Khóa luận tốt nghiệp Hóa học: Chế tạo composite ca

DANH MỤC CHỮ VIET TAT VÀ Ki HIỆUKý hiệu Tên đầy đủ Tén đầy đú Tiếng Anh CDI Công nghệ khử ion điện dung Capacitive Delonization TDS Tổng nồng độ muối hòa tan Total Dissolved Solid EDL Lớ

BỘ GIÁO DUC VA ĐÀO TẠO TRƯỜNG DAI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA HÓA HỌC

s% ĐẠHQC

SP

TP HỒ CHÍ MINH

CHE TAO COMPOSITE CA/TiO2

UNG DUNG TRONG CONG NGHE KHU MAN DIEN DUNG

Giảng viên hướng dan: TS Nguyễn Thị Thu Trang

PGS.TS Huỳnh Lê Thanh Nguyên

Sinh viên thực hiện: Đoàn Cẩm Giang

Mã số sinh viên: 46.01.201.029

Thành phố Hỗ Chi Minh, tháng 5 năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

ĐOÀN CẢM GIANG

KHOÁ LUẬN TÓT NGHIỆP

CHE TAO COMPOSITE CA/TiO:›

UNG DUNG TRONG CONG NGHE KHU MAN DIEN DUNG

Xác nhận của giảng viên hướng dan

(Kí và ghi rõ họ tên)

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2024

sẻ kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, liên tục đốc thúc và động viên em

trong quá trình thực hiện khóa luận này Đồng thời, em cũng xin cảm ơn các Thây, Cô

khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy những

kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực tiễn cho em trong quá trình học tập.

Trong luận văn tốt nghiệp này, tuy đã đành nhiều thời gian nhưng do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế của một sinh viên nên em khó có thé

tránh khỏi sai sót Em mong sẽ nhận được những sự quan tâm cũng như ý kiến đónggóp của quý Thay, Cô dé em có thể hoàn thiện, học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm, kịp

thời sửa chữa.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Doan Cầm Giang

iv

MUC LUC

LOT CAM ONousssssscsssssseesscssssssseesssssssssesssesssssssessessssssussesssssssessessssssuussessssssssescessssssussesssssnsesss

DANH MỤC CHU VIET TAT VA Ki HIỆU ii

DANH MỤC HÌNH ÁNH

DANH MỤC BANG, BIÊU DO VÀ SƠ ĐÒ

MP =5 äšằa-CHƯƠNG 1: TONG QUAN

1.1 Công nghệ khử ion điện dung (CDI) ¬

1.1.1, Nguyên lý hoạt động của công nghệ CĐĨ ««

1.1.2 Một số wu điểm của công nghệ khử ion điện dung (CDI)

I.1.3 Phân loqi CDI «<< TH THÍ TH HH TH HH 010 13 ¬ rrerrTrrrrryre }.J.3:T (CDI.Hiông thưởng (Conventional GDl)::;::::::::::::::::::1iti11111113313131132331305333553836538532 li 312: MAPS GION 25:254::12345235553393535315333333155339513515331553154439743531555331613445/43914390439583530533125355 1.1.3.3 CDI điện cực dong (low-electrode CDI) , kh HH th th kh tu BS: OPLAE EV ORE CED ss seszssssssasasssansassssasasaasasansasssanasssaanssssaasasstsananstsasasstsssanssseaanssitiasd é }.Lá Một vế tiêu chỉ đánh giá hệ ODN sssssssscscsssnssssssssssssssesssesssssssssensssesssssnssssasssanssnassnaisenaiies : 1.2 Điện cực trong công nghệ khử ion điện dung (CD]) SH ke 1.2.1 Một số yêu cầu về điện cực trong công nghệ khử ion điện dung (CĐ])

1.2.2 Một số vật liệu điện cực cho công nghệ khử ion điện dung (CD]) - ««

Ì,2:2:T iễN-GỨC CHDDH(tiiitiititiii10111111613141111311655385158535855559381385358335835555585985158335535589355555538553 [.2:0:0: 00I0R'CWC | FHITHHIG.00000020000020 10000040/04000010023010000004401902311003003114031030/92301301306012130120301505 1.2.2.3 Điện cực oxide kim loại ban AGI PP 1.3 Một số phương pháp tong hợp TQ: secsseesssessssesssseessseessseessseessneessneessnecseneesaneessnecsese 1.3.1 Phương pháp dung môi nhiệt (solvothermal method)

1.3.2 Phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal methodl)

1.3.3 Phương pháp Sol — gel «««<cssskssssessesseesee CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM —

5:1.,iHôä chất kes 2.1.1 Hóa CRỖTssseessessnsiiosniSiSEEE0660033311800G000433460860044351608603863516008 ———EEEEE IDET 2) aan eat id A010 2.2 Quy trình thực nghiệm HH TH dd TH“ T0 01010461844411446 2.2.1 Tổng hợp vật liệu nano TÌ(› e«©ee++ee+xvesrxesxxetrxeertestxesrtkerrkee tạo 2.2.2 Quy trình phối trộn vật liệu tạo màng điện cực TìO2/carbon aeFogel .- 16

2.3 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu s©ss©se+xeetxeerxserxeeerserrsrre 18 2.3.1 Các phương pháp phân tích cau trúc và hình thái vật liệu -‹«-‹««<x«e<«« 1§ 2.3.1.1 Phương pháp nhiều xạ tia X dạng (powder X-ray diffraction) 18

2.3.1.2 Phương pháp quang phố Raman (Raman spectroscopy) vsccccescssscesveesseesseessveesees 19 2.3.1.3 Phương pháp hiển vi điện tứ quét (SEM - scanning electron ieroseope) 19

