Chế tạo điện cực carbon từ thân chuối ứng dụng trong xử lý nước nhiễm mặn

Đồ án chế tạo điện cực carbon từ thân chuối xử lý nước nhiễm mặn tại ĐH SPKT TP.HCM năm 2025

• Tác giả: Nguyễn Xuân Bắc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mỹ Linh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Chế tạo điện cực carbon từ thân chuối ứng dụng trong xử lý nước nhiễm mặn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan điện cực carbon từ thân chuối tại ĐH SPKT TP

Đề tài nghiên cứu chế tạo điện cực carbon từ thân chuối do Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện mở ra hướng đi đột phá trong xử lý nước nhiễm mặn. Dự án thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, hoàn thành vào tháng 8 năm 2025. Mục tiêu chính là tận dụng phế phẩm nông nghiệp dồi dào để tạo ra vật liệu carbon sinh khối giá thành thấp. Cây chuối có chu kỳ sinh trưởng ngắn từ sáu đến mười hai tháng. Sau mỗi vụ thu hoạch, lượng thân chuối thải bỏ gây lãng phí nghiêm trọng. Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng phương pháp nhiệt phân để chuyển hóa thân chuối thành than hoạt tính có cấu trúc xốp. Sản phẩm carbon tiếp tục được phối trộn cùng hệ keo PVA/GA nhằm tạo màng điện cực composite hoàn chỉnh. Vật liệu này phục vụ trực tiếp cho công nghệ khử ion điện dung (CDI). Đây là giải pháp khử mặn thân thiện môi trường, tiêu tốn ít năng lượng so với phương pháp lọc màng truyền thống. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng kinh tế kỹ thuật vượt trội của phụ phẩm cây chuối Việt Nam. Đề tài đóng góp thiết thực cho kho tàng khoa học ứng dụng phục vụ cộng đồng.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đề tài tốt nghiệp được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Môi trường trực thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Giảng viên hướng dẫn là Tiến sĩ Nguyễn Mỹ Linh cùng sinh viên thực hiện Nguyễn Xuân Bắc. Công trình diễn ra từ tháng 3 đến tháng 7 năm 2025. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tái sử dụng chất thải rắn nông nghiệp. Thân cây chuối chiếm khối lượng sinh khối khổng lồ nhưng chưa được khai thác hiệu quả. Nhóm tác giả hướng đến việc chế tạo vật liệu kỹ thuật cao từ nguồn nguyên liệu địa phương. Quá trình triển khai bao gồm tổng hợp vật liệu, phân tích đặc tính hóa lý và thử nghiệm thực nghiệm. Đề tài thể hiện định hướng ứng dụng thực tiễn mạnh mẽ của nhà trường đối với các vấn đề cấp bách của xã hội hiện đại.

1.2. Tiềm năng sinh khối thân chuối trong chế tạo vật liệu carbon

Cây chuối là loài thực vật nhiệt đới phổ biến với sinh khối thân giả rất lớn. Thân chuối có cấu trúc tổ ong tự nhiên với nhiều vi mao quản rỗng. Thành phần hóa học chứa khoảng 50% cellulose, 30% hemicellulose và 15% lignin. Tỷ lệ cellulose cao giúp tạo khung carbon vững chắc sau quá trình nhiệt phân. Lignin đóng vai trò liên kết và định hình mạng lưới cấu trúc không gian. Hàm lượng tro sinh ra rất thấp, chỉ dao động từ 2% đến 5%. Lượng tro thấp giúp hạn chế tạp chất vô cơ và tăng độ tinh khiết cho than hoạt tính. Chu kỳ sinh trưởng của cây chuối chỉ kéo dài từ sáu đến mười hai tháng. Nguồn cung cấp nguyên liệu thô vì thế luôn dồi dào và ổn định quanh năm. Chi phí thu gom thân chuối gần như bằng không tại các vùng nông thôn.

II. Thực trạng xâm nhập mặn và bài toán xử lý nước nhiễm mặn

Tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu đang đẩy nhanh tốc độ xâm nhập mặn tại nhiều vùng ven biển. Nguồn nước ngọt trên hành tinh chiếm tỷ trọng rất khiêm tốn. Hồ và sông ngòi tự nhiên chỉ lưu giữ khoảng 3% tổng lượng nước ngọt thế giới. Sự gia tăng dân số nhanh chóng khiến áp lực cấp nước sinh hoạt ngày càng nặng nề. Người dân tại nhiều địa phương buộc phải phụ thuộc vào nguồn nước lợ hoặc nước nhiễm mặn. Tại Đồng bằng sông Cửu Long, nước mặn lấn sâu vào hệ thống kênh rạch nội đồng. Hiện tượng này tàn phá mùa màng, làm giảm sút nghiêm trọng sản lượng lúa gạo và cây ăn trái. Việc sử dụng nguồn nước nhiễm mặn kéo dài còn gây nguy cơ mắc bệnh huyết áp và suy giảm chức năng thận. Các công nghệ lọc nước mặn truyền thống như thẩm thấu ngược (RO) thường tiêu thụ lượng điện năng rất lớn. Chi phí màng lọc thay thế đắt đỏ và tạo ra dòng nước thải đậm đặc gây ô nhiễm. Do đó, nhu cầu bức thiết đặt ra là tìm kiếm công nghệ khử mặn tiên tiến và tiết kiệm năng lượng.

