Khử mặn tạo nước ngọt nhưng để lại brine đậm đặc: Thiết kế mới gom muối thành chất rắn và còn có thể tách lithium

Nước ngọt không phải sản phẩm duy nhất của khử mặn. Với nhiều công nghệ hiện nay, phần nước được lấy đi để lại một dòng brine có nồng độ muối cao hơn nước biển ban đầu; nếu xả không phù hợp, dòng thải này có thể làm tăng độ mặn cục bộ và gây áp lực lên hệ sinh thái thủy sinh. Một nhóm tại University of Rochester đang thử một cách xử lý khác: thay vì để muối tiếp tục nằm trong pha lỏng, họ buộc nó kết tinh ở một vùng riêng trên bề mặt thiết bị để có thể cạo và thu gom dưới dạng chất rắn.

Thiết kế được mô tả trong một paper đăng trên Light: Science & Applications ngày 27/5/2026. Điểm đáng chú ý là nhóm không chỉ dùng dung dịch NaCl mô phỏng trong phòng lab. Họ thử nước biển thật lấy từ Đại Tây Dương, Thái Bình Dương và khu vực nơi Đại Tây Dương gặp Ấn Độ Dương, đồng thời vận hành hệ liên tục trong thử nghiệm kéo dài một tuần.

Vấn đề khó không chỉ là làm nước bay hơi, mà là ngăn muối làm nghẹt bề mặt

Khử mặn quang nhiệt liên bề mặt hoạt động theo một ý tưởng khá trực tiếp: đưa nước lên một bề mặt hấp thụ ánh sáng, dùng nhiệt mặt trời làm nước bay hơi ngay tại đó rồi ngưng tụ hơi thành nước ngọt. Cách này tránh phải đun nóng cả một khối nước lớn.

Nhưng nước biển thật chứa nhiều thành phần hơn natri chloride. Khi nồng độ tăng, các muối chứa magnesium và calcium có thể tạo lớp cặn đặc và ít xốp. Lớp cặn này che bề mặt hấp thụ ánh sáng, cản dòng nước đi qua các mao quản và cuối cùng làm thiết bị mất hiệu suất. Đây là lý do một hệ hoạt động tốt với “nước biển” chỉ gồm nước và NaCl trong phòng thí nghiệm chưa chắc làm việc ổn định ngoài thực tế.

Nhóm của Chunlei Guo xử lý điểm nghẽn đó bằng một tấm nhôm dày 200 micromet được quét bằng laser femto giây. Laser tạo ra mạng rãnh micro chồng lên các nanostructure, biến phần bề mặt đã xử lý thành một lớp kim loại đen vừa hấp thụ ánh sáng mạnh, vừa có khả năng superwicking: nước bị hút dọc theo các rãnh nhờ hiệu ứng mao dẫn, kể cả theo hướng đi lên chống lại trọng lực.

Thiết bị dùng “vòng cà phê” để đẩy muối ra ngoài

Bề mặt được chia thành hai phần. Vùng hoạt động đã được khắc laser kéo một lớp nước mỏng lên và nhận năng lượng mặt trời để bay hơi nước. Vùng thụ động ở xung quanh không đảm nhiệm phần bay hơi chính mà trở thành nơi muối được chuyển tới và kết tinh.

Cơ chế này dựa một phần vào hiện tượng quen thuộc khi một giọt cà phê khô lại: vật chất hòa tan hoặc các hạt có xu hướng tập trung ở mép giọt vì tốc độ bay hơi tại đường tiếp xúc giữa chất lỏng, bề mặt và không khí cao hơn. Trong thiết bị Rochester, dòng mao dẫn mang nước và ion về phía biên. Khi dung dịch ở mép đạt bão hòa, muối bắt đầu kết tinh ở vùng thụ động thay vì phủ lên vùng hấp thụ ánh sáng.

Sau đó một hiện tượng gọi là salt creeping tiếp tục khiến tinh thể phát triển ra phía ngoài. Nhóm nghiên cứu cho thấy độ sâu và độ rộng của các rãnh phải được chọn đủ lớn để dòng nước có khả năng hòa tan và đẩy những tinh thể có xu hướng quay lại vùng hoạt động. Nếu rãnh quá nông, bề mặt vẫn bị đóng cặn.

Kết quả là phần trung tâm tiếp tục làm nhiệm vụ hấp thụ nắng và vận chuyển nước, trong khi muối tích tụ ở các vùng bên cạnh và có thể được loại bỏ bằng cách cạo, không cần chạm vào vùng hoạt động.

Gần 100% muối được thu gom — nhưng con số này cần đọc đúng

Trong thử nghiệm bảy ngày dưới chu kỳ mô phỏng ngày–đêm, thiết bị đạt tốc độ bay hơi trung bình khoảng 1,76 kg nước trên mỗi mét vuông mỗi giờ khi có chiếu sáng tương đương một mặt trời và thu muối khoảng 61,74 g/m² mỗi giờ. Nhóm tính hiệu suất chuyển năng lượng mặt trời thành hơi nước ở khoảng 74%.

