TỔNG QUAN
Tình hình nhiễm mặn tại Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia bị rơi vào tình trạng thiếu nước, mặc dù có mạng lưới sông ngòi dày đặc và có nhiều ao hồ Số liệu thống kê của Hiệp hội tài nguyên nước quốc tế (IWRA) cho thấy, nguồn nước nội địa của Việt Nam đạt trung bình thấp, ở mức 3840 m 3 /người/năm, thấp hơn 400 m 3 /người/năm so với mức bình quân toàn cầu [7] Trong thời gian qua, dưới tác động của biến đổi khí hậu, thực trạng nhiễm mặn trong các nguồn nước sinh hoạt ngày càng cao Đặc biệt tại đồng bằng sông Cửu Long nước mặn xâm nhập sớm và lâu hơn, lấn sâu vào nội đồng theo hệ thống sông, kênh rạch với những diễn biến phức tạp.
2.1.1 Tổng quan về xâm nhập mặn
Nước ngọt là nguồn tài nguyên khan hiếm, theo Tổ chức Khí tượng Thế giới, chỉ có khoảng 2,5 % tổng lượng nước trên trái đất là nước ngọt, phần còn lại là nước mặn [1] Nguồn nước ngọt lớn nhất nằm dưới lòng đất và một phần nước mặt nằm rải rác ở nhiều khu vực trên thế giới Nước ngầm được sử dụng rộng rãi để bổ sung cho nguồn nước mặt nhằm đáp ứng nhu cầu nước ngày càng tăng Tuy nhiên, một trong những vấn đề đối với hệ thống nước ngầm ở những vùng ven biển chính là xâm nhập mặn. Xâm nhập mặn là quá trình thay thế nước ngọt trong các tầng chứa nước ở ven biển bằng nước mặn do sự dịch chuyển của khối nước mặn vào tầng nước ngọt (Hình 2.1). Xâm nhập mặn làm giảm nguồn nước ngọt dưới lòng đất ở các tầng chứa nước ven biển do cả hai quá trình tự nhiên và con người gây ra.
Hình 2.1 Sự chuyển dịch của khối nước mặn vào tầng nước ngọt [8]
Theo Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn: xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn với nồng độ mặn bằng 4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cường, nước biển dâng hoặc cạn kiệt nguồn nước ngọt Xâm nhập mặn là vấn đề nghiêm trọng đối với nhiều chính quyền địa phương, vấn đề này đã được nỗ lực giải quyết trong bối cảnh đang diễn ra biến đổi khí hậu như nước biển dâng, tăng nhiệt độ, khai thác nước ngầm quá mức để đáp ứng nhu cầu nước cho phát triển, những nguyên nhân này đang làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn.
Trong tự nhiên, bề mặt phân cách giữa nước ngọt và nước mặn hiếm khi ổn định [9] Quá trình bổ sung nước hoặc khai thác nguồn nước ngầm đều dẫn đến sự dịch chuyển bề mặt phân cách giữa nước ngọt và nước mặn từ vị trí này sang vị trí khác.
Sự dịch chuyển đó có thể làm mực nước dâng lên hoặc hạ xuống tùy thuộc vào việc nước ngọt đổ vào tầng ngậm nước tăng hay giảm Do đó, sự thay đổi lượng nước ngầm gây ảnh hưởng trực tiếp đến xâm nhập mặn Tình trạng này sẽ tăng nhanh hơn nếu giảm bổ sung nước ngầm Những thay đổi do biến đổi khí hậu như lượng mưa và nhiệt độ, thay đổi mục đích sử dụng đất cũng có thể làm thay đổi đáng kể tốc độ bổ sung nước ngầm cho các hệ thống tầng ngậm nước, gây ảnh hưởng đến quá trình xâm nhập mặn.
Biến đổi khí hậu có thể ảnh hưởng sâu sắc đến chu trình thủy văn thông qua thay đổi lượng mưa, lượng nước bốc hơi và độ ẩm của đất Lượng mưa có thể tăng hoặc giảm và phân bố không đồng đều trên toàn cầu Hiện tượng này sẽ làm thay đổi lượng nước ngầm được bổ sung, đồng thời thay đổi tốc độ xâm nhập mặn vào tầng ngậm nước ven biển Các hoạt động thay đổi mục đích sử dụng đất và quản lý đất cũng có thể làm thay đổi trực tiếp đến hệ thống thủy văn, chế độ bốc hơi nước và dòng chảy.
Do đó, sử dụng đất cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá nguồn nước ngầm Đối với các cửa sông tiếp giáp với biển, hiện tượng xâm nhập mặn từ biển vào các sông xảy ra khá phổ biến, đặc biệt vào mùa khô Khi đó lượng nước từ sông đổ ra biển giảm, thủy triều từ biển sẽ mang nước mặn lấn sâu vào lòng sông làm cho nước sông bị nhiễm mặn Nồng độ mặn sẽ giảm dần khi càng tiến sâu vào đồng bằng.
Mức độ xâm nhập mặn vào sâu trong nội đồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố [9]:
Lượng nước từ thượng nguồn đổ về, lưu lượng càng giảm, nước mặn càng tiến sâu vào đất liền.
Biên độ triều cường vùng cửa sông: vào giai đoạn triều cường, nước mặn càng lấn sâu vào.
Địa hình: địa hình bằng phẳng là yếu tố thuận lợi cho sự xâm nhập mặn.
Các yếu tố khí tượng: gió từ biển hướng vào đất liền, nhiệt độ cao, mưa ít, sẽ là tác nhân làm mặn lấn sâu vào nội địa.
Hoạt động kinh tế của con người: nhu cầu sử dụng nước ngọt vào mùa khô tăng sẽ làm giảm nguồn nước ngầm, làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn.
Việt Nam có trên 3000 km bờ biển, tập trung hàng triệu người sinh sống và khai thác các nguồn lợi từ biển Xâm nhập mặn diễn ra tại hầu hết các địa phương ven biển, gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động sản xuất và sinh hoạt của người dân, đặc biệt tại những cửa sông đổ ra biển Hai đồng bằng rộng lớn của Việt Nam là Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là những nơi chịu ảnh hưởng lớn nhất của hiện tượng này Nhiều giải pháp đã được đưa ra, phần nào hạn chế được tình trạng xâm nhập mặn nhưng trong bối cảnh biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng phức tạp thì trong thời gian tới, hiện tượng xâm nhập mặn vẫn là mối đe dọa lớn đến đời sống các khu vực này, đặc biệt là khu vực ĐBSCL, vựa lương thực của cả nước.
2.1.2 Xâm nhập mặn tại ĐBSCL
Sông Mê Công là con sông lớn thứ mười trên thế giới tính theo lưu lượng nước, bắt nguồn từ Tây Tạng ở độ cao5000 m, diện tích lưu vực 795.000 km 2 , chiều dài 4880 km, chảy qua 6 quốc gia gồm Trung Quốc, Lào, Thái Lan, Myanma, Campuchia và Việt Nam [10] Đồng bằng sông Cửu Long nằm ở cực nam của Tổ quốc, phía đông bắc giáp Thành phố Hồ Chí Minh, đông và nam giáp biển Đông, bắc giáp Campuchia, tây giáp biển Đông và vịnh Thái Lan, gồm: thành phố Cần Thơ và 12 tỉnh Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Trà Vinh, Sóc Trăng, Hậu Giang, An Giang, Kiên Giang, Bạc Liêu, Cà Mau Đây là một trong những đồng bằng lớn và phì nhiêu của khu vực Đông Nam Á và thế giới ĐBSCL chịu tác động của hai khối nước lớn là sông Mê Công và thủy triều của biển, do đó chế độ thủy văn của khu vực khá phức tạp, vừa chịu ảnh hưởng của dòng chảy thượng lưu sông Mê Công, đồng thời chịu ảnh hưởng của thủy triều biển Đông và biển Tây.
Mặn xâm nhập vào ĐBSCL theo thuỷ triều biển Đông và biển Tây Tuỳ theo chế độ dòng chảy từ thượng nguồn sông Mê Công, điều kiện khí tượng (mưa, gió, nhiệt độ,…), hệ thống sông kênh, rạch tự nhiên của vùng cùng với những tác động của con người (xây dựng các hệ thống công trình thuỷ lợi, bố trí cơ cấu cây trồng) mà mức độ xâm nhập vào trong sông có sự thay đổi khác nhau Nước biển chứa khoảng 35 g muối trong một lít (tức 35 ‰) Tiêu chuẩn độ mặn trong nước uống là < 0,25 ‰ Nước có độ mặn 0,14 ‰ thì không ảnh hưởng xấu tới hoa màu Có vài loại hoa màu chịu đựng được nước có độ mặn 0,36 ‰ Trên mức này, thực vật thông thường có dấu hiệu suy thoái hay bị chết Tuy nhiên, có khoảng 3500 loài thực vật chịu đựng được nước mặn - gọi là nhóm halophytes Trong số này, thực vật trong rừng ngập mặn, đứng đầu chịu mặn là cây Mấm (Avicennia alba) Lúa thông thường không thể canh tác khi nước có độ mặn quá 4 ‰ Các giống lúa thông thường bắt đầu có triệu chứng chậm phát triển ở độ mặn 2 ‰, tuy nhiên có một số giống lúa kháng mặn như CSR10 của Australia vẫn cho năng suất khá Yêu cầu nước uống cho gia súc có độ mặn dưới 1,5 ‰ Cá nước ngọt có thể sống được ở trong môi trường độ mặn 15 ‰ [9].