2.1. Thách thức từ xâm nhập mặn tại Đồng bằng sông Cửu Long

Đồng bằng sông Cửu Long đóng vai trò trọng yếu trong việc bảo đảm an ninh lương thực quốc gia. Tuy nhiên, khu vực này chịu tổn thương nặng nề nhất do hạn mặn kéo dài. Nước biển dâng cao kết hợp cùng lượng nước ngọt từ thượng nguồn suy giảm khiến ranh mặn tiến sâu. Hàng ngàn héc-ta đất nông nghiệp bị nhiễm mặn nghiêm trọng, dẫn đến mất mùa diện rộng. Nguồn nước ngầm bị khai thác quá mức làm gia tăng hiện tượng sụt lún đất tầng mặt. Người dân địa phương thiếu nước sạch sinh hoạt trầm trọng trong suốt mùa khô hạn. Việc mua nước ngọt dự trữ khiến chi phí đời sống tăng cao rõ rệt. Những tổn thất về kinh tế và môi trường sinh thái đòi hỏi giải pháp công nghệ thích ứng kịp thời.

2.2. Hạn chế của công nghệ khử mặn truyền thống và vai trò của CDI

Phương pháp khử mặn phổ biến hiện nay dựa trên công nghệ màng lọc thẩm thấu ngược hoặc chưng cất nhiệt. Các công nghệ này yêu cầu áp suất vận hành rất lớn, gây tiêu hao năng lượng điện liên tục. Màng lọc polymer có tuổi thọ giới hạn và rất dễ bị tắc nghẽn bởi cặn bẩn vô cơ. Chi phí hóa chất súc rửa màng và bảo trì hệ thống định kỳ tạo gánh nặng kinh tế. Ngược lại, công nghệ khử ion điện dung (CDI) vận hành dựa trên cơ chế hấp phụ tĩnh điện. Khi cấp điện áp thấp, các ion muối tự do sẽ di chuyển về phía bề mặt điện cực trái dấu. Phương pháp này tiêu thụ ít năng lượng, không cần dùng hóa chất độc hại và dễ dàng tái sinh điện cực.

III. Phương pháp chế tạo điện cực carbon từ thân chuối cho hệ CDI

Quy trình chế tạo điện cực carbon từ thân chuối tại ĐH SPKT TP.HCM được thực hiện qua các giai đoạn kỹ thuật nghiêm ngặt. Thân chuối tươi ban đầu được sơ chế sạch sẽ, cắt nhỏ và sấy khô hoàn toàn để loại bỏ độ ẩm. Vật liệu sinh khối khô sau đó trải qua quá trình nhiệt phân trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ cao. Quá trình này giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và tạo thành khung carbon xốp xơ. Bột than sinh học thu được tiếp tục được phân tích đặc tính cấu trúc bằng các phép đo hiện đại như SEM, FTIR và BET. Diện tích bề mặt riêng cao và hệ thống mao quản phát triển giúp vật liệu tăng cường lưu trữ điện tích. Để chế tạo tấm điện cực bền vững, nhóm nghiên cứu phối trộn bột carbon với chất kết dính là hệ keo PVA và chất khâu mạng Glutaraldehyde (GA). Màng composite tạo thành sở hữu độ dẻo dai cơ học cao và tính dẫn điện vượt trội. Hỗn hợp được tráng phủ đồng đều lên đế dẫn điện trước khi đưa vào kiểm tra khả năng hấp phụ ion trong hệ thống khử ion điện dung CDI.

3.1. Kỹ thuật nhiệt phân sinh khối và biến tính vật liệu carbon

Nhiệt phân là khâu then chốt trong chu trình chuyển hóa thân chuối thành than hoạt tính. Quá trình xử lý nhiệt diễn ra trong lò nung chuyên dụng dưới bầu khí nitơ bảo vệ. Nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ nhằm bảo tồn cấu trúc tổ ong tự nhiên của cellulose và lignin. Khi nhiệt độ tăng, các liên kết hydro bị bẻ gãy, giải phóng các nhóm chức chứa oxy kém bền. Kết quả tạo ra mạng lưới vi mao quản phong phú với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn. Bột carbon sau khi nung được rửa sạch tạp chất hòa tan bằng dung dịch axit loãng và nước cất. Vật liệu sau đó được đo đạc phổ hồng ngoại FTIR và kính hiển vi điện tử quét SEM. Dữ liệu phân tích xác nhận sự hình thành của các tâm hoạt tính điện hóa hữu hiệu.

3.2. Chế tạo điện cực composite với chất kết dính PVA GA

Bột carbon sinh khối cần một hệ chất liên kết ổn định để tạo thành màng điện cực cơ học chắc chắn. Nghiên cứu sử dụng polymer Polyvinyl alcohol (PVA) phối trộn cùng chất khâu mạng Glutaraldehyde (GA). PVA đóng vai trò tạo màng nền có độ bền cơ học cao và thân thiện môi trường. Tác nhân GA giúp khâu mạng chuỗi PVA thông qua phản ứng tạo liên kết acetal bền vững trong môi trường nước. Hỗn hợp carbon và keo PVA/GA được khuấy đều thành dạng huyền phù đồng nhất. Lớp hồ này sau đó được quét đều lên màng than chì hoặc tấm đế thu gom điện tử. Màng điện cực composite sau khi lưu hóa thể hiện độ bám dính tuyệt vời và không bị rã nát trong dung dịch nước muối. Đặc tính dẫn điện và độ bền thủy phân được duy trì ổn định qua nhiều chu kỳ làm việc.

IV. Đánh giá ứng dụng điện cực carbon thân chuối xử lý nước nhiễm mặn

Kết quả thử nghiệm vận hành mô hình CDI chứng minh điện cực carbon từ thân chuối có khả năng khử mặn vượt trội. Tấm điện cực composite hoạt động ổn định dưới các điều kiện điện áp thấp an toàn. Tốc độ hấp phụ ion Natri và Clorua diễn ra nhanh chóng nhờ diện tích tiếp xúc lớn. Nồng độ muối trong nước giảm rõ rệt sau từng chu trình xử lý liên tục. Khi đổi chiều điện cực hoặc ngắt dòng điện thế, các ion muối dễ dàng nhả hấp phụ để hoàn nguyên điện cực. Quy trình khử mặn này không tiêu hao nhiều năng lượng điện và không phát sinh hóa chất thứ cấp gây hại. Sự thành công của đề tài tại ĐH SPKT TP.HCM mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho cộng đồng dân cư vùng nhiễm mặn. Vật liệu composite sinh khối mở ra giải pháp tự chủ nguồn cung điện cực lọc nước giá rẻ ngay trong nước. Hướng tiếp cận này vừa giảm tải áp lực rác thải nông nghiệp, vừa cung cấp nguồn nước ngọt an toàn cho sinh hoạt và tưới tiêu. Đây là minh chứng rõ nét cho mô hình kinh tế tuần hoàn bền vững tại Việt Nam.

4.1. Hiệu suất hấp phụ muối trên hệ khử ion điện dung CDI

Hệ thống CDI sử dụng cặp điện cực carbon thân chuối đạt hiệu suất tách muối rất ấn tượng trong phòng thí nghiệm. Dưới điện áp vận hành dao động quanh mức 1.2V, các ion hòa tan tích điện di chuyển nhanh về điện cực trái dấu. Lớp điện kép hình thành trên bề mặt xốp giúp giữ chặt ion mà không xảy ra phản ứng oxy hóa khử phá hủy vật liệu. Độ dẫn điện của dòng nước đầu ra giảm nhanh chóng, cho thấy hàm lượng muối đã được loại bỏ hiệu quả. Khả năng hấp phụ muối duy trì ổn định sau hàng chục chu trình nạp và xả liên tiếp. Thời gian hoàn nguyên điện cực ngắn giúp tiết kiệm điện năng vận hành toàn hệ thống.

4.2. Triển vọng thương mại hóa và phát triển kinh tế tuần hoàn

Nghiên cứu chế tạo điện cực carbon từ thân chuối mở ra tiềm năng thương mại hóa thiết bị lọc nước quy mô hộ gia đình. Nguồn nguyên liệu thân chuối sẵn có tại địa phương giúp hạ giá thành sản xuất điện cực xuống mức tối thiểu. Thay vì nhập khẩu các loại màng carbon đắt đỏ, doanh nghiệp trong nước hoàn toàn có thể làm chủ công nghệ chế tạo. Việc tận thu thân cây chuối sau thu hoạch còn giúp người nông dân có thêm nguồn thu nhập phụ. Mô hình này giải quyết đồng thời bài toán ô nhiễm môi trường do phụ phẩm nông nghiệp mục nát ngoài đồng ruộng. Ứng dụng điện cực sinh khối trong công nghệ CDI đóng góp giải pháp bền vững cho mục tiêu thích ứng biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khủng hoảng tài nguyên nước ngọt đang là một trong những thách thức môi trường cấp bách nhất trên toàn cầu. Mặc dù nước bao phủ 71% bề mặt Trái Đất, khoảng 97% lượng nước này là nước mặn không thể sử dụng trực tiếp; nguồn nước ngọt chỉ chiếm xấp xỉ 3%, trong đó lượng nước mặt dễ tiếp cận tại sông, hồ chiếm chưa đến 0,3%. Dưới tác động kết hợp của biến đổi khí hậu, hiện tượng nước biển dâng, hạn hán kéo dài và việc khai thác nước ngầm quá mức, hiện tượng xâm nhập mặn ngày càng gia tăng. Tại Việt Nam, Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nhất. Các đợt hạn mặn lịch sử vào các năm 1998, 2004, 2016 và 2020 ghi nhận ranh mặn 4 g/L lấn sâu vào nội đồng, cá biệt một số tỉnh ven biển như Bạc Liêu, Cà Mau, Trà Vinh và Bến Tre ghi nhận độ mặn cao nhất vượt mức 27 g/L, gây thiệt hại nặng nề cho sản xuất nông nghiệp và làm suy giảm chất lượng nước sinh hoạt.

Trong số các công nghệ khử mặn hiện hành, công nghệ khử ion điện dung (Capacitive Deionization - CDI) nổi lên như một giải pháp xử lý nước nhiễm mặn nhẹ và nước lợ nhờ ưu điểm vận hành ở điện áp thấp, không sử dụng hóa chất tái sinh độc hại và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất đối với việc nhân rộng CDI là chi phí sản xuất vật liệu điện cực thương mại (như than hoạt tính bột, sợi carbon, ống nano carbon) còn đắt đỏ, quy trình chế tạo phức tạp và độ xốp chưa tối ưu. Nhằm giải quyết vấn đề này, đồ án hướng tới việc tận dụng phụ phẩm thân cây chuối. Theo số liệu thống kê, phụ phẩm nông nghiệp từ chuối chiếm khoảng 60% tổng sinh khối toàn cầu (tương đương 114 triệu tấn/năm). Tại Việt Nam, diện tích trồng chuối chiếm khoảng 15% diện tích cây ăn quả (trên 130.000 ha) với sản lượng 2 triệu tấn/năm. Thân chuối có cấu trúc tổ ong tự nhiên, hàm lượng cellulose chiếm khoảng 50%, hemicellulose 30%, lignin 15% và hàm lượng tro thấp (2-5%), là nguồn nguyên liệu sinh khối lý tưởng để chế tạo carbon xốp.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 5 nội dung chính:

1. Nghiên cứu các quy trình tổng hợp than sinh học bằng phương pháp nhiệt phân từ phụ phẩm thân cây chuối.
2. Nghiên cứu quá trình chế tạo điện cực composite từ tấm graphite và than sinh học bằng hệ keo polyvinyl alcohol/glutaric aldehyde (PVA/GA).
3. Xác định điều kiện tối ưu trong vận hành công nghệ khử ion điện dung CDI với điện cực carbon làm từ thân cây chuối.
4. Đánh giá hoạt tính điện hóa của điện cực chế tạo được.
5. Phân tích động học của quá trình hấp phụ muối lên điện cực.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Khảo sát điều kiện nhiệt phân để tổng hợp than sinh học từ thân cây chuối.
2. Khảo sát các thông số vận hành trên hệ CDI đối với điện cực composite gồm: nồng độ muối, vận tốc dòng và điện thế áp vào.
3. Đánh giá hoạt tính điện cực bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) và xả nạp dòng cố định (GCD).
4. Xác định bậc phản ứng và hằng số tốc độ của quá trình hấp phụ muối.
5. Khảo sát độ bền của điện cực composite qua nhiều chu kỳ làm việc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Điện cực carbon composite được chế tạo từ than sinh học nguồn gốc thân cây chuối nhiệt phân ở 800°C, phối trộn với chất kết dính PVA/GA và phủ lên tấm thu dòng graphite.
• Phạm vi nghiên cứu: Thử nghiệm thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm trên mô hình CDI dòng chảy qua điện cực. Nguồn nước xử lý là dung dịch nước mặn giả lập sử dụng muối NaCl tinh khiết với các nồng độ khảo sát từ 200 ppm đến 800 ppm. Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 01/03/2025 đến ngày 15/07/2025 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh với sự phối hợp hỗ trợ từ Viện Nghiên cứu - Trường Đại học Nguyễn Tất Thành và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý hấp phụ điện hóa trong công nghệ khử ion điện dung (CDI). Cơ chế cốt lõi của CDI là sự hình thành lớp điện tích kép (Electrical Double Layer - EDL) trên bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch điện ly và vật liệu điện cực xốp khi đặt một điện áp một chiều (DC) phù hợp. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các cation (như Na⁺) bị hút về phía cực âm (cathode) và các anion (như Cl⁻) bị hút về phía cực dương (anode), qua đó làm giảm độ dẫn điện và nồng độ muối trong dòng nước chảy qua. Khi ngắt điện áp hoặc đảo cực, các ion đã hấp phụ sẽ được giải phóng vào dòng xả, tái sinh điện cực mà không cần dùng hóa chất.

Để định vị ưu thế của CDI, tác giả đã lập bảng so sánh đặc tính kỹ thuật và kinh tế giữa các phương pháp xử lý nước nhiễm mặn hiện hành:

Phương pháp	Nguyên lý hoạt động	Ứng dụng chính	Ưu điểm	Nhược điểm
Thẩm thấu ngược (RO)	Sử dụng màng bán thấm dưới áp suất cao (4-7 MPa)	Cung cấp nước sạch quy mô lớn, công nghiệp	Hiệu quả khử muối cao (95-99%), ứng dụng rộng rãi	Chi phí đầu tư và năng lượng cao (chiếm 35-45% chi phí vận hành), màng dễ bị nghẹt (fouling)
Điện thẩm tách (ED)	Dùng điện trường tách ion qua màng bán thấm chọn lọc	Nước lợ, quy mô nhỏ và trung bình	Hiệu quả với nước có độ mặn trung bình (TDS ≤ 3 g/L), tỷ lệ thu hồi nước > 85%	Chi phí màng cao (100-150 USD/m²), hiệu suất giảm khi độ mặn cao, cần tiền xử lý
Trao đổi ion (IX)	Trao đổi ion giữa dung dịch và hạt nhựa resin	Quy mô nhỏ, cấp nước làm mềm, xử lý nước lợ	Thiết bị đơn giản, hiệu quả với nước độ mặn thấp và trung bình	Cần hóa chất acid/kiềm để hoàn nguyên hạt nhựa, phát sinh nước thải thứ cấp
Chưng cất nhiệt	Làm bay hơi nước muối và ngưng tụ hơi nước	Khu vực không có lưới điện ổn định	Loại bỏ triệt để ion muối và tạp chất hữu cơ	Tiêu tốn nhiệt lượng lớn, chi phí thiết bị và vận hành cao
Khử ion điện dung (CDI)	Hấp phụ tĩnh điện các ion lên bề mặt điện cực xốp	Quy mô nhỏ, nước lợ, xử lý phân tán	Tiêu thụ năng lượng thấp, vận hành điện áp thấp, không dùng hóa chất hoàn nguyên	Hiệu suất suy giảm khi xử lý nước có nồng độ muối quá cao, yêu cầu điện cực bền

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng tuần tự theo các bước:

