I. Tổng quan nghiên cứu xử lý asen nước ngầm bằng zeomangan CDI
Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng vật liệu zeomangan kết hợp công nghệ CDI được thực hiện năm 2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Đồ án do sinh viên Lê Ngọc Quang thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Đỗ Hữu Quyết. Đề tài tập trung giải quyết bài toán ô nhiễm asen nghiêm trọng trong nguồn nước sinh hoạt ngầm. Asen là nguyên tố cực độc, gây tổn thương da, ung thư và suy nội tạng khi tích tụ lâu ngày. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tiêu tốn nhiều hóa chất, phát sinh bùn thải độc hại và chi phí vận hành tốn kém. Việc kết hợp hạt lọc xúc tác zeomangan với công nghệ siêu hấp thu điện dung CDI mở ra hướng tiếp cận đột phá. Hệ thống vận hành liên tục qua hai giai đoạn kế tiếp nhau. Giai đoạn đầu oxy hóa và lọc giữ kim loại nặng. Giai đoạn sau khử ion hòa tan bằng trường điện thấp. Sự kết hợp này tối ưu hóa độ sạch của nước sau xử lý. Quy trình không sử dụng hóa chất độc hại bổ sung. Đồ án đánh dấu bước tiến quan trọng trong làm chủ công nghệ xanh.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
Năm 2020, nhóm nghiên cứu thuộc ngành Công nghệ Vật liệu đã hoàn thiện đồ án này. Đề tài tập trung giải quyết tình trạng ô nhiễm asen tại đồng bằng sông Cửu Long và ven sông Hồng. Nhiều hộ dân nông thôn đang khai thác nước ngầm nhiễm kim loại nặng chưa qua xử lý đạt chuẩn. Đồ án xây dựng mô hình thử nghiệm với mục tiêu xử lý asen nồng độ cao về mức an toàn. Nhóm tác giả hướng đến thiết kế nhỏ gọn, tiêu thụ ít điện năng và dễ bảo trì. Công trình góp phần đưa các công nghệ vật liệu mới ứng dụng vào thực tiễn. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng to lớn của giải pháp tại Việt Nam.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu và ý nghĩa khoa học của đề tài
Mục tiêu cốt lõi là khảo sát hiệu quả loại bỏ asen của vật liệu hạt zeomangan khi kết hợp hệ siêu hấp thu CDI. Nghiên cứu xác định các thông số vận hành tối ưu bao gồm lưu lượng dòng chảy, điện áp cấp và thời gian lưu nước. Về mặt học thuật, công trình làm sáng tỏ cơ chế oxy hóa xúc tác As(III) thành As(V) trên bề mặt quặng zeomangan. Đồng thời, đề tài đánh giá khả năng tích tụ điện tích và giải hấp ion asen trên điện cực carbon xốp. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh sự tương thích cao giữa hai giai đoạn. Đây là cơ sở khoa học quan trọng cho các thiết kế cấp nước tương lai.
II. Phân tích thực trạng ô nhiễm asen nước ngầm và thách thức xử lý
Nguồn nước ngầm tại nhiều khu vực địa chất chứa hàm lượng asen vượt ngưỡng quy chuẩn từ năm đến vài chục lần. Asen tồn tại chủ yếu ở hai dạng ion vô cơ là arsenite As(III) và arsenate As(V). Dạng As(III) không tích điện ở khoảng pH trung tính, có độ độc rất cao và cực kỳ khó hấp phụ hay kết tủa. Các công nghệ truyền thống như lắng lọc bằng vôi, keo tụ bằng phèn sắt đòi hỏi châm hóa chất liên tục. Quá trình này tạo ra khối lượng lớn bùn chứa asen khó cô lập an toàn. Mặt khác, công nghệ lọc màng thẩm thấu ngược RO tuy khử asen tốt nhưng lại tạo nước thải đậm đặc và gây nghẹt màng liên tục do cặn sắt bám dính. Lọc trao đổi ion cũng suy giảm hiệu năng nhanh khi nguồn nước có độ cứng và ion cạnh tranh lớn. Thách thức đặt ra là cần tìm một công nghệ có thể chuyển hóa As(III) mà không dùng chất oxy hóa nguy hiểm. Đồng thời, hệ thống phải tách triệt để ion As(V) với tỷ lệ thu hồi nước sạch cao nhất.
2.1. Độc tính và dạng tồn tại của asen trong nước ngầm
Asen xâm nhập vào mạch nước ngầm do sự hòa tan khoáng vật chứa asen trong điều kiện khử. Trong tầng chứa nước sâu, asen tồn tại ưu thế ở dạng As(III) với hợp chất H3AsO3 trung hòa điện tích. Dạng hóa trị ba này có độc tính sinh học cao gấp từ hai mươi đến sáu mươi lần so với dạng As(V). Các ion As(III) dễ dàng xuyên qua màng tế bào, ức chế enzyme hô hấp và gây biến đổi gen. Ngược lại, As(V) tồn tại chủ yếu dưới dạng anion H2AsO4- hoặc HAsO4(2-) ở môi trường tự nhiên. Dạng ion âm này dễ liên kết tĩnh điện với bề mặt vật liệu tích điện dương. Do đó, bước tiền xử lý chuyển đổi trạng thái oxy hóa mang tính chất quyết định.
2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý truyền thống
Phương pháp keo tụ lắng lọc truyền thống sử dụng phèn nhôm hoặc phèn sắt có chi phí ban đầu thấp nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm. Kỹ thuật này đòi hỏi kiểm soát pH nghiêm ngặt và tiêu tốn nhiều hóa chất trợ lắng. Lượng bùn thải chứa asen phát sinh rất lớn, tiềm ẩn rủi ro tái ô nhiễm. Công nghệ lọc màng RO tuy khử ion tốt nhưng tiêu tốn điện năng và lãng phí từ 30% đến 50% lượng nước cấp. Ngoài ra màng RO rất dễ tắc nghẽn do cặn oxit kim loại. Phương pháp trao đổi ion lại đòi hỏi hóa chất đậm đặc hoàn nguyên. Điều này thúc đẩy việc tìm kiếm giải pháp zeomangan và CDI.
III. Giải pháp kết hợp zeomangan và công nghệ CDI xử lý triệt để asen
Giải pháp công nghệ trong đồ án tốt nghiệp năm 2020 đề xuất chuỗi xử lý liên hoàn giữa hạt zeomangan và module CDI. Vật liệu hạt zeomangan được phủ lớp mangan đioxit MnO2 hoạt tính cao đóng vai trò lớp lọc tiền xử lý. Nước ngầm nhiễm asen khi đi qua cột lọc zeomangan sẽ diễn ra phản ứng oxy hóa xúc tác nhanh chóng. Toàn bộ asen hóa trị ba As(III) lập tức chuyển hóa thành asen hóa trị năm As(V) đồng thời loại bỏ sạch sắt và mangan kết tủa. Dòng nước sau lọc tiếp tục dẫn vào buồng siêu hấp thu điện dung CDI. Module CDI cấu tạo từ các tấm điện cực carbon xốp có diện tích bề mặt riêng lớn trên 1000 m2/g. Khi cấp nguồn điện một chiều điện áp thấp từ 1.0V đến 1.4V, một điện trường tĩnh điện hình thành giữa hai cực. Các ion As(V) mang điện tích âm bị hút chặt và giữ lại trong lớp điện tích kép của cực dương. Cơ chế này loại bỏ asen triệt để mà không phát sinh ô nhiễm thứ cấp.
3.1. Cơ chế xúc tác oxy hóa asen của hạt zeomangan
Hạt zeomangan là vật liệu quặng tự nhiên được xử lý và bọc màng mangan oxit MnO2 bền vững trên bề mặt. Khi nước ngầm chảy qua lớp vật liệu, lớp MnO2 đóng vai trò tác nhân nhận electron mạnh. Hợp chất As(III) lập tức bị oxy hóa thành anion As(V) theo phản ứng bề mặt. Quá trình này không đòi hỏi bổ sung hóa chất khử trùng. Ngoài ra, zeomangan đồng thời oxy hóa và kết tủa sắt, mangan hòa tan. Các kết tủa hình thành hấp phụ một phần asen tự do. Nhờ vậy, tải lượng asen đi vào công đoạn sau giảm mạnh. Lớp lọc được làm sạch bằng quy trình sục rửa cơ học.
