Màng lọc graphene biến nước biển thành nước uống

• Công nghệ xử lý nước biển thành nước ngọt
• Chưng lọc nước biển thành nước ngọt bằng công nghệ mặt trời
• Học sinh “trường làng” chế tạo thiết bị lọc nước biển thành nước ngọt

Kết quả nghiên cứu của nhóm nhà khoa học Đại học Manchester (Anh) dưới sự lãnh đạo của tiến sĩ Rahul Nair được đăng tải trên tạp chí Nature Nanotechnology cho thấy một số thách thức đã được giải quyết khi sử dụng một dẫn xuất hóa học từ graphene gọi là graphene oxide. Được nghiên cứu phát triển bởi nhóm các nhà khoa học Đại học Manchester (Anh) năm 2004, graphene bao gồm một lớp đơn các nguyên tử carbon sắp xếp thành mạng lục giác như kiểu tổ ong.

Với một số tính năng đặc biệt (như là sức bền kéo và khả năng dẫn điện) graphene được đánh giá là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất cho nhiều ứng dụng trong tương lai. Tuy nhiên, việc sản xuất với số lượng lớn graphene lớp đơn bằng những phương pháp hiện có (như là kỹ thuật bay hơi lắng đọng hóa học - CVD) là một trở ngại đáng kể. Cụ thể là, các tiền chất hóa học được hóa hơi ở nhiệt độ cao để từ đó lắng đọng và phản ứng trên bề mặt một vật liệu tạo thành lớp màng mỏng graphene.

Trong khi đó, theo tiến sĩ Rahul Nair, "graphene oxide có thể được sản xuất bằng kỹ thuật oxy hóa đơn giản trong phòng thí nghiệm" và nói về giá thành vật liệu thì graphene oxide có lợi thế hơn graphne lớp đơn. Tiến sĩ giải thích về sự bất lợi của graphene lớp đơn: "Để cho nó có tính thẩm thấu, chúng ta phải khoan nhiều lỗ nhỏ trên lớp màng. Nhưng nếu kích thước lỗ khoan lớn hơn 1 nanometre thì phân tử muối có thể chui qua được. Do đó, kích thước lỗ khoan phải nhỏ hơn 1 nanometre mới có thể khử muối từ nước biển. Thách thức nằm ở chỗ đó".

Các màng graphene oxide đã chứng minh được khả năng lọc được hạt nano nhỏ, phân tử hữu cơ và thậm chí những hạt muối to. Nhưng cho đến nay loại màng này vẫn chưa thể sử dụng để lọc muối kích thước nhỏ từ nước biển. Nguyên do là màng graphene oxide bị phình to ra khi được nhấn chìm trong nước và cho phép phân tử muối nhỏ lọt qua cùng với nước bọc bên ngoài.

Hiện nay, nhóm nhà khoa học của tiến sĩ Nair tạo ra những bức tường ngăn cách bằng nhựa epoxy ở hai bên màng graphene oxide đủ để ngăn cản nó trương nở và từ đó các ống mao dẫn nhỏ bé của màng graphen oxide có thể ngăn chặn phân tử muối kích thước nhỏ lọt qua cùng với nước.

Tiến sĩ Nair giải thích: "Các phân tử nước có thể thẩm thấu qua màng lọc graphene oxide, song sodium chloride thì không thể - bởi vì muốn lọt qua màng thì chúng luôn luôn cần đến sự trợ giúp của phân tử nước. Kích thước của lớp vỏ nước bao bọc quanh hạt muối to hơn kích thước lỗ màng lọc". Đó là lý do mà màng lọc graphene kết hợp với bức tường nhựa epoxy hết sức lý tưởng để khử muối biến nước biển thành nước ngọt uống được, thậm chí giúp cho tiến trình lọc diễn ra nhanh hơn.

Theo đánh giá từ Liên Hiệp Quốc, vào năm 2025 có đến 14% dân số thế giới đối mặt với nguy cơ thiếu nước ngọt. Do tác động của biến đổi khí hậu mà nguồn cung nước ngọt tại khu vực thành thị bị giảm sút đáng kể. Hiện nay, các quốc gia phát triển giàu có đang nỗ lực đầu tư nghiên cứu mọi công nghệ có ích để khử muối nước biển. Các nhà máy khử muối hiện có trên toàn thế giới hiện nay sử dụng các màng lọc bằng polymer.

Tiến sĩ Nair bình luận về màng lọc graphene oxide: "Lần đầu tiên chúng ta kiểm soát được màng lọc một cách hiệu quả để khử muối - một điều mà trước đây không thể. Bước kế tiếp sẽ là so sánh loại màng lọc này với vật liệu tiên tiến nhất có trên thị trường".

Trong bài viết trên tạp chí Nature Nanotechnology, giáo sư Ram Devanathan từ Viện Thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương ở Richland (Mỹ) nhận định điều cần thiết là màng lọc graphene oxide này phải được sản xuất hàng loạt với giá thành rẻ.

Theo Devanathan, các nhà khoa học cũng cần chứng minh về tính bền vững của màng lọc graphene oxide khi tiếp xúc trực tiếp và kéo dài với môi trường nước biển bảo đảm rằng màng lọc chịu đựng được việc bị làm "tắc nghẽn" bởi muối và vật liệu sinh học (đòi hỏi các bức tường nhựa epoxy phải được vệ sinh hay thay thế định kỳ). Giáo sư Devanathan viết: "Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một thiết bị lọc nước biển hay nước thải cho ra nước ngọt sử dụng được mà vẫn tiết kiệm được năng lượng một cách hiệu quả".