Khử mặn tạo nước ngọt nhưng để lại “nước muối đậm đặc”: Thiết kế mới biến phần thải thành muối rắn và thu hồi lithium

Khử mặn giải quyết một bài toán thiếu nước bằng cách tạo ra một bài toán khác: phần nước ngọt được tách đi, còn lại là dòng nước muối đậm đặc phải xử lý hoặc xả bỏ. Brine không phải một chất “độc” theo nghĩa đơn giản, nhưng khi có độ mặn cao, nhiệt độ khác môi trường và chứa hóa chất từ quá trình xử lý, nó có thể gây tác động đáng kể lên hệ sinh thái quanh điểm xả.

Một nhóm tại University of Rochester đang thử một hướng khác: không để phần muối ở lại dưới dạng chất thải lỏng. Trong thiết bị mà họ gọi là ABF-STIC, nước biển được kéo thành một lớp mỏng trên tấm kim loại hấp thụ ánh sáng; nước bay hơi còn muối được chủ động đẩy sang vùng riêng để kết tinh thành chất rắn có thể thu gom. Trong thử nghiệm kéo dài bảy ngày với nước biển thật, hệ thống duy trì tốc độ bốc hơi trung bình 1,76 ± 0,04 kg/m²/giờ vào ban ngày và thu 61,74 ± 2,46 g muối/m²/giờ, đồng thời nhóm báo cáo gần như toàn bộ lượng muối đi cùng phần nước đã bay hơi được giữ lại trên thiết bị. Nghiên cứu được công bố trên Light: Science & Applications vào tháng 5/2026.

Vấn đề không chỉ là tách muối khỏi nước

Phần lớn nhà máy khử mặn hiện nay dùng thẩm thấu ngược hoặc các quy trình nhiệt. Cả hai đều tạo ra dòng cô đặc chứa lượng muối cao hơn nước biển đầu vào. Một phân tích toàn cầu công bố năm 2019 ước tính các nhà máy khử mặn khi đó tạo khoảng 142 triệu m³ brine mỗi ngày, so với khoảng 95 triệu m³ nước khử mặn. Con số này không nên được đọc như một thống kê thời gian thực cho năm 2026, nhưng nó cho thấy quy mô của bài toán chất thải lỏng đã tồn tại từ lâu.

Tác động của brine phụ thuộc mạnh vào vị trí, cách pha loãng, thiết kế cửa xả và thành phần hóa học. Các tổng quan gần đây ghi nhận độ mặn tăng cục bộ, thay đổi chất lượng nước và các chất tồn dư từ quá trình xử lý có thể ảnh hưởng đến sinh vật biển. Vì vậy, mục tiêu zero liquid discharge — không còn dòng thải lỏng sau xử lý — đã trở thành một hướng nghiên cứu riêng, nhưng thường phải đánh đổi bằng hệ thống cô đặc và kết tinh tiêu tốn năng lượng.

Điểm mà nhóm Rochester muốn thay đổi nằm ở cách đưa nước tới vùng bốc hơi và cách kiểm soát tinh thể muối ngay trên bề mặt.

Một tấm nhôm vừa hút nước, vừa hấp thụ nắng

Thiết bị sử dụng lá nhôm dày khoảng 200 micromet. Bề mặt được xử lý bằng laser femtosecond để tạo các rãnh và cấu trúc vi mô. Sau xử lý, kim loại trở nên rất tối, hấp thụ phần lớn bức xạ mặt trời, đồng thời có tính superwicking: nước có thể tự lan và được kéo dọc theo bề mặt nhờ hiệu ứng mao dẫn.

Nhóm chia bề mặt thành hai vùng. Vùng hoạt động được khắc laser để kéo một màng nước mỏng lên bề mặt và biến ánh nắng thành nhiệt ngay tại giao diện nước–không khí. Làm nóng một lớp nước mỏng giúp hạn chế việc phải đun nóng toàn bộ thể tích nước bên dưới. Vùng thụ động xung quanh là nơi muối được hướng tới và kết tinh.

