Nguyễn Minh Quang – Biến nước mặn thành nước ngọt bằng năng lượng mặt trời

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization (WHO), vào năm 2017, có 785 triệu người trên thế giới không có nguồn nước uống căn bản, trong số đó có 144 triệu người dựa vào nguồn nước mặn, và có ít nhất 2 tỉ người dùng nguồn nước uống bị ô nhiễm. Đến năm 2025, khoảng ½ dân số trên thế giới sẽ sống trong những vùng thiếu nước [1]. Điều nầy rất dể hiễu, vì mặc dù trái đất có nhiều nước – khoảng 1.260 tỉ km3 – nhưng 98% là nước biển, chỉ có khoảng 0,036% là nguồn nước từ sông hồ [2]. Một trong các giải pháp có thể dùng là khử muối trong nước mặn bằng phương pháp thẩm thấu ngược (reverse osmosis). Tuy nhiên, phương pháp nầy rất tốn kém vì nó đòi hỏi từ 10 đến 1.000 lần số năng lượng cần thiết của các phương pháp cổ điển, như bơm nước từ sông hay giếng, và không thể áp dụng ở những nơi không có nguồn điện.

Nguyễn Minh Quang – Biến nước mặn thành nước ngọt bằng năng lượng mặt trời

Để giúp cho những nơi ở ven biển không có nguồn nước ngọt lẫn nguồn điện có nước ngọt – ít nhất để ăn uống – năng lượng mặt trời được dùng để khử muối bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp nầy – từ thô sơ đến phức tạp – có thể giúp cho người dân và cộng đồng trong các vùng ven biển ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) bị nước biển xâm nhập có một nguồn nước ngọt tin cậy và ít tốn kém trong mùa khô.

Phương pháp chưng cất cổ điển

Chưng cất nước là một quy trình tự nhiên trong chu kỳ thủy học. Mặt trời cung cấp năng lượng làm cho nước từ sông, hồ và đại dương bốc hơi và kết tụ lại thành mây. Khi mây gặp không khí lạnh, nó ngưng đọng thành nước và rơi xuống đất tạo thành mưa. Quy trình nầy có thể được mô phỏng nhân tạo và nhanh hơn rất nhiều so với thiên nhiên.

Hố bẫy nước
Hố bẫy nước [3] là phương pháp biến nước mặn thành nước ngọt bằng năng lượng mặt trời đơn giản và ít tốn kém nhất mà ai cũng có thể làm được. Hố có thể được thực hiện như sau:


· Đào một cái hố như hình vẽ,

· Đặt một cái thau hay chậu ở dưới đấy hố để hứng nước ngọt,

· Phủ cái hố bằng một tấm plastic ( có thể dùng đá, gạch, hay bất cứ vật nặng nào để giữ tấm plastic),

· Dùng đá, gạch hay một vật nặng đặt vào giữa tấm plastic để tạo một mặt trũng giống như cái phễu,

· Điều chỉnh đá, gạch hay một vật nặng trên tấm plastic để nó nằm ngay bên trên cái thau hay chậu đựng nước ở phía dưới,

· Để hố bẫy nước qua đêm và nước có thể được thu hoạch từ cái thau hay chậu vào buổi sáng hôm sau.

Nồi Eliodomestico

Nồi Eiodomestico do nhà thiết kế kỹ nghệ Gabriele Diamanti ở Italy sáng chế, là một dụng cụ chưng cất nước cá nhân để biến nước mặn thành nước ngọt ít tốn kém, với giá khoảng 50 USD mỗi cái, có thể sản xuất mỗi ngày 5 lít nước [4,5]. Nồi Eliodomestico vận hành tương tự như một “bình lượt cà phê ngược,” gồm có 2 bộ phận bằng sành chồng lên nhau.

Bên trong bộ phận nằm trên là một bình chứa màu đen để chứa nước mặn. Năng lượng mặt trời sẽ đun nóng bộ phận chứa nước mặn, làm cho nước bốc hơi. Khi áp suất trong bộ phận nầy gia tăng, hơi nước sẽ đi qua một ống nhỏ để xuống bộ phận ở bên dưới; ở đó, hơi nước được làm lạnh, ngưng đọng thành nước và được chứa trong bình chứa.

Nhà chưng cất nước
Nhà chưng cất nước hoạt động tương tự như một nhà kiếng, có thể được thực hiện ở nhiều kích thước khác nhau. Chi phí để sản xuất nước ngọt của một nhà chưng cất nước cở trung bình không quá 3 Euro (khoảng 3,3 USD) cho mỗi m3. Nguyên tắc hoạt động rất đơn giản. Một số lượng nước mặn nhất định được đưa vào máng nước ở phía trên. Từ đó, nước bắt đầu rơi xuống các nùi bấc (wicks) để qua máng ở phía dưới. Một phần nước sẽ bốc hơi do năng lượng mặt trời, và hơi nước sẽ ngưng đọng bên dưới mái nhà bằng kiếng và được thu hoạch bằng máng thu hoạch. Số nước mặn còn lại từ máng phía dưới sẽ được đưa trở lại máng phía trên hay bỏ đi [6].

Vòm chưng cất nước

Vòm chưng cất nước sử dụng kỹ thuật nhà kiếng được nâng cao của công ty Solar Water Plc. của Anh để biến nước của Biển Đỏ thành nước ngọt cho thành phố Neom – rộng gấp 33 lần thành phố New York ở Hoa Kỳ - đang được xây dựng ở Saudi Arabia [7]. Năng lượng mặt trời được nâng cao của một sân kiếng rộng ở chung quanh vòm sẽ tập trung 50 lần ánh sáng mặt trời để đẩy nhanh quy trình bốc hơi tự nhiên bên trong vòm kiếng, có đường kính lên đến 80 m.

Nước mặn được đưa vào vòm bằng bơm hoặc trọng lực. Trong đó, nước bốc hơi rồi lắng đọng trong một bộ phận riêng nằm cạnh vòm. Khi quy trình hoàn tất, nước ngọt chảy qua ống bằng trọng lực để vào một hệ thống hồ chứa, từ đó, nước được đưa vào hệ thống phân phối.

Phương pháp chưng cất bằng màng thấm
Máy chưng cất nước MIT-Jiao Ton

Máy chưng cất nước MIT-Jiao Tong do các khoa học gia của Viện Kỹ thuật Massachusetts (Massachusettes Institute of Technology (MIT)) và Đại học Giao Thông Thượng Hải (Shanghai Jiao Tong), Trung Hoa sáng chế [9]. Máy có dạng hình khối có nhiều màng bốc hơi và ngưng đọng chồng lên nhau được phủ bên trên bằng một màng thu nhiệt nằm dưới một lớp cách nhiệt trong suốt.

Màng thu nhiệt hấp thu nhiệt từ mặt trời rồi chuyển đến màng bốc hơi. Hơi nước từ màng bốc hơi kết tụ thành nước ở màng ngưng đọng và được thu gom. Nhiệt bốc ra từ màng ngưng đọng được chuyển qua màng bốc hơi kế tiếp. Vì nhiệt được tận dụng nên hiệu suất bốc hơi có thể tăng đến 385%.

Máy có thể sản xuất 5,78 lít nước ngọt cho mỗi m2 diện tích tấm điện mặt trời, đủ cho nhu cầu ăn uống hàng ngày của một người. Chi phí của máy chưng cất MIT-Jiao Tong dùng cho một gia đình vào khoảng 100 USD.

Máy chưng cất nước RICE

Máy chưng cất nước RICE, do Trung tâm Lọc Nước với Kỹ thuật Hạt Siêu vi (Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment) của Đại học Rice sáng chế, cũng dùng màng thấm nhưng năng lượng mặt trời dùng để làm cho nước bốc hơi được cung cấp bởi một lớp hạt siêu vi carbon màu đen ở bên trên. Lớp hạt siêu vi carbon nầy sẽ hấp thụ tia sáng mặt trời và hâm nóng toàn thể diện tích của màng bốc hơi. Một lớp nước mặn mỏng chừng ½ mm cho chảy trên mặt của lớp hạt siêu vi carbon, và dòng nước ngọt và mát chảy ở bên dưới màng bốc hơi [10].

Máy chưng cất nước RICE.

