Xử lý nước lợ bằng công nghệ khử ion điện dung

Từ năm 2019 đến nay, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới (KTNĐ), Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện HLKHCNVN) phối hợp với nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN), Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (ĐHQG TP. HCM) đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thiết bị xử lý nước lợ dựa trên nguyên lý khử ion điện dung (MCDI). Đây là một hệ thiết bị với nhiều ưu điểm như chi phí chế tạo thấp, điện năng tiêu thụ thấp, hiệu quả khử mặn cao và vận hành dễ dàng. Hệ thiết bị MCDI với mục tiêu xử lý nước lợ thành nước ngọt đạt tiêu chuẩn Bộ Y tế là giải pháp chiến lược cho tình trạng thiếu nước sinh hoạt trầm trọng của các tỉnh thuộc đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) hiện nay. Đây là kết quả của đề tài KC.02.24/16-20, do Viện KTNĐ là đơn vị chủ trì (thời gian thực hiện từ 06/2019 đến 02/2021). Đề tài thuộc Chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp Quốc gia giai đoạn 2016-2020 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ vật liệu mới” (KC.02).

Hiện trạng nước nhiễm mặn tại Việt Nam

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 ĐBSCL. Đặc biệt chỉ xét riêng ĐBSCL trong năm 2015-2016 đã chịu ảnh 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. Theo dự báo của một số nhà khoa học và Ủy ban hỗn hợp về biến đổi khí hậu (IPCC), đến năm 2050, mực nước biển sẽ tăng 2 mét so với hiện nay, các vùng đất trũng ven biển như bãi cát, rạn san hô, ốc đảo san hô sẽ có nguy cơ ngập lụt và khả năng nước biển xâm nhập mặn vào đất liền đang là xu hướng ở các vùng ven biển.

ĐBSCL có vai trò vô cùng quan trọng đối với an ninh lương thực quốc gia. Dân số và kinh tế vùng ven biển ĐBSCL chiếm một vị trí trọng yếu cho quá trình phát triển của cả khu vực này. Do 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.

Các giải pháp cho tình trạng thiếu nước ngọt hiện tại

Trên thế giới nhiều công nghệ khử mặn đã được phát triển như công nghệ màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis, RO), công nghệ khử lọc muối đa hiệu ứng Multi-Effect Distillation, MED), công nghệ xả đa tầng (Multi-Stage Flash, MSF) và công nghệ điện ly (Electrodialysis, ED)... Trong đó, công nghệ màng thẩm thấu ngược RO đang được sử dụng rộng rãi nhất mặc dù công nghệ này có giá thành lọc nước cao. Một số điểm còn tồn tại của công nghệ RO cần phải kể đến như: năng lượng tiêu thụ điện lớn; lượng nước thải sau quá trình lọc lớn (50-70%); công suất lọc nước không cao; màng RO có thể bị phân rã (chất lượng nước được xử lý trở nên kém hơn) và yêu cầu thay thế định kỳ; đặc biệt nước cứng là nguyên nhân gây tắt màng, rút ngắn tuổi thọ của màng RO. Hiện tại, một số giải pháp đã được áp dụng cho các tỉnh thuộc ĐBSCL trong việc lập kế hoạch tích trữ nước như lắp các trạm nước ngọt hay sử dụng xitec vận chuyển nước ngọt. Tuy nhiên, đây là những giải pháp tình thế tạm thời và không đáp ứng đủ nhu cầu nước ngọt của người dân. Việc tìm kiếm các công nghệ mới để xử lý nước nhiễm mặn thành nước ngọt với chi phí hợp lý là một giải pháp lâu bền giúp cho người dân có thể sống chung với hạn và xâm nhập mặn.

Làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị khử mặn theo công nghệ khử ion điện dung

Nắm bắt được thực trạng xâm nhập mặn hiện nay, các nhà nghiên cứu thuộc Viện KTNĐ và Trường ĐHKHTN TP.HCM đã đi đầu trong nghiên cứu chế tạo vật liệu đa chức năng có khả năng hấp phụ ion Na+ và Cl- trong nước nhiễm mặn với năng suất xử lý muối cao theo công nghệ màng CDI (Membrane CDI). Vật liệu này được chế tạo trên cơ sở kết hợp carbon hoạt tính từ phụ phẩm nông nghiệp (than gáo dừa) và ống nano carbon biến tính. Hệ thiết bị xử lý nước lợ MCDI cho công suất khoảng 5-7 m3/ngày, mở ra triển vọng áp dụng vào thực tế, góp phần khắc phục tình trạng thiếu nước sinh hoạt và nước tưới tiêu cho nông nghiệp do hạn hán và xâm nhập mặn. Đây là một công nghệ khử mặn tiên tiến, có nhiều tiềm năng để dần thay thế các công nghệ dựa trên màng lọc với chi phí vận hành thấp và hiệu quả lọc cao hơn.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ MCDI gồm 2 quá trình: quá trình điện hấp phụ khử mặn) và quá trình giải hấp phụ (tái sinh điện cực). Đối với quá trình điện hấp phụ (quá trình khử mặn), MCDI được áp đặt thế một chiều (DC) với hiệu điện thế £ 1,23 V, cặp điện cực carbon xốp được tích điện trái dấu, các ion Na+ và Cl- trong nước sẽ điện di đến các điện cực tích điện trái dấu và hấp phụ lên các điện cực carbon xốp, dẫn đến nước thành phẩm thu được là nước ngọt.

Nguyên lý hoạt động của quá trình điện hấp phụ (khử mặn) và giải hấp phụ (tái sinh điện cực) của công nghệ MCDI

Quá trình giải hấp phụ các ion (quá trình tái sinh điện cực) có thể được thực hiện bằng cách đảo chiều nguồn điện DC, các ion sẽ được phóng thích ra khỏi điện cực, điện cực được tái sinh và bắt đầu chu trình lọc mặn mới.

Đối với công nghệ MCDI, vật liệu điện cực chính là chìa khóa, là yếu tố tiên quyết cho hiệu suất khử mặn của thiết bị và giá thành lọc nước. Trong đề tài KC.02.24/16-20, điện cực composite xốp, dẫn điện được chế tạo với thành phần chính là carbon hoạt tính gáo dừa với khả năng hấp phụ tốt, trữ lượng dồi dào và giá thành rẻ. Việc sử dụng vật liệu than hoạt tính từ phụ phẩm nông nghiệp sẵn có tại khu vực ĐBSCL giúp chủ động về nguyên liệu, giảm giá thành của sản phẩm đồng thời nâng cao giá trị của cây nông nghiệp Việt Nam. Nhóm nghiên cứu đã làm chủ công nghệ chế tạo điện cực composite từ than gáo dừa kết hợp với một hàm lượng rất nhỏ của chất dẫn điện ống nano cacbon đa tường và hệ chất kết dính phù hợp, cho sản phẩm điện cực composite với những tính năng vượt trội về độ ổn định, độ xốp và khả năng hấp phụ muối.

Làm chủ công nghệ chế tạo hệ thiết bị xử lý nước lợ MCDI: Trên cơ sở tối ưu các điều kiện chế tạo vật liệu điện cực composite và tối ưu các thông số vận hành, nhóm nghiên cứu đã thiết kế module khử mặn với 250 điện cực và lắp đặt thành công thiết bị xử lý nước lợ MCDI. Hệ thiết bị lọc nước MCDI được thiết kế vận hành với một hệ thống điều khiển tự động giúp chuyển hóa nước lợ thành nước ngọt đạt tiêu chuẩn của Bộ Y tế. Hệ thiết bị gồm một số chi tiết chính như khung vỏ, module MCDI, bộ nguồn DC, tủ điều khiển, màn hình điều khiển PLC, hệ thống bơm cấp nước và bồn chứa, van điều khiển, đầu do đo độ dẫn điện,... Công suất lọc nước đạt được khoảng 5-7 m3/ngày đêm, với lượng nước thải nhỏ hơn 20% (giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với sử dụng công nghệ RO). Nhóm nghiên cứu cho biết việc tính toán giá thành cũng như hiệu quả khử mặn của thiết bị MCDI chế tạo được với thiết bị lọc nước Siontech (Hàn Quốc) cho thấy sản phẩm chế tạo được hoàn toàn có thể cạnh tranh với các sản phẩm quốc tế đã được thương mại hóa trên thị trường.

Module MCDI, hệ thiết bị prototype MCDI xử lý nước lợ và màn hình điều khiển

Đề tài KC.02.24/16-20 (thực hiện trong 18 tháng từ 2019-2021) đã được nhóm thực hiện đề tài hoàn thành tốt các mục tiêu, nội dung và kết quả đặt hàng của Bộ Khoa học và Công nghệ. Các kết quả đạt được của đề tài cho thấy tính hiệu quả cũng như tính khả thi để ứng dụng trong xử lý nước lợ với dung lượng hấp phụ muối đạt được khoảng 7,5 – 14 mg/g. Trong thời gian tới, với sự tài trợ kinh phí từ Chương trình phát triển khoa học cơ bản trong lĩnh vực Hóa học của Bộ KHCN (chương trình 562) nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển các hệ điện cực tiên tiến với dung lượng hấp phụ tốt hơn, có khả năng hấp phụ đa cơ chế để có thể áp dụng xử lý đa dạng các nguồn nước (không chỉ là khử mặn, mà còn khử được nước cứng, hay loại bỏ các ion kim loại nặng) trên cơ sở phát triển công nghệ khử ion điện dung lai (Hybrid Capacitive Deionization – HCDI), là công nghệ tiên tiến hơn trong dòng công nghệ CDI với hiệu quả lọc nước cao, năng lượng tiêu thụ thấp và tiết kiệm chi phí lọc nước.

Việc thiết kế chế tạo hệ khử mặn trên nguyên lý CDI (MCDI và HCDI) với nguồn nguyên liệu sẵn có tại chỗ, chi phí hợp lý và hiệu quả khử muối cao hứa hẹn mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, góp phần giải quyết tình trạng thiếu nước ngọt trầm trọng tại các tỉnh thuộc vùng ĐBSCL, mang lại hiệu quả trực tiếp cho sự phát triển kinh tế- xã hội của khu vực. Quá trình nghiên cứu triển khai đề tài cũng góp phần đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, liên ngành trong lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học và cơ điện tử.