Màng ion mới: giải pháp lọc nước mặn thân thiện cho vùng biển ven bờ

Trước tình hình đó, một nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Nguyễn Tất Thành và Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh) đã phát triển một công nghệ lọc nước bằng màng trao đổi ion thân thiện với môi trường. Giải pháp này đang mở ra triển vọng mới cho việc khử mặn nước, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho người dân vùng ven biển.

Tình trạng hạn hán do xâm nhập mặn đã diễn ra phổ biến tại các đồng bằng ven biển trong vài thập niên gần đây, đặc biệt vào mùa khô. Khi lượng mưa giảm, nguồn nước ngọt từ sông suối không đủ mạnh để đẩy lùi nước mặn xâm lấn vào đất liền. Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, gây ra tình trạng thiếu nước ngọt nghiêm trọng cho sinh hoạt và sản xuất. Các giải pháp hiện có để lọc nước mặn đều tồn tại nhược điểm: công nghệ thẩm thấu ngược (RO) tiêu tốn năng lượng và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm; công nghệ lọc Nano (NO) hay chưng cất đa hiệu ứng (MED) đòi hỏi chi phí và năng lượng cao. Đây chính là lý do thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm giải pháp khử mặn hiệu quả, giá thành thấp và an toàn với môi trường.

Trong bối cảnh đó, nhóm nghiên cứu tại Đại học Nguyễn Tất Thành và Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh) đã phát triển công nghệ khử ion điện dung (CDI) và màng trao đổi ion mới cho thiết bị lọc nước. Khử ion điện dung hoạt động bằng cách tạo điện áp giữa hai đầu để tạo ra điện trường, từ đó tách các ion khỏi môi trường điện dung. Công nghệ này tiết kiệm năng lượng và không tạo ra nhiều chất thải, khác với công nghệ thẩm thấu ngược khi tách và lưu trữ nước khỏi hỗn hợp chứa muối, sau đó thải chất dư thừa ra ngoài.

Một trong những cải tiến của công nghệ CDI là bổ sung màng trao đổi ion lên bề mặt điện cực, được gọi là công nghệ MCDI (Màng CDI). Màng lọc ion đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ điện cực và cho phép các ion đi qua màng để đến điện cực. Anh Nguyễn Ngân Tuấn, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết: "Nhóm chúng tôi đã tự chế tạo màng trao đổi ion với các tính năng ưu việt như khả năng thấm nước, hấp thụ ion và độ dày linh hoạt, giúp ứng dụng được cho nhiều loại thiết bị khác nhau."

Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn sử dụng polyvinyl alcohol (PVA), glycidyltrimethylammonium chloride (GTMAC), và glutaric anhydride (GA) để chế tạo màng composite cho trao đổi anion. Quy trình thiết kế tương đối đơn giản để thuận tiện cho ứng dụng thực tế: đầu tiên, PVA được hòa tan trong nước; sau đó, thêm vào chất có nhóm chức trao đổi ion đính trên bề mặt PVA; cuối cùng, dùng chất liên kết để "khâu" các mặt polyme lại với nhau, giúp màng không bị tan trong nước.

Nhóm đã tiến hành thử nghiệm trên nước sông Cần Giờ (TP Hồ Chí Minh) và cho kết quả khả quan, máy lọc nước đã giảm nồng độ muối từ 1000 ppm xuống còn 95 ppm. Tuy hiệu quả này vẫn chưa đạt mức tối ưu, nhưng đó mới chỉ là kết quả của một hệ đơn. Khi được ứng dụng thực tế với nhiều hệ đơn ghép lại, công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại kết quả tốt hơn.

Anh Nguyễn Ngân Tuấn đánh giá, dựa vào những ưu điểm của công nghệ CDI, khả năng thương mại hóa sản phẩm rất cao. Tuy nhiên, từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp còn một khoảng cách lớn. Thách thức chính nằm ở việc nghiên cứu quy trình sản xuất để tăng quy mô. "Không đơn giản chỉ là cho thêm hóa chất để tăng lên gấp 10 lần. Việc này cần được tính toán kỹ lưỡng để tránh sai số so với điều kiện tối ưu trong phòng thí nghiệm," anh chia sẻ. Ngoài ra, nguồn nguyên liệu đầu vào cũng là một bài toán cần được giải quyết khi tăng quy mô sản xuất.

Trong thời gian tới, nhóm tập trung vào cải thiện chất lượng của màng ion, đặc biệt là độ bền của màng khi hoạt động trong môi trường nước. PVA – chất liệu chính của màng – có nhược điểm là dễ hòa tan trong nước, do đó nhóm đang thử nghiệm với các chất liên kết chéo để tăng tính ổn định. Tuy nhiên, nếu liên kết quá chặt, tính ưa nước của PVA sẽ giảm, ảnh hưởng đến khả năng lọc ion.

Dù vẫn còn nhiều khó khăn, nhóm nghiên cứu dự định sẽ đăng ký bằng sáng chế hoặc giải pháp hữu ích cho sản phẩm này. Họ cũng hy vọng sẽ nhận được thêm các nguồn đầu tư từ nhà trường để tiếp tục phát triển công nghệ. Tuy nhiên, nhóm chưa đủ nguồn lực để tiếp nhận những khoản đầu tư lớn từ doanh nghiệp, do phần lớn thành viên trong nhóm là các sinh viên.

Sự phát triển của màng ion cho thiết bị lọc nước mặn là một bước tiến hứa hẹn trong giải quyết vấn đề thiếu nước ngọt tại các vùng ven biển. Với khả năng khử mặn hiệu quả và không gây hại cho môi trường, công nghệ này có tiềm năng lớn để thương mại hóa và mang lại lợi ích thiết thực cho người dân. Dù vẫn đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc tăng quy mô sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm, những nỗ lực của nhóm nghiên cứu đã mở ra triển vọng về một giải pháp lọc nước mặn thân thiện với môi trường trong tương lai gần.