Khử mặn nước biển hiện chủ yếu dựa vào thẩm thấu ngược hoặc chưng cất nhiệt. Những phương pháp này có thể cung cấp nguồn nước quan trọng cho các khu vực khan hiếm nước, nhưng vẫn tồn tại một vấn đề lớn là để lại một lượng nước muối có nồng độ rất cao, gọi là brine.

Khi được xả trở lại biển, dòng nước này có thể làm tăng độ mặn cục bộ và làm giảm lượng oxy hòa tan, gây bất lợi cho sinh vật biển.

Nhóm nghiên cứu do Chunlei Guo, giáo sư quang học và vật lý tại Đại học Rochester dẫn đầu, đã tìm cách giải quyết vấn đề này bằng một hệ thống sử dụng nhiệt từ ánh sáng mặt trời.

Trung tâm của thiết bị là một tấm kim loại màu đen được xử lý bằng các xung laser femto giây. Đây là những xung laser cực ngắn, có thời gian chỉ bằng một phần triệu tỷ giây. Laser tạo ra các cấu trúc cực nhỏ trên bề mặt kim loại, giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng rất hiệu quả đồng thời có khả năng “dẫn nước” mạnh.

Khi nước biển tiếp xúc với bề mặt này, nước nhanh chóng lan thành một lớp rất mỏng. Kim loại hấp thụ ánh sáng mặt trời, làm nóng lớp nước và khiến nước bay hơi. Muối và các khoáng chất hòa tan không bay hơi theo mà được giữ lại trên bề mặt.

Điểm khó nhất của khử mặn bằng năng lượng mặt trời là muối có thể tích tụ trên bề mặt, tạo thành lớp cặn cứng và làm hệ thống mất hiệu quả.

Ngoài natri clorua, nước biển chứa magnesium, calcium và nhiều khoáng chất khác. Một số chất có thể kết tinh thành những lớp cặn đặc, cứng, khiến nước không thể tiếp tục di chuyển trên bề mặt.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu tạo những rãnh siêu nhỏ trên kim loại để hướng muối ra khỏi khu vực đang diễn ra quá trình bay hơi. Nhờ vậy, muối không hình thành lớp cặn ngay tại nơi nước đang được làm bay hơi.

Các nhà nghiên cứu sử dụng nước biển thực tế lấy từ Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương. Kết quả cho thấy bề mặt có khả năng tự làm sạch, nước vẫn được dẫn qua khu vực hoạt động để bay hơi, trong khi muối và khoáng chất được đẩy sang vùng thụ động ở hai bên. Quan trọng hơn, sự tích tụ khoáng chất tại những khu vực này không làm giảm hiệu suất khử mặn của thiết bị.

Thay vì tạo ra nước muối cô đặc cần xử lý hoặc xả bỏ, hệ thống thu hồi gần 100% lượng muối hòa tan dưới dạng chất rắn. Một phần muối thu được có thể được sử dụng, trong khi các khoáng chất có giá trị hơn có thể tiếp tục được tách riêng.

Một hướng phát triển đặc biệt đáng chú ý là thu hồi lithium. Đây là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng hiện tại.

Trong một nghiên cứu liên quan, nhóm của Guo đã bổ sung các hạt nano hydrogen titanate vào những rãnh siêu nhỏ trên kim loại. Các hạt này có khả năng chọn lọc lithium khỏi hỗn hợp muối và khoáng chất còn lại sau quá trình khử mặn.

Khi thử nghiệm với mẫu nước từ Great Salt Lake, nhóm nghiên cứu thu hồi được khoảng 50% lượng lithium có trong phần muối còn lại. Theo GS Guo, khai thác lithium trực tiếp từ nước mặn có thể trở thành một hướng đáng chú ý trong tương lai, bởi khai thác lithium từ đất liền hiện đòi hỏi nhiều năng lượng và có tác động môi trường đáng kể.

Nếu có thể triển khai ở quy mô công nghiệp, công nghệ này sẽ giải quyết đồng thời hai bài toán là tạo thêm nước ngọt bằng năng lượng mặt trời và biến một phần chất thải thành nguồn nguyên liệu, trong đó lithium.