Nghiên cứu tổng hợp cacbon từ vỏ trấu sử dụng cho thiết bị tạo hơi nước từ năng lượng mặt trời

Nghiên cứu tổng hợp cacbon từ vỏ trấu sử dụng cho thiết bị tạo hơi nước từ năng lượng mặt trời Nghiên cứu tổng hợp cacbon từ vỏ trấu sử dụng cho thiết bị tạo hơi nước từ năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Đào Văn Dương

TS Nguyễn Thị Hạnh

Hà Nội – 2023

LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Đào Văn Dương và

TS Nguyễn Thị Hạnh – những người thầy, người cô tâm huyết, mẫu mực đã tận

tình hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu và Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Phòng thí nghiệm chuyển đổi và lưu trữ năng lượng tái tạo (RECS Lab), Khoa Công nghệ sinh học, Hóa học và Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Phenikaa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được thực hiện và hoàn tất các kế hoạch nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ được thực hiện dưới sự hướng dẫn của hai nhà khoa học là

TS Đào Văn Dương và TS Nguyễn Thị Hạnh Luận văn nhận được tài trợ bởi

Chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VinBigdata), mã số (VINIF.2021.ThS.12), Quỹ đổi mới sáng tạo Phenikaa (ĐMST.02) và Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (Nafosted, 103.02-2021.106)

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn ủng hộ, động viên trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn

Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện luận văn, tuy nhiên không tránh khỏi nhiều sự thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 8 tháng 05 năm 2023

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Hiền

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả thực nghiệm nêu trong luận văn là trung thực và được thực hiện trực tiếp tại Phòng thí nghiệm chuyển đổi và lưu trữ năng lượng tái tạo (RECS Lab, https://recslab.phenikaa-uni.edu.vn/), Khoa Công nghệ sinh học, Hóa học và Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Phenikaa, không sao chép từ bất kì nguồn nào

và dưới bất kì hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Hiền

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Nhu cầu nước sạch và các phương pháp tạo nước sạch 3

1.1.1 Nhu cầu nước sạch 3

1.1.2 Phương pháp tạo ra nước sạch 5

1.2 Tổng quan chung các công nghệ sử dụng nhiệt mặt trời trực tiếp 10

1.3 Thiết bị tạo hơi nước từ năng lượng mặt trời 13

1.3.1 Các cấu trúc cơ bản của thiết bị tạo hơi nước từ NLMT 13

1.3.2 Thiết kế chung và nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo hơi nước nổi từ năng lượng mặt trời 15

1.3.3 Các đặc tính của VLQN ảnh hưởng đến hiệu suất tạo hơi nước của thiết bị SSG bề mặt 16

1.3.4 Một số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bay hơi 18

1.4 Vật liệu quang cacbon và cơ chế tạo hơi nước 19

1.4.1 Vật liệu quang cacbon 19

1.4.2 Cơ chế tạo hơi nước của vật liệu quang C và tính toán tốc độ bay hơi nước…… 19

1.5 Vỏ trấu và các phương pháp tổng hợp cacbon từ vỏ trấu 21

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 242.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 24

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 24

ii

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 24

2.2 Phương pháp nghiên cứu 24

2.2.1 Phương pháp tổng hợp, phân tích và kế thừa tài liệu 24

2.2.4.5 Mô phỏng thiết bị tạo hơi nước từ NLMT 30

2.2.4.6 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tạo hơi nước 33

a Ảnh hưởng của cấu trúc thiết bị 33

b Ảnh hưởng của độ dày vật liệu trên màng 33

c Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng 34

d Ảnh hưởng của thời gian bay hơi 34

e Đánh giá khả năng tái sử dụng của màng hấp thụ 35

2.2.4.7 Áp dụng trên mẫu nước thực tế và đánh giá chất lượng nước sau thu hồi……… 35

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả phân tích đặc tính cấu trúc của vật liệu C/ màng hấp thụ 37

3.1.1 Kết quả phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của vật liệu thu được…… 37

3.1.2 Kết quả đo quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 38

iii

3.1.3 Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 39

3.1.4 Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) 40

3.1.5 Kết quả đo quang phổ hấp thụ UV-vis 43

3.2 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tạo hơi của vật liệu 45

3.2.1 Ảnh hưởng của cấu trúc thiết bị bay hơi 45

3.2.2 Ảnh hưởng của độ dày vật liệu trên màng 47

3.2.3 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng 51

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian 54

3.2.5 Khả năng tái sử dụng của màng vật liệu hấp thụ 55

3.3 Ứng dụng trên mẫu nước thực tế và đánh giá chất lượng nước ngưng tụ 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 67

iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các công nghệ khử muối thu nước ngọt 6

Bảng 1.2 Một số nghiên cứu về màng hấp thụ NLMT 17

Bảng 1.3 Tổng hợp một số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bay hơi nước 18

Bảng 1.4 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [23] 21

Bảng 1.5 Thành phần các nguyên tố có trong vỏ trấu [24] 22

Bảng 2.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 25

Bảng 2.2 Các phương pháp phân tích đặc tính vật liệu/màng bay hơi 30

Bảng 2.3 Một số thông số chất lượng được lựa chọn 35

Bảng 3.1 Độ dày trung bình của màng 42

Bảng 3.2 Kết quả đo độ dày lớp vật liệu trên màng khi thay đổi khối lượng vật liệu Cvt gắn trên màng xenlulozo 48

Bảng 3.3 Tổng hợp kết quả một số nghiên cứu về VLQN 53

Bảng 3.4 Kết quả phân tích chất lượng nước trước và sau thu hồi bằng hệ mô phỏng thiết bị bay hơi nước từ NLMT 57

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ dự đoán sự khan hiếm nước vào năm 2025 [2] 3

Hình 1.2 Biểu đồ tỉ lệ phân bố nguồn nước trên Trái đất [3] 3

Hình 1.3 Sơ đồ của một hệ thống khử mặn MSF điển hình [6] 6

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên tắc khử mặn MED [6] 6

Hình 1.5 Hiện tượng thẩm thấu và thẩm thấu ngược [6] 7

Hình 1.6 Sơ đồ của một hệ thống khử mặn công nghệ thẩm thấu ngược [6] 7

Hình 1.7 Nguyên tắc của quá trình điện thẩm tách [6] 8

Hình 1.8 Nguyên lý cấu tạo PMT 11

Hình 1.9 Nguyên lý cấu tạo PMT 11

Hình 1.10 Cấu tạo và nguyên lý thu NLMT nhờ hiệu ứng nhà kính 12

Hình 1.11 Công nghệ sản xuất hydro từ NLMT 13

Hình 1.12 Ba cấu trúc cơ bản của thiết bị tạo hơi nước từ NLMT [8] 14

Hình 1.13 Các cơ chế khác nhau của hiệu ứng quang nhiệt với phạm vi hấp thụ ánh sáng tương ứng (a) sự gia nhiệt cục bộ plasmonic của kim loại, (b) sự phục hồi mức năng lượng của electron bị kích thích ở các chất bán dẫn và giải phóng nhiệt (phonon) và (c) dao động nhiệt trong các phân tử [11] 15

