Khác với nước ngọt chiếm tỉ lệ rất nhỏ trên Trái đất, nước biển là một nguồn tài nguyên khổng lồ. Làm thế nào để khai thác nguồn tài nguyên này trong bối cảnh nước sạch ngày càng khan hiếm là bài toán mà nhiều nơi trên thế giới, bao gồm Việt Nam đang theo đuổi. Các nhà nghiên cứu vật liệu như TS. Phạm Tiến Thành ở trường ĐH Việt Nhật (ĐHQGHN) cũng không nằm ngoài xu hướng này: “Trong những năm gần đây, chúng tôi tập trung nghiên cứu vật liệu quang nhiệt để ứng dụng trong các hệ thống lọc nước biển thành nước ngọt. Rất nhiều nhóm nghiên cứu cũng quan tâm đến phương pháp này”, anh cho biết.
Thực ra, việc lọc nước biển để tạo ra nước ngọt không phải là ý tưởng mới. Cách đây hàng ngàn năm, những người thủy thủ Hy Lạp đã biết cách đun sôi nước biển để chưng cất thu nước ngọt. Đến nay, rất nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là Hoa Kỳ và các quốc gia ở Trung Đông, Bắc Phi đã xây dựng các nhà máy lọc nước biển. Phần lớn các nhà máy này sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược (RO), cần đầu tư trang thiết bị và nhân lực trình độ cao (để thực hiện các quá trình điều khiển, tiền xử lý nước biển và rửa màng lọc). Do vậy, “việc đầu tư các nhà máy lớn như vậy không phù hợp với điều kiện của Việt Nam và các nước đang phát triển, chúng ta cần các hệ thống đơn giản và có giá thành rẻ hơn”, TS. Phạm Tiến Thành nhận xét.
Với suy nghĩ này, “ứng cử viên” đầu tiên mà nhóm nghiên cứu lựa chọn chính là hệ thống sản xuất hơi nước bằng năng lượng mặt trời. Nguyên lý của hệ thống này rất đơn giản: nước biển chứa trong hệ thống sẽ bay hơi dưới tác dụng nhiệt của ánh sáng mặt trời và ngưng tụ thành nước sạch. Trước đây, nhiều người đã tự làm những hệ thống tương tự là chiếc hộp chứa nước muối với tấm kính phía trên để ứng dụng ở các vùng hải đảo. Tuy nhiên, hiệu suất của các thiết bị này không cao. Do vậy, nhiều nơi đã tích hợp thêm vật liệu quang nhiệt - loại vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa thành nhiệt lượng để tăng tốc độ bay hơi. “Yếu tố quyết định đến hiệu suất của các hệ thống này chính là vật liệu quang nhiệt”, anh cho biết.
Giải bài toán vật liệu quang nhiệt chi phí thấp
Việc chế tạo hệ thống sản xuất hơi nước bằng năng lượng mặt trời, với thành phần chính là vật liệu quang nhiệt không phải là điều quá khó. “Trong khoảng 5 năm gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu chế tạo ra các loại vật liệu quang nhiệt khác nhau, bao gồm vật liệu nano kim loại, vật liệu bán dẫn vô cơ, vật liệu carbon và vật liệu cao phân tử”, TS. Phạm Tiến Thành cho biết. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều rào cản trên con đường ứng dụng thực tế: “Làm thế nào để tạo ra vật liệu quang nhiệt giá rẻ, quy trình sản xuất đơn giản, thân thiện với môi trường mà vẫn đảm bảo hiệu quả là câu hỏi không chỉ chúng tôi, mà các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới cũng đang tìm kiếm”, anh nói. “Ban đầu người ta thường sử dụng vật liệu nano kim loại, nhưng do giá thành quá cao nên dần dần cũng ít người dùng, chủ yếu để nghiên cứu cơ bản chứ ít khi ứng dụng. Sau đó họ chuyển sang vật liệu polyme, tuy có hiệu suất cao nhưng lại có nhược điểm lớn là không thân thiện với môi trường. Do vậy, rất nhiều nhóm nghiên cứu đã chuyển sang vật liệu sinh khối, đây là vật liệu ít ảnh hưởng đến môi trường nhất, vừa rẻ lại hiệu quả. Nhiều loại sinh khối như tre, nứa, mía, thân cây ngô, vỏ dừa, rơm rạ, bưởi,... đã được sử dụng để chế tạo vật liệu quang nhiệt”.
Vật liệu quang nhiệt từ quả phật thủ do anh và các cộng sự mới công bố trên tạp chí Desalination ra đời khi nhóm nghiên cứu đang tìm lời giải theo xu hướng vật liệu sinh khối. Họ đã nảy ra ý tưởng sử dụng quả phật thủ khi tìm hiểu về tính chất của chúng: “Yêu cầu đặt ra cho vật liệu quang nhiệt là phải có khả năng dẫn nước tốt, vì nước phải đưa lên bề mặt thì mới bay hơi. Thứ hai là vật liệu phải có độ truyền nhiệt thấp, để nhiệt tập trung trên bề mặt thì hiệu quả mới cao. Quả phật thủ hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu này: có cấu trúc lỗ xốp, các ống mao dẫn có hình lục giác như tổ ong độc đáo, chứa đầy không khí nên có khả năng cách nhiệt thấp”, TS. Phạm Tiến Thành giải thích. Trong số các phương pháp chế tạo vật liệu quang nhiệt trên nền vật liệu sinh khối như phủ lớp nano kim loại, carbon hóa sinh khối ở nhiệt độ cao trong môi trường khí trơ, phủ dung dịch ống nano carbon trên bề mặt vật liệu hoặc tạo lớp phủ polyphenolic - ion kim loại bằng cách tạo phức ion kim loại (tiêu biểu như Cu2+, Fe3+ với các nhóm hydroxyl (-OH) của phenol/polyphenol), nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương pháp tạo phức ion kim loại bằng polyphenol bởi tính đơn giản và hiệu quả.