2.3.1.4 Phổ tán xa năng lượng tia X (EDX- Energy dispersive X-ray spectroscopy) 20

2.3.1.5 Phương pháp phan tích nhiệt (Thermal analysis) coccinea 20 2.3.2 Các phương pháp phân tich didn Hưốá cccccĂ S513 3S KH HH1 011011444 14,6 21 2.3.2.1 Phương pháp quét thể vỏng tuân hoàn (Cyclic voltammetry) - 21

2.3.2.2 Phương pháp đo phố tong trở điện hoá (EIS- Electrochemical impedance SDEEITGSCGPY)|tritititiiittiitititiiitiiitii11144311181113311881358681168ã163ã16881888431ã5344534168ã43853318658135583313884358185ã4 22 2.3.2.3 Phương pháp đo phéng/sac có định (CDC- Charge/ discharge cycling} 23

2.3.2.4 Phương pháp dong-thoi gian (CA- chronoaimjperom€trV] ecccceeeeeriee 23

CHƯƠNG 3: KET QUA VÀ THẢO LUẬN HH HH HH1 111.1, 26

3.2 Tính chat điện hoá của vật liệu

3.3; Kiko sát khả năng bếp phụ m6 scsccssscessoccssvssssceosvccssvecssscessoccssvcsssseessscssevessneessoeeseneess 32

CHƯƠNG 4: KET LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, «°-sss5o2es5oaes5952669552 36 4.1 Kết luận

4.2 Kiến nghị

TAHDHIEUTHAMEHAO-.šẽẽẽẽ_ẽẽẽ 40

Vị

DANH MỤC CHỮ VIET TAT VÀ Ki HIỆU

Ký hiệu Tên đầy đủ Tén đầy đú Tiếng Anh

CDI Công nghệ khử ion điện dung Capacitive Delonization

TDS Tổng nồng độ muối hòa tan Total Dissolved Solid

EDL Lớp điện kép Electrical Double Layer

Than hoat tinh Actived Carbon

Phuong phap nhiéu xa tia X X-ray diffraction Phương pháp hiện vi điện tử quét Scanning electron icroscope

Energy dispersive X-ray

Phô tán xạ năng lượng tia X spectroscopy

Phan tich nhiét trong lugng Thermal Gravimetric Analysis

Phương pháp quét thé vòng tuần hoàn Cyclic voltammetry

Điện cực lam việc Working electrode Điện cực so sánh Reference electrode

Electrochemical impedance

spectroscopy

_ Ww Phương pháp do phô tong trở điện hoá

vil

DANH MỤC HÌNH ANH

_ Hình |

Hình Sơ 46 câu trúc tinh thé các TiO» a) anatase TiO» ,b) rutile

TiO», c) TiO -B, va d) TiO» —H.

Hình 3.1 | Giản đỗ XRD của các mau TiO2, CA/TiO¿-30

Hình 3.2 | Kết quả Raman của các mẫu vật liệu TiO›, CA/TIO2-30.

Hinh 3.3, | Ảnh SEM của các mẫu vật liệu TiO ở độ phóng đại 1000,

_Phô EDX của mau (a) TiO», (b) CA/TIO2-30

Kết qua phân tích nhiệt TGA của mau TiO2 va CA/TiO2-30

D6 thi quét the vòng tuần hoàn tại các toc độ quét khác nhau của các vật liệu (a) TiO2, (b) CA/TiO2-30 trong dung dich Na2SOz | M ở khoảng thê 1 V

Dường cong Nyquist của các điện cực trong dung địch

Na:SO: 1 M

Các đô thi hap phụ mudi của các mau TiO? (a), CA/TIO2-30

Hinh 3 (b) trong dung dich NaCl 200 ppm với các điện thé khác

nhau Dung lượng mudi hap thu (SAC) tại các thé khác nhau của

Hình 3.10 | mau TiO: va CA/T¡O: - 30

Đô thị hap phụ mudi của các mau TiO», CA/TiO2-30 trong Hình 3.11 | dung dich NaCl 200 ppm tại điện thé 1,4V

Độ dan của dung dich nước cấp NaC] 200 pm thay đôi theo

Hình 3.12 | thời gian khi thực hiện khử mặn với các điện cực ở 1,4V

Nông độ NaCl thay đôi theo thời gian khi thực hiện khử

Hình 3.13 | mặn với các nồng độ NaCl khác nhau

Dung lượng hap phụ muoi NaCl của điện cực CA/TIO2 - 30

Hình 3.14 | tại các nông độ muôi khác nhau ở thế 1,4V

Toc độ hap phụ muôi trung bình (ASAR) của điện cực

CA/TIO: - 30 tại các nông độ muối khác nhau ở the 1.4V

theo thời gian (quả trình sạc).

mm của các mau TiO2 và CA/TiO2 — 30 L

DANH MỤC BANG, SƠ DO

Bang Tén Trang

Tỷ lệ khôi lượng TiO2 va Carbon aerogel của các mẫu tông hợp

Thông số mạng tinh thê và kích thước tinh thê trung bình của vật liệu

Kết quả phân tích EDX thành phân nguyên tô các mẫu vật liệu

Sơ đồ 2.1 | Quy trình tông hợp nano TiQ2 16

ix

MỞ DAU

1 Lý do chọn đề tài

Khoảng 06 năm gần đây, các nước có dòng sông Mê Kông đi qua đây mạnh khai

thác nguồn nước hệ thống sông nảy để xây các đập thay điện, phục vụ sinh hoạt vatrồng trot, dan đến lượng nước dé về hạ nguồn mat ôn định hơn và ngày càng giảm ởmức thấp hơn trung bình nhiều năm từ 20 - 40%, Dong thời với sự phát triển của công nghiệp, hiện tượng Trái Đất nóng lên làm mực nước biển dâng cao và sự đây mạnh

khai thác nguồn nước ngâm trong sinh hoạt là những nguyên nhân chủ yếu làm cho

tỉnh hình xâm nhập mặn ở các vùng ven biên tại Đồng bằng sông Cứu Long ngày càng

trở nên nghiêm trọng hơn.

