Đặt vấn đề Ở nhiều khu vực trên thế giới, người dân phải chịu cảnh thiếu nước uống và cả nước cho sinh hoạt, tưới tiêu và công nghiệp. Quá trình phát triển công nghiệp hóa cùng biến đổi khí hậu làm trầm trọng hơn việc thiếu nước sạch. Trong khi đó, nước lợ và nước biển chiếm hơn 97% trữ lượng nước trên thế giới, do đó việc xử lý nước nhiễm mặn thành nước sạch trở vô cùng cấp thiết [1]. Một số công nghệ tách muối khỏi nước nhiễm mặn được phát triển hiện nay như: lọc thẩm thấu ngược (reverse osmosis, RO), chưng cất, điện phân… để giải quyết nhu cầu nước ngọt.
Nhưng những công nghệ này đều đòi hỏi tốn chi phí về năng lượng cũng như chi phí đầu tư. Khử ion điện dung (capacitive deionization, CDI) là một kĩ thuật mới nổi để loại bỏ các ion hòa tan khỏi dung dịch nước và đã được áp dụng để khử mặn nước lợ, nước biển hay xử lý nước thải và làm mềm nước. Công nghệ CDI là một quá trình loại bỏ các ion muối khỏi nước bằng cách sử dụng sự chênh lệch điện thế giữa một cặp điện cực thường làm bằng carbon xốp, trong đó một điện cực tích điện dương sẽ hấp phụ các anion (các ion mang điện tích âm) và điện cực còn lại mang điện tích âm sẽ hấp phụ các cation (các ion tích điện dương) [2]. Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp, tiêu tốn ít năng lượng nhưng lại có hiệu quả tách muối cao đối với nguồn nước nhiễm mặn thấp và trung bình [3].
Việc phát triển công nghệ CDI đòi hỏi điện cực có độ hấp phụ cao, than hoạt tính dạng bột có diện tích bề mặt riêng lớn là một ưu thế trong việc sử dụng làm điện cực hấp phụ. Việc bổ sung vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ giúp tăng cường hiệu suất khử muối, trong đó TiO2 có chi phí thấp, tính ưa nước cao và độ ổn định tốt đã được sử dụng để tăng khả năng hấp phụ điện và hiệu suất CDI của các điện cực AC [4-6]. Trên cơ sở đó, trong phạm vi luận văn thạc sĩ, tác giả đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khử mặn bằng công nghệ khử ion điện dung (CDI) sử dụng điện cực composit AC-TiO2” nhằm đánh giá hiệu quả khử mặn của vật liệu làm điện cực.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới từ AC và TiO2 làm điện cực hấp phụ ion hòa tan trong công nghệ khử ion điện dung để xử lý nước nhiễm mặn.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: 2 ‐ Nội dung 1: Chế tạo vật liệu làm điện cực được kết hợp từ than hoạt tính và TiO2 ‐ Nội dung 2: Phân tích đặc trưng các mẫu vật liệu. ‐ Nội dung 3: Thử nghiệm khả năng xử lý của vật liệu, xác định điều kiện tối ưu.
‐ Nội dung 4: Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu và thông số động học.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: ‐ Vật liệu than hoạt tính, titanium dioxide (TiO2) ‐ Nước giả nhiễm mặn.2 Phạm vi nghiên cứu Khảo sát khả năng loại bỏ muối bằng phương pháp khử ion điện dung sử dụng vật liệu composit làm từ than hoạt tính tẩm TiO2 với quy mô phòng thí nghiệm. Địa điểm tại phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Tài nguyên tại cơ sở Dĩ An trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện từ tháng 09 đến tháng 12 năm 2022.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Tạo ra vật liệu hấp phụ có quy trình chế tạo đơn giản, dễ tìm để đáp ứng được nhu cầu khử mặn theo mong muốn.2 Ý nghĩa thực tiễn Chế tạo được vật liệu hấp phụ rẻ tiền với hiệu quả xử lý cao dùng cho quá trình khử mặn trong nước lợ.
Kết quả nghiên cứu đề tài có thể làm cơ sở ứng dụng cho các công trình xử lý tiếp theo.6 Tính mới của đề tài Chế tạo được vật liệu mới và đánh giá khả năng hấp phụ ion muối trong nước nhiễm mặn, từ đó tìm ra được những thông số tối ưu cho quá trình vận hành cũng như xem xét tiềm năng phát triển chúng trong tương lai. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tình hình nhiễm mặn tại Việt Nam Việt Nam là một quốc gia bị rơi vào tình trạng thiếu nước, mặc dù có mạng lưới sông ngòi dày đặc và có nhiều ao hồ. Số liệu thống kê của Hiệp hội tài nguyên nước quốc tế (IWRA) cho thấy, nguồn nước nội địa của Việt Nam đạt trung bình thấp, ở mức 3840 m3/người/năm, thấp hơn 400 m3/người/năm so với mức bình quân toàn cầu [7]. Trong thời gian qua, dưới tác động của biến đổi khí hậu, thực trạng nhiễm mặn trong các nguồn nước sinh hoạt ngày càng cao.
Đặc biệt tại đồng bằng sông Cửu Long nước mặn xâm nhập sớm và lâu hơn, lấn sâu vào nội đồng theo hệ thống sông, kênh rạch với những diễn biến phức tạp.1 Tổng quan về xâm nhập mặn Nước ngọt là nguồn tài nguyên khan hiếm, theo Tổ chức Khí tượng Thế giới, chỉ có khoảng 2,5 % tổng lượng nước trên trái đất là nước ngọt, phần còn lại là nước mặn [1]. Nguồn nước ngọt lớn nhất nằm dưới lòng đất và một phần nước mặt nằm rải rác ở nhiều khu vực trên thế giới. Nước ngầm được sử dụng rộng rãi để bổ sung cho nguồn nước mặt nhằm đáp ứng nhu cầu nước ngày càng tăng. Tuy nhiên, một trong những vấn đề đối với hệ thống nước ngầm ở những vùng ven biển chính là xâm nhập mặn.
