Microsoft Word NTTU NCKH 04 Bao cao tong ket de tai 220307 Hoang Long doc CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Đơn vị chủ trì Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT[.]
NTTU-NCKH-04 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2022 Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu composite từ polymer PVA ứng dụng cho hệ điện cực xử lý nước mặn CDI Số hợp đồng: 2021.01.112 Chủ nhiệm đề tài: Ngơ Hồng Long Đơn vị công tác: Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: 09 tháng CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc - Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2022 Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu composite từ polymer PVA ứng dụng cho hệ điện cực xử lý nước mặn CDI Số hợp đồng: 2021.01.112 Chủ nhiệm đề tài: Ngơ Hồng Long Đơn vị công tác: Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: 09 tháng Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên Nguyễn Thanh Tùng Nguyễn Ngân Tuấn Chuyên ngành Vật liệu Cơ quan cơng tác Viện cơng nghệ cao NTT Hóa lý Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQG TPHCM Ký tên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Vật liệu nghiên cứu 2.2.2 Chế tạo hệ gel PVA composite 2.2.3 Chế tạo màng PVA composite độc lập 2.2.4 Chế tạo điện cực CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tổng hợp màng trao đổi ion từ PVA điều kiện khác 3.2 Khảo sát tính chất màng 12 3.2.1 Độ trương nở nước 12 3.2.2 Dung lượng hấp phụ ion 14 3.3 Khảo sát tính chất điện cực 16 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 20 4.1 Kết luận 20 4.2 Kiến nghị 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PVA SSA CDI MCDI FT-IR CV CDG SEM Polyvinyl alcohol Sulfosuccinic acid Capaccity Deionization Membrane Capacity Deionization Fourier transform infrared spectroscopy Cyclic Voltammetry Galvanostatic Charge-Discharge Scanning electron microscopy DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1: Quy trình chế tạo điện cực Hình 2: Quy trình phủ màng trao đổi ion lên bề mặt điện cực Hình 3: Hình chụp kỹ thuật số màng trao đổi ion PVA/SSA (A), PVA/SSA/GA (B) với nồng độ SSA thay đổi từ đến 7,5 10 Hình 4: Giản đồ FT-IR mẫu màng CEM 11 Hình 5: Phản ứng PVA SSA 11 Hình 6: Độ trương nở màng trao đổi ion 13 Hình 7: Giá trị IEC mẫu màng trao đổi ion 15 Hình 8: Hình ảnh phân tích SEM điện cực khơng phủ màng (A), (C) điện cực có phủ màng (B), (D) độ phóng đại 90 lần 1000 lần 16 Hình 9: Hình SEM chụp mặt cắt điện cực phủ màng trao đổi ion 17 Hình 10: Đường hấp phụ điện cực phủ màng điện cực khơng phủ màng 19 TĨM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU STT Công việc thực Tổng hợp màng PVA composite Kết đạt -Thành công chế tạo hệ gel từ PVA có khả trao đổi ion - Tạo màng thành công từ hệ gel tổng Kiểm tra tính chất màng PVA hợp tiến hành đánh giá tính chất màng độc lập thu - Thực quét hệ gel lên điện cực Kiểm tra khả ứng dụng carbon xốp tiến hành thử nghiệm khả hệ CDI hoạt động màng điều kiện hoạt động hệ CDI STT Sản phẩm đăng ký 01 báo Tạp chí KHCN Đh Nguyễn Tất Thành Thời gian thực hiện:5/2021-2/2022 Thời gian nộp báo cáo :3/2022 Sản phẩm đạt Đã đệ trình thảo cho tạp chí KHCN Đh Nguyễn Tất Thành MỞ ĐẦU Biến đổi khí hậu toàn cầu hệ phát triển cơng nghiệp có ảnh hưởng ngày rõ nét nguy đe dọa trực tiếp đến đời sống người kỷ 21 Theo đó, mực nước biển dâng cao tượng nóng lên toàn cầu làm tan chảy băng hai cực gây tượng xâm nhập mặn nhiều khu vực trũng thấp giới Bên cạnh đó, việc khai thác cạn kiệt nguồn tài nguyên nước Trái đất làm cho tình trạng thiếu nước trở nên phổ biến nhiều vùng giới, dẫn đến nhu cầu nước thách thức loài người kỷ Như đề cập, biến đổi khí hậu gây tình trạng xâm nhập mặn thiếu nước nhiều quốc gia, khu vực giới Tại Việt Nam, tình trạng xâm nhập mặn tháng mùa khô Đồng Bằng Sông Cửu Long trở nên nghiêm trọng Vành đai xâm nhập mặn ngày tiến sâu vào nội đồng với độ mặn lên đến g/L Từ đó, nghiên cứu phát triển công nghệ khử mặn nhiệm vụ cấp thiết nhằm ứng phó với tình trạng xâm nhập mặn Bên cạnh việc chế tạo vật liệu điện cực nhằm tăng khả hoạt động tế bào điện dung khử ion (capacitive deionization – CDI) việc làm chủ cơng nghệ chế tạo màng trao đổi ion nhu cầu cấp thiết đặt Vì loại polymer nghiên cứu polyvinylidene fluoride (PVDF) hay poly(phenylene oxide) (PPO) loại polymer có giá thành cao phải hịa tan dung mơi có nhiệt độ sơi cao NMP dẫn đến q trình gia cơng điện cực có nhiều trở ngại Trong polyvinyl alcohol (PVA) lại đối tượng hấp dẫn cho vai trò màng trao đổi ion điện cực CDI PVA hịa tan nước thực biến đổi để tạo thành màng không tan nước Giá thành PVA lại rẻ loại polymer có khả phân hủy sinh học cao Từ lý trên, việc thực đề tài “Tổng hợp vật liệu composite từ polymer PVA ứng dụng cho hệ điện cực xử lý nước mặn CDI” bước nghiên cứu việc tìm kiếm áp dụng loại màng trao đổi ion phù hợp cho thiết bị khử mặn CDI áp dụng điều kiện Việt Nam Màng trao đổi ion tổng hợp từ PVA chế tạo phương pháp biến đổi cấu trúc PVA dựa vào nhóm OH tự có cấu trúc PVA Màng trao đổi ion hình thành nguyên tắc tạo thành nhóm mang điện tích nhằm ngăn cản ion qua màng theo nguyên lý ion dấu đẩy Trong phạm vi đề tài sở, hướng đến việc tổng hợp màng trao đổi cation với việc chặn anion cho phép cation qua màng Mục tiêu đề tài: Chế tạo màng composite trao đổi ion từ PVA Đánh giá tính chất màng trao đổi ion CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU Dân số giới tăng nhanh ngày, vượt mốc 7.8 tỷ người vào năm 2021 1, dự đoán cán mốc tỷ người vào năm 2023 đạt tới tỷ người vào năm 2037 Chính vậy, việc cung cấp nước cho tồn dân số giới ngày trở nên khó khăn, tình trạng nguồn tài nguyên tự nhiên ngày cạn kiệt 3,4 Nước nhu cầu cấp thiết người Các thống kê cho thấy khoảng 1/5 dân số giới sống vùng khan nước, 1/4 khác khơng có đủ tài để mua nước 5, điều địi hỏi phải có biện pháp cấp bách thiết thực để tăng cường khả cung cấp nước sạch, điều tiết nhu cầu sử dụng nước nhằm chia sẻ nguồn nước 97.5% nguồn cung cấp nước toàn giới nước biển, có 0.3% nguồn nước sử dụng để uống 6, cơng nghệ khử mặn công nghệ quan trọng việc nâng cao số lượng chất lượng nguồn nước Hiện tại, có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc khử mặn cho nguồn nước có nồng độ muối cao, nhiên việc khử mặn nguồn nước lợ nên quan tâm nhiều hơn, giá thành rẻ độ hiệu cao, lại phù hợp với quy mơ dân cư vừa nhỏ Có nhiều phương pháp khử mặn, thường phân chia cách đơn giản theo phương pháp nhiệt, phương pháp màng hay phương pháp điện Phương pháp