Việc cung cấp nguồn nước sạch vẫn còn là một van dé hết sức bức thiết Theo báo

Tuổi trẻ, Trưởng phòng Dự báo thủy văn Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ, Trung

tâm Dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia Phùng Tiến Dũng cho biết, một số trạm ởThanh phố Hồ Chí Minh, Long An, Tiền Giang, Cà Mau, Kiên Giang, Bên Tre, có

độ mặn lớn hơn Vấn đẻ xâm nhập mặn tại các tỉnh vùng Đồng bằng sông Cửu Long vào mùa khô đang ở mức cao hơn trung bình nhiều năm Độ mặn xâm nhập sâu trong sông, kênh rach sẽ ảnh hưởng đến đời sông sinh hoạt và sản xuất của người din trong

khu vực.

Trước tình hình trên, trên tinh thần kế thừa và phát huy các nghiên cứu trước đó, nhằm góp phan giúp các địa phương có nguồn nước sinh hoạt đám bảo yêu cầu về sức khỏe, em đã quyết định thực hiện dé tài mang tên “Chế tao composite CA/Tì02 ứng

dung trong công nghệ khử mặn điện dung”.

2 Mục đích nghiên cứu

- _ Tông hợp được vật liệu CA/TiO¿ - 30 bằng phương pháp sol - gel;

- Khảo sát cầu trúc và các tính chất điện hóa sau khi tông hợp.

3 Phạm vi nghiên cứu

- Vật liệu CA/TiO2, phương pháp sol-gel, phương pháp khử mặn điện dung (CDD.

CHƯƠNG 1: TONG QUAN

1.1 Công nghệ khử ion điện dung (CDI)

Công nghệ khử ion điện dung (Capacitive Deionization) là công nghệ khử các ion

hòa tan trong nước bằng cách dựa trên sự hap thụ điện ion ở bề mặt của một cặp điệncực tích điện, các điện cực thường được làm băng vật liệu carbon có độ xốp cao, làmột phương pháp điện hấp thụ sử dụng sự kết hợp của môi trường hấp thụ và điện

trường dé tach các ion Các anion (ion mang điện tích âm) được loại bỏ khỏi nước và

được lưu trữ trong điện cực dương Tương tự như vậy, các cation (ion mang điện tích đương) được lưu trữ trong điện cực âm Trong lịch sử, CDI được gọi là quá trình khử

khoáng điện hóa, “quá trình hap thụ điện dé khử mudi trong nước”, hoặc sự hap thụđiện của các ion muỗi Các nghiên cứu sâu rộng về chủ dé này va các chủ đề khác đã được Soffer, Oren và các đồng nghiệp khởi xướng va tiếp tục cho đến thời điểm hiện

tại [1].

Ngày nay, CDI chủ yếu được sử dụng dé khử mặn nước Ig, là nước có nòng độ

muối thấp hoặc trung bình (dưới 10 g/L) Các công nghệ khác dé khử ion trong nước

là chưng cất, thầm thấu ngược và thầm tách điện So với thâm thấu ngược và chưngcất, CDI được coi là công nghệ khử mặn nước lợ tiết kiệm năng lượng Điều này chủyếu là do CDI loại bỏ các ion mudi khỏi nước, trong khi các công nghệ khác táchnước khỏi dung dịch muối.

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ CDI

Bộ lọc CDI sử dụng các cặp điện cực siêu hap thu âm dương làm từ vật liệu nanocarbon, có kha năng hap thu ion gấp khoảng 1 ty lần so với điện cực thông thường.Các điện cực xếp chồng lên nhau trong một hộp nhỏ.

Các chất hòa tan trong nước hau hết điện ly thành các ion âm đương do nước là dung

môi phan cực mạnh Khi dong nước đi qua các cặp điện cực này, dưới lực hút của lực điện

trường, các ion bị giữ lại ở các điện cực bao gôm: các chất độc (Arsenic, Lead, Chlorine,

Mercury, Nitrite, Ammonium (NH¿') ) các ion kim loại nặng (Iron, Manganese, Chromium,

Cadmium, Cream, Nickel, Copper ) va một phan chất khoáng (Sodium, Potassium,

Magnesium, Calcium ) hoặc toàn bộ nước [2].

Sau khi các điện cực hút đầy các ion ở chu kỳ lọc, điện cực được áp điện đảongược dé đây các ion ngược lại vào dong nước va được thải đi với tỷ lệ từ 5 đến 20%.Phần nước được làm sạch chiếm ty lệ 80 đến 95% Các tam điện cực tạo ra một điệntrường lớn giúp tiêu điệt các vi khuẩn trong nước.

1.1.2 Một số ưu điểm của công nghệ khử ion điện dung (CDI)

Công nghệ CDI có thé giữ nước tới 90%; giúp điều chỉnh TDS (lọc giảm TDS từ50% đến 90%); có khả năng giữ khoáng tự nhiên trong nước; tôi ưu hóa các bước tiên

lọc, không sử dụng áp suất cao, nhiệt độ cao Đặc biệt là loại bỏ nhiều ion âm độc hại

và ion kim loại nặng có trong nước [3].

