Chế tạo vật liệu điện cực xốp sử dụng carbon aerogel ứng dụng cho lọc nước lợ bằng công nghệ khử ion điện dung (CDI) là nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TPHCM.
Tận dụng sinh khối
PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết, trong những năm gần đây, công nghệ khử ion điện dung khử mặn bằng điện hấp phụ ion lên điện cực xốp, nổi lên như một công nghệ lọc nước mới, tiềm năng thu hút được nhiều sự quan tâm của giới khoa học.
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 đặc biệt đối với Việt Nam là một nước có truyền thống sản xuất nông nghiệp lâu đời nên có nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú và đa dạng.
Từ nhu cầu thực tế về lọc nước lợ và tiềm năng ứng dụng của vật liệu carbon sinh khối của Việt Nam, nhóm nghiên cứu đã 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.
PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng cho biết, nghiên cứu đã sử dụng các loại sinh khối sẵn có tại Việt Nam như thân cây ngô, bã mía, lục bình, xơ dừa để tổng hợp carbon aerogel. Công đoạn đầu tiên là xử lý sinh khối để chiết xuất cellulose, sản phẩm cellulose thu được có màu trắng, tơi, xốp, phù hợp làm tiền chất cho quá trình tạo thành vật liệu cellulose aerogel ở giai đoạn tiếp theo.
Sau đó, nhóm thực hiện chế tạo cellulose aerogel từ cellulose sinh khối rồi 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.
Bên cạnh việc sử dụng vật liệu carbon aerogel sinh khối để chế tạo điện cực xốp, thành phần phụ gia không thể thiếu cũng được thêm vào tạo composite. Lần lượt than ống nano (CNT), muội than (AB), MnO2, TiO2 được thêm vào thành phần composite với các tỷ lệ thích hợp đã tăng cường hoạt tính điện hóa của điện cực composite.
Hiệu suất lọc lên đến 90,5%
Hoạt tính điện hóa của điện cực được đánh giá bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV), phương pháp phóng - nạp dòng không đổi (GCD). Khả năng xử lý nước muối NaCl của điện cực carbon aerogel được đo trên một hệ thống mô phỏng thiết bị CDI.
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. Điều này 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 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 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.
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 PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng, việc ứng dụng thành công vật liệu carbon sinh học trong công nghệ lọc nước mặn theo công nghệ CDI cho thấy rằng công nghệ này có nhiều tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam.
Thiết bị CDI có thể lắp đặt ở tất cả các khu vực có nước lợ, dễ dàng vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế. Việc đẩy mạnh triển khai nghiên cứu ứng dụng công nghệ CDI ở Việt Nam sẽ mở ra nhiều cơ hội cho sự phát triển sản phẩm nội địa “Made in Vietnam” cạnh tranh với các công nghệ ngoại nhập.
Kết quả của đề tài nghiên cứu này đã 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. Tạo tiền đề cho việc phát triển hướng nghiên cứu ứng dụng sinh khối của Việt Nam cho các công nghệ mới sử dụng vật liệu sinh khối như công nghệ lưu trữ điện và xử lý ô nhiễm.
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 giải pháp chống xâm nhập mặn nói riêng và chống biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường nói chung.
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...).