Đây là chi tiết quan trọng vì muối bám trên bộ bốc hơi là một trong những nguyên nhân khiến nhiều thiết kế khử mặn nhiệt mặt trời suy giảm hiệu suất. Với dung dịch chỉ có NaCl, tinh thể thường xốp hơn và nước còn có thể đi qua. Nước biển thật khó hơn: các hợp chất chứa magnesium và calcium có thể tạo lớp cặn đặc, lấp đường mao dẫn và làm bề mặt bị nghẹt.

“Vòng cà phê” trở thành cơ chế tự làm sạch

Thiết kế của Rochester tận dụng hai hiện tượng vật lý: coffee-ring effect và salt creeping. Khi một giọt cà phê khô, các hạt thường bị đẩy về mép và tạo thành một vòng đậm màu. Trên tấm kim loại, sự bay hơi và hình học rãnh được điều chỉnh để dung dịch muối cũng dịch chuyển theo hướng tương tự — ra khỏi vùng hấp thụ ánh sáng và sang vùng thụ động.

Khi nồng độ tại rìa đủ cao, muối kết tinh và tiếp tục phát triển ra ngoài. Nhờ vậy, vùng chính chịu trách nhiệm hút nước và nhận nắng không bị phủ kín bởi một lớp cặn. Trong thí nghiệm với nước biển Atlantic, nhóm theo dõi đồng thời khối lượng nước bốc hơi, khối lượng muối thu được và độ mặn của bể cấp. Khi khoảng 10% nước trong bể bay hơi trong một chu kỳ 24 giờ, độ mặn của phần nước còn lại vẫn gần như không tăng — một dấu hiệu cho thấy muối không quay trở lại bể như ở nhiều cấu hình “tự tan muối” khác.

Trong bài báo, thiết bị được chạy liên tục bảy ngày. Muối tích ở vùng thụ động có thể cạo khỏi bề mặt mà không cần chạm vào vùng hoạt động. Nhóm cũng thử nước biển lấy từ các khu vực thuộc Atlantic, Pacific và Indian Ocean, và báo cáo hiệu suất bốc hơi, thu muối tương tự giữa các mẫu.

Ở cấu hình trình diễn có theo dõi Mặt Trời, nhóm tính được sản lượng khoảng 10,33 lít nước ngọt và 0,38 kg muối trên mỗi mét vuông mỗi ngày. Độ mặn của nước sau khử thấp hơn các ngưỡng liên quan trong tiêu chuẩn WHO và EPA mà tác giả đối chiếu. Dù vậy, để gọi một hệ thống thương mại là nguồn nước uống hoàn chỉnh vẫn cần kiểm tra đầy đủ hơn về vi sinh, chất hữu cơ dễ bay hơi, vật liệu tiếp xúc, độ bền vận hành và quy trình hậu xử lý.

Muối rắn chưa đồng nghĩa với muối ăn

Chuyển brine thành chất rắn giúp tránh một dòng thải lỏng, nhưng phần rắn thu được không phải một sản phẩm tinh khiết duy nhất. Phân tích của nhóm cho thấy sodium chiếm phần lớn, bên cạnh magnesium, potassium, calcium và một số nguyên tố có giá trị ở hàm lượng thấp.

Chính bài báo cũng lưu ý hỗn hợp muối này có giá trị sử dụng hạn chế nếu chưa được phân tách hoặc tinh chế. Nói cách khác, “thu hồi gần như toàn bộ muối” là một kết quả về cân bằng vật chất và quản lý chất thải; nó không có nghĩa toàn bộ khối rắn có thể đem bán ngay như muối ăn hoặc khoáng sản thương mại.

Điểm thú vị hơn là bề mặt có thể được chức năng hóa để giữ một ion cụ thể. Lithium là ví dụ mà nhóm đã thử nghiệm riêng.