1.1.3 Phân loại CDI

Căn cứ vào vật liệu tạo điện cực, có 4 loại CDI phô biến và cơ bản, đó là:

1.1.3.1 CDI thông thường (Conventional CDI)

CDI thông thường sử dung điện cực carbon Tế bao CDI thông thường bao gồm

một cặp điện cực carbon xốp song song, giữa 2 điện cực có thé có hoạc không có một

lớp cách điện có tính xốp Khi áp dụng chênh lệch điện áp (thường là 1,0-1,5 V) trên

hai điện cực, các ion mudi hòa tan sẽ đi chuyên thành các lớp điện kép (EDL) trên bềmặt xốp của điện cực tích điện trái dấu tương ứng (một quá trình gọi là hap thu dién),nhận ra loại bỏ mudi khỏi nước cấp Khi điện áp bên ngoài bj dao ngược hoặc bị loại

bỏ các điện cực có thê tái tạo bang cách giải phóng các ion đã thu giữ trở lại dung

địch Trong số tat ca các thành phan này trong tế bao CDI, điện cực đóng vai trò quan

trong nhat trong việc thu giữ các ion muôi.

1.1.3.2 Faradaic CDI

Lay cam hứng từ các vật liệu được sử dung trong các lĩnh vực lưu trữ năng lượng

điện hóa phát triển cao như pin và giả tụ điện, lưu trữ các ion bằng phản ứng Faradaic(do đó được gọi là điện cực Faradaic) thay vì hấp thụ điện, vật liệu điện cực Faradaic

đã tạo ra sự quan tâm đến cộng đồng CDI Điều nảy lần đầu tiên được chứng minh

vào năm 1960 bởi Blair và Murphy 381, họ ghép một điện cực carbon biến đổi về mặt

hóa học với Ag/AgCl] dé khứ ion điện hóa Kê từ đó, không cỏ tién bộ đáng kẻ naotrong việc khám phá các vật liệu Faradaic để khử muối cho đến năm 2012 khi Pasta

cùng các cộng sự đã dé xuất khái niệm "pin khử mudi" sử dụng hai điện cực Faradaic

dé khử muối, trong đó cực âm NazMnzOo thu giữ Na* bang cách chèn vảo trong khicực đương Ag thu giữ Cl thông qua phản ứng chuyển đổi thành AgCl Không giốngnhư carbon, vật liệu Faradaic bắt giữ các ion bằng phán ứng Faradaic liên quan đến sựtruyền điện tích giữa các điện cực và các ion trong dung dịch Sự truyền điện tích nhưvậy có thẻ được thực hiện bằng cách chèn ion vao trong các cấu trúc tinh thé, phan ứng chuyên đôi với việc hình thành các hợp chất mới hoặc tương tác nửa hoạt động oxi hóa khử ion Điều nay mang lại cho vật liệu Faradaic ba ưu điểm so với carbon về

mặt điện cực CDI.

1.1.3.3 CDI điện cực dòng (low-electrode CDI)

CDI điện cực dong chảy (FCDI) là một cau trúc tế bào khác phát sinh từ một sửađổi của MCDI, trong đó các điện cực cố định giữa IEM và bộ thu dòng được thay thébằng các điện cực chảy làm bằng huyền phù carbon Điều này cho phép loại bỏ ionliên tục vả sản xuất nước khử mudi ở trạng thái én định, có thê độ mặn cao, vi quá

trình tái tạo điện cực được hoàn thành ở hạ lưu tế bào bằng cách trộn bùn carbon tích

cực va tiêu cực, sau đó tach carbon khỏi nước thông qua cai đặt.

1.1.3.4 CDI lai (hybrid CDI)

Do kha năng hap phụ ion của điện cực pin vượt trội so với điện cực điện dung

truyền thống: lai CDI (HCDI), khử muối xen kẽ cation (CID), và pin khử muối đang

được quan tâm nhiều hơn tế bào HCDI bao gồm một điện cực faradic để hấp phụ/giảihấp cation và một điện cực điện dung đẻ hấp phụ/giải hấp anion, với AEM được đặtliền kẻ đến điện cực điện dung để nâng cao hiệu suất của nó Đối với pm khử muỗi, nóbao gồm hai điện cực pin/faradic chịu trách nhiệm vẻ hap phụ/giải hấp các cation vàanion có trong dung dịch Cuối cùng, tế bào CDI được được duy trì bằng cách sử dụngvật liệu xen kẽ cation faradaic cho cả hai điện cực được phan cách bằng AEM.

1.1.4 Một số tiêu chí đánh giá hệ CDI

Hiệu suất của tế bào CDI có thể được đánh giá bằng nhiều thông số hoặc số liệuđánh giá khác nhau, chăng hạn như mức tiêu thụ năng lượng cụ thê trên mỗi lít nướcđược sản xuất, mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi gam muối bị hap phụ, số gam mudiđược hấp phụ ở các điện cực và điện cực sự én định Trong nghiên cứu thực nghiệm

4

về hệ thong CDI, việc đánh giá hiệu suất là thực hiện nhằm tối ưu hóa các thông số

vận hảnh Trong số những điều quan trọng nhất các thông số, có tốc độ dòng chảy, điện áp tế bao, điện dung điện cực cụ thé và thé tích tế bào CDI Mỗi thông số vậnhành này có thé có tác dung khác nhau về hiệu suất của tế bào CDI Vi vậy, việc tối

ưu hóa hiệu suất bằng cách nghiên cứu ảnh hướng của các tham số nảy, dựa trên lýthuyết, mô phỏng hoặc công việc thực nghiệm là có ý nghĩa tầm quan trọng hàng đầucho sự phát trién của công nghệ CDI

