Trong bối cảnh thiếu nước sạch đang trở thành vấn đề toàn cầu, đặc biệt tại các khu vực khô hạn, nhiều nhà khoa học đang tìm kiếm những giải pháp đột phá để khai thác các nguồn nước “phi truyền thống”. Một trong những hướng đi đầy tiềm năng là chiết xuất nước uống trực tiếp từ không khí.
Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas (Austin, Mỹ) đã phát triển thành công một loại hydrogel muối có khả năng hút lượng lớn nước ngọt ngay cả khi độ ẩm không khí chỉ ở mức 30%.
Thiếu nước ngọt và tiềm năng khổng lồ từ không khí
Thiếu nước uống sạch hiện đang ảnh hưởng đến hàng tỷ người trên thế giới, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển và những vùng thường xuyên chịu hạn hán. Trong khi đó, một thực tế ít được chú ý là trong không khí luôn tồn tại một lượng hơi nước rất lớn, kể cả ở những khu vực có khí hậu khô.
Nếu có thể khai thác hiệu quả nguồn hơi nước này, con người sẽ có thêm một giải pháp bền vững để bổ sung nước ngọt mà không phụ thuộc hoàn toàn vào sông hồ, nước ngầm hay khử mặn nước biển – những phương pháp vốn tốn nhiều năng lượng và chi phí. Chính từ bài toán này, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu các vật liệu có khả năng hấp thụ hơi nước từ không khí và chuyển hóa thành nước uống.
Hydrogel – vật liệu quen thuộc với khả năng hút nước vượt trội
Hydrogel là một dạng polymer đặc biệt, có cấu trúc mạng lưới cho phép giữ và hấp thụ một lượng nước rất lớn so với khối lượng của chính nó. Trên thực tế, hydrogel đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, từ tã giấy, băng gạc y tế cho đến các sản phẩm chăm sóc sức khỏe.
Nhờ khả năng thấm hút vượt trội, hydrogel từ lâu đã được xem là vật liệu tiềm năng cho các thiết bị hút ẩm và thu nước từ không khí. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hydrogel truyền thống là tốc độ hấp thụ chậm và hiệu suất chưa cao, đặc biệt trong điều kiện độ ẩm thấp – vốn là môi trường phổ biến tại các vùng khô hạn.
Đột phá với hydrogel muối zwitterionic hút nước ở độ ẩm thấp
Để khắc phục hạn chế trên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas, Austin đã tìm cách kết hợp hydrogel với các loại muối hút ẩm – những chất vốn nổi tiếng với khả năng hấp thụ hơi nước rất mạnh. Tuy nhiên, thách thức đặt ra là các muối hút ẩm thường không “ăn nhập” tốt với cấu trúc hydrogel thông thường.
Giải pháp của nhóm nghiên cứu là sử dụng một loại polymer đặc biệt được tạo thành từ các phân tử zwitterionic. Đây là những phân tử mang đồng thời cả điện tích dương và điện tích âm, cho phép polymer giữ muối hút ẩm một cách ổn định và bền vững bên trong cấu trúc hydrogel.
Nhờ thiết kế này, hydrogel muối mới có khả năng hút nước từ không khí hiệu quả hơn nhiều so với các vật liệu trước đây, ngay cả khi độ ẩm tương đối chỉ ở mức 30% – con số vốn được xem là rất thấp để thu nước từ không khí.
Quy trình thu nước đơn giản và khả năng tái sử dụng cao
Quá trình thu nước từ không khí bằng hydrogel muối diễn ra theo một chu kỳ khép kín gồm hai bước chính: hấp thụ và tách chiết.
Đầu tiên, vật liệu hydrogel muối được đặt trong môi trường không khí xung quanh để hấp thụ hơi nước trong khoảng một giờ. Sau đó, vật liệu này được đưa vào thiết bị ngưng hơi để làm khô, qua đó thu lại phần nước ngọt đã được hấp thụ. Khi hoàn tất, hydrogel tiếp tục được sử dụng cho chu kỳ tiếp theo.
Điểm đáng chú ý là việc lặp lại chu trình này nhiều lần không làm suy giảm khả năng hấp thụ và nhả nước của vật liệu. Điều này cho thấy hydrogel muối zwitterionic có độ bền cao và rất phù hợp cho các ứng dụng thực tế lâu dài, thay vì chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm.
Hiệu suất ấn tượng và tiềm năng ứng dụng trong tương lai
Trong các thử nghiệm thực tế, loại hydrogel muối mới đã cho thấy hiệu suất vô cùng ấn tượng. Cụ thể, nhóm nghiên cứu có thể chiết xuất tới 5,87 lít nước ngọt mỗi ngày từ chỉ 1 kg vật liệu, trong điều kiện độ ẩm không khí khoảng 30%.
Con số này mở ra triển vọng lớn cho việc phát triển các thiết bị thu nước từ không khí có quy mô nhỏ, dễ triển khai tại những khu vực thiếu nước, vùng xa xôi hoặc các khu dân cư không có hệ thống cấp nước ổn định.
Khi tiếp tục được cải tiến và thương mại hóa, hydrogel zwitterionic có thể trở thành giải pháp bổ sung nước uống bền vững, góp phần giảm áp lực lên các nguồn nước truyền thống.
Sự ra đời của hydrogel muối hút nước từ không khí đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ nước. Dù vẫn cần thêm thời gian để hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi, nhưng nghiên cứu này cho thấy không khí – nguồn tài nguyên tưởng chừng vô hình – hoàn toàn có thể trở thành nguồn nước uống quý giá trong tương lai, đặc biệt tại những nơi đang phải đối mặt với khủng hoảng nước sạch.
