Công nghệ lọc nước CDI: Giải pháp mới trong xử lý nước nhiễm mặn

Hiện nay, tại những đợt cao điểm hạn mặn từ tháng 1-4 hằng năm, thiếu nước ngọt dùng cho sinh hoạt và sản suất khiến người dân ở các tỉnh ĐBSCL lâm vào cảnh điêu đứng.

Trước tình hình đó, nhiều nhà khoa học đã tìm kiếm các giải pháp, từ những công nghệ xử lý nước ô nhiễm (như lọc thô, lọc tinh, công nghệ tiệt trùng, bão hòa nước…) cho đến những giải pháp tiên tiến biến nước biển thành nước ngọt hay ngưng tụ nước ngọt từ không khí. Tuy nhiên, do giá thành cao, hiệu quả thấp hoặc khó vận hành nên nhiều sáng kiến trong đó chưa được đông đảo người tiêu dùng đón nhận.

Tại phòng thí nghiệm công nghệ nano ở Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao TP.Hồ Chí Minh, TS. Đỗ Hữu Quyết, người đã đưa công nghệ mới nổi về điện dung khử ion (Capacitive Deionization - CDI) về Việt Nam để áp dụng vào lĩnh vực xử lý nước, chia sẻ rằng công nghệ CDI mà anh đang phát triển có nguồn gốc từ công nghệ siêu hấp thu của siêu tụ điện.

“Trên thế giới, đây là hai công nghệ khá độc lập, nhưng tôi nhận thấy chúng có nhiều điểm liên quan”, anh nhận xét. Sự phát triển của công nghệ siêu tụ điện trong những năm gần đây, đã tạo ra những điện cực có thể trữ được lượng lớn điện tích trong lòng của nó.

Áp dụng nguyên lý tương tự, nếu coi nước là một dung dịch mà 99% các chất trong đó là chất điện giải (bao gồm cả chất độc hại, vi khoáng chất, muối hòa tan v.v), người ta có thể cho một dòng điện nhẹ chạy qua nguồn nước, dùng điện cực hút các chất hòa tan ra khỏi nước và trữ lại trên bản cực cho dòng nước tinh khiết đi qua.

Khi điện cực đã trữ đầy các chất điện giải, có thể đảo ngược chiều dòng điện để nhả các chất độc hại và dùng một dòng nước nhỏ khác, khiến điện cực trở lại trạng thái ban đầu. Trong điều kiện lý tưởng, các bản cực có thể phỏng nạp được 1 triệu lần mà vẫn giữ được 80% hiệu năng. “Tính chất phóng - nạp tương tự như siêu tụ điện đó khiến các lõi lọc nước có thể làm việc liên lục với tuổi thọ rất cao, lên đến 5-10 năm”, TS Quyết cho biết.

Thêm vào đó, nhờ lợi dụng tính chất khác nhau của các ion trong nước – ví dụ, ion độc hại như Fe3+, Al3+ , Cr3+, As3-… thường có điện tích lớn và khối lượng nặng, ngược với các khoáng chất có lợi cho sức khỏe như K+, Na+ , Ca+ , Mg2+, Zn2+ …do vậy hệ thống có thể điều chỉnh được lượng chất mong muốn giữ lại bằng cách thay đổi điện áp hút ion hoặc tốc độ dòng nước chảy.

Cách tiếp cận này khiến công nghệ CDI có thể giải quyết được cả bài toán lọc nước đa ô nhiễm (từ nước sông hồ, nước thải nông nghiệp, nước thải công nghiệp,…) và lọc nước nhiễm mặn hiệu quả nhất khi nồng độ các chất hòa tan không vượt quá 5.000 ppm.

Để so sánh, quy định của Việt Nam với nước ngọt dùng cho ăn uống và sinh hoạt là nồng độ chất rắn hòa tan trong nước dưới 300 - 1.000 ppm. Nước tưới tiêu được khuyến nghị ở mức từ 500–5.000 ppm tùy loại cây trồng. Trong khi đó, nước nhiễm mặn ở mức độ vừa phải tại khu vực miền Tây đang ở mức 8000 – 10.000 ppm và độ mặn của nước biển là 20.000-50.000 ppm.

Với những tính năng như vậy liệu, công nghệ CDI có đủ khả năng cạnh tranh trên thị trường máy lọc nước mà các sản phẩm thương mại chủ yếu dùng công nghệ thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO) đang chiếm ưu thế? Mặt khác, công nghệ RO còn có ưu điểm là xử lý được nhiều dạng nguồn và cho ra dòng nước sạch nhất.