Khả năng hap phụ mudi (SAC) là đại điện cho lượng muối được loại bỏ trên một

đơn vị vật liệu điện cực; theo công thức sau:

SAC = 2=£

m

x V (LD

Trong do:

Cụ và C là nông độ đầu và nồng độ cuối của dung dich muối (mg.L)

m là khối lượng điện cực hoạt động (g)

V là thé tích dung dịch NaCl (L)

t là thời gian của quá trình khử mặn (s)

1.1.5 Tốc độ hấp phụ muối trung bình (ASAR):

Tốc độ hap phụ muỗi trung bình (ASAR) được tính theo công thức:

ASAR = we (1.2)

Trong đó:

SAC: khả nang hap phụ muối (mg.g"')

t: thời gian sạc (phút)

ASAR thường đùng dé đo đặc tính động học của trong các hệ thống Trong CDI, ASAR

thường dùng đẻ đánh giá tốc độ loại bỏ ion của điện cực.

1.2 Điện cực trong công nghệ khử ion điện dung (CDI)

1.2.1 Một số yêu cầu về điện cực trong công nghệ khử ion điện dung (CDI)

Nhiệt độ dung dịch ảnh hưởng đến khả năng hap thụ điện của điện cực CDI; tốc

độ dòng chảy đến hiệu suất hap thụ điện và tiêu thu năng lượng của điện cực Hiệusuất loại bỏ hấp thụ điện tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch cấp, tông nông độ muốihòa tan (TDS) ban đầu và tốc độ dong chảy được áp dụng Mức tiêu thy năng lượng

CDI liên quan trực tiếp đến nông độ TDS và tỷ lệ nghịch với tốc độ dòng chảy Ngoài

ra còn có một sô yêu câu khác về điện cực như:

* Đỗ dẫn điện cao: điện cực có độ dẫn điện cao dé đảm bao không làm hao phí

năng lượng vả toa ra lượng nhiệt it.

* Có tinh ôn định vẻ tính chất điện hóa: vật liệu chịu sự ảnh hưởng ít từ sự thay

đổi của môi trường khi sử dụng như nòng độ H” của dung dịch, sự có mặt củacác chất oxi héa, dam bao quá trình bị ăn mon của điện cực diễn ra chậm, tiết

kiệm chỉ phí thay điện cực liên tục.

" Do xốp của điện cực (có nhiều lỗ trồng, điện tích bê mặt riêng lớn): Trong quá

trinh hấp thụ muối hòa tan và hấp thụ điện, điện cực có càng nhiều lỗ trong với

kích thước nhỏ giúp điện tích tiếp xúc với các ion hòa tan trong dung dịch nhiều, từ đó tăng số lượng ion được hấp thụ dẫn đến tăng hiệu suất.

* Có khả năng thực nghiệm dé đàng tạo điện cực đạt yêu cầu: phố biến trong tự

nhiên ở Việt Nam, chi phí thấp, dễ chế tao, không gây ảnh hưởng đến môi

trường, cho hiệu quả kinh tế cao và có khả năng nhân rộng về quy mô của hệ

thống

1.2.2 Một số vật liệu điện cực cho công nghệ khử ion điện dung (CDI)

Là một công nghệ khử mudi đầy hứa hẹn, khử ion điện dung (CDI) đã cho thấy

tính thực tế và hiệu quả vẻ mặt chỉ phí trong xử lý nước lợ Phát triển vật liệu điện cực

hiệu quả hơn là chìa khóa để cải thiện hiệu suất loại bỏ muối Công trình này xem xét tiền độ hiện tại về chế tạo điện cực trong ứng dụng CDI Nguyên tắc cơ bản (ví dụ như

lý thuyết EDL và các đường đăng nhiệt hấp phụ) và các yếu tổ quy trình (ví dụ như

phân bố lỗ rong, thé nang, loai mudi va nông độ) cúa hiệu suất CDI đã được trình bảy

trước tiên Sau đó là thảo luận và so sánh chuyên sâu về các tính chất và kỹ thuật chếtạo các điện cực khác nhau, bao gồm aerogel carbon (CA), than hoạt tính (AC), ốngnano carbon, graphene và carbon xóp trung tính trật tự Cuối cùng, polyaniline làmpolyme dẫn điện và ứng dụng tiềm năng của nó làm vật liệu tăng cường điện cực CDI

cũng đã được thảo luận.

1.2.2.1 Điện cực carbon

Vật liệu carbon đã được sử dụng rộng rãi làm điện cực cho tế bảo CDI, chăng hạn

như than hoạt tính (AC), carbon nano type, graphene,carbon aerogel, với những ưu

điểm như nguồn tải nguyên đồi dao, dé sản xuất, tính dan điện tốt và cấu trúc xốp cóthé điều chỉnh được

Mặc dù có nhiều chiến lược khác nhau đã được phát triển cho CDI với điện cực

carbon những hạn chế về hiệu suất vốn có của các điện cực carbon dựa trên sự hap

thu dién ion van con Vi vay, điều nảy đã thúc đây việc nghiên cứu vật liệu điện cực

với xu hướng kết hợp carbon vả một vật liệu khác dé khắc phục hạn chế và phát huytinh chất tối ưu của carbon.

