ứng dụng thực tế đòi hỏi vật liệu quang nhiệt cần được chế tạo với quy trình đơn giản, giá thành rẻ, vừa hiệu quả lại thân thiện với môi trường. Do đó hướng sử dụng vật liệu sinh khối như sợi cellulose tự nhiên từ tre, nứa, xơ dừa... dần trở thành vật liệu nền tiềm năng.

TS Thành chia sẻ, để lớp phức ion kim loại có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, polyphenol trong chè phải bám đồng đều trên bề mặt vật liệu. Do đó các công đoạn đều được thực hiện kỹ càng, nhất là bước xử lý vỏ phật thủ. Việc xử lý tinh dầu trong vỏ giúp tăng hình thành liên kết giữa polyphenol tự nhiên trong nước trà và xenlulo trên bề mặt quả phật thủ, nhờ đó vật liệu đạt mức hấp thụ mặt trời lên tới 95%. Để đánh giá hiệu suất, nhóm thử nghiệm vật liệu quang nhiệt trong hệ lọc nước biển dựa theo phương pháp bay hơi. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý, nước biển sẽ bay hơi, tác dụng nhiệt được chuyển hóa từ ánh sáng mặt trời ở bề mặt vật liệu quang nhiệt, hơi nước sẽ được ngưng tụ thành nước sạch.

Trong điều kiện phòng thí nghiệm (sử dụng mặt trời nhân tạo), vật liệu quang nhiệt từ phật thủ có tốc độ bốc hơi nước là 1,92kg/m2/giờ, gấp hơn 4,5 lần so với tốc độ bay hơi nước trong điều kiện thường không sử dụng vật liệu (0,42kg/m2/tiếng). Tốc độ này cao hơn các vật liệu quang nhiệt bằng sinh khối đã được nghiên cứu trước đó (như tre, rơm rạ hay vỏ dừa...).Nhờ cấu trúc có khả năng dẫn nước tốt giúp vật liệu này ít bị bám muối trên bề mặt trong quá trình bay hơi nước. Đây là một trong những yếu tố quan trọng để duy trì hiệu suất của vật liệu trong quá trình sử dụng. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí quốc tế Desalination tháng 7/2022.

Nhóm thử nghiệm lọc nước mặn quy mô nhỏ, diện tích vật liệu khoảng 100 cm2. Kết quả, ngày nắng thu được khoảng 3,7 lít nước sạch/m2. TS Thành cho biết, thời điểm thực hiện thí nghiệm là vào mùa đông, nếu mùa hè có thể lên tới 5-6 lít/m2 vật liệu mỗi ngày. Nước lọc qua hệ thống khử được 99.9% ion muối có trong nước biển.

Ông Nguyễn Hoàng Oanh, Phó Hiệu trưởng trường Đại học Việt Nhật đánh giá hiện nay nhiều nước trên thế giới đang đối diện với hiện tượng xâm nhập mặn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước sạch. Do đó nghiên cứu của nhóm là bước tiến quan trọng hướng tới phát triển các vật liệu phù hợp ứng dụng thực tế. Theo ông trước hết cần chế tạo vật liệu ở quy mô lớn với giá thành rẻ. "Việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và giá thành rẻ sẽ là giải pháp tiềm năng để đảm bảo nguồn nước sạch sinh hoạt quy mô hộ gia đình phù hợp với hiện trạng của các nước đang phát triển", ông cho hay.

Thực tế nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Trung Đông... đã xây dựng các nhà máy lọc nước biển có quy mô lớn với chi phí đầu tư ban đầu và duy trì cao. Cách này khó phù hợp với điều kiện các nước đang phát triển như Việt Nam. Hệ thống sản xuất hơi nước bằng năng lượng mặt trời của nhóm có nhiều tiềm năng ứng dụng ở quy mô hộ gia đình, nhằm đảm bảo nguồn nước sinh hoạt ở vùng bị ảnh hưởng của hạn mặn như Đồng bằng sông Cửu Long và vùng hải đảo.

TS Thành cho biết, nhóm tiếp tục hướng nghiên cứu các loại vật liệu mới có thể đạt được hiệu suất cao hơn, hệ thống lọc xuyên suốt 24 giờ, thay vì chỉ ban ngày như hiện tại.