TiaSang
Thứ 5, Ngày 22 tháng 10 năm 2020
Đổi mới sáng tạo

Màng lọc RO loại bỏ muối để tách nước biển thành nhiên liệu

09/10/2020 07:30 -

Năng lượng Mặt trời, gió và nước biển có thể sớm kết hợp với nhau tạo thành nhiên liệu hydro sạch khi đốt cháy. Do đó, một nhóm nghiên cứu tại ĐH bang Pennsylvania đã tích hợp công nghệ lọc nước vào một thiết kế thiết bị điện phân nước biển mới cho phép dòng điện tách hydro và oxy ra khỏi phân tử nước.


Nước biển có thể chuyển thành nhiên liệu hydro nhờ thiết kế điện phân nước biển mới của nhóm nghiên cứu thuộc ĐH bang Pennsylvania | Ảnh: Tyler Henderson

Theo Bruce Logan, Giáo sư ngành Kỹ thuật Môi trường Bruce Logan tại trường, phương pháp này có thể giúp biến năng lượng gió và Mặt trời thành một loại nhiên liệu có thể lưu trữ và di chuyển dễ dàng hơn. “Hydro là một loại nhiên liệu tuyệt vời nhưng ta phải chế tạo ra nó”, Bruce Logan nhận xét. “Cách bền vững duy nhất là sử dụng năng lượng tái tạo [để điện phân] và tạo ra nó từ nước. Chúng ta cũng phải dùng nguồn nước mà không ai muốn sử dụng cho những việc khác, đó là nước biển. Do đó, “chén thánh” để sản xuất nhiên liệu hydro chính là kết hợp giữa nước biển với năng lượng gió và Mặt trời ở ven biển hoặc ngoài khơi”. 

Mặc dù lượng nước biển trên thế giới rất dồi dào, nhưng người ta ít dùng để điện phân. Trừ khi nước biển được khử muối trước khi đi vào máy điện phân [và đây là một bước bổ sung đắt tiền], các ion clorua (Cl-) trong nước biển sẽ chuyển thành khí clo độc hại làm xuống cấp thiết bị và thất thoát ra môi trường.  Để ngăn chặn quá trình đó, nhóm nghiên cứu đã chèn thêm một lớp màng mỏng, bán thấm, lúc đầu được tạo ra để lọc nước trong quá trình xử lý thẩm thấu ngược (RO). GS. Logan cho biết: “Ý tưởng đằng sau màng RO là tạo ra một áp suất thật lớn lên khối nước, đẩy nó qua màng lọc và giữ lại các ion clorua ở sau”.

Ở đây, màng RO được dùng thay cho màng trao đổi ion thường có trong máy điện phân. Nước biển sẽ không được đẩy qua màng RO [như cách lọc nước thông thường] mà được chứa trong nó. Tấm màng này sẽ ngăn các phản ứng diễn ra gần hai điện cực âm và dương trong dung dịch khi được nối với nguồn điện bên ngoài. Khi nguồn điện được bật lên, các phân tử nước (H2O) bắt đầu tách ra ở cực dương, giải phóng các ion hydro (H+) siêu nhỏ gọi là proton và tạo ra khí oxy (O2). Các proton sau đó đi qua lớp màng và kết hợp với các electron ở cực âm để tạo thành khí hydro (H2). Khi dùng màng RO, nước biển được giữ lại phía cực âm, các ion clorua quá lớn sẽ không thể đi qua màng và về cực dương, do vậy ngăn được quá trình sản sinh ra khí clo.  

Trong quá trình tách nước, các muối khác cũng được hòa tan trong nước để giúp dung dịch dẫn điện. Trong khi màng trao đổi ion thông thường lọc ion bằng điện tích sẽ cho phép các ion muối đi qua, thì màng RO lại không. “Màng RO ức chế chuyển động của muối, nhưng cách duy nhất để tạo ra dòng điện trong mạch là các ion mang điện tích phải dịch chuyển giữa hai điện cực”, GS. Logan cho biết. 

Thông qua một loạt thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã thử hai loại màng RO có sẵn trên thị trường và hai màng trao đổi ion dương (cation) cho phép điện tích dương chạy qua. Mỗi thí nghiệm đều xem xét khả năng chống chuyển động ion của màng, lượng điện cần để hoàn thành các phản ứng, lượng khí hydro và oxy sản xuất ra, các tương tác với ion clorua cũng như mức độ hư hỏng của màng.

Logan giải thích, trong khi một loại màng RO cho kết quả là “đường mòn” thì màng RO kia lại hoạt động khá tốt so với các màng trao đổi cation. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu xem tại sao lại có sự khác biệt như vậy giữa hai màng RO. “Ý tưởng [màng RO] đã trở thành hiện thực” GS. Logan nói, “Chúng tôi không biết chính xác tại sao hai màng này lại hoạt động khác nhau như vậy nhưng chúng tôi sẽ tìm ra nguyên nhân.”. Các kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Science. 

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã nhận được tài trợ 300.000 USD từ Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) để tiếp tục nghiên cứu quá trình điện phân nước biển. GS. Logan hy vọng nghiên cứu của họ sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới. □

Ngô Hà dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-09-membranes-salt-sea-fuel.html

Tags: