Nhiệt độ
Xử lý nước lợ tại vùng xâm nhập mặn bằng công nghệ khử điện dung
28/08/2020 00:00
Trong những năm gần đây, tình trạng biến đổi khí hậu diễn ra khốc liệt hơn, việc tích trữ nước của nhiều công trình thủy điện trên dòng sông Mê Kông đã dẫn đến sự xâm nhập mặn sâu.
Trong những năm gần đây, tình trạng biến đổi khí hậu diễn ra khốc liệt hơn, việc tích trữ nước của nhiều công trình thủy điện trên dòng sông Mê Kông đã dẫn đến sự xâm nhập mặn sâu.
Nhằm góp phần giải quyết tình trạng thiếu nước sinh hoạt trầm trọng trong mùa hạn - mặn của các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thiết bị xử lý nước lợ dựa trên nguyên lý điện dung khử ion (Capacitive Deionization - CDI), với nhiều ưu điểm: chi phí chế tạo và tiêu thụ điện năng thấp, hiệu quả khử mặn cao. Đây là kết quả của đề tài KC.02.24/16-20, thuộc Chương trình KC 02: "Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ vật liệu mới” [1].
ĐBSCL nằm ở vùng hạ lưu sông Mê Kông có diện tích khoảng hơn 40.000 km2, địa hình thấp và bằng phẳng, phần lớn có độ cao trung bình từ 0,7 đến 1,2 m so với mực nước biển và là vùng bị ảnh hưởng nặng nề bởi biến đổi khí hậu, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi triều cường và xâm nhập mặn. Hàng năm trên 40% diện tích gieo trồng ở khu vực này bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn. Trong những năm gần đây, tình trạng biến đổi khí hậu diễn ra khốc liệt hơn, việc tích trữ nước của nhiều công trình thủy điện trên dòng sông Mê Kông đã dẫn đến sự xâm nhập mặn sâu và chất lượng nguồn nước bị suy giảm, vấn đề khan hiếm nước sinh hoạt xảy ra ở hầu hết các địa phương thuộc vùng ĐBSCL. Như quan sát trên bản đồ dự báo phân bố độ mặn khu vực ĐBSCL năm 2020 (hình 1), ranh mặn 4 g/l (tương đương độ mặn 4000 ppm hay 0,4%) đã vào sâu trong đất liền, gây thiệt hại lớn đến canh tác nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của người dân khu vực này. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp công nghệ để xử lý nước mặn/nước lợ (tương ứng ranh mặn 4 g/l) thành nước ngọt ngày càng cấp thiết hơn bao giờ hết.
Nhằm góp phần giải quyết tình trạng thiếu nước sinh hoạt trầm trọng trong mùa hạn - mặn của các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thiết bị xử lý nước lợ dựa trên nguyên lý điện dung khử ion (Capacitive Deionization - CDI), với nhiều ưu điểm: chi phí chế tạo và tiêu thụ điện năng thấp, hiệu quả khử mặn cao. Đây là kết quả của đề tài KC.02.24/16-20, thuộc Chương trình KC 02: "Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ vật liệu mới” [1].
ĐBSCL nằm ở vùng hạ lưu sông Mê Kông có diện tích khoảng hơn 40.000 km2, địa hình thấp và bằng phẳng, phần lớn có độ cao trung bình từ 0,7 đến 1,2 m so với mực nước biển và là vùng bị ảnh hưởng nặng nề bởi biến đổi khí hậu, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi triều cường và xâm nhập mặn. Hàng năm trên 40% diện tích gieo trồng ở khu vực này bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn. Trong những năm gần đây, tình trạng biến đổi khí hậu diễn ra khốc liệt hơn, việc tích trữ nước của nhiều công trình thủy điện trên dòng sông Mê Kông đã dẫn đến sự xâm nhập mặn sâu và chất lượng nguồn nước bị suy giảm, vấn đề khan hiếm nước sinh hoạt xảy ra ở hầu hết các địa phương thuộc vùng ĐBSCL. Như quan sát trên bản đồ dự báo phân bố độ mặn khu vực ĐBSCL năm 2020 (hình 1), ranh mặn 4 g/l (tương đương độ mặn 4000 ppm hay 0,4%) đã vào sâu trong đất liền, gây thiệt hại lớn đến canh tác nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của người dân khu vực này. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp công nghệ để xử lý nước mặn/nước lợ (tương ứng ranh mặn 4 g/l) thành nước ngọt ngày càng cấp thiết hơn bao giờ hết.
Hình 1. Bản đồ dự báo phân bố độ mặn khu vực ĐBSCL (2020) [2]Giải pháp công nghệ cho tình trạng thiếu nước ngọt
Hiện nay, trên thế giới đã phát triển nhiều công nghệ khử mặn như công nghệ màng thẩm thấu ngược RO (Reverse Osmosis), công nghệ khử lọc muối đa hiệu ứng (Multi-Effect Distillation - MED), công nghệ xả đa tầng (Multi-Stage Flash - MSF) và công nghệ điện ly (Electrodialysis - ED)… Trong đó, công nghệ RO đang được sử dụng rộng rãi nhất vì có thể lọc được nước có độ mặn cao. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn tồn tại một số nhược điểm như: năng lượng tiêu thụ điện lớn, lượng nước thải sau quá trình lọc lớn, công suất lọc nước không cao, màng RO có thể bị phân rã (khi đó chất lượng nước được xử lý sẽ trở nên kém hơn) và yêu cầu thay thế định kỳ, nước cứng có thể rút ngắn tuổi thọ của màng RO, việc thay thế màng lọc tốn kém... dẫn đến chi phí lọc nước sử dụng công nghệ RO cao. Hiện tại còn có một số giải pháp đang được áp dụng cho các tỉnh ĐBSCL như lắp các trạm nước ngọt hay sử dụng xitec vận chuyển nước ngọt, song đây chỉ là những giải pháp tình thế và chưa đủ để đáp ứng nhu cầu của người dân.
Việc tìm kiếm các công nghệ để chuyển hóa nước lợ thành nước ngọt với chi phí hợp lý là một giải pháp lâu bền giúp cho người dân có thể sống chung với hạn và xâm nhập mặn. Nhằm góp phần giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) đã nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị xử lý nước lợ theo công nghệ điện dung khử ion - CDI, công suất 5-7 m3/ngày, góp phần khắc phục tình trạng thiếu nước sinh hoạt do hạn hán và xâm nhập mặn.
Nhóm nghiên cứu đã đi đầu trong công nghệ chế tạo vật liệu đa chức năng có hiệu suất xử lý muối cao từ than gáo dừa và ống nano cacbon (CNTs) ứng dụng làm vật liệu điện cực cho thiết bị khử mặn theo công nghệ CDI [3]. Đây là công nghệ khử mặn tiên tiến, có nhiều tiềm năng để dần thay thế công nghệ màng lọc RO. Công nghệ CDI có nhiều ưu điểm như: chi phí chế tạo và vận hành thấp, vận hành thiết bị đơn giản, hiệu suất khử muối cao. Nguyên lý hoạt động của công nghệ điện dung khử ion gồm 2 quá trình: điện hấp phụ (lọc nước) và giải hấp phụ (tái sinh, loại muối từ điện cực) - hình 2 [4, 5]. Đối với quá trình điện hấp phụ, dưới tác dụng của dòng điện một chiều (DC) các ion sẽ điện di về phía điện cực tích điện trái dấu và hấp phụ lên điện cực, nước thành phẩm thu được là nước ngọt. Khi các ion đã hấp phụ bão hòa, tiến hành đảo chiều nguồn điện DC (xảy ra quá trình tái sinh), các ion sẽ được phóng thích và rửa trôi vào dòng nước thải, sau khi điện cực được tái sinh hoàn toàn sẽ tiếp tục một chu trình lọc mặn tiếp theo.
Hình 2. Nguyên lý hoạt động/điện hấp phụ (A) và giải hấp ion/tái sinh điện cực (B) của CDI
Vật liệu điện cực compozit chính là chìa khóa, yếu tố quyết định hiệu suất khử mặn của thiết bị CDI. Trong nghiên cứu của nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, điện cực sử dụng cho thiết bị khử mặn CDI đã được tối ưu (thành phần và quy trình) từ phụ phẩm nông nghiệp với trữ lượng dồi dào, sẵn có tại khu vực ĐBSCL là than gáo dừa kết hợp với ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) với những tính năng vượt trội về độ ổn định, độ xốp và khả năng hấp phụ muối (hình 3). Hơn nữa, nghiên cứu cũng chỉ ra điện cực này có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ cũng như xử lý được độ cứng của nước.
Hình 3. Điện cực compozit xốp từ than gáo dừa và module CDI
Trên cơ sở các điện cực compozit chế tạo được, nhóm nghiên cứu đã thiết kế module khử mặn với 250 điện cực được mắc nối tiếp nhau và thiết kế sơ đồ chế tạo hệ thiết bị CDI (hình 4).
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị CDI
Thiết bị lọc nước CDI đã được thiết kế và lắp đặt thành công với một hệ thống điều khiển giúp chuyển hóa nước lợ thành nước ngọt đạt tiêu chuẩn của Bộ Y tế (Hình 5). Hệ thiết bị gồm 45 chi tiết, trong đó một số chi tiết cơ bản như: hệ khung vỏ, bơm cấp nước, van điều khiển, hệ lọc tinh, bộ nguồn DC, tủ điều khiển, màn hình hiển thị PLC, hệ thống khử mặn (module CDI) và bồn chứa… Trong đó, tủ điều khiển được lập trình có thể vận hành tự động hoặc bằng tay với các kỹ thuật và thao tác đơn giản. Công suất lọc nước đạt khoảng 5 m3/ngày, công suất tối đa đạt được có thể lên đến 7 m3/ngày với lượng nước thải chỉ chiếm khoảng 16% lượng nước đầu vào (giá trị này nhỏ hơn nhiều so với >50% khi sử dụng công nghệ RO). Đặc biệt, hệ thiết bị đã được thử nghiệm với mẫu nước nhiễm mặn tại Càng Long, Cầu Kè, Giá Rai… thuộc các tỉnh Trà Vinh, Bạc Liêu. Khả năng khử mặn hiệu quả tại ranh mặn 4 g/l mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế của hệ thiết bị tại khu vực ĐBSCL.
Hình 5. Hệ thiết bị CDI hoàn chỉnh, vận hành thực tế với mẫu nước đầu vào bị nhiễm mặn. A: Hệ thiết bị chính; B: Bồn chứa nước nhiễm mặn; C: Bồn chứa nước thành phẩm; D: Van dẫn nước thải
So sánh giá và hiệu quả khử mặn của thiết bị CDI với thiết bị lọc nước Siontech của Hàn Quốc (được chế tạo với 3 module, mỗi module gồm 250 điện cực mắc nối tiếp) cho thấy: hiệu quả khử mặn của CDI gấp 3 lần nhưng giá chỉ bằng 2/3. Nếu sản xuất với quy mô lớn, giá còn có thể giảm nhiều hơn nữa.