Hình 2.2 Bản đồ xâm nhập mặn ĐBSCL mùa khô qua các năm [11]
Cùng với sự gia tăng của mực nước biển và sự thay đổi các yếu tố khí tượng đã làm cho độ mặn xâm nhập sâu hơn vào đất liền gây ra những thiệt hại ở ĐBSCL Mùa khô năm 2015-2016, 10/13 tỉnh, thành phố thuộc khu vực ĐBSCL đã phải công bố thiên tai do hạn hán, xâm nhập mặn gây ra, tổng thiệt hại lên đến 7.900 tỷ đồng Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, mùa khô năm 2019-2020 tổng diện tích lúa bị thiệt hại do hạn mặn là 58.400 ha, bằng 14 % so với diện tích bị ảnh hưởng năm 2015-2016; diện tích cây ăn trái bị thiệt hại là 25.120 ha, bằng 88 % so với diện tích bị ảnh hưởng năm 2015-2016; có tổng cộng khoảng 96.000 hộ dân gặp khó khăn trong thời gian diễn ra hạn, mặn, bằng 54 % mức ảnh hưởng năm với năm 2015-
Tổng quan về một số công nghệ khử mặn
Khử mặn là quá trình thu hồi nước ngọt từ các nguồn nước mặn (nước biển hoặc nước lợ) sử dụng các dạng năng lượng khác nhau Trong một quá trình khử mặn, từ dòng nước mặn cấp vào người ta thu được hai dòng nước: một dòng nước ngọt có độ mặn rất thấp và một dòng nước thải có độ mặn cao hơn rất nhiều so với dòng nước cấp ban đầu Hai công nghệ khử mặn nước biển phổ biến nhất hiện nay là công nghệ chưng cất truyền thống và công nghệ màng.
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khử mặn [12]
Trong công nghệ chưng cất truyền thống, dòng nước mặn được gia nhiệt để đun sôi và hơi nước bốc lên từ nước mặn được ngưng tụ để thu được nước ngọt Muối và các chất tan không bay hơi nằm lại trong dòng nước mặn Do đó, công nghệ chưng cất truyền thống cho phép thu được nước ngọt có độ tinh khiết rất cao Hai dạng công nghệ chưng cất truyền thống có thể kể đến là chưng cất nhanh nhiều bậc MSF (Multi- stage Flash) và chưng cất đa hiệu ứng MED (Multi-effect Distillation).
Các công nghệ chưng cất truyền thống này được vận hành dựa trên sự phụ thuộc của quá trình bay hơi và ngưng tụ của nước vào nhiệt độ và áp suất. Trong các hệ thống MSF và MED người ta sử dụng nhiều khoang bay hơi và ngưng tụ liên tiếp, nhiệt độ nước cấp và áp suất trong các khoang giảm dần từ khoang đầu đến khoang cuối cùng (Hình 2.4 và 2.5) Điểm đặc biệt của công nghệ MSF và MED là nhiệt lượng thoát ra từ quá trình ngưng tụ hơi nước trong khoang này được sử dụng để gia nhiệt cho dòng nước mặn ở khoang tiếp theo, do đó làm giảm nhiệt năng tiêu thụ của cả quá trình và giảm giá thành nước ngọt thu được.
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống khử mặn MSF [12]
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống khử mặn MED [12]
Công nghệ MSF và MED đã được biết đến và ứng dụng rộng rãi với quy mô lớn từ những năm 1960 để cung cấp nước ngọt có độ tinh khiết cao cho con người sử dụng trong sinh hoạt hoặc các mục đích khác Tuy nhiên, các công nghệ khử mặn này vẫn tồn tại một số nhược điểm làm cho chúng không khả thi để ứng dụng cung cấp nước ngọt ở quy mô nhỏ, đó là:
Tiêu tốn nhiều năng lượng để vận hành hệ thống, nhất là đối với phương pháp MSF (nước biển đầu vào có nhiệt độ từ 90-115 o C).
Cấu tạo phức tạp, chỉ phù hợp cho quy mô sản xuất lớn.
Dễ bị ăn mòn, vì vậy tiêu tốn nhiều chi phí cho chế tạo và duy tu bảo dưỡng thiết bị.
Dễ xảy ra hiện tượng lắng cặn, do đó yêu cầu nước biển phải trải qua quá trình tiền xử lý để đảm bảo các chỉ tiêu nước đầu vào.
Nước muối đậm đặc thải ra môi trường có chứa các phụ gia chống ăn mòn và các chất khử trùng, nên có tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh.
2.2.2 Công nghệ thẩm thấu ngược (RO)
Trong công nghệ khử mặn RO, một màng bán thấm được sử dụng để ngăn cách dòng nước mặn và dòng nước ngọt Màng bán thấm này chỉ cho phép nước sạch ở dạng lỏng truyền qua trong khi chặn lại tất cả các chất hòa tan, các chất rắn lơ lửng, vi khuẩn và cả virus trên bề mặt màng Trong quá trình thẩm thấu thông thường, do chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa hai bề mặt màng, nước sạch sẽ dịch chuyển từ bên dòng nước ngọt sang dòng nước mặn Khi áp đặt một áp suất lên phía bên nước mặn lớn hơn áp suất thẩm thấu, nước sạch sẽ chuyển dịch từ phía nước mặn qua màng RO và ta thu được nước ngọt.
Hình 2.6 Nguyên lý thẩm thấu ngược của màng RO [13] Áp suất yêu cầu của quá trình RO phụ thuộc vào độ mặn của dòng nước cấp, đặc tính của màng lọc và nhiệt độ của dòng nước cấp Hơn nữa, trong quá trình khử mặn
RO, màng lọc rất dễ bị bẩn do lắng cặn Khi màng lọc bị bẩn, lưu lượng lọc của RO giảm xuống đáng kể và áp suất vận hành phải tăng lên Do đó, quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ RO yêu cầu nước biển phải được tiền xử lý kỹ để tránh hiện tượng bẩn màng Do sử dụng áp suất cao, hệ thống RO yêu cầu các vật liệu chịu được áp lực lớn, chống ăn mòn cao như thép không gỉ Quá trình vận hành công nghệ
RO đòi hỏi trình độ tay nghề cao (để thực hiện các quá trình điều khiển, quá trình tiền xử lý nước biển và quá trình rửa màng lọc), chi phí vận hành tốn nhiều điện năng, tạo ra lượng nước thải khá cao lên đến 50 %, có khi lên tới 70 % gây lãng phí nước Thiết bị lọc RO sử dụng rất nhiều lõi lọc gây sự bất tiện trong sử dụng và ảnh hưởng tới môi trường vì thải loại nhiều lõi lọc sau khi hết hạn, chưa thân thiện với môi trường Do đó, công nghệ khử mặn RO phù hợp cho các hệ thống có quy mô lớn nhằm cấp nước ngọt cho các thành phố, khu đô thị trung tâm Khả năng ứng dụng của công nghệ RO để cấp nước ngọt cho các vùng duyên hải, xa xôi hoặc cho tàu thuyền là rất hạn chế. 2.2.3 Công nghệ CDI
Năm 1960, Blair và Murphy đã báo cáo khái niệm khử khoáng điện hóa của nước Trong nghiên cứu đó, người ta cho rằng các ion bị loại bỏ bởi phản ứng điện hóa với các nhóm hóa học cụ thể trên các hạt cacbon trong điện cực Năm 1968, Reid đã chứng minh sự phù hợp về mặt thương mại và hoạt động lâu dài của CDI Năm
1971 Johnson và Newman đưa ra lý thuyết về sự vận chuyển ion trong điện cực carbon xốp để lưu trữ và ion theo cơ chế tụ điện Từ năm 1990 trở đi, CDI thu hút nhiều sự chú ý hơn do sự phát triển của các vật liệu điện cực mới, chẳng hạn như aerogel carbon và điện cực ống nano carbon Năm 1996, Farmer et al cũng đưa ra thuật ngữ khử ion điện dung và lần đầu tiên sử dụng chữ viết tắt phổ biến hiện nay là
Khử ion điện dung (CDI) là công nghệ khử ion nước bằng cách áp dụng hiệu điện thế trên hai điện cực, thường được làm bằng cacbon xốp Nói cách khác, CDI là một phương pháp điện hấp phụ sử dụng sự kết hợp của môi trường hấp phụ và điện trường để tách các ion và các hạt mang điện [2] Các anion, ion mang điện tích âm,được loại bỏ khỏi nước và được lưu trữ trong điện cực phân cực dương Tương tự như vậy, các cation (điện tích dương) được lưu trữ trong cực âm, là điện cực phân cực âm.
