CHƯƠNG 1: TONG QUAN 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 điện cực tích điện, các điện cực thường được làm băng vật liệu carbon có độ xốp cao, là một 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 thụ điện 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 chưng cất, CDI được coi là công nghệ khử mặn nước lợ tiết kiệm năng lượng. Điều này chủ yếu là do CDI loại bỏ các ion mudi khỏi nước, trong khi các công nghệ khác tách nước khỏi dung dịch muối. 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 nano carbon, 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 đảo ngược 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 điện trường lớn giúp tiêu điệt các vi khuẩn trong nước. 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 từ 50% 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]. Phân loại CDI Căn cứ vào vật liệu tạo điện cực, có 4 loại CDI phô biến và cơ bản, đó là: 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 bề mặt 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. 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 nao trong 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 khi cực đương Ag thu giữ Cl thông qua phản ứng chuyển đổi thành AgCl. Không giống như carbon, vật liệu Faradaic bắt giữ các ion bằng phán ứng Faradaic liên quan đến sự truyền điện tích giữa các điện cực và các ion trong dung dịch. Sự truyền điện tích như vậy 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.
CDI điện cực dòng (low-electrode CDI) CDI điện cực dong chảy (FCDI) là một cau trúc tế bào khác phát sinh từ một sửa đổi của MCDI, trong đó các điện cực cố định giữa IEM và bộ thu dòng được thay thé bằng các điện cực chảy làm bằng huyền phù carbon. Điều này cho phép loại bỏ ion liên 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. 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/giải hấp cation và một điện cực điện dung đẻ hấp phụ/giải hấp anion, với AEM được đặt liền kẻ đến điện cực điện dung để nâng cao hiệu suất của nó.
Đối với pm khử muỗi, nó bao gồm hai điện cực pin/faradic chịu trách nhiệm vẻ hap phụ/giải hấp các cation và anion có trong dung dịch. Cuối cùng, tế bào CDI được được duy trì bằng cách sử dụng vật liệu xen kẽ cation faradaic cho cả hai điện cực được phan cách bằng AEM. 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 liệu đánh giá khác nhau, chăng hạn như mức tiêu thụ năng lượng cụ thê trên mỗi lít nước được sản xuất, mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi gam muối bị hap phụ, số gam mudi được 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 vận hành 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 lý thuyết, mô phỏng hoặc công việc thực nghiệm là có ý nghĩa tầm quan trọng hàng đầu cho 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=£ x V (LD m 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.
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. Điện cực trong công nghệ khử ion điện dung (CDI) 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.
Hiệu suất loại bỏ hấp thụ điện tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch cấp, tông nông độ muối hòa 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 của các 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.