Tuy mới chỉ là các nghiên cứu RD ban đầu, việc thiết kế chế tạo thành công hệ khử mặn CDI với nguồn nguyên liệu sẵn có tại chỗ, chi phí hợp lý và hiệu quả khử muối cao có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, góp phần giải quyết tình trạng thiếu nước ngọt trầm trọng tại các tỉnh thuộc vùng ĐBSCL, mang lại hiệu quả trực tiếp cho sự phát triển kinh tế - xã hội của khu vực. Đồng thời, đề tài còn góp phần phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao, liên ngành (hóa học, khoa học vật liệu, cơ điện tử, tự động hóa) đủ trình độ và kiến thức làm chủ được công nghệ chế tạo điện cực compozit xốp dẫn điện từ than gáo dừa và hệ thiết bị khử mặn CDI "made in Viet Nam”.
| TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://kc02.vpct.gov.vn/Home.html. [2]http://kttvqg.gov.vn/kttv-voi-san-xuat-va-doi-song-106/xam-nhap-man-nam-2020-du-bao-se-o-muc-do-sau-gay-gat-hon-5378.html. [3] Le Thanh Nguyen Huynh, Thi Nam Pham, Thai Hoang Nguyen, Viet Hai Le, Thi Thom Nguyen, Thi Diem Kieu Nguyen, Thanh Nhut Tran, Pham Anh Vu Ho, Thanh Thien Co, Thi Thu Trang Nguyen, Thi Kieu Anh Vo, Trung Huy Nguyen, Thi Thu Vu, Viet Mui Luong, Hiroshi Uyama, Gia Vu Pham, Thai Hoang, Dai Lam Tran (2020), "Coconut shell-derived activated carbon and carbon nanotubes composite: a promising candidate for capacitive deionization electrode”, Synthetic Metals, 265, p.116415. [4] Cheng Tan, Calvin He, ,John Fletcher,, T. David Waite (2020), "Energy recovery in pilot scale membrane CDI treatment of brackish waters”, Water Research, 168, pp.115-146. [5] Zhuo Li, Bo Song, Zhenkun Wu, Ziyin Lin, Yagang Yao, Kyoung-Sik Moon, C.P. Wong (2015), "3D porous graphene with ultrahigh surface area for microscale capacitive deionization”, Nano Energy, 11, pp.711-718. |
Nguyễn Thị Thơm (1), Huỳnh Lê Thanh Nguyên (2), Phạm Thị Năm (1),
Phạm Gia Vũ (1), Nguyễn Thị Thu Trang (1), Trần Thanh Nhựt (2), Võ Thị Kiều Anh (1),
Thái Hoàng (1), Nguyễn Thái Hoàng (2), Lê Viết Hải (2), Trần Đại Lâm (1)
(1)Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
(2)Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
Phạm Gia Vũ (1), Nguyễn Thị Thu Trang (1), Trần Thanh Nhựt (2), Võ Thị Kiều Anh (1),
Thái Hoàng (1), Nguyễn Thái Hoàng (2), Lê Viết Hải (2), Trần Đại Lâm (1)
(1)Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
(2)Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
Ứng cử viên HĐND TP.HCM Lê Quốc Tuấn với định hướng nâng cao hiệu quả quản lý đô thị
Tin tức - Sự kiện
05/03/2026
BVG tiếp tục đồng hành cùng Giải xe đạp nữ quốc tế TP.HCM - Cúp BIWASE 2026
Tin tức - Sự kiện
05/03/2026
Hội Cấp Thoát nước Việt Nam công bố chủ đề Tuần lễ ngành Nước Việt Nam 2026
Tin tức - Sự kiện
05/03/2026
Đánh giá đặc điểm và ứng dụng của Eco-Enzyme được sản xuất từ vỏ họ quả Citrus
Khoa học - Công nghệ
03/03/2026
Giải pháp kỹ thuật khắc phục khiếm khuyết dữ liệu công tác mô hình hóa hệ thống truyền tải nước sạch *
Khoa học - Công nghệ
03/03/2026
Đọc thêm
Đánh giá đặc điểm và ứng dụng của Eco-Enzyme được sản xuất từ vỏ họ quả Citrus
Bài báo này trình bày nghiên cứu về ứng dụng của Eco-Enzyme trong việc giảm thiểu cục bộ ô nhiễm nước.