Hình 1.14 Cơ chế tạo hơi nhiệt độ thấp từ NLMT với các ống nano C (CNTs) trong thiết bị bay hơi dựa trên việc làm nóng thể tích [21] 20

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu Cvt bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí kết hợp nghiền bi năng lượng cao và biến tính với axit sufuric đặc 27

Hình 2.2 Quy trình chế tạo màng hấp thụ ASMT từ vật liệu Cvt 29

Hình 2.3 Hệ đèn mô phỏng dải quang phổ mặt trời tiêu chuẩn 1,5 AM 31

Hình 2.4 Mô phỏng thiết bị tạo hơi nước từ NLMT 32

Hình 2.5 Hình ảnh mô phỏng về thí nghiệm ảnh hưởng của cấu trúc thiết bị bay hơi, hệ phân tán (bên trái) và hệ nổi (bên phải) 33

Hình 2.6 Mô hình ngưng tụ và thu hồi nước sử đụng màng hấp thụ dựa trên Cvt 35

vi

Hình 3.1 Hình ảnh VLC tổng hợp từ vỏ trấu qua các giai đoạn 37

Hình 3.2 Ảnh chụp EDX của vật liệu Cvt 37

Hình 3.3 Kết quả đo phổ XRD vật liệu Cvt 38

Hình 3.12 Kết quả khảo sát tốc độ bay hơi của nước cất, hệ phân tán, hệ xenlulozo/PS và hệ Cvt/xenlulozo/PS dưới cường độ chiếu sáng 650 W.m-2 46

Hình 3.13 Nhiệt độ bề mặt của (a) hệ xenlulozo/PS và (b) hệ Cvt/xenlulozo/PS 46

Hình 3.14 Ảnh hưởng của độ dày lớp vật liệu (k) đến chiều cao lớp nước trên bề mặt màng hấp thụ (d) 49

Hình 3.15 Kết quả khảo sát sự thay đổi khối lượng nước của các màng với các độ dày khác nhau trong quá trình bay hơi dưới cường độ chiếu sáng 650 W.m-2 49

Hình 3.16 Kết quả khảo sát tốc độ tạo hơi nước của các màng với độ dày khác nhau trong quá trình bay hơi dưới cường độ chiếu sáng 650 W.m-2 49

Hình 3.17 Kết quả khảo sát sự biến thiên nhiệt độ trên bề mặt màng theo thời gian dưới cường độ chiếu sáng 650 W.m-2 51

Hình 3.18 Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng đến tốc độ tạo hơi nước của màng (0,08g VLC – 135 μm) 52

vii Hình 3.19 Kết quả khảo sát sự thay đổi khối lượng nước khi thay đổi cường độ chiếu sáng của màng bay hơi (0,08g VLC – 135 μm) 52

Hình 3.20 Kết quả khảo sát tốc độ tạo hơi nước theo thời gian của màng bay hơi (0,08g VLC – 135 μm) dưới cường độ chiếu sáng 750 W.m-2 55

Hình 3.21 Tốc độ bay hơi nước sau 6 lần sử dụng của màng hấp thụ của màng bay hơi (0,08g VLC – 135 μm) dưới cường độ chiếu sáng 750 W.m-2 56

Hình 3.22 Các mẫu nước thực tế và nước ngưng tụ từ thiết bị tạo hơi nước dựa trên vật liệu Cvt (Theo thứ tự từ trái qua phải: Nước hồ Ngọc Khánh, nước ngưng tụ được

từ nước hồ Ngọc Khánh, nước biển Hạ Long, nước ngưng tụ được từ nước biển Hạ Long) 57Hình 3.23 Ảnh SEM bề mặt màng bay hơi sau sử dụng 6 lần 59

viii

BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu,

viết tắt Tên tiếng anh Giải thích

Tán xạ năng lượng tia X

6 FTIR Fourier-transform infrared

9 MSF Multi-stage Flash Chưng cất nhiều giai đoạn

12 SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét

13 SSG Solar-driven steam generation Hệ tạo hơi nước từ năng

lượng mặt trời

14 UV-vis Ultraviolet – visible Cực tím – Khả kiến

1

MỞ ĐẦU

Tận dụng và chuyển đổi năng lượng mặt trời (NLMT) là một trong những chiến lược quan trọng nhất nhằm giảm thiểu khủng hoảng năng lượng toàn cầu và các vấn đề môi trường hiện tại và tương lai NLMT là nguồn năng lượng sạch, tái tạo, không gây ô nhiễm, không cần vận chuyển và không ảnh hưởng đến sự cân bằng tự nhiên Thông qua các phương pháp khác nhau, NLMT được chuyển hóa thành các dạng năng lượng hữu ích, hoặc đóng vai trò xúc tác cho một loạt các ứng dụng tuyệt vời như sản xuất hidro, sản xuất điện, xử lý chất ô nhiễm, thu hồi hơi nước hay khử muối,…

Gần đây, việc nghiên cứu phát triển kỹ thuật tạo hơi nước từ NLMT (SSG) thu hút được nhiều sự quan tâm sâu rộng do tiềm năng to lớn của nó Trong đó, NLMT

dễ dàng được chuyển hóa thành nhiệt năng với hiệu suất cao, cung cấp cho quá trình chuyển hóa nước từ trạng thái lỏng sang hơi Kỹ thuật này giúp sản xuất ra nước sạch, không chỉ hiệu quả về mặt kinh tế mà còn thân thiện với môi trường Do đó, các nhà khoa học đang nỗ lực để nâng cao hiệu quả tạo hơi nước từ NLMT, phục vụ mục tiêu hướng đến phát triển bền vững

Trong các nỗ lực khác nhau ấy, việc sử dụng kết hợp vật liệu quang nhiệt (VLQN) có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt năng với hiệu suất cao cũng như cấu trúc đặc biệt đã cho thấy tiềm năng ứng dụng trong thực tế Trong các nhóm VLQN, vật liệu C (VLC) đã thể hiện những đặc tính ưu việt và nổi trội như khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời dải rộng, hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cao, tương đối bền và ổn định trong các điều kiện môi trường như nhiệt độ thấp, độ ẩm cao,…[1]

Mặt khác, vỏ trấu là nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào ở những quốc gia phát triển nền nông nghiệp lúa nước, trong đó có Việt Nam Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng sông Cửu Long khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử dụng, còn lại chưa được tận dụng xử lý Tuy nhiên, nguồn phụ phẩm này nếu không được tận dụng phù hợp có thể cũng là một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng đến chất lượng môi trường sống Với thành phần chủ yếu là Si và C, vỏ trấu được xem như một nguồn nguyên liệu phù hợp để tổng

2 hợp ra VLC Nhiều nghiên cứu trước đây đã tập trung vào việc tổng hợp C từ vỏ trấu ứng dụng vào mục đích xử lý môi trường như một vật liệu hấp phụ chất ô nhiễm Tuy nhiên, những nghiên cứu thử nghiệm C từ vỏ trấu như một chất hấp thụ ánh sáng cho thiết bị tạo hơi nước từ NLMT vẫn còn mới mẻ và hạn chế Đặc biệt, tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu nào tận dụng C từ vỏ trấu chế tạo màng hấp thụ ánh sáng mặt trời ứng dụng trong thiết bị tạo hơi nước từ NLMT

Xuất phát từ những lý do trên, luận văn tập trung “Nghiên cứu tổng hợp

cacbon từ vỏ trấu sử dụng cho thiết bị tạo hơi nước từ năng lượng mặt trời” Đề

tài mang tính thực tiễn cao và việc thực hiện đề tài với mong muốn sẽ phát triển hướng ứng dụng khoa học vật liệu vào lĩnh vực năng lượng cũng như xử lý môi trường

MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Nghiên cứu chế tạo màng hấp thụ (MHT) ánh sáng mặt trời (ASMT) hiệu quả cao từ vỏ trấu sử dụng trong việc tạo hơi nước dùng NLMT

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng hợp vật liệu cacbon từ vỏ trấu và ứng dụng chế tạo MHT ASMT Phân tích, đánh giá một số đặc tính của vật liệu và MHT tổng hợp được;

- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tạo hơi nước của vật liệu (cấu trúc thiết bị, độ dày lớp phủ vật liệu, cường độ chiếu sáng, thời gian bay hơi, khả năng tái sử dụng vật liệu);

- Ứng dụng màng hấp thụ trong việc tạo hơi nước với các mẫu nước đầu vào thực tế (nước hồ và nước biển) và đánh giá chất lượng hơi nước ngưng tụ

3

1.1 Nhu cầu nước sạch và các phương pháp tạo nước sạch

1.1.1 Nhu cầu nước sạch

Cung cấp đủ nước sạch cho người dân trên Thế giới là một trong những thách thức lớn và là một trong các Mục tiêu Thiên niên kỷ của Liên hợp Quốc Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại, do nhiều nguyên nhân khác nhau, khan hiếm nước ngọt đã trở thành một vấn đề mang tính chất toàn cầu

Hình 1.1 Bản đồ dự đoán sự khan hiếm nước vào năm 2025 [2]

Một trong những lý do chính, nước ngọt tự nhiên sẵn có - thứ phù hợp cho nhu cầu sinh học của con người và sinh vật, chỉ chiếm 2,5% tổng lượng nước trên Trái đất (Hình 1.2) Hơn nữa, phần lớn chúng lại được lưu trữ trong các sông băng hoặc ở dạng không có sẵn cho con người sử dụng Phần lớn nước trên Trái đất được chứa ở các đại dương (chiếm 96,5%)

Hình 1.2 Biểu đồ tỉ lệ phân bố nguồn nước trên Trái đất [3]

4 Bên cạnh việc nguồn nước ngọt tự nhiên sẵn có không nhiều, còn có rất nhiều

lý do cho việc khan hiếm nước ngọt hiện nay Một số những nguyên nhân có thể kể đến như tác động của bùng nổ dân số, ảnh hưởng của quá trình công nghiệp hóa toàn cầu và hậu quả của ô nhiễm môi trường, xâm nhập mặn,… Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) công bố năm 2020, các bệnh truyền nhiễm do tình trạng thiếu nước và môi trường sống mất vệ sinh khiến 01 trẻ sơ sinh tử vong mỗi phút

Hơn nữa, nhiệt độ Trái đất được dự báo tăng dần do biến đổi khí hậu, sông băng sẽ tan chảy trong thời gian sắp tới và khiến lượng nước này không thể trở về được trạng thái cũ Trước thực tế này, 1/4 dân số Thế giới đang phải đối mặt với các cuộc khủng hoảng về nguồn nước và dự báo con số này sẽ lên tới 2/3 trong năm 2025 [4] Dự báo khoảng 700 triệu người có thể phải di dời vì tình trạng khan hiếm nước

dữ dội vào năm 2030 Đến năm 2040, dự đoán khoảng 1 trong 4 trẻ em trên toàn Thế giới sẽ sống trong những khu vực có mức độ khan hiếm cao về nguồn nước [5]

Việt Nam được đánh giá là một trong những quốc gia có tài nguyên nước phong phú nhưng lại nằm trong khu vực chịu tác động mạnh mẽ nhất của biến đổi khí hậu Điều này dẫn tới tình trạng thiếu hụt nguồn nước sạch thường xuyên diễn ra trong những năm gần đây tại Việt Nam Theo báo cáo của Ngân hàng thế giới, hơn 70% lượng nước ở các sông trên toàn Việt Nam không thể dùng để ăn uống hay tắm rửa

Nước ngầm – nguồn nước được sử dụng nhiều cho sinh hoạt cũng đang dần cạn kiệt do mức độ ô nhiễm ngày càng nhiều Các tỉnh ven biển miền Trung, các tỉnh thuộc vùng cực Nam Trung Bộ cũng gặp tình trạng khan hiếm nguồn nước ngọt do xâm nhập mặn trên diện rộng cùng với tình trạng hạn hán xảy ra thường xuyên Điều này ảnh hưởng lớn đến đời sống của mọi người, các hoạt động sản xuất cũng như thiếu nước phục vụ sản xuất nông nghiệp Cư dân tại các tỉnh ven biển, hải đảo cũng phải đối mặt với thiếu hụt nước sạch nghiêm trọng

Đứng trước tình trạng gia tăng mức độ khan hiếm nước ngọt trên Thế giới cũng như ở Việt Nam, nhu cầu tìm kiếm và phát triển các công nghệ hiệu quả, tiết kiệm chi phí để khử muối nước từ các đại dương nhằm tạo ra nước ngọt phục vụ con

5 người và giải quyết cuộc khủng hoảng nước là vấn đề hết sức cấp thiết trong thời gian hiện nay Nước biển được khử muối có thể được coi là nguồn cấp dồi dào và vô tận cho quá trình khai thác và cung cấp nước sạch phục vụ con người Do đó, khử mặn nước biển có thể là một giải pháp thiết thực để tăng cường nguồn nước ngọt và giảm thiểu tình trạng khan hiếm nước ngọt ở Việt Nam, đặc biệt là cho người dân sinh sống vùng ven biển và hải đảo Một ví dụ điển hình là tại Các tiểu Vương quốc Ả rập Thống nhất, nơi các nhà máy khử muối đã được sử dụng từ nhiều năm nay để cung cấp nước sạch

1.1.2 Phương pháp tạo ra nước sạch

Có nhiều công nghệ khử muối đã được nghiên cứu và áp dụng để thu được nước ngọt, trong số đó có ba công nghệ chính: công nghệ chưng cất truyền thống (dựa trên nhiệt), công nghệ màng (dựa trên sự thẩm thấu) và kỹ thuật tạo hơi nước bằng NLMT

