Mọi Người Đều Sai Lầm Về Osmosis Ngược—Cho Đến Bây Giờ

Menachem Elimelech không bao giờ chấp nhận với quá trình osmosis ngược. Elimelech, người sáng lập chương trình kỹ thuật môi trường tại Đại học Yale, là một ngôi sao rock trong số những người phát triển hệ thống lọc biển nước hoặc nước thải thành nước uống sạch. Và osmosis ngược là ngôi sao rock trong các công nghệ lọc: Nó đã thống trị cách thế giới làm muối nước biển suốt khoảng một phần tư thế kỷ. Nhưng không ai thực sự biết nó hoạt động như thế nào. Và Elimelech ghét điều đó.

Tuy nhiên, anh ta vẫn phải dạy công nghệ này cho sinh viên của mình. Trong nhiều năm, anh ta chỉ họ cách ước lượng áp suất cao đẩy các phân tử nước trong nước biển qua một màng nhựa polyamide, tạo ra nước tinh khiết ở một bên của bức phim và để lại muối mặn thêm vào bên kia. Nhưng những tính toán này dựa trên một giả định mà làm phiền Elimelech và các kỹ sư khác: rằng các phân tử nước trải qua màng một cách cá nhân. “Điều này luôn làm phiền tôi. Nó không có ý nghĩa gì cả,” anh ấy nói.

Dù có vẻ như là một câu hỏi kỹ thuật kỳ lạ, nhưng bất mãn của Elimelech với osmosis ngược dựa trên một vấn đề thực tế. Hơn 3 tỷ người sống ở những khu vực nơi nước khan hiếm. Đến năm 2030, nhu cầu sẽ vượt quá nguồn cung 40%.

Chuyển đổi nước từ biển mặn thành nước uống luôn là một quá trình tiêu tốn năng lượng. Những nhà máy xử lý nước biển bằng phương pháp hơi cũ ở các quốc gia vùng Vịnh—nơi năng lượng dồi dào—chưng cất nước biển bằng cách đun sôi và thu hồi hơi nước. Một thế hệ mới của những nhà máy xử lý nước biển bằng phương pháp osmosis ngược, chạy nước qua một dãy màng nhựa, đã giảm nhu cầu năng lượng một chút, nhưng vẫn chưa đủ. Vẫn cần rất nhiều năng lượng để đẩy nước qua các bộ lọc có cấu trúc chặt, nên thậm chí cải tiến nhỏ trong thiết kế màng lọc cũng mang lại nhiều lợi ích.

Trong một nghiên cứu được công bố vào tháng 4, nhóm của Elimelech đã chứng minh rằng giả định trước đây về cách nước chuyển động qua màng là sai. Họ thay thế nó bằng một lý thuyết “ma sát giải pháp” rằng các phân tử nước di chuyển theo cụm thông qua các lỗ nhỏ, tạm thời bên trong polymer, tạo ra ma sát khi chúng đi qua. Vật lý của ma sát đó quan trọng, vì hiểu biết về nó có thể giúp người ta thiết kế vật liệu hoặc cấu trúc màng lọc giúp quá trình xử lý nước mặn trở nên hiệu quả hơn hoặc tốt hơn trong việc loại bỏ các chất hóa học không mong muốn.

Màng lọc hiệu quả hơn cũng có thể cải thiện hệ thống nước cấp thành phố và mở rộng phạm vi của quá trình xử lý nước biển. “Đây là một trong những đột phá lớn,” như Steve Duranceau, một kỹ sư môi trường tại Đại học Trung Florida, người đã dành 15 năm thiết kế những nhà máy xử lý nước biển trước khi trở thành giáo sư, nói. “Điều này sẽ thay đổi cách mọi người bắt đầu mô hình hóa và diễn giải cách thiết kế hệ thống này.”

“Họ đã làm chính xác,” Eric Hoek, một kỹ sư môi trường tại Đại học UCLA, người đã đào tạo dưới sự hướng dẫn của Elimelech 20 năm trước nhưng không tham gia vào nghiên cứu, nhận xét. “Cuối cùng, có ai đó đã đặt đinh vào quyển sách.”

Gốc của ý tưởng ma sát giải pháp mới thực sự có từ lâu. Cơ toán phân tử học đằng sau nó có nguồn gốc từ những năm 1950 và 1960, khi các nghiên cứu viên Israel Ora Kedem và Aharon Katzir-Kachalsky cùng nghiên cứu viên UC Berkeley Kurt Samuel Spiegler, rút ra các phương trình xử lý nước biển tính đến ma sát—nghĩa là cách nước, muối và lỗ trong màng nhựa tương tác với nhau.

Ma sát là sự kháng cự. Trong trường hợp này, nó cho bạn biết làm thế nào khó khăn để điều gì đó vượt qua màng. Nếu bạn kỹ sư một màng có ít sự kháng cự đối với nước, và nhiều sự kháng cự đối với muối hoặc bất cứ thứ gì khác bạn muốn loại bỏ, bạn sẽ có một sản phẩm sạch hơn với ít công việc có thể.

Nhưng mô hình đó đã được đặt vào kệ sách vào năm 1965, khi một nhóm khác giới thiệu một mô hình đơn giản hơn. Mô hình này giả sử rằng polymer nhựa của màng là chặt chẽ và không có lỗ thông qua đó nước có thể chảy. Nó cũng không cho rằng ma sát đóng một vai trò. Thay vào đó, nó giả sử rằng phân tử nước trong dung dịch nước mặn sẽ tan vào nhựa và khuếch tán ra phía bên kia. Vì lý do đó, nó được gọi là mô hình “khuếch tán giải pháp”.

Khuếch tán là sự chảy của một chất từ nơi nó nồng độ cao hơn đến nơi nó nồng độ thấp hơn. Hãy tưởng tượng một giọt nước màu lan tỏa trong một cốc nước, hoặc mùi tỏi phát tán ra khỏi bếp. Nó tiếp tục chuyển động về cân bằng cho đến khi nồng độ của nó là giống nhau ở mọi nơi, và nó không phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất, như sự hút nước qua ống hút.

Mô hình vẫn tồn tại, nhưng Elimelech luôn nghi ngờ rằng nó sai. Đối với ông, việc chấp nhận rằng nước khuếch tán qua màng ngụ ý điều gì đó kỳ lạ: rằng nước phân tán thành các phân tử riêng lẻ khi đi qua. “Làm thế nào có thể?” Elimelech hỏi. Việc phá vỡ cụm phân tử nước đòi hỏi một lượng năng lượng lớn. “Bạn gần như cần đun sôi nước để đưa nó vào màng.”

Tuy nhiên, Hoek nói, “20 năm trước, đề xuất rằng nó không chính xác là điều không thể chấp nhận.” Hoek thậm chí không dám sử dụng từ “lỗ” khi nói về màng osmosis ngược, vì mô hình thống trị không công nhận chúng. “Trong nhiều năm, nhiều năm,” ông nói mỉa mai, “tôi đã gọi chúng là ‘các yếu tố khối lượng tự do tương kết.’”

Trong vòng 20 năm qua, hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi tiên tiến đã củng cố nghi ngờ của Hoek và Elimelech. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng polymer nhựa được sử dụng trong các màng xử lý nước biển không hề chặt chẽ và không có lỗ như đã nghĩ trước đây. Trên thực tế, chúng thậm chí chứa những đường hầm tương kết—mặc dù chúng tuyệt đối nhỏ bé, đỉnh điểm là khoảng 5 angström trong đường kính, hoặc một nửa nanômét. Tuy nhiên, một phân tử nước dài khoảng 1,5 angström, vì vậy đó là đủ chỗ cho các cụm phân tử nước nhỏ để chui qua những kẽ hở này, thay vì phải đi một cách từng cái một.

Khoảng hai năm trước, Elimelech cảm thấy là đúng thời điểm để hạ bỏ mô hình khuếch tán giải pháp. Ông làm việc cùng một đội ngũ: Li Wang, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Elimelech, nghiên cứu dòng chất lỏng qua các màng nhỏ để thực hiện đo lường thực tế. Jinlong He, tại Đại học Wisconsin-Madison, chỉnh sửa một mô hình máy tính mô phỏng điều gì xảy ra ở tỉ lệ phân tử khi áp suất đẩy nước mặn qua màng.

