Màng mới có thể giúp loại bỏ chất thải nước muối tại các nhà máy khử muối

Các màng mới được sản xuất tại Đại học Michigan (UM) có thể giúp các nhà máy khử muối giảm thiểu hoặc loại bỏ chất thải nước muối được sản xuất như một sản phẩm phụ của việc biến nước biển thành nước uống.

Hiện tại, chất thải nước muối lỏng được lưu trữ trong ao cho đến khi nước bay hơi, để lại muối đặc hoặc nước muối cô đặc có thể được xử lý thêm. Nhưng nước muối cần thời gian để bốc hơi, cho nó cơ hội để có khả năng làm ô nhiễm nước ngầm.

Đối với mỗi lít nước uống được sản xuất tại một nhà máy khử mặn điển hình, 1,5 lít nước muối được sản xuất. Theo một nghiên cứu của Liên Hợp Quốc, hơn 37 tỷ gallon chất thải nước muối được sản xuất trên toàn cầu mỗi ngày. Khi không có không gian cho các ao bay hơi, các nhà máy khử muối tiêm nước muối dưới lòng đất hoặc đổ nó xuống đại dương. Tăng mức độ muối gần các nhà máy khử muối là một vấn đề vì nó có thể gây hại cho hệ sinh thái biển địa phương.

Để loại bỏ chất thải nước muối, các kỹ sư khử muối muốn cô đặc muối để có thể dễ dàng kết tinh trong các thùng công nghiệp thay vì ao có thể chiếm hơn một trăm mẫu Anh. Nước tách biệt có thể được sử dụng để uống hoặc nông nghiệp, trong khi muối rắn sau đó có thể được thu hoạch cho các sản phẩm hữu ích.

Nước biển không chỉ chứa natri clorua – hoặc muối ăn – mà còn là kim loại có giá trị như lithium cho pin, magiê cho hợp kim nhẹ và kali cho phân bón.

Jovan Kamcev, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học và tác giả tương ứng Kỹ thuật hóa học tự nhiên. Công nghệ của chúng tôi có thể giúp các nhà máy khử muối bền vững hơn bằng cách giảm chất thải trong khi sử dụng ít năng lượng hơn.

Các nhà máy khử muối có thể tập trung nước muối bằng cách sưởi ấm và làm bay hơi nước, có nhiều năng lượng, hoặc với thẩm thấu ngược, chỉ hoạt động ở độ mặn tương đối thấp. Điện cực được cho là một sự thay thế phù hợp vì nó hoạt động ở nồng độ muối cao và đòi hỏi tương đối ít năng lượng. Quá trình này sử dụng điện để cô đặc muối, tồn tại trong nước như các nguyên tử và phân tử tích điện được gọi là ion.

Nước chảy vào nhiều kênh được phân tách bằng màng, và mỗi màng có điện tích ngược của hàng xóm. Toàn bộ luồng được đặt bên cạnh một cặp điện cực. Các ion muối dương di chuyển về phía điện cực tích điện âm và được dừng lại bởi một màng tích điện dương. Các ion âm di chuyển về phía điện cực dương, dừng lại bởi một màng âm. Điều này tạo ra hai loại kênh – một loại mà cả các ion dương và âm rời khỏi và một loại khác mà các ion đi vào, dẫn đến các dòng nước tinh khiết và nước muối cô đặc.

Tuy nhiên, điện cực có giới hạn độ mặn riêng. Khi nồng độ muối tăng lên, các ion bắt đầu rò rỉ qua màng điện cực. Mặc dù các màng chống rò rỉ tồn tại trên thị trường, chúng có xu hướng vận chuyển các ion quá chậm, khiến các yêu cầu năng lượng không thực tế đối với nước muối hơn sáu lần so với nước biển trung bình.

Các nhà nghiên cứu vượt qua giới hạn này bằng cách đóng gói một số lượng các phân tử tích điện vào màng, làm tăng sức mạnh chống ion và độ dẫn của chúng-có nghĩa là chúng có thể di chuyển nhiều muối hơn với ít năng lượng hơn. Với hóa học của họ, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các màng dẫn điện gấp 10 lần so với các màng chống rò rỉ ‘tương đối’ trên thị trường.

Phí dày đặc thường thu hút rất nhiều phân tử nước, điều này hạn chế số lượng điện tích có thể phù hợp với màng điện cực thông thường. Các màng sưng lên khi chúng hấp thụ nước, và điện tích bị pha loãng. Trong các màng mới, các đầu nối làm từ carbon ngăn ngừa sưng bằng cách khóa các phân tử tích điện lại với nhau.

Mức độ hạn chế có thể được thay đổi để kiểm soát độ rò rỉ và độ dẫn của màng. Cho phép một số mức độ rò rỉ có thể đẩy độ dẫn vượt ra ngoài các màng có sẵn trên thị trường ngày nay. Các nhà nghiên cứu hy vọng khả năng tùy chỉnh của màng sẽ giúp nó cất cánh.

David Kitto, một nghiên cứu về kỹ thuật hóa học và tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết, mỗi màng không phù hợp với mọi mục đích, nhưng nghiên cứu của chúng tôi thể hiện một loạt các lựa chọn, David Kitto, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về Kỹ thuật hóa học và tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết. Nước nước là một nguồn tài nguyên quan trọng như vậy, vì vậy sẽ rất tuyệt vời khi giúp biến sự khử muối thành một giải pháp bền vững cho cuộc khủng hoảng nước toàn cầu của chúng ta.

Chú thích hình ảnh: Jovan Kamcev, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Hóa học, đặt màng vào một thiết bị điện cực. Tín dụng: Marcin Szczepanski, Kỹ thuật Michigan.