Ước tính khoảng 2/3 nhân loại bị ảnh hưởng bởi tình trạng thiếu nước, nhiều khu vực ở các nước đang phát triển cũng phải đối mặt với tình trạng thiếu nước sạch do nguồn điện không ổn định.

Các nhà khoa học thế giới đã phát triển những phương pháp khử muối từ nước biển hoặc nước lợ bằng nhiệt mặt trời. Nhưng các phương pháp này có nhược điểm là sự bám bẩn do muối tích tụ, làm giảm hiệu suất thiết bị và gia tăng chi phí xử lý.

Một nhóm các nhà khoa học MIT và Trung Quốc đã tìm ra một giải pháp giải quyết vấn đề tích tụ muối, phát triển một hệ thống khử mặn hiệu quả với chi phí thấp hơn so với những phương pháp khử mặn bằng năng lượng mặt trời hiện nay. Quy trình mới có thể được sử dụng để xử lý nước thải bị ô nhiễm hoặc sản xuất hơi nước để khử trùng dụng cụ y tế, không yêu cầu bất kỳ nguồn điện nào ngoài ánh sáng mặt trời.

Kỹ thuật mới được giới thiệu trong một báo cáo khoa học, đăng trên tạp chí Nature Communications của nhóm nghiên cứu MIT bao gồm nghiên cứu sinh TS Lenan Zhang, PTS Xiangyu Li, GS kỹ thuật cơ khí Evelyn Wang và 4 nhà khoa học khác.

GS Wang cho biết, có rất nhiều thiết kế các thiết bị bay hơi sử dụng năng lượng mặt trời, loại bỏ muối hiệu suất thực sự cao. Các thiết kế hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời sử dụng phin lọc hút nước mặn vào thiết bị, nhưng phin lọc bị tích tụ muối và khó làm sạch, hạn chế thời gian sử dụng và chi phí cao.

Nhóm nghiên cứu triển một hệ thống khử mặn không có phin lọc, hình thành một hệ thống phân lớp, với vật liệu sẫm màu trên cùng hấp thụ nhiệt mặt trời, sau đó là một lớp nước mỏng nằm bên trên một lớp vật liệu đục lỗ trên bề mặt bể chứa nước mặn sâu như bể chưa hoặc hồ.

Sau những thử nghiệm và tính toán kỹ lưỡng, các nhà nghiên cứu xác định kích thước tối ưu các lỗ được khoan qua vật liệu, trong thử nghiệm được làm bằng polyurethane. Đường kính 2,5 mm, những lỗ này có thể dễ dàng được khoan bằng vòi phun tia nước thông dụng.

Những lỗ này đủ lớn để cho phép lưu thông đối lưu tự nhiên giữa lớp nước ấm hơn bên trên và tầng chứa lạnh hơn bên dưới. Sự tuần hoàn tự nhiên hút muối từ lớp mỏng bên trên xuống phần nước lớn bên dưới, khiến nước bề mặt trở nên loãng muối hơn. Điều này cho phép hệ thống làm bay hơi nước đạt hiệu suất cao và ngăn chặn sự tích tụ muối này. Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh, hệ thống lưu chuyển tự nhiên nước có hiệu suất cao và hoạt động đáng tin cậy ngay cả với nước mặn gần bão hòa, có thể ứng dụng cho xử lý nước thải."

Thiết kế của nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu thực sự rẻ tiền, gần như gia dụng. "Phương pháp tiếp cận mới này" cung cấp một hướng đi hiệu quả có tính đột phá trong quá trình khử mặn và lọc nước bẩn bằng năng lượng mặt trời.

Video hiển thị dòng chảy chất lỏng được hình ảnh hóa bằng thuốc nhuộm thực phẩm. Phía bên trái cho thấy sự vận chuyển chậm của nước khử ion có màu từ trên xuống dưới. Hình bên phải cho thấy sự vận chuyển nhanh chóng của nước mặn có màu từ trên xuống dưới do hiệu ứng đối lưu tự nhiên. Video: Viện Công nghệ Massachusetts

Theo giải thích của nhóm nghiên cứu, trong lớp nước hạn chế phía trên, sự bay hơi xảy ra ở mặt phân cách trên cùng. Do có muối và nước bay hơi, tỷ trọng nước mặt phân cách trên cùng cao hơn và nước ở phía dưới có tỷ trọng thấp hơn. Đây là động lực cho sự đối lưu tự nhiên, thúc đẩy chất lỏng mặn đi xuống. Nước bốc hơi từ đỉnh của hệ thống được thu lại trên bề mặt ngưng tụ, cung cấp nước ngọt tinh khiết.

 Luân chuyển muối vào nước bên dưới làm mất nhiệt trong quá trình, vì vậy lớp đục lỗ làm bằng vật liệu cách nhiệt cao để giữ nhiệt tập trung ở trên. Nhiệt hấp thụ từ năng lượng mặt trời bằng lớp sơn đen để làm bay hơi lớp nước mỏng phía trên.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh ý tưởng bằng các thiết bị nhỏ để bàn, bước tiếp theo sẽ là mở rộng quy mô lên các thiết bị cho ứng dụng thực tế. Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, một hệ thống lọc nước biển với diện tích khoảng 1m2 đủ cung cấp nhu cầu nước uống hàng ngày của một gia đình, vật liệu cần thiết chế tạo thiết bị 1 mét vuông chỉ tốn khoảng 4 USD.

Sơ đồ thiết bị thí nghiệm chứng minh ý tưởng với lớp cách nhiệt có lỗ đối lưu, không có và có lớp hấp thụ nhiệt.

Những nghiên cứu tiếp theo là biến thiết bị chứng minh ý tưởng thành thiết bị thương mại khả thi để sản xuất nước sạch trong vòng vài năm tới nhằm chế tạo các thiết bị cung cấp nước an toàn ở các vị trí vùng sâu, vùng xa ngoài lưới điện, hải đảo hoặc hoặc những vùng bị gián đoạn nguồn cung cấp nước thông thường.

Kỹ thuật này sẽ giúp phát triển những cải tiến mới trong thiết kế các thiết bị lọc nước bay hơi năng lượng mặt trời do hiệu suất , độ bền cao và chi phí thấp. Những thiết bị này cho phép thực hiện lọc nước thụ động giá rẻ để sản xuất nước ngọt từ những nguồn nước mặn, lọc các nguồn nước bị ô nhiễm hoặc nước thải.