Các nhà nghiên cứu của trường Đại học Stanford đang phát triển công nghệ tiên tiến, có thể khai thác nguồn năng lượng vô tận từ hỗn hợp pha trộn nước ngọt và nước biển.

Một loại pin mới được làm từ vật liệu rẻ, dễ kiếm và có độ bền cao có thể tạo ra nguồn năng lượng lớn khi nước biển và nước ngọt hòa lẫn nhau.

Công nghệ mới này có thể được trang bị cho các nhà máy xử lý nước thải ven biển có được nguồn năng lượng độc lập và hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường bằng khí carbon, tỏa ra từ các phản ứng hóa học.

Muối là sức mạnh, quan điểm công nghệ mới nghe qua giống như giả kim thuật, nhưng năng lượng ở những vùng nước biển và nước ngọt hòa lẫn với nhau có thể cung cấp một nguồn năng lượng tái tạo khổng lồ. Những nhà nghiên cứu Stanford đang phát triển công nghệ tái tạo, sử dụng lâu dài và ổn định, giá thành hợp lý để khai thác nguồn năng lượng Xanh vô tận này.

Các nhà khoa học đăng tải một bài báo, được xuất bản trên trang web của Hiệp hội Hóa học Mỹ ACS Omega, mô tả pin điện mới với đề xuất sử dụng nguồn năng lượng này cho các nhà máy xử lý nước thải ven biển, không cần thiết phải sử dụng nguồn năng lượng cộng đồng.

Năng lượng Xanh là nguồn năng lượng tái tạo to lớn và chưa từng được khai thác, đồng tác giả nghiên cứu, ông Kristian Dubrawski, tiến sĩ kỹ thuật dân dụng và công nghệ môi trường tại Stanford cho biết, ông nói: “Pin điện của chúng tôi là một bước tiến quan trọng hướng đến việc thu thập nguồn năng lượng này, mà không cần màng thẩm thấu, các bộ phận chuyển động hoặc nguồn năng lượng đầu vào”.

Dubrawski tiến hành các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của đồng tác giả Craig Criddle, giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường, nổi tiếng với các dự án liên ngành về công nghệ tiết kiệm năng lượng. Ý tưởng phát triển một loại pin khai thác sử dụng độ mặn của muối biển bắt nguồn từ đồng tác giả nghiên cứu Yi Cui (Dịch Thúy) giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuậtMauro Pasta, tiến sĩ khoa học vật liệu và kỹ thuật trong quá trình nghiên cứu. Đưa công nghệ này vào ứng dụng cho các nhà máy xử lý nước thải ven biển là ý tưởng của Criddle, xuất phát kinh nghiệm lâu năm của ông trong quá trình nghiên cứu phát triển các công nghệ xử lý nước thải.

Khi nước ngọt từ các nhà máy xử lý nước thải ven biển được xả ra hòa lẫn với nước biển mặn, một phản ứng điện hóa diễn ra trong quá trình này khiến năng lượng được sinh ra ra. Năng lượng này có thể được sử dụng, để sạc pin dự trữ điện và sử dụng lại cho nhà máy.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một nguyên mẫu pin, theo dõi quá trình sản xuất năng lượng của bình điện trong khi xả nước thải hàng giờ liên tục từ Nhà máy kiểm soát chất lượng nước khu vực Palo Alto, hòa lẫn vào nước biển từ vịnh Half Moon. Trong 180 lần xả nước, vật liệu pin duy trì hiệu quả 97 % trong việc thu năng lượng từ độ mặn của nước biển.

Công nghệ này có thể hoạt động ở bất cứ nơi nào có nước ngọt và nước mặn xen kẽ, nhưng các nhà máy xử lý nước thải là trường hợp mà nghiên cứu này có giá trị đặc biệt quan trọng.

Nhà máy Cải tạo nước Hyperion trên vịnh Santa Monica ở Los Angeles xử lý nước thải ven biển có khả năng ứng dụng công nghệ mới để thu  năng lượng Xanh từ  trộn nước biển và nước thải sạch .

Quy trình xử lý nước thải cần rất nhiều năng lượng, chiếm khoảng 3% tổng tải điện của Mỹ. Quá trình xử lý nước thải vô cùng cần thiết cho sức khỏe cộng đồng nhưng cũng dễ bị mất nguồn điện lưới.