Khoa học - Công nghệ
03/03/2026
Giải pháp kỹ thuật khắc phục khiếm khuyết dữ liệu công tác mô hình hóa hệ thống truyền tải nước sạch *
Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống phân phối nước một cách gần đúng, cho phép đánh giá hiệu suất vận hành, tối ưu hóa chi phí và đảm bảo an toàn cấp nước trong nhiều kịch bản khác nhau.
Khoa học - Công nghệ
03/03/2026
AI và “cơn khát nước” của nền kinh tế số
Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo đang kéo theo nhu cầu khổng lồ về điện và nước cho các trung tâm dữ liệu. Đằng sau tăng trưởng của nền kinh tế số là “dấu chân nước” ngày càng lớn, đặt ra thách thức mới đối với quản trị tài nguyên và phát triển bền vững.
Khoa học - Công nghệ
02/03/2026
Lời giải kỹ thuật cho bài toán vận hành hệ thống cấp nước Quảng Ninh
Việc ứng dụng phối hợp các giải pháp hệ thống giám sát và thu thập giữ liệu (SCADA) - thông tin địa lý (GIS) - phân vùng (DMA) chính là lời giải kỹ thuật cho bài toán vận hành hệ thống cấp nước Quảng Ninh, giúp công tác quản lý chuyển từ phản ứng khi có sự cố sang chủ động giám sát - kiểm soát - tối ưu.
Quản lý - Vận hành
02/03/2026
Khi dữ liệu trở thành điều kiện sống còn của ngành cấp nước
Trong bối cảnh áp lực tài chính gia tăng và yêu cầu minh bạch ngày càng cao, ngành cấp nước Việt Nam đang đứng trước đòi hỏi phải chuẩn hóa dữ liệu vận hành. NewIBNET không chỉ là công cụ so sánh quốc tế, mà đang trở thành nền tảng giúp doanh nghiệp nâng cao quản trị và củng cố năng lực tiếp cận nguồn vốn.
Quản lý - Vận hành
28/02/2026
Người “gieo” sáng kiến trong quản trị nước sạch đô thị
Từ những cải tiến cụ thể như tích hợp dữ liệu GIS, giám sát SCADA đến tối ưu điều tiết áp lực, hành trình “gieo sáng kiến” của người kỹ sư ngành Nước đang góp phần hình thành nền tảng trí tuệ cho quản trị hệ thống cung ứng nước sạch.
Khoa học - Công nghệ
25/02/2026
Tư vấn lựa chọn máy ép bùn hiệu quả cho nhà máy cấp nước
Trong hệ thống xử lý nước cấp hiện đại, máy ép bùn được xem là thiết bị không thể thiếu, phát huy hiệu quả trong việc giảm thể tích bùn. Từ đó giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và đảm bảo tuân thủ các quy định về bảo vệ môi trường.
Khoa học - Công nghệ
31/01/2026
Tối ưu chi phí xử lý bùn thải cho doanh nghiệp ngành Nước và Môi trường
Trong vận hành hệ thống xử lý nước thải, bùn thải đang là một trong những hợp phần tiêu tốn chi phí, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành và tính bền vững của các công trình. Việc ứng dụng các giải pháp tối ưu về công nghệ và hiệu quả kinh tế trong xử lý bùn thải trở thành vấn đề cấp thiết.
Khoa học - Công nghệ
20/01/2026
Tăng cường hợp tác đào tạo, nghiên cứu giữa Trường ĐH Xây dựng Hà Nội và Công ty TNHH MTV Nước sạch Hà Nội
Ngày 15/01/2026, tại trụ sở Công ty TNHH MTV Nước sạch Hà Nội, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (HUCE) và Công ty TNHH MTV Nước sạch Hà Nội (HAWACOM) đã tổ chức Lễ ký kết Biên bản ghi nhớ và Thỏa thuận hợp tác.
Tin tức - Sự kiện
16/01/2026