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

Điện cực hấp phụ muối trong nước lợ

“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)” là đề tài do Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TPHCM) chủ trì thực hiện, PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng làm chủ nhiệm.

Khử muối điện dung (CDI) là một công nghệ khử muối bằng điện hấp thụ có khả năng tránh được hầu hết các vấn đề quan trọng mà các công nghệ khác phải đối mặt, đó là tiêu thụ năng lượng cao và tắc nghẽn màng.

CDI hoạt động ở điện áp tương đối thấp (thường 0,8 - 2,0 V) để loại bỏ các ion. Trong công nghệ CDI, dung dịch cấp chảy qua các điện cực điện dung cao được làm từ vật liệu xốp dẫn điện, trong đó các cation và anion từ dung dịch cấp được hấp phụ trên các điện cực tích điện trái dấu.

Sau một thời gian hoạt động, các điện cực bão hòa với các ion và độ mặn của nước thải tăng lên. Sau đó, tái sinh các điện cực bằng cách đặt một điện thế ngược để giải phóng các ion bị hấp phụ vào dòng chất thải.

Nhóm thực hiện nhiệm vụ đã xây dựng quy trình thu hồi cellulose từ sinh khối (thân ngô, bã mía, lục bình). Cellulose sản phẩm đều có màu trắng, tơi, xốp và chỉ số Kappa trong khoảng dưới 5 phù hợp cho quá trình tạo thành vật liệu 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 từ cellulose aerogel. Carbon aerogel dạng bột, có kích thước hạt khoảng 45 - 150 μm. Từ đó, nhóm thực hiện tiến hành chế tạo điện cực carbon aerogel.

Bên cạnh việc sử dụng vật liệu carbon cellulose aerogel để chế tạo điện cực, thành phần phụ gia cũng được thêm vào thành phần composite. Lần lượt CNT, AB, MnO2, TiO2 được thêm vào thành phần composite với các tỷ lệ khác nhau nhằm tăng tính chất điện cực composite.

Tính chất điện hóa của điện cực được khảo sát bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV). Phép đo được thực hiện trên máy Autolab 320N để xác định giá trị điện dung và điện dung riêng của điện cực.

Phương pháp GCD cũng 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 là platinnum và điện cực làm việc là điện cực carbon aerogel cần khảo sát với dung dịch điện ly NaCl 0,5 M.

Lưu lượng xử lý nước nhanh

Nội dung đánh giá khả năng hấp phụ muối NaCl của điện cực composite carbon aerogel được thực hiện theo hệ đo bao gồm một tế bào CDI, một máy đo độ dẫn, một máy tính ghi nhận tín hiệu độ dẫn, một bơm nhu động, một máy áp thế, một máy đảo dòng.

Hệ 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 trong vòng hơn 48 giờ hoạt động liên tục, điện cực vẫn thể hiện được khả năng xử lý muối trong khoảng từ 15 - 20 mg/g cho thấy điện cực hoạt động ổn định. 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.

Tâm điện cực được cắt lỗ tròn đường kính 20mm. 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 với mẫu nước lợ 1.000ppm cho thấy mô-đun cho hiệu quả khử mặn đạt 90,5% (xuống còn 95 ppm) ở điều kiện thử nghiệm với lưu lượng 3 - 5 l/phút. Từ đó có thể thiết kế hệ thống khử mặn quy mô công nghiệp theo phương án mắc nối tiếp hoặc song song các mô-đun tùy thuộc độ mặn nguồn nước với số lượng mô-đun/độ mặn tính theo tỉ lệ 1 mô-đun/1.000 ppm.