Công nghệ khử ion điện dung (CDI) và màng trao đổi ion MCDI của nhóm nghiên cứu tại ĐH Nguyễn Tất Thành và ĐHQG TPHCM là một bước tiến quan trọng trong việc giải quyết bài toán nước sạch cho các vùng ven biển và các khu vực bị xâm nhập mặn. Với những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm năng lượng, không gây ô nhiễm môi trường và tiềm năng lọc ion kim loại nặng, công nghệ này có thể mang lại những giải pháp bền vững cho cuộc sống của người dân ở những khu vực khan hiếm nước ngọt.

Tình trạng xâm nhập mặn ở các đồng bằng ven biển

Tình trạng xâm nhập mặn tại các khu vực ven biển ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là trong các mùa khô và đợt hạn hán. Hiện tượng này gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng, trong đó việc thiếu nước ngọt phục vụ cho đời sống và sản xuất là một trong những vấn đề cấp bách nhất. Khi lượng mưa giảm và dòng chảy từ các sông suối không đủ mạnh, nước biển sẽ lấn sâu vào đất liền, làm ô nhiễm nguồn nước ngọt. Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), khu vực quan trọng về nông nghiệp và thủy sản của Việt Nam, là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi hiện tượng này.

Thách thức của việc khử mặn nước biển

Khi đối mặt với thực trạng thiếu nước ngọt, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ chuyển hóa nước mặn thành nước ngọt trở thành ưu tiên hàng đầu. Tuy nhiên, những công nghệ hiện tại như thẩm thấu ngược (RO), chưng cất đa hiệu ứng (MED), hoặc các giải pháp lọc Nano (NO) đều gặp phải những hạn chế lớn. RO là công nghệ phổ biến nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng và có nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp, cũng như phát thải khí nhà kính. Các phương pháp khác như MED hay NO cũng yêu cầu chi phí vận hành cao và vật liệu chống ăn mòn, làm cho việc ứng dụng rộng rãi bị hạn chế.

Cơ hội cho những giải pháp mới

Những nhược điểm của các công nghệ hiện có đã thúc đẩy các nhà khoa học đi tìm kiếm các giải pháp thay thế tối ưu hơn, không chỉ về hiệu quả khử mặn mà còn phải thân thiện với môi trường. Trong bối cảnh đó, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Nguyễn Tất Thành và Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG TPHCM) đã bước đầu tìm ra một công nghệ hứa hẹn - đó là công nghệ khử ion điện dung (CDI).

Khử ion điện dung (CDI) – Giải pháp mới cho vấn đề khử mặn

CDI là một công nghệ khử mặn bằng cách tạo điện áp giữa hai đầu điện cực để tạo ra một điện trường tách các ion muối khỏi dung dịch nước mặn. Điểm mạnh của CDI là tiết kiệm năng lượng hơn so với các phương pháp truyền thống, và không tạo ra nhiều chất thải, giúp giảm tác động tiêu cực tới môi trường. CDI tách ion khỏi dung dịch và giữ chúng lại tại điện cực, trong khi các công nghệ khác tách nước khỏi hỗn hợp muối và thải các chất thải ra ngoài môi trường.

Màng CDI (MCDI) - một bước tiến cải tiến

Nhằm nâng cao hiệu suất của công nghệ CDI, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phiên bản cải tiến gọi là MCDI, trong đó có tích hợp thêm màng trao đổi ion vào hệ thống. Màng carbon và màng ion đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. Màng carbon được sử dụng làm vật liệu cho các điện cực nhờ khả năng hấp thụ ion cao và hiệu quả loại bỏ ion hòa tan trong nước. Màng ion giúp bảo vệ điện cực và cho phép các ion đi qua để đến với điện cực, nâng cao hiệu suất lọc nước.

Sáng tạo trong việc chế tạo màng ion

Một trong những thành viên của nhóm nghiên cứu, anh Nguyễn Ngân Tuấn, chia sẻ rằng màng trao đổi ion trong hệ thống MCDI cần đáp ứng bốn yêu cầu chính: độ thấm nước, khả năng hấp thụ ion, tính năng lọc ion và độ dày linh hoạt. Màng lọc cần phải hoạt động hiệu quả trong môi trường nước, giúp lọc không chỉ ion muối mà còn có thể thu hồi kim loại nặng hoặc quý từ các nhà máy.

Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn sử dụng các vật liệu như polyvinyl alcohol (PVA), glycidyltrimethylammonium chloride (GTMAC) và glutaric anhydride (GA) để chế tạo màng trao đổi anion. Việc sử dụng PVA là một bước đi mới, giúp màng có tính năng lọc tốt trong môi trường nước mà không gây hại cho môi trường.

Quy trình thiết kế màng ion

Quy trình chế tạo màng trao đổi ion khá đơn giản. Đầu tiên, PVA được hòa tan trong nước, sau đó các chất có nhóm chức trao đổi ion được đính lên bề mặt PVA. Tiếp theo, nhóm sử dụng chất để “khâu” các mặt polyme lại với nhau nhằm tăng cường độ bền của màng và ngăn chặn màng tan trong nước. Kết quả thử nghiệm ban đầu trên nước sông Cần Giờ cho thấy hệ thống đã lọc được nước có nồng độ muối 1000 ppm xuống còn 95 ppm.

Tiềm năng thương mại hóa và khả năng mở rộng quy mô

Mặc dù các kết quả ban đầu đầy hứa hẹn, nhưng con đường từ phòng thí nghiệm ra thị trường còn rất nhiều thách thức. Để có thể sản xuất màng ion với quy mô lớn hơn, nhóm nghiên cứu phải đối mặt với các vấn đề về sản xuất, tăng quy mô và tìm nguồn nguyên liệu phù hợp. Anh Nguyễn Ngân Tuấn cho biết, việc tăng quy mô sản xuất không chỉ đơn giản là tăng lượng hóa chất lên, mà còn phải kiểm soát các sai số có thể xảy ra trong quá trình này.

Tối ưu hóa và phát triển công nghệ trong tương lai

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào việc tối ưu hóa chất lượng màng ion để tăng độ bền và hiệu suất lọc nước. Một trong những thách thức lớn nhất của PVA là khả năng bị hòa tan trong nước, vì vậy nhóm đang tìm cách cải thiện điều này bằng cách sử dụng các chất liên kết chéo. Tuy nhiên, việc sử dụng quá nhiều chất liên kết có thể làm giảm tính ưa nước của màng, điều này đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng.

Kỳ vọng về tương lai

Mặc dù còn nhiều thách thức phía trước, nhóm nghiên cứu tin rằng sản phẩm mà họ đang phát triển có tiềm năng thương mại hóa cao. Nhóm cũng hy vọng sẽ nhận được sự đầu tư và hỗ trợ từ các tổ chức, doanh nghiệp để tiếp tục mở rộng quy mô sản xuất và hoàn thiện công nghệ. Trong tương lai, nhóm có kế hoạch đăng ký bằng sáng chế cho sản phẩm của mình, mở ra cơ hội lớn hơn trong việc ứng dụng công nghệ MCDI vào thực tế.

Nguồn: CESTI