Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước sạch đang trở thành tài nguyên quý giá và ngày càng khan hiếm, đặc biệt tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) – nơi chiếm gần 60% lượng nước của cả nước. Theo số liệu của Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia, tổng lượng dòng chảy vào ĐBSCL trong mùa lũ năm 2020 chỉ đạt khoảng 55% trung bình năm, thấp hơn 15% so với năm 2019. Chất lượng nước mặt suy giảm nghiêm trọng với nồng độ vi khuẩn E.coli vượt 2-5 lần, BOD5 và COD vượt 1-3 lần, cùng nhiều độc chất vượt 5-10 lần tiêu chuẩn cho phép. Nguồn nước ngầm cũng bị khai thác quá mức, dẫn đến tụt mực nước ngầm khoảng 15m tính đến năm 2015, gây lún sụt mặt đất và xâm nhập mặn sâu vào nội địa. Mùa khô 2019-2020, nước ngọt chỉ có thể lấy được cách cửa biển 40km, trong khi độ mặn xâm nhập sâu tới 100km trên một số sông lớn.

Trước thực trạng này, công nghệ chưng cất màng (Membrane Distillation - MD) được xem là giải pháp tiềm năng với ưu điểm khử mặn hiệu quả, vận hành ở nhiệt độ và áp suất thấp, diện tích nhỏ gọn. Tuy nhiên, MD còn hạn chế về thông lượng thấp và tiêu tốn nhiều năng lượng để gia nhiệt và bơm tuần hoàn. Luận văn tập trung nghiên cứu biến tính bề mặt màng PTFE bằng vật liệu graphene oxide (GO) và vận hành hệ thống chưng cất màng sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước mặn giả lập và nước mặn thực tế tại ĐBSCL. Mục tiêu cụ thể là so sánh hiệu suất khử mặn và thông lượng nước cất giữa màng PTFE gốc và màng PTFE biến tính GO trong điều kiện ánh sáng mặt trời trực tiếp, góp phần giảm chi phí năng lượng và mở rộng ứng dụng công nghệ tại vùng có điều kiện khó khăn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ chưng cất màng (Membrane Distillation - MD): Quá trình tách nước tinh khiết qua màng xốp kỵ nước dựa trên sự chênh lệch áp suất hơi do khác biệt nhiệt độ giữa hai mặt màng. Các cấu hình phổ biến gồm DCMD, VMD, AGMD và SGMD, trong đó DCMD được chọn nghiên cứu do tính phổ biến và hiệu quả cao.

  • Công nghệ chưng cất màng sử dụng năng lượng mặt trời (Nanophotonics-enabled Solar Membrane Distillation - NESMD): Ứng dụng lớp phủ quang tử nano trên màng để hấp thụ ánh sáng mặt trời, tạo nhiệt cục bộ, giảm thất thoát nhiệt và tăng hiệu suất vận hành so với MD truyền thống.

  • Vật liệu graphene oxide (GO): Vật liệu nano 2D có diện tích bề mặt lớn (~1500 m²/g), nhiều nhóm chức oxy giúp tăng tính ưa nước, khả năng hấp phụ và dẫn nhiệt cao (~5000 W/m.K). GO được sử dụng để biến tính bề mặt màng PTFE nhằm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, chống bám bẩn và cải thiện thông lượng nước cất.

Các khái niệm chính bao gồm: tính kỵ nước của màng, hiệu suất khử mặn, thông lượng nước cất, biến tính bề mặt màng, và năng lượng mặt trời trong xử lý nước.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước mặn giả lập với các nồng độ 2.5, 5, 10, 20, 35 g/l NaCl và nước mặn thực tế lấy tại vùng ĐBSCL với độ mặn khoảng 13.32 g/l. Màng PTFE gốc và màng PTFE biến tính bằng GO được sử dụng.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu: GO được tổng hợp theo phương pháp Tour, sau đó phủ lên màng PTFE bằng lọc màng với dung dịch GO 1 g/l, sấy khô ở 50°C.

  • Phương pháp đo đặc tính vật liệu: SEM để quan sát hình thái bề mặt và mặt cắt, đo độ xốp bằng phương pháp cân khối lượng dung dịch paraffin, phổ FTIR để xác định nhóm chức, đo góc tiếp xúc nước để đánh giá tính kỵ nước.