Hình 2.7 Sơ đồ hoạt động của công nghệ CDI [14]
Ngày nay, CDI được sử dụng chủ yếu cho khử muối của nước lợ , đó là nước ở mức thấp hoặc nồng độ muối vừa phải (dưới 10 g/L) [15] So với thẩm thấu ngược và chưng cất, CDI được coi là công nghệ khử mặn nước lợ tiết kiệm năng lượng Điều này chủ yếu là do CDI loại bỏ các ion muối khỏi nước, trong khi các công nghệ khác tách nước ra khỏi dung dịch muối Hoạt động của một hệ thống CDI thông thường qua hai giai đoạn: giai đoạn hấp phụ nơi nước được khử muối và giai đoạn giải hấp nơi các điện cực được tái sinh Trong giai đoạn hấp phụ, một hiệu điện thế trên hai điện cực được áp dụng và các ion bị hấp phụ khỏi nước Trong trường hợp CDI với điện cực carbon xốp, các ion được vận chuyển qua các lỗ giữa các hạt của điện cực carbon xốp đến các lỗ bên trong vật liệu, nơi các ion bị hấp phụ gọi là lớp điện kép (EDLs).Sau khi các điện cực bão hòa với các ion, các ion bị hấp phụ sẽ được giải phóng để tái sinh các điện cực Hiệu điện thế giữa các điện cực được đảo ngược hoặc giảm xuống bằng không Bằng cách này, các ion sẽ rời khỏi lỗ điện cực và có thể bị đẩy ra khỏiCDI, dẫn đến dòng nước thải có nồng độ muối cao, được gọi là dòng nước muối hoặc dòng cô đặc Một phần năng lượng đầu vào cần thiết trong giai đoạn hấp phụ có thể được thu hồi trong bước giải hấp phụ này.
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động và tái sinh của CDI [16] Ưu điểm chính của phương pháp CDI là tiêu thụ năng lượng thấp, xấp xỉ một phần ba năng lượng tiêu thụ của đối thủ chính của nó là phương pháp thẩm thấu ngược mà hiện nay là phương pháp chính được sử dụng trong công nghiệp Bảng 2.1 cho thấy mức tiêu thụ năng lượng cụ thể cho các phương pháp khử muối chính trong nước.
Bảng 2.1 Mức tiêu thụ năng lượng của các phương pháp khử muối [17]
STT Phương pháp khử mặn Năng lượng cần thiết
Lý thuyết và nguyên lý khử ion của CDI
Về nguyên tắc, cơ chế của phương pháp CDI dựa trên các nguyên tắc điện hóa học và vì điện cực là một tế bào điện hóa nên nó tạo điều kiện thuận lợi cho hiện tượng hấp phụ Hiện tượng hấp phụ dựa trên sự phân tách các hạt của chất lỏng bởi bề mặt bên ngoài hoặc bên trong của chất rắn và các chất lỏng khác Hiện tượng hấp phụ bao gồm hai quá trình: hấp phụ (hấp phụ bề mặt) và hấp thụ (nội hấp phụ) Hấp phụ (hay hấp phụ bề mặt) biểu thị sự bám dính của các ion, nguyên tử, phân tử của chất lỏng hay chất rắn hòa tan lên bề mặt chất hấp phụ (điện cực), tạo ra một lớp màng hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ gọi là lớp điện tích kép (EDL) Trong quá trình hấp thụ (hoặc nội hấp phụ), các hạt ion lỏng hoặc rắn hòa tan trong chất hấp phụ sẽ xâm nhập và hòa tan trong đó Do đó, điểm tích cực của phương pháp CDI so với các phương pháp khác sử dụng quá trình hấp phụ để khử ion là bằng cách sử dụng các điện cực đặc biệt (cacbon) và đồng thời với sự trợ giúp của lực điện quá trình hấp phụ và giải hấp được sử dụng và mang lại lợi ích trong việc tăng khả năng hấp phụ ion [18]. Để hiểu cơ chế và chức năng của điện cực trong CDI, điều quan trọng là phải hiểu kiến thức điện hóa của hiện tượng này Đối với các ion được hấp phụ bởi các điện cực, việc chọn điện thế phù hợp để hấp phụ ion tối ưu và giảm thiểu phản ứng Faraday là rất quan trọng, nếu không chọn đúng điện thế này thì lượng ion bị hấp phụ sẽ không tối ưu [19,20] Ngoài các nghiên cứu sâu rộng đang được tiến hành về các thành phần để tạo ra các điện cực, việc thảo luận về lý thuyết và các phản ứng hóa học cũng đã được xem xét rộng rãi để cải thiện hiệu suất của hệ thống CDI Theo cơ chế của phương pháp điện dung, bằng cách đặt một hiệu điện thế giữa hai điện cực, các ion được hấp phụ và các hạt này được giữ trên điện cực bằng lực tĩnh điện và bằng cách loại bỏ hiệu điện thế này, các ion được tách ra và các điện cực được tái tạo Điều này gây ra các phản ứng phức tạp và đa dạng trong không gian giữa các điện cực Một số phản ứng này đóng vai trò chính trong phương pháp CDI và một số phản ứng có tác dụng làm giảm hoặc tăng hiệu suất của hệ thống CDI Nói chung, tất cả các phản ứng được xem xét trong CDI được chia thành hai nhóm chính: (1) các quá trình Faraday và(2) các quá trình non - Faraday [21] Sự khác biệt giữa hai phương pháp là ở nhóm thứ nhất, các electron tham gia phản ứng điện hóa với các chất phản ứng và sản phẩm phụ carbon/chất điện phân hoặc trong giai đoạn điện phân [22].
Phản ứng Faraday lần đầu tiên được nghiên cứu như một hiện tượng loại bỏ các ion khỏi nước uống Tuy nhiên, những phản ứng này có thể có cả tác động thuận lợi và bất lợi đối với hoạt động của CDI Một số phản ứng Faraday xảy ra trong CDI có thể gây ra hiệu suất tiêu cực đến điện cực, hiệu suất năng lượng, tuổi thọ hữu ích của điện cực, sản phẩm phụ hóa học hoặc dao động pH của nước, trong khi nó cũng có thể có tác động tích cực như tăng dung lượng giả hoặc sản xuất trong thời gian cần thiết để hấp thụ các ion [23-25] Phản ứng Faraday thường được chia thành ba loại như Hình 2.9.
Hình 2.9 Sơ đồ phản ứng Faraday trong quá trình khử ion điện dung Phản ứng Faraday I: phản ứng oxy hóa cực dương, Phản ứng Faraday II: phản ứng khử cực âm và Phản ứng Faraday III: Lưu trữ ion [26]
Loại đầu tiên, được gọi là phản ứng oxy hóa anốt (Phản ứng Faraday I), gây ra quá trình oxy hóa ở điện cực carbon, oxy hóa clorua, oxy hóa nước và các chất gây ô nhiễm khác như khoáng chất và phi khoáng chất Điều quan trọng nhất xảy ra bởi các phản ứng oxy hóa là ảnh hưởng của nó đến điện cực carbon, có tác dụng phá hủy cấu trúc xốp cũng như giảm khối lượng điện cực, làm giảm tuổi thọ của điện cực và hiệu suất kém của thiết bị CDI [27,28].
Loại thứ hai dựa trên sự phân nhóm của phản ứng khử catốt (phản ứng Faraday II) Phần lớn phản ứng này liên quan đến phản ứng khử oxi Điều này gây ra sự phân bố không đối xứng của điện thế anot và catốt trong phản ứng điện hóa, do đó làm tăng cường phản ứng oxy hóa anot Phản ứng khử oxy tạo ra các sản phẩm phụ như hydrogen peroxide (H2O2), tác dụng hữu ích của chúng là khử trùng nước hoặc giảm ô nhiễm do chất hữu cơ gây ra Ngoài ra, phản ứng khử catốt có thể tách các kim loại nặng ra khỏi nước làm cho các điện cực kết tủa [24].
Loại thứ ba là lưu trữ ion Faraday (phản ứng Faraday III) Trong quá trình này, khả năng hiệu quả để lưu trữ các ion thông qua các phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch sẽ thay thế lưu trữ tĩnh điện trong không gian giữa điện cực và chất điện phân trong lớp điện tích kép [23,29,30].
Một số phản ứng oxi hóa khử của các phản ứng Faraday diễn ra theo các phương trình sau [14]:
Có hai cách mà dòng điện được truyền qua bề mặt phân cách của hệ thống điện phân kim loại và hai cách này có thể được gọi tương ứng là đường faraday và non- faraday [31] Trường hợp thứ nhất, dòng điện đi qua bề mặt phân cách nhờ phản ứng điện hóa như khử hoặc oxy hóa nước hoặc một số ion Trong trường hợp thứ hai (non- faraday), các hạt tích điện không đi qua giao diện và dòng điện được mang theo quá trình sạc và phóng điện của điện tích kép, hoạt động giống như một tụ điện nối tiếp với điện trở Ohm của dung dịch [31].
Với các chất phản ứng ion (nguyên tử, phân tử) đến từ pha khối thì sản phẩm cuối cùng cũng sẽ đến đó, chúng ta có một quy trình Faraday [32] Tức là trong các chuỗi phản ứng, yêu cầu chính để một quy trình trở thành Faraday là các electron và ion đi vào điện cực và trải qua phản ứng điện cực, cũng rời khỏi điện cực một lần nữa và chuyển ra bên ngoài pha khối Đối với quy trình Faraday như vậy, miễn là các pha khối bên ngoài không thay đổi thành phần của chúng (và không biến mất hoàn toàn), hoạt động ở trạng thái ổn định có thể được thiết lập, trong đó mỗi giá trị của dòng điện tương ứng với một giá trị của thế điện cực và ngược lại Ở một mức độ nào đó, điện cực chỉ đóng vai trò là “nơi gặp gỡ” giữa một bên là điện tích và một bên là các loại phân tử, nguyên tử hoặc ion từ các pha khối liền kề Do các sản phẩm của phản ứng điện cực rời khỏi điện cực nên quá trình Faraday có thể tiếp tục mãi mãi, miễn là dòng điện tiếp tục chạy và các pha khối có thể cung cấp chất phản ứng và tiếp nhận sản phẩm.