6 Bảng 1.1 Các công nghệ khử muối thu nước ngọt

- Giảm nhiệt năng tiêu thụ của cả quá trình và giảm giá thành nước ngọt thu được

- Tiêu tốn nhiều năng lượng

- Cấu tạo phức tạp

- Dễ bị ăn mòn

- Tốn nhiều chi phí cho chế tạo

và duy tu bảo dưỡng thiết bị

- Dễ xảy ra hiện tượng lắng cặn

- 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

Năng lượng tiêu thụ thấp hơn nhiều so với công nghệ chưng cất truyền thống

- Yêu cầu nước biển phải được tiền xử

- 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 duplex

- Quá trình vận hành công nghệ

RO đòi hỏi trình độ tay nghề cao

- Công nghệ khử mặn RO phù hợp cho các hệ thống có quy

mô lớn

Cấp điện cho ơ

Nước iển đầu vào

Tiền

Tu in

ơ

áp c

c o

Nước uối

Màng RO

Nước ngọt Nước u Nước ngọt

Nước ngọt Nước iển

p c

Màng

h n t uối

h n t nước

- Nước biển trước khi đi qua cụm màng thấm ion chọn lọc cần phải trải qua giai đoạn tiền xử

lý

- Nước được sản xuất ra cần phải

xử lý để điều chỉnh pH và khử trùng trước khi đưa vào sử dụng

- Tiêu tốn nhiều điện năng

9 Tóm lại, công nghệ chưng cất truyền thống để khử mặn nước biển tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị có cấu tạo phức tạp, dễ bị ăn mòn Công nghệ màng lọc

RO đòi hỏi ít năng lượng hơn nhưng hệ thống lọc cần chịu được áp suất rất cao, kỹ thuật vận hành phức tạp, chi phí đầu tư quá lớn Công nghệ điện thẩm tách tiêu tốn nhiều điện năng và chỉ tách loại được ion do đó nước biển trước đó phải được tiền xử

lý (điều chỉnh pH và ngăn kết tủa CaCO3) Việc đầu tư và áp dụng các công nghệ này

có thể không phù hợp với điều kiện của Việt Nam và các nước đang phát triển, đặc biệt là với quy mô nhỏ Vì thế, hệ thống tạo hơi nước dùng NLMT với cấu tạo đơn giản, chi phí đầu tư thấp hơn là một trong những giải pháp phù hợp hơn cả

Ở một khía cạnh khác, NLMT được biết đến là một nguồn tài nguyên xanh, sạch, miễn phí và đang được hầu hết các quốc gia ưu tiên sử dụng nhằm hướng đến mục tiêu chung là phát triển bền vững Nguồn NLMT còn đặc biệt phù hợp với Việt Nam do nhận được lượng bức xạ mặt trời dồi dào, trung bình 5 kWh/m2 mỗi ngày

Việc đẩy mạnh và phát triển các thiết bị tạo hơi nước từ NLMT đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Việt Nam và trên Thế giới Hơi nước thu được có thể được sử dụng để sản xuất điện, khử trùng, làm sạch và quan trọng hơn chính là việc sản xuất ra nước sạch – giải pháp tối ưu cho những khu vực đang phải đối mặt với tình trạng khan hiếm nước ngọt, những khu vực dân cư gần biển Nguyên lý của hệ thống này đơn giản: nước biển chứa trong hệ thống sẽ bay hơi dưới tác dụng nhiệt của ASMT và ngưng tụ thành nước sạch Trong các thiết bị tạo hơi nước từ NLMT, yếu tố quyết định chính đến hiệu suất tạo hơi nước là khả năng hấp thụ NLMT cũng như hiệu suất chuyển hóa quang nhiệt, cung cấp cho quá trình làm nóng khối nước và tạo ra hơi của thiết bị

Tuy nhiên, hiệu quả chuyển đổi NLMT thành hơi tự nhiên bị hạn chế, điều này được lý giải bởi một số nguyên nhân bao gồm: Nhiệt dung riêng của nước cao, hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt thấp, năng lượng ASMT bị khuếch tán (tổn thất quang học gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng kém, phản xạ và quá trình truyền ánh sáng), đặc biệt tổn thất nhiệt lớn (bao gồm tổn thất bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt),… Do đó,

để hạn chế những vấn đề này, các nghiên cứu trên Thế giới đang tập trung sử dụng

10 tích hợp thêm VLQN - loại vật liệu có khả năng hấp thụ ASMT và chuyển hóa thành nhiệt lượng để tăng tốc độ bay hơi, nâng cao hiệu suất tạo hơi nước của các thiết bị này

Trên Thế giới, việc nghiên cứu tổng hợp các VLC từ sinh khối, chất thải hay phụ phẩm đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Các nguyên liệu thô như nấm, gỗ,… được đánh giá có hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt tốt với các cấu trúc vận chuyển nước đặc biệt

Tại Việt Nam, bước đầu đã có những nghiên cứu về VLQN nhưng còn rất hạn chế Nổi bật như nghiên cứu chế tạo thành công VLQN từ xơ dừa, trái phật thủ của Phạm Tiến Thành và các cộng sự tại trường Đại học Việt Nhật (ĐHQGHN) hay chế tạo thành công VLQN từ bùn thải sinh hoạt của Đào Văn Dương và các cộng sự tại trường Đại học Phenikaa Kết quả của các nghiên cứu này bước đầu cho thấy nhiều triển vọng trong việc chế tạo các VLQN dựa trên sinh khối, tạo hơi nước và khử muối nước biển, tiền đề cho giải pháp tạo ra nước ngọt từ nước biển

Chính vì vậy, việc nghiên cứu phát triển các vật liệu hấp thụ NLMT hiệu suất cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường mà vẫn đạt được hiệu quả tạo hơi mong muốn trở thành chủ đề nghiên cứu nhiều tiềm năng

1.2 Tổng quan chung các công nghệ s dụng nhiệt mặt trời tr c tiếp

Hiện nay có 2 công nghệ chính sử dụng NLMT Đó là công nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện; công nghệ nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính (nhiệt độ thấp) và công nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ cao)

1.2.1 Công nghệ điện mặt trời quang điện

Khi chiếu sáng một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n thì ASMT có thể được bíến đổi thành năng lượng của dòng điện một chiều Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng quang

- điện (photovoltaic) và nó được ứng dụng đề chuyển đổi NLMT thành điện năng Trong công nghệ quang - điện này, người ta sử dụng các mô đun pin mặt trời (PMT)

mà thành phần chính của nó là các lớp tiếp xúc bán dẫn Si loại n và loại p, nSi/pSi (Hình 1.8)

11 Hình 1.8 Nguyên lý cấu tạo PMT

Hình 1.9 Nguyên lý cấu tạo PMT

1.2.2 Công nghệ nhiệt năng từ mặt trời

Trong quá khứ, nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được dùng để phơi sấy, sưởi ấm,… một cách tự nhiên Hiện nay nhờ các thiết bị mới nên nhiệt mặt trời được sử dụng hiệu quả hơn

a) Công nghệ khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính là hiệu ứng như sau: các tấm kính có đặc tính là cho các bức xạ mặt trời (BXMT) có bước sóng nhỏ hơn khoảng 0,7x10-6 m đi qua dễ dàng,

