Các nhà khoa học tại Đại học Nông Lâm Tây Bắc A&F (Trung Quốc) vừa phát triển một công nghệ đột phá cho phép chiết tách và thu gom boron trực tiếp từ nước biển, một bước tiến có ý nghĩa chiến lược đối với ngành công nghiệp quốc phòng và chuỗi cung ứng toàn cầu.

Boron là nguyên tố siêu nhẹ, được sử dụng làm nhiên liệu rắn cho động cơ scramjet trên một số loại vũ khí siêu vượt âm tiên tiến của Trung Quốc. Ngoài ra, nam châm đất hiếm neodymium-sắt-boron – linh kiện quan trọng trong nhiều ứng dụng quân sự và công nghiệp – cũng phụ thuộc trực tiếp vào nguồn cung boron.

Trong bối cảnh căng thẳng thương mại leo thang, khả năng tiếp cận đầy đủ ba nguyên liệu chiến lược gồm neodymium, sắt và boron trở nên đặc biệt quan trọng đối với các chuỗi cung ứng công nghệ cao.

Dù là quốc gia có nhu cầu boron lớn nhất thế giới, Trung Quốc lại không phải nhà sản xuất hàng đầu; phần lớn nguồn cung toàn cầu đến từ Thổ Nhĩ Kỳ và Mỹ. Trong khi đó, nước biển chứa hàm lượng boron vi lượng mà công nghệ thẩm thấu ngược hiện nay không thể loại bỏ, thậm chí có thể khiến boron bị cô đặc. Việc sử dụng lâu dài nước tinh khiết chứa boron gây hại cho sức khỏe.

Nghiên cứu công bố ngày 7/11 trên tạp chí Science Bulletin cho biết nhóm của ông Fan Zhimin tại Phòng thí nghiệm trọng điểm tỉnh Thiểm Tây đã phát triển một giải pháp hoàn toàn mới dựa trên công nghệ bay hơi giao diện sử dụng năng lượng mặt trời (SDIE).

Đây là công nghệ bền vững sản xuất nước ngọt, và với các tiến bộ mới trong việc tích hợp vật liệu hấp phụ chọn lọc, SDIE còn có thể đồng thời thu hồi các nguyên tố giá trị như lithium, uranium hay cesium.

Dựa trên nguyên lý này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống duy nhất có khả năng dùng năng lượng mặt trời để đồng thời tách nước ngọt và boron từ nước biển. Họ tạo ra một loại gel mới có tên MMS, sử dụng natri alginate làm nền và bổ sung hai thành phần công nghệ cao: MXene và MgO.

MXene là vật liệu nano cacbide kim loại chuyển tiếp hai chiều có cấu trúc giống graphene, nổi tiếng nhờ hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt rất cao, giúp tăng tốc quá trình bay hơi nước. Trong khi đó, MgO đóng vai trò chất hấp phụ, giữ lại boron một cách hiệu quả.

Theo mô tả, gel MMS được tạo thành những tấm mỏng dày 2 mm. Lớp trên nổi trên mặt nước để tiếp xúc với ánh sáng, trong khi lớp dưới tiếp xúc trực tiếp với nước biển để hấp thụ. Khi ánh sáng làm bốc hơi nước ở lớp MXene phía trên, một gradient nồng độ hình thành, kéo nước biển đi lên xuyên qua gel. Đồng thời, lớp dưới liên tục hút nước và boron, nhờ hạt MgO giữ chất này lại.

Nhóm nghiên cứu cho biết quá trình này tạo ra nước ngọt từ sự bay hơi của gel MXene-MgO, trong khi boron từ nước biển được giữ lại và tích tụ. Trong thí nghiệm, hệ thống đạt tốc độ bay hơi tối đa 2,14 kg nước mỗi mét vuông gel mỗi giờ, thu gom 225,52 mg boron.

Thu thập boron trong nước biển bằng năng lượng mặt trời nhờ gel MMS.

Điều làm MMS đặc biệt hiệu quả là cấu trúc xốp phân cấp độc đáo và sự kết hợp giữa MXene và MgO. MXene hấp thụ ánh sáng dải rộng và chuyển đổi quang nhiệt mạnh, còn MgO cho phép hấp phụ boron có chọn lọc. Nhóm nghiên cứu nói rằng sự tương tác giữa nhiệt độ, nồng độ và chuyển động dòng chảy bên trong gel đã tăng cường đáng kể tốc độ hấp phụ.

Để thử nghiệm ngoài thực tế, các nhà khoa học đã lắp đặt thiết bị tại Hong Kong. Sau 3 giờ vận hành, nước ngưng tụ xuất hiện ở phần trên thiết bị. Dù bức xạ mặt trời trong tháng 3 khá yếu, gel vẫn đạt năng suất 5,20 kg nước mỗi mét vuông và thu gom 122,45 mg boron, đồng thời không phát hiện ion boron trong phần nước thu được.

Theo bài báo, gel MMS có thể tái sử dụng nhiều lần. Sau bảy chu kỳ, khả năng hấp phụ boron vẫn trên 86%, còn tốc độ bay hơi gần như không suy giảm.

Ông Fan kết luận rằng MMS “có tiềm năng lớn trong việc đồng thời sản xuất nước ngọt và chiết tách boron từ nước biển hoặc nước lợ”, đồng thời cho biết nhóm nghiên cứu muốn thảo luận sâu hơn về chi phí và khả năng mở rộng công nghệ cho các ứng dụng quy mô lớn.