Ngược lại, trong quy trình điện cực non - Faraday, khi dòng điện chạy qua chúng ta sẽ nhận thấy rằng điện tích được lưu trữ dần dần [32] Điều này là do các ion hoặc các loại khác xâm nhập vào điện cực không thể rời đi Đây là trường hợp khi hoàn toàn không có phản ứng điện cực hoặc phản ứng điện cực liên quan đến các nguyên tử là một phần của chính cấu trúc điện cực hoặc khi các chất phản ứng bị oxy hóa/khử trong điện cực nhưng sau đó vẫn ở đó, tức là “bị khóa trong điện cực” Trong những trường hợp này, không có sự chuyển ion hoặc electron qua điện cực (từ pha khối này sang pha khối khác) Đây là lý do tại sao các quá trình điện cực non - Faradaic cũng có thể được gọi là các quá trình điện dung.
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến CDI đều tập trung vào các quy trình non - Faraday bao gồm chuẩn bị các điện cực mới để tăng điện dung, phát triển cấu trúc tế bào mới để đạt được việc khử muối liên tục hoặc sử dụng mô hình tiếp xúc điện thuận tiện để giảm điện trở tiếp xúc giữa bộ thu dòng điện và điện cực xốp tăng cường khả năng hấp phụ điện ion và hiệu suất của hệ thống Do đó, nhiều phương pháp và lý thuyết khác nhau đã được đề xuất cho mục đích này Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành về việc sử dụng các khả năng điện hóa để hấp phụ các ion và chuyển chúng giữa môi trường điện phân và bề mặt tích điện, dẫn đến sự ra đời của lý thuyết lớp điện tích kép Khái niệm này đã được định nghĩa và sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện hóa như pin, siêu tụ điện, thiết bị điện và hệ thống khử ion [18]. 2.3.3 Lý thuyết về lớp điện tích kép (EDL) Định nghĩa ban đầu của lớp điện kép là đối với chiều dài bề mặt chung giữa dung dịch điện phân và pha rắn (điện cực carbon) có thể được tích điện riêng, nó sẽ tích điện ngay khi một điện tích bổ sung được đặt vào một pha (điện tích trên điện cực cacbon) Điện tích được tạo ra bởi điện tích này được trung hòa trong pha khác (chất điện phân), khi đó tổng lượng điện tích electron ở chỗ này (tấm tiếp xúc điện cực-chất điện phân) sẽ bằng 0 và điều này sẽ trung hòa các lớp điện kép Khái niệm này lần đầu tiên được giới thiệu bởi nhà vật lý người Đức Herman von Helmholtz vào năm 1853 và sau đó được mô hình hóa vào năm 1913 bởi Louis Georges Gouy và David Chapman [18] Họ đưa ra giả thuyết rằng các điện tích bề mặt được tạo ra bởi một điện trường bên ngoài vào và khi dây dẫn được đặt trong dung dịch điện, một dòng điện (I) được tạo ra bằng cách áp dụng một điện trường bên ngoài (E) tuân theo phương trình I = σE Trong phương trình này, σ đại diện cho chất dẫn điện dẫn điện [33] Bằng cách áp dụng trường này và tạo ra dòng điện, các ion hòa tan trong chất điện phân sẽ tiếp cận bề mặt của điện cực và do đó trong một lớp mỏng của bề mặt xung quanh các điện tích dương được đặt ở một bên và điện tích âm ở bên kia Kết quả là, một lớp ion lưỡng cực được hình thành gần bề mặt rắn - lỏng như Hình 2.8.
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hình thành lớp điện kép của hai điện cực [18]
Ngày nay, có nhiều học thuyết để diễn giải lớp điện tích kép, trong đó mô hìnhGouy–Chapman–Stern được ứng dụng nhiều và được mô tả như Hình 2.11 Các ion được thu hút liên kết chặt chẽ với điện cực trái dấu tạo thành một lớp phẳng “Stern plane”, giữa mặt phẳng này với điện cực tạo thành lớp “Stern layer”, lớp này không chứa điện tích Điện tích trên mặt phẳng “Stern plane” tạo ra một trường tĩnh điện thu hút các ion trái dấu qua liên kết lỏng lẽo qua lực Colomb từ trong lớp khuếch tán.
Hình 2.11 Lớp EDL theo thuyết Gouy–Chapman–Stern [18]
Tình hình nghiên cứu công nghệ CDI trong & ngoài nước
2.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Việt Nam là một quốc gia bị rơi vào tình trạng thiếu nước, mặc dù có mạng lưới sông ngòi dày đặc và có nhiều ao hồ Số liệu thống kê của Hiệp hội tài nguyên nước quốc tế (IWRA) cho thấy, nguồn nước nội địa của Việt Nam đạt trung bình thấp, ở mức 3.840 m 3 /người/năm, thấp hơn 4000 m 3 /người/năm so với mức bình quân toàn cầu [7] Do đó việc nghiên cứu công nghệ mới như CDI để xử lý nước lợ góp phần giảm tải áp lực nhu cầu nước của các hệ thống nước cộng đồng.
Nắm bắt được thực trạng xâm nhập mặn hiện nay, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới và Trường Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) đã nghiên cứu chế tạo vật liệu đa chức năng có khả năng hấp phụ ion
Na + và Cl - trong nước nhiễm mặn với năng suất xử lý muối cao theo công nghệ màng CDI (Membrane CDI) Vật liệu này được chế tạo trên cơ sở kết hợp carbon hoạt tính từ phụ phẩm nông nghiệp (than gáo dừa) và ống nano carbon biến tính Hệ thiết bị xử lý nước lợ MCDI cho công suất khoảng 5-7 m 3 /ngày Các kết quả đạt được của đề tài cho thấy tính hiệu quả cũng như tính khả thi để ứng dụng trong xử lý nước lợ với dung lượng hấp phụ muối đạt được khoảng 7,5 – 14 mg/g [34].
Lê Khắc Duyên tổng hợp vật liệu Carbon Aerogel và chất kết dính Polyvinyl alcohol làm điện cực hấp phụ NaCl và Na2SO4 trong công nghệ CDI với thông số vận hành điện áp 1,5 V, lưu lượng vào 50 ml/phút và nồng độ đầu vào thay đổi trong khoảng 100 - 1000 mg/l Kết quả cho thấy điện cực có diện tích bề mặt riêng 399 m 2 /g, khối lượng riêng 0,246 g/cm 3 , kích thước lỗ xốp trung bình 24 Å, điện dung của điện cực 2,03 mF/g, khả năng hấp phụ NaCl và Na2SO4 lần lượt là 21,41 và 5,14 mg/g điện cực [35].
Công ty TNHH Công nghệ Vietdream là đơn vị đầu tiên ứng dụng công nghệ CDI vào máy lọc nước tại Việt Nam Công ty đã nghiên cứu và phát triển hệ thống xử lý nước bằng công nghệ CDI có thể lọc được tất cả các nguồn nước đầu vào bao gồm: nước máy, nước giếng, nước sông, nước thải, nước ô nhiễm và đặc biệt là nước nhiễm mặn… Trong bộ lọc siêu hấp thu tĩnh điện CDI, dòng nước được đi qua khi điện cực được tích điện ~1 V với khoảng cách rất nhỏ (0,1 mm) Cường độ điện trường có thể đạt 10000 V/m, cao gấp 30 lần cường độ điện trường dùng để kích cá, do đó các vi khuẩn, vi rút, nấm, tảo đi qua sẽ bị tiêu diệt, do đó nước qua hệ thống đạt tiêu chuẩn nước uống trực tiếp QCVN6-1:2010/BYT của Bộ y tế Việt Nam [36].