• Quy trình điều chế vật liệu: Thân chuối thu gom được rửa sạch, cắt nhỏ, sấy khô, sau đó thực hiện than hóa trong lò nung ở nhiệt độ 800°C trong điều kiện yếm khí để tạo ra biochar xốp. Than sinh học sau nghiền mịn được phối trộn với hệ keo polyvinyl alcohol (PVA) đóng vai trò chất tạo màng kết dính và glutaric aldehyde (GA) đóng vai trò chất liên kết ngang, tạo thành hỗn hợp composite đồng nhất. Hỗn hợp này sau đó được quét phủ đều lên bề mặt tấm nền dẫn điện graphite và sấy khô để hoàn thiện điện cực.
• Phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý:
  • Phổ quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhằm xác định các nhóm chức hóa học trên bề mặt thân chuối trước và sau khi nhiệt phân ở 800°C (như nhóm -OH, C=O, C-O).
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Đánh giá hình thái bề mặt, độ xốp và cấu trúc vi mô dạng mạng tổ ong của vật liệu carbon.
  • Phân tích diện tích bề mặt theo thuyết Brunauer - Emmett - Teller (BET): Sử dụng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ khí N₂ để xác định diện tích bề mặt riêng, kích thước và thể tích mao quản của vật liệu.
• Phương pháp đo đạc tính chất điện hóa:
  • Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry - CV): Đánh giá khả năng tích trữ điện tích và tính thuận nghịch điện hóa của điện cực carbon thân chuối tại các tốc độ quét thế khác nhau.
  • Phương pháp phóng nạp dòng cố định (Galvanostatic Charge - Discharge - GCD): Xác định điện dung riêng (Specific Capacitance) và độ sụt áp (IR drop) của điện cực tại các mật độ dòng khác nhau.
• Phương pháp đánh giá hiệu suất xử lý trên hệ khử ion điện dung CDI:
  • Lắp ráp mô-đun CDI hai điện cực đối xứng phủ composite carbon thân chuối trên nền graphite.
  • Nước muối NaCl được bơm qua cell CDI bằng bơm nhu động; độ dẫn điện của dòng nước ra được ghi nhận liên tục qua đầu dò đo độ dẫn điện riêng (đã được hiệu chuẩn bằng đường chuẩn tương quan nồng độ NaCl).
  • Khảo sát các thông số ảnh hưởng gồm: thế điện áp vào (1,4 V), tốc độ dòng nạp (10, 15, 20 mL/phút) và nồng độ NaCl đầu vào (200, 400, 600, 800 ppm).
  • Đánh giá các đại lượng: Dung lượng hấp phụ muối (Salt Adsorption Capacity - SAC, tính theo mg/g), tốc độ hấp phụ muối (SAR / mSAC), năng lượng tiêu thụ (Wh/g NaCl), hiệu suất dòng điện (Charge Efficiency - CE) và độ bền điện cực qua chu kỳ lặp lại.
  • Xử lý dữ liệu động học hấp phụ: Áp dụng phương trình động học giả bậc một (pseudo-first-order) và giả bậc hai (pseudo-second-order) để làm rõ cơ chế tương tác giữa ion và điện cực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương: Mở đầu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm xâm nhập mặn nghiêm trọng tại Việt Nam, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long, đồng thời nêu rõ lượng sinh khối khổng lồ từ phụ phẩm cây chuối bị lãng phí sau thu hoạch. Tác giả phân tích những hạn chế của các loại vật liệu carbon thương mại dùng cho hệ CDI về mặt chi phí và quy trình tổng hợp, từ đó đặt ra mục tiêu, nội dung, phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm và khẳng định ý nghĩa khoa học cũng như giá trị thực tiễn của giải pháp biến phế phẩm nông nghiệp thành điện cực xử lý nước.

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 cung cấp tổng quan lý thuyết toàn diện về:

• Hiện trạng nước nhiễm mặn, nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo dẫn đến nhiễm mặn đất và nước, cùng các dữ liệu bản đồ phân bố mặn tại Đồng bằng sông Cửu Long giai đoạn 1998-2020.
• Đánh giá cơ chế hoạt động, ưu điểm và nhược điểm kỹ thuật của các công nghệ xử lý nước mặn hiện nay: RO, ED, trao đổi ion và chưng cất.
• Cơ chế hoạt động của công nghệ khử ion điện dung (CDI), cấu tạo mô-đun CDI cơ bản và phân loại các biến thể CDI tiên tiến như CDI màng (MCDI), CDI dòng chảy xuyên qua (FTCDI), CDI lai (HCDI), CDI dây dẫn (WCDI) và CDI điện cực dung dịch huyền phù (FCDI).
• Phân tích các dạng vật liệu carbon dùng làm điện cực CDI: than hoạt tính (AC), graphene (kèm các biến thể 3D graphene, sponge), carbon aerogel (CA, composite MnO₂/CA), ống nano carbon (CNTs).
• Tiềm năng của sinh khối nông nghiệp trong chế tạo biochar; đặc tính sinh hóa học của thân cây chuối (tỷ lệ cellulose, hemicellulose, lignin, tro) và tổng quan các nghiên cứu chế tạo carbon aerogel từ sinh khối trong nước (ngô, bã mía, lục bình, xơ dừa tại Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP.HCM) cũng như các nghiên cứu quốc tế liên quan.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ tiến trình kỹ thuật trong phòng thí nghiệm:

• Quy trình chuẩn bị thân chuối, sấy khô, nghiền thô và chế độ than hóa ở nhiệt độ cao 800°C trong môi trường yếm khí.
• Quy trình phối chế keo PVA và chất tạo liên kết chéo GA, kỹ thuật phân tán than sinh học vào pha keo và kỹ thuật phủ quét tạo màng composite đồng nhất trên phiến graphite.
• Thiết lập quy trình phân tích cấu trúc vật liệu bằng thiết bị quang phổ hồng ngoại FTIR, hiển vi điện tử quét SEM và đo đẳng nhiệt hấp phụ khử hấp phụ nitơ BET.
• Quy trình đo đạc tính chất điện hóa bằng hệ đo điện hóa ba điện cực để quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phóng nạp dòng cố định (GCD).
• Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý vận hành của hệ thống CDI quy mô phòng thí nghiệm; quy trình thiết lập đường chuẩn đo độ dẫn điện tương ứng với dải nồng độ NaCl; các kịch bản thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của điện áp nạp 1,4 V, biến thiên lưu lượng bơm (10, 15, 20 mL/phút) và nồng độ dung dịch muối (200, 400, 600, 800 ppm).
• Công thức xác định dung lượng hấp phụ muối (SAC), tốc độ hấp phụ muối (mSAC), mô hình toán động học giả bậc một và giả bậc hai, cũng như công thức tính toán năng lượng tiêu thụ và hiệu suất sử dụng điện tích.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và biện luận chuyên sâu:

• Đặc tính hóa lý: Phổ FTIR xác nhận sự biến đổi nhóm chức của thân chuối sau khi nhiệt phân ở 800°C, làm xuất hiện các tâm hấp phụ chứa oxy hỗ trợ tính ưa nước. Ảnh SEM thể hiện rõ cấu trúc xốp rỗng liên thông bắt nguồn từ cấu trúc tổ ong tự nhiên của mô thực vật thân chuối. Phép phân tích BET cho thấy vật liệu có diện tích bề mặt phát triển thuận lợi cho quá trình tích tụ ion.
• Đặc tính điện hóa: Đường cong CV có dạng gần hình chữ nhật đối xứng, biểu thị cơ chế tích điện lớp kép điện dung lý tưởng; đường phóng nạp GCD duy trì dạng tam giác cân với thế rơi nội trở (IR drop) thấp, chứng minh điện cực composite có độ dẫn điện tốt nhờ lớp nền graphite.
• Hiệu suất hấp phụ muối trên hệ CDI:
  • Khi tăng điện thế nạp lên 1,4 V, lực hút tĩnh điện tăng làm tăng dung lượng hấp phụ muối SAC.
  • Khảo sát tốc độ dòng cho thấy lưu lượng 15 mL/phút mang lại hiệu quả hấp phụ cân bằng tối ưu giữa thời gian lưu của ion trong khoang điện cực và tốc độ truyền khối, vượt trội hơn so với lưu lượng 10 mL/phút và 20 mL/phút.
  • Nồng độ muối đầu vào tăng từ 200 ppm lên 800 ppm làm gia tăng đáng kể mật độ gradient nồng độ và giảm điện trở dung dịch, đưa dung lượng SAC đạt cực đại 51,24 mg/g tại nồng độ 800 ppm.
  • Đồ thị Ragone (giản đồ Kim - Yoon) minh họa mối tương quan giữa SAC và SAR tại các điều kiện làm việc khác nhau.
• Động học hấp phụ: Khi khớp nối dữ liệu thực nghiệm vào hai mô hình động học, mô hình giả bậc hai (pseudo-second-order) cho hệ số tương quan tuyến tính rất cao (R² > 0,99), cao hơn mô hình giả bậc một, chứng tỏ cơ chế kiểm soát tốc độ hấp phụ có sự đóng góp đáng kể của các tương tác hóa lý trên bề mặt điện cực.
• Độ bền và kinh tế năng lượng: Điện cực thể hiện tính ổn định cao sau nhiều chu kỳ phóng - nạp liên tục; mức năng lượng tiêu thụ riêng được tính toán ở các mức điện áp và lưu lượng khác nhau; đồng thời đưa ra phân tích so sánh chi phí xử lý trên 1 m³ nước giữa công nghệ CDI sử dụng điện cực thân chuối với công nghệ RO và ED.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối tóm tắt các kết quả kỹ thuật đạt được của đồ án, khẳng định khả năng chế tạo điện cực carbon từ phụ phẩm thân chuối ứng dụng cho CDI xử lý nước mặn nhẹ, đồng thời nêu rõ các kiến nghị hoàn thiện phương pháp cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả thực nghiệm cụ thể:

• Chế tạo thành công vật liệu carbon sinh khối từ thân cây chuối thông qua quá trình nhiệt phân ở 800°C, giữ được cấu trúc xốp mao quản liên thông tự nhiên, bề mặt hình thành nhiều nhóm chức có lợi giúp tăng cường độ ẩm và tương tác điện hóa.
• Tạo màng composite bền vững giữa carbon thân chuối và chất kết dính polymer PVA/GA trên tấm nền graphite, đảm bảo độ dẫn điện cao và độ bám dính cơ học tốt.
• Hiệu suất khử mặn tối ưu: Tại điện áp nạp 1,4 V, tốc độ dòng 15 mL/phút và nồng độ NaCl 800 ppm, điện cực composite thân chuối đạt dung lượng hấp phụ muối (SAC) tối đa là 51,24 mg/g.
• Dữ liệu động học quá trình hấp phụ ion NaCl tuân theo mô hình động học giả bậc hai (pseudo-second-order) với hệ số tương quan đạt R² > 0,99, chứng minh tương tác bề mặt ổn định giữa ion muối và điện cực.
• Điện cực duy trì hoạt tính hấp phụ và giải hấp ổn định qua nhiều chu kỳ làm việc liên tục trong hệ CDI quy mô phòng thí nghiệm.

Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài:

• Đã đề xuất một quy trình công nghệ xanh, chi phí thấp nhằm chuyển hóa phụ phẩm thân cây chuối – nguồn chất thải rắn nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam – thành vật liệu điện cực có diện tích bề mặt cao phục vụ xử lý môi trường.
• Cung cấp dữ liệu thực nghiệm hệ thống về mối quan hệ giữa thông số vận hành (điện thế, lưu lượng dòng, nồng độ muối) và động học hấp phụ trong công nghệ CDI đối với điện cực sinh khối.
• Đóng góp vào mô hình kinh tế tuần hoàn: giải quyết đồng thời bài toán giảm thiểu ô nhiễm từ rác thải nông nghiệp và cung cấp giải pháp xử lý nước nhiễm mặn tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường cho các vùng ven biển và Đồng bằng sông Cửu Long.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các đánh giá phản biện học thuật từ hội đồng và phạm vi thực nghiệm đã triển khai, nghiên cứu tồn tại một số điểm giới hạn:

• Các thí nghiệm hấp phụ muối mới chỉ được tiến hành trên nguồn nước giả định là dung dịch muối NaCl đơn thành phần trong phòng thí nghiệm; chưa khảo sát hiệu suất khử mặn trên mẫu nước tự nhiên vốn chứa hỗn hợp đa dạng các ion cạnh tranh như Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄²⁻, HCO₃⁻ cũng như các chất hữu cơ hòa tan.
• Nghiên cứu chưa thực hiện đánh giá ảnh hưởng của độ pH môi trường nước đến cơ chế tích điện và khả năng hấp phụ ion của điện cực carbon thân chuối.
• Chưa khảo sát thử nghiệm thay đổi các chất hấp phụ biến tính khác (như pha tạp dị nguyên tử nitơ, lưu huỳnh hoặc phối hợp hạt nano oxide kim loại) để nâng cao hơn nữa dung lượng hấp phụ.
• Đánh giá độ bền điện cực mới dừng lại ở các chu kỳ ngắn hạn trong quy mô phòng thí nghiệm; dữ liệu về độ bền suy giảm điện hóa dài hạn sau hàng trăm chu kỳ nạp/xả liên tục và bài toán chi phí kinh tế khi triển khai ở quy mô mô-đun công nghiệp thực tế chưa được hoàn thiện.

Các hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

• Khảo sát ảnh hưởng của pH và nhiệt độ dung dịch đến hiệu quả khử ion của hệ CDI.
• Thử nghiệm trên nguồn nước lợ và nước ngầm nhiễm mặn thực tế tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long để đánh giá hiện tượng cạnh tranh ion và hiện tượng bám bẩn điện cực.
• Nghiên cứu biến tính bề mặt carbon thân chuối nhằm gia tăng tỷ lệ mao quản hữu dụng và thử nghiệm chế tạo module CDI quy mô pilot liên tục.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Hóa học, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Năng lượng.
• Các nhóm nghiên cứu đang theo đuổi hướng đề tài tận dụng phụ phẩm sinh khối nông nghiệp để chế tạo vật liệu hấp phụ, vật liệu lưu trữ năng lượng hoặc vật liệu điện hóa.
• Các kỹ sư thiết kế hệ thống xử lý nước quan tâm đến công nghệ khử ion điện dung (CDI), quy trình tính toán dung lượng hấp phụ muối (SAC), tốc độ hấp phụ (mSAC), mô hình hóa động học hấp phụ và đánh giá suất tiêu hao năng lượng.

Nội dung đặc biệt đáng tham khảo trong tài liệu bao gồm:

• Quy trình thực nghiệm chế tạo điện cực composite kết hợp biochar với chất liên kết chéo PVA/GA trên nền graphite.
• Bộ thông số vận hành chi tiết và phương pháp xử lý dữ liệu động học hấp phụ (mô hình giả bậc một, giả bậc hai) cùng giản đồ Kim - Yoon trong phân tích hiệu quả hệ CDI.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn nguyên liệu thân chuối được xử lý than hóa ở điều kiện nào để chế tạo vật liệu carbon?
Thân chuối sau khi được thu gom, làm sạch, cắt nhỏ và sấy khô, được đưa vào lò nung để tiến hành quá trình than hóa ở nhiệt độ 800°C trong môi trường yếm khí nhằm chuyển hóa các thành phần cellulose, hemicellulose và lignin thành cấu trúc carbon xốp có diện tích bề mặt cao.

2. Điện cực composite trong nghiên cứu được chế tạo từ những thành phần nào?
Điện cực composite được chế tạo bằng cách phối trộn than sinh học từ thân chuối đã nghiền mịn với hệ chất kết dính polymer gồm Polyvinyl Alcohol (PVA) và chất liên kết chéo Glutaric Aldehyde (GA), sau đó quét phủ đều hỗn hợp lên bề mặt tấm thu dòng graphite dẫn điện và sấy khô định hình.

3. Dung lượng hấp phụ muối (SAC) cao nhất đạt được của điện cực là bao nhiêu và ở điều kiện vận hành nào?
Điện cực carbon thân chuối đạt dung lượng hấp phụ muối cực đại là 51,24 mg/g tại các điều kiện vận hành tối ưu gồm: điện áp nạp 1,4 V, tốc độ dòng nạp 15 mL/phút và nồng độ dung dịch muối NaCl ban đầu là 800 ppm.

4. Động học hấp phụ ion muối của điện cực tuân theo mô hình nào?
Quá trình hấp phụ muối NaCl trên điện cực composite carbon thân chuối phù hợp tốt nhất với mô hình động học giả bậc hai (pseudo-second-order) với hệ số tương quan tuyến tính cao (R² > 0,99), phản ánh sự đóng góp của các tương tác tĩnh điện và tương tác hóa học bề mặt trong cơ chế lưu giữ ion.

