Từ nước biển thành nước uống chỉ bằng một nút bấm – Không cần bộ lọc!

Thiết bị thân thiện với người dùng, có trọng lượng dưới 10 kg và không cần sử dụng bộ lọc, có thể được cung cấp năng lượng bằng một tấm pin mặt trời nhỏ, di động. Tín dụng: M. Scott Brauer

Các nhà nghiên cứu chế tạo một thiết bị khử muối di động tạo ra nước sạch, trong mà không cần đến bộ lọc hoặc máy bơm cao áp.

Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một thiết bị khử muối di động, nặng dưới 10 kg (22 pound), có thể loại bỏ các hạt và muối để tạo ra nước uống mới.

Thiết bị có kích thước bằng một chiếc vali, cần ít năng lượng hơn để hoạt động so với bộ sạc điện thoại. Nó cũng có thể được điều khiển bởi một tấm pin mặt trời nhỏ, di động, có thể được mua trực tuyến với giá khoảng 50 đô la. Nó tự động tạo ra nước uống vượt quá tiêu chuẩn chất lượng của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Công nghệ này được đóng gói thành một thiết bị thân thiện với người dùng, chạy chỉ bằng một nút bấm.

Không giống như các thiết bị khử mặn di động khác yêu cầu nước đi qua các bộ lọc, thiết bị này sử dụng năng lượng điện để loại bỏ các hạt khỏi nước uống. Loại bỏ nhu cầu thay thế bộ lọc làm giảm đáng kể các yêu cầu bảo trì lâu dài.

Thiết lập bao gồm quy trình phân cực nồng độ ion (ICP) hai giai đoạn, với nước chảy qua sáu mô-đun trong giai đoạn đầu tiên sau đó qua ba mô-đun trong giai đoạn thứ hai, tiếp theo là một quy trình thẩm tách điện đơn Người tín dụng: M. Scott Brauer

Điều này có thể cho phép đơn vị được triển khai ở các khu vực xa xôi và hạn chế nghiêm trọng về tài nguyên, chẳng hạn như các cộng đồng trên các hòn đảo nhỏ hoặc trên các tàu chở hàng đi biển. Nó cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ những người tị nạn chạy trốn khỏi thảm họa thiên nhiên hoặc cho những người lính thực hiện các hoạt động quân sự dài hạn.

“Đây thực sự là đỉnh cao của chặng đường 10 năm mà tôi và nhóm của mình đã đồng hành. Chúng tôi đã làm việc trong nhiều năm về vật lý đằng sau các quá trình khử muối riêng lẻ, nhưng đẩy tất cả những tiến bộ đó vào một chiếc hộp, xây dựng một hệ thống và trình diễn nó trong đại dương, đó là một trải nghiệm thực sự có ý nghĩa và bổ ích đối với tôi, ”tác giả cấp cao Jongyoon Han nói, một giáo sư về kỹ thuật điện và khoa học máy tính và kỹ thuật sinh học, đồng thời là thành viên của Phòng thí nghiệm nghiên cứu về điện tử (RLE).

Tham gia cùng Han trên báo là tác giả đầu tiên Junghyo Yoon, một nhà khoa học nghiên cứu trong RLE; Hyukjin J. Kwon, một cựu postdoc; SungKu Kang, một postdoc tại Đại học Northeastern; và Eric Brack thuộc Bộ Chỉ huy Phát triển Khả năng Chiến đấu của Quân đội Hoa Kỳ (DEVCOM). Nghiên cứu đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Môi trường.

Công nghệ không có bộ lọc

Yoon giải thích, các thiết bị khử muối di động bán sẵn trên thị trường thường yêu cầu máy bơm áp suất cao để đẩy nước qua các bộ lọc, rất khó thu nhỏ mà không ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của thiết bị.

Thay vào đó, đơn vị của họ dựa trên một kỹ thuật gọi là phân cực nồng độ ion (ICP), được nhóm của Han tiên phong hơn 10 năm trước. Thay vì lọc nước, quy trình ICP áp dụng điện trường cho các màng được đặt trên và dưới kênh nước. Các màng này đẩy lùi các hạt mang điện tích dương hoặc âm – bao gồm các phân tử muối, vi khuẩn và vi rút – khi chúng chảy qua. Các hạt mang điện được tạo thành dòng nước thứ hai và cuối cùng được thải ra ngoài.

Quá trình loại bỏ cả chất rắn hòa tan và lơ lửng, cho phép nước sạch đi qua kênh. Vì nó chỉ yêu cầu một máy bơm áp suất thấp, ICP sử dụng ít năng lượng hơn so với các kỹ thuật khác.

Thiết bị di động không yêu cầu bất kỳ bộ lọc thay thế nào, điều này giúp giảm đáng kể yêu cầu bảo trì lâu dài. Tín dụng: M. Scott Brauer

Nhưng không phải lúc nào ICP cũng loại bỏ tất cả các muối nổi ở giữa kênh. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã kết hợp một quy trình thứ hai, được gọi là thẩm phân điện, để loại bỏ các ion muối còn lại.

Yoon và Kang đã sử dụng công nghệ máy học để tìm ra sự kết hợp lý tưởng giữa ICP và mô-đun thẩm tách điện. Thiết lập tối ưu bao gồm quy trình ICP hai giai đoạn, với nước chảy qua sáu mô-đun trong giai đoạn đầu tiên sau đó qua ba mô-đun trong giai đoạn thứ hai, tiếp theo là một quy trình thẩm phân điện duy nhất. Điều này đã giảm thiểu việc sử dụng năng lượng trong khi đảm bảo quá trình vẫn tự làm sạch.

Yoon giải thích: “Mặc dù đúng là một số hạt mang điện có thể bị giữ lại trên màng trao đổi ion, nhưng nếu chúng bị mắc kẹt, chúng tôi chỉ cần đảo ngược phân cực của điện trường và các hạt mang điện có thể dễ dàng bị loại bỏ.

Chúng thu nhỏ và xếp chồng lên nhau các mô-đun ICP và thẩm tách điện để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và cho phép chúng vừa vặn bên trong một thiết bị di động. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế thiết bị này cho không có hạt, chỉ với một nút bấm để khởi động quá trình khử muối và thanh lọc tự động. Khi độ mặn và số lượng hạt giảm đến ngưỡng cụ thể, thiết bị sẽ thông báo cho người dùng rằng nước có thể uống được.

Các nhà nghiên cứu cũng tạo ra một ứng dụng điện thoại thông minh có thể điều khiển thiết bị không dây và báo cáo dữ liệu thời gian thực về mức tiêu thụ điện năng và độ mặn của nước.

Kiểm tra bãi biển

Sau khi thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng nước có độ mặn và độ đục (vẩn đục) khác nhau, họ đã thử nghiệm thiết bị tại Bãi biển Carson của Boston.

Yoon và Kwon đặt chiếc hộp gần bờ và ném ống cấp liệu xuống nước. Trong khoảng nửa giờ, thiết bị đã làm đầy một cốc uống nước bằng nhựa với nước trong và có thể uống được.

Các nhà nghiên cứu của MIT đã tạo ra một thiết bị khử muối di động có thể tự động loại bỏ các hạt và muối đồng thời để tạo ra nước uống. “Đây thực sự là đỉnh cao của chặng đường 10 năm mà tôi và nhóm của mình đã trải qua,” tác giả tiền bối Jongyoon Han, người ngồi trong ảnh với Junghyo Yoon, nói. Tín dụng: M. Scott Brauer

“Nó đã thành công ngay trong lần chạy đầu tiên, điều này khá thú vị và bất ngờ. Nhưng tôi nghĩ lý do chính mà chúng tôi thành công là do tích lũy được tất cả những tiến bộ nhỏ mà chúng tôi đã đạt được trong suốt chặng đường, ”Han nói.

Nước tạo ra vượt quá hướng dẫn về chất lượng của Tổ chức Y tế Thế giới và đơn vị này đã giảm lượng chất rắn lơ lửng ít nhất bằng hệ số 10. Nguyên mẫu của họ tạo ra nước uống với tốc độ 0,3 lít mỗi giờ và chỉ cần 20 watt điện mỗi lít .

Yoon nói: “Ngay bây giờ, chúng tôi đang thúc đẩy nghiên cứu của mình để mở rộng quy mô sản xuất.

Han cho biết, một trong những thách thức lớn nhất của việc thiết kế hệ thống di động là thiết kế một thiết bị trực quan có thể được sử dụng bởi bất kỳ ai.

Yoon hy vọng sẽ làm cho thiết bị trở nên thân thiện hơn với người dùng và cải thiện hiệu suất năng lượng cũng như tốc độ sản xuất thông qua một công ty khởi nghiệp mà anh dự định thành lập để thương mại hóa công nghệ này.

Trong phòng thí nghiệm, Han muốn áp dụng những bài học mà anh đã học được trong thập kỷ qua vào các vấn đề chất lượng nước vượt ra ngoài quá trình khử muối, chẳng hạn như phát hiện nhanh chóng các chất gây ô nhiễm trong nước uống.

“Đây chắc chắn là một dự án thú vị và tôi tự hào về tiến độ mà chúng tôi đã đạt được cho đến nay, nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm,” ông nói.

Ví dụ, trong khi “sự phát triển của các hệ thống di động sử dụng quy trình màng điện là một hướng đi ban đầu và thú vị trong quá trình khử muối ngoài lưới, quy mô nhỏ”, thì tác động của việc bám bẩn, đặc biệt nếu nước có độ đục cao, có thể làm tăng đáng kể các yêu cầu bảo dưỡng. và chi phí năng lượng, Nidal Hilal, giáo sư kỹ thuật và giám đốc trung tâm nghiên cứu Nước Abu Dhabi của Đại học New York , người không tham gia vào nghiên cứu này, lưu ý.

Ông cho biết thêm: “Một hạn chế khác là việc sử dụng các vật liệu đắt tiền. “Sẽ rất thú vị khi thấy các hệ thống tương tự với vật liệu chi phí thấp tại chỗ.”

Tham khảo: “Hệ thống khử mặn nước biển di động để tạo ra nước có thể uống được ở các vị trí xa” của Junghyo Yoon, Hyukjin J. Kwon, SungKu Kang, Eric Brack và Jongyoon Han, ngày 14 tháng 4 năm 2022, Khoa học và Công nghệ Môi trường .
DOI: 10.1021 / acs.est.1c08466

Nghiên cứu được tài trợ một phần bởi Trung tâm Người lính DEVCOM, Phòng thí nghiệm Hệ thống Thực phẩm và Nước Abdul Latif Jameel (J-WAFS), Chương trình Học bổng Thí nghiệm AI Postdoc của Đại học Northeastern, và Viện AI Roux.

Theo Scitechdaily