2.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hình 2.12 Số lượng các bài báo được đánh giá xuất bản trong lĩnh vực CDI từ năm
Hình 2.12 thể hiện số lượng các bài báo được đánh giá xuất bản trong lĩnh vực CDI, có thể thấy kể từ năm 2012 số lượng nghiên cứu đã tăng lên đáng kể Dựa trên cơ chế khử muối của CDI, vật liệu điện cực là chìa khóa cho hiệu suất của CDI Vật liệu điện cực lý tưởng phải đáp ứng các điều kiện sau: 1) diện tích bề mặt riêng lớn nhằm tăng vị trí hấp phụ ion; 2) độ dẫn điện cao; 3) tính chống thấm nước, đảm bảo tận dụng tối đa cấu trúc lỗ điện cực; 4) độ ổn định điện hóa cao với sự thay đổi pH và điện áp để đảm bảo hoạt động bền bỉ và tính ổn định của hệ thống; 5) dễ dàng tạo hình theo yêu cầu thiết kế [38] Vật liệu carbon có độ xốp cao, dễ tìm và chế tạo là ứng viên hàng đầu để làm điện cực cho công nghệ CDI CDI sử dụng các điện cực được làm bằng các vật liệu carbon phân tán cao khác nhau như: than hoạt tính (AC), carbon felt (ACF), carbon cloth (ACC), carbon black, carbon nanotube (CNT), graphene,aerogel Tuy nhiên, điện dung hấp phụ thu được từ vật liệu than hoạt tính thấp hơn nhiều so với dự kiến [39] Nhiều cách khác nhau bao gồm sửa đổi bề mặt hóa học, vật liệu nano carbon và điện cực composite dựa trên carbon đã được giới thiệu để cải thiện hiệu suất điện dung của điện cực than hoạt tính Do đó, điện cực được cải tiến bằng cách sử dụng các chất bổ sung khác nhau (phụ gia dẫn điện, chất kết dính, chất khử, chất oxy hóa, vật liệu giả điện dung, oxit kim loại, chất hoạt động bề mặt,polyme, v.v.) để cải thiện hiệu suất.
Trong nghiên cứu của Po I Liu và cộng sự [40], điện cực CDI bằng AC được tổng hợp bằng cách hoạt hóa hai bước từ than cốc dầu mỏ Bước đầu tiên hoạt hóa bằng cách nung ở nhiệt độ cao, ba nhiệt độ hoạt hóa đã được sử dụng: 700 °С (AC- 700°), 800 °С (AC-800°) và 900 °С (AC-900°) Bước tiếp theo xử lý bằng kali hydroxit (KOH) Các diện tích bề mặt riêng được quan sát bằng phương pháp BET:
2844, 2767 và 2715 m 2 /g, cũng như khả năng hấp thụ điện NaCl là: 9,2 (AC-700°), 9,1 (AC-800°), và 8,0 mg/g (AC-900°) Do đó, nhiệt độ hoạt hóa tối ưu là 700 °С.
Wu T cùng cộng sự [41] đã ghép các nhóm cacboxyl lên bề mặt của carbon fiber thương mại (ACF) bằng cách hoạt hóa chúng với axit nitric (ACF-HNO3) Điện cực ACF-HNO3 thể hiện tính chọn lọc tốt đối với các cation Một cell N-CDI không đối xứng được lắp đặt, trong đó ACF-HNO3 được sử dụng làm cực âm và ACF ban đầu dùng làm cực dương Khả năng khử ion của N-ACF ở 1,2 V có thể đạt tới 12,8 mg/g, trái ngược với cell CDI đối xứng được sử dụng bằng các điện cực làm bằng ACF nguyên bản (0-CDI) (chỉ 8,0 mg/g) Tương ứng, hiệu suất hấp phụ của N-CDI cao hơn
74 % so với 0-CDI (dưới 40%) ở các điện áp áp dụng khác nhau Hơn nữa, N-CDI ổn định hơn so với 0-CDI Những kết quả này cho thấy rằng việc sử dụng ACF-HNO3 làm cực âm có thể ngăn chặn hiệu quả sự dịch chuyển của các cation, do đó làm tăng năng suất của CDI.
Trong khi đó nhóm nghiên cứu của Ma X [42] báo cáo việc sử dụng Rutheni dioxit (RuO2) được tẩm trên than hoạt tính (AC) thông qua chu trình vôn ampe tuần hoàn (CV) để tối ưu hóa chế tạo điện cực composite (ký hiệu là RuO2(20)-AC) Các kết quả đo điện hóa chỉ ra rằng điện cực có diện tích bề mặt riêng là 576 m 2 /g và tính ưa nước làm điện dung riêng được cải thiện và độ ổn định tốt Hiệu suất được nâng cao đáng chú ý là do sự có mặt của RuO2, chất cho phép các phản ứng chuyển điện tích Faradaic diễn ra nhanh chóng cũng như lưu trữ điện tích giả điện dung Những kết quả này xác nhận rằng việc kết hợp RuO2 vào điện cực AC giúp giảm điện trở một cách hiệu quả và nâng cao hiệu suất lưu giữ ion Hơn nữa, các thí nghiệm CDI ở chế độ mẻ được tiến hành ở 1,2 V trong dung dịch NaCl 5 mM Kết quả là điện cực RuO2(20)-AC có khả năng hấp phụ muối là 11,26 mg/g, cao hơn 3,7 lần so với AC nguyên chất.
Nghiên cứu của Wang [43] có 6 loại than hoạt tính xốp thương mại (ACs1,ACs2, ACph, ACk1, ACk2, ACk3) đã được sử dụng làm vật liệu điện cực để khử muối Các điện cực được chuẩn bị bằng cách đúc bột huyền phù cacbon xốp, muội than và chất kết dính polyvinylidene florua vào bộ thu giấy than chì (50 - 70 mm).
Trong đó ACk2 cho hiệu quả hấp phụ cao nhất với khả năng hấp phụ là 4,6 mg/g ở chế độ mẻ trong dung dịch 50 mg/l NaCl ở 1,6V.
Trong khi đó Zang cùng cộng sự [44] tổng hợp các carbon aerogel (CA) với cấu trúc vi mô khác nhau đã được điều chế thông qua quá trình sấy khô ở áp suất khí quyển để khử ion điện dung của dung dịch NaCl Các CA được kích hoạt thể hiện cấu trúc xốp phân cấp, có sự phân bố kích thước vi mô, trung mô và vĩ mô có thể thay đổi theo tỷ lệ mol của resorcinol với chất xúc tác (R/C) Thí nghiệm khử muối minh họa rằng điện cực CA có R/C là 200 cho khả năng hấp phụ muối cực đại là 10,34 mg/g ở điện áp làm việc 1,5 V.
Trong nghiên cứu của Xu và cộng sự [45] Graphene pha tạp nitơ (NG) được chế tạo thông qua xử lý nhiệt đơn giản của oxit graphene trong môi trường khí amoniac. Hiệu suất hấp thụ điện của NG trong dung dịch NaCl đã được nghiên cứu và so sánh với graphene nguyên chất (PG) Kết quả cho thấy rằng do diện tích bề mặt riêng cao, điện dung riêng tăng và điện trở truyền điện tích thấp, NG thể hiện khả năng hấp thụ điện cao là 4,81 mg/g khi độ dẫn điện của dung dịch ban đầu là 100 μS/cm, cao hơn nhiều so với PG là 3,85 mg/g.
Nhóm nghiên cứu của H Li [46] Graphene đã được tổng hợp bằng phương phápHummers đã sửa đổi và được sử dụng làm điện cực hấp thụ điện để khử ion điện dung.Các thí nghiệm ở chế độ mẻ trong dung dịch NaCl ở điện áp thấp (≤2 V), kết quả cho thấy graphene thể hiện khả năng hấp thụ điện là 1,85 mg/g Sự hấp phụ ion tuân theo một đường đẳng nhiệt Freundlich, biểu thị sự hấp phụ đơn lớp Bảng 2.2 cho thấy hiệu suất khử muối của các vật liệu carbon khác nhau đối với CDI trong các điều kiện vận hành khác nhau.
Bảng 2.2 Khả năng hấp phụ của một số điện cực trong CDI Điện cực Điện thế áp dụng (V)
Nồng độ NaCl đầu vào
Dung lượng hấp phụ (mg/g)
Tài liệu tham khảo / Năm xuất bản
Pristine graphene 2,0 ~ 50 àS/cm 1,85 [46]/2009 rGO-AC 1,2 100 àS/cm 2,94 [47]/2017
Graphene and carbon nanotube composite
2,0 57 àS/cm 1,41 [48]/2012 rGO/ TiO 2 0,8 300 ppm 16,4 [49]/2016
Graphene nanocomposite 1,2 55 ppm 2,5 [53]/2012 rGO 1,2 150 àS/cm 1,31 [54]/2019 rGO-TiO 2 1,2 150 àS/cm 24,57 [54]/2019
Trong nghiên cứu của A.G El Deen cùng cộng sự [49], để cải thiện các đặc tính điện hóa, sự xen kẽ thanh nano TiO2 giữa các tấm nano graphene đã được thực hiện thành công bằng phương pháp xử lý thủy nhiệt Hoạt động khử muối được kiểm tra trong thiết bị MCDI và ảnh hưởng của tải trọng TiO2 đã được nghiên cứu Người ta phát hiện ra rằng hỗn hợp thanh nano graphene oxit (rGO)/TiO2 có 20% khối lượng TiO2 cho kết quả hấp phụ điện dung riêng đáng chú ý là ~443 F/g, gấp chín lần so với điện dung riêng của rGO ở mức 10 mV/s Trong MCDI, vật liệu cho thấy khả năng đảo ngược cao, độ ổn định chu kỳ tốt, khả năng tái sinh hoàn toàn và khả năng hấp thụ điện phân biệt (9,1 mg/g) dưới điện thế ứng dụng 0,8 V và nồng độ muối ban đầu
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Sơ đồ nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu được trình bày như sơ đồ Hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu
Hóa chất, thiết bị và mô hình thí nghiệm
Các hóa chất, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu này được trình bày trong Bảng 3.1 và 3.2:
Bảng 3.1 Hóa chất sử dụng cho nghiên cứu
STT Tên hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ
2 CMC (Carboxymethyl cellulose) 99% Trung Quốc
3 Activated carbon powder 99% Việt Nam
4 Natri chlorua (NaCl) 99% Trung Quốc
7 Titanium oxide (TiO 2 ) 99% Trung Quốc
8 Nước cất Phòng thí nghiệm
Bảng 3.2 Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm
STT Tên thiết bị Số lượng
Mô hình thí nghiệm như Hình 3.2 được chuẩn bị gồm: bộ nguồn điện một chiều
DC điều chỉnh được điện áp, máy đo EC được đo sau mỗi khoảng thời gian nhất định kết nối dữ liệu với máy tính Đầu điện cực than hoạt tính được nối vào nguồn điện và được ngâm trong dung dịch nước muối.
Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện trong cốc thủy tinh chứa 250 ml dung dịch NaCl nồng độ 25 mg/l, tùy vào điều kiện khảo sát có điện áp hai đầu điện cực và khoảng cách hai điện cực là khác nhau Trong quá trình hấp phụ, dung dịch được khuấy đều liên tục bằng máy khuấy từ. Độ dẫn điện EC được đo tự động bằng máy đo EC cách 5 giây gửi kết quả sang máy tính Nồng độ sau hấp phụ được suy ra từ độ dẫn điện sau xử lý tính theo phương trình đường chuẩn giữa độ dẫn điện EC và nồng độ dung dịch muối NaCl.
Phương pháp nghiên cứu
3.3.1 Phương pháp tổng quan tài liệu
Thu thập, tham khảo, tra cứu các nguồn tài liệu liên quan đến các đối tượng nghiên cứu nhằm kế thừa kiến thức, so sánh kết quả nghiên cứu trước Các nguồn tài liệu được sử dụng là giáo trình, bài báo khoa học, kinh nghiệm của các nhà khoa học để tổng hợp được vật liệu làm điện cực bằng than hoạt tính như mong muốn.
3.3.2 Phương pháp thực hiện thí nghiệm
Phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu: Mẫu vật liệu sau khi tổng hợp tiến hành phân tích các đặc trưng cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích bán định lượng thành phần nguyên tố hóa học của vật liệu bằng phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX) và hình thái vật liệu được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét qua (SEM).
Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý: Tiến hành làm thực nghiệm mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với các điều kiện phản ứng khác nhau để xác định thông số vận hành tối ưu.
3.3.3 Phương pháp thống kê & xử lý số liệu
Dựa trên kết quả thực nghiệm, tiến hành phân tích số liệu, tính toán sự phù hợp của số liệu đưa ra phù hợp với mô hình lý thuyết Từ đó có thể đưa ra nhận định bản chất và cơ chế của quá trình Sử dụng phần mềm Microsoft Excel để xử lý kết quả thống kê và vẽ các biểu đồ.
Nội dung nghiên cứu
3.4.1 Nội dung 1: Tổng hợp điện cực vật liệu composit AC - TiO2và khảo sát vật liệu tối ưu
Tổng hợp vật liệu composit AC - TiO2[54]
Hòa tan tổng cộng 5 g : than hoạt tính dạng bột + x (g) TiO2 theo % khối lượng của hỗn hợp (tương ứng 0, 5, 10, 15, 20, và 25%) vào 25 ml ethanol và khuấy liên tục trong 1 giờ trong erlen 25 ml Tiếp theo cho thêm 5 ml N-metyl-2-pyrrolidon vào hỗn hợp này và được rung siêu âm trong vòng 30 phút Sau đó, đưa các erlen chứa hỗn hợp vật liệu đặt trên máy khuấy từ có gia nhiệt đến khi bay hơi hết ethanol Cuối cùng sấy hỗn hợp ở 105 o C trong 24 giờ.
Sản phẩm cuối cùng là vật liệu composit AC- x% TiO2 (với x là % khối lượng TiO2, tương ứng với 0, 5, 10, 15 và 25) và được lưu trữ trong tủ hút ẩm đến khi sử dụng.
Các điện cực được chế tạo theo quy trình sau: 1 g chất kết dính CMC và 4 g bột than hoạt tính tổng hợp như trên được trộn đều với 15 mL acetone Hỗn hợp này được ép vào khuôn cố định theo độ dày mong muốn trong 24 giờ, tiếp theo lấy ra để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng qua đêm Sau đó, cắt thành tấm điện cực có kích thước 6 x 2 x 0,2 cm; để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn dung môi, các điện cực được làm khô lại trong tủ sấy ở 105°C trong 2 giờ và được lưu trữ trong tủ hút ẩm đến khi sử dụng.
Khảo sát vật liệu tối ưu
Thí nghiệm 1: Chuẩn bị 250 ml dung dịch NaCl có nồng độ 25 mg/l, khoảng cách hai điện cực là 1 cm, điện áp là 1,2V, chạy mô hình cho đến khi không có sự thay đổi đáng kể ở nồng độ đầu ra Các điện cực được chế tạo gồm AC-0% TiO2, AC- 5%TiO2, AC-10%TiO2, AC-15%TiO2, AC-20%TiO2 và AC-25%TiO2 được chạy lần lượt Nồng độ NaCl ở mỗi thời điểm được tính thông qua phương trình tuyến tính giữa
EC và CNaCLđể đánh giá lựa chọn điện cực cho hiệu quả xử lý tốt nhất Các điều kiện thí nghiệm được mô tả như Bảng 3.3.
Bảng 3.3 Khảo sát điện cực đến hiệu quả xử lý
Các thông số được giữ cố định: nồng độ dung dịch 25 mg NaCl/l, khoảng cách điện cực: 1,0 cm, thể tích dung dịch 250 ml Khuấy trộn liên tục. Đánh giá nồng độ NaCl tại mỗi thời điểm Thí nghiệm được lặp lại 3 lần.
3.4.2 Nội dung 2: Đánh giá khảo sát tính chất vật liệu tối ưu
Mẫu vật liệu sau khi tổng hợp tiến hành phân tích các đặc trưng cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích bán định lượng thành phần nguyên tố hóa học của vật liệu bằng phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX) và hình thái vật liệu được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét qua (SEM) được thể hiện như Bảng 3.4.
Bảng 3.4 Các phương pháp phân tích trong nghiên cứu
STT Thành phần phân tích Phương pháp phân tích Thiết bị phân tích
1 Phân tích kích thước, hình thái hạt SEM JSM-IT200 (Jeol, Nhật Bản)
2 Phân tích cấu trúc bề mặt vật liệu XRD Model D2 Phaser
Phân tích bán định lượng thành phần nguyên tố hóa học trong vật liệu
EDX JSM-IT200 (Jeol, Nhật Bản)
3.4.3 Nội dung 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý
Các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý lần lượt là điện áp, khoảng cách điện cực Dãy thí nghiệm khảo sát của mỗi thông số được thực hiện trong cốc thủy tinh chứa 250 ml dung dịch NaCl nồng độ 25 mg/l Thời gian khảo sát là đến khi không có sự thay đổi đáng kể của nồng độ dung dịch sau hấp phụ, dung dịch được trộn đều bằng máy khuấy từ Nồng độ NaCl ở mỗi thời điểm được tính thông qua phương trình tuyến tính giữa EC và CNaCL.
Phương trình tuyến tính độ dẫn điện và nồng độ NaCl
Nồng độ NaCl được xác định thông qua độ dẫn điện của dung dịch Đường chuẩn của nồng độ NaCl và dung dịch NaCl được thực hiện tại phòng thí nghiệm và thể hiện như Hình 3.3 Đồ thị cho thấy độ dẫn điện tăng khi nồng độ NaCl tăng và có phương trình tuyến tính:
EC: độ dẫn điện của dung dịch (àS/cm)
CNaCl: nồng độ muối NaCl trong dung dịch (mg/l)
Hình 3.3 Đồ thị tuyến tính giữa độ dẫn điện và nồng độ NaCl
Dung lượng hấp phụ và thông số động học
Dung lượng hấp phụ muối NaCl trong dung dịch được tính toán theo phương trình sau:
Q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
Co: nồng độ dung dịch NaCl ban đầu (mg/l)
Ct: nồng độ dung dịch NaCl sau hấp phụ (mg/l) V: thể tích dung dịch NaCl (l) m: khối lượng điện cực (g)
Trong nghiên cứu này nồng độ dung dịch NaCl ban đầu Co = 25 mg/l, thể tích dung dịch hấp phụ V = 250 ml, nồng độ dung dịch NaCl sau hấp phụ được tính theo phương trình tuyến tính giữa độ dẫn điện EC và nồng độ dung dịch như phần trên, khối lượng điện cực được cân trong mỗi lần thí nghiệm.
- Phương trình động học giả định bậc 1: ln (qe- qt) = ln qe- k1t (3.3)
Vẽ đồ thị ln (qe- qt) theo t thu được phương trình động học bậc 1
- Phương trình động học giả định bậc 2:
𝑞 𝑡 theo t thuđược phương trìnhđộng học bậc 2
- Với: qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g) qt: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g) t: thời gian hấp phụ (phút) k1: hằng số cân bằng bậc 1 (1/phút) k2: hằng số cân bằng bậc 2 (g/mg.phút)
Khảo sát điện áp đến hiệu quả xử lý
Thí nghiệm 2: Chuẩn bị 250 ml dung dịch NaCl có nồng độ 25 mg/l, khoảng cách hai điện cực là 1 cm, chạy mô hình với điện áp thay đổi từ 1 đến 2V cho đến khi không có sự thay đổi đáng kể của nồng độ đầu ra Nồng độ NaCl ở mỗi thời điểm được tính thông qua phương trình tuyến tính giữa EC và CNaCLđể đánh giá lựa chọn giá trị điện áp cho hiệu quả xử lý tốt nhất Thí nghiệm được lặp lại 3 lần Các điều kiện thí nghiệm được mô tả như Bảng 3.5.
Bảng 3.5 Khảo sát ảnh hưởng của điện áp đến hiệu quả xử lý
Các thông số được giữ cố định: nồng độ dung dịch 250 mg NaCl/l, khoảng cách điện cực: 1,0 cm, thể tích dung dịch 250 ml, điện cực (giá trị tối ưu ở thí nghiệm 1) Khuấy trộn liên tục. Đánh giá nồng độ NaCl tại mỗi thời điểm Thí nghiệm được lặp lại 3 lần.
Khảo sát khoảng cách điện cực đến hiệu quả xử lý
Thí nghiệm 3: Tiến hành tương tự, thay đổi khoảng cách điện cực từ 0,5 - 2,5 cm.Các điều kiện thí nghiệm được mô tả như bảng 3.6.
Bảng 3.6 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu quả xử lý
Khoảng cách điện cực, cm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Các thông số được giữ cố định: điện cực (giá trị tối ưu trong thí nghiệm 1), điện áp (giá trị tối ưu trong thí nghiệm 2), nồng độ dung dịch 250 mg
NaCl/l, thể tích dung dịch 250 ml Khuấy trộn liên tục. Đánh giá nồng độ NaCl tại mỗi thời điểm Thí nghiệm được lặp lại 3 lần.
3.4.4 Nội dung 4: Thí nghiệm kiểm chứng sự ổn định của điện cực ở các điều kiện tối ưu
Cho chạy mô hình với các thông số tối ưu ở các thí nghiệm 1,2,3 với nhiều chu kì hấp phụ / giải hấp Giai đoạn hấp phụ chạy như thí nghiệm 3; giai đoạn giải hấp điện áp được đặt trở lại 0V, thời gian chạy tái sinh cho đến khi không có sự thay đổi đáng kể về nồng độ Nồng độ NaCl tại mỗi thời điểm để đánh giá khả năng tái sinh vật liệu cùng với đó tính được dung lượng hấp phụ và thông số động học.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Xác định vật liệu điện cực tối ưu
Các điện cực làm bằng vật liệu khác nhau chạy với điều kiện điện áp đầu vào 1,2V, khoảng cách hai đầu điện cực 1 cm, nồng độ dung dịch NaCl ban đầu 25 mg/l có dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ như Hình 4.1.
Hình 4.1 Dung lượng hấp phụ và hiệu suất của các vật liệu điện cực
Từ biểu đồ thấy rằng dung lượng hấp phụ tăng nhanh khoảng 3 lần từ 0,36 mg/g lên 0,93 mg/g và hiệu suất tăng gấp 2 lần từ 10,77% lên 21,05% tương ứng với điện cực bằng vật liệu AC-0% TiO2 và AC-5% TiO2 Dung lượng hấp phụ và hiệu suất đều tăng dần đến điện cực AC-20%TiO2 và bắt đầu giảm nhẹ tại điện cực AC- 25%TiO2 Nhìn chung các vật liệu có tẩm TiO2 đều có dung lượng và hiệu suất hấp phụ cao hơn hẳn so với điện cực bằng thuần than hoạt tính, điều này chứng tỏ TiO2 giúp tăng hiệu quả loại bỏ muối khi tham gia vào điện cực than hoạt tính.
Hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ đạt cao nhất đối với điện cực AC-20%TiO2 tương ứng là 32,93% và 1,68 mg/g Đối với điện cực AC-25%TiO2 có giảm nhẹ so với điện cực AC-20%TiO2 nhưng vẫn ở mức cao và chênh lệch của hai điện cực này không nhiều; tương ứng hiệu suất và dung lượng hấp phụ là 30,91% và 1,57 mg/g Điều này có thể do TiO2 chiếm diện tích bề mặt và lỗ rỗng của vật liệu làm giảm khả năng chứa các ion muối.
Qua khảo sát, vật liệu AC-20%TiO2 có hiệu quả tối ưu nhất để làm điện cực cho các thí nghiệm khử ion điện dung và hình thái đặc tính vật liệu này sẽ được trình bày ở phần sau.
Đặc tính vật liệu điện cực composit AC - 20% TiO 2
Để xác định đặc tính của vật liệu cần phải thực hiện các phương pháp đo SEM để biết cấu trúc bề mặt vật liệu, đo EDX để xác định thành phần hoá học và XRD xác định cấu trúc tinh thể vật liệu.
Hình 4.2 Hình ảnh điện cực AC -20 % TiO 2 được chế tạo Điện cực được chế tạo thành công như Hình 4.2 có kích thước mỗi tấm điện cực là 6 cm x 2 cm x 0,2 cm Nhìn cảm quan vật liệu được định hình thành dạng thanh rắn với bề mặt nhẵn, có khối lượng nhẹ Hình 4.3 là hình ảnh SEM mô tả đặc điểm hình thái của các vật liệu AC - 0%TiO2 đến AC - 25%TiO2cho thấy rõ ràng cấu trúc của
AC là các tấm phẳng xếp chồng hoặc song song với nhau tạo thành các lỗ xốp có kích thước marco, trong khi đó các hạt TiO2 được tập trung tại các khoảng hở này Do đó TiO2 có vai trò làm tăng diện tích bề mặt riêng của vật liệu, điều này tăng khả năng hấp phụ vật lý cũng như hấp phụ điện với các ion trong dung dịch muối Tại điện cực AC-5%TiO2 thì TiO2 phân bố tại các khe hở giữa các tấm carbon nhưng không đồng đều do số lượng hạt TiO2 được tẩm ít hơn các điện cực khác Từ điện cực AC- 10%TiO2 đến AC-20%TiO2 cho thấy rõ TiO2 có vai trò giúp phân tách các tấm than hoạt tính với nhau một cách hiệu quả và tạo ra các kiến trúc lỗ vi xốp phân bố đồng đều trên bề mặt vật liệu Tại vật liệu AC-25%TiO2thì các hạt TiO2 phân bố tập trung tạo thành các khối lớn chiếm lấy diện tích bề mặt của carbon đồng thời bịt các lỗ xốp nhỏ hơn Đó có thể là nguyên nhân khi chạy hấp phụ, các ion ít có cơ hội tiếp xúc với bề mặt điện cực và ít bị giữ lại hơn điện cực AC-20%TiO2 Hình 4.4 mô tả hình thái của vật liệu AC-20%TiO2 qua các độ phân giải khác nhau, cho thấy TiO2 phân bố đồng đều trên toàn bộ điện cực.
Hình 4.3 Hình ảnh SEM của các vật liệu điện cực
Hình 4.4 Hình ảnh SEM của vật liệu AC - 20% TiO 2 tại các độ phân giải khác nhau
Hình 4.5 Hình ảnh kết quả EDX của AC - 20%TiO 2
Hình 4.6 Kết quả đo EDX của các vật liệu điện cực
AC-0%TiO 2 AC-5%TiO 2 AC-10%TiO 2
AC-15%TiO 2 AC-20%TiO 2 AC-25%TiO 2
Hình 4.7 Hình ảnh XRD của các vật liệu điện cực
Hình 4.8 Hình ảnh XRD của vật liệu AC-20%TiO 2
Qua kết quả EDX từ Hình 4.6 có thể thấy tỷ lệ Ti trong các điện cực lần lượt là
0 %; 6,08 %; 9,58 %; 15,27 %; 19,93 % và 27,7 % tương ứng với các điện cực AC- 0%TiO2, AC-5%TiO2, AC-10%TiO2, AC-15%TiO2, AC-20%TiO2 và AC-25%TiO2. Điều đó chứng tỏ các vật liệu đã tẩm thành công TiO2 theo mong muốn Kết quả EDX của vật liệu AC-20%TiO2 ở Hình 4.5 bao gồm các nguyên tố C, O, Ti, K, Si, Ca, Na,
Mg Trong đó các nguyên tố có khối lượng chủ yếu là C, O và Ti; cụ thể C chiếm % khối lượng lớn nhất 60,89 %; O chiếm 16,73 % và Ti chiếm 19,93 %.