Carbon aerogel là một loại vật liệu dạng gel với cấu trúc nano ba chiều (3D) độcđáo, nơi khí chiếm tới 90-99% khối lượng Cấu trúc này được hình thành bởi các hạt

sơ cấp liên kết với nhau, tạo ra hệ thống lỗ trống đa kích thước bao gồm micropores

(kích thước <2 nm), mesopores (2-50 nm) và macropores (>50 nm) Carbon aerogel

có thể được chế tạo ở dạng khối, hạt, bột hoặc mảng mỏng, đáp ứng nhu cầu ứng dụng

da dang Carbon aerogel có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, baogồm lưu trữ năng lượng, làm sạch nước, y tế và hàng không vũ trụ Carbon aerogel cónhiều ưu điểm vượt trội so với các loại vật liệu carbon khác như độ xốp cao, điện tích

bẻ mặt lớn, độ dẫn điện cao, mật độ thấp và cau trúc có thé điều chỉnh Mặc da tiềm năng to lớn, carbon aerogel vẫn đối mặt với một số thách thức cần giải quyết trước khithương mai hóa rộng rãi, bao gồm quy trình tông hợp phức tap, độ bên cơ học kém,

khả năng hấp phụ không đủ và cấu trúc không ồn định

Bằng cách so sánh với các vật liệu dựa trên carbon khác, hiệu suất CDI tuyệt vờicủa composite CA/TIO› được cho là do độ dẫn cao hơn và diện tích bề mặt hiệu quả

lớn hơn do khung linh hoạt liên tục nguyên khối, cấu trúc vi tinh thẻ và phân bố kích

thước lỗ ưa thích của chúng.

1.2.2.2 Diện cực Faraday

Lưu trữ các ion bằng phản ứng Faradaic (do đó được gọi là điện cực Faradaic) thay vì hap thụ điện, vat liệu điện cực Faradaic đã tao ra sự quan tâm đến cộng đồngCDI Điều này lần đầu tiên được chứng minh vào năm 1960 bởi Blair và Murphy

7

người đã ghép nổi một điện cực carbon biến đôi về mặt hóa học với Ag/AgCl dé khử ion điện hóa Kê tử đó, không có tiền bộ đáng kê nao trong việc khám phá các vật liệu Faradaic để khử muối cho đến năm 2012 khi Pasta và cộng sự đề xuất khái niệm về

“pin khử muối” sử dụng hai tia Faradaic các điện cực dé khử mudi, trong đó cực âmnatri mangan oxit (Naz—xMnsOjo) thu giữ Na* bang cách chèn vào trong khi Ag cực đương thu giữ Cl thông qua phản ứng chuyên đổi thành AgCl Không giống như carbon, vật liệu Faradaic bắt giữ các ion bằng phản ứng Faradaic liên quan đến sự truyền điện tích giữa các điện cực và các ion trong dung địch Việc truyền điện tíchnhư vậy có thé được thực hiện bằng cách chén ion trong cau trúc tinh thé phan ứngchuyên đổi với sự hình thành các hợp chat mới hoặc tương tác gốc hoạt tinh oxi hóa

khử ion.

1.2.2.3 Diện cực oxide kim loại

= Oxide của mangancsc

Oxide của manganese thường có cau trúc tinh thé mở thích hợp cho việc chèn và chiết ion lớn mà không can sự giãn nở thẻ tích rõ rệt Hơn nữa, đo tính hiệu quả về mặt chi phí và tính không độc hại của Mn, phương pháp tông hợp dé dang và hình tháiđược kiểm soát tốt bằng điều chỉnh các thông số phản ứng, hợp chất oxit mangan đãđược sử dụng rộng rãi làm các thiết bị lưu trữ và chuyên đổi năng lượng điện hóa

khác Hơn nữa, tính ôn định vé cấu trúc va tính chất ưa nước của các hợp chất oxit

mangan cho phép các phản ứng oxy hóa khử kéo dai và nhanh chong trong môi trường

nước Do đó, sự kết hợp các đặc tính như vậy làm cho các vật liệu này ngày càng phô biến trong các điện cực CDI đẻ khử muối trong nước và ở đây chúng ta sẽ tập trung

vào hai loại chính: mangan dioxide với các dạng đa hình khác nhau vả sodium

manganese oxide.

= Oxide cua Titanium

Các hợp chat oxide của Titanium, bao gồm titan dioxide với các dang đa hình

khác nhau, sodium titanate va lithium titanate, là một nhóm điện cực Faradaic đã được

nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng CDI Các hợp chất này là có đặc tính điện hóa

bởi tiềm năng oxy hóa khử thấp dựa trên Ti“*/Ti** oxi hóa khử dé đưa/chiết Na? thuận

nghịch.

Titanium Dioxide: Titanium dioxide (TiO2) thé biện tính lính hoạt dang đa bìnhtheo sự sắp xếp không gian của TiOg bát điện với Ti** liên kết với sáu O* tươngđương Chung các dạng đa hình của TiO, bao gồm TiO» anatase, TiO? rutile, TiO2-B

Trong số đó, TiO2 anatase đã được sử dụng rộng rai được nghiên cứu làm điện

cực cho ứng dụng CDI do:

- Thể oxi hóa khử thấp dựa trên phan ứng oxi hóa khử Ti*/Ti2* dé chèn/chiết

Na’ thuận nghịch.

- Bền cơ học và trơ về mặt nhiệt động, én định tốt đảm bảo điện cực bên trong

thời gian dai.

& P x ~, & x = h on & x K ^ ` =a

- Câu trúc bê mặt tot: bê mặt tích điện tot dan dén giảm sự phân cực của điện cực

carbon và do đó kha năng hấp thụ điện có thẻ được tăng lên

- Tinh ua nước cao làm tăng khả năng thấm ust của điện cực

- Ai lực cao của bề mặt TiO: với nhiều phân tử giúp chúng dé dàng thay đôi bè

mặt, tăng khả năng loại bỏ ion trong quá trình giải hấp.