Bởi bản chất của công nghệ RO là ép nước qua một màng lọc để giữ lại muối và thu được dòng nước tinh khiết, mà muối và nước đều là phân tử quá nhỏ để có thể dễ dàng ép qua màng, do vậy quá trình lọc sẽ đòi hỏi áp lực lớn và tiêu tốn nhiều năng lượng. Kết quả khiến công nghệ RO tạo ra dòng nước thải bỏ lên tới 40% - 70%.

Ở những nơi nước ngọt quý hơn cả vàng, người ta không thể để lãng phí dù một giọt nước. Mặc dù nước thải của công nghệ RO có thể tận dụng cho các mục đích có tiêu chuẩn ít khắt khe hơn như tưới tiêu, thau rửa, giặt giũ… nhưng các nhà phát triển công nghệ lọc nước khác vẫn phấn đấu có được tỷ lệ nước sạch cho sinh hoạt cao nhất có thể trong cùng phạm vi chi phí. Do nguyên tắc hoạt động của công nghệ CDI là “nhặt” các hạt muối và chất độc hại ra khỏi dòng nước nên TS Quyết cho biết lượng nước thải bỏ chỉ khoảng 5-10%.

Với việc đồng sáng lập một công ty công nghệ mang tên Vietdream để thương mại hóa công nghệ lọc nước mới này, anh kỳ vọng hướng tới “sản xuất lõi lọc nước CDI thay thế lõi lọc RO”. Là người khởi tạo thị trường công nghệ lọc nước CDI tại Việt Nam, TS Quyết cho biết dù chi phí đầu tư ban đầu của công nghệ CDI có thể cao hơn 2-3 lần so với công nghệ RO, nhưng do khác biệt về tuổi thọ màng và chi phí vận hành nên chi phí tổng thể năm đầu của hai công nghệ này đang tương đương nhau.

Hiện nay, 70% vật liệu cho công nghệ lọc nước CDI của Vietdream đã được nội địa hóa, bao gồm các điện cực làm từ ống nano carbon và polyme, các modun lọc nước và hệ thống điều khiển. Xu hướng này có thể giảm nếu họ xây dựng được các chuỗi cung ứng hiệu quả hơn hoặc khi được thị trường chấp nhận rộng rãi.

Trên thế giới, công nghệ CDI trong lọc nước cũng chỉ mới được thương mại hóa tại năm nước Hà Lan, Mỹ, Ấn Độ, Trung Quốc và Hàn Quốc.

Mặc dù đã đưa ra thị trường một số mẫu máy lọc nước CDI có thể cạnh tranh dùng cho gia đình và tòa nhà, nhưng công ty Vietdream đang hướng tới hai phân khúc ít người khai phá.Thứ nhất là cung cấp máy lọc nước đầu nguồn, đặc biệt cho các nhà máy lò hơi, chế biến thực phẩm, chế biến nước đóng chai v.v..

Với ưu thế xử lý được đa ô nhiễm liên quan đến 36 chỉ tiêu quan trọng nhất loại A, B mà “hiện nay không máy nào đáp ứng được hoặc kém hiệu quả”, TS. Quyết cho biết các nhà máy mà anh giới thiệu tỏ ra rất quan tâm đến công nghệ CDI bởi tính hiệu quả và khả năng chọn lọc vi chất của nó. Tuy nhiên, là một startup non trẻ chưa có thương hiệu, họ phải mất khá nhiều thời gian chứng minh năng lực bằng cách thí điểm để khiến đối tác hiểu và tin tưởng đầu tư.

Hướng đi thứ hai mà công ty này nhắm tới là xây dựng các hệ thống lọc nước lợ công suất lớn tích hợp vào các nhà máy xử lý nước ở miền Tây. “Hàng đêm, chúng tôi luôn mơ về một nhà máy xử lý nước nhiễm mặn tại chỗ ở miền Tây”, TS. Quyết bộc bạch.

Đa phần các tỉnh ở đây chưa có nhà máy xử lý được bài toán này. Các công nghệ truyền thống tỏ ra không hiệu quả bởi chi phí đắt đỏ và nhanh hỏng. Trong khi đó, người dân vẫn thường xuyên phải mua nước ngọt với giá 50.000-100.000 đồng/m3 trong những đợt hạn mặn.

“Nếu nhân ra, chi phí mua nước trong sáu tháng mùa mặn có thể bằng tiền xây dựng một nhà máy lọc nước hoạt động trong 5—10 năm. Như vậy, chúng ta sẽ chỉ mất tiền đầu tư năm đầu, còn chín năm sau chi phí xử lý nước sẽ gần như miễn phí”, anh nhận xét.