Bài viết Nghiên cứu lọc nước lợ bằng công nghệ khử ion điện dung (CDI) trình bày khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện vận hành quy mô phòng thí nghiệm đến hiệu suất hấp thụ điện và tiêu thụ năng lượng của lõi lọc khử ion điện dung (CDI) với các điện cực than hoạt tính.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU LỌC NƯỚC LỢ BẰNG CÔNG NGHỆ KHỬ ION ĐIỆN DUNG (CDI) Lưu Thế Anh, Đỗ Quang Trung*1 Hồng Trung Kiên2 TĨM TẮT Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng điều kiện vận hành quy mơ phịng thí nghiệm đến hiệu suất hấp thụ điện tiêu thụ lượng lõi lọc khử ion điện dung (CDI) với điện cực than hoạt tính Hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch cấp, tổng nồng độ muối hòa tan (TDS) ban đầu tốc độ dòng chảy áp dụng Mức tiêu thụ lượng CDI liên quan trực tiếp đến nồng độ TDS tỷ lệ nghịch với tốc độ dịng chảy Từ khóa: Khử ion điện dung, lọc nước lợ, tổng độ muối hòa tan, hấp thụ điện Nhận bài: 5/5/2022; Sửa chữa: 23/5/2022; Duyệt đăng: 26/5/2022 Đặt vấn đề Hầu hết dân số toàn giới bị thiếu nước, với tỷ người phải đối mặt với tình trạng khan nước nghiêm trọng tháng năm nửa tỷ người sống tình trạng khan nước nghiêm trọng năm Các công nghệ khử muối thông thường bao gồm ED MD địi hỏi chi phí vốn cao tiêu thụ lượng cạnh tranh với RO cơng nghệ để khử mặn nước biển Tuy nhiên, tắc nghẽn áp suất cao hạn chế ứng dụng RO, đặc biệt sử dụng để xử lý nước có độ cứng cao, việc thay màng RO thường xuyên nhu cầu sử dụng máy bơm cao áp làm tăng vốn chi phí vận hành [1] Khử muối điện dung (CDI) công nghệ khử muối điện hấp thụ có khả tránh hầu hết vấn đề quan trọng mà công nghệ khác phải đối mặt, tiêu thụ lượng cao tắc nghẽn màng [2] CDI hoạt động điện áp tương đối thấp (thường 0,8 - 2,0 V) để loại bỏ ion [3] Hơn nữa, CDI không yêu cầu màng điều khiển áp suất máy bơm áp suất cao, tránh vấn đề đóng cặn nghiêm trọng xảy với công nghệ khử muối dựa màng thông thường [4] Trong công nghệ CDI, dung dịch cấp chảy qua điện cực điện dung cao làm từ vật liệu xốp dẫn điện, cation anion từ dung dịch cấp hấp phụ điện cực tích điện trái dấu Sau thời gian hoạt động, điện cực bão hòa với ion độ mặn nước thải tăng lên Sau đó, tái sinh điện cực cách đặt điện ngược để giải phóng ion bị hấp phụ vào dịng chất thải [5] Cơng nghệ CDI đạt nhiều tiến Tuy nhiên, nghiên cứu phải Viện Tài nguyên Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội Công ty TNHH Vietdream thực trước sử dụng cơng nghệ thương mại Nói chung, điện cực điện dung có hiệu suất hấp thụ điện khác ion khác nhau, phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử, điện tích bán kính ion ngậm nước [6] Trong báo này, thí nghiệm hấp thụ điện thực cách sử dụng tế bào CDI nghiên cứu phát triển Viện TN&MT Công ty TNHH Vietdream để đánh giá ảnh hưởng điều kiện vận hành quy mơ phịng thí nghiệm đến hiệu xử lý nước lợ tiêu thụ lượng tế bào CDI Kết nghiên cứu cung cấp đánh giá hiệu suất khử muối công nghệ CDI góp phần vào khả vận hành thực tế trường để khử mặn nước lợ Việt Nam Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình thí nghiệm với CDI điều kiện phịng thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm với CDI sử dụng nghiên cứu Viện TN&MT phát triển Hình mơ tả sơ đồ thí nghiệm đơn vị CDI sử dụng Nước đầu vào