Hệ thống thu hồi nước đa tầng cho vùng biển và hải đảo

Ba thành viên nhóm Ecotec9 nhận giải thưởng tại cuộc thi. Ảnh: H.V

Nghiên cứu này đoạt giải Nhất cả 2 cuộc thi Khoa học kỹ thuật cấp thành phố năm học 2025 - 2026 dành cho học sinh trung học do Sở Giáo dục và Đào tạo tổ chức và cuộc thi U-Invent 8 2026 dành cho học sinh THPT toàn quốc do Viện Nghiên cứu và Đào tạo Việt - Anh (Đại học Đà Nẵng) phối hợp Thành đoàn và Hội Sinh viên thành phố tổ chức.

Em Phan Hoàng Long, lớp 12A2, Trưởng nhóm EcoTec9 cho biết, từ thực trạng khan hiếm nước sạch tại khu vực ven biển và hải đảo; đồng thời nhận thấy khu vực trên sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo gió và mặt trời, nhóm đã có ý tưởng nghiên cứu hệ thống thu hồi nước đa tầng kết hợp năng lượng mặt trời và gió. Để hoàn thành nghiên cứu và phát triển hệ thống, nhóm thực hiện trong thời gian 1 năm, bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và chế tạo mô hình, thực nghiệm và đánh giá hiệu quả.

Theo Long, hệ thống thu hồi nước đa tầng vận hành kết hợp hai nguồn năng lượng tái tạo. Cụ thể, năng lượng gió làm quay cánh quạt, thông qua cơ cấu truyền động để vận hành piston bơm nước lên các tầng màng quang nhiệt. Tại đây, năng lượng mặt trời được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt, làm nước bay hơi. Hơi nước sau đó ngưng tụ trên mái vòm, chảy xuống hệ thống lọc nhiều tầng (lọc than hoạt tính, MOFs, cát, bông PP) để loại bỏ tạp chất và thu nước sạch.

Từ nguyên lý này, hệ thống sở hữu ba ưu điểm nổi bật. Thứ nhất, hệ thống không sử dụng điện năng, phù hợp vùng ven biển và hải đảo. Thứ hai, cấu trúc đa tầng giúp tăng diện tích bay hơi, nâng cao hiệu suất thu hồi nước so với hệ đơn tầng. Thứ ba, việc tích hợp bơm nước bằng năng lượng gió giúp cấp nước ổn định cho các tầng. Ngoài ra, hệ thống lọc sau ngưng tụ bảo đảm chất lượng nước đạt tiêu chuẩn sinh hoạt.

“Hệ thống có thời hạn sử dụng khoảng 10 năm. Về giá thành, do sử dụng các vật liệu tương đối phổ biến như nhựa, cát, than hoạt tính, polymer… nên chi phí khoảng 2,6 triệu đồng cho một mô hình hệ thống thu hồi nước đa tầng. Chi phí vận hành gần như bằng 0 vì sử dụng hoàn toàn năng lượng tự nhiên”, Long nói.

Em Võ Ngọc Tấn Phát, lớp 12A2, thành viên nhóm Ecotec9 cho hay, để kiểm tra hiệu quả, nhóm tiến hành thử nghiệm hệ thống trên mô hình thực nghiệm trong các điều kiện mô phỏng môi trường ven biển với các yếu tố tốc độ gió, cường độ ánh sáng và góc chiếu sáng khác nhau nhằm đánh giá toàn diện hiệu quả hoạt động. Kết quả, khả năng bơm nước, hệ thống hoạt động ổn định từ mức gió khoảng 3m/s với lưu lượng đạt khoảng 15 lít nước/giờ, và tăng dần lên đến khoảng 25 lít nước/giờ khi tốc độ gió đạt 7m/s. Điều này chứng tỏ hệ thống có thể vận hành hiệu quả trong điều kiện gió phổ biến tại các khu vực ven biển và hải đảo.

Về hiệu suất thu hồi nước, hệ thống đa tầng cho kết quả vượt trội so với hệ đơn tầng. Cụ thể, ở cùng điều kiện, hệ đa tầng đạt khoảng 1,2 lít nước/giờ, cao hơn khoảng 1,33 lần so với hệ đơn tầng.

Ngoài ra, hệ thống duy trì hiệu suất tốt ở nhiều góc chiếu sáng khác nhau (30°, 60°, 90°), cho thấy khả năng thích ứng linh hoạt với điều kiện tự nhiên. Song song, quá trình bay hơi, ngưng tụ diễn ra ổn định và liên tục với các giọt nước hình thành rõ rệt trên mái vòm sau khoảng 20 đến 60 phút. Về chất lượng nước sau xử lý, kết quả phân tích các chỉ tiêu như: pH, TDS, Amoni, độ đục và vi sinh đều đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước sạch do Bộ Y tế ban hành QCVN 01-1:2024/BYT.

Theo em Phạm Mạnh Quân, lớp 12A2, thành viên nhóm Ecotec9, trong quá trình nghiên cứu, nhóm gặp khó khăn khi ở các hệ thống cung cấp nước truyền thống, nước được dẫn lên nhờ cơ chế mao dẫn hoặc thẩm thấu, phù hợp với cấu trúc đơn tầng hoặc bề mặt nằm ngang. Khi chuyển sang mô hình đa tầng theo phương thẳng đứng, nước khó cung cấp đầy đủ và đồng đều lên các tầng phía trên, dẫn đến hiện tượng thiếu nước, làm giảm hiệu suất bay hơi và thu hồi nước. Vì thế, nhóm đưa ra giải pháp tích hợp hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng gió. Thông qua cơ cấu cánh quạt, hộp số, piston và năng lượng gió được chuyển hóa thành cơ năng để bơm nước từ bể chứa lên các tầng cao hơn. Đồng thời, hệ thống ống dẫn được thiết kế với các lỗ phân phối giúp phân bố nước đồng đều giữa các tầng.

“Trong tương lai, nhóm định hướng phát triển sản phẩm theo hướng tích hợp đa công nghệ và nâng cao tính tự chủ năng lượng, nhằm cải thiện hiệu suất và khả năng hoạt động trong đa dạng điều kiện khác nhau. Đồng thời, mở rộng quy mô và hoàn thiện hệ thống, từ hộ gia đình đến cộng đồng ven biển, kết hợp tiêu chuẩn hóa thiết kế để tiến tới khả năng thương mại hóa sản phẩm, phù hợp định hướng phát triển bền vững và bảo vệ môi trường”, Quân chia sẻ.

Thầy Nguyễn Ngọc Tiến (giáo viên môn Toán, Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn, hướng dẫn nhóm Ecotec9) cho biết: “Thông qua nghiên cứu, các em biết cách vận dụng tốt kiến thức đã học và biết đúc kết kinh nghiệm từ những lần thử nghiệm để tối ưu hóa dự án; đồng thời, biết cách áp dụng trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu quả dự án.

Tôi nghĩ rằng, dự án là giải pháp có lợi về mặt kinh tế so với việc dùng nước RO (nước đạt tiêu chuẩn sạch). Trong quá trình nghiên cứu, các em vận dụng tốt các kiến thức đã học. Đồng thời, sử dụng trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu quả sản phẩm. Hy vọng khi đưa dự án vào thực tế sẽ góp phần nào đó giúp cộng đồng cư dân vùng ven biển và hải đảo có nguồn nước sạch ổn định và bền vững”.