Pin lọc nước tạo ra điện khi loại bỏ kim loại độc hại

Ô nhiễm công nghiệp đã tích tụ các kim loại độc hại vào hệ thống nước, tạo ra một thách thức môi trường mà các giải pháp đơn giản khó có thể giải quyết. Các chất ô nhiễm này – mangan, coban, niken, kẽm, crom và chì – không phân hủy mà tích lũy trong các sinh vật, trở nên cô đặc và độc hại hơn khi chúng di chuyển qua chuỗi thức ăn.

Hình minh họa sơ đồ: a) Các kỹ thuật điện hóa khác nhau để loại bỏ ion kim loại nặng khỏi nước thải. b) Triển vọng ứng dụng của pin loại bỏ kim loại nặng. c) Cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng và