Màng ion mới cho thiết bị lọc nước mặn

Vài thập niên trở lại đây, ở các đồng bằng ven biển, hiện tượng xâm nhập mặn xảy ra ngày một thường xuyên, đặc biệt vào mùa khô và các đợt hạn hán. Khi lượng mưa giảm, nước ngọt từ sông suối không đủ để đẩy lùi nước mặn từ biển vào đất liền. Trong số các đồng bằng thì Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực chịu ảnh hưởng rõ rệt nhất.

Xâm nhập mặn không chỉ tác động đến sinh kế mà cả sinh hoạt của người dân, trong đó điều dễ nhận thấy chính là thiếu nước ngọt cho các sinh hoạt thường ngày. Thiếu nước ngọt sinh hoạt trong thời gian dài có thể trở thành nguyên nhân của nhiều vấn đề sức khỏe như kích ứng da, viêm da…

Do vậy mà nhu cầu sử dụng nước ngọt của người dân đang ngày một tăng và nhiều công nghệ chuyển hóa nước mặn thành nước ngọt đã và đang được nghiên cứu nhằm giải quyết thực trạng này và cải thiện chất lượng cuộc sống của những người dân vùng bị nhiễm mặn.

Những giải pháp hiện có đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định. Ví dụ, công nghệ phổ biến nhất hiện nay là công nghệ thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis- RO) lại tiêu tốn nhiều năng lượng và về lâu dài có thể gây ra rủi ro về ô nhiễm thứ cấp và phát thải các khí nhà kính. Bên cạnh đó là công nghệ lọc Nano (NO) hay chưng cất đa hiệu ứng (MED) hoặc là vẫn đòi hỏi năng lượng tương đối lớn trong vận hành hoặc đòi hỏi chi phí lớn trong thiết kế, chế tạo do cần vật liệu chống ăn mòn và chịu được nhiệt độ cao.

Những nhược điểm của các công nghệ này là cơ hội để cho các nhà khoa học khai phá để tìm ra những giải pháp tối ưu, giá thành thấp, không gây ra rủi ro cho môi trường mà vẫn khử mặn hiệu quả.

Màng lọc ion kiểu mới

Trong bối cảnh đó, một nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Nguyễn Tất Thành và trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐH Quốc gia TP HCM) đã đi tìm một cách thức mới để có thể giải quyết phần nào vấn đề này. Họ nhận ra, một công nghệ hứa hẹn đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm, đó là khử ion điện dung (CDI), hoạt động bằng cách tạo điện áp giữa hai đầu, tạo ra điện trường để tách các ion trong môi trường điện dung.

So với các công nghệ đã có CDI tiết kiệm năng lượng hơn và không tạo ra nhiều chất thải do công nghệ này tập trung tách ion muốn khỏi dung dịch và giữ các ion này lại tại điện cực trong khi các công nghệ đó tách và lưu trữ nước khỏi hỗn hợp có chứa muối rồi thải những chất dư thừa ra môi trường ngoài.

Giữa các nhánh phát triển của công nghệ CDI, có một công nghệ CDI được cải tiến gọi là màng CDI (MCDI) khi bổ sung màng trao đổi ion trên bề mặt điện cực, bao gồm màng carbon và màng lọc ion. Màng lọc carbon được sử dụng làm vật liệu cho các điện cực trong hệ thống MCDI do có khả năng hấp thụ ion cao, và khả năng loại bỏ các ion hòa tan trong nước hiệu quả. Màng lọc ion có vai trò bảo vệ cho điện cực và cho phép các ion đi qua màng để tới điện cực.

“Trước tiên, nhóm mình nghiên cứu về CDI, sau đó do nhu cầu sử dụng màng trao đổi ion trong công nghệ MCDI, mà màng này hiện chưa bán ở Việt Nam, nhóm nảy ra ý tưởng vậy tại sao mình không tự chế tạo một màng như vậy”, anh Nguyễn Ngân Tuấn, một thành viên của nhóm nghiên cứu, chia sẻ.

Họ cho rằng, một màng lọc ion cần đảm bảo được bốn yếu tố. Thứ nhất là độ thấm nước do thiết bị MCDI hoạt động trong môi trường nước. Thứ hai là khả năng hấp thụ ion do thiết bị MCDI hoạt động bằng cách tách các ion. Tiếp theo là tính lọc ion để giúp thiết bị không chỉ lọc được các ion trong môi trường nước lợ mà còn có thể thu hồi các kim loại nặng hoặc quý được thải ra từ các nhà máy xi mạ. Cuối cùng là độ dày linh động, có thể ứng dụng cho nhiều loại máy khác nhau.

Để giải quyết được vấn đề làm sao có thể vừa đảm bảo cho các ion đi qua vừa duy trì được độ bền khi hoạt động trong môi trường nước, nhiều vật liệu đã được sử dụng để chế tạo màng trao đổi ion như Polyvinylidene fluoride (PVDF), Polyetylen (PE), Polypropylen (PP), Axit sulfonic perfluorinated (PFSA)...

Tuy nhiên, ngoài nhược điểm chi phí cao, các vật liệu polyme đang được sử dụng như trên còn cần hòa tan trong những dung môi hữu cơ khác khi chế tạo như ethanol hay acetone và có thể gây ô nhiễm khi thải ra môi trường. Nhiều phòng thí nghiệm ở nước ngoài thường lựa chọn sản xuất các loại polyme từ các dung môi hữu cơ để giúp polyme không tan trong nước nhưng cũng khá độc hại. Đây là điều khiến nhóm nghiên cứu suy nghĩ nhiều nhất.

Anh Nguyễn Ngân Tuấn chia sẻ: “Mình đang làm một vấn đề liên quan đến xử lý môi trường mà mình lại dùng một chất thải ra có ảnh hưởng đến môi trường thì đó là điều nhóm không mong muốn”.

Do đó, nhóm nghiên cứu đã bắt tay vào nghiên cứu một vật liệu mới sử dụng làm màng trao đổi ion. Anh Nguyễn Ngân Tuấn cho biết, việc tự túc trong chế tạo màng không chỉ giúp nhóm có thể giải quyết được những khó khăn khi phải tìm mua màng ở nước ngoài mà còn có thể điều chỉnh kích thước của màng cho phù hợp với nghiên cứu thay vì chỉ sử dụng những kích thước được sản xuất sẵn.

Họ nghĩ đến việc sử dụng polyvinyl alcohol (PVA), glycidyltrimethylammonium chloride (GTMAC), và glutaric anhydride (GA) để chế tạo màng composite cho trao đổi anion (các ion mang điện âm) độc lập hoặc gắn lên điện cực carbon.

Phát triển được vật liệu phù hợp, họ đã lên ngay một quy trình thiết kế mà theo anh Nguyễn Ngân Tuấn là tương đối đơn giản để thuận lợi cho ứng dụng. Trước tiên, polyme PVA đem hòa tan vào nước, sau đó thêm vào chất có nhóm chức trao đổi ion đính vào trên bề mặt PVA; tiếp theo, sử dụng thêm chất để “khâu” các mặt polyme lại để hạn chế tan trong nước.

Nhóm đã thực hiện thử nghiệm trên nước sông Cần Giờ (TP HCM). Kết quả cho thấy, máy đã có thể lọc được nước có nồng độ muối 1000 ppm xuống còn 95 ppm. “Hiệu quả như trên vẫn chưa cao, nhưng đây chỉ là kết quả của một hệ đơn, khi ứng dụng thực tế thì nhiều hệ đơn sẽ được ghép lại với nhau”, anh đánh giá. Có thể thấy, khi được ứng dụng trong thực tế với nhiều hệ đơn ghép lại, máy sẽ đem lại những kết quả tốt hơn.

Bước đệm ra thị trường

“Dựa vào những ưu điểm của màng và của công nghệ CDI so với các công nghệ khác, mình nghĩ khả năng thương mại hóa cũng rất cao”, anh Nguyễn Ngân Tuấn nhận xét. Tuy nhiên, con đường từ phòng thí nghiệm tới sản xuất và ra thị trường cần rất nhiều bài toán khác nhau, trong đó bài toán lớn nhất là nghiên cứu một quy trình sản xuất để tăng quy mô.

“Chúng tôi cũng đã sản xuất được một số lượng lớn màng từ phòng thí nghiệm, số lượng lớn ở đây là vừa đủ cho một thiết bị CDI đơn giản chạy trong thực tế, nhưng để đạt đến quy mô công nghiệp thì vẫn chưa”, anh cho biết.

Nguyên nhân khiến cho cả nhóm lúng túng là “Khi muốn tăng quy mô thì không chỉ đơn giản là cứ cho thêm hóa chất vào, muốn tăng lên 10 lần thì cho thêm hóa chất 10 lần, việc tăng lên trên thực tế sẽ có những sai số so với điều kiện tối ưu trong phòng thí nghiệm”, anh Nguyễn Ngân Tuấn giải thích. Trong khi đó, bài toán sản xuất còn nằm ở vấn đề nguồn nguyên liệu đầu vào. Khi tăng quy mô sản xuất, đa số các vật liệu hiện có trên thị trường công nghiệp vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu.

Trong lúc còn chưa giải được bài toán này thì nhóm nghiên cứu tập trung vào tối ưu hơn nữa giải pháp của mình, đó là cải thiện chất lượng của màng ion. “Hạn chế lớn nhất của PVA là bị hòa tan trong nước, nên nhóm cũng đang đặt vấn đề về độ bền của màng”, anh Nguyễn Ngân Tuấn nói và chỉ ra, cách thông thường là dùng các chất liên kết chéo để nối các mặt PVA lại với nhau. Tuy nhiên, vấn đề lại ở chỗ nếu liên kết hết các mặt PVA lại với nhau, tính ưa nước của nó cũng giảm, để hoạt động được trong thiết bị lọc nước như CDI. Đây là câu hỏi lớn mà họ cần cân nhắc ít nhiều.

Trong tương lai gần, nhóm hướng tới đăng ký bằng sáng chế hoặc giải pháp hữu ích cho nghiên cứu. Nhóm cũng hy vọng nhận thêm được các nguồn đầu tư cho các đề tài lớn hơn từ phía nhà trường. Tại sao với một giải pháp hứa hẹn như vậy, nhóm lại chưa nghĩ đến đi tìm thêm các nguồn đầu tư lớn hơn từ doanh nghiệp? “Nhóm vẫn chưa đủ nguồn lực để tiếp nhận những khoản đầu tư như vậy, đặc biệt là nhân lực do ngoài những người hoạt động chính trong nhóm, các nhân sự khác đều là các bạn sinh viên”, anh Nguyễn Ngân Tuấn nói.

Dù vẫn còn một số khó khăn cần giải quyết nhưng những gì mà nhóm nghiên cứu đã có và dự định tối ưu cũng đem đến nhiều hy vọng về một sản phẩm hữu dụng trong tương lai gần.