Dây graphit chuyển nước mặn thành nước ngọt

Khi vấn đề ô nhiễm môi trường toàn cầu đang trở lên nghiêm trọng và dân số thế giới đang gia tăng dẫn đến nhu cầu nguồn nước ngọt cao. Các nhà nghiên cứu đang phát triển công nghệ mới để khử mặn. Trong số đó, có nhóm nghiên cứu từ Netherland, những người đã chỉ ra làm thế nào để chuyển nước lợ thành nước ngọt uống được sử dụng cặp dây (thanh) graphit và điện áp nhỏ được tạo ra bởi pin năng lượng nhỏ. Kỹ thuật đơn giản này có tiềm năng và tiết kiệm năng lượng hơn các kỹ thuật khác do tổng khối lượng tối thiểu của hỗn hợp giữa nước xử lý và chưa xử lý
Đứng đầu nhóm nghiên cứu là Maarten Biesheuvel từ đại học Wageningen ở Wageningen, Netherlands, và Wetsus đã xuất bản nghiên cứu của họ về khử nước mặn với thanh graphit trên tạp chí Physical Chemistry Letters.

Hình 1: (a) 7 cặp thanh/dây graphit được ngâm vào nước lợ. (b) sự chênh lệch điện thế đặt vào giữa 2 thanh điện tích dương và âm qua tấm đồng, gây ra điện cực để hấp thụ các ion muối . (C) ảnh hiển vi điện tử SEM của màng điện cực

Có hai phương pháp chính để khử nước mặn. Một là đưa các phân tử nước ngọt ra khỏi nước muối khi thực hiện chưng cất và thẩm thấu ngược, đặc biệt cho nước có nồng độ muối cao. Cách thứ 2 ngược lại là loại bỏ các ion muối từ nước mặn để đạt được nước ngọt, được thực hiện bằng việc sử dụng kỹ thuật khử muối và khử ion hóa.
Ở đây, các nhà khoa học sử dụng phương pháp thứ 2, trong đó loại bỏ các ion Natri mang điện dương và Clo mang điện tích âm từ nước lợ để tạo ra nước ngọt. Để làm điều này, họ đã thiết kế ra thiết bị gồm 2 thanh lọc graphit có giá thành rẻ và dẫn điện tốt.  Sau đó, lớp bề mặt ngoài được phủ lớp điện cực cacbon rỗ tổ ong vì vậy 1 dây có thể hoạt động như  catot và 1 như anot.  Các dây được kẹp một khoảng cách nhỏ về mỗi bên của kẹp nhựa, và bị ép chặt bằng một dải đồng.
Để kích hoạt các điện cực, bẩy bộ cặp dây được nhúng vào bình chứa nước lợ và chạy dây điện từ tấm đồng đến nguồn điện ngoài. Nhờ đặt 1 điện áp nhỏ cỡ 1-2V giữa 2 dây graphit của mỗi cặp dây, 1 dây trở thành catot và hấp thụ cation natri trong khi dây kia trở thành anot và hấp thụ anion clo từ nước muối

Hình 2: (a) Các cặp của thanh điện cực rỗ tổ ong hấp thụ các ion muối dưới điện thế đặt vào. (b) Điện cực rỗ tổ ong chứa các ion tạm thời khi thiết bị được đem đến thùng nước mặn. (c ) Sau khi ngắn mạch các pin, muối được giải phóng trong thùng nước mặn và thanh graphit được chuyển lại vào thùng nước ngọt

Các ion này được tích trữ tạm thời trong lỗ tổ ong của lớp bọc điện cực graphit cho đến khi cặp thanh graphit được nhấc từ dung dịch được xử lý một lần và nhúng vào thùng chứa khác của nước mặn. Sau đó điện áp được loại bỏ, làm cho điện cực giải phóng các ion được tích trữ vào trong nước thải, tăng nồng độ muối của nó. Bằng cách lặp đi lặp lại chu kỳ này 8 lần, các nhà khoa học đã đo được nồng độ muối của nước lợ ban đầu 20mM (millimolars), được giảm xuống khoảng 7mM. Nước uống có độ mặn thấp hơn 15mM. Biesheuvel giải thích, cải thiện này có thể hữu ích cho các ứng dụng liên quan đến việc xử lý nước mặn vừa phải.

