Phát triển công nghệ khử ion điện dung ứng dụng trong xử lý nước

Siêu hấp thụ bằng khử ion điện dung (CDI) được đánh giá là công nghệ mới nổi trên thế giới, có thể thay thế hiệu quả các công nghệ xử lý nước phổ biến hiện nay như thẩm thấu ngược (RO), thẩm tách điện, chưng cất… vì những tính năng vượt trội như siêu hấp thụ các chất ô nhiễm ở dạng hòa tan trong nước, khử nhưng giữ lại chất khoáng tự nhiên, tỷ lệ thu hồi nước cao, tiết kiệm năng lượng… Nhận thấy tiềm năng và triển vọng của công nghệ này, Viện Tài nguyên và Môi trường thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN) đã hợp tác với Công ty TNHH Công nghệ Vietdream nghiên cứu phát triển công nghệ CDI ứng dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam, từ đó cho ra đời các thế hệ lõi lọc với nhiều ưu điểm nổi trội, phù hợp với mọi quy mô công nghiệp và dân dụng.

Tình trạng an ninh nguồn nước đáng báo động

Theo báo cáo gần đây của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Quỹ Nhi đồng của Liên hợp quốc (UNICEF), đến năm 2020, trên thế giới, cứ 4 người thì có 1 người thiếu nước uống an toàn trong nhà và dự báo đến năm 2030 chỉ 81% dân số thế giới được sử dụng nước uống an toàn tại nhà (1,6 tỷ người không có nước uống); chỉ 67% dân số thế giới có dịch vụ vệ sinh an toàn (2,8 tỷ người sẽ không có); chỉ 78% dân số thế giới sẽ có các thiết bị rửa tay cơ bản (1,9 tỷ không có). Để đạt được khả năng tiếp cận phổ cập nước uống an toàn vào năm 2030, tốc độ tiến bộ hiện tại ở các nước kém phát triển cần phải tăng gấp 10 lần so với hiện nay. Ở những nơi có nguy cơ thiếu nước uống an toàn cao gấp đôi, nỗ lực này cần phải tăng tốc lên 23 lần [1]. Điều này đòi hỏi các quốc gia cần đầu tư vào các mục tiêu phát triển bền vững, trong đó cần ưu tiên giải quyết vấn đề an ninh nguồn nước, tình trạng bất bình đẳng trong tiếp cận nước và vệ sinh môi trường.

Tại Việt Nam, hiện mỗi năm có khoảng 9.000 người tử vong do nguồn nước và vệ sinh kém, gần 250.000 người nhập viện vì bị tiêu chảy cấp do nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm, khoảng 200.000 người mắc bệnh ung thư mỗi năm mà một trong những nguyên nhân chính là do ô nhiễm nguồn nước; vẫn có đến 30% dân số chưa nhận thức được tầm quan trọng của sử dụng nước an toàn. Một nghiên cứu của WHO về tình trạng suy dinh dưỡng ở trẻ em Việt Nam đã đưa ra cảnh báo, hiện có khoảng 44% trẻ em bị nhiễm giun và 27% trẻ em dưới 5 tuổi bị suy dinh dưỡng mà nguyên nhân chính là do thiếu nước sạch và vệ sinh kém. Bên cạnh đó, có khoảng 21% dân số đang sử dụng nguồn nước bị nhiễm asen. WHO xếp Việt Nam vào danh sách những nước có tình trạng an ninh nguồn nước đáng báo động, nhất là ở khu vực nông thôn.

Ưu điểm vượt trội của công nghệ siêu hấp thụ bằng khử ion điện dung

Trong ngành công nghiệp xử lý nước, đã có nhiều công nghệ được phát triển và đưa vào sử dụng nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất và sinh hoạt. Từ các công nghệ đơn giản như lọc thô, lọc tinh, bão hòa, khử trùng… đến các công nghệ hiện đại như thẩm thấu ngược (RO), thẩm tách điện, chưng cất… Hiện nay, công nghệ siêu hấp thụ bằng khử ion điện dung (CDI) được đánh giá là công nghệ mới nổi trên thế giới có thể thay thế hiệu quả các công nghệ xử lý nước nói trên. Công nghệ này có những tính năng vượt trội như siêu hấp thụ các chất ô nhiễm ở dạng hòa tan trong nước, khử nhưng giữ lại chất khoáng tự nhiên, tỷ lệ thu hồi nước cao, tiết kiệm năng lượng và chi phí, thân thiện với môi trường, hiệu suất tái tạo ion cao.