Paper báo cáo mức thu muối “gần 100%”. Con số đó không có nghĩa một tấm nhỏ lập tức rút sạch mọi ion trong cả bể nước biển. Phép đo so sánh lượng muối thu được với lượng muối vốn nằm trong phần nước đã bay hơi. Trong thí nghiệm 24 giờ, khoảng 10% nước trong reservoir bay hơi nhưng độ mặn của phần nước còn lại hầu như không tăng, cho thấy muối không hòa tan ngược trở lại bể mà được giữ ở vùng thu gom.

Khi tích hợp với hệ theo dõi Mặt Trời và bộ ngưng tụ, nhóm báo cáo sản lượng tương đương khoảng 10,33 lít nước ngọt và 0,38 kg muối trên mỗi mét vuông mỗi ngày trong điều kiện thử nghiệm. Nước sau ngưng tụ có độ mặn thấp hơn các ngưỡng nước uống mà nhóm đối chiếu với tiêu chuẩn WHO và EPA.

Một giới hạn quan trọng khác: chất rắn thu được không phải ngay lập tức là “muối ăn” hay một sản phẩm khoáng tinh khiết. Phân tích của nhóm cho thấy sodium chiếm phần lớn, bên cạnh magnesium, potassium, calcium và nhiều thành phần khác. Chính paper thừa nhận hỗn hợp này có công dụng hạn chế nếu chưa qua các bước tách và tinh chế tiếp theo.

Lithium đến từ một biến thể khác của cùng nền tảng

Khả năng thu lithium không phải là kết quả của đúng cấu hình khử mặn nước biển nói trên. Nó được nhóm trình bày trong một paper liên quan trên Journal of Materials Chemistry A, sử dụng cùng ý tưởng kim loại đen siêu thấm nhưng bổ sung các hạt nano hydrogen titanate vào các mao quản trên bề mặt.

Hydrogen titanate hoạt động như một “rây ion” ưu tiên lithium: các ion Li⁺ có thể trao đổi với H⁺ trong vật liệu, trong khi nhiều ion cạnh tranh khác bị loại bỏ tốt hơn. Hệ này được nhóm gọi là STEEL — một thiết bị bay hơi quang nhiệt đồng thời khai thác lithium và thu muối rắn.

Trong thử nghiệm với nước tự nhiên từ Great Salt Lake, STEEL đạt tốc độ khai thác lithium khoảng 0,21 g/m²/ngày và hiệu suất thu lithium khoảng 50%. Phần dung dịch giải hấp sau đó có tỷ lệ lithium trong tổng khối lượng cation tăng từ 0,09% ở nước đầu vào lên 70,12%, tạo một dòng giàu lithium hơn nhiều để tiếp tục tinh chế.

Điểm cần phân biệt là Great Salt Lake là một nguồn brine tự nhiên giàu lithium hơn nước biển thông thường. Vì vậy, kết quả 50% không nên được hiểu là mọi nhà máy khử mặn nước biển đều có thể thu lithium với cùng năng suất hoặc kinh tế tương tự. Nồng độ lithium đầu vào, ion cạnh tranh, chu kỳ tái sinh vật liệu hấp phụ và chi phí xử lý tiếp theo đều ảnh hưởng tới bài toán thực tế.

Từ proof of concept tới nhà máy khử mặn còn nhiều câu hỏi

University of Rochester mô tả công nghệ hiện ở mức proof of concept trên thiết bị quy mô nhỏ. Nhóm đã chứng minh ba điểm vốn thường tách rời trong nhiều nghiên cứu trước: dùng nước biển thật, tránh cặn làm nghẹt vùng bay hơi trong nhiều ngày và thu muối ra thành chất rắn thay vì làm brine ngày càng đậm đặc.

Nhưng để cạnh tranh với reverse osmosis ở quy mô đô thị, còn phải trả lời những câu hỏi mà paper hiện chưa giải quyết đầy đủ: chi phí tạo các bề mặt nhôm được xử lý bằng laser femto giây trên diện tích lớn; tuổi thọ sau hàng tháng hoặc hàng năm; tốc độ và chi phí thu gom muối; hiệu suất của bộ ngưng tụ trong các khí hậu khác nhau; diện tích đất cần cho một sản lượng nước cụ thể; và economics của việc tinh chế các khoáng thu được.

Đó cũng là lý do giá trị hiện tại của thiết kế không nằm ở lời hứa “thay thế nhà máy khử mặn”. Nó cho thấy một cách giải quyết đồng thời hai vấn đề vốn thường được tách riêng: tạo nước ngọt và quản lý dòng muối còn lại. Nếu quy trình chế tạo bề mặt có thể scale lên mà vẫn giữ khả năng tự làm sạch, phần thải của khử mặn có thể chuyển từ một dòng lỏng khó xử lý thành một nguồn chất rắn dễ thu gom hơn — và trong những nguồn nước phù hợp, còn có thể trở thành nguyên liệu đầu vào để tách các khoáng giá trị như lithium.