Xâm nhập mặn là quá trình thay thế nước ngọt trong các tầng chứa nước ở ven biển bằng nước mặn do sự dịch chuyển của khối nước mặn vào tầng nước ngọt (Hình 2. Xâm nhập mặn làm giảm nguồn nước ngọt dưới lòng đất ở các tầng chứa nước ven biển do cả hai quá trình tự nhiên và con người gây ra.1 Sự chuyển dịch của khối nước mặn vào tầng nước ngọt [8] 4 Theo Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn: xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn với nồng độ mặn bằng 4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cường, nước biển dâng hoặc cạn kiệt nguồn nước ngọt. Xâm nhập mặn là vấn đề nghiêm trọng đối với nhiều chính quyền địa phương, vấn đề này đã được nỗ lực giải quyết trong bối cảnh đang diễn ra biến đổi khí hậu như nước biển dâng, tăng nhiệt độ, khai thác nước ngầm quá mức để đáp ứng nhu cầu nước cho phát triển, những nguyên nhân này đang làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn. Trong tự nhiên, bề mặt phân cách giữa nước ngọt và nước mặn hiếm khi ổn định [9].
Quá trình bổ sung nước hoặc khai thác nguồn nước ngầm đều dẫn đến sự dịch chuyển bề mặt phân cách giữa nước ngọt và nước mặn từ vị trí này sang vị trí khác. Sự dịch chuyển đó có thể làm mực nước dâng lên hoặc hạ xuống tùy thuộc vào việc nước ngọt đổ vào tầng ngậm nước tăng hay giảm. Do đó, sự thay đổi lượng nước ngầm gây ảnh hưởng trực tiếp đến xâm nhập mặn. Tình trạng này sẽ tăng nhanh hơn nếu giảm bổ sung nước ngầm.
Những thay đổi do biến đổi khí hậu như lượng mưa và nhiệt độ, thay đổi mục đích sử dụng đất cũng có thể làm thay đổi đáng kể tốc độ bổ sung nước ngầm cho các hệ thống tầng ngậm nước, gây ảnh hưởng đến quá trình xâm nhập mặn. Biến đổi khí hậu có thể ảnh hưởng sâu sắc đến chu trình thủy văn thông qua thay đổi lượng mưa, lượng nước bốc hơi và độ ẩm của đất. Lượng mưa có thể tăng hoặc giảm và phân bố không đồng đều trên toàn cầu. Hiện tượng này sẽ làm thay đổi lượng nước ngầm được bổ sung, đồng thời thay đổi tốc độ xâm nhập mặn vào tầng ngậm nước ven biển.
Các hoạt động thay đổi mục đích sử dụng đất và quản lý đất cũng có thể làm thay đổi trực tiếp đến hệ thống thủy văn, chế độ bốc hơi nước và dòng chảy. Do đó, sử dụng đất cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá nguồn nước ngầm. Đối với các cửa sông tiếp giáp với biển, hiện tượng xâm nhập mặn từ biển vào các sông xảy ra khá phổ biến, đặc biệt vào mùa khô. Khi đó lượng nước từ sông đổ ra biển giảm, thủy triều từ biển sẽ mang nước mặn lấn sâu vào lòng sông làm cho nước sông bị nhiễm mặn.
Nồng độ mặn sẽ giảm dần khi càng tiến sâu vào đồng bằng. Mức độ xâm nhập mặn vào sâu trong nội đồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố [9]: Lượng nước từ thượng nguồn đổ về, lưu lượng càng giảm, nước mặn càng tiến sâu vào đất liền. Biên độ triều cường vùng cửa sông: vào giai đoạn triều cường, nước mặn càng lấn sâu vào. 5 Địa hình: địa hình bằng phẳng là yếu tố thuận lợi cho sự xâm nhập mặn.
Các yếu tố khí tượng: gió từ biển hướng vào đất liền, nhiệt độ cao, mưa ít,. sẽ là tác nhân làm mặn lấn sâu vào nội địa. Hoạt động kinh tế của con người: nhu cầu sử dụng nước ngọt vào mùa khô tăng sẽ làm giảm nguồn nước ngầm, làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn. Việt Nam có trên 3000 km bờ biển, tập trung hàng triệu người sinh sống và khai thác các nguồn lợi từ biển.
Xâm nhập mặn diễn ra tại hầu hết các địa phương ven biển, gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động sản xuất và sinh hoạt của người dân, đặc biệt tại những cửa sông đổ ra biển. Hai đồng bằng rộng lớn của Việt Nam là Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là những nơi chịu ảnh hưởng lớn nhất của hiện tượng này. Nhiều giải pháp đã được đưa ra, phần nào hạn chế được tình trạng xâm nhập mặn nhưng trong bối cảnh biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng phức tạp thì trong thời gian tới, hiện tượng xâm nhập mặn vẫn là mối đe dọa lớn đến đời sống các khu vực này, đặc biệt là khu vực ĐBSCL, vựa lương thực của cả nước.2 Xâm nhập mặn tại ĐBSCL Sông Mê Công là con sông lớn thứ mười trên thế giới tính theo lưu lượng nước, bắt nguồn từ Tây Tạng ở độ cao 5000 m, diện tích lưu vực 795.000 km2 , chiều dài 4880 km, chảy qua 6 quốc gia gồm Trung Quốc, Lào, Thái Lan, Myanma, Campuchia và Việt Nam [10].