- Giá thành thấp vì tài nguyên phong phú, lượng khoáng sản tiền chat dé điều chế TiO? có trừ lượng lớn giúp vật liệu này dé đàng tiếp cận trên các thị trường hóa chat,phù hợp dé nhân rộng theo hướng sản xuất công nghiệp

- Hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường vì có tính năng tự làm sạch, kháng

khuân cao vả không độc hại.

Tuy nhiên, TiO» cũng có một số hạn chế nhất định khi được sử dụng khử muối.

Đề nâng cao hiệu suất khử mudi của TiO›, một số nhược điểm bao gôm độ dan điện từthấp và khả năng khuếch tán ion chậm sẽ được khắc phục Một số nghiên cứu đã chếtạo được TiO2 có kích thước nano và kết hợp TiO2 với các chất nén gốc carbon, chănghạn như vật liệu rỗng sợi carbon, than hoạt tính, graphene, và ống nano carbon đa

vách Ramadan và cộng sự báo cáo TiO: điện cực tông hợp dng nano/ông nano carbon

đa vách mang lại khả năng loại bỏ mudi 13,2 mg.g Ì trong 50 mg.L! dung dich NaCl Barakat và cộng sự chế tạo một mang lai điện cực bao gồm các sợi nano TiO: và thanhoạt tính, đạt được khả năng loại bỏ muối 17 mg.#' vả hiệu suất tuyệt vời, hiệu suấtloại bỏ muối là 89,6% trong dung dịch NaCl 292 mg.L" [4], [5].

1.3 Một số phương pháp tong hợp TiO:

TiO dang nano được tông hợp theo nhiều phương pháp khác nhau như phươngpháp thuỷ nhiệt, phương pháp sol-gel, phương pháp oxy hoá trực tiếp, phương pháp

10

điện kết tủa Trong các phương pháp nêu trên thì phương pháp sol-gel thường được

sử dụng nhiều nhất,

1.3.1 Phương pháp dung môi nhiệt (solvothermal method)

Phương pháp dung môi nhiệt thường được sử dụng dé phủ TiO» lên bề mặt củaCNTs Trong phương pháp này, vật liệu sẽ được kết tinh trong dung môi ở nhiệt độ và

áp suất hơi Phương pháp sản xuất các hợp chất hoá học các vật liệu như kim loại, chấtbán dẫn, 46 gồm và cả polymer Dung môi sử dụng trong phương pháp này thường lànước, dung môi hữu cơ có kha năng liên kết phối trí, có nhiệt độ sôi cao Dé thực hiệnphương pháp này cần đảm bảo dung môi phải bão hoà để hình thành tỉnh thể, sau đó

sẽ làm bay hơi dung môi bằng cách tăng nhiệt độ Mam hạt nhân hình thành sẽ pháttriển song song với quá trình khuếch tán Cần lưu ý sự chênh lệch nông độ giữa các chat

và nhiệt độ trong quá trình khuếch tán dé xác định tốc độ phat triển cũng như độ lớn của hạt

tính thé [6].

1.3.2 Phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal method)

Quá trình tông hợp thường được thực hiện trong một bình thép có khả năng chịu áp

lớn được gọi là Teflon Một gradient nhiều độ ở hai đầu đối diện của bình được duy trì

trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm Các yếu tổ ảnh hưởng đến sản phẩm đượctạo ra bởi phương pháp này là nồng độ kiềm, nhiệt độ và thời gian phan ứng [5]

1.3.3 Phương pháp sol — gel

Phương pháp sol — gel là một kỹ thuật tong hợp bottom — up được sử dụng phô

biến trong việc tông hợp vật liệu nano Phương pháp nay dùng dé tạo ra các vật liệu cóhình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp bằng cách thủy phân và ngưng tụ các hợp chấtalkoxide Các giai đoạn chính của quá trình tông hợp theo phương pháp sol — gel là tạodung địch sol, gel hóa (gelation) và thiêu kết (sintering) [5].

Ở đề tài này em sử dụng phương pháp sol-gel dé tông hợp vật liệu compositeCA/TiIO; vì phương pháp này có một số ưu điểm nỗi bật như: quy trình đơn giản, déthực hiện, chi phí tông hợp vật liệu không cao, nguyên liệu thân thiện với môi trường,

cho hiệu suất cao vì cho nhiều tinh thé TiO» pha anatase,

11

1.4 Một số nghiên cứu trong nước và thé giới về CDI và vật liệu TiO2 ứng dụng

trong công nghệ khử mặn CDI

Năm 2014, Ahmed G.El-Deen và Jae-Hwan Choi đã tng hợp sợi nano composite TiO:

và than hoạt tính để khảo sát hiệu qua làm vật liệu điện cực trong công nghệ khử mặn điện dung Tác gia kết luận vật liệu đã tong hợp thành công với hiệu suất khử mặn lên đến 89,6%

[7].

Năm 2016, MA Ahmed và cộng sự đã Khao sát vẻ việc tối ưu hóa hiệu suất hap phụ ¿khứ

hap phụ của quá trình CDI bang Carbon Aerogel làm điện cực và hiệu quả của việc xử lý bẻ mặt bằng TiO;/ZnO [8].

Năm 2019, đề tải “Nitrogen-doped hierarchical porous carbon aerogel for performance capacitive deionization" được Xiaojun Lui và cộng sự nghiên cứu Kết quả vật

high-liệu thu được có cấu trúc xốp phân cấp liên kết với nhau cao, cung cap SSA lớn 2405 m?* gì

vả các trung bảo tử phong phú nằm trong khoảng từ 2 đến 5 nm dé hấp phụ vả vận chuyên

hiệu qua các ion Trong khi đó, pha tạp N phan lớn tăng cường độ dan điện và khả năng thắm ướt be mặt của vật liệu carbon mang lại điện dung riêng [9].

