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.