Mỗi lõi lọc nước bằng công nghệ CDI được cấu tạo bởi hàng tỷ điện cực (được gọi là tế bào CDI) cách nhau một khoảng cách nhỏ, chỉ vài milimét, vật liệu các bon xốp được sử dụng làm các điện cực; điện áp một chiều thấp (khoảng 1,2-2,0 V) được đặt vào các điện cực này và nước được bơm chảy qua các tế bào CDI. Các tế bào CDI hoạt động trên nguyên lý là các điện cực tích điện sẽ tách các ion trái dấu có trong nước và hấp phụ trên bề mặt. Việc sử dụng lâu dài các tế bào CDI để loại bỏ các ion tích điện (được gọi là pha hấp phụ), thường dẫn đến độ bão hòa của các điện cực, làm cho hiệu suất loại bỏ chất bẩn giảm đi và đạt thấp. Các điện cực bão hòa là kết quả của giai đoạn hấp phụ có thể được thay thế bằng một bộ điện cực mới hoặc bằng cách giải hấp phụ. Việc giải hấp phụ lại các điện cực bão hòa đạt được bằng cách đặt điện áp ngược hoặc làm ngắn mạch các điện cực, mà không cần áp dụng bất kỳ áp suất bên ngoài nào để rút các ion như trong lọc màng và một số công nghệ khử kim loại khác, bởi lẽ quá trình tách các ion này được hỗ trợ bởi lực tĩnh điện.

Nhiều sáng chế về nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ CDI

Các nghiên cứu mới nhất về CDI đã tập trung vào giải quyết các vấn đề như nhu cầu tối ưu hóa các thông số hoạt động, cải thiện sự hấp phụ các ion và tăng diện tích bề mặt, độ xốp của điện cực CDI. Môđun hóa diện tích bề mặt của than hoạt tính, các bon aerogel, graphene, ống nano các bon, bọt nano các bon và các điện cực dựa trên các bon khác là một giải pháp thay thế để tăng hiệu suất điện tử của các tế bào CDI. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, diện tích bề mặt lớn hơn và sự phân bố kích thước lỗ thích hợp (dựa trên kích thước của các ion mục tiêu) đóng vai trò rất quan trọng trong hiệu quả loại bỏ các ion bẩn trong nước của tế bào CDI.

Một giải pháp thay thế để cải thiện hiệu suất hấp phụ của tế bào CDI là màng trao đổi ion giữa các điện cực và kênh không gian (không gian giữa 2 điện cực), được gọi là khử ion điện dung màng (MCDI). Các màng MCDI này hạn chế hấp phụ của các ion trong quá trình giải hấp phụ. Do đó, đã cải thiện khả năng hấp phụ của điện cực sau khi giải hấp phụ. Vì vậy, mức tiêu thụ năng lượng tổng thể trong các tế bào MCDI đã giảm xuống với khả năng phục hồi năng lượng trong giai đoạn giải hấp phụ [2]. Một trong những công nghệ MCDI cải tiến là các điện cực được phủ bằng các polyme trao đổi ion, giúp cải thiện độ bám dính, tiếp xúc giữa các điện cực và màng trao đổi ion, dẫn đến điện trở tiếp xúc thấp hơn và điện trở suất thấp hơn. Do đó, tiêu thụ năng lượng giảm so với hoạt động MCDI thông thường [3. 4]

