Nghiên cứu và chế tạo vật liệu graphene để khử mặn trong nước biển

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu và chế tạo vật liệu dựa trên cơ sở graphene để khử mặn trong nước biển, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Hoàng Thị Chiện
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Thị Tần
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo vật liệu dựa trên cơ sở Graphene để khử mặn trong nước biển
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG
• 1.1. Tổng quan về quá trình khử mặn và lựa chọn công nghệ
• 1.1.1. Sự phân bố nguồn nước trên trái đất và sự cần thiết phải khử mặn nước biển
• 1.1.2. Tình hình khử mặn nước biển
• 1.1.3. Thành phần của nước biển
• 1.1.4. Các quá trình khử mặn hiện nay
• 1.1.4.1. Phương pháp nhiệt
• 1.1.4.2. Phương pháp lọc màng
• 1.1.4.3. Phân tích lựa chọn công nghệ khử muối
• 1.2. Vật liệu graphene
• 1.2.1. Giới thiệu về vật liệu graphene
• 1.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình khử mặn bằng graphene
• 1.2.3. Các phương pháp tổng hợp graphene
• 1.3. Vật liệu than chì xốp Expanded Graphite (EG)
• 1.3.1. Cấu trúc và tính chất
• 1.3.2. Phương pháp tổng hợp
• 1.4. Vật liệu graphen oxit (GO)
• 1.4.1. Cấu trúc và tính chất của GO
• 1.4.2. Phương pháp tổng hợp GO
• 1.5. Vật liệu graphen oxit dạng khử rGO
• 1.5.1. Cấu trúc và tính chất của rGO
• 1.5.2. Các phương pháp tổng hợp rGO
• 1.6. Vật liệu PU (bọt xốp Polyurethane)
• 2. THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ MẶN BẰNG MÀNG LỌC DỰA TRÊN CƠ SỞ GRAPHENE
• 2.1. Mục đích nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.3. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.3.1. Dụng cụ và thiết bị
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
• 2.5. Phương pháp chế tạo vật liệu lọc dựa trên cơ sở graphen
• 2.5.1. Phương pháp chế tạo EG từ graphite
• 2.5.2. Phương pháp chế tạo GO
• 2.5.3. Phương pháp chế tạo rGO
• 2.5.4. Phương pháp chế tạo vật liệu lọc composite PU – rGO
• 2.6. Sơ đồ hệ lọc muối
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chế tạo graphite bông xốp EG
• 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của lượng axit H2SO4
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng (NH4)2S2O4
• 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt graphit
• 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian sốc nhiệt lò vi sóng đến KV
• 3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sốc nhiệt bằng lò nung đến KV
• 3.2. Kết quả khử muối
• 3.2.1. Kết quả khử muối bằng EG
• 3.2.2. Kết quả khử muối bằng rGO
• 3.2.3. Kết quả khử muối bằng EG và rGO
• 3.2.4. Kết quả khử muối bằng hệ PU và rGO
• 3.2.5. Kết quả phân tích vật liệu trước và sau khi khử muối
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu graphene khử mặn nước biển

Vật liệu graphene đang nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho vấn đề khử mặn nước biển. Với cấu trúc hai chiều và tính chất vượt trội, graphene có khả năng lọc nước hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng vật liệu graphene trong khử mặn không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm chi phí vận hành. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh khan hiếm nước ngọt toàn cầu.

1.1. Ứng dụng của graphene trong khử mặn nước biển

Graphene được sử dụng để chế tạo màng lọc có khả năng loại bỏ muối và tạp chất trong nước biển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng lọc graphene có thể đạt hiệu suất loại bỏ muối lên đến 71,4 mg/g, cao hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống như than hoạt tính.

1.2. Tính bền vững của vật liệu graphene

Vật liệu graphene không chỉ hiệu quả mà còn bền vững. Việc sử dụng graphene trong khử mặn giúp giảm thiểu tác động đến môi trường, đồng thời cung cấp nguồn nước sạch cho các khu vực ven biển và hải đảo.