Dự đoán dựa trên mô hình khuếch tán giải pháp sẽ nói rằng áp suất nước nên giống nhau ở cả hai bên của màng. Nhưng trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng áp suất ở cửa vào và cửa ra của màng khác nhau. Điều này ngụ ý rằng áp suất đẩy dòng nước qua màng, thay vì là sự khuếch tán đơn giản.

Họ cũng phát hiện ra rằng nước di chuyển theo cụm thông qua các lỗ tương kết, nhỏ bé nhưng đủ lớn để nước không cần phải phân tán thành các phân tử riêng lẻ để chui qua. Những lỗ này dường như xuất hiện và biến mất qua màng theo thời gian, nhờ áp suất được áp dụng và chuyển động phân tử tự nhiên.

Tùy thuộc vào vật liệu màng, những lỗ này tương tác khác nhau với nước, muối hoặc các hợp chất khác. Elimelech nghĩ rằng kỹ sư có thể thiết kế màng để tăng cường khả năng từ chối muối (bằng cách làm cho lỗ tương tác nhiều với chúng) hoặc giảm ma sát với nước (bằng cách làm cho lỗ ít hấp dẫn hơn đối với nước, để nước trượt qua mạch). Làm cho việc tách hai cái này dễ dàng hơn có nghĩa là bạn có thể sử dụng ít áp suất và giảm chi phí năng lượng.

Hoặc, ông nghĩ, kỹ sư có thể tinh chỉnh màng để lọc bỏ những chất độc hại trong môi trường, như boron và clorua. Khoảng 20 phần trăm boron từ nước biển trôi qua màng dưới dạng axit boric. Lượng đó là an toàn cho người nhưng có thể gây độc hại cho cây trồng được tưới tiêu bằng nước thải. Ở Israel, các nhà máy lọc nước phải thực hiện bước detoxification bổ sung chỉ để loại bỏ boron và clorua trong nước sử dụng cho nông nghiệp. Nếu bạn có thể lọc chúng ngay từ lần lọc đầu tiên, Elimelech nói, “Bạn có thể tiết kiệm về chi phí vốn và năng lượng.”

Hoek cho rằng ý tưởng này khả thi—nhưng chưa hoàn toàn. (Đồng nghiệp của ông gần đây đã nghiên cứu thiết kế màng để từ chối boron.) Kỹ sư có thể thử nghiệm với kích thước kênh, pH địa phương, hoặc điện tích trên các lỗ màng, ông đề xuất.

Và điều này có thể vượt xa boron, clorua, hoặc thậm chí là xử lý nước biển. Các nhà máy tiện ích thành phố sử dụng osmosis ngược để loại bỏ chất độc hại PFAS “chất hóa học vĩnh viễn” từ nước uống. Màng hiện tại vẫn được coi là phương pháp tốt nhất, nhưng nhiều nghiên cứu viên quyết tâm thiết kế màng tốt hơn để bắt giữ các hợp chất độc hại.

Duranceau mơ về những màng linh hoạt và có thể tùy chỉnh như quần áo—có thể được chọn dựa trên những gì người dùng cần. Sau cùng, màng là nhựa, biểu tượng của tính linh hoạt trong tùy chỉnh. Có thể, kỹ sư nghĩ, kiến thức này sẽ dẫn đến màng được làm từ các vật liệu khác ngoài polyamide mà sẽ tốt hơn trong việc loại bỏ PFAS hoặc chì. Hoặc có thể màng mà bạn chọn sẽ phụ thuộc vào độ mặn của nước—từ nước loãng đến nước mặn.

Điều đó có thể mất một thời gian—Elimelech thậm chí tự hỏi liệu có nên sử dụng một thuật toán để tìm kiếm vật liệu màng có thể vượt qua polyamide, như cách các công ty sinh học đã chuyển sang học máy để tìm kiếm loại thuốc mới. “Nhưng đó là thách thức lớn,” ông chỉ ra, vì trong hơn 40 năm qua, không ai đã tìm thấy cái gì đó tốt hơn. Ít nhất là bây giờ, tuy nhiên, khoa học về dòng chảy nước đang diễn ra một cách rõ ràng.