Hệ thống lọc nước khử mặn năng lượng mặt trời hiệu quả cao, chi phí thấp

Kỹ thuật mới được giới thiệu trong một báo cáo khoa học của nhóm nghiên cứu MIT do GS kỹ thuật cơ khí Evelyn Wang dẫn đầu, đăng trên Tạp chí Nature Communications.

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 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 phát triển một hệ thống khử mặn không có phin lọc, hình thành 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 hoặc hồ.

Sơ đồ nguyên lý khử mặn nước bằng năng lượng mặt trời không phin lọc với tấm cách nhiệt có lỗ đối lưu chống tích tụ muối không có và có lớp không khí hấp thụ nhiệt năng cho nước bay hơi.

Sau những thử nghiệm và tính toán kỹ lưỡng, các nhà nghiên cứu xác định kích thước tối ưu các lỗ đường kính 2,5 mm được khoan qua vật liệu, trong thử nghiệm được làm bằng polyurethane.

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.

Cấu trúc này cho phép hệ thống làm bay hơi nước đạt hiệu suất cao và ngăn chặn sự tích tụ muối. 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.

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.

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.

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.

Theo tính toán của nhóm, 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 chỉ tốn khoảng 4 USD.