12 nhưng lại ngăn không cho các BXMT có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x10-6 m BXMT có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x10-6 m là các bức xạ nhiệt nó nung nóng các vật khi bị các tia này chiếu vào Lợi dụng đặc tính này của kính, người ta tạo ra các hộp thu NLMT như Hình 1.10 để sản xuất nước nóng, sấy nông sản phẩm, sưởi ấm,…

Hình 1.10 Cấu tạo và nguyên lý thu NLMT nhờ hiệu ứng nhà kính

Tia mặt trời xuyên qua tấm kính (1) tới tấm hấp thụ (2) bị hấp thụ phần lớn

NL Các tia nhiệt thứ cấp từ tấm hấp thụ có bước sóng Λ > 0,7 μm bị tấm kính ngăn lại Như vậy hộp thu cho ASMT vào mà không cho ra nên tấm hấp thụ ngày càng nóng lên Nhiệt từ tấm hấp thụ có thể sử dụng để đun nước, sấy, sưởi ấm,… Hiệu suất thu nhiệt của bộ thu có thể đạt đến 50%

b) Công nghệ khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng hội tụ BXMT

Để sản xuất điện từ nhiệt NLMT người ta sử dụng các hệ thống gương cầu hay gương parabol để hội tụ các tia mặt trời vào các điểm hay trục hội tụ Tại các điểm hội tụ nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm hay thậm chí đến hàng nghìn độ Nếu cho chất lỏng như nước, dầu,… qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả dưới áp suất cao Cho hơi này qua các tuabin sẽ phát ra điện Công nghệ này được gọi là công nghệ nhiệt điện mặt trời

c) Công nghệ sản xuất hydro từ NLMT

Công nghệ quang điện hóa (PEC) tạo ra hydro từ nước bằng cách sử dụng ASMT và chất bán dẫn chuyên dụng được gọi là ‘vật liệu quang điện hóa’

13 Hình 1.11 Công nghệ sản xuất hydro từ NLMT d) Công nghệ sản xuất hơi nước từ NLMT – giải pháp khử muối nước biển Trong công nghệ này, quang năng từ NLMT được sử dụng làm nóng nước, các phân tử nước được gia nhiệt nóng chuyển hóa từ dạng lỏng sang dạng hơi, hơi nước sinh ra được thu lại cho các mục đích khác nhau Khi nguồn nước đầu vào là nước biển, quá trình sản xuất hơi nước từ NLMT được hiểu như một công nghệ khử muối nước biển để thu hồi nước ngọt

1.3 Thiết bị tạo hơi nước từ năng ượng mặt trời

Công nghệ nhiệt mặt trời là một cách trực tiếp để thu hồi NLMT cho các ứng dụng làm nóng và lưu trữ năng lượng Một trong những ứng dụng của công nghệ nhiệt mặt trời là bay hơi nhờ NLMT, liên quan đến việc tạo hơi nước ở điều kiện nhiệt

độ phòng, thấp hơn rất nhiều nhiệt độ sôi của nước Nhờ vậy, đây được đánh giá là một trong những chiến lược nổi bật để sản xuất ra nước sạch

1.3.1 Các cấu trúc cơ bản của thiết bị tạo hơi nước từ NLMT

Trong các thiết bị tạo hơi nước từ NLMT không có sự tập trung quang học, sự tạo ra nhiệt diễn ra tại vị trí bề mặt tiếp nhận, trong khi quá trình bay hơi diễn ra ở mọi nơi trong chất lỏng Sự phân chia giữa quá trình chuyển hóa quang - nhiệt và tạo hơi dẫn đến một khối lượng nhiệt và nhiệt độ lớn không cần thiết thất thoát từ bề mặt tạo nhiệt đến vị trí bay hơi, gây ra sự mất nhiệt, dẫn đến hiệu suất bay hơi thấp (30 - 45%) [7]

14 Hiện nay, có ba cấu trúc cơ bản của thiết bị tạo hơi nước từ NLMT dựa trên

sự phân bố VLQN bao gồm:

(a) Thiết bị tạo hơi dựa trên làm nóng từ đáy: VLQN được phân bố tập trung

tại vùng đáy chất lỏng, hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa thành năng lượng nhiệt

(b) Thiết bị tạo hơi dựa trên làm nóng thể tích: VLQN được phân tán đồng

nhất trong dung dịch, hấp thụ ánh sáng và sau đó chuyển đổi các photon từ NLMT thành nhiệt năng để làm nóng toàn bộ chất lỏng

(c) Thiết bị tạo hơi dựa trên làm nóng bề mặt: VLQN được cố định trên bề

mặt của khối chất lỏng làm việc, quá trình chuyển hóa quang - nhiệt và quá trình tạo hơi được diễn ra tại bề mặt phân cách giữa không khí – nước

Hình 1.12 Ba cấu trúc cơ bản của thiết bị tạo hơi nước từ NLMT[8]

(a) Tạo hơi dựa trên việc làm nóng đáy, (b) Tạo hơi dựa trên làm nóng thể tích,

(c) Tạo hơi dựa trên làm nóng bề mặt

So với hai cấu trúc thiết bị tạo hơi dựa trên làm nóng từ đáy (Hình 1.12a) và tạo hơi dựa trên làm nóng thể tích (Hình 1.12b), thiết bị tạo hơi dựa trên làm nóng bề mặt (Hình 1.12c) được đề xuất để cải thiện nội địa hóa nhiệt ở bề mặt chất lỏng và đã đạt được sự bay hơi thành công với hiệu suất ~ 90% trong điều kiện không có sự tập trung quang học Cách tiếp cận này làm nóng một cách có chọn lọc phần nước bay hơi chứ không phải toàn bộ phần nước Sự bay hơi bề mặt tránh được sự gia nhiệt

15 toàn bộ thể tích dung dịch, giảm thiểu lượng VLQN được sử dụng và cung cấp các phương tiện bổ sung để điều chỉnh hiệu suất bay hơi, bao gồm thông lượng hơi bay hơi và nhiệt độ hơi Nhờ những ưu điểm này, sự bay hơi bề mặt có tiềm năng mở rộng việc sử dụng các công nghệ nhiệt mặt trời trong các hệ thống nhỏ gọn, độc lập và di động [9]

1.3.2 Thiết kế chung và nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo hơi nước nổi từ năng

lượng mặt trời

Thiết bị SSG nổi từ NLMT có ba thành phần chính ảnh hưởng đến hiệu suất tạo hơi Thành phần đầu tiên là VLQN, là thành phần chính để hấp thụ và chuyển đổi BXMT thành nhiệt năng Thứ hai là một cấu trúc tạo hơi nổi Cấu trúc này có thể tối

