Trung Quốc chiết xuất nhiên liệu vũ khí siêu thanh từ nước biển

Theo SCMP, các nhà khoa học tại Đại học Nông Lâm Tây Bắc (Trung Quốc) phát triển công nghệ mới cho phép chiết xuất và thu gom boron từ nước biển. 

Boron là nguyên tố nhẹ được dùng làm nhiên liệu rắn cho động cơ scramjet trên một số vũ khí siêu thanh tiên tiến của Trung Quốc. Ngoài ra, đây còn là thành phần quan trọng trong nam châm đất hiếm neodymium-sắt-boron, loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và quốc phòng. 

Trong bối cảnh căng thẳng thương mại liên quan đến khoáng sản chiến lược, nhu cầu ổn định nguồn cung boron, cùng với neodymium và sắt, ngày càng trở nên quan trọng với chuỗi cung ứng toàn cầu.

Trung Quốc có nhu cầu boron lớn nhất thế giới nhưng không phải quốc gia sản xuất chủ lực. Phần lớn khoáng sản boron toàn cầu hiện do Thổ Nhĩ Kỳ và Mỹ cung cấp.

Nước biển chứa lượng boron rất nhỏ mà công nghệ khử mặn thẩm thấu ngược hiện nay không thể loại bỏ, thậm chí còn có thể làm tăng nồng độ. Việc sử dụng lâu dài nước lọc vẫn còn boron có thể gây hại cho sức khỏe.

Trong nghiên cứu công bố ngày 7/11 trên tạp chí Science Bulletin, nhóm nghiên cứu cho biết công nghệ bay hơi giao diện bằng năng lượng mặt trời (SDIE) đang được xem là giải pháp bền vững cho sản xuất nước ngọt.

Nhóm cho biết việc tích hợp các chất hấp phụ chọn lọc vào hệ thống SDIE gần đây đã mở ra khả năng tách đồng thời nước ngọt và thu hồi nhiều nguyên tố giá trị như lithium, uranium hay cesium. Từ nền tảng đó, họ phát triển một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để vừa tạo nước ngọt, vừa tách boron khỏi nước biển.

Nhóm chế tạo một loại gel mới gọi là MMS, sử dụng natri alginat làm nền và bổ sung hai hợp chất công nghệ cao MXene và MgO. MXene là vật liệu nano hai chiều có cấu trúc giống graphene, nổi bật với khả năng chuyển đổi quang nhiệt hiệu quả, giúp tăng tốc độ bay hơi. Trong khi đó, MgO hoạt động như chất hấp phụ, cho phép thu giữ boron theo cơ chế chọn lọc.

Gel MMS được tạo thành các tấm mỏng dày 2 mm. Lớp trên nổi trên mặt nước để hấp thụ ánh sáng và trao đổi không khí, còn lớp dưới chìm trong nước biển để thực hiện quá trình hấp thu.

Dưới ánh nắng, nước bay hơi từ bề mặt gel tạo ra chênh lệch nồng độ, khiến nước biển được kéo lên qua lớp gel. Phần gel tiếp xúc nước biển liên tục hút nước và boron, trong khi các hạt MgO bên trong giữ lại boron.

Theo nhóm nghiên cứu, nước ngọt được tạo ra từ quá trình bay hơi trong gel composite MXene-MgO, còn boron được tích lũy bên trong gel. Trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, hệ thống đạt tốc độ bay hơi tối đa 2,14 kg nước/m2 gel mỗi giờ và thu giữ 225,52 mg boron.

Hiệu quả của MMS đến từ cấu trúc xốp phân tầng đặc biệt và sự kết hợp giữa MXene và MgO. MXene hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng thành nhiệt, còn MgO là chất hấp phụ boron hiệu quả. Sự thay đổi về nhiệt độ, nồng độ và dòng chảy bên trong gel cũng góp phần tăng tốc độ thu giữ boron.

Để kiểm chứng khả năng ứng dụng thực tế, nhóm tiến hành thử nghiệm ngoài trời tại Hong Kong. Sau ba giờ vận hành, hơi nước ngưng tụ xuất hiện ở phần trên của thiết bị. Dù bức xạ mặt trời tháng 3 khá yếu, gel vẫn tạo được 5,20 kg nước/m2 và thu giữ 122,45 mg boron/m2. Không phát hiện ion boron trong nguồn nước ngưng.

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

“Kết quả cho thấy MMS có tiềm năng lớn trong việc đồng thời sản xuất nước ngọt và chiết xuất boron từ nước biển hoặc nước lợ”, ông Fan Zhimin, chủ nhiệm dự án nghiên cứu, cho biết, đồng thời nhấn mạnh nhóm muốn tiếp tục đánh giá chi phí và khả năng mở rộng công nghệ cho các ứng dụng quy mô lớn.