Phần lithium đến từ một nghiên cứu khác — và nguồn nước khác

Trong một bài báo trên Journal of Materials Chemistry A, cũng công bố năm 2026, nhóm Rochester tích hợp các hạt nano hydrogen titanate vào vi rãnh của tấm kim loại. Vật liệu này hoạt động như một “rây ion” lithium: Li⁺ được giữ lại thông qua trao đổi ion H⁺ ↔ Li⁺, trong khi nhiều ion cạnh tranh khác bị loại bỏ.

Thiết kế này được gọi là STEEL. Dưới điều kiện chiếu sáng một Mặt Trời, nhóm báo cáo tốc độ khai thác lithium 0,21 ± 0,02 g/m²/ngày và hiệu suất thu lithium khoảng 50%. Dòng eluate sau bước giải hấp 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 để tiếp tục tinh chế.

Tuy nhiên, kết quả lithium quan trọng nhất được thực hiện với nước Great Salt Lake, không phải nước biển đại dương. Vì vậy không nên ghép hai kết quả thành tuyên bố rằng tấm khử mặn đã chứng minh có thể lấy lithium từ đại dương với hiệu suất 50%. Nghiên cứu Light: Science & Applications chứng minh khả năng khử mặn nước biển thật và thu gần như toàn bộ muối rắn; nghiên cứu STEEL chứng minh bước chọn lọc lithium trên một nguồn brine giàu khoáng khác.

Từ mẫu thử tới nhà máy còn nhiều câu hỏi

Ở giai đoạn hiện tại, đây vẫn là proof of concept ở quy mô nhỏ. Một tuần vận hành ổn định là tín hiệu tốt cho cơ chế tự làm sạch, nhưng còn rất xa vòng đời nhiều năm của thiết bị công nghiệp. Việc khắc một diện tích lớn bằng laser femtosecond cần được đánh giá về tốc độ chế tạo, chi phí, độ đồng đều và khả năng sửa chữa. Hệ thống thực tế cũng phải giải quyết khâu ngưng tụ hơi nước, thu và vận chuyển lượng muối rắn liên tục, bám bẩn sinh học, bụi, gió, mây, chu kỳ ngày–đêm và suy giảm bề mặt.

Bài toán kinh tế của lithium còn khó hơn. Thu được một dòng giàu lithium là bước quan trọng, nhưng sản xuất vật liệu cấp pin còn cần các công đoạn giải hấp, tinh chế, kết tủa hoặc chuyển hóa hóa học, cùng đánh giá tuổi thọ của vật liệu rây ion. Nhóm nghiên cứu chưa chứng minh một dây chuyền thương mại tích hợp tất cả các bước này.

Dù vậy, hướng tiếp cận này đặt ra một cách nhìn khác về khử mặn. Thay vì coi phần còn lại sau khi lấy nước là chất thải phải pha loãng hoặc xử lý tiếp, thiết bị cố gắng thiết kế ngay từ đầu để nước trở thành sản phẩm và khoáng chất trở thành dòng vật liệu riêng. Bước tiếp theo quyết định giá trị thực tế sẽ không chỉ là nâng tốc độ bốc hơi, mà là chứng minh quá trình có thể chế tạo ở diện tích lớn, hoạt động lâu ngoài trời và biến phần muối thu được thành sản phẩm có giá trị với chi phí hợp lý.

Nguồn nghiên cứu

• Tang và cộng sự, Light: Science & Applications (2026): Additive-free and brine-discharge-free solar-thermal desalination with simultaneous complete mineral mining from ocean water.
• Tang và cộng sự, Journal of Materials Chemistry A (2026): Rapid lithium extraction via solar-thermal interfacial evaporation with zero liquid discharge.
• University of Rochester: New method turns ocean water into drinking water, without waste.
• Jones và cộng sự, Science of the Total Environment (2019): The state of desalination and brine production: A global outlook.