Cấu trúc tinh thể của các vật liệu điện cực được xác định qua giản đồ XRD thể hiện trong Hình 4.7 Đối với AC không thu được một đỉnh nhiễu xạ mạnh nào chứng tỏ AC là vật liệu vô định hình có cấu trúc sắp xếp không cố định [55] Sau khi tẩmTiO2 các đỉnh nhiễu xạ của các vật liệu điện cực hầu như không có sự thay đổi, Hình4.8 mô tả cấu trúc tinh thể của AC-20%TiO2, các peak cường độ mạnh nhất quan sát được tại 2θ = 25,16 o ; 37,72 o ; 47,92 o ; 53,88 o ; 54,96 o ; 62,52 o ; 68,79 o ; 70,21 o và75,04 o tương ứng với các pha tinh thể (101), (004), (200), (105), (211), (204), (116),(220) và (215) của TiO2 trong TiO2/AC [56] Điều thú vị là, vật liệu có tẩm TiO2 cho các đỉnh nhiễu xạ tương tự như các đỉnh nhiễu xạ của TiO2tinh khiết, với các peak lần lượt ở 25,21° (101), 37,87° (004), 48,18° (200), 54,38° (105), 56,70° (211) và 62,81°(204) [39, 40] Trong đó, đỉnh nhiễu xạ xuất hiện ở 37,72 o và 54,96 o là do sự hình thành của TiO2 rutile trên bề mặt AC, trong khi hai đỉnh cực mạnh khác của TiO2 anatase xuất hiện ở 25,16 o và 47,92 o [57,58] Rõ ràng là sự có mặt của TiO2 trong vật liệu đã làm tăng đáng kể độ kết tinh của AC.
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý
4.3.1 Ảnh hưởng của điện áp
Thí nghiệm này dùng vật liệu AC-20%TiO2 để làm điện cực chạy với điều kiện khoảng cách hai điện cực là 1 cm, nồng độ dung dịch NaCl ban đầu là 25 mg/l với dãy điện áp hai đầu điện cực thay đổi từ 1,0V đến 2,0V nhằm tìm ra điện áp có hiệu quả xử lý tối ưu Kết quả được thể hiện như Hình 4.9.
Hình 4.9 Dung lượng hấp phụ và hiệu suất xử lý tại các điện áp khác nhau
Từ biểu đồ cho thấy khi điện áp đặt tăng dần trong khoảng 1,0 - 2,0 V thì khả năng loại bỏ ion cũng tăng dần từ 1,37 mg/g lên 2,41 mg/g; đồng thời hiệu suất loại bỏ cũng tăng gần gấp 2 lần từ 25,42 % lên 48,60 % Điện áp cao hơn tạo ra lực tĩnh điện mạnh hơn và lớp điện tích kép EDL dày hơn, do đó khả năng hấp thụ điện tăng tỉ lệ thuận với sự tăng cường của điện áp đặt ở hai đầu điện cực Không quan sát thấy bong bóng khí trong suốt thí nghiệm, điều này cho thấy rằng không có phản ứng điện phân nào xảy ra ở điện áp thấp (1–2 V) [59].
Giai đoạn điện áp từ 1,2 V - 1,4 V hiệu suất xử lý chỉ tăng khoảng 2 %; giai đoạn1,4 V - 1,6 V và 1,6 V - 1,8 V hiệu suất xử lý tăng nhanh hơn tương ứng 8,08 % và5,30 % Riêng giai đoạn 1,8 V - 2,0 V hiệu suất xử lý cũng như dung lượng hấp phụ có tăng nhưng không đáng kể, do đó chọn điện áp 1,8 V làm điện áp tối ưu do có hiệu quả xử lý tốt cũng như năng lượng tiêu thụ tối ưu hơn.
4.3.2 Ảnh hưởng của khoảng cách hai điện cực
Thí nghiệm này dùng vật liệu AC-20%TiO2 để làm điện cực chạy với điều kiện điện áp hai điện cực là 1,8 V, nồng độ dung dịch NaCl ban đầu là 25 mg/l với khoảng cách hai đầu điện cực thay đổi từ 0,5 cm đến 2,5 cm nhằm tìm ra khoảng cách có hiệu quả xử lý tối ưu Kết quả được thể hiện như Hình 4.10.
Hình 4.10 Dung lượng hấp phụ và hiệu suất xử lý tại khoảng cách điện cực khác nhau
Từ biểu đồ cho thấy khi khoảng cách hai điện cực tăng dần trong khoảng từ 0,5 đến 2,5 cm thì khả năng loại bỏ ion giảm dần; cụ thể dung lượng hấp phụ từ 2,58 mg/g xuống 2,09 mg/g; đồng thời hiệu suất loại bỏ cũng giảm gần từ 48,73 % xuống41,25 % Việc tăng khoảng cách giữa một cặp điện cực dẫn đến giảm mật độ điện trường [60], do đó làm giảm khả năng hấp thụ điện của dung dịch muối.
Hình 4.11 Thời gian bão hòa trung bình tại các khoảng cách điện cực khác nhau
Hiệu suất loại bỏ ion tại các khoảng cách hai đầu điện cực thay đổi có sự chênh lệch là thấp Khi tăng khoảng cách giữa các điện cực, lượng ion bị loại bỏ bị ảnh hưởng không đáng kể trong phạm vi khoảng cách từ 0,5 cm đến 1,5 cm và bị ảnh hưởng ít khi khoảng cách giữa các điện cực là 2,0 cm Tuy nhiên, có sự gia tăng thời gian hấp phụ khi khoảng cách tăng lên được biểu diễn như Hình 4.11 Thời gian bão hòa trung bình để khử ion tỉ lệ thuận với khoảng cách hai đầu điện cực Mất 420 giây ở khoảng cách 0,5 cm để đạt hấp phụ bão hòa và khi tăng khoảng cách lên 2,5 cm thời gian bão hòa lên đến 486,7 giây Như vậy, thiết kế tối ưu nên có một khoảng cách nhỏ giữa các điện cực vì điều này sẽ giảm thời gian lọc nước, cung cấp năng lượng hiệu quả và tăng cường mật độ điện trường của các điện cực Do đó chọn 0,5 cm là khoảng cách tối ưu giữa hai điện cực.
Sự ổn định của điện cực khi ở điều kiện tối ưu
4.4.1 Sự ổn định qua các chu kì hấp phụ
Việc tái sinh điện cực là rất quan trọng vì khả năng ứng dụng thực tế của nó trong các hệ thống CDI Điện cực vật liệu composit AC-20%TiO2 được sử dụng trong thí nghiệm này bởi vì nó thể hiện khả năng hấp phụ điện cao nhất Cho chạy mô hình với các điều kiện tối ưu qua nhiều chu kì hấp phụ/ giải hấp.
Hình 4.12 Độ dẫn điện của dung dịch qua các chu kì hấp phụ / giải hấp
Giai đoạn hấp phụ đặt điện áp 1,8 V vào hai đầu điện cực, giai đoạn giải hấp điện áp được đặt lại về 0 V và thời gian chạy cho tới khi nồng độ đạt tới nồng độ không đổi Thực hiện 5 chu kì hấp phụ / giải hấp và kết quả được thể hiện như Hình 4.12.
Từ đồ thị có thể thấy rằng, ban đầu độ dẫn điện của dung dịch khi giảm mạnh do sự di chuyển của các ion đến bề mặt của các điện cực tích điện trái dấu, sau đó giảm dần Quan sát thấy rằng thời gian của mỗi chu kỳ là khác nhau, giảm dần khi tăng số chu kì hấp phụ/ giải hấp, cụ thể là 25, 24, 23, 21, 21 phút tương ứng với chu kì 1, 2, 3,
4 và 5 Hiệu suất loại bỏ ion qua các chu kì tuy giảm dần nhưng vẫn ở mức cao lần lượt là 50,09 %; 48,91 %; 45,51%; 43,57 % và 44,08 % Thời gian chạy ngắn lại và hiệu suất giảm dần là do các ion được hấp phụ sâu bên trong vật liệu và được giữ lại trong đó làm giảm thể tích lỗ rỗng và diện tích bề mặt tiếp xúc của vật liệu Tại chu kì thứ 5 khả năng hấp phụ đạt 88% so với chu kì thứ 1, điều này cho thấy rằng độ ổn định của điện cực là tốt và có thể được tái sử dụng nhiều lần.
4.4.2 Động học hấp phụ điện
Lấy số liệu từ giai đoạn hấp phụ của chu kì thứ 1 ở thí nghiệm trên dùng để nghiên cứu tính toán các thông số động học giả bậc nhất và giả bậc hai.
Hình 4.13 Dung lượng hấp phụ theo thời gian
Sự hấp phụ điện của NaCl lên điện cực diễn ra rất nhanh trong 3 phút đầu tiên, sau đó điện cực dần dần đạt đến trạng thái bão hòa như thể hiện trong Hình 4.13 Phải mất tổng cộng khoảng 7 phút để đạt được sự hấp phụ điện đạt trạng thái cân bằng.
Hình 4.14 Phương trình động học giả bậc 1
Hình 4.15 Phương trình động học giả bậc 2
Từ phương trình động học giả bậc 1, bậc 2 tính được các thông số động học như Bảng 4.1
Bảng 4.1 Thông số động học của phương trình giả bậc 1 và giả bậc 2
Các giá trị tham số thu được từ mô hình động học bậc hai được so sánh với mô hình động học bậc nhất Từ Bảng 4.1 có thể thấy giá trị của R 2 của mô hình động học bậc hai (0,9540) thấp hơn so với bậc 1 (0,9844) Bên cạnh đó giá trị qe của mô hình động học bậc 1 là 2,702 mg/g thu được phù hợp với dữ liệu thực nghiệm qe* là 2,572 mg/g Các kết quả trên cho thấy quá trình hấp phụ NaCl tuân theo mô hình động học bậc nhất.