Trung Quốc chiết xuất boron từ nước biển cho scramjet

Theo SCMP, các nhà khoa học tại Đại học Nông Lâm Tây Bắc (Trung Quốc) đã phát triển công nghệ mới nhằm chiết xuất và thu gom boron từ nước biển, đồng thời tạo nước ngọt bằng năng lượng mặt trời. Kết quả được công bố ngày 7/11 trên tạp chí Science Bulletin.

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

Trong bối cảnh căng thẳng thương mại liên quan đến khoáng sản chiến lược, nghiên cứu này được đặt trong nhu cầu ổn định nguồn cung boron (cùng với neodymium và sắt) đối với chuỗi cung ứng toàn cầu. Theo mô tả trong nguồn, 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.

Boron đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất nhiên liệu phục vụ vũ khí siêu thanh của Trung Quốc. (Ảnh: SCMP)

Tổng quan kỹ thuật: vì sao boron khó tách khỏi nước biển

Nguồn cho biết nước biển chỉ chứa lượng boron rất nhỏ; các công nghệ khử mặn thẩm thấu ngược hiện nay không thể loại bỏ hiệu quả, thậm chí có thể làm tăng nồng độ boron. Việc sử dụng lâu dài nước lọc vẫn còn boron được mô tả là có thể gây hại cho sức khỏe.

Trong hướng tiếp cận của nhóm nghiên cứu, vấn đề không chỉ là tạo nước ngọt mà còn là “thu hồi chọn lọc” một nguyên tố có giá trị từ môi trường có nồng độ thấp, với mục tiêu kép: giảm boron trong nước sản phẩm và tích lũy boron để thu gom.

Nền tảng công nghệ: bay hơi giao diện bằng năng lượng mặt trời

Nhóm nghiên cứu mô tả 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. Theo bài báo, việc tích hợp các chất hấp phụ chọn lọc vào SDIE gần đây 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, nhóm phát triển một hệ thống dùng năng lượng mặt trời để vừa tạo nước ngọt, vừa tách boron khỏi nước biển. Trọng tâm của hệ là một loại gel composite mới.

Vật liệu cốt lõi: gel MMS kết hợp MXene và MgO

Nhóm chế tạo một loại gel mới gọi là MMS, sử dụng natri alginat làm nền và bổ sung hai hợp chất MXene và MgO. Theo mô tả trong nguồn:

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.
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; lớp dưới chìm trong nước biển để thực hiện quá trình hấp thu.

Cơ chế vận hành theo mô tả của nhóm

Dưới ánh nắng, nước bay hơi từ bề mặt gel tạo ra chênh lệch nồng độ, kéo nước biển đi lên qua lớp gel. Phần gel tiếp xúc nước biển liên tục hút nước và boron; các hạt MgO bên trong giữ lại boron. Nhóm nghiên cứu kết luận nước ngọt được tạo ra từ quá trình bay hơi trong gel composite MXene-MgO, còn boron được tích lũy bên trong gel.

Kết quả thử nghiệm: tốc độ bay hơi và lượng boron thu giữ

Nhóm báo cáo thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy 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 được quy cho cấu trúc xốp phân tầng đặc biệt và sự kết hợp chức năng giữa MXene (quang nhiệt) và MgO (hấp phụ boron), cùng các biến thiên về nhiệt độ, nồng độ và dòng chảy bên trong gel.

Trong 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 được mô tả là khá yếu, gel vẫn tạo được 5,20 kg nước/m2 và thu giữ 122,45 mg boron/m2. Nhóm cho biết không phát hiện ion boron trong nguồn nước ngưng.

Độ bền vật liệu và khả năng tái sử dụng

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%, trong khi tốc độ bay hơi gần như không giảm. Đây là chỉ dấu quan trọng đối với bất kỳ hệ thống thu hồi vật liệu nào vì chi phí vận hành và thay thế vật liệu thường là yếu tố quyết định khi mở rộng quy mô.

Hàm ý đối với chuỗi cung ứng vật liệu liên quan quốc phòng

Từ góc nhìn công nghệ-quân sự, nghiên cứu tập trung vào “nguồn đầu vào vật liệu” hơn là bản thân nền tảng vũ khí. Boron được nêu trong nguồn như nhiên liệu rắn cho scramjet và là cấu phần của nam châm neodymium-sắt-boron—những vật liệu có thể hiện diện trong nhiều hạng mục thiết bị.

Tuy nhiên, nguồn hiện chỉ cung cấp kết quả ở cấp thử nghiệm và thử nghiệm ngoài trời quy mô nhỏ. Việc chuyển từ thu hồi boron ở quy mô phòng thí nghiệm sang bảo đảm dòng cung ổn định cho công nghiệp (bao gồm công nghiệp quốc phòng) còn phụ thuộc các yếu tố mà nhóm nghiên cứu cũng nêu là cần đánh giá tiếp: chi phí và khả năng mở rộng.

Những điểm còn cần kiểm chứng khi mở rộng quy mô

Hiệu quả kinh tế: ông Fan Zhimin, chủ nhiệm dự án, cho biết nhóm muốn tiếp tục đánh giá chi phí và khả năng mở rộng công nghệ cho các ứng dụng quy mô lớn.
Hiệu suất trong điều kiện môi trường biến đổi: thử nghiệm ngoài trời được mô tả diễn ra khi bức xạ mặt trời tháng 3 khá yếu; cần thêm dữ liệu theo mùa, theo thời tiết và theo độ mặn/độ lợ khác nhau.
Quy trình thu hồi boron từ gel: nguồn nêu boron tích lũy trong gel, nhưng không cung cấp chi tiết về bước tách/thu hồi cuối cùng ở quy mô công nghiệp.

Nhìn tổng thể, nghiên cứu cung cấp một hướng tiếp cận vật liệu-kỹ thuật nhằm kết hợp khử mặn với thu hồi boron chọn lọc. Ở mức thông tin đã công bố, giá trị cốt lõi nằm ở thiết kế gel MMS (MXene cho quang nhiệt, MgO cho hấp phụ) và các số liệu thử nghiệm về nước ngọt tạo ra, lượng boron thu giữ và khả năng tái sử dụng qua nhiều chu kỳ.

CTVX