Nước là nguồn sống và là nền tảng cho sự tồn tại của vạn vật trên thế giới. Mặc dù độ bao phủ của nước vượt quá 70% diện tích trái đất chúng ta đang sống nhưng nguồn nước ngọt chỉ chiếm chưa đến 3%. Sự phân bố của nguồn nước ngọt này cực kỳ không đồng đều. Nó tồn tại trong hồ, sông, lòng đất và băng ở Nam Cực. Chỉ còn lại ít hơn 1% lượng nước ngọt có sẵn cho con người.

Ngoài ra, bị ảnh hưởng bởi hàng loạt vấn đề như ô nhiễm môi trường và gia tăng dân số, tình trạng thiếu hụt tài nguyên nước ngọt trên toàn cầu sẽ trở nên nghiêm trọng hơn trong tương lai. Vì vậy, giải quyết vấn đề khan hiếm nguồn nước ngọt là ưu tiên hàng đầu.

Ngày 13 tháng 9 năm 2023, các nhà khoa học Trung Quốc đã đăng một bài báo về vật liệu chuyển đổi quang nhiệt mới trên tạp chí "Thiên nhiên". Sự ra đời của loại vật liệu này được kỳ vọng sẽ mang lại nguồn nước ngọt ổn định cho nhân loại và đảm bảo nguồn cung cấp nước ngọt an toàn và đầy đủ!

Nguồn ảnh: Tạp chí thiên nhiên.

Điều chế và nguyên lý của vật liệu mới

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng rộng rãi để sưởi ấm và lưu trữ năng lượng. Công nghệ bay hơi nước bề mặt sử dụng năng lượng mặt trời đã được đề xuất trong gần mười năm. Tức là năng lượng mặt trời được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng, thúc đẩy quá trình bay hơi của các phân tử nước thành hơi nước. Hơi nước được thu thập và sử dụng cho quá trình xử lý tiếp theo. Công nghệ này có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực khử mặn nước biển để sản xuất nước ngọt sạch. Việc sử dụng năng lượng mặt trời có thể làm giảm bớt việc tiêu thụ năng lượng hóa thạch và hàng loạt vấn đề ô nhiễm môi trường.

Cốt lõi của công nghệ này là làm thế nào để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhiệt mặt trời. Vật liệu chuyển đổi quang nhiệt hiệu suất cao mới được các nhà khoa học Trung Quốc phát triển mang lại hy vọng cho việc sử dụng rộng rãi công nghệ này!

Bắt đầu từ bản chất của sự tương tác giữa ánh sáng mặt trời và vật chất để tạo ra nhiệt, các nhà khoa học đã sử dụng hóa học, vật lý, tính toán và các thí nghiệm liên quan khác để phát hiện ra rằng Ti-T tồn tại trong cấu trúc i-dimer titan suboxide (TinO2n-1), cấu trúc này sẽ hạn chế phạm vi phân bố của chuyển động electron lớp 3d của cấu trúc điện tử bên ngoài hạt nhân nguyên tử Ti, gây ra sự định vị các electron trong không gian thực và có thể đưa ra các trạng thái điện tử dải phẳng gần Mức Fermi, dẫn đến sự tăng cường mật độ trạng thái chung của các chuyển tiếp điện tử.

Dựa trên các nguyên tắc trên, các thí nghiệm tiếp theo cho thấy là một chất titan suboxide, tỷ lệ hấp thụ của λ-Ti3O5 đối với ánh sáng mặt trời có thể vượt quá 95%.


Quang phổ phản xạ và cấu trúc điện tử. Nguồn ảnh: Tham khảo [1]

Các nhà khoa học tiếp tục sử dụng nguyên liệu λ-Ti3O5 và rượu polyvinyl để xử lý thiết bị bay hơi. Để nâng cao hiệu quả bay hơi nước, thiết bị bay hơi được thiết kế thành cấu trúc kết nối xốp ba chiều.