ưu hóa tốc độ bay hơi nước và cung cấp chất lỏng cho khu vực được làm nóng Thành phần cuối cùng là chất cách nhiệt - làm giảm việc mất năng lượng quang nhiệt do dẫn nhiệt [10]

Hình 1.13 Các cơ chế khác nhau của hiệu ứng quang nhiệt với phạm vi hấp thụ ánh sáng tương ứng (a) sự gia nhiệt cục bộ plasmonic của kim loại, (b) sự phục hồi mức năng lượng của electron bị kích thích ở các chất bán dẫn và giải phóng nhiệt

(phonon) và (c) dao động nhiệt trong các phân tử [11]

16 Dưới sự chiếu xạ mặt trời, VLQN hấp thụ bức xạ điện từ có trong nguồn ánh sáng tới và chuyển hóa quang năng thành nhiệt năng Mỗi VLQN có một cơ chế tương tác riêng với bức xạ điện từ Điều này có thể phân loại chúng thành ba loại, đó là sự gia nhiệt cục bộ plasmon của VLQN kim loại nano (Hình 1.13a), sự phục hồi mức năng lượng của electron bị kích thích ở các chất bán dẫn và giải phóng nhiệt (phonon) (Hình 1.13b) và dao động nhiệt trong các phân tử (Hình 1.13c) [11] Nhiệt tạo ra trên

bề mặt của VLQN và cấp cho quá trình chuyển pha của nước, tạo ra hơi nước

1.3.3 Các đặc tính của VLQN ảnh hưởng đến hiệu suất tạo hơi nước của thiết bị

SSG bề mặt

Để thu được hơi nước với hiệu suất cao trong các thiết bị SSG bề mặt từ NLMT, các VLQN cần đáp ứng một số yêu cầu về quang và nhiệt để tối ưu quá trình chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt năng Thông thường, có 4 yếu tố chính, bao gồm: Thứ nhất là khả năng hấp thụ ASMT dải rộng hiệu quả – liên quan đến sự phù hợp của phổ hấp thụ của vật liệu với ánh sáng tới, thứ hai là khả năng quản lý nhiệt tốt – giảm tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt, thứ ba là đặc tính ưa nước và khả năng vận chuyển nước tốc độ cao và cuối cùng là chuyển hóa tạo hơi nước hiệu quả

Đầu tiên, để tối đa hóa việc thu năng lượng từ ASMT chiếu xuống bề mặt Trái đất và chuyển đổi tối đa thành năng lượng nhiệt, vật liệu sử dụng cần phải có khả năng hấp thụ ánh sáng cao và với hệ số phản xạ không đáng kể Đồng thời, vùng hấp thụ cũng cần bao phủ toàn bộ dải quang phổ mặt trời (200-2500 nm) Yếu tố thứ 2 là khả năng quản lý nhiệt Đây là thông số quan trọng cho hệ thống làm nóng cục bộ Ghasemi và các cộng sự đã chỉ ra rằng độ dẫn nhiệt thấp và dòng chảy chất lỏng hạn chế dẫn đến việc hình thành của những điểm nóng và tạo ra hơi nước ở những vị trí tập trung quang học thấp Điều này nghĩa là các vật liệu được ứng dụng phải là ít phản xạ, đảm bảo hiệu suất chuyển đổi lớn nhất Yếu tố thứ 3 là quá trình vận chuyển nước Yếu tố này liên quan đến đặc tính ưa nước hoặc đặc tính bề mặt của vật liệu Cuối cùng, nhân tố thứ tư là quá trình bay hơi Ngoài bốn đặc tính quan trọng trên, các VLQN lý tưởng nên được tạo ra từ các thành phần dễ kiếm và có thể nhân rộng

17 với quy mô sản xuất công nghiệp, có độ ổn định nhiệt tốt, tính toàn vẹn cơ học, chi phí thấp,… [1]

VLQN có thể được chia thành 4 nhóm chính bao gồm: (1) Vật liệu kim loại cấu trúc nano, (2) Vật liệu bán dẫn vô cơ, (3) Vật liệu polyme, (4) Vật liệu quang C Trong

đó, vật liệu C đen được đánh giá là một trong những chất hấp thụ ánh sáng triển vọng nhất do vùng chuyển đổi quang của chúng với phản xạ Fresnel chỉ khoảng 5 - 10% [10] Bảng dưới đây tổng hợp một số nghiên cứu về các loại VLQN cho màng hấp thụ NLMT

Nhiệt

độ tối

đ (◦C)

Hiệu suất bay hơi (%)

Tốc độ bay hơi

với 32 nếp gấp

CNT Giấy lọc 1000 39,6 84,6 1,31 [17]

Nhiệt

độ tối

đ (◦C)

Hiệu suất bay hơi (%)

Tốc độ bay hơi

1.3.4 Một số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bay hơi

Bảng 1.3 Tổng hợp một số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bay hơi nước

STT Tên yếu tố Vai trò/ Ảnh hưởng

1 Nồng độ của hơi nước trong

không khí

Không khí có nồng độ hơi nước cao thì quá trình bay hơi nước diễn ra chậm

2 Lưu lượng không khí Qúa trình bay hơi diễn ra nhanh hơn khi lưu

lượng không khí tăng

3 Áp suất Sự bay hơi sẽ xảy ra nhanh hơn nếu như có

ít lực ở trên bề mặt để giữ lại các phân tử, nghĩa là áp suất tăng, tốc độ bay hơi giảm

4 Nhiệt độ của chất và nhiệt

độ môi trường

Nhiệt độ tăng thì tốc độ tạo hơi cũng tăng

5 Diện tích bề mặt Diện tích bề mặt tỉ lệ thuận với tốc độ bay

hơi của nước

6 Gió Tốc độ gió tỉ lệ thuận với tốc độ tạo hơi

19

1.4 Vật liệu quang c c on và cơ chế tạo hơi nước

1.4.1 Vật liệu quang cacbon

Hấp thụ hiệu quả năng lượng BXMT phổ rộng và chuyển đổi năng lượng bức

xạ thành nhiệt là bước quan trọng đầu tiên để tạo ra hơi nước, trong đó chất hấp thụ quang C và chất hấp thụ dựa trên plasmonic được phát triển và quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây Luận văn chỉ tập trung tìm hiểu chất hấp thụ quang C

Nhờ vào các ưu thế như nguyên liệu dồi dào, tính chất điện hóa nổi trội và thân thiện với môi trường, các VLC khá phổ biến và không thể thiếu trong các ứng dụng khoa học hiện nay, như cảm biến, hấp phụ, quang xúc tác xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ, Mặt khác, VLC cũng có độ hấp thụ quang cao với dải hấp thụ rộng, cấu trúc lớp hoặc xốp phù hợp cho việc vận chuyển nước, không chứa kim loại độc hại,

dễ tổng hợp và biến tính Điều này đã khiến chúng trở thành một chất hấp thụ chi phí thấp được áp dụng nhiều trong các thiết bị SSG những năm gần đây Vật liệu quang

