Vật liệu điện cực xốp lọc nước lợ từ sinh khối
Từ các loại sinh khối sẵn có tại Việt Nam, nhóm tác giả ở Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM đã chế tạo vật liệu điện cực xốp, có thể sử dụng cho quá trình lọc nước lợ bằng công nghệ khử ion điện dung (CDI).
Hiện nay, nhiều công nghệ khử mặn đã được phát triển để sản xuất nước ngọt từ nước biển hoặc nước lợ, như thẩm thấu ngược (RO), thẩm phân điện (ED), chưng cất màng (MD) và khử ion điện dung (CDI).
Các công nghệ khử muối ED và MD đòi hỏi chi phí ban đầu cao và tiêu thụ năng lượng, không thể cạnh tranh với RO là công nghệ chính để khử mặn nước biển. Tuy nhiên, tắc nghẽn và áp suất cao hạn chế ứng dụng của RO. Đặc biệt, khi được sử dụng để xử lý nước có độ cứng cao, phải thay thế màng RO thường xuyên.
Những năm gần đây, công nghệ khử ion điện dung (CDI) khử mặn đang phát triển nhanh chóng, được ứng dụng để loại bỏ các loại ion khỏi dung dịch nước. Ưu điểm chính của CDI là sử dụng vật liệu carbon rẻ tiền, thân thiện môi trường, hiệu suất dòng điện cao, tiêu hao năng lượng thấp (thấp hơn 3-5 lần so với RO), hoạt động ở điều kiện thường (nhiệt độ, áp suất thường) và tính đa dụng (ứng dụng làm mềm nước, xử lý nước thải,...).
Vật liệu điện cực là thành phần quan trọng trong hệ thống lọc CDI, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lọc. Hiện nay, xu hướng phát triển vật liệu carbon xốp theo hướng sử dụng nguồn nguyên liệu sinh khối, vừa tăng diện tích bề mặt điện cực, cấu trúc xốp đa dạng, giá thành rẻ.
Trước nhu cầu thực tế về lọc nước lợ và tiềm năng ứng dụng của vật liệu carbon sinh khối của Việt Nam, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM đã thực hiện đề tài “Chế tạo vật liệu điện cực xốp sử dụng carbon aerogel tổng hợp từ sinh khối Việt Nam ứng dụng cho lọc nước lợ bằng công nghệ khử ion điện dung (CDI)”.
Từ các loại sinh khối sẵn có tại Việt Nam như thân cây ngô, bã mía, lục bình, xơ dừa, nhóm tác giả đã chế tạo cellulose aerogel, rồi chế tạo vật liệu carbon aerogel dạng bột, có kích thước hạt khoảng 45 - 150 μm, được sử dụng để chế tạo điện cực xốp cho thiết bị lọc nước lợ.
Nhóm còn thêm thành phần phụ gia như than ống nano (CNT), muội than (AB), MnO2, TiO2, với các tỷ lệ thích hợp nhằm tăng cường hoạt tính điện hóa của điện cực.
Thử nghiệm cho thấy, sau hơn 50 chu kỳ hoạt động liên tục, điện cực vẫn thể hiện được khả năng xử lý muối tốt, với dung lượng hấp phụ ổn định trong khoảng 15 - 20 mg/g, có khả năng ứng dụng vào mô-đun CDI.
Điện cựccarbon aerogel (trái) và mô - đun CDI. Ảnh: SKH
Mô-đun CDI được thiết kế với lưu lượng xử lý 2 - 6 l/phút, hiệu suất khử mặn đạt tối thiểu 90% với nguồn nước lợ có nồng độ muối tối đa 1.000 ppm. Điện cực được thiết kế dạng tròn đường kính 180 mm, in hai mặt bằng vật liệu carbon aerogel trên đế dẫn graphite.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, hệ thống lọc CDI sử dụng điện cực carbon aerogel có hiệu suất lọc cao lên đến 90,5% (từ nồng độ 1.000 ppm xuống còn 100 ppm), ở điều kiện thử nghiệm với lưu lượng 3 - 5 l/phút, có thể loại bỏ hiệu quả các ion muối trong nước lợ.
Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ này có nhiều tiềm năng ứng dụng, có thể lắp đặt ở tất cả các khu vực có nước lợ, dễ dàng vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa. Đề tài của nhóm đã được Sở KH&CN TPHCM nghiệm thu.