II. Thách thức trong việc khử mặn nước biển bằng graphene

Mặc dù graphene có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc ứng dụng nó vào thực tiễn. Giá thành cao và sự ổn định của vật liệu graphene là những vấn đề cần được giải quyết. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất và giảm chi phí để graphene trở thành lựa chọn khả thi cho khử mặn nước biển.

2.1. Giá thành sản xuất graphene

Giá thành sản xuất graphene hiện tại vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi của nó trong khử mặn nước biển. Các nghiên cứu đang tìm kiếm các phương pháp sản xuất hiệu quả hơn để giảm chi phí.

2.2. Sự ổn định của vật liệu graphene

Sự ổn định của vật liệu graphene trong môi trường nước biển cũng là một thách thức lớn. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để đảm bảo rằng graphene có thể hoạt động hiệu quả trong thời gian dài mà không bị phân hủy.

III. Phương pháp chế tạo màng lọc graphene khử mặn

Quá trình chế tạo màng lọc graphene bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, than chì được xử lý để tạo ra graphene oxit (rGO). Sau đó, rGO được cố định trên nền vật liệu composite để tạo thành màng lọc. Phương pháp này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất lọc mà còn đảm bảo tính bền vững của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Quy trình tiền xử lý than chì

Quy trình tiền xử lý than chì là bước đầu tiên trong việc chế tạo graphene. Bằng cách sử dụng axit và nhiệt độ cao, than chì được chuyển đổi thành graphene oxit, tạo điều kiện cho quá trình khử mặn.

3.2. Cố định graphene trên nền composite

Sau khi tạo ra graphene oxit, bước tiếp theo là cố định nó trên nền vật liệu composite. Điều này giúp tạo ra màng lọc có kích thước mao quản nhỏ, tối ưu cho quá trình khử mặn nước biển.

IV. Kết quả nghiên cứu về hiệu suất khử mặn của graphene

Nghiên cứu cho thấy màng lọc graphene có khả năng loại bỏ muối hiệu quả. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất loại bỏ muối đạt khoảng 71,4 mg/g, cao hơn nhiều so với các vật liệu khác như than hoạt tính và màng ống nano carbon. Điều này chứng tỏ rằng graphene là một giải pháp khả thi cho vấn đề khan hiếm nước.

4.1. So sánh hiệu suất với các vật liệu khác

Khi so sánh với các vật liệu khác, graphene cho thấy hiệu suất vượt trội trong việc khử mặn. Than hoạt tính chỉ đạt hiệu suất từ 2-20 mg/g, trong khi màng ống nano carbon chỉ đạt 5 mg/g.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của màng lọc graphene

Màng lọc graphene không chỉ có tiềm năng trong nghiên cứu mà còn có thể được ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống khử mặn nước biển, đặc biệt ở các khu vực ven biển và hải đảo.

V. Kết luận và tương lai của vật liệu graphene trong khử mặn

Vật liệu graphene đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực khử mặn nước biển. Với những ưu điểm vượt trội và khả năng ứng dụng rộng rãi, graphene có thể trở thành giải pháp bền vững cho vấn đề khan hiếm nước. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức hiện tại và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về graphene trong khử mặn nước biển sẽ tiếp tục được mở rộng. Các nhà khoa học đang tìm kiếm các phương pháp mới để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Tác động đến nguồn nước toàn cầu

Nếu được ứng dụng rộng rãi, graphene có thể giúp giải quyết vấn đề khan hiếm nước trên toàn cầu, cung cấp nguồn nước sạch cho hàng triệu người, đặc biệt ở các khu vực ven biển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trên thế giới, khoảng 71% bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước, tuy nhiên chỉ có khoảng 3% là nước ngọt có thể sử dụng được. Tình trạng gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu đã làm nguồn nước ngọt ngày càng khan hiếm, với ước tính khoảng 0,7-1,2 tỷ người hiện nay không có nước sử dụng. Dự báo đến năm 2030, khoảng một nửa dân số thế giới sẽ sống trong tình trạng thiếu nước. Ở Việt Nam, với bờ biển dài hơn 3.260 km và hơn 2.700 đảo lớn nhỏ, nhu cầu cung cấp nước sạch cho các vùng ven biển và hải đảo là rất cấp thiết, ảnh hưởng trực tiếp đến an ninh, chính trị và phát triển kinh tế xã hội.

Khử mặn nước biển được xem là giải pháp khả thi để tăng nguồn nước ngọt, đặc biệt trong bối cảnh nguồn nước ngọt tự nhiên ngày càng suy giảm. Các công nghệ khử mặn hiện nay chủ yếu dựa trên phương pháp nhiệt (MSF, MED) và màng lọc (RO, ED). Tuy nhiên, các phương pháp này đều có hạn chế về chi phí đầu tư, vận hành và yêu cầu cơ sở hạ tầng phức tạp, không phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội ở nhiều vùng ven biển và hải đảo.

Trong bối cảnh đó, vật liệu graphene với cấu trúc 2D độc đáo, diện tích bề mặt riêng lớn (khoảng 2.630 m²/g), khả năng khử mặn hiệu quả và độ bền cao được xem là giải pháp tiềm năng cho quá trình khử mặn nước biển. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo màng lọc composite dựa trên graphene để khử mặn nước biển tại Quảng Ninh, Việt Nam, nhằm nâng cao hiệu suất lọc muối và giảm chi phí so với các công nghệ hiện có. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện từ nguyên liệu graphite thô đến chế tạo màng composite PU-rGO và đánh giá hiệu quả khử mặn qua các chỉ số độ dẫn điện và khả năng loại bỏ muối.

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:

• Lý thuyết cấu trúc và tính chất của graphene: Graphene là vật liệu 2D cấu tạo từ một lớp nguyên tử cacbon liên kết sp² theo mạng lục giác, có tính chất cơ học, điện và nhiệt vượt trội. Graphene oxit (GO) và graphene dạng khử (rGO) là các dạng biến đổi của graphene với các nhóm chức chứa oxy, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu và khả năng ứng dụng trong lọc nước.

• Mô hình khử mặn bằng màng lọc graphene: Màng graphene có các lỗ xốp kích thước nano (~0,9 nm) cho phép phân tử nước đi qua nhưng ngăn chặn ion muối nhờ kích thước lớn hơn. Màng composite PU-rGO kết hợp tính cơ học của polyurethane và khả năng lọc của rGO tạo thành hệ lọc hiệu quả.

• Khung lý thuyết về quá trình tổng hợp vật liệu: Phương pháp oxy hóa-khử để tổng hợp GO từ graphite xốp (EG), sau đó khử GO thành rGO bằng axit ascorbic, đồng thời chế tạo màng composite bằng phương pháp nhúng PU vào dung dịch GO.

Các khái niệm chính bao gồm: Expanded Graphite (EG), Graphene Oxide (GO), Reduced Graphene Oxide (rGO), Polyurethane (PU), và các phương pháp khử mặn như thẩm thấu ngược (RO), điện thẩm tách (ED).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu graphite thô, hóa chất KMnO4, H2SO4, axit ascorbic và polyurethane dạng bọt xốp. Nước biển lấy từ vùng Quảng Ninh làm mẫu thử.

• Phương pháp tổng hợp vật liệu: EG được tổng hợp bằng phương pháp xen chèn H2SO4 và (NH4)2S2O8 vào graphite, sau đó oxy hóa thành GO theo phương pháp Hummers cải tiến. GO được khử thành rGO bằng axit ascorbic ở 95°C trong 3 giờ. Màng composite PU-rGO được chế tạo bằng cách nhúng PU vào dung dịch GO với nồng độ 6 g/l, nhúng 3 lần, mỗi lần 1 giờ, không khuấy, sau đó khử GO trên PU bằng axit ascorbic.

• Phương pháp phân tích vật liệu: Cấu trúc và hình thái vật liệu được khảo sát bằng SEM, TEM, XRD, phổ Raman, BET và EDX. Đặc tính lọc muối được đánh giá qua đo độ dẫn điện của nước sau lọc bằng máy Thermo Scientific Eutech Elite PCTS.