bơm từ bể chứa qua lọc cát để xử lý sơ qua thiết bị đo dòng chảy đầu vào để vào hai tế bào điện cực bon mắc nối tiếp Hệ thống CDI kết nối vơi nguồn điện pha 240 VAC, 10 A Điện hoạt động chiều xấp xỉ 1,5 V tế bào CDI, cho không xảy phản ứng điện phân ▲Hình Sơ đồ thí nghiệm sử dụng lõi lọc CDI Chuyên đề II, tháng năm 2022 15 Chu kỳ hoạt động CDI 2,5 phút bao gồm hai bước chính: bước chế độ tái sinh bước chế độ lọc Bước tái sinh bắt đầu sau 30 giây, van điện từ nước thải đầu (SV1) van điện từ đầu vào (SV0) đóng nguồn điện tắt, 30 giây van điện từ nước thải đầu (SV2) van điện từ đầu vào (SV0) mở nguồn bật với điện áp ngược chiều 1,5 VDC Bước tái sinh kết thúc sau 60 s Bước lọc bắt đầu sau 90 giây để làm dung dịch cấp liệu Tại đây, van điện từ đầu vào (SV0) van điện từ đầu (SV1) mở nguồn bật với điện áp đặt lên điện cực 1,5 VDC Một gia nhiệt lắp vào thùng cấp liệu để trì nhiệt độ cần thiết cho dung dịch cấp liệu Trong suốt trình thử nghiệm quy mơ thí nghiệm, thử nghiệm thực cách áp dụng 72 chu kỳ liên tiếp điều kiện hoạt động Trước bắt đầu thử nghiệm nào, nước khử ion cấp vào thiết bị CDI 30 phút để loại bỏ muối cịn sót lại điện cực Kết thảo luận dựa giá trị trung bình chu kỳ xử lý tái sinh 2.2 Vật liệu điện cực thành phần tế bào CDI Tế bào CDI bao gồm thu dịng điện than chì điện cực than hoạt tính xốp có nguồn gốc từ vỏ dừa với diện tích riêng 800 m2/g [7] Các thu dịng điện than chì thay đổi theo phân cực dương âm Mỗi cặp điện cực than hoạt tính ngăn cách màng cao phân tử không dẫn điện để tránh tượng đoản mạch Các điện cực than hoạt tính phủ màng trao đổi ion Các màng trao đổi ion cải thiện hấp phụ/giải hấp ion bề mặt điện cực Mỗi tế bào CDI chứa 200 than hoạt tính (100 cực âm 100 cực dương) với kích thước 156 mm × 172 mm × 0,3 mm tổng khối lượng 1352 g than hoạt tính Các điện cực kết nối với hai bên nguồn điện chiều Hai tế bào CDI sử dụng nghiên cứu 2.3 Đánh giá ảnh hưởng điều kiện hoạt động đến hiệu loại bỏ muối tiêu thụ lượng tế bào CDI Các thí nghiệm tiến hành bao gồm: (1) nồng độ TDS dung dịch cấp tăng dần từ 500 - 3500 mg/l nhiệt độ 24 °C tốc độ dòng chảy l/phút; (2) tốc độ dòng chảy tăng dần từ - 4,5 l/ phút nồng độ TDS 1000 mg/l nhiệt độ 24 °C; (3) nhiệt độ dòng cấp tăng dần từ 20 - 50 °C với tốc độ dòng l/phút nồng độ TDS 1000 mg/l Dung dịch nước cấp sử dụng tất thí nghiệm bơm qua đơn vị CDI lần độ dẫn điện nước cấp nước lọc đầu đo máy đo độ dẫn điện (HACH, HQ40d Digital Meter) Kết thu cho thấy, hiệu suất hấp thụ điện tức thời thời điểm thời gian thí 16 Chuyên đề II, tháng năm 2022 nghiệm, hiệu suất hấp thụ tích lũy Trong thí nghiệm này, natri clorua (NaCl) sử dụng để chuẩn bị dung dịch cấp với nồng độ cần thiết Mức tiêu thụ lượng điện (kWh) đơn vị CDI đo đồng hồ đo điện (Todae, MS6115) Trong thí nghiệm này, hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện tính sau: Hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện (%) = [(C0 - C)/C0] × 100 Trong C0 C (mg/l) đại diện cho nồng độ TDS dòng vào dòng xử lý tương ứng Kết nghiên cứu 3.1 Nhiệt độ dung dịch cấp ảnh hưởng đến khả hấp thụ điện điện cực CDI Hiệu loại bỏ hấp thụ điện đơn vị CDI nhiệt độ khác (20, 25, 30, 35, 40, 45 50 °C) thể Hình ▲Hình Hiệu loại bỏ hấp thụ điện nhiệt độ dung dịch cấp khác với tốc độ dòng chảy l/phút nồng