C, bao gồm C đen, ống nano C (CNTs), graphene, graphene oxít (GO), graphene oxít khử (rGO), C xốp,… là những VLQN phổ biết nhất

1.4.2 Cơ chế tạo hơi nước của vật liệu quang C và tính toán tốc độ bay hơi nước

1.4.2.1 Cơ chế tạo hơi nước của vật liệu quang nhiệt dựa trên C

Cơ chế tạo hơi nước của một thiết bị SSG nổi từ NLMT dựa trên VLQN C đã được tìm ra bởi hai mô hình plasmonic Mô hình đầu tiên là các Plasmon bề mặt phân cực (surface plasmon polarity – SPP) Trong mô hình này, các plasmon có thể dịch chuyển qua bề mặt trong mặt phẳng x – y của mặt phân cách kim loại – điện môi trong hàng chục hoặc hàng trăm micromet và phân rã đến độ sâu khoảng 200 nm Mô hình thứ hai là các Plasmon bề mặt cục bộ Nó tương quan với mô hình Durde – Lorentz trong vật lý trạng thái rắn Dựa theo vùng dẫn, các electron trong kim loại có thể coi là các electron tự do nhưng các ion dương nằm ở những vị trí cố định [1]

Wang và cộng sự đã đề xuất một cơ chế tạo hơi từ NLMT nhiệt độ thấp với các ống nano C (CNTs) trong một thiết bị mà CNTs ở trạng thái lơ lửng [21] Như thể hiện trong Hình 1.14, dưới chiếu xạ mặt trời, CNTs hấp thụ và tán xạ các photon

ở chất lỏng phía trên đầu tiên và sau đó một phần của các photon sẽ tới chất lỏng phía

20 dưới Do sự tương tác mạnh giữa CNTs và ASMT tới, lượng nhiệt xuất hiện từ bề mặt của CNTs - nơi sự ghép đôi mạnh mẽ xảy ra giữa bức xạ tới và các điện tử trên

bề mặt của CNTs Nhiệt tạo ra trên bề mặt CNTs sau đó được chuyển sang phân tử chất lỏng môi trường Nhiệt tạo ra này được kiểm soát bởi ghép đôi phonon-phonon trong CNTs CNTs có thể đi vào trạng thái kích thích với chế độ phonon tần số cao Năng lượng này trước tiên phải được chuyển sang chế độ tần số thấp thông qua ghép đôi phonon – phonon trước khi nó có thể được trao đổi với vùng xung quanh Cuối cùng, năng lượng nhiệt được khuếch tán trong nước Do đó, CNTs gần giao diện nước

- không khí có thể tập trung năng lượng ánh sáng đến những thể tích nước nhỏ, dẫn đến làm nóng cục bộ mạnh mẽ tại khu vực này và tạo hơi nước hiệu quả từ chất lỏng xung quanh

Hình 1.14 Cơ chế tạo hơi nhiệt độ thấp từ NLMT với các ống nano C (CNTs) trong

thiết bị bay hơi dựa trên việc làm nóng thể tích[21]

1.4.2.2 Tính toán tốc độ tạo hơi nước

Công thức xác định tốc độ tạo hơi nước được tham khảo từ nghiên cứu của Zhourui Xu và các cộng sự (2020) [22] Theo công thức này, tốc độ bay hơi (v) được tính bằng cách chia tổn thất trọng lượng nước do bay hơi cho tích của diện tích phần được chiếu sáng và thời gian chiếu sáng:

21

v = 𝑊 𝑙𝑜𝑠𝑠

𝐴.𝑡 (Công thức 1)

Trong đó:

v là tốc độ bay hơi nước (kg.m-2.h-1)

Wloss là lượng nước mất đi trong quá trình tạo hơi (kg)

A là diện tích của phần được chiếu sáng (m2)

t là thời gian bay hơi (h)

1.5 Vỏ trấu và các phương pháp tổng hợp cacbon từ vỏ trấu

Vỏ trấu là một dạng sinh khối lignocellulose, là một dạng chất thải có thể tái tạo, chứa 28-30% vô cơ và 70-72% hợp chất hữu cơ Thành phần của các hợp chất hữu cơ bao gồm C, H, O, N và S Các thành phần vô cơ chủ yếu là cấu thành từ SiO2

Vỏ trấu là phụ phẩm có các đặc tính hóa lý và sinh hóa độc đáo, chứa nhiều hơn 37% nguyên tố C theo khối lượng, do đó nó là nguyên liệu tiềm năng để tạo ra VLC

Bảng 1.4 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [23]

Thành phần Tỷ lệ theo khối ượng (%)

22 Bảng 1.5 Thành phần các nguyên tố có trong vỏ trấu [24]

Tên nguyên tố Tỷ lệ theo khối ượng (%)

Sản phẩm thu được sau than hóa có thể được xử lý tiếp theo 2 cách: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học Hoạt hóa vật lý thường được tiến hành bằng hơi nước quá nhiệt, khoảng 1000ºC Ở nhiệt độ này hơi nước và C sẽ phản ứng với nhau tạo thành các sản phẩm khí như CO, CO2, H2 theo các phương trình hóa học dưới đây:

23 Các khí thoát ra ngoài và để lại lỗ trống trên bề mặt than Đây chính là những mao quản được hình thành trong quá trình hoạt hóa Ban đầu các mao quản tạo ra có kích thước nhỏ Nếu thời gian tiếp xúc càng kéo dài thì kích thước các mao quản sẽ ngày càng tăng lên Tuy nhiên nếu thời gian hoạt hóa quá lâu cũng sẽ làm phá vỡ các cấu trúc mao quản Nhược điểm của quá trình hoạt hóa vật lý là nhiệt độ tiến hành cao, đồng thời diện tích bề mặt riêng của C hoạt tính thu được không lớn, thường <

1000 m2/g

So với phương pháp hoạt hóa vật lý, hoạt hóa hóa học có nhiều lợi thế hơn như: nhiệt độ hoạt hóa thấp hơn (450 – 850oC), hiệu suất cao hơn, thời gian hoạt hóa ngắn hơn, diện tích bề mặt riêng lớn hơn (có thể lên tới 2500 – 3000 m2/g), thể tích mao quản cũng lớn hơn Hoạt hóa hóa học được tiến hành bằng cách trộn tiền chất chứa C với các tác nhân hoạt hóa như hiđroxit của kim loại kiềm (NaOH, KOH), muối (K2CO3, Na2CO3, ZnCl2) hoặc axit (H3PO4, HCl, H2SO4) Các chất hoạt hóa có tác dụng như một chất ổn định, đảm bảo rằng than không bị “xẹp” trở lại Chúng sẽ lấp đầy các mao quản ban đầu đã được tạo ra trong quá trình than hóa, đồng thời mở rộng kích thước và phát triển thêm các mao quản mới Kết quả là C sau khi hoạt hóa

sẽ có cấu trúc rất xốp và thường chứa đầy các chất hoạt hóa Do vậy, sản phẩm tiếp tục được rửa sạch và tiến hành các bước nghiên cứu tiếp theo