“Kỹ thuật mới không phù hợp với nước muối quá mặn, vì nó dựa trên phương pháp loại bỏ muối làm cho nước còn lại bớt mặn” ,” Biesheuvel nói với Phys.org, ông giải thích rằng phương pháp chưng cất và thẩm thấu ngược vẫn tốt hơn để khử mặn nước biển (độ mặn 500mM và cao hơn). “Kỹ thuật mới là phù hợp hơn cho nước ngầm hoặc cho nước sử dụng cần xử lý để loại bỏ ion cứng và làm giảm mặn, độ mặn ban đầu vào khoảng 100mM hoặc 30mM. Phương pháp mới này có thể sử dụng để xử lý nước trong công nghiệp để loại bỏ các ion (muối) tích lũy dần dần trong quá trình sản xuất ”.
Một trong những ưu việt nhất của kỹ thuật là tránh được việc trộn lẫn nước mặn với nước đã qua xử lý trong quá trình thực hiện, hạn chế hiệu quả của các kỹ thuật khử ion khác.  Nhờ sử dụng thiết bị thanh cầm tay và tạo ra nước ngọt trong dòng liên tục, các nhà nghiên cứu có thể phân chia hai loại nước trong các thùng chứa riêng biệt để tránh pha trộn. Tổng lượng tối thiểu của nước muối khoảng 0.26ml trên mỗi cực được di truyển giữa các thùng chứa, không giới hạn cấp độ khử muối nhưng đến một nồng độ ít hơn so với các kỹ thuật khác.  Kỹ thuật này ít tốn kém hơn so với các phương pháp khử mặn khác.  “Kỹ thuật này được chế tạo rất rẻ, dùng các thanh hoặc dây cacbon để dẫn điện, trên bề mặt sơn lớp bùn than hoạt tính để trở thành điện cực cacbon rỗ tổ ong ” Biesheuvel nói.
Thêm vào đó, Biesheuvel giải thích rằng cặp thanh graphit có thể được sử dụng nhiều lần mà không bị tổn hao, có thể cho thiết bị trong thời gian dài.
“Trong kỹ thuật điện dung nơi điện cực cacbon rỗ tổ ong được sử dụng để giữ các ion và giải phóng chúng trở lại (được gọi là “lớp điện kép, hoặc EDL, được hình thành trong các lỗ tổ ong của cacbon) ”, chu kỳ sử dụng cho hàng nghìn hoặc chục nghìn lần mà không có bất kỳ phân hỷ đáng kể nào”. Ông nói. Trong kỹ thuật khử mặn bằng thanh graphit, không có hiện tượng chuyển pha, thay đổi hình thái tế vi bề mặt vật liệu anod/catot. EDL là một hiện tượng hoàn toàn vật lý nơi các ion được lưu trữ trong các rỗ xốp tổ ong cacbon dưới tác động của điện áp đặt vào và sau đó được giải phóng trở lại.
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng hiệu quả cũng có thể tăng khi đưa thêm lớp màng phủ thứ 2 lên các điện cực. Cho ví dụ, màng cation trên thanh catot có chọn lọc cao đối với cation natri trong nghi ngăn nhả các anion clo trong khu vực điện cực. Kết quả, màng cation (và trên thanh anot là màng anion) có thể tăng điện cực cho hấp thụ và loại bỏ nhiều các ion hơn trước.
Trong tương lai, các nhà khoa học lập kế hoạch thực hiện thí nghiệm bổ sung sử dụng màng cation và anion. Họ dự đoán rằng những cải tiến này có thể tăng hệ số khử mặn từ 3 đến 4 sau 8 chu kỳ với 80% nước được phục hồi (20% lương nước ban đầu trở lên mặn). Các nhà nghiên cứu cũng muốn sử dụng kỹ thuật để xử lý khối lượng nước lớn, có thể thực hiện bằng cách sử dụng nhiều cặp thanh song song để tăng tốc độ quá trình khử mặn.
“Nghiên cứu này tiếp tục mở rộng quy mô công nghệ (thử nghiệm mảng lớn của thanh), ép chúng chặt hơn, và cố gắng chuyển thao tác bằng tay về tự động để có quy trình tự động nhấc các thanh từ dòng nước này vào dòng nước khác” Biesheuvel nói. “chúng tôi cũng muốn thử nghiệm thưc tế nước ngầm và nước bề mặt không chỉ trộn hỗn hợp muối nhân tạo như thử nghiệm bây giờ”

Nguồn: Phys.org

Đỗ Duyên @ MesLab,..  biên dịch

Authors

*

Top