Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit xốp dẫn điện trên nền carbon xốp làm điện cực cho thiết bị khử mặn theo công nghệ CDI (Capacitive DeIonization)
Trong số các nguồn tài nguyên, nước là yếu tố cơ bản không thể thiếu trong việc duy trì sự sống và mọi hoạt động của con người trên hành tinh. Việc đáp ứng nhu cầu về nước bảo đảm cả về chất lượng và số lượng là một điều kiện tiên quyết để phát triển bền vững. Kể từ đầu thế kỷ XX, lượng nước tiêu thụ toàn cầu tăng 7 lần, chủ yếu do sự gia tăng dân số và nhu cầu về nước của từng cá nhân. Hơn nữa, do sự biến đổi khí hậu, sự biến đổi về nhiệt độ và lượng mưa, hiện nay nhiều nơi trên thế giới thường xuyên không có đủ nước để đáp ứng nhu cầu của con người khi 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. Vì thế, trong thế kỷ XXI, tình trạng thiếu nước đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng nhất trong các vấn đề về nước, đe dọa quá trình phát triển bền vững. Theo đánh giá của nhiều cơ quan nghiên cứu về tài nguyên nước, hiện tại có khoảng 1/3 số quốc gia trên thế giới bị thiếu nước và đến năm 2025, con số này sẽ là 2/3 với khoảng 35% dân số thế giới sẽ rơi vào tình cảnh thiếu nước nghiêm trọng.
Nguyên nhân dẫn đến tình trạng khan hiếm nước có thể thấy như sau: sự tăng nhanh của dân số thế giới, môi trường sinh thái bị phá hoại do nạn chặt phá rừng, biến đổi khí hậu, sử dụng và quản lý tài nguyên nước không hợp lý, sự ô nhiễm tài nguyên nước và sự nhiễm mặn nguồn nước.
Việt Nam được đưa vào danh sách các quốc gia khan hiếm nước do phát triển kinh tế từ năm 2008. Đỉnh điểm của sự thiếu hụt nước bắt đầu từ cuối năm 2014 khi hiện tượng El Nino đã ảnh hưởng trực tiếp đến nước ta, hậu quả là làm cho nền nhiệt tăng cao, thiếu hụt lượng mưa, là nguyên nhân gây ra tình trạng hạn hán, xâm nhập mặn. Các khu vực bị ảnh hưởng nặng là Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Đặc biệt chỉ xét riêng ĐBSCL trong năm 2015-2016 đã chịu ảnh 9 hưởng của mùa mưa đến muộn và kết thúc sớm, về phía dòng chảy thượng nguồn sông Mê Kông bị thiếu hụt nên mực nước tại các sông xuống rất thấp làm cho xâm nhập mặn tiến vào sớm hơn 2 tháng đã gây nhiều thiệt hại nặng nề cho nền sản xuất và dân sinh. Ước tính tổng thiệt hại trong đợt hạn - mặn 2015-2016 trong toàn vùng ĐBSCL có thể lên đến 5.500 tỷ đồng. Với tình hình biến đổi khí hậu ngày càng khắc nghiệt như hiện nay, hiện tượng nhiễm mặn và xâm nhập mặn trong thời gian tới là không thể tránh khỏi. Vì vậy, bên cạnh các biện pháp ứng phó, việc áp dụng các công nghệ khử mặn cho nước là giải pháp cần được quan tâm phát triển.
Xuất phát từ thực tiễn trên, TS. Nguyễn Thị Thơm cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit xốp dẫn điện trên nền carbon xốp làm điện cực cho thiết bị khử mặn theo công nghệ CDI (Capacitive DeIonization)” với mục tiêu: Xây dựng được quy trình chế tạo vật liệu compozit xốp dẫn điện trên nền than carbon xốp từ gáo dừa; Xây dựng được quy trình chế tạo điện cực xốp dẫn điện cho thiết bị khử mặn theo công nghệ CDI; Chế tạo được thiết bị khử mặn theo công nghệ CDI cho nước lợ có độ mặn ≥ 1000 ppm.
Các công nghệ khử mặn được sử dụng hiện nay như : công nghệ chưng cất theo nguyên lý nhiệt, công nghệ chưng cất theo nguyên lý nhiệt, công nghệ khử mặn theo nguyên lý màng lọc (trong đó đáng chú ý là công nghệ thẩm thấu ngược (RO), công nghệ vi lọc (NF)), công nghệ điện thẩm tách (Electrodialysis - ED) và công nghệ điện dung khử ion (Capacitive Deionization – CDI). Đến nay, trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ CDI và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Từ 1990 trở đi, CDI thu hút nhiều sự chú ý hơn bởi sự phát triển của các loại vật liệu điện cực mới, chẳng hạn như carbon aereogels và ống nano carbon [10]. Các nhà nghiên cứu đã tập trung tìm hiểu sâu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất CDI, chẳng hạn như vật liệu được sử dụng làm điện cực, điện áp được áp dụng giữa các điện cực, thông số dòng chảy và nồng độ ion trong dung dịch. Các nghiên cứu cho thấy rằng trong công nghệ CDI, điện cực hấp phụ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả loại bỏ ion, quyết định phần lớn tính chất và hiệu suất vận hành của thiết bị. Các vật liệu điện cực khác nhau được nghiên cứu sử dụng để cải thiện hiệu suất và tăng hiệu quả loại bỏ ion.