độ TDS 1000 mg/l Nồng độ TDS dịng nước lọc tăng dần nhiệt độ dung dịch cấp tăng Hơn nữa, hiệu suất hấp thụ điện theo xu hướng giảm từ 90,4% - 79,2% tăng nhiệt độ dung dịch từ 20 °C - 50 °C Do đó, nói hiệu suất khử hấp thụ điện tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch Xu hướng hấp phụ phù hợp với kết công bố Li cộng [8] Các kết hấp phụ điện thu tuân theo trình hấp phụ vật lý nhiệt độ khác nhau, mơ tả đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Hiện tượng khả hấp phụ than hoạt tính giảm tăng nhiệt độ theo đường đẳng nhiệt hấp phụ Hơn nữa, việc tăng nhiệt độ dung dịch nước cấp làm tăng xu hướng ion kim loại thoát khỏi bề mặt điện cực vào pha dung dịch, dẫn đến giảm hấp phụ nhiệt độ tăng Một lý khác liên quan đến xuất trình chuyển đổi kỵ nước-ưa nước cấu trúc nước bề mặt giảm nhiệt độ dung dịch, điều tăng cường lực than hoạt tính ion ngậm nước bề mặt [9] Kết là, hiệu loại bỏ hấp thụ điện cao nhiệt độ thấp liên quan đến trình chuyển đổi từ kỵ nước sang ưa nước bề mặt than hoạt tính 3.2 Ảnh hưởng tốc độ dòng chảy đến hiệu suất hấp thụ điện tiêu thụ lượng Hình mô tả thay đổi hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện tải điện động điện cực carbon KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ (nghĩa là, thể tích nguồn cấp × TDS loại bỏ/khối lượng điện cực) tốc độ dòng chảy khác (1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 l/phút) ▲Hình Hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện tải điện hấp thụ điện cực than hoạt tính tốc độ dòng chảy khác với nồng độ TDS 1000 mg/l nhiệt độ 24°C ▲Hình Ảnh hưởng tốc độ dòng cấp đến mức tiêu thụ lượng nồng độ TDS 1000 mg/l nhiệt độ 24°C Kết nghiên cứu cho thấy, nồng độ TDS dòng nước lọc tăng dần tăng tốc độ dòng chảy Hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện theo xu hướng giảm từ 93,5% -64,2% tốc độ dòng chảy tăng từ 4,5 l/phút Tải điện động theo xu hướng giảm dần hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện Tải điện động điện cực cacbon giảm dần từ 13,62 - 9,82 mg TDS than hoạt tính với gia tăng tốc độ dịng chảy từ đến 4,5 l/phút Những kết tốc độ dòng chảy cao, giá trị TDS dòng nước lọc thu cao, thời gian lại dung dịch bên tế bào thấp, điều tạo thời gian chuyển khối cần thiết cho trình tinh chế dung dịch Hình cho thấy, ảnh hưởng tốc độ dòng chảy khác đến mức tiêu thụ lượng điện theo kWh/m3 kWh/g TDS loại bỏ Kết cho thấy tốc độ dòng chảy tăng lên, lượng tiêu thụ giảm Mức tiêu thụ lượng tính theo kWh/m3 nước tinh khiết giảm từ 6,65 xuống 1,83 kWh/m3 nước tinh khiết cách tăng tốc độ dòng chảy từ đến 4,5 l/phút Lưu lượng đơn vị nước cao tốc độ dòng chảy cao; điều dẫn đến mức tiêu thụ lượng thấp tính theo kWh/m3 Hơn nữa, mức tiêu thụ lượng tính theo kWh/g muối loại bỏ giảm từ 7,35 × 10-3 xuống 2,79 × 10-3 tăng tốc độ dòng chảy từ đến 4,5 l/phút Điều tốc độ hấp thụ ion cao tốc độ dịng chảy cao Do đó, hiệu loại bỏ hấp thụ điện tiêu thụ lượng cần xem xét chọn tốc độ dòng hoạt động tối ưu Trong nghiên cứu này, tốc độ dòng chảy tối ưu 4,5 l/phút tiêu thụ lượng thấp so với tốc độ dòng chảy khác nồng độ TDS dòng tinh khiết trì mức cho phép (dưới 500 mg/l) [10] 3.3 Ảnh hưởng TDS dung dịch cấp đến hiệu suất hấp thụ điện tiêu thụ lượng Sự phụ thuộc hiệu loại bỏ muối tải trọng hấp thụ điện