Thu thập nước trong không khí
Thu thập nước là một phương pháp tập hợp và lưu trữ nước để sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất. Có 2 hướng thu thập nước được định nghĩa là thu thập một cách chủ động và thu thập thụ động. Thu thập nước chủ động là cách sử dụng các thùng chứa, bể chứa để tập hợp và lưu trữ nước cho các mục đích sử dụng sau này. Cách thu thập này đòi hỏi phải có tác động trực tiếp của con người để sử dụng, ví dụ như phải kích hoạt hệ thống thu thập, van, vòi, hoặc điều khiển hệ thống phần mềm duy trì khả năng thu thập. Trong khi đó, thu thập nước thụ động là cách sử dụng các hệ thống kênh rạch, thảm thực vật, và/hoặc các khu đất đã được thiết kế để tạo nên một hệ thống tập hợp, lan truyền, lưu trữ, tuần hoàn và sử dụng nước để tưới tiêu, tái tạo sự sống và các nguồn tài nguyên. Trong cách thu thập này thì nước mưa là nguồn thu thập chính.
Nguồn nước trong khái niệm thu thập nước rất đa dạng, có thể bao gồm thu thập từ nước mưa, nước ngưng tụ, sương, tuyết… phụ thuộc khá nhiều vào phương pháp thu thập là thụ động hay chủ động. Ví dụ như phương pháp thụ động chủ yếu sử dụng nguồn thu là nước mưa, trong khi thu thập nước chủ động chủ yếu sử dụng nguồn là sương mù, sương, hoặc tuyết.
Trong số các phương pháp thu thập nước, thu thập nước ngưng tự từ sương (dew harvesting) là cách tập hợp nước có độ tinh khiết cao hơn, hiệu quả thu thập cao hơn, dễ thiết kế và lắp đặt, đồng thời hữu dụng tại các khu vực vùng cao, khô hạn. Ở sa mạc Namib, sương là nguồn nước thay thế cho sự sống. Bọ cánh cứng (G.Stenocara) đã sử dụng cơ thể của chúng với các bề mặt đặc trưng trên lưng như một bộ phận để thu thập sương mù phục vụ cho nhu cầu của chúng. Lấy cảm hứng từ hoạt động rất thú vị này, thu thập nước trong không khí đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu trên thế giới khi nó cho thấy tiềm năng trở thành một nguồn nước cho sinh hoạt của con người. Một trong những dự án hiện hữu trong việc thu thập nước trên thế giới được thành lập bởi FogQuest. Đây là một tổ chức từ thiện phi lợi nhuận của Canada chuyên lập kế hoạch và thực hiện các dự án nước cho các khu vực nông thôn ở các nước đang phát triển trên toàn thế giới.
Trong việc thu thập nước, kiểm soát khả năng dính ướt và hình thái của bề mặt trong quá trình ngưng tụ nước là yếu tố quan trọng nhất trong thu thập nước vì nó quyết định hình thái nước ngưng tụ trên bề mặt và quy trình từ tạo mầm, kết hợp và rơi khỏi bề mặt. Trong những năm gần đây, nhiều hình thái bề mặt với các kỹ thuật chế tạo khác nhau đã được thực hiện để cải thiện khả năng thu thập nước và đã đạt được những kết quả rất khả quan. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các bề mặt không dính ướt hoặc hoàn toàn dính ướt vì những đặc tính khác lạ của nó nhằm tận dụng năng lượng tạo mầm thấp hoặc độ linh động của nước trên bề mặt. Tuy vậy, các nghiên cứu này đã cho thấy các điểm yếu vì năng lực thu thập quá thấp khi được thử nghiệm ngoài trời.
Tiềm năng ứng dụng
Tiếp nối các nghiên cứu trước đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ trình bày phương pháp chế tạo và khảo sát hiệu năng chống dính ướt của các mẫu lai chế tạo trên nhôm trong sự đối sánh với các bề mặt khác. Sự kết hợp của đặc điểm tạo mầm và đặc tính điều hướng nước sẽ được nghiên cứu để tối ưu hóa mối tương quan giúp cho việc nâng cao hiệu quả thu hoạch nước. Các bề mặt nguyên bản, bề mặt hoàn toàn dính ướt, hoàn toàn không dính ướt sẽ được sử dụng làm mẫu đối chứng để nhấn mạnh những ưu điểm của hình thái lai.
