Nước sạch trong tương lai: Công nghệ khử muối trong nước biển bằng graphene

Theo số liệu của tổ chức y tế thế giới WHO năm 2007, trên thế giới có khoảng 1,1 tỷ người trên thế giới không được tiếp cận với nước sạch. Đại dương chính là nguồn dự trữ của 97% lượng nước trên toàn thế giới. Nhưng chỉ có chưa tới 1% nguồn nước sạch trên thế giới đến từ nước biển bằng cách khử muối. Để tăng dự trữ nước sạch và đảm bảo lượng nước sạch trong tương lai, các công nghệ khử muối mới với chi phí thấp hơn, bền vững và an toàn với môi trường cần được nghiên cứu. Hiện nay, chúng ta đa số không hoặc chưa quan tâm tới vấn đề này, nhưng hãy nhớ nước sạch không phải nguồn tài nguyên vô tận. Vì vậy, tại sao chúng ta không hành động ngay bây giờ?

Hình 1: (b) Mô hình nanoporous graphene trong mô phỏng. (b) Muối bao gồm các phân tử Na và Cl được giữ lại, trong khi nước tinh khiết H2O thẩm thấu qua được các màng nanoporous graphene.
Hình 1: (b) Mô hình nanoporous graphene trong mô phỏng. (b) Muối bao gồm các phân tử Na và Cl được giữ lại, trong khi nước tinh khiết H2O thẩm thấu qua được các màng nanoporous graphene [1].
Câu hỏi đó đã thúc đẩy nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới trong lĩnh vực khử muối trong nước biển để đảm bảo lượng nước sạch trong lương lai. Gần đây nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi GS. Grossman tại MIT đã cho thấy sử dụng nanoporous graphene có thể khử muối từ nước biển hiệu quả hơn 2 tới 3 lần so với các công nghệ tốt nhất hiện này [1]. Graphene là vật liệu màng mỏng 2 chiều được cấu tạo bởi một lớp nguyên tử các bon xắp xếp trong mạng tinh thể lục giác. Bạn có thể hình dung chúng giống bề mặt của tổ ong mà chúng ta thấy. Từ đó, nanoporous graphene có thể hình dung là các tấm graphene được đục lỗ với các đường kính khác nhau (Hình 1a). Hình 1 mô tả mô hình của các máy lọc nước trong tương lai bằng graphene. Các ion như Na+ và Cl- được giữ lại, chỉ có nước tinh khiết được thẩm thấu qua nanoporous graphene. Thực nghiệm sử dụng graphen để khử muối cũng được xác nhận bới nhóm nghiên cứu của nhóm giáo sư Karnik tại MIT [2]. Thực tế ý tưởng sử dụng các màng xốp lỗ để lọc các phân tử muối không phải là mới mẻ. Nhưng đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu sử dụng màng mỏng nhất thế giới đó là graphene với một lớp nguyên tử. Và nó đã cho thấy tính hiệu quả và ổn định hơn các công nghệ hiện tại. Tuy nhiên có hai thách thức khi sử dụng màng nanoporous graphene như một màng thẩm thấu đó là: độ ổn định cở học của màng dưới áp suất, và làm sao để chế tạo các nanoporous graphene với các kích thước lỗ tối ưu. Thách thức đầu tiên về độ bền cơ học đã được giải quyết gần đây [3]. Hình 2 cho thấy độ bền cơ học của nanoporous graphene dưới biến dạng đẳng hướng. Độ bền phá huỷ có thể đạt tới hơn 100 GPa với biến dạng gần 25%. Thú vị ở đây là so sánh với kết quả trong nhóm nghiên cứu của chung tôi thì độ bền cơ học của nanoporous graphene và của graphene (không bao gồm lỗ) là không khác nhau đáng kể. Điều đó chứng tỏ nanoporous graphene rất ổn định về mặt cơ học.

Tính chất cơ học của nanoporus graphene [3].
Tính chất cơ học của nanoporous graphene dưới biến dạng đẳng hướng [3].
Vì vậy thách thức còn lại là vấn đề chế tạo. Tôi tin tưởng rằng trong tương lai gần khi các công cụ chế tạo ở kích thước nano trở lên dễ dàng hơn sẽ thúc đẩy các màng mỏng graphene trong công nghệ khử muối và đảm bảo lượng nước sạch an toàn trong tương lai.

[1] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl3012853
[2] http://www.nature.com/nnano/journal/v7/n9/full/nnano.2012.153.html
[3] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl502399y

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s