3.2. Nguyên lý siêu hấp thu ion asen bằng công nghệ CDI
Công nghệ CDI dựa trên hiện tượng tích tụ điện tích trong lớp điện tích kép trên bề mặt điện cực carbon xốp. Khi cấp điện thế khoảng 1.2V vào hai cực, trường tĩnh điện được thiết lập trong buồng phản ứng. Các anion arsenate H2AsO4- và HAsO4(2-) di chuyển về phía cực dương và bị giam giữ trong các vi mao quản. Nước đầu ra được tinh sạch hoàn toàn khỏi asen và ion lạ. Khi điện cực bão hòa, hệ thống giải hấp bằng cách ngắt điện hoặc đảo cực. Các ion asen bị đẩy ra dòng nước xả đậm đặc thể tích nhỏ. Điện cực hồi phục hoàn toàn mà không cần hóa chất tẩy rửa.
IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng hệ thống zeomangan CDI thực tế
Nghiên cứu của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh năm 2020 chứng minh tính khả thi vượt trội của mô hình kết hợp zeomangan và CDI. Hệ thống đạt hiệu suất loại bỏ asen tổng số lên đến trên 95%, đưa nồng độ asen về dưới mức 0.01 mg/L theo chuẩn nước uống của Bộ Y tế. Nhờ bước đệm xúc tác zeomangan, điện cực CDI được bảo vệ tối đa khỏi hiện tượng bám cặn kim loại, giúp nâng cao tuổi thọ linh kiện. Mức tiêu hao năng lượng của hệ thống đo được ở mức rất thấp, chỉ khoảng 0.3 đến 0.5 kWh cho mỗi mét khối nước sạch. Chi phí vận hành dài hạn giảm hơn 40% so với phương pháp lọc màng thẩm thấu ngược. Công nghệ này có khả năng ứng dụng thực tế rất rộng rãi tại các trạm cấp nước tập trung và máy lọc gia đình. Những khu vực ô nhiễm asen tại nông thôn Việt Nam sẽ hưởng lợi lớn từ giải pháp xanh này.
4.1. Hiệu suất xử lý và ưu điểm tiết kiệm năng lượng
Kết quả đồ án ghi nhận hiệu suất khử asen ổn định trên 95% đối với mẫu nước có nồng độ asen cao tới 0.5 mg/L. Nồng độ asen đầu ra luôn đạt quy chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT. Công nghệ CDI vận hành ở điện áp an toàn dưới 1.5V nên tiêu thụ điện năng rất thấp. Tỷ lệ thu hồi nước đạt trên 85%, vượt trội so với màng RO. Ngoài ra, việc thu hồi năng lượng trong chu kỳ giải hấp giúp tiết kiệm thêm 20% điện năng. Hệ thống không tạo hóa chất độc hại ra môi trường. Thiết bị có độ bền cơ học và tuổi thọ rất cao.
4.2. Khả năng nhân rộng quy mô và thương mại hóa
Hệ thống lọc zeomangan kết hợp CDI sở hữu thiết kế dạng module linh hoạt, dễ mở rộng công suất theo nhu cầu. Các vật liệu zeomangan và điện cực carbon xốp đều có thể chế tạo trong nước nhằm hạ giá thành. Quy trình vận hành tự động hóa hoàn toàn bằng bộ điều khiển, giảm tối đa chi phí nhân công. Với chi phí bảo dưỡng thấp cùng độ ổn định cao, giải pháp rất phù hợp triển khai tại các vùng sâu vùng xa. Đồ án năm 2020 tạo nền tảng vững chắc cho quá trình thương mại hóa thiết bị xử lý nước sạch.
