Đột phá của Purdue có thể thay đổi ngành công nghiệp khử muối

Nước duy trì mọi sự sống và đóng vai trò là cái nôi của nền văn minh. Tuy nhiên, khi dân số toàn cầu tăng lên, quá trình công nghiệp hóa tăng tốc và biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, tình trạng khan hiếm nước đã nổi lên như một trong những thách thức cấp bách nhất của nhân loại trong thế kỷ 21. Từ châu Phi bị hạn hán đến các khu vực Trung Đông căng thẳng về nước và các quốc gia phát triển ngày càng dễ bị tổn thương, tình trạng thiếu nước ngọt đe dọa sự ổn định và phát triển toàn cầu.

Công nghệ thẩm thấu ngược (RO), cung cấp hơn một nửa sản lượng nước ngọt ở các khu vực khô cằn như Trung Đông, buộc nước biển đi qua màng bán thấm dưới áp suất cực cao—lên tới 70 lần áp suất khí quyển—để chiết xuất nước tinh khiết. Mặc dù hiệu quả nhưng việc duy trì những áp lực này đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng lớn thông qua máy bơm và thiết bị, góp phần đáng kể vào chi phí vận hành và lượng khí thải carbon.

David Warsinger, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí của Đại học Purdue giải thích: “Năng lượng chiếm khoảng một phần ba chi phí vòng đời của nhà máy khử muối”. "Ngay cả những cải thiện hiệu quả nhỏ dù chỉ vài điểm phần trăm cũng có thể tiết kiệm hàng trăm triệu đô la trong khi giảm lượng khí thải CO₂."

Là đơn vị dẫn đầu toàn cầu về nghiên cứu STEM, Đại học Purdue đã tập hợp một nhóm xuất sắc để giải quyết các thách thức về khan hiếm nước. Phòng thí nghiệm của Giáo sư Warsinger đã đi tiên phong trong các cải tiến RO mang tính cách mạng, phát triển các khái niệm giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng.

Trong quá trình nghiên cứu tiến sĩ tại MIT, Warsinger đã nghĩ ra "Thẩm thấu ngược hàng loạt" - xử lý nước theo từng đợt riêng biệt thay vì dòng chảy liên tục. Warsinger mô tả: “Mỗi đợt xử lý từ một đến hai phút. “Chúng tôi tăng dần áp lực trong khi giảm thể tích, cuối cùng tạo ra nước ngọt tương đương với ít năng lượng hơn.”

Hệ thống mẻ truyền thống bị mất hiệu quả trong quá trình đạp xe không liên tục. Bước đột phá đến từ thiết kế buồng piston giúp loại bỏ thời gian ngừng hoạt động. Warsinger giải thích: “Thay vì làm trống hoàn toàn pít-tông, chúng tôi sử dụng nước biển chảy vào để thúc đẩy chu trình tiếp theo”. "Phương pháp tác động kép này duy trì hoạt động gần như liên tục."

Nghiên cứu được công bố tạiKhử muốichứng tỏ hệ thống này đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng chưa từng có, có khả năng thiết lập các tiêu chuẩn mới trong ngành.

Nhà nghiên cứu sau đại học Sandra Cordoba, tác giả chính của nghiên cứu, đã phát triển các mô hình thủy lực để tối ưu hóa hiệu suất. Cordoba lưu ý: “RO liên quan đến các biến số phức tạp—áp suất, thể tích, độ mặn, tốc độ thu hồi, thời gian và năng lượng”. "Các mô hình của chúng tôi xác định các thông số áp suất lý tưởng để tiêu thụ năng lượng ở mức tối thiểu."

Kích thước của buồng piston thích ứng với nhu cầu ứng dụng—từ các thiết bị gia dụng di động đến lắp đặt ở quy mô công nghiệp. Warsinger nhận xét: “Về cơ bản nó chỉ là một đường ống có pít-tông kín nước, nhưng sự đơn giản này mang lại hiệu quả biến đổi”.

Ứng viên tiến sĩ Abhimanyu Das đã phát triển một biến thể gọi là Thẩm thấu ngược dòng chảy ngược hàng loạt, giúp luân chuyển nồng độ nước cụ thể trên các bề mặt màng. Sự đổi mới này tỏ ra đặc biệt hiệu quả đối với các ứng dụng có độ mặn cao như xử lý nước thải công nghiệp.

Nghiên cứu của sinh viên tốt nghiệp Michael Roggenburg chứng minh cách RO hàng loạt kết hợp với năng lượng tái tạo có thể cung cấp nước ngọt dọc theo biên giới Mỹ-Mexico dài 1.954 dặm. Các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió cung cấp các giải pháp không sử dụng nhiên liệu hóa thạch cho những vùng bị căng thẳng về nước.

Warsinger phản ánh: “An ninh nguồn nước là một thách thức toàn cầu rõ ràng. "Nếu chúng ta có thể giảm chi phí một chút, quá trình khử muối sẽ trở nên khả thi đối với nhiều cộng đồng hơn - có khả năng tạo ra tác động mang tính biến đổi."

Văn phòng thương mại hóa công nghệ của Quỹ Nghiên cứu Purdue đã nộp bằng sáng chế cho những đổi mới này, tạo điều kiện thuận lợi cho các ứng dụng trong thế giới thực nhằm giải quyết tình trạng khan hiếm nước.

Được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ từ Ủy ban Fulbright, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia và Đại học Purdue, nhóm của Warsinger tiếp tục phát triển các giải pháp mà một ngày nào đó có thể biến đại dương của chúng ta thành nguồn nước ngọt đáng tin cậy. Công việc của họ minh họa cách đổi mới công nghệ, khi kết hợp với các hoạt động bền vững, có thể giải quyết những thách thức tài nguyên cấp bách nhất của nhân loại.