khử mặn sử dụng nhiệt phương pháp khử mặn lâu đời thương mại hóa Cơ chế chung phương pháp trình bay dung dịch, thu muối rắn nước, nước sau ngưng tụ để thu nước Tuy nhiên, trình đòi hỏi nhiều lượng Dựa vào phương pháp này, người ta phát triện phương pháp chưng cất chớp nhoáng nhiều giai đoạn (multistage flash distillation), phương pháp thương mại hóa nhiều Trong phương pháp khử muối sử dụng màng, màng chọn lọc ion chế tạo để loại bỏ ion định dịng chảy 3,10 Tuy q trình khơng sử dụng nhiệt năng, địi hỏi phải có áp suất dịng chảy lớn, áp suất lớn kích thước lỗ xốp nhỏ Quá trình thực dạng thẩm thấu ngược (reverse osmosis) hay thẩm phân điện màng (membrane electro-dialysis) 3,11 Và cuối cùng, phương pháp khử mặn sử dụng điện dựa vào dịng điện để trì trường điện để điều khiển di chuyển ion, ion tạp chất di chuyển đến kho chứa loại bỏ khỏi dung dịch Hai công nghệ phổ biến phương pháp cơng nghệ điện dung khử ion (capacitive deionization) thẩm phân điện (electro-dialysis) CDI (Capacitive deionization) công nghệ xử lý nước mặn thu nhiều quan tâm nghiên cứu thập kỷ Với điểm tiên tiến rẻ tiền tiêu thụ lượng hai cơng nghệ cũ sử dụng qua nhiều năm việc xử lý nước mặn thẩm thấu ngược (reverse osmosis) điện phân (electrolysis), CDI tiếp tục nghiên cứu năm tới 12,13 Cấu tạo tế bào CDI mô tả đơn giản cặp điện cực xốp đặt song song với cách cách Khi áp khoảng hai điện cực, ion hạt mang điện dung dịch di chuyển hai điện cực tác động lực điện trường nguyên tắc đồng độ Sau cấu tử hấp phụ lên bề mặt điện cực xốp tạo thành lớp điện tích kép (Electrical Double Layer – EDL) 14-16 Khi điện cực ngắt điện đảo thế, cấu tử hấp phụ lên bên mặt điện cực thoát ngược vào dịng dung dịch chảy qua điện cực, q trình xem q trình hoạt hóa lại điện cực cho chu kỳ hấp phụ Tuy vậy, có vấn đề xảy giai đoạn xả điện hai điện cực đảo lại ion hấp thu bề mặt điện cực quay trở lại dịng dung dịch ion đối (counter-ion) có mặt dòng dung dịch bị hấp phụ ngược lại điện cực, điều dẫn đến việc điện cực khơng hoạt hóa hồn tồn ngun nhân việc giảm hiệu xử lý hệ điện CDI 17-19 Và để khắc phục khuyết điểm nhằm nâng cao khả ứng dụng hệ CDI, hệ CDI cải tiến giới thiệu MCDI (membrane capacitive deionization) 18 Với cấu tạo tương tự CDI, nhiên hai bề mặt điện cực xốp có thêm hai lớp màng trao đổi ion bao gồm màng trao đổi cation màng trao đổi anion Hai lớp màng trao đổi ion có vai trị hàng rào chọn lọc cho cation anion đến điện cực xác định, giảm tượng hấp phụ ion đối đảo áp hai bề mặt điện cực 20-22 Polyvinyl alcohol (PVA) vật liệu phổ biến có độ tan nước cao, rẻ, thân thiện với môi trường PVA sử dụng nhiều công nghệ chế tạo màng ... Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2022 Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu composite từ polymer PVA ứng dụng cho hệ điện cực xử lý nước mặn CDI Số hợp đồng: 2021.01.112... vật liệu composite từ polymer PVA ứng dụng cho hệ điện cực xử lý nước mặn CDI? ?? bước nghiên cứu việc tìm kiếm áp dụng loại màng trao đổi ion phù hợp cho thiết bị khử mặn CDI áp dụng điều kiện Việt... ion ứng dụng hệ CDI sử dụng để khử mặn Nội dung 3: Kiểm tra khả ứng dụng hệ CDI Màng composite quét lên điện cực carbon xốp thử nghiệm khả xử lý muối 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Vật liệu