  • Phương pháp vận hành mô hình: Mô hình chưng cất màng sử dụng năng lượng mặt trời được thiết kế với khung mica trong suốt, bơm nhu động tuần hoàn nước mặn và nước cất với lưu lượng 90 ml/phút. Thí nghiệm thực hiện từ tháng 2 đến tháng 5/2022, mỗi ngày 7 tiếng (9h-16h).

  • Phân tích dữ liệu: Tính toán thông lượng nước cất (kg/m².h) và hiệu suất khử mặn (%) dựa trên độ mặn đầu vào và đầu ra. So sánh kết quả giữa màng PTFE gốc và màng PTFE/GO, giữa các điều kiện nhiệt độ và thời tiết khác nhau. Đánh giá chất lượng nước cất theo QCVN 01-1:2018/BYT.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và biến tính màng (tháng 2-3/2022), vận hành mô hình và thu thập số liệu (tháng 3-5/2022), phân tích và báo cáo kết quả (tháng 6/2022).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính vật liệu GO và màng biến tính: GO thu được dạng bột mịn màu đen, có khả năng phân tán tốt trong nước. Màng PTFE/GO có bề mặt nhẵn hơn, độ xốp giảm nhẹ so với màng PTFE gốc, góc tiếp xúc nước tăng từ khoảng 110° lên 120°, cho thấy tính kỵ nước được cải thiện. Phổ FTIR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức oxy trên màng biến tính.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ muối đến hiệu suất MD: Với màng PTFE gốc, thông lượng nước cất tăng từ khoảng 0.5 đến 1.2 kg/m².h khi nhiệt độ dòng nước mặn tăng từ 40°C lên 60°C ở nồng độ muối 5 g/l. Hiệu suất khử mặn duy trì trên 90% trong các điều kiện thử nghiệm. Khi nồng độ muối tăng lên 35 g/l, thông lượng giảm khoảng 30% so với 5 g/l.

  3. Hiệu quả vận hành mô hình NESMD với màng PTFE/GO: Thông lượng nước cất của màng PTFE/GO cao hơn màng PTFE gốc khoảng 15-20% trong các ngày nắng nóng, đạt tới 1.4 kg/m².h. Hiệu suất khử mặn của cả hai màng đều giữ trên 90%. Ở điều kiện thời tiết nhiều mây hoặc mưa, thông lượng giảm khoảng 40% so với ngày nắng, nhưng màng PTFE/GO vẫn duy trì hiệu suất tốt hơn.

  4. Chất lượng nước cất: Nước cất thu được từ cả hai loại màng đều đạt tiêu chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT về nước sạch sinh hoạt, với độ mặn dưới 0.5 g/l và các chỉ số pH, TDS, EC nằm trong giới hạn cho phép.

Thảo luận kết quả

Việc biến tính màng PTFE bằng GO giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và dẫn nhiệt, từ đó nâng cao nhiệt độ bề mặt màng, thúc đẩy quá trình bay hơi và tăng thông lượng nước cất. Đặc tính kỵ nước được cải thiện giúp giảm hiện tượng thấm ướt màng, duy trì hiệu suất khử mặn ổn định. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng vật liệu graphene oxide trong công nghệ chưng cất màng.

Sự giảm thông lượng khi tăng nồng độ muối là do hiện tượng phân cực muối và giảm chênh lệch áp suất hơi qua màng, điều này cũng được ghi nhận trong các nghiên cứu trước đây. Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết cho thấy năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng hiệu quả nhưng cần có giải pháp dự phòng hoặc tích hợp để đảm bảo vận hành liên tục trong điều kiện thời tiết xấu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thông lượng và hiệu suất khử mặn giữa màng PTFE gốc và PTFE/GO theo từng điều kiện nhiệt độ và nồng độ muối, cũng như bảng tổng hợp chất lượng nước cất so với tiêu chuẩn QCVN.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi màng PTFE biến tính GO trong hệ thống chưng cất màng sử dụng năng lượng mặt trời nhằm tăng thông lượng nước cất và hiệu suất khử mặn, đặc biệt tại các vùng có nguồn nước nhiễm mặn như ĐBSCL. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  2. Phát triển hệ thống tích hợp lưu trữ năng lượng mặt trời hoặc kết hợp nguồn năng lượng phụ trợ để đảm bảo vận hành ổn định trong điều kiện thời tiết nhiều mây hoặc mưa, giảm thiểu ảnh hưởng đến hiệu suất. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