• Phương pháp phân tích dữ liệu: Các thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy. Hệ số giãn nở Kv của EG được tính dựa trên thể tích riêng. Hiệu suất khử mặn được xác định bằng lượng muối loại bỏ (mg/g) và giảm độ dẫn điện (%).

• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và phân tích vật liệu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm các bước tổng hợp EG, GO, rGO, chế tạo màng composite và thử nghiệm lọc nước biển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của lượng axit H2SO4 đến giãn nở EG: Khi thể tích H2SO4 tăng từ 3 ml đến 4 ml, hệ số giãn nở Kv tăng mạnh, đạt giá trị tối ưu khoảng 35, cho thấy điều kiện 4 ml H2SO4 là phù hợp để tạo EG có cấu trúc xốp tốt. Khi tăng lên 5 ml, Kv giảm xuống còn khoảng 20, do quá trình oxi hóa quá mức làm giảm chất lượng vật liệu.

2. Hiệu suất khử mặn của các vật liệu: Màng composite PU-rGO đạt hiệu suất loại bỏ muối khoảng 71,4 mg/g sau khi lọc 500 ml dung dịch muối, vượt trội so với than hoạt tính (2-20 mg/g), màng ống nano carbon (5 mg/g) và graphene oxit 3D (66,3 mg/g). Độ dẫn điện của nước sau lọc giảm đáng kể, minh chứng cho khả năng giữ muối hiệu quả.

3. Đặc trưng vật liệu: SEM và TEM cho thấy rGO có cấu trúc mao quản nhỏ hơn 1 nm, phù hợp với cơ chế lọc ion muối. Phổ Raman và XRD xác nhận sự chuyển đổi từ GO sang rGO với mức độ khử cao, đồng thời BET cho thấy diện tích bề mặt riêng lớn, hỗ trợ khả năng hấp phụ và lọc.

4. Ảnh hưởng của nồng độ GO và số lần nhúng PU: Nồng độ GO 6 g/l và 3 lần nhúng là điều kiện tối ưu để GO thấm sâu vào PU, tạo màng composite đồng nhất, tăng khả năng khử mặn. Khuấy trong quá trình nhúng làm giảm lượng GO hấp thụ, do đó không khuấy được lựa chọn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng graphite xốp EG làm nguyên liệu đầu vào giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng oxy hóa, từ đó tạo ra GO có kích thước tấm lớn và chất lượng cao hơn so với graphite thông thường. Việc khử GO thành rGO bằng axit ascorbic không chỉ thân thiện môi trường mà còn tạo ra vật liệu có độ dẫn điện và cấu trúc mao quản phù hợp cho lọc nước.

Hiệu suất khử mặn của màng composite PU-rGO vượt trội so với các vật liệu truyền thống nhờ sự kết hợp giữa tính cơ học của PU và khả năng giữ muối của rGO. Các kết quả đo độ dẫn điện và lượng muối loại bỏ được minh họa rõ ràng qua các biểu đồ giảm độ dẫn điện sau lọc, cho thấy hiệu quả lọc cao và ổn định.

So sánh với các nghiên cứu khác, hiệu suất lọc của màng PU-rGO cao hơn đáng kể so với graphene oxit 3D và than hoạt tính, đồng thời chi phí chế tạo thấp hơn do sử dụng phương pháp tổng hợp đơn giản và nguyên liệu sẵn có. Điều này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các vùng ven biển và hải đảo, nơi điều kiện kinh tế và hạ tầng còn hạn chế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất màng composite PU-rGO quy mô pilot: Tăng cường đầu tư thiết bị chế tạo màng tại các vùng ven biển trong vòng 1-2 năm nhằm cung cấp giải pháp lọc nước sạch hiệu quả, giảm chi phí vận hành so với công nghệ RO và MSF.

2. Nâng cao chất lượng vật liệu EG và rGO: Tối ưu hóa quy trình tổng hợp EG và khử GO bằng axit ascorbic để tăng diện tích bề mặt và độ bền cơ học của màng, hướng tới nâng cao hiệu suất lọc trên 80 mg/g trong 3 năm tới.

