Máy lọc nước đã được chế tạo tại phòng thí nghiệm của Xiaolin Zheng, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại trường Đại học Standford, là sự thay đổi quy trình nổi tiếng sử dụng năng lượng mặt trời để tách nước thành hydro, nhiên liệu đốt sạch và oxy, yếu tố cần thiết duy trì sự sống. Tuy nhiên, thay vì tách hoàn toàn oxy và hydro, quy trình mới khử oxy và oxy hóa nước tạo thành hydro peroxit hoặc H2O2. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
 |
Chỉ cần một lượng nhỏ H2O2 cũng có thể lọc nước. Hydro peroxit khử trùng nước ở mức hàng chục phần triệu, cụ thể là khoảng hai muỗng cho 25 gallon nước. Trong các thử nghiệm sử dụng nước máy, hệ thống mới dễ dàng đạt hơn 400 phần triệu H2O2 trong 5 giờ.
PGS. Zheng cho biết nhóm nghiên cứu sẽ phải thay đổi một số nguyên liệu trong quy trình này để tạo ra hỗn hợp nước thường với hydro peroxit an toàn để uống. Nhưng các nhà khoa học cho rằng một ngày nào đó, một người khát nước có thể sử dụng bộ lọc năng lượng mặt trời trọng lượng nhẹ, đổ nước vào và chờ để tạo ra đủ H2O2 thông qua quy trình kích hoạt bằng ánh nắng mặt trời nhằm biến đổi bất cứ loại nước ngọt nào thành nước uống.
Ngoài các ứng dụng sản xuất nước uống trong tương lai, nhóm nghiên cứu cũng cho rằng hệ thống của họ phù hợp với các bể bơi tự làm sạch bằng hydro peroxit được tạo ra nhờ năng lượng mặt trời thay vì dùng clo, hoặc các trạm xử lý nước bằng năng lượng mặt trời dành cho các khu vực đang phát triển nơi nước ngọt là mặt hàng quý giá.
Nguyên liệu dồi dào
Mẫu máy lọc nước bằng năng lượng mặt trời bao gồm hai điện cực: cực dương và cực âm, được nhúng vào nước. Cực dương được chế tạo từ bismuth vanadate (BiVO4), chất bán dẫn nhạy quang. Cacbon đơn được dùng làm cực âm. Khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời, chất bán dẫn bismuth vanadate đẩy các điện tử tích điện âm về phía cực âm, trong khi các lỗ mang điện tích dương chảy ngược về phía cực dương. Dòng điện tử đã biến đổi oxy thành hydro peroxit trong khi các lỗ hoạt động biến đổi nước thành hydro peroxit, tạo nên hợp chất làm sạch ở cả hai điện cực.
Đây là một bước tiến mới liên quan đến hệ thống quang điện hóa (PEC). Các hệ thống PEC đã được nghiên cứu nhiều từ những năm 1970 về khả năng chuyển đổi ánh nắng mặt trời thành nhiên liệu và các hóa chất hữu ích khác như hydro và oxy. Các thí nghiệm PEC trước đây đã tạo ra hydro peroxit nhưng không có thí nghiệm nào trong số đó thành công như nghiên cứu hiện nay.
Thật thú vị, hệ thống tạo ra hydro peroxit ở cả cực dương và cực âm. Cuối cùng, thậm chí điện năng vẫn còn được duy trì do hiệu quả của các phản ứng hóa học. Dù không phải là lớn, nhưng năng lượng bổ sung đó có thể được sử dụng để thắp sáng đèn LED như một chỉ báo cho thấy hệ thống hoạt động tốt.
Nghiên cứu sâu hơn
Các nhà khoa học cho rằng vẫn cần nghiên cứu thêm trước khi máy lọc nước sản sinh hydro peroxit có thể được sử dụng phổ biến. Quan trọng nhất là bismuth vanadate, cực dương, bản thân là độc hại và sẽ cần được thay thế bằng vật liệu nhạy quang khác tương đương.
TS. Samira Siahrostami, đồng tác giả nghiên cứu và là kỹ sư nghiên cứu đã lựa chọn bismuth vanadate làm cực dương cho mẫu máy lọc nước này do hiệu quả và khả năng sản sinh hydro peroxit. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ tìm kiếm các vật liệu cực dương khác ổn định, hiệu quả và an toàn để lọc nước.
Nhóm nghiên cứu cũng khuyến nghị thay thế cực âm cacbon bằng một vật liệu khác nhạy quang hơn. Thiết kế này sẽ khai thác phạm vi ánh nắng mặt trời rộng hơn để nâng cao hiệu quả của hệ thống.