  3. Nâng cao quy mô và tối ưu module màng để tăng công suất xử lý, giảm chi phí đầu tư và vận hành, hướng tới ứng dụng công nghiệp. Thời gian: 3-5 năm; chủ thể: các doanh nghiệp công nghệ và viện nghiên cứu.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các địa phương vùng sâu vùng xa nhằm nâng cao khả năng tự chủ trong xử lý nước sạch, giảm khai thác nước ngầm và hạn chế tác động của biến đổi khí hậu. Thời gian: liên tục; chủ thể: các tổ chức chính phủ và phi chính phủ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ chưng cất màng và vật liệu graphene oxide, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp công nghệ xử lý nước: Tham khảo để ứng dụng công nghệ biến tính màng và năng lượng mặt trời trong sản xuất thiết bị xử lý nước nhiễm mặn, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ phù hợp để xây dựng chính sách phát triển nguồn nước sạch bền vững tại các vùng chịu ảnh hưởng xâm nhập mặn.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư vùng ĐBSCL: Hỗ trợ lựa chọn công nghệ xử lý nước phù hợp, nâng cao nhận thức và khả năng ứng phó với khan hiếm nước sạch do biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ chưng cất màng khác gì so với thẩm thấu ngược (RO)?
    Chưng cất màng vận hành ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp hơn RO, sử dụng màng xốp kỵ nước để tách hơi nước, giúp loại bỏ hoàn toàn muối và các chất không bay hơi. RO sử dụng áp lực cao để đẩy nước qua màng bán thấm, tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.

  2. Tại sao sử dụng graphene oxide để biến tính màng PTFE?
    GO có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp thụ ánh sáng và dẫn nhiệt cao, giúp tăng nhiệt độ bề mặt màng, cải thiện thông lượng nước cất và chống bám bẩn, từ đó nâng cao hiệu suất chưng cất màng.

  3. Hiệu suất khử mặn của hệ thống đạt bao nhiêu?
    Hiệu suất khử mặn của cả màng PTFE gốc và màng PTFE/GO đều duy trì trên 90% trong các điều kiện thử nghiệm, đảm bảo chất lượng nước cất đạt tiêu chuẩn nước sạch sinh hoạt.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến hiệu quả chưng cất như thế nào?
    Ngày nắng nóng cung cấp năng lượng mặt trời cao giúp tăng thông lượng nước cất, trong khi ngày nhiều mây hoặc mưa làm giảm khoảng 40% thông lượng do giảm bức xạ mặt trời, nhưng màng biến tính GO vẫn duy trì hiệu suất tốt hơn.

  5. Công nghệ này có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp không?
    Hiện tại công nghệ đang được nghiên cứu và thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm và mô hình nhỏ. Việc mở rộng quy mô cần tối ưu module màng và hệ thống thu nhiệt để đảm bảo hiệu quả và kinh tế khi áp dụng công nghiệp.

Kết luận

  • Nghiên cứu thành công biến tính bề mặt màng PTFE bằng vật liệu graphene oxide, cải thiện tính kỵ nước, dẫn nhiệt và chống bám bẩn.
  • Hệ thống chưng cất màng sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp vận hành hiệu quả với thông lượng nước cất tăng 15-20% so với màng gốc, hiệu suất khử mặn trên 90%.
  • Nước cất thu được đạt tiêu chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT, phù hợp cho sinh hoạt và tưới tiêu.
  • Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết được đánh giá, đề xuất giải pháp tích hợp năng lượng để vận hành ổn định.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tại vùng ĐBSCL nhằm góp phần giải quyết khan hiếm nước sạch do xâm nhập mặn.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ, đồng thời triển khai thử nghiệm quy mô lớn tại các vùng bị ảnh hưởng để đánh giá thực tiễn và hoàn thiện giải pháp.