Nghiên cứu này có thể khiến các nhà máy xử lý nước thải độc lập về năng lượng, không chỉ làm giảm thiểu tiêu hao điện, giảm khí thải mà còn giúp các nhà máy này không thể mất điện - một lợi thế lớn tại các địa bàn như California, nơi các vụ cháy rừng thường xuyên dẫn đến mất điện trên diện rộng.

Điện nước

Mỗi mét khối nước ngọt hòa với nước biển sẽ tạo ra khoảng 0,65 kilowatt giờ điện - đủ để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà của người Mỹ thu nhập trung bình của người Mỹ trong khoảng 30 phút. Trên toàn cầu, năng lượng có thể tái tạo trên lý thuyết từ các nhà máy xử lý nước thải ven biển khoảng 18 gigawatt - đủ để cung cấp năng lượng cho hơn 1.700 ngôi nhà trong một năm.

Pin của nhóm Stanford là không phải là công nghệ đầu tiên thành công trong việc thu nguồn năng lượng xanh, nhưng lại là công nghệ đầu tiên sử dụng điện hóa pin thay vì áp suất hoặc màng thẩm thấu. Nếu được triển khai ở quy mô lớn, công nghệ này cung cấp một giải pháp đơn giản, công suất lớn và tiết kiệm chi phí hơn.

Quá trình đầu tiên khi nước ngọt hòa xả vào sẽ giải phóng các ion natri và clorua từ các điện cực của pin trong dung dich, tạo ra dòng điện từ điện cực này sang điện cực khác. Sau đó, khi nước mặn tràn vào sẽ diễn ra sự trao đổi nhanh chóng giữa nước thải ngọt, các điện cực lại hấp thụ các ion natri và clorua, diễn ra quá trình nạp điện cho pin.

Quá trình điện hóa khi hòa nước ngọt và nước mặn
 

Năng lượng tái tạo thu được khi nước ngọt và nước biển hòa lẫn với nhau, không cần phải cung cấp nguồn điện ban đầu và không cần phải sạc lại pin. Điều này có nghĩa là pin liên tục xả và sạc lại, không cần bất kỳ nguồn năng lượng đầu vào nao.

Công nghệ có độ bền vững cao và giá cả hợp lý

Mặc dù các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy sản lượng điện còn thấp trên mỗi vùng điện cực, tiềm năng tăng công suất của pin được coi là khả thi hơn tất các công nghệ điện tái tạo trước đây do thể tích của pin điện nhỏ, cấu tạo đơn giản, tạo năng lượng liên tục, không cần thiết có màng thẩm thấu, các thiết bị kiểm soát điện tích sạc điện và điện áp.

Các điện cực được chế tạo bằng Prussian Blue (một sắc tố xanh tối với công thức Fe(CN)₁₈), vật liệu được sử dụng rộng rãi trong bột màu và thuốc, có giá dưới 1 đô la một kg và polypyrrole, vật liệu sử dụng thử nghiệm trong pin và các thiết bị khác, bán với giá dưới 3 USD một kg.

Không có nhu cầu cao về pin dự phòng, do các vật liệu thiết kế cho pin điện muối tương đối vững chắc, lớp phủ polyvinyl alcohol và axit sulfosuccinic có tác dụng bảo vệ các điện cực khỏi bị ăn mòn, không có bộ phận cơ khí chuyển động nào liên quan. Nếu được phát triển, tối ưu hóa và hiện đại hóa quy trình cung cấp điện, công nghệ này có thể cung cấp đủ điện áp và dòng điện cho bất kỳ nhà máy xử lý nước thải ven biển nào. Nguồn điện dư thừa có thể được chuyển hướng sang một nhà máy công nghiệp gần đó, như một nhà máy khử muối từ nước biển.

Đây là giải pháp khoa học cho một vấn đề phức tạp, ông Dubrawski nhận xét. Cần phải được thử nghiệm trên quy mô lớn. Công nghệ này chưa giải quyết được thách thức của vấn đề khai thác năng lượng Xanh trên quy mô toàn cầu, khu vực những dòng sông chảy vào đại dương, nhưng đó là công nghệ khởi đầu tốt, có thể thúc đẩy sự phát triển của những công nghệ khác, khai thác kết quả của phát minh này.

Để đánh giá đầy đủ tiềm năng của pin trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu một phiên bản thu nhỏ của nhà máy, tìm hiểu hệ thống hoạt động thế nào với một tổ hợp nhiều pin hoạt động đồng thời.

Trịnh Thái Bằng
   0   Tổng số:
  Gửi ý kiến phản hồi
339