3. Phát triển hệ thống lọc nước di động sử dụng màng PU-rGO: Thiết kế và thử nghiệm các bộ lọc nhỏ gọn, dễ vận hành cho ngư dân và các cộng đồng hải đảo, giúp cung cấp nước ngọt trực tiếp trên tàu thuyền trong vòng 1 năm.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp địa phương về quy trình sản xuất và vận hành màng lọc graphene, đảm bảo khả năng ứng dụng bền vững trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về tổng hợp vật liệu graphene và ứng dụng trong lọc nước, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc nước và vật liệu mới: Tham khảo quy trình chế tạo màng composite PU-rGO để phát triển sản phẩm lọc nước biển hiệu quả, giảm chi phí và nâng cao tính cạnh tranh.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về tài nguyên nước: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ mới nhằm hỗ trợ phát triển bền vững nguồn nước sạch cho vùng ven biển và hải đảo.

4. Ngư dân và cộng đồng vùng ven biển, hải đảo: Áp dụng công nghệ lọc nước biển đơn giản, hiệu quả, giúp cải thiện điều kiện sinh hoạt và sản xuất, giảm phụ thuộc vào nguồn nước ngọt từ đất liền.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu graphene có ưu điểm gì so với màng lọc truyền thống?
   Graphene có diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao và khả năng khử mặn hiệu quả nhờ các lỗ xốp nano, giúp tăng tốc độ lọc và giảm năng lượng tiêu thụ so với màng RO hoặc than hoạt tính.

2. Phương pháp tổng hợp graphene oxit và khử graphene oxit được thực hiện như thế nào?
   GO được tổng hợp từ graphite xốp bằng phương pháp Hummers cải tiến sử dụng KMnO4 và H2SO4, sau đó khử thành rGO bằng axit ascorbic ở nhiệt độ 95°C trong 3 giờ, tạo vật liệu có độ dẫn điện cao và cấu trúc mao quản phù hợp.

3. Hiệu suất khử mặn của màng composite PU-rGO đạt được là bao nhiêu?
   Màng composite PU-rGO đạt hiệu suất loại bỏ muối khoảng 71,4 mg/g sau khi lọc 500 ml dung dịch muối, cao hơn nhiều so với than hoạt tính và các màng graphene oxit 3D khác.

4. Có thể ứng dụng công nghệ này ở quy mô nào?
   Công nghệ phù hợp từ quy mô nhỏ như thiết bị lọc nước di động cho ngư dân đến quy mô công nghiệp tại các vùng ven biển và hải đảo, nhờ chi phí thấp và quy trình chế tạo đơn giản.

5. Những thách thức chính khi ứng dụng màng graphene trong khử mặn là gì?
   Chi phí nguyên liệu graphene còn cao, độ ổn định của màng trong môi trường nước biển cần được cải thiện, đồng thời cần phát triển quy trình sản xuất đại trà và thiết bị lọc phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết luận

• Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu Expanded Graphite (EG) với hệ số giãn nở Kv tối ưu khoảng 35 khi sử dụng 4 ml H2SO4, tạo tiền đề cho quá trình tổng hợp graphene oxit chất lượng cao.
• Chế tạo thành công màng composite PU-rGO với kích thước mao quản nhỏ hơn 1 nm, đạt hiệu suất khử mặn khoảng 71,4 mg/g, vượt trội so với các vật liệu lọc truyền thống.
• Phương pháp khử GO thành rGO bằng axit ascorbic là thân thiện môi trường, hiệu quả và phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.
• Màng composite PU-rGO có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong khử mặn nước biển tại các vùng ven biển và hải đảo của Việt Nam.
• Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng, sản xuất pilot và phát triển thiết bị lọc nước di động trong 1-3 năm tới để ứng dụng thực tiễn.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho công nghệ khử mặn nước biển dựa trên vật liệu graphene, góp phần giải quyết vấn đề thiếu nước sạch tại các vùng khó khăn, đồng thời thúc đẩy phát triển khoa học công nghệ vật liệu mới trong nước. Đề nghị các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm đầu tư, hợp tác phát triển để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG .1 Tổng quan về quá trình khử mặn và lựa chọn công nghệ .1 Sự phân bố nguồn nước trên trái đất và sự cần thiết phải khử mặn nước biển 1 1.2 Tình hình khử mặn nước biển .3 Thành phần của nước biển .4 Các quá trình khử mặn hiện nay .5 Phương pháp nhiệt .6 Phương pháp lọc màng.7 Phân tích lựa chọn công nghệ khử muối .2 Vật liệu graphene .1 Giới thiệu về vật liệu graphene .2 Cơ sở lý thuyết của quá trình khử mặn bằng graphene.3 Các phương pháp tổng hợp graphene .3 Vật liệu than chì xốp Expanded Graphite (EG) .1 Cấu trúc và tính chất .2 Phương pháp tổng hợp .4 Vật liệu graphen oxit (GO) .1 Cấu trúc và tính chất của GO .2 Phương pháp tổng hợp GO .5 Vật liệu graphen oxit dạng khử rGO .1 Cấu trúc và tính chất của rGO.2 Các phương pháp tổng hợp rGO .6 Vật liệu PU (bọt xốp Polyurethane). THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ MẶN BẰNG MÀNG LỌC DỰA TRÊN CƠ SỞ GRAPHENE .1 Mục đích nghiên cứu .2 Đối tượng nghiên cứu.3 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.2 Dụng cụ và thiết bị .4 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu .5 Phương pháp chế tạo vật liệu lọc dựa trên cơ sở graphen .1 Phương pháp chế tạo EG từ graphite .2 Phương pháp chế tạo GO .3 Phương pháp chế tạo rGO .4 Phương pháp chế tạo vật liệu lọc composite PU –rGO .6 Sơ đồ hệ lọc muối. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 Kết quả chế tạo graphite bông xốp EG .1 Khảo sát ảnh hưởng của lượng axit H2SO4 .2 Khảo sát ảnh hưởng của lượng (NH4)2S2O4.3 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt graphit.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian sốc nhiệt lò vi sóng đến KV 43 3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sốc nhiệt bằng lò nung đến KV 45 3.2 Kết quả khử muối .1 Kết quả khử muối bằng EG.2 Kết quả khử muối bằng rGO .3 Kết quả khử muối bằng EG và rGO .4 Kết quả khử muối bằng hệ PU và rGO .5 Kết quả phân tích vật liệu trước và sau khi khử muối.