vào nồng độ TDS nước cấp ban đầu (500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 mg/l) tốc độ dịng chảy khơng đổi l/phút nhiệt độ 24 °C thể Hình ▲Hình Hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện tải điện hấp phụ điện cực than hoạt tính TDS cấp ban đầu khác tốc độ dòng chảy l/phút nhiệt độ 24°C ▲Hình Ảnh hưởng nồng độ TDS nước cấp đến tiêu thụ lượng tốc độ dòng chảy l/phút nhiệt độ 24°C Kết cho thấy, hiệu loại bỏ TDS giảm dần tăng TDS cấp ban đầu Hiệu loại bỏ TDS 94,7% 54,2% sử dụng giá trị TDS cấp ban đầu 500 3500 mg/l Sự gia tăng TDS nguồn cấp ban đầu tương ứng với gia tăng tuyến tính ban đầu tải hấp thụ điện điện cực than hoạt tính Sau TDS cấp ban đầu đạt 3000 mg/l, khả hấp thụ điện không đổi, đạt 25,3 mg TDS gam than hoạt tính Điều cho thấy điện cực đạt đến độ bão hòa; nghĩa là, khả hấp thụ điện chúng đạt đến giá trị cực đại Dung lượng khuếch tán hai lớp yếu tố có vai trị quan trọng việc nâng cao cải thiện khả biến đổi điện điện cực Dung lượng lớp khuếch tán phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ dung dịch điện ly [11] Dung lượng khuếch tán hai lớp tăng lên nồng độ dung dịch điện ly tăng lên [5] Do đó, khả chứa muối điện cực xốp tăng lên nồng độ dung dịch điện phân tăng [12] Nghiên cứu xác nhận việc tăng nồng độ TDS thức ăn tăng cường khả hấp thụ điện than hoạt tính thơng qua việc cải thiện khả khuếch tán hai lớp Hình cho thấy, ảnh hưởng nồng độ TDS cấp ban đầu lên mức tiêu thụ lượng đơn vị CDI tính theo kWh/m3 kWh/g TDS bị loại bỏ Kết cho thấy mức tiêu thụ lượng CDI tăng dần từ 2,61 lên 5,53 kWh/m3 nước tinh khiết TDS cấp ban đầu tăng từ 500 lên 3500 mg/l tốc độ dịng chảy l/phút Điều liên quan đến hoạt động điện phân cao tăng nồng độ TDS dung dịch cấp, ảnh hưởng đến mức tiêu thụ lượng đơn vị CDI Ngược lại, mức tiêu thụ lượng CDI tính theo kWh/g TDS loại bỏ giảm dần từ 5,51 × 10-3 xuống 2,84 × 10-3 tăng nồng độ TDS đầu vào từ 500 lên 3500 mg/l Điều xảy điện trở chất điện phân Chuyên đề II, tháng năm 2022 17 giảm nồng độ dung dịch tăng lên Do đó, tốc độ hấp phụ tăng nồng độ tăng Điều chứng tỏ chọn công suất xử lý thiết bị CDI, điều quan trọng phải xem xét nồng độ TDS nguồn cấp mức tiêu thụ điện năng, thiết bị hiệu mặt chi phí TDS nguồn cấp mức tiêu thụ điện nằm phạm vi tối ưu Kết luận Kết cho thấy, hiệu loại bỏ hấp thụ điện tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch, nồng độ TDS ban đầu tốc độ dòng chảy Ngoài ra, mức tiêu thụ lượng đơn vị CDI (tính kWh/m3) liên quan trực tiếp đến nồng độ nguồn cấp TDS tỷ lệ nghịch TÀI LIỆU THAM KHẢO Park, K., Kim, J., Yang, D.R., Hong, S., 2020 Towards a low-energy seawater reverse osmosis desalination plant: a review and theoretical analysis for future directions J Membr Sci 595, 117607 Li, L., Zou, L., Song, H., Morris, G., 2009 Ordered mesoporous carbons synthesized by a modified sol-gel process for electrosorptive removal of sodium chloride Carbon 47, 775–781 Anderson, M.A., Cudero, A.L., Palma, J., 2010 Capacitive deionization as an electrochemical means of saving energy and delivering clean water Comparison to present desalination practices: will it compete? Electrochim Acta 55, 3845–3856 Seo, S.J., Jeon, H., Lee, J.K., Kim, G.Y., Park, D., Nojima, H., Lee, J., Moon, S.H., 2010 Investigation on removal