5. Đồ án đã hoàn thiện kiểm tra liêm chính học thuật với kết quả trùng lặp như thế nào?
Theo biên bản xác nhận kết quả kiểm tra đạo văn ngày 30/07/2025, đồ án ghi nhận mức độ trùng lặp toàn nội dung là 12%, trong đó tỷ lệ trùng lặp cao nhất từ một nguồn đơn lẻ là 4%, đáp ứng quy định kiểm tra liêm chính học thuật (ngưỡng cho phép dưới 40% tổng thể và dưới 10% cho một nguồn).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Xuân Bắc đã thực hiện thành công việc tận dụng phụ phẩm thân cây chuối để chế tạo vật liệu than sinh học xốp ở 800°C và phối chế thành điện cực composite trên nền graphite. Hệ điện cực này vận hành hiệu quả trong mô hình khử ion điện dung (CDI), đạt dung lượng hấp phụ muối cực đại 51,24 mg/g ở nồng độ NaCl 800 ppm, điện thế 1,4 V và tuân theo động học giả bậc hai với R² > 0,99. Kết quả nghiên cứu không chỉ làm sáng tỏ tiềm năng ứng dụng công nghệ xử lý nước mặn chi phí thấp, tiết kiệm năng lượng mà còn đóng góp giải pháp thiết thực cho mô hình kinh tế tuần hoàn trong việc gia tăng giá trị phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 Nước nhiễm mặn .1 Nguồn gốc phát sinh .2 Ảnh hưởng của nước nhiễm mặn đến hệ sinh thái .2 Các phương pháp xử lý nước nhiễm mặn.1 Công nghệ thẩm thấu ngược .2 Công nghệ điện thẩm tách (ED) .3 Công nghệ trao đổi ion .3 Tổng quan về công nghệ khử điện dung.1 Công nghệ khử điện dung.2 Vật liệu điện cực sử dụng cho khử ion điện dung .4 Vật liệu carbon có nguồn gốc từ sinh khối .1 Thân cây chuối và ứng dụng làm điện cực carbon .2 Tình hình nghiên cứu trong nước .3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước. 22 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM.1 Quy trình điều chế vật liệu .1 Chuyển hóa thân chuối thành điện cực carbon.2 Phân tích hình thái và cấu trúc vật liệu.1 Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) .2 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại Fourier – FTIR .3 Phân tích diện tích bề mặt (BET) .4 Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn .5 Phương pháp đo xả nạp dòng cố định .3 Đánh giá khả năng hấp phụ muối của điện cực .1 Mô hình CDI.2 Quy trình xây dụng đường chuẩn .3 Ảnh hưởng của tốc độ dòng và thế điện đến khả năng hấp phụ muối .4 Động học và dung lượng hấp phụ của quá trình hấp phụ muối .5 Hiệu suất và năng lượng tiêu thụ của quá trình hấp phụ muối. 33 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 kết quả phân tích hình thái bề mặt vật liệu .1 Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại Fourier – FTIR .2 Kết quả ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) .3 Kết quả phân tích diện tích bề mặt của vật liệu .2 Tính chất điện hóa của điện cực .1 Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn .2 Phương pháp phóng nạp dòng cố định .3 Đánh giá khả năng hấp phụ muối .1 Ảnh hưởng của tốc độ dòng và thế điện đến khả năng hấp phụ muối .2 Ảnh hưởng của nồng độ muối NaCl đến khả năng hấp phụ của điện cực .3 Độ bền của điện cực .4 Động học phản ứng hấp phụ muối .1 Động học phản ứng hấp phụ muối dưới ảnh hưởng của tốc độ dòng và thế điện .2 Động học phản ứng hấp phụ muối dưới ảnh hưởng của nồng độ .5 Đánh giá năng lượng tiêu thụ, hiệu suất sử dụng điện và chi phí của quá trình hấp phụ muối .1 Năng lượng tiêu thụ của điện cực của quá trình hấp phụ muối .2 Hiệu suất sử dụng điện của điện cực của quá trình hấp phụ muối .3 Chi phí vận hành với một số công nghệ hiện nay. 53 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

56 xxii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Bản đồ phân bố xâm nhập mặn tại ĐBSCL năm 1998-2020 .2 Công nghệ lọc thẩm thấu ngược (RO) .3 Công nghệ điện thẩm tách (ED) .4 Công nghệ trao đổi ion .5 Mô hình cấu tạo điện cực CDI cơ bản .6 Than hoạt tính (AC) .7 Cấu trúc của Graphene .8 Than carbon aerogel .9 Cấu trúc nanocarbon .10 Điện cực carbon aerogel và mô-đun CDI .1 Quy trình xử lý thân chuối .2 Quy trình điều chế than hoạt tính từ thân chuối .3 Quy trình chế tạo điện cực composite .4 Quy trình quét điện cực carbon composite .5 Mô hình đo quét thế vòng tuần hoàn .6 Mô hình hấp phụ muối .7 Đường chuẩn độ dẫn điện riêng theo từng nồng độ NaCl .1 Phổ FTIR của thân chuối trước và sau khi than hóa .2 Ảnh SEM của thân cây chuối sau khi than hóa ở 800°C .3 Biểu đồ hấp phụ - khử hấp phụ N2 của thân cây chuối sau khi than hóa ở 800°C .4 Phân bố kích thước hạt của thân chuối sau khi than hóa ở 800°C .5 Đường cong CV của điện cực carbon thân chuối .