66 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 67 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ED Electro Dialysis - Điện thẩm tích MEE Multiple Effect Evaporation – Bay hơi đa bậc MSF Multiple Stage Flash – Bay hơi nhanh nhiều bậc MF Microfiltration – Vi lọc UF Utrafiltration – Siêu lọc NF Nanofiltration - Lọc nano RO Reverse Osmosis – Thẩm thấu ngược EG Expanded Graphite GO Graphen oxit rGO Reduced Graphene Oxide – Graphen dạng khử PU Polyurethane DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu đồ phân bố nước trên trái đất .2 Thành phần của nước biển .3 Sơ đồ nguyên lý khử muối .4 Sơ đồ hệ thống khử mặn MSF .5 Sơ đồ nguyên tắc khử mặn MED .6 Sơ đồ quá trình điện thẩm tách .7 Qúa trình thẩm thấu ngược.8 Cơ chế lọc muối của màng RO .9 Dạng 3D của các tấm graphen trong mạng lưới graphit .10 Nguyên lý khử mặn của màng Graphene .11 Nguyên lý giữ muối của màng 2D Graphene .12 Phương pháp tách lớp graphene bằng băng dính .13 Sơ đồ mô tả quá trình tách hóa học graphit thành graphen.14 Tổng hợp graphen bằng phân tách pha lỏng LPE .15 Sự hình thành lớp màng graphen trên bề mặt đế Ni .16 Hình ảnh than chì xốp Expanded Graphite .17 Chế tạo EG bằng phương pháp xen chèn H2SO4/HNO3 [12] .18 Chế tạo EG bằng phương pháp sốc nhiệt [13] .19 Cấu trúc của GO .20 Qúa trình khử GO thành rGO.21 Phản ứng giữa các nhóm chức của GO với Axit ascobic .22 Phản ứng chính hình thành PU .1 PU được làm sạch và sấy .2 Nhúng PU vào dung dịch GO .3 Mặt cắt ngang của các tấm PU ngâm trong các nồng độ GO khác nhau .4 PU trước và sau nhúng GO .5 Khử hệ PU – GO bằng tác nhân axit ascorbic .6 Sơ đồ hệ lọc muối.1 Ảnh hưởng của lượng axit H2SO4 đến Kv .2 Ảnh hưởng của lượng (NH4)2S2O8 đến Kv .3 Ảnh hưởng của kích thước hạt graphite đến Kv.4 Ảnh hưởng của thời gian sốc nhiệt đến Kv .5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lò nung đến Kv .6 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện của nước muối sau lọc bằng EG .7 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện của nước muối sau lọc bằng rGO .8 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện của nước muối sau lọc bằng EG+rGO .9 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện của nước muối sau lọc bằng PU-rGO.10 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện của nước muối sau lọc bằng PU-rGO với khối lượng rGO=5g .11 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện của nước khử ion sau khi tái sinh PU-rGO .12 Ảnh SEM bề mặt vật liệu sau khi lọc muối .13 Ảnh SEM với độ phóng đại 10.000 lần của các mẫu EG khi chế tạo bằng graphit kích thước khác nhau .14 XRD của graphite và 3 mẫu Graphite giãn nở .15 phổ Raman của mẫu Graphite, và 3 mẫu Graphite giãn nở có kích thước khác nhau.16 Ảnh SEM của GO ( hình a, b); Ảnh SEM của rGO ( hình c,d) .17 Ảnh SEM của Rgo trước khi ngâm tẩm PU .18 Hình ảnh TEM của mẫu rGO .19 Ảnh phân tích XRD của Rgo và GO .20 Ảnh phân tích Raman của GO và hệ rGO .21 Hình ảnh đo BET của vật liệu .22 Hình ảnh đo kích thước mao quản BET.23 Ảnh phân tích SEM của hệ PU-RGO. Kết quả phân tích XRD của PU- rGO. Kết quả phân tích EDX của PU- rGO .26 Diện tích bề mặt riêng của (chấm đỏ), PVA-rGO (ô vuông) .27: Kích thước mao quản của rGO (chấm đỏ), PU-rGO (ô vuông).

65 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Điều kiện làm việc và công suất lọc nước của công nghệ nhiệt và màng[13]. 14 Đặc tính của PU: .1 Danh mục các nguyên vật liệu sử dụng trong luận văn .2 Khảo sát thời gian nhúng PU trong GO.3 Khảo sát nồng độ GO .4 Khảo sát tác nhân khuấy .5 Khảo sát số lần nhúng .1 Khảo sát ảnh hưởng của lượng axit H2SO4 đến Kv .2 Khảo sát ảnh hưởng của lượng (NH4)2S2O8 đến Kv .3 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt graphite đến Kv. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian sốc nhiệt đến Kv. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lò nung đến Kv .6 Kết quả khử muối bằng EG .7 Kết quả khử muối bằng rGO .8 Kết quả khử muối bằng hệ EG và rGO.9 Kết quả khử muối bằng hệ PU-rGO .10: Diện tích bề mặt riêng cụ thể của vật liệu.

TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Tổng quan về quá trình khử mặn và lựa chọn công nghệ 1.1 Sự phân bố nguồn nước trên trái đất và sự cần thiết phải khử mặn nước biển Khoảng 71% bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước, nước không phải tài nguyên khan hiếm. Tuy nhiên, trong tổng lượng nước trên thế giới (bao phủ 71% bề mặt trái đất), chỉ có 3% là nước ngọt mà con người có thể sử dụng được [1].1 Biểu đồ phân bố nước trên trái đất Hiện nay do vấn đề gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu,… đã khiến cho nguồn nước ngọt sử dụng được càng khan hiếm trầm trọng. Theo Liên hợp quốc và Y tế thế giới hiện nay khoảng 0,7-1,2 tỷ người không có nước sử dụng [10]. Với tình trạng biến đổi khí hậu hiện nay, người ta ước tính rằng vào năm 2030, khoảng một nửa dân số thế giới sẽ sống trong tình trạng thiếu nước [10].