Năm 2019, Sun-Kyung You thực hiện dé tài tông hợp Composite Carbon-TiO; hình cầu

để làm điện cực cho phương pháp khứ man CDI, vật liệu hoạt động với 50% TiO» cho thấy Csp là 121,3 F.g†, tỷ lệ khử ion cao nhất là 92%, khi sử dụng dung dịch NaCl 200 ppm va vật

liệu ồn định qua hơn 100 chu kỳ sac/xa [10].

Vật liệu TiO2 va carbon aerogel đã được các nhà khoa học tai Việt Nam quan tâm nghiên

cứu va tông hợp thành công với nhiều ứng dụng cụ thẻ như:

Năm 2016, Lê Khắc Duyên và cộng sự đã nghiên cứu đề tai “Khir ion điện dung (CDI)

để khử mudi bing điện cực carbon aerogel” Kết qua cho thấy điện cực aerogel carbon cho

quy trình CDI với SSA cao (779,04 mỶg”) và lỗ nano (2-90 nm) Dữ liệu thí nghiệm cho

thay khả năng loại bỏ NaC] tôi đa là 21,41 mg.g” trong dung dịch NaCl 500 ppm Người ta

đánh giá rằng quy trình CDI sử dụng điện cực carbon acrogel hứa hẹn là một công nghệ khử

muối hiệu quả {1 1}.

Năm 2020, Nguyễn Thị Thơm đã thực hiện “nghién cứu xử lý nước lợi tại vùng xâm nhập mặn bằng công nghệ khử điện dung nhằm góp phần giải quyết tinh trạng thiểu nước

sinh hoạt tram trọng trong mùa hạn — mặn ở các tinh Đồng bằng Sông Cứu Long”.Thiết bị lọc nước CDI được lắp đặt thành công và đạt chứng nhận của Bộ Y tế [12].

Có thê nhận thay rang, các nha khoa học Việt Nam và thé giới đã ngày cảng quan tâm nghiên cứu về công nghệ CDI cũng như tông hợp các vật liệu điện cực composite Tuy nhiên

12

số lượng đẻ tải chưa nhiều Đặc biệt, việc nghiên cứu kháo sát ảnh hưởng nông độ muỗi ban

đầu đén tính chất vật liệu composite TiO»/carbon aerogel ứng dụng khử mặn bằng công nghệ

CDI và ở Việt Nam chưa có công bố nào Dieu nay cũng có thé khang định được tinh mới

của công trình được trình bày đưới đây.

13

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất và thiết bị

2.1.1 Hóa chat

Hoá chất được sử dụng trong quá trình thực hiện thí nghiệm bao gôm:

Bảng 2.1 Nguyên liệu và hoá chất

Ts | — Gtaicamyaiacossy | cam

za Sodium sulfate (NazSOs, 95%)

| 8 | Sodium Chloride (NaCl, 99.5%)

Cân § số AUW

Cá [ieee

l Tủ say Memmert (Dức)

— May do UV-Vis — Jasco V-670

=" Bé siêu âm ET.MA — Germany

2.2 Quy trình thực nghiệm

2.2.1 Tong hợp vật liệu nano TiO;

TiO, được tông hợp bằng phương pháp sol-gel Cho 4,305 mL titanium (IV)

isopropoxide vào cốc đựng sẵn 15 mL dung dich isopropanol và đặt lên máy khuấy từ

không gia nhiệt ở nhiệt độ phòng thí nghiệm Thêm tiếp từng giọt 7.5 mL nước catvào hỗn hợp trên, tiếp tục khuấy trong thời gian khoảng 45 phút đến khi tạo gel Sấy gel ở 100 °C trong 12 giờ Sau đó, nghiền va nung sản phâm ở 600 °C trong 2 giờ Sản

phẩm sau khi nung được rửa nước cất nhiều lần bằng phương pháp lọc chân không,

làm khô ở 100°C trong 6 giờ [13].

15

So đồ 2.1 Quy trình tong hợp nano TìÓ:›

2.2.2 Quy trình phối trộn vật liệu tạo màng điện cực TìO2/carbon aerogel.

16

Quy trình tạo mang điện cực CA/TiO¿ gồm 5 bước:

Bước 1: Cân carbon aerogel; TiOz; Carbon black; Keo PVA/GA vả phối trộn theo tỷ lệ khối lượng như sau:

Bang 2.3 Ty lệ khối lượng TiO2 và Carbon aerogel của các mẫu tổng hợp.

Cho hỗn hợp trên vào cối mã não và nghiền đến khi hỗn hợp đồng nhất Cho

hỗn hợp trên vào cối mã não và nghiền đến khi hỗn hợp không còn nhìn thấy hạt

nữa Sau đó ta cho dung dich keo PVA 6%/GA (95:5) và hòa trộn đến hỗn hợp đồng

nhất và có độ keo phù hợp

Bước 2: Cô định tam màng diện tích 9 x 15 cm Dùng phiến nhựa thu mẫu và trải đều 1 đường khoảng 2cm trên tắm màng.

Bước 3: Dùng thước trang màng với độ day 100 nm và dé sao cho mẫu nằm

trong vùng kéo được của thước trang mảng.

Bước 4: Thả lỏng tay và kéo một đường thang từ trên xuống sẽ thu được vùng

mẫu như trong hình với độ day mang là 150 pm.

Bước 5: Đề khô mang khoảng 30 phút, sau đó say mang điện cực bằng tủ say

chân không tại nhiệt độ 120°C, 10 giờ.

Hình 2.2 Quá trình hình thành điện cực

17