Có lẽ kết quả sẽ chẳng có gì đáng chú ý mấy nếu họ vẫn đi theo cách làm truyền thống. Các nguyên liệu như polyphenol hay các hợp chất để tạo ion kim loại như sắt (III) chloride hexahydrate đều có thể dễ dàng mua trên thị trường và đem về tổng hợp theo quy trình chung. Mong muốn tạo ra một quy trình “xanh” và tốn ít chi phí hơn đã thúc đẩy nhóm nghiên cứu tìm đến một nguyên liệu hoàn toàn mới: nước trà xanh. “Trước đây chúng tôi từng polyphenol tổng hợp công nghiệp, tuy nhiên giá khá đắt. Trong khi đó, polyphenol cũng có nhiều trong các loại thực vật, đặc biệt là trong lá cây chè. Từ đó, chúng tôi mới nghĩ rằng tại sao không dùng trực tiếp trà xanh?”
Từ ý tưởng trên, họ đã bắt tay vào thử nghiệm: quả phật thủ được cắt lát, xử lý bằng cồn, sau đó ngâm vào dung dịch nước chè và tổng hợp với dung dịch Fe3+ để tạo thành vật liệu quang nhiệt. “Phản ứng giữa Fe3+ và các polyphenol sẽ tạo phức ion kim loại bám trên bề mặt, giữa các hạt này vẫn có khoảng cách, khi ánh sáng đi vào thì các hạt đấy sẽ phản xạ lẫn nhau, ánh sáng sẽ bị ‘nhốt’ lại phía trong. Đây chính là một trong những yếu tố quan trọng nhất để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời”, TS. Phạm Tiến Thành giải thích.
Thoạt nhìn, nhiều người sẽ bất ngờ vì cơ chế có vẻ khá đơn giản. Nhưng thực chất, việc tìm ra một quy trình dễ thực hiện mà vẫn đảm bảo hiệu quả là bài toán đầy phức tạp. Do vậy, mỗi công đoạn chế tạo vật liệu quang nhiệt từ trái phật thủ đều được nhóm nghiên cứu tính toán rất kỹ càng: “Chúng tôi phải thử nghiệm rất nhiều lần để tìm ra công thức pha chế tạo hàm lượng polyphenol cao nhất. Ngoài ra, để tạo lớp phức ion kim loại có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, polyphenol trong chè phải bám đều trên bề mặt vật liệu. Việc xử lý vỏ quả phật thủ là bước quan trọng để xử lý tinh dầu trong vỏ, từ đó dễ hình thành liên kết giữa polyphenol tự nhiên trong nước trà và xenlulo trên bề mặt quả phật thủ”. Kết quả là nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công vật chế tạo có độ hấp thụ mặt trời rất cao, lên tới 95% trong dải bước sóng từ 300-2500 nm (dải bước sóng mặt trời thông thường).
Nhiều tiềm năng trong thực tế
Kết quả thử nghiệm đã gợi mở những ứng dụng hứa hẹn của vật liệu quang nhiệt từ quả phật thủ: “Trong điều kiện mô phỏng ở phòng thí nghiệm, vật liệu có tốc độ bay hơi nước là 1.92 kg m2/giờ trên một đơn vị ánh sáng mặt trời (tương đương 1 kW m2), ngang bằng, thậm chí cao hơn các vật liệu quang nhiệt bằng sinh khối đã có”, TS. Phạm Tiến Thành cho biết. Nếu ứng dụng trong hệ thống sản xuất hơi nước bằng năng lượng mặt trời thực tế, mỗi ngày hệ thống có thể sản xuất từ 2,4-3,7kg/m2 nước sạch, đáp ứng đủ nhu cầu nước sinh hoạt hàng ngày trên quy mô nhỏ.
Một điểm đặc biệt của vật liệu này là ít bị bám muối trên bề mặt trong quá trình bay hơi. “Việc giảm lượng muối hình thành trên bề mặt là bài toán mà các nhóm nghiên cứu vật liệu quang nhiệt đều quan tâm, bởi nếu muối bám trên bề mặt thì ánh sáng mặt trời không đi đến vật liệu được nữa, làm giảm khả năng chuyển hóa thành nhiệt năng. Khi kiểm tra, chúng tôi thấy số lượng tinh thể muối trên vật liệu rất ít. Có lẽ là do cấu trúc có khả năng dẫn nước tốt, nước ở dưới đưa lên nhiều làm tan muối trên bề mặt. Đây là một trong những yếu tố quan trọng để duy trì hiệu suất của vật liệu trong quá trình sử dụng”, anh cho biết.
Với quy trình chế tạo đơn giản và nguyên liệu sẵn có, con đường ứng dụng vật liệu quang nhiệt từ trái phật thủ trong thực tế có lẽ không còn xa? “Điều quan trọng cuối cùng là phải ứng dụng thực tế chứ không chỉ có bài báo. Tuy nhiên, để đi đến thương mại hóa thì công nghệ phải rất ổn định trên quy mô lớn. Hiện nay, chúng tôi mới thử nghiệm sơ bộ với diện tích vật liệu nhỏ trong thời gian ngắn. Chúng tôi rất muốn thử nghiệm trên diện tích vật liệu lớn hơn trong các điều kiện, vùng miền khác nhau để kiểm tra hiệu suất. Bởi thực tế điều kiện nắng, độ, ẩm,... mỗi nơi rất khác nhau”, anh nói.
