Giải pháp năng lượng Xanh từ sự hòa trộn nước biển và nước ngọt

Từ vật liệu rẻ, dễ kiếm là nước biển và nước ngọt hòa lẫn nhau có thể tạo ra loại pin mới có độ bền cao.

Các nhà khoa học đăng tải một bài báo, được xuất bản trên trang web của Hiệp hội Hóa học Mỹ ACS Omega, mô tả pin điện mới với đề xuất sử dụng nguồn năng lượng này cho các nhà máy xử lý nước thải ven biển.

Năng lượng Xanh là nguồn năng lượng tái tạo to lớn và chưa từng được khai thác, đồng tác giả nghiên cứu, ông Kristian Dubrawski, tiến sĩ kỹ thuật dân dụng và công nghệ môi trường tại Stanford cho biết: “Pin điện của chúng tôi là một bước tiến quan trọng hướng đến việc thu thập nguồn năng lượng này, mà không cần màng thẩm thấu, các bộ phận chuyển động hoặc nguồn năng lượng đầu vào”.

Dubrawski tiến hành các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của đồng tác giả Craig Criddle, giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường, nổi tiếng với các dự án liên ngành về công nghệ tiết kiệm năng lượng. Ý tưởng phát triển một loại pin khai thác sử dụng độ mặn của muối biển bắt nguồn từ đồng tác giả nghiên cứu Yi Cui, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật và Mauro Pasta, tiến sĩ khoa học vật liệu và kỹ thuật trong quá trình nghiên cứu. 

Nhà máy Cải tạo nước Hyperion trên vịnh Santa Monica ở Los Angeles xử lý nước thải ven biển có khả năng ứng dụng công nghệ mới để thu  năng lượng Xanh từ  trộn nước biển và nước thải sạch.

Khi nước ngọt từ các nhà máy xử lý nước thải ven biển được xả ra hòa lẫn với nước biển mặn, một phản ứng điện hóa khiến năng lượng được sinh ra ra. Năng lượng này có thể được sử dụng, để sạc pin dự trữ điện và sử dụng lại cho nhà máy.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một nguyên mẫu pin, theo dõi quá trình sản xuất năng lượng của bình điện trong khi xả nước thải hàng giờ liên tục từ Nhà máy kiểm soát chất lượng nước khu vực Palo Alto, hòa lẫn vào nước biển từ vịnh Half Moon. Trong 180 lần xả nước, vật liệu pin duy trì hiệu quả 97% trong việc thu năng lượng từ độ mặn của nước biển.

Công nghệ này có thể hoạt động ở bất cứ nơi nào có nước ngọt và nước mặn xen kẽ.

Điện nước

Mỗi mét khối nước ngọt hòa với nước biển sẽ tạo ra khoảng 0,65 kW điện - đủ để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà của người Mỹ thu nhập trung bình của người Mỹ trong khoảng 30 phút. Trên toàn cầu, năng lượng có thể tái tạo trên lý thuyết từ các nhà máy xử lý nước thải ven biển khoảng 18 gigawatt - đủ để cung cấp năng lượng cho hơn 1.700 ngôi nhà trong một năm.

Pin của nhóm Stanford là không phải là công nghệ đầu tiên thành công trong việc thu nguồn năng lượng xanh, nhưng lại là công nghệ đầu tiên sử dụng điện hóa pin thay vì áp suất hoặc màng thẩm thấu. Nếu được triển khai ở quy mô lớn, công nghệ này cung cấp một giải pháp đơn giản, công suất lớn và tiết kiệm chi phí hơn.

Quá trình đầu tiên khi nước ngọt hòa xả vào sẽ giải phóng các ion natri và clorua từ các điện cực của pin trong dung dịch, tạo ra dòng điện. Sau đó, khi nước mặn tràn vào sẽ diễn ra sự trao đổi nhanh chóng giữa nước thải ngọt, các điện cực lại hấp thụ các ion natri và clorua, diễn ra quá trình nạp điện cho pin.

Quá trình điện hóa khi hòa nhập nước ngọt và nước mặn. Ảnh news.stanford.edu

Mặc dù các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy sản lượng điện còn thấp trên mỗi vùng điện cực, tiềm năng tăng công suất của pin được coi là khả thi hơn tất các công nghệ điện tái tạo trước đây do thể tích của pin nhỏ, cấu tạo đơn giản, tạo năng lượng liên tục, không cần màng thẩm thấu, các thiết bị kiểm soát điện tích sạc điện và điện áp.

Các điện cực được chế tạo bằng prussian blue (công thức Fe₇(CN)₁₈), và polypyrrole. Các vật liệu thiết kế cho pin điện muối tương đối vững chắc, lớp phủ polyvinyl alcohol và axit sulfosuccinic có tác dụng bảo vệ các điện cực khỏi bị ăn mòn. Nếu được phát triển, tối ưu hóa và hiện đại hóa quy trình cung cấp điện, công nghệ này có thể cung cấp đủ điện áp và dòng điện cho bất kỳ nhà máy xử lý nước thải ven biển nào. Nguồn điện dư thừa có thể được chuyển sang một nhà máy công nghiệp gần đó.