Một hệ điện cực CDI cơ bản sẽ bao gồm một cặp điện cực xốp được phủ trên bộ góp dòng và khe hở ở giữa. Điện cực xốp điển hình là điện cực carbon, bộ góp dòng thường được xử dụng là tấm graphite mỏng. Nguyên lý hoạt động được thể hiện trên hình 1.1: Khi cung cấp một điện áp khoảng 1,0 – 1,2 V vào hai điện cực, dưới tác dụng của điện trường, các ion sẽ đi vào và bị giữ lại ở lớp điện tích kép (EDL). Quá trình này làm giảm nồng độ ion có trong nước, từ đó muối được loại bỏ khỏi nước lợ. Các ion bị giữ ở lớp điện kép cho đến khi khả năng tích trữ của hệ đạt bão hòa.
Đề tài đã hoàn thành tất cả các mục tiêu, nội dung và sản phẩm đăng kí trong thuyết minh, với các kết quả chính là: i) đã làm chủ được công nghệ chế tạo điện cực khử mặn trên cơ sở than hoạt tính gáo dừa (với 01 quy trình chế tạo compozit và 01 quy trình chế tạo điện cực compozit ở quy mô pilot dạng sơ đồ khối); làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị khử mặn hoàn chỉnh theo công nghệ điện dung khử ion CDI (với 01 quy trình chế tạo thiết bị MCDI chi tiết dạng sơ đồ khối và 02 thiết bị khử mặn vận hành tốt với nguồn nước lợ đầu vào 2000-3000 ppm, công suất khử mặn đạt 3-5 m3 /ngày). Các kết quả cụ thể như sau:
1. Biến tính thành công than carbon hoạt tính từ gáo dừa và ống nano carbon thương mại làm nguyên liệu chế tạo vật liệu compozit xốp làm điện cực cho thiết bị CDI. Quá trình tinh chế và biến tính đã loại bỏ được các tạp chất trong than hoạt tính gáo dừa và ống nano carbon, đồng thời tạo ra các nhóm chức ưa nước trên bề mặt của chúng.
2. Tối ưu thành phần nguyên liệu và điều kiện chế tạo thích hợp vật liệu điện cực compozit cho thiết bị khử mặn CDI: chất dẫn điện CNT, chất kết dính trên cơ sở hệ PVA-GA, tỉ lệ GA/PVA là 5%, tỉ lệ mAC/CNT/PVA-GA (89/1/10), chiều dày màng 200 µm, nhiệt độ sấy 120oC trong 2 giờ. Compozit tổng hợp được có diện tích bề mặt riêng 517 m2 /g, góc tiếp xúc ~75o , điện trở khối ~ 14 mΩ.cm, điện dung 120 F/g. Các thông số này đều đạt và vượt so với đăng ký ban đầu.
3. Thiết kế, chế tạo thành công stack MCDI trên cơ sở cặp điện cực mAC/CNT/PVA-GA (89/1/10) và vận hành stack với 2 chế độ bath mode (tuần hoàn) và single pass mode (liên tục), hoạt động hiệu quả ở điện thế 1,2V (thấp hơn điện thế đăng ký là 1,5 V do đó an toàn hơn, hiệu quả hơn) cho dung lượng hấp phụ muối SAC cao nhất (10,93 mg/g và 11,97 mg/g với hai chế độ tuần hoàn và liên tục). Tốc độ hấp phụ muối ASAR đạt được là ~ 1 mg/g.min (chế độ tuần hoàn) và 1,3 mg/g.min (chế độ liên tục). Độ bền của điện cực >2500 chu kì với độ suy giảm khoảng 5% (được tính toán từ các phép đo điện hóa).
4. Thiết kế và chế tạo thành công modul MCDI với số lượng điện cực tối ưu trong một modul là 250 điện cực mAC/CNT/PVA-GA (89/1/10) mắc nối tiếp nhau. Hiệu suất khử mặn 60-90% cho nước cấp đầu vào có độ mặn từ 400 – 1000 ppm.
5. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công thiết bị khử mặn MCDI gồm 03 modul mắc nối tiếp nhau, mỗi modul gồm 250 điện cực mAC/CNT/PVA-GA (89/1/10) mắc nối tiếp. Hiệu suất khử mặn đạt 80-90% cho nước cấp đầu vào 2000- 3000 ppm. Công suất khử mặn đạt 3-5 m3 / ngày. Thiết bị đã thử nghiệm với nước nhiễm mặn thực tế tại tỉnh Trà Vinh, tỉnh Bến Tre và tỉnh Bạc Liêu thuộc đồng bằng Sông Cửu Long. Các chỉ tiêu đều đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt (QCVN 01-1:2018/BYT).
Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19737/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