Hiện nay, một số nước đang tập trung đầu tư phát triển công nghệ CDI ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm, nước nhiễm phèn và nhiễm mặn. Trong cơ sở dữ liệu sáng chế quốc tế, đến tháng 10/2019, có khoảng 608 sáng chế về nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ CDI trong xử lý nước được công bố, tập trung nhiều tại Hàn Quốc, Mỹ, Trung Quốc, Canada, Nhật Bản và Australia. Sáng chế đầu tiên được công bố tại Mỹ vào năm 1995 về phương pháp và thiết bị khử ion hấp thụ tĩnh điện, tinh lọc bằng điện hóa và tái tạo điện cực. Trong đó, 10 tập đoàn dẫn đầu sở hữu sáng chế về công nghệ CDI gồm: Samsung Electronics Co Ltd (56); Coway Co Ltd (32); Unilever NV (30); Enpar Technologies Inc (21); Unilever Plc (20); Sion Tech Co Ltd (18); Pentair Residential Filtration (15); Doosan Heavy Ind (15); Univ Hohai (15); Univ California (14).

Nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam

Nhận thấy tiềm năng và triển vọng phát triển của công nghệ CDI tại thị trường Việt Nam, từ năm 2019, Viện Tài nguyên và Môi trường, ĐHQGHN đã hợp tác với Công ty TNHH Công nghệ Vietdream nghiên cứu và phát triển công nghệ CDI ứng dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam. Các thế hệ lõi lọc CDI đã được phát triển và thử nghiệm xử lý nước đạt các tiêu chuẩn nước sạch cho uống trực tiếp, sinh hoạt, chế biến lương thực, thực phẩm, lò hơi… với các nhu cầu khác nhau (từ quy mô nhỏ cho hộ gia đình, văn phòng, cơ quan đến quy mô công nghiệp cho các nhà máy xử lý nước, nhà máy chế biến thực phẩm…).

Các sản phẩm lọc nước bằng công nghệ CDI của Viện Tài nguyên và Môi trường và Vietdream phát triển có ưu điểm vượt trội so với công nghệ lọc thẩm thấu ngược RO (loại bỏ cả các chất khoáng có lợi cho cơ thể, lượng nước thải đến 50-60%) nhưng vẫn giữ lại trên 50% chất khoáng vi lượng tự nhiên cho cơ thể; không phải thay màng lọc sau thời gian sử dụng; tiêu thụ năng lượng thấp; thiết bị cấu tạo nhỏ gọn; lượng nước thải bỏ thấp (10%), tức khả năng thu hồi nước cao đến 90%; lọc sạch chất lơ lửng kích thước > 1µm; hấp thu 100% các chất độc hại như thuốc trừ sâu, phân bón, kim loại nặng, các chất ôxy hóa gây ung thư; loại trên 99% vi khuẩn; trung hòa độ pH… Đặc biệt, các lõi lọc CDI này có ưu thế vượt trội trong xử lý nước lợ và nước nhiễm mặt.

* Tiêu đề gốc: Viện Tài nguyên và Môi trường hợp tác phát triển công nghệ khử ion điện dung ứng dụng trong xử lý nước

PGS.TS Lưu Thế Anh(1), TS Hoàng Trung Kiên(2)
1) Viện Tài nguyên và Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội
2) Công ty TNHH Công nghệ Vietdream

Tài liệu tham khảo

[1] WHO and UNICEF (2021), The joint Monitoring Programme report: Progress on household drinking water, sanitation and hygiene 2000-2020.

[2] V. Gaur (2013), “Reduction of Chloramines in drinking water using catalytic carbon”, https://wcponline.com/2012/02/24/reduction-of-chloramines-in-drinking-water-using-catalytic-carbon, accessed 15 November 2023.

[3] Gaw – Hao Huang, Teng – Chien Chen, Shu – Fang Hsu, et al. (2013), “Capacitive deionization (CDI) for removal of phosphate from aqueous solution”,

Desalination and Water Treatment, 52(4-6), pp.759-765.

[4] Lawrence Weinstein, Ranjan Dash (2013), “Capacitive deionization: Challenges and opportunities, Journal of Water Reuse and Desalination, pp.34-37.