Theo UNICEF, 4 tỷ người – gần 2/3 dân số thế giới – đang phải trải qua cảnh khan hiếm nước sạch ít nhất một tháng mỗi năm, trong khi hơn hai tỷ người sống ở các quốc gia có nguồn cung cấp nước không đáp ứng đủ nhu cầu của họ. Có lẽ đáng báo động nhất là vào năm 2025, khoảng 1,8 tỷ người sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước hoàn toàn, 2/3 dân số toàn cầu sống trong điều kiện thiếu nước.
Cuộc khủng hoảng này đang ngày càng trầm trọng do nhiều yếu tố chồng chéo. Biến đổi khí hậu đang làm gián đoạn các kiểu phân bố lượng mưa, gia tăng tốc độ bốc hơi, gây hạn hán thường xuyên hơn và nghiêm trọng hơn. Gia tăng dân số tiếp tục thúc đẩy nhu cầu sử dụng nước. Trong bối cảnh này, công nghệ thường được xem là giải pháp tiềm năng – một loạt cải tiến có thể giải quyết vấn đề khan hiếm nước thông qua tăng nguồn cung, cải thiện hiệu suất và quản lý tốt hơn.
Sau đây, chúng ta hãy cùng tìm hiểu các xu thế công nghệ hiện nay nhé.
Khử muối: Biến đại dương thành nước uống
Công nghệ khử muối đã có nhiều tiến bộ quan trọng trong các thập niên gần đây, hứa hẹn biến nguồn nước biển dồi dào thành nước uống. Các phương pháp khử muối dùng nhiệt truyền thống đã được bổ sung bằng thẩm thấu ngược (RO) – công nghệ này hiện đang tràn ngập thị trường nhờ hiệu suất năng lượng cao. Theo dữ liệu gần đây, ngành công nghiệp khử muối toàn cầu dự tính duy trì tốc độ tăng trưởng kép thường niên là 9,3% trong giai đoạn 2024-2030.
Những đổi mới gần đây tập trung vào giảm nhu cầu năng lượng – nhược điểm lớn nhất của quá trình khử muối truyền thống. Các cải tiến về công nghệ màng lọc làm tăng đáng kể hiệu suất, giảm tiêu thụ năng lượng từ mức lịch sử là 10-13 kilowatt-giờ/1.000 gallon xuống mức thấp là 2,5-4 kWh/m³ cho các hệ thống thẩm thấu ngược nước biển tiên tiến. Các kỹ sư từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) mới phát triển hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời, hoạt động theo chu kỳ Mặt trời, loại bỏ nhu cầu lưu trữ pin và tiếp tục giảm chi phí.
Những đột phá khác gồm phát triển màng graphene có thể cải thiện đáng kể hiệu quả lọc. Năm 2024, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nam Úc cho ra mắt một loại hydrogel đất sét cải tiến, làm tăng mạnh hiệu quả khử muối, có thể đem lại lợi ích cho hàng tỷ người trên toàn thế giới.
Tái chế nước tiên tiến: Từ nước thải tới nguồn cung
Các công nghệ tái sử dụng và tái chế nước là một hướng phát triển hứa hẹn khác. Chương trình NEWater của Singapore là minh chứng cho tiềm năng của hệ thống này.
Nhằm giảm phụ thuộc vào nguồn nước nhập khẩu của quốc đảo này, NEWater hiện đáp ứng tới 40% nhu cầu nước của Singapore thông qua hệ thống lọc nước đã qua sử dụng tiên tiến. Quy trình này bao gồm bộ vi lọc, thẩm thấu ngược và khử trùng bằng tia cực tím để tạo ra nguồn nước vượt tiêu chuẩn nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới.
Bên cạnh đó, lĩnh vực tái chế nước cũng tiếp tục đẩy mạnh đổi mới, với các công nghệ như làm bay hơi bằng nhiệt, hệ thống kết tinh và lọc nano cho phép thu hồi nước hiệu quả hơn. Hiện nay, các hệ thống này có thể đạt mức xả thải chất lỏng gần bằng không, tái chế tới những giọt nước thải cuối cùng và giảm thiểu tác động đến môi trường.
 |
Cơ quan nước Quốc gia Singapore cho biết chương trình NEWaterhiện đáp ứng tới 40% nhu cầu nước của quốc đảo này. Nguồn: PUB |
Công nghệ nano và lọc tiên tiến
Công nghệ nano mang đến tiềm năng đột phát trong lĩnh vực lọc nước. Ống nano carbon, oxide graphene và nhiều vật liệu nano khác có thể loại bỏ tạp chất ở cấp độ phân tử, gồm kim loại nặng, vi khuẩn và thậm chí một số chất gây ô nhiễm dai dẳng nhất.
Một đột phá quan trọng trong năm 2024 là màng lọc oxide graphene được biến tính bằng beta-cyclodextrin có thể loại bỏ perfluoroalkylvà polyfluoroalkyl (PFAS - hay "hóa chất vĩnh viễn") khỏi nguồn cung cấp nước. Các kênh nano này chặn có chọn lọc cả các hợp chất PDAS chuỗi ngắn, đồng thời cho nước sạch chảy qua, giải quyết một trong những vấn đề ô nhiễm khó khăn nhất trong công cuộc xử lý nước hiện đại.
Một phát triển hứa hẹn khác là bộ lọc nước làm từ graphene có thể tái tạo để loại bỏ kim loại nặng. Bộ lọc này có thể loại bỏ chì, cadmium và thủy ngân trong nước máy với hiệu quả gấp 3-65 lần so với bộ lọc than hoạt tính thông thường. Đặc biệt, chúng có thể tái sử dụng nhiều lần, giúp giảm rác thải và chi phí dài hạn.
Sản xuất nước từ khí quyển: Thu nước từ không khí
Máy tạo nước khí quyển chiết xuất nước trực tiếp từ không khí ẩm ướt xung quanh, đem lại giải pháp tiềm năng ngay cả ở những khu vực không có nước trên bề mặt hoặc nước ngầm. Các máy tạo nước khí quyển hiện đại sử dụng công nghệ ngưng tụ hoặc hút ẩm để thu giữ hơi ẩm.
Các tiến bộ gần đây của công nghệ tạo nước khí quyển dùng chất hút ẩm đã cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng. Theo Diễn đàn Kinh tế Thế giới, chúng có thể sản xuất nước với chi phí gần 692 VND/lit trong điều kiện tối ưu, nhờ thế việc triển khai công nghệ này trên diện rộng ngày càng khả thi. Vào tháng hai, một thiết bị được thử nghiệm trong điều kiện nóng, ẩm đã tạo ra nước với tốc độ tối đa là 0,95 l/h trong khi tiêu thụ điện ở mức 0,84 kWh/lit với chi phí 1,835 VND/lit.
Các công ty như Watergen và GENAQ đã thương mại hóa công nghệ này, với các mô hình từ đơn vị dân dụng nhỏ cho tới các hệ thống quy mô lớn có thể sản xuất hàng ngàn lít nước mỗi ngày. Tuy vẫn tiêu tốn tương đối nhiều năng lượng, nhưng việc cải thiện không ngừng và tích hợp với nguồn năng lượng tái tạo có thể khiến công nghệ này trở thành một bộ phận ngày càng quan trọng trong các chiến lược an ninh nguồn nước.
Quản lý nước thông minh: Chuyển đổi số
Các giải pháp số là một trong những biện pháp can thiệp hiệu quả nhất về mặt chi phí trong lĩnh vực nước. Hệ thống quản lý nước thông minh sử dụng cảm ứng, công nghệ Internet vạn vật, trí tuệ nhân tạo và phân tích dữ liệu theo thời gian thực để giám sát việc sử dụng nước, phát hiện rò rỉ và tối ưu hóa mạng lưới phân phối.
Bản sao số - mô hình ảo của hệ thống nước vật lý - đang biến đổi hoạt động quản lý. Những mô hình này tích hợp dữ liệu cảm biến và mô phỏng thủy lực để dự đoán hiệu suất trong các điều kiện biến đổi, cho phép nhà vận hành phát hiện vấn đề trước khi chúng trở thành sự cố. Trong một số trường hợp, những hệ thống như vậy đã được tự động hóa phần nào, phát hiện và xử lý vấn đề như máy bơm bị tắc trước khi chúng gây ra tắc nghẽn.
Các thuật toán AI và học máy phân tích dữ liệu từ cảm biến phân tán để xác định những điều bất thường, cho phép phát hiện sớm và khắc phục rò rỉ kịp thời. Đây là một chức năng quan trọng vì trong một số hệ thống, rò rỉ chiếm tới 30% lượng nước thất thoát. Các mô hình học máy cũng có thể phân tích áp suất nước, các thông số chất lượng và mô hình sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Nguồn:
tomorrowdesk.com
Bài đăng KH&PT số 1356 (số 32/2025)
Phương Anh lược dịch