Máy chưng cất RICE vẫn còn trong giai đoạn thí nghiệm với một hệ thống có tấm carbon siêu vi có chiều dài 70 cm và chiều ngang 25 cm. Hệ thống nầy có thể sản xuất khoảng 1 lít cho mỗi tiếng đồng hồ hay 6 lít/giờ cho mỗi m2 tấm carbon siêu vi [10].

Phương pháp điện phân

Phương pháp điện phân tương tự như phương pháp thẩm thấu ngược là dùng màng bán thấm, nhưng màng có độ thấm cao hơn nên cần ít năng lượng hơn. Trong khi phương pháp bán thấm đẩy phân tử (molecule) nước qua màng bán thấm, phương pháp điện phân thu hút các điện tích (ions) Na+ và Cl-.

Máy điện phân nước MIT-Jain
Máy điện phân nước MIT-Jain, do MIT và công ty Jain Irrigation Systems cùng hợp tác sáng chế, dùng năng lượng mặt trời để nạp điện vào các bình điện của máy điện phân. Một dòng nước mặn chảy qua giữa điện cực dương (anode) và điện cực âm (cathode). Muối (NaCl) hòa tan trong nước mặn gồm có các điện tích dương Na+ và điện tích âm Cl-, các điện cực sẽ kéo các điện tích nầy ra khỏi nước, và biến dòng nước mặn thành dòng nước ngọt.

Máy phân điện nước MIT-Jain đã được thử nghiệm ở nhiều nơi ở Ấn Độ từ năm 2014. Máy có khả năng biến 7.950 lít nước mặn thành nước ngọt trong 1 ngày [11].

Phần kết luận

Theo WHO, sẽ có khoảng ½ dân số trên thế giới sống trong những vùng thiếu nước vào năm 2025. Để giải quyết tình trạng nầy, một số giải pháp đã được đưa ra, trong số đó, giải pháp khử muối trong nước mặn bằng phương pháp thẩm thấu ngược là phổ biến nhất. Tuy nhiên, phương pháp nầy rất tốn kém vì nó đòi hỏi rất nhiều năng lượng và không thể áp dụng ở những nơi không có nguồn điện.

Vì thế, năng lượng mặt trời đang được phát triển để giúp cho những nơi ở ven biển - không có nguồn nước ngọt lẫn nguồn điện – có thể khử muối trong nước mặn bằng nhiều phương pháp khác nhau để có nước ngọt. Các phương pháp nầy gồm có phương pháp chưng cất với hố bẫy nước, nồi eliodomestico, nhà chưng cất nước và vòm chưng cất nước; phương pháp chưng cất bằng màng thấm với máy chưng cất nước MIT-Jiao Tong và máy chưng cất nước RICE; và phương pháp điện phân với máy điện phân nước MIT-Jain.

Các phưng pháp khử muối bằng năng lượng mặt trời nầy có thể giúp cho người dân và cộng đồng trong các vùng ven biển ở ĐBSCL bị nước biển xâm nhập có một nguồn nước ngọt tin cậy và ít tốn kém trong mùa khô.

Sơ lược về tác giả

Tác giả nguyên là Kỹ sư Công chánh Chuyên nghiệp (Professional Civil Engineer) của tiểu bang Florida và California. Tốt nghiệp Kỹ sư Công chánh tại Trường Cao đẳng Công chánh, Trung tâm Quốc gia Kỹ Thuật Phú Thọ, Sài Gòn năm 1972. Trưởng ty Kế hoạch, Ủy ban Quốc gia Thủy lợi, Bộ Công chánh và Giao thông, Sài Gòn đến tháng 4 năm 1975. Tốt nghiệp Kỹ sư Công chánh (1983) và Cao học Thủy lợi (1985) tại Đại học Nebraska, Hoa Kỳ. Chuyên viên Thủy học (Hydrlogist) của Sở Quản trị Thủy lợi, Broward County, Florida đến năm 1989. Từ năm 1990 đến 2015, Kỹ sư Giám sát Trưởng (Senior Supervising Engineer) của Stetson Engineers Inc., một công ty cố vấn về thủy lợi và ô nhiễm nguồn nước, thành lập năm 1957 ở Los Angeles. Về hưu từ năm 2016.


https://mekong-cuulong.blogspot.com/