Thí nghiệm cho thấy trong điều kiện ánh sáng mặt trời (1kWm-2), thông qua thiết bị này, lượng nước bay hơi mỗi giờ có thể lên tới 6,09kgm-2, đây là mức bay hơi nước nhanh nhất hiện nay nhờ công nghệ bay hơi nước giao diện điều khiển bằng năng lượng mặt trời. Các nhà khoa học tiếp tục sử dụng thiết bị này trong các thí nghiệm khử mặn nước biển và lượng nước ngọt thu được mỗi ngày có thể lên tới 23Lm-2.

Có thể thấy rằng nếu thiết bị này được đưa vào lĩnh vực khử mặn nước biển thì có thể đạt được việc chuẩn bị nước ngọt quy mô lớn, điều này sẽ giải quyết được rất nhiều vấn đề thiếu hụt nguồn nước ngọt và mang lại những ý tưởng mới trong việc xử lý lọc nước thải và nước thải.


Sơ đồ hoạt động của thiết bị bay hơi kết cấu xốp ba chiều (a. Thiết bị khử mặn nước biển ngoài trời; b. Sự thay đổi về năng lượng mặt trời, tốc độ thu gom nước ngọt và tổng lượng nước ngọt thu được theo thời gian; c. Thay đổi nhiệt độ và độ ẩm theo thời gian; d. Quang thông trung bình hàng ngày và tốc độ thu gom nước ngọt). Nguồn hình ảnh: Tham khảo [1]

Chúng ta có thể làm gì để bảo vệ nước ngọt

Việc phát hiện ra vật liệu mới khiến chúng ta không còn lo sợ rằng sẽ không còn nước để uống trong tương lai mà chúng ta còn phải tiết kiệm nước và nâng cao nhận thức bảo vệ tài nguyên nước ngọt.

Trước hết, chính phủ đã liên tục ban hành và cải tiến các luật, quy định liên quan đến bảo vệ tài nguyên nước ngọt, hạn chế thông qua luật pháp và nhắc nhở mọi người về tầm quan trọng của việc bảo vệ nước ngọt. Tăng cường tuyên truyền các chính sách liên quan đến bảo vệ nước ngọt và nâng cao nhận thức của mọi người về việc bảo tồn nguồn nước. Đồng thời, tối ưu hóa việc sử dụng nước ngọt trong nông nghiệp và công nghiệp, nâng cao tỷ lệ sử dụng nước ngọt.

Trong cuộc sống, mỗi chúng ta hãy chú ý đến việc tiết kiệm nước. Đồng thời, hãy cẩn thận không vứt rác thải, hóa chất, thuốc men,… vào cống rãnh dễ gây ô nhiễm nguồn nước ngọt.

Chúng ta hãy cùng nhau bảo vệ tài nguyên nước ngọt, sử dụng nước hợp lý và đừng để giọt nước cuối cùng trên trái đất trở thành nước mắt của chúng ta!

Tài liệu tham khảo

[1]Yang,B.,Zhang,Z.,Liu,P.etal.Flatbandλ-Ti3O5hướng tớithế hệ hơi nước mặt trời phi thường.Nature(2023).

[2]Li Tuyết Cần. Bộ thu năng lượng mặt trời mới và ứng dụng của nó trong khử mặn nước biển [J]. Máy móc tổng hợp, 2012.DOI:CNKI:SUN:TYJS.0.2012-03-037 .

[3] Xie Lixin, Li Pingli, Wang Shichang. Hiện trạng công nghệ khử mặn nước biển và tổng quan các phương pháp khử mặn khác nhau [J]. Tiến bộ trong Công nghiệp Hóa chất, 2003, 22(10): 4. DOI: 10.3321/j.issn: 1000-6613.2003.10.01 1.

[4] Lu Zhu. Triển vọng về bảo tồn nước và công nghệ tái tạo, tái sử dụng tài nguyên nước [J]. Công nghệ lọc nước, 2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013.