Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, nước lợ và xâm nhập mặn đang trở thành một vấn đề lớn đối với nhiều vùng trên thế giới, đặc biệt là các khu vực ven biển của Việt Nam. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp, sức khỏe cộng đồng và an toàn nguồn nước. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), khoảng 2,2 tỷ người trên thế giới không có nguồn nước sạch để uống, điều này càng làm rõ tầm quan trọng của việc phát triển công nghệ lọc nước hiệu quả và bền vững.

Các công nghệ khử mặn phổ biến như thẩm thấu ngược (RO), thẩm phân điện (ED) và chưng cất màng (MD) đều có những hạn chế về chi phí và hiệu suất năng lượng. Trong khi đó, công nghệ khử ion điện dung (CDI) nổi lên như một giải pháp tiềm năng với nhiều ưu điểm vượt trội.

Công Nghệ Khử Ion Điện Dung (CDI)

CDI là công nghệ lọc nước bằng cách hấp phụ ion lên các điện cực xốp. CDI có nhiều ưu điểm như:

Sử dụng vật liệu carbon rẻ tiền và thân thiện với môi trường.

Hiệu suất dòng điện cao.

Tiêu hao năng lượng thấp hơn từ 3-5 lần so với RO.

Hoạt động ở điều kiện thường về nhiệt độ và áp suất.

Tính đa dụng cao (ứng dụng làm mềm nước, xử lý nước thải,...).

Điện cực là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống lọc CDI, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lọc. Việc phát triển các vật liệu điện cực xốp từ sinh khối đang được chú trọng nhờ vào tính năng tăng diện tích bề mặt, cấu trúc xốp đa dạng và giá thành rẻ. Việt Nam, với nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú, là nơi lý tưởng để phát triển các vật liệu này.

Nghiên cứu chế tạo vật liệu điện cực xốp từ phụ phẩm nông nghiệp

Nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã sử dụng các loại sinh khối sẵn có như thân cây ngô, bã mía, lục bình và xơ dừa để tổng hợp carbon aerogel, ứng dụng cho lọc nước lợ bằng công nghệ CDI.

Quy trình chế tạo bao gồm các bước sau:

Xử lý sinh khối để chiết suất cellulose: Sản phẩm cellulose thu được có màu trắng, tơi, xốp và chỉ số Kappa dưới 10, phù hợp làm tiền chất cho quá trình tạo thành vật liệu cellulose aerogel.

Chế tạo cellulose aerogel từ cellulose sinh khối: Tiếp theo là chế tạo vật liệu carbon aerogel. 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.

Thêm vào đó, các phụ gia khác nhau được thêm vào để tạo composite:

Than ống nano (CNT).

Muội than (AB).

MnO₂ và TiO₂.

Các phụ gia này tăng cường hoạt tính điện hóa của điện cực composite. Hoạt tính điện hóa của điện cực được đánh giá bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phương pháp phóng-nạp dòng không đổi (GCD).

Khả năng xử lý nước muối NaCl của điện cực carbon aerogel được đo trên hệ thống mô phỏng CDI, bao gồm:

Stack CDI kết nối với nguồn điện một chiều.

Bơm nhu động.

Máy đo độ dẫn.

Máy tính ghi nhận tín hiệu độ dẫn.

Hệ stack CDI bao gồm:

Hai điện cực carbon, bên trên là màng trao đổi cation và anion nằm đối xứng nhau.

Giữa hai màng được ngăn cách bằng một tấm đệm.

Kích thước điện cực là 2,5 x 3,0 cm.

Sau hơn 50 chu kỳ hoạt động liên tục, điện cực vẫn thể hiện khả năng xử lý muối tốt với dung lượng hấp phụ ổn định trong khoảng 15-20 mg/g, cho thấy khả năng ứng dụng của hệ vật liệu điện cực vào mô-đun CDI.

Mô-đun CDI được thiết kế với:

Lưu lượng xử lý 2-6 lít/phút.

Hiệu suất khử mặn đạt tối thiểu 90% với nguồn nước lợ có nồng độ muối tối đa 1000 ppm.

Điện cực CDI được thiết kế dạng tròn đường kính 180 mm, in hai mặt bằng vật liệu carbon aerogel trên đế dẫn graphite theo quy trình tối ưu đã thiết lập. Tấm điện cực được cắt lỗ tròn đường kính 20 mm. Vỏ mô-đun có cấu trúc hình trụ gồm thân mô-đun cao 300 mm chế tạo từ ống nhựa PVC. Nắp mô-đun được chế tạo từ tấm nhựa PE gồm nắp trên và nắp dưới, được cố định vào thân vỏ mô-đun.

Kết quả thử nghiệm:

Hệ thống lọc CDI sử dụng điện cực carbon aerogel có hiệu suất lọc cao lên đến 90,5% (từ nồng độ 1000 ppm xuống còn 100 ppm) ở điều kiện thử nghiệm với lưu lượng 3-5 lít/phút.

Ý nghĩa và tiềm năng ứng dụng

Việc ứng dụng thành công vật liệu carbon sinh học trong công nghệ lọc nước mặn CDI cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam. Thiết bị CDI có thể lắp đặt ở mọi khu vực có nước lợ, dễ dàng vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho sự phát triển sản phẩm nội địa “Made in Vietnam”, cạnh tranh với các công nghệ ngoại nhập.

Nghiên cứu này mang lại ý nghĩa quan trọng trong việc tìm ra nguồn vật liệu mới, thân thiện với môi trường và ứng dụng trong công nghệ khử mặn mới. Điều này tạo tiền đề cho việc phát triển hướng nghiên cứu ứng dụng sinh khối của Việt Nam cho các công nghệ mới như lưu trữ điện và xử lý ô nhiễm.

Việt Nam là nước có nền nông nghiệp phát triển với nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú và đa dạng. Việc nghiên cứu chuyển hóa các phụ phẩm này thành vật liệu tiên tiến cho các ứng dụng có giá trị cao là hướng đi chiến lược nhằm nâng cao giá trị nông nghiệp và giảm phát thải khí nhà kính. Sự kết hợp giữa công nghệ mới và nguồn nguyên liệu địa phương đã tạo ra một giải pháp tiên tiến và bền vững cho việc chống xâm nhập mặn nói riêng và chống biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường nói chung.

Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã mở ra một hướng đi mới trong việc sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo vật liệu điện cực xốp lọc nước lợ, góp phần vào việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Nguồn: CESTI