of hardness ions by capacitive deionization (CDI) for water softening applications Water Res 44, 2267–2275 Li, H., Gao, Y., Pan, L., Zhang, Y., Chen, Y., Sun, Z., 2008 Electrosorptive desalination by carbon nanotubes and nanofibers electrodes and ion-exchange membranes Water với tốc độ dòng chảy Khả biến đổi điện than hoạt tính (theo nồng độ khối lượng ion) nước xử lý phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ ion dòng nước cấp Các kết nghiên cứu chứng tỏ phải chọn công suất xử lý CDI phù hợp với nồng độ TDS dung dịch cấp điện tiêu thụ để đạt hiệu chi phí sử dụng CDI khử mặn xử lý nước Lời cảm ơn: Nghiên cứu tiến hành khuôn khổ nhiệm vụ KHCN “Nghiên cứu hồn thiện quy trình cơng nghệ siêu hấp thụ (CDI) ứng dụng xử lý nước sinh hoạt” Viện TN&MT, Đại học Quốc gia Hà Nội chủ trì■ Res 42, 4923–4928 Gao, Y., Pan, L., Li, H., Zhang, Y., Zhang, Z., Chen, Y., Sun, Z., 2009 Electrosorption behavior of cations with carbon nanotubes and carbon nanofibres composite film electrodes Thin Solid Films 517, 1616–1619 Aqua EWP, 2000 Electronic Water Purifier Operation and Maintenance Manual, US Li, H., Pan, L., Zhang, Y., Zou, L., Sun, C., Zhan, Y., Sun, Z., 2010 Kinetics and thermodynamics study for electrosorption of NaCl onto carbon nanotubes and carbon nanofibers electrodes Chem Phys Lett 485, 161–166 Wang, H.J., Xi, X.K., Kleinhammes, A., Wu, Y., 2008 Temperature-induced hydrophobic–hydrophilic transition observed by water adsorption Science 322, 80–83 10 EPA, 2006 National drinking water standards, United States Environmental Protection Agency, US 11 Delahay, P., 1966 Double layer and electrode kinetics, Interscience/Wiley, New York 12 Biesheuvel, P.M., Bazant, M.Z., 2010 Nonlinear dynamics of capacitive charging and desalination by porous electrodes Phys Rev E 81, 1–12 A STUDY OF BRACKISH WATER PURIFICATION BY CAPACITIVE DEIONIZATION (CDI) TECHNOLOGY Luu The Anh, Do Quang Trung Institute of Natural Resources and Environment, Vietnam National University, Hanoi Hoang Trung Kien Vietdream Co., Ltd ABSTRACT This study investigated the effect of operational conditions on the CDI electrosorption efficiency and energy consumption of capacitive deionization (CDI) filter units with activated carbon electrodes The electrosorption removal efficiency was inversely related to the feed solution temperature, the initial total dissolved salts (TDS) concentration, and the applied flow rate CDI energy consumption was directly related to the TDS concentration and inversely related to the flow rate Key words: Capacitance deionization, brackish water filtration, total dissolved salt, electricity absorption 18 Chuyên đề II, tháng năm 2022 ... độ dung dịch điện ly [11] Dung lượng khuếch tán hai lớp tăng lên nồng độ dung dịch điện ly tăng lên [5] Do đó, khả chứa muối điện cực xốp tăng lên nồng độ dung dịch điện phân tăng [12] Nghiên cứu. .. nồng độ ion dòng nước cấp Các kết nghiên cứu chứng tỏ phải chọn công suất xử lý CDI phù hợp với nồng độ TDS dung dịch cấp điện tiêu thụ để đạt hiệu chi phí sử dụng CDI khử mặn xử lý nước Lời... sinh bước chế độ lọc Bước tái sinh bắt đầu sau 30 giây, van điện từ nước thải đầu (SV1) van điện từ đầu vào (SV0) đóng nguồn điện tắt, 30 giây van điện từ nước thải đầu (SV2) van điện từ đầu vào