Từ nước biển thành nước uống: Vì sao lời giải cho hạn hán đến muộn?

Năm 1961, khi thị trấn Freeport ở Texas còn chịu cảnh hạn hán và hạn chế dùng nước, một nhà máy mới hứa hẹn biến nước biển ngay bên bờ vịnh thành nước uống. Tổng thống John F. Kennedy xem đây là một dự án khoa học lớn, thậm chí gắn nó với hy vọng đưa nước đến những vùng khô hạn. Nhưng câu hỏi quan trọng không phải là con người có thể tách muối hay không. Câu hỏi là: vì sao phải mất hàng thế kỷ để biến ý tưởng ấy thành một công nghệ có thể vận hành ở quy mô lớn? [1]

Câu trả lời nằm ở một nghịch lý đơn giản: Trái Đất có rất nhiều nước, nhưng phần nước ngọt dễ tiếp cận lại nhỏ bé. Tách muối khỏi nước biển đòi hỏi nhiệt hoặc áp suất, vật liệu chịu ăn mòn và cách xử lý lượng muối cô đặc còn lại. Vì vậy, khử mặn là một lời giải có thật cho một số nơi, nhưng chưa bao giờ là con đường dễ dàng hay miễn phí. [1]

Từ nghịch lý nước mênh mông

Khoảng 70% bề mặt hành tinh được nước bao phủ, nhưng nước ngọt chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng đó, và không phải toàn bộ đều có thể khai thác thuận tiện. Nước biển vì thế tạo ra một cảnh tượng dễ gây nhầm lẫn: nguồn nước nằm ngay trước mắt nhưng không thể uống trực tiếp. Muối hòa tan khiến nước có vị mặn, đồng thời làm cơ thể mất thêm nước nếu phải xử lý lượng muối đó. [1]

Con người đã sớm nhận ra rằng khi nước mặn bay hơi, phần hơi nước có thể ngưng tụ thành nước không còn vị mặn. Aristotle từng mô tả hiện tượng này khi bàn về vòng tuần hoàn của nước. Tuy nhiên, quan sát được quy luật tự nhiên khác xa việc xây dựng một hệ thống liên tục, đủ rẻ và đủ bền để cung cấp nước cho một cộng đồng. Khoảng cách giữa hai việc ấy chính là lịch sử ban đầu của khử mặn. [1]

Vì sao chưng cất khó mở rộng

Các chuyến đi biển từng dùng thiết bị chưng cất nhỏ để bổ sung nước cho thủy thủ. Về nguyên tắc, thiết bị làm nóng nước biển, thu hơi nước rồi làm nguội để lấy nước ngọt. Nhưng ở quy mô công nghiệp, việc đun một lượng nước rất lớn cần nhiều năng lượng. Nước biển cũng không chỉ chứa muối; nó có thể để lại các chất bám trên đường ống và làm kim loại bị ăn mòn. [1]

Nhà máy Freeport được thiết kế theo kiểu bốc hơi nhiều tầng. Hơi tạo ra ở một khoang được tận dụng để gia nhiệt cho khoang tiếp theo, nhờ đó nhiệt được dùng lặp lại thay vì bỏ đi sau một lần. Dù vậy, các kỹ sư vẫn phải đối phó với lớp cáu cặn muối bám trong ống, làm dòng nước chậm lại và thúc đẩy ăn mòn. Họ thử các hợp kim khác nhau, điều chỉnh hóa học của nước và dựa vào cấu hình đường ống để giảm vấn đề này. [1]

Freeport và bài học về thời điểm

Freeport được chọn trong bối cảnh hạn hán kéo dài ở miền Nam và miền Tây Hoa Kỳ. Thị trấn thiếu nước đến mức việc tưới cây, rửa xe và sử dụng thiết bị làm mát bay hơi đều bị hạn chế. Chính sức ép đó khiến Quốc hội Hoa Kỳ đầu tư vào các nhà máy trình diễn, mỗi nơi thử một cách xử lý nước khác nhau. Freeport trở thành nhà máy đầu tiên của chương trình được hoàn thành vào năm 1961. [1]

