Màng khử muối hoạt động như một bộ lọc nước mặn: đẩy nước chảy qua màng để có được nước sạch thích hợp cho nông nghiệp, sản xuất năng lượng và thậm chí cả nước uống. Quá trình này có vẻ đơn giản, nhưng nó chứa đựng những phức tạp khiến các nhà khoa học rất bối rối trong nhiều thập kỷ qua cho đến nay.
Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Penn State, Đại học Texas tại Austin, Đại học Bang Iowa, Công ty Hóa chất Dow và DuPont Water Solutions đã công bố một phát hiện quan trọng trong việc hiểu rõ cách thức các màng lọc lọc khoáng chất từ nước, trên tạp chí Science.
Enrique Gomez, giáo sư kỹ thuật hóa học, kỹ thuật và khoa học vật liệu tại Penn State, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Mặc dù các màng lọc nước đã được sử dụng trong nhiều năm, nhưng chúng ta chưa biết nhiều về cách thức hoạt động của chúng. Chúng tôi nhận thấy rằng cách kiểm soát sự phân bố mật độ của màng ở cấp nano thực sự quan trọng đối với hiệu suất sản xuất nước”.
Phó giáo sư Manish Kumar, Khoa Kỹ thuật dân dụng, kiến trúc và môi trường tại UT Austin, đồng tác giả nghiên cứu cho biết, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử đa phương thức, kết hợp hình ảnh chi tiết ở quy mô nguyên tử với các kỹ thuật tiết lộ thành phần hóa học để xác định màng lọc khử muối không nhất quán về mật độ và khối lượng này. Các nhà nghiên cứu đã lập bản đồ các biến thể mật độ trong màng polyme theo ba chiều với độ phân giải không gian xấp xỉ một nanomet – tức là chưa bằng một nửa đường kính của sợi ADN.
Theo Gomez, tiến bộ công nghệ này là chìa khóa để hiểu được vai trò của mật độ trong màng lọc.
Gomez nói: “Bằng mắt thường, chúng ta có thể nhìn thấy một số chỗ phân bổ sát sịt kín khít hơn hoặc một số chỗ thì thoáng hơn như thế nào trong phin cà phê. Còn trong các màng lọc, nó trông đồng đều, nhưng nó không phải ở kích thước nano và cách chúng ta kiểm soát sự phân bố khối lượng vị trí đó thực sự quan trọng đối với hiệu suất lọc nước”.
Gomez và Kumar cho biết đây là một điều bất ngờ, vì trước đây người ta vẫn nghĩ rằng màng lọc càng dày thì lượng nước sản xuất được ra càng ít.
Công ty Filmtec, thuộc của DuPont Water Solutions – công ty sản xuất sản phẩm khử muối quy mô lớn, đã hợp tác với các nhà nghiên cứu và tài trợ cho dự án này vì các nhà khoa học trong công ty của họ phát hiện ra rằng màng lọc dày hơn thực sự chứng tỏ khả năng thẩm thấu tốt hơn.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng độ dày không quan trọng bằng việc “rẽ mạch” các vùng có mật độ nano cao, hoặc “vùng chết“. Theo Gomez, mật độ nhất quán xuyên suốt màng lọc quan trọng hơn độ dày để tối đa hóa sản xuất nước.
Theo các nhà nghiên cứu, hiểu biết này có thể tăng hiệu suất màng lọc từ 30% đến 40%, dẫn đến nhiều nước được lọc hơn, mất ít năng lượng hơn – tiết kiệm được chi phí cho các quy trình khử muối hiện tại.
Kumar nói: “Màng thẩm thấu ngược được sử dụng rộng rãi để làm sạch nước, nhưng vẫn còn rất nhiều điều chúng ta chưa biết về chúng. Chúng tôi thực sự không thể nói rõ cách thức nước di chuyển qua chúng, vì vậy tất cả những cải tiến trong 40 năm qua về cơ bản được thực hiện trong “bóng tối”.
Màng thẩm thấu ngược hoạt động bằng cách tạo áp lực lên một mặt. Các khoáng chất đọng ở đó, trong khi nước đi qua. Các nhà nghiên cứu cho biết, mặc dù hiệu quả hơn các quy trình khử muối không qua màng lọc, nhưng quá trình này vẫn tốn một lượng lớn năng lượng. Việc cải thiện hiệu quả của màng lọc có thể giảm bớt gánh nặng này.
“Quản lý nước ngọt đang trở thành một thách thức quan trọng trên toàn thế giới. Tình trạng thiếu hụt, hạn hán – với các kiểu thời tiết khắc nghiệt ngày càng gia tăng, dự kiến vấn đề này sẽ còn trở nên ngày càng nghiêm trọng hơn. Do vậy, điều tối quan trọng là phải có sẵn nước sạch, đặc biệt là ở những vùng ít tài nguyên”, Gomez nhấn mạnh.
Hiện nhóm nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu cấu trúc của các màng lọc, cũng như các phản ứng hóa học liên quan đến quá trình khử muối. Họ cũng đang xem xét giải pháp phát triển các màng lọc tốt nhất với các vật liệu cụ thể, chẳng hạn như màng lọc bền chắc nhưng dai dẻo, có thể ngăn chặn sự hình thành sự phát triển của vi khuẩn.
“Chúng tôi đang tiếp tục thúc đẩy các kỹ thuật của mình với các vật liệu hiệu suất cao hơn, với mục tiêu làm sáng tỏ các yếu tố quan trọng của quá trình lọc hiệu quả”, Gomez nói.
P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2020-12-nanoscale-membranes-key.html, 4/1/2021