Màng graphene lọc nước biển thành nước ngọt

Các nhà nghiên cứu đã đạt được một bước ngoặt lớn trong cuộc tìm kiếm phương pháp khử muối hiệu quả bằng cách chế tạo thành công một màn graphene oxide để tách muối khỏi nước biển.

Ở giai đoạn nghiên cứu hiện tại, kỹ thuật này vẫn còn bị giới hạn trong phạm vi phòng thí nghiệm, nhưng đó là một đột phá để mở ra khả năng chúng ta có thể nhanh chóng và dễ dàng biến một trong những nguồn lực dồi dào nhất, nước biển, thành một trong những tài nguyên hiếm hoi nhất của chúng ta - nước sạch.

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi TS. Rahul Nair từ Đại học Manchester ở Anh, đã chỉ ra rằng, lớp rây được chế tạo từ graphene có thể lọc ra các muối rất hiệu quả, bước tiếp theo là kiểm tra tính ứng dụng của rây lọc này vào các màng lọc muối.

Lọc muối từ nước biển để thành nước sạch không còn là vấn đề quá mới mẻ.

"Việc giảm kích thước thẩm thấu của các màng lọc xuống quy mô nguyên tử là bước tiến đáng kể và sẽ mở ra những khả năng mới để nâng cao hiệu quả của công nghệ khử muối", TS Nair cho hay: "Chúng tôi cũng đã chứng minh được rằng, có khả năng để mở rộng quy mô các phương pháp mô tả và sản xuất đại trà màng lọc gốc graphene với kích thước rây theo yêu cầu".

Màng graphene oxide từ lâu được xem là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho lọc và khử muối, nhưng mặc dù nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển màng có thể rây hạt lớn ra khỏi nước, tuy nhiên để loại bỏ muối đòi hỏi kích thước rây thậm chí nhỏ hơn. Một vấn đề lớn là, khi màng graphene oxide được tiếp xúc với nước, kích thước các lỗ sẽ tăng lên cho phép các hạt muối lọt qua các lỗ.

Nhóm nghiên cứu ở Manchester đã khắc phục điều này bằng cách xây dựng những bức tường nhựa epoxy ở hai bên của màng graphene oxide, ngăn không cho nó sưng lên trong nước. Điều này cho phép họ kiểm soát chính xác kích thước lỗ trong màng, tạo lỗ đủ nhỏ để lọc ra tất cả các hạt muối phổ biến từ nước biển.

Chìa khóa để thực hiện nghiên cứu này là dựa vào một thực tế rằng khi muối được hòa tan trong nước, chúng tạo thành một 'vỏ' của các phân tử nước xung quanh chúng.

"Các phân tử nước có thể tự do di chuyển nhưng natri clorua không thể. Nó luôn luôn cần sự giúp đỡ của các phân tử nước", TS Nair phân tích: "Kích thước của vỏ nước xung quanh muối lớn hơn kích thước lỗ trong rây, vì vậy nó không thể đi qua".

Không chỉ lọc nước biển để uống, màng rây này cũng làm cho các phân tử nước chảy nhanh hơn thông qua các màng lọc, đó là yếu tố hoàn hảo để đưa việc sử dụng các màng lọc nước vào thực tế.

Đột phá trong việc cố định kích thước các lỗ trong màng lọc là chìa khóa của vấn đề.

"Khi kích thước mao quản khoảng một nanomet, rất gần với kích thước của phân tử nước, những phân tử hình thành một kết nối với nhau linh động như một chuyến tàu", TS. Nair giải thích: "Điều đó làm cho sự di chuyển của nước nhanh hơn: nếu mạnh hơn ở một bên, các phân tử sẽ di chuyển sang phía bên kia vì các liên kết hydro giữa chúng. Bạn chỉ có thể có được tình huống di chuyển theo kiểu đoàn tàu khi mà kích thước kênh là rất nhỏ".

Đã có một số nhà máy khử muối lớn trên thế giới sử dụng màng polymer để lọc ra các muối, nhưng quá trình này vẫn còn không hiệu quả và tốn kém, vì vậy việc tìm kiếm một cách để làm cho nó nhanh hơn, rẻ hơn và dễ dàng hơn là một mục tiêu rất lớn cho các nhà nghiên cứu.

Nhờ sự thay đổi khí hậu, mực nước biển dự đoán sẽ tăng khoảng 3,8cm (1,5 inch) vào năm 2100 và nếu toàn bộ Khối băng ở Greenland tan, các thế hệ tương lai sẽ phải đối mặt đại dương dâng cao lên đến 7,3 mét (24 feet).

Nhưng nước uống sạch vẫn còn vô cùng khó khăn ở nhiều nơi trên thế giới - LHQ dự đoán rằng vào năm 2025, 14% dân số thế giới sẽ gặp phải tình trạng khan hiếm nước. Nhiều người trong những quốc gia này sẽ không thể đủ khả năng để xây dựng nhà máy khử muối quy mô lớn.

Các nhà nghiên cứu đang hy vọng rằng, rây lọc gốc graphene có thể được hiệu quả như các nhà máy lớn trên quy mô nhỏ, vì vậy nó dễ dàng hơn để tung ra thị trường.

Graphene oxide cũng là dễ dàng hơn nhiều và rẻ hơn để thực hiện trong phòng thí nghiệm hơn đơn lớp graphene, có nghĩa là công nghệ này sẽ có giá cả phải chăng và dễ dàng để sản xuất.

Màng lọc sẽ giữ lại các phân tử muối, chỉ cho phân tử nước đi qua.

"Việc tách chọn lọc các phân tử nước từ các ion bằng cách hạn chế vật lý của khoảng cách sẽ mở cửa cho quá trình tổng hợp màng không tốn kém dùng cho khử muối", Ram Devanathan từ thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương, người không tham gia nghiên cứu nhận xét thêm.

Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một thiết bị lọc có thể sản xuất nước uống từ nước biển hoặc nước thải với đầu vào năng lượng tối thiểu. Bước tiếp theo sẽ là thử nghiệm độ bền của màng lọc khi được sử dụng trong thời gian dài và chi phí duy tu bảo dưỡng.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.