Vật liệu điện cực xốp lọc nước lợ từ phụ phẩm nông nghiệp

Từ các loại sinh khối sẵn có tại Việt Nam như thân cây ngô, bã mía, lục bình, xơ dừa, các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã đề xuất công trình nghiên cứu khoa học công nghệ 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).

Nguồn vật liệu thân thiện với môi trường

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu ngày càng gia tăng, hiện tượng nóng lên toàn cầu đã làm cho mực nước biển dâng lên, gây ra hiện tượng xâm nhập mặn tại nhiều khu vực trũng thấp trên thế giới nói chung và các khu vực ven biển của Việt Nam nói riêng. Điều này đã và đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống hàng ngày, sản xuất nông nghiệp và sức khỏe của cộng đồng. Mức độ an toàn của nguồn nước ngọt và nguồn nước sạch trở thành thách thức lớn đối với nhân loại trong thế kỷ 21.

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), khoảng 2,2 tỷ người trên thế giới không có nguồn nước sạch để uống. 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 thông thường bao gồm ED và MD đòi hỏi chi phí vốn 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 là khi được sử dụng để xử lý nước có độ cứng cao, vì vậy việc thay thế màng RO thường xuyên và nhu cầu sử dụng máy bơm cao áp làm tăng vốn và chi phí vận hành. Do đó, việc tìm ra các phương pháp lọc nước hiệu quả và bền vững là cực kỳ cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

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. 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 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, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã đề xuất công trình nghiên cứu khoa học công nghệ  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.

Tiềm năng ứng dụng của vật liệu carbon sinh khối của Việt Nam

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 suất cellulose, sản phẩm cellulose thu được có màu trắng, tơi, xốp và chỉ số Kappa trong khoảng dưới 10 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.

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). Phép đo được thực hiện trên máy Autolab 320N, sử dụng hệ 3 điện cực gồm điện cực so sánh Ag, AgCl/KCl bão hoà, điện cực đối platin và điện cực làm việc là điện cực carbon aerogel, dung dịch điện ly NaCl 0,5 M.

Khả năng xử lý nước muối NaCl của điện cực carbon aerogel được đo trên một hệ thống mô phỏng thiết bị CDI, bao gồm: một stack CDI kết nối với nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh điện thế áp và có thể đảo dòng điện, một bơm nhu động, một máy đo độ dẫn, một 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 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.

Hình 1. Hệ thống mô phỏng thiết bị khử muối theo công nghệ CDI

Hình 2. Điện cực carbon aerogel và mô-đun CDI

Tấm điện cực được cắt lỗ tròn đường kính 20 mm. Vỏ mô-đun có cấu trúc hình trụ gồm thân mô-đun có chiều 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. Nắp được cố định vào thân vỏ mô-đun.

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 1000 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.

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 thiên 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.

Việt Nam là nước có nền Nông nghiệp phát triển, nguồn sinh khối phụ phế phẩm nông nghiệp rất dồi dào và đa dạng. Việc nghiên cứu chuyển hóa chúng thành vật liệu tiên tiến cho những ứng dụng có giá trị cao là hướng đi chiến lược hướng đến nâng cao giá trị nông nghiệp, giảm phát thải khí nhà kính mà chính phủ và toàn xã hội quan tâm. 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.