Ngân hàng thế giới cho rằng, trong tương lai không xa, nước sạch có thể là yếu tố gây mất ổn định chính trị, xung đột vũ trang hay giảm tăng trưởng kinh tế, nghèo đói, bệnh tật. Để đảm bảo khả năng cung cấp nước trong tương lai, bao gồm việc bảo vệ các nguồn nước ngọt tự nhiên sẵn có. Hai cách khả thi duy nhất để làm tăng khối lượng tài nguyên nước ngọt đó là khử mặn nước và tái sử dụng nước. Nước biển là nguồn nước dường như không giới hạn, có thể được sử dụng mà không làm suy giảm hệ sinh thái nước ngọt tự nhiên.

Kỹ thuật khử muối có thể cung cấp nước ở bất cứ nơi nào có nguồn nước mặn hoặc lợ. Bằng cách chuyển đổi chỉ một một phần nhỏ các nguồn nước mặn thành nước ngọt, đã đóng góp đáng kể vào việc giải quyết vấn đề khan hiếm nước. Do đó quá trình khử muối được coi là một cách tốt nhất để chống lại hoặc giảm thiểu tình trạng khan hiếm nước. Về mặt địa lý Việt Nam có ba mặt giáp biển.

Đông và Nam giáp biển Đông (thuộc Thái Bình Dương) với bờ biển kéo dài khoảng 3.260 km, kể từ Móng Cái ở phía bắc đến Hà Tiên ở phía tây Nam, và với hệ thống đảo ven bờ gồm có 2.773 1 hònđảo lớn nhỏ diện tích từ 0,001 km2 đến 100 km2, diện tích tổng cộng lên đến 1.720 km2, kèm theo đó là một lượng lớn dân cư sống tại đây. Việc đảm bảo những nhu cầu vật chất tối thiểu cho lượng dân cư sống tại đây là một yêu cầu cực kỳ quan trọng, nó ảnh hưởng sâu sắc tới tình hình an ninh, chính trị và quân sự. Hiện nay nhà nước ta đã dùng nhiều phương pháp nhằm cung cấp nước sạch đến các vùng này như đưa các xe nước sạch từ trong đất liền ra, xây dựng đường ống cung cấp nước từ các vùng lân cận… Tuy nhiên các phương pháp này rất tốn kém và không thể chủ động được cho người dân sống trong khu vực. Đó không thể là một phương pháp dùng để duy trì lâu dài và đòi hỏi phải có những phương pháp khác thay thế.

Đồng thời, đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá, đô thị hoá mạnh mẽ, các thành phố du lịch ven biển, các thành phố cảng sẽ mọc lên nhanh chóng và tại các đô thị này nguồn nước ngọt cũng không dễ dàng được cung cấp đầy đủ. Từ những nhìn nhận như vậy ta thấy khử mặn nước biển là việc làm cần thiếtđể giải quyết phần nào nguồn nước sinh hoạt cho một bộ phận dân cư nói trên.2 Tình hình khử mặn nước biển Kể từ đầu thế kỷ này, trên thế giới có khoảng 13.500 nhà máy khử muối đang hoạt động với công suất khoảng 26 tỷ m3/ngày, cung cấp nước cho khoảng 120 quốc gia. Công suất sản phẩm hiện nay gần như gấp đôi thập kỷ trước. Dự đoáncông suất khử mặn trên thị trường vượt 70 tỷ đô la trong 20 năm tới.

Khoảng 10 tỷ đô la sẽ được đầu tư cho việc lắp đặt các nhà máy khử mặn trên thế giới trong vòng 5 năm tới, sẽ tăng công suất lên 53 tỷ m3/ ngày. Năm 1996, các quốc gia vùng vịnh và Mỹ chiếm 65% sản lượng trên toàn thếgiới.