Để hình thành bề mặt chức năng, tấm nhôm được làm sạch bằng acetone, ethanol và ăn mòn axit bằng axit clohydric để chuyển sang trạng thái hoàn toàn dính ướt. Bề mặt nhám sau đó được chức năng hóa bằng cách nhúng vào dung dịch PFPE (PerfluoroPolyEther). Sau khi phủ PFPE, bề mặt thể hiện trạng thái bề mặt hoàn toàn không dính ướt với góc tiếp xúc với nước rất cao (> 160o) và góc trượt thấp đáng kể (<1.5o).
Hình 1. Mô tả quá trình chế tạo mẫu.
Việc khảo sát thu gom nước được thực hiện bên trong buồng môi trường duy trì ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 27oC và độ ẩm 60%) trong khi bề mặt được giữ ở 10oC. Khối lượng ngưng tụ trên các bề mặt khác nhau bao gồm bề mặt Al nguyên bản, bề mặt hoàn toàn dính ướt, bề mặt hoàn toàn không dính ướt sẽ được thu thập và phân tích để nhấn mạnh sự đóng góp của bề mặt kết hợp nhiều độ dính ướt đối với tốc độ ngưng tụ. Các bề mặt siêu kỵ nước được gắn vào các mặt nạ có kích thước khác nhau (300, 400 và 500 um) và tiếp theo là tiếp xúc với tia UVO trong suốt quá trình. Khu vực được bao phủ vẫn ở trạng thái siêu kỵ nước trong khi các điểm lộ ra ngoài thể hiện trạng thái thấm ướt hoàn toàn với góc tiếp xúc với nước dưới 10oC.
Bảng 1. Kết quả khảo sát trên các mẫu chức năng hóa.
Bảng 1 trình bày kết quả khảo sát lượng nước thu thập trên các mẫu được chức năng hóa, trong đó mẫu lai (hybrid) cho thấy hiệu năng thu thập vượt trội. Điều này được giải thích bởi sự tạo mầm dễ dàng (bởi vùng hydrophilic) và sự hỗ trợ di chuyển (bởi vùng hydrophobic). Sâu xa hơn, sự tồn tại của độ dính ướt khác biệt như vậy được tạo lập bởi các cấu trúc kích thước nano có trên bề mặt lưng bọ cánh cứng. Một hệ thống các “sợi” trên các khu vực “wax-free peak” - các đỉnh dính ướt tạo điều kiện cho nước dễ dàng hình thành nhờ năng lượng chuyển pha rất nhỏ. Trong khi đó, các khu vực không dính ướt được bao phủ bởi lớp sáp để dễ dàng lăn truyền nước tới miệng của bọ cánh cứng.
Ngược lại với các trường hợp hoàn toàn dính ướt hoặc không dính ướt, sự ngưng tụ nhỏ giọt được quan sát trên bề mặt lai. Điều này là do lớp phủ hóa học khi các giọt nước khó có thể hình thành trên các khu vực không dính ướt và dẫn đến việc hình thành một giọt duy nhất trên bề mặt tại các chấm dính ướt. Giọt nước có độ trễ góc tiếp xúc thực sự cao bị mắc kẹt trong bề mặt hoàn toàn không dính ướt và do đó sẽ rất khó để rơi xuống, vì thế sẽ gia tăng thể tích và nâng cao được khối lượng thu thập so với các bề mặt khác. Một chút khác biệt đã được quan sát thấy trong trường hợp bề mặt nguyên bản khi các giọt nước ngưng tụ trên các vùng khác nhau một cách tự nhiên để tạo ra các "nốt" nước trước khi kết tụ lại và tạo thành một màng nước trên bề mặt. Kết quả đánh giá khả năng thu thập nước trên các bề mặt hybrid cho thấy, sự vượt trội và tiềm năng ứng dụng cao, đề xuất giải pháp thu nước ở quy mô lớn hơn và định hướng ứng dụng rộng rãi tại các khu vực khó khăn, khô hạn.