Vỏ trấu đã được một số ít nghiên cứu tận dụng tổng hợp chất hấp thụ quang nhiệt tạo hơi nước và khử muối nước biển Fang và các cộng sự (2020) chế tạo VLC

từ vỏ trấu dạng bọt nổi với cấu trúc nối mạng [26] Karen và các cộng sự (2021) cũng

đã chế tạo VLC từ vỏ trấu có cấu trúc nổi với sự hỗ trợ của bọt biển melamine [27] Tuy nhiên cũng chưa có nghiên cứu thử nghiệm nào liên quan đến chế tạo màng hấp thụ ASMT từ C vỏ trấu và giấy lọc xenlulozo

24

NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Vỏ trấu (Quận Hà Đông, TP Hà Nội)

- Vật liệu C (VLC) tổng hợp được từ vỏ trấu

- Giấy lọc xenlulozo (Hãng Whatman, kích thước lỗ lọc 2,5µm)

2.2 hương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp tổng hợp, phân tích và kế thừa tài liệu

Dựa trên cơ sở lý thuyết, các tài liệu, các công trình nghiên cứu, các bài báo khoa học đã được công bố trong và ngoài nước, các bài viết học thuật trên phương tiện thông tin đại chúng hoặc trong sách báo chuyên ngành liên quan đến vật liệu và phương pháp chế tạo vật liệu C; ứng dụng VLC trong xử lý và thu hồi nước; phương pháp khử muối nhờ kĩ thuật tạo hơi từ NLMT; kỹ thuật tạo màng; thông tin về thành phần – đặc tính của vỏ trấu,… tác giả tiến hành tổng hợp, phân tích và sử dụng để tổng quan cơ sở lý luận của các đối tượng nghiên cứu

2.2.2 Phương pháp luận

Dựa trên cơ sở lý thuyết, các nghiên cứu đã có trong nước và trên Thế giới, tác giả tiến hành thiết lập và bố trí các thí nghiệm để đánh giá đối tượng phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu Đồng thời, dựa trên kết quả thực nghiệm thu được tại PTN, kết hợp với các cơ sở lý luận đã tìm hiểu để giải thích, đối chứng và biện luận cho các kết quả, quá trình thực nghiệm đã tiến hành

25

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu, đánh giá, so sánh – đối chiếu,

Sử dụng các phần mềm như Origin, Excel, Power Point,… để xử lý các kết quả thu được và đối sánh với các kết quả của các nghiên cứu liên quan

2.2.4 Phương pháp thực nghiệm

Sử dụng các phương pháp thực nghiệm thích hợp, đã phát triển được tại nhóm nghiên cứu, tại cơ sở nghiên cứu và tại các cơ sở nghiên cứu hiện đại khác ở trong nước Trong phần này, quy trình tổng hợp VLC từ vỏ trấu và ứng dụng trong chế tạo màng hấp thụ NLMT được mô tả chi tiết Tiếp đó, đánh giá sự ảnh hưởng của một số điều kiện thí nghiệm đến hiệu quả thu hồi hơi nước của màng vật liệu chế tạo Cuối cùng, một số thông số chất lượng nước trước và sau thu hồi từ 2 mẫu nước thực tế là nước hồ và nước biển được đánh giá Cụ thể như sau:

đến hiệu suất tạo

hơi của vật liệu

- Xốp Polystyren (PS)

- Giấy lọc xenlulozo

- Hệ đèn mô phỏng ánh sáng mặt trời Solar Simulators – Newport

- Cân điện tử kết nối với máy tính

- Camera nhiệt hồng ngoại Testo 875-1i

- Axit HCl đặc (Merch - Mỹ) - Hệ đèn mô phỏng ánh sáng

mặt trời Solar Simulators – Newport

27 2.2.4.2 Quy trình tổng hợp vật liệu C từ vỏ trấu

VLC được tổng hợp từ vỏ trấu (Cvt) bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí [28] kết hợp với quá trình biến tính với axit sunfuric đặc theo quy trình được mô tả theo sơ đồ tổng quát thể hiện trong Hình 2.1

Trong nghiên cứu này, vỏ trấu được thu thập từ một hộ xay sát gạo ở ngoại thành (Quận Hà Đông, TP Hà Nội) Quy trình tổng hợp VLC từ vỏ trấu được thực hiện như sau: Vỏ trấu đem về PTN được làm sạch bằng cách rửa sạch nhiều lần với nước khử ion để loại bỏ cặn bẩn, sau đó sấy khô ở nhiệt độ 100°C trong vòng 4 giờ Tiếp đó, vỏ trấu được nhiệt phân yếm khí ở nhiệt độ 500°C trong 1 giờ Vật liệu thu được sau đó được làm nguội cho đến nhiệt độ phòng bên trong tủ nung Tiến hành nghiền vật liệu để làm nhỏ kích thước hạt (Phương pháp nghiền bi năng lượng cao - tại Viện Vật liệu – Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam) Điều kiện nghiền: nghiền khô, thời gian nghiền 1,5 h/mẻ, khối lượng vật liệu mỗi mẻ 5 g/mẻ Vật liệu sau nghiền được tiếp tục biến tính với axit sunfuric đặc Sau biến tính, vật liệu được rửa nhiều lần bằng nước khử ion cho đến khi đạt pH trung tính Cuối cùng, vật liệu được sấy tiếp ở nhiệt độ 60°C cho đến khô hoàn toàn

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu Cvt bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí kết

hợp nghiền bi năng lượng cao và biến tính với axit sufuric đặc

28 2.2.4.3 Chế tạo màng hấp thụ ASMT

Màng hấp thụ ASMT được chế tạo bằng cách phủ dung dịch hỗn hợp Cvt/PVA lên màng xenlulozo (Hãng Whatman, kích thước lỗ lọc 2,5µm) [29] Quy trình chế tạo MHT ASMT được thể hiện chi tiết trong Hình 2.2 Cụ thể, 0,2g PVA được hòa tan hoàn toàn trong 20ml nước khử ion bằng máy khuấy từ gia nhiệt ở nhiệt độ 90oC Thêm một lượng vật liệu Cvt (0,02 - 0,12g) vào trong dung dịch PVA, khuấy ở nhiệt

độ 80oC với tốc độ khuấy 60 vòng/phút trong thời gian 90 phút để vật liệu được phân tán đồng đều Sau đó, vật liệu được phủ lên màng xenlulozo bằng cách hút chân không Màng sau khi phủ vật liệu được để khô tự nhiên trong 24 giờ (Hình 2.2) 2.2.4.4 Xác định, đánh giá và nhận xét một số đặc tính cấu trúc của vật liệu/ màng

hấp thụ

Trong khuôn khổ luận văn, đặc tính vật liệu Cvt và MHT được khảo sát thông qua các kỹ thuật phân tích tiên tiến như giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), ảnh hiển vi điện

tử phát xạ trường (SEM), phổ hấp thụ UV-vis Mục đích của các phương pháp phân tích được trình bày trong Bảng 2.2