Nhà máy có thể tạo ra lượng nước đáng kể mỗi ngày, nhưng phải dùng rất nhiều năng lượng và chi phí sản xuất cao hơn giá nước tự nhiên khi ấy. Trong thời gian hạn hán, sự chênh lệch đó được bù đắp bởi trợ cấp và nhu cầu cấp bách. Khi mưa trở lại, hồ chứa đầy hơn và nông nghiệp phục hồi, lý do kinh tế để tiếp tục trả khoản chênh lệch giảm xuống. Nhà máy ngừng hoạt động sau khi nguồn tài trợ chấm dứt vào năm 1969. [1]

Màng lọc thay đổi cuộc chơi

Chưng cất không phải hướng duy nhất. Một phương pháp khác là thẩm thấu ngược: nước bị đẩy qua màng bán thấm có các lỗ đủ nhỏ để giữ lại phần lớn muối và nhiều tạp chất. Cách này không cần đun sôi toàn bộ nước, nên về sau có triển vọng tiết kiệm năng lượng hơn so với những nhà máy dựa chủ yếu vào bốc hơi. [1]

Các nhà máy thử nghiệm dùng màng lọc từng gặp khó khăn về tài chính và không phải ngay lập tức trở thành công nghệ chủ đạo. Đến thập niên 1980, màng đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy khử mặn. Sự chuyển dịch này cho thấy một phát minh không chỉ phụ thuộc vào ý tưởng tách muối, mà còn phụ thuộc vào vật liệu, năng lượng, độ bền và khả năng bảo trì trong thời gian dài. [1]

Nước ngọt luôn có phần đánh đổi

Khử mặn giúp các quốc gia khan hiếm nước chủ động hơn, đặc biệt ở những vùng ven biển khô hạn. Kuwait bắt đầu đầu tư vào nhà máy bốc hơi từ năm 1951, còn nhiều nước vùng Vịnh tiếp tục mở rộng công nghệ này nhờ nguồn lực từ dầu mỏ. Israel, Saudi Arabia, Các Tiểu vương quốc Arab Thống nhất và Australia cũng phát triển các nhà máy sử dụng nước biển. Với những nơi có ít sông ngòi hoặc nguồn nước tái tạo không ổn định, đây có thể là một phần quan trọng của hệ thống cấp nước. [1]

Nhưng nước sau khử mặn không phải là nước “miễn phí” lấy từ biển. Nhà máy cần năng lượng, vốn đầu tư và vùng đất ven bờ; quá trình còn tạo ra dòng nước muối cô đặc. Một nghiên cứu được bài viết dẫn lại ghi nhận độ mặn gần nơi xả ở Vịnh có thể tăng đáng kể, làm dấy lên rủi ro đối với sinh vật biển và khiến việc tách nước về sau khó hơn. Một số hướng xử lý tìm cách biến phần muối này thành sản phẩm, trong khi các dự án khác thử dùng năng lượng mặt trời, nhưng chúng không tự động xóa bỏ mọi chi phí môi trường. [1]

Đó là lý do khử mặn ngày nay thường được xem như một công cụ trong nhiều công cụ, thay vì câu trả lời duy nhất cho hạn hán. Nơi này có thể cần nước biển vì không còn nguồn nào đủ tin cậy; nơi khác có thể ưu tiên tiết kiệm, tái sử dụng nước thải hoặc bảo vệ sông hồ. Bài học từ Freeport vẫn còn nguyên: công nghệ có thể vượt qua giới hạn tự nhiên, nhưng quyết định dùng nó luôn phụ thuộc vào giá năng lượng, nguồn nước thay thế và cái giá phải trả cho môi trường. [1]