Tương lai của khử muối: Sử dụng màng Teflon để làm sạch nước

Hiện tượng khan hiếm nước tiếp tục gia tăng trên toàn cầu. Riêng ở châu Phi, ước tính có khoảng 230 triệu người sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nước năm 2025, 460 triệu người hiện đang sống ở các khu vực khan hiếm nước.

Nước bao phủ 70% diện tích Trái đất. Nhưng nước ngọt rất khan hiếm. Một công nghệ được thiết kế để sản xuất thêm nước ngọt hơn là các nhà máy khử muối. Khử muối trong nước là quá trình loại bỏ muối khỏi nước biển để tạo ra nước ngọt có thể được xử lý tăng cường và sử dụng an toàn. Một nhà máy khử muối chuyển hóa khoảng một nửa lượng nước được cung cấp thành nước có thể uống.

Phương pháp công nghiệp khử muối trong nước biển là một phương pháp sản xuất nước uống phổ biến, nhưng đòi hỏi chi phí năng lượng cao. Các nhà nghiên cứu đã lọc thành công muối từ nước bằng phương pháp sử dụng màng lọc cấu trúc nano trên cơ sở fluor. Những kênh nano mềm mại của màng lọc hiệu quả hơn các công nghệ khử muối thông thường do hoạt động nhanh hơn, cần ít áp lực bơm hơn, là một bộ lọc hiệu quả và sử dụng ít năng lượng.

Trong công nghiệp tiêu dùng thường sử dụng lớp men tráng Teflon chống dính. Fluor một chất nhẹ kỵ nước, là một thành phần quan trọng của Teflon. Teflon cũng được sử dụng để tăng cường tốc độ dòng chảy của nước bằng phương pháp tráng lót các đường ống. PGS Yoshimitsu Itoh thuộc Khoa Hóa học và Công nghệ Sinh học của Đại học Tokyo Nhật Bản và các đồng nghiệp đã quan tâm đến tính chất này. Nhóm đã nghiên cứu cách thức hoạt động của các đường ống hoặc kênh flour, hoạt động ở quy mô nano.

Giảm năng lượng và chi phí tài chính, quá trình khử muối trong nước đơn giản hóa có thể giúp các cộng đồng nghèo trên thế giới có được nguồn nước uống an toàn. Ảnh: 2022 Itoh et al.

PGS Itoh cho biết, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu khả năng một kênh nano mềm có thể lọc các hợp chất khác nhau có chọn lọc như nước và muối. Sau khi chạy một số mô phỏng máy tính, Nhóm đã chế tạo một mẫu màng lọc kênh nano sử dụng Teflon.

Hiện có 2 cách chính để khử muối trong nước, dùng nhiệt làm bay hơi nước biển để ngưng tụ thành nước tinh khiết hoặc bằng phương pháp thẩm thấu ngược, dùng áp lực để ép nước qua một lớp màng ngăn muối. Cả hai phương pháp đều đòi hỏi năng lượng cao, nhưng những thử nghiệm bằng màng lọc mới cho thấy các kênh nano mềm cần ít năng lượng và có những lợi ích khác.

Nhóm nghiên cứu chế tạo màng lọc thử nghiệm bằng phương thức sản xuất hóa học các vòng fluor nano xếp chồng lên nhau và cấy vào một lớp lipid không thấm nước, tương tự như những phân tử hữu cơ có trong thành tế bào.

Nhóm nhà khoa học chế  nhiều mẫu thử nghiệm với các kênh nano có kích thước từ 1 đến 2 nanomet. Một sợi tóc của con người rộng gần 100.000 nanomet để so sánh. Nhóm nghiên cứu của PGS Itoh đã đánh giá sự hiện diện của những ion clo, một thành phần chính của muối (thành phần còn lại là natri), hai bên của màng lọc thử nghiệm để xác định hiệu quả.

Kết quả cho thấy, các kênh thử nghiệm nhỏ hơn loại bỏ hoàn hảo các phân tử muối đi vào, các kênh lớn hơn cũng cho hiệu quả hơn hẳn những kỹ thuật khử muối khác, bao gồm cả các bộ lọc ống nano carbon tiên tiến. Quá trình lọc nước biển diễn ra nhanh chóng. Mẫu thử nghiệm hoạt động nhanh hơn khoảng vài nghìn lần so với các thiết bị công nghiệp thông thường và nhanh hơn khoảng 2.400 lần so với các thiết bị khử mặn trên cơ sở ống nano carbon.

Do fluor có tích điện âm nên sẽ đẩy lùi các ion âm clo có trong muối. Đồng thời fluor phá vỡ những nhóm phân tử nước liên kết lỏng lẻo để đi qua các kênh nhanh hơn.

Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục phát triển theo hướng tìm giải pháp tổng hợp vật liệu nhanh và chi phí thấp hơn và tăng tuổi thọ của màng. Do chi phí vận hành thấp, chi phí năng lượng tổng thể thấp hơn nhiều so với các phương pháp hiện tại, Các mẫu chế tạo thử nghiệm hiện nay chỉ là đơn kênh nano và kích thước nhỏ. Nhóm nghiên cứu lên kế hoạch xây dựng một quy trình công nghệ để sản xuất màng lọc nano có chiều rộng đến 1met. Ngoài ra, nhóm cũng ứng dụng các màng nano tương tự để lọc  carbon dioxide hoặc các chất thải không mong muốn khác trong ngành công nghiệp.