Xử lý nước lợ tại vùng xâm nhập mặn bằng công nghệ khử điện dung

Nhằm góp phần giải quyết tình trạng thiếu nước sinh hoạt trong mùa hạn - mặn của các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh) đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thiết bị xử l‎ý nước lợ dựa trên nguyên lý điện dung khử ion (Capacitive Deionization - CDI), với nhiều ưu điểm: chi phí chế tạo và tiêu thụ điện năng thấp, hiệu quả khử mặn cao. Đây là kết quả của đề tài KC.02.24/16-20, thuộc Chương trình KC 02: “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ vật liệu mới”

ĐBSCL nằm ở vùng hạ lưu sông Mê Kông có diện tích khoảng hơn 40.000 km², là vùng bị ảnh hưởng nặng nề bởi biến đổi khí hậu, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi triều cường và xâm nhập mặn. Trong những năm gần đây, tình trạng biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng khốc liệt và việc tích trữ nước của nhiều công trình thủy điện trên dòng sông Mê Kông đã dẫn đến sự xâm nhập mặn sâu và chất lượng nguồn nước bị suy giảm, vấn đề khan hiếm nước sinh hoạt xảy ra ở hầu hết các địa phương thuộc vùng ĐBSCL.

                                                    Bản đồ dự báo phân bố độ mặn khu vực ĐBSCL (2020)

Việc tìm kiếm các công nghệ để chuyển hóa nước lợ thành nước ngọt với chi phí hợp l‎ý là một giải pháp lâu bền giúp cho người dân có thể sống chung với hạn hán và xâm nhập mặn. Nhằm góp phần giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh) đã nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị xử lý nước lợ theo công nghệ điện dung khử ion - CDI, công suất 5-7 m³/ngày, góp phần khắc phục tình trạng thiếu nước sinh hoạt do hạn hán và xâm nhập mặn.

Nhóm nghiên cứu đã đi đầu trong công nghệ chế tạo vật liệu đa chức năng có hiệu suất xử l‎ý muối cao từ than gáo dừa và ống nano cacbon (CNTs) ứng dụng làm vật liệu điện cực cho thiết bị khử mặn theo công nghệ CDI. Đây là công nghệ khử mặn tiên tiến, có nhiều tiềm năng để dần thay thế công nghệ màng lọc RO. Công nghệ CDI có nhiều ưu điểm như: chi phí chế tạo và vận hành thấp, vận hành thiết bị đơn giản, hiệu suất khử muối cao. Nguyên lý hoạt động của công nghệ điện dung khử ion gồm 2 quá trình: điện hấp phụ (lọc nước) và giải hấp phụ (tái sinh, loại muối từ điện cực).

                                    Nguyên lý hoạt động/điện hấp phụ (A) và giải hấp ion/tái sinh điện cực (B) của CDI

Vật liệu điện cực compozit chính là yếu tố quyết định hiệu suất khử mặn của thiết bị CDI. Trong nghiên cứu, điện cực sử dụng cho thiết bị khử mặn CDI đã được tối ưu (thành phần và quy trình) từ phụ phẩm nông nghiệp với trữ lượng dồi dào, sẵn có tại khu vực ĐBSCL là than gáo dừa kết hợp với ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) với những tính năng vượt trội về độ ổn định, độ xốp và khả năng hấp phụ muối. Hơn nữa, nghiên cứu cũng chỉ ra điện cực này có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ cũng như xử lý‎ được độ cứng của nước.

                                                     Điện cực compozit xốp từ than gáo dừa và module CDI

Trên cơ sở các điện cực compozit chế tạo được, nhóm nghiên cứu đã thiết kế module khử mặn với 250 điện cực được mắc nối tiếp nhau và thiết kế sơ đồ chế tạo hệ thiết bị CDI. Thiết bị lọc nước CDI đã được thiết kế và lắp đặt thành công với một hệ thống điều khiển giúp chuyển hóa nước lợ thành nước ngọt đạt tiêu chuẩn của Bộ Y tế. Hệ thiết bị gồm 45 chi tiết, trong đó một số chi tiết cơ bản như: hệ khung vỏ, bơm cấp nước, van điều khiển, hệ lọc tinh, bộ nguồn DC, tủ điều khiển, màn hình hiển thị PLC, hệ thống khử mặn (module CDI) và bồn chứa… Trong đó, tủ điều khiển được lập trình có thể vận hành tự động hoặc bằng tay với các kỹ thuật và thao tác đơn giản. Công suất lọc nước đạt khoảng 5m³/ngày, công suất tối đa đạt được có thể lên đến 7m³/ngày với lượng nước thải chỉ chiếm khoảng 16% lượng nước đầu vào (giá trị này nhỏ hơn nhiều so với >50% khi sử dụng công nghệ RO). Đặc biệt, hệ thiết bị đã được thử nghiệm với mẫu nước nhiễm mặn tại Càng Long, Cầu Kè, Giá Rai… thuộc các tỉnh Trà Vinh, Bạc Liêu. Khả năng khử mặn hiệu quả tại ranh mặn 4g/l mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế của hệ thiết bị tại khu vực ĐBSCL.

                                                                           Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị CDI

Hệ thiết bị CDI hoàn chỉnh, vận hành thực tế với mẫu nước đầu vào bị nhiễm mặn. A: Hệ thiết bị chính; B: Bồn chứa nước nhiễm mặn; C: Bồn chứa nước thành phẩm; D: Van dẫn nước thải

Tuy mới chỉ là các nghiên cứu RD ban đầu, việc thiết kế chế tạo thành công hệ khử mặn CDI với nguồn nguyên liệu sẵn có tại chỗ, chi phí hợp l‎ý và hiệu quả khử muối cao có 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.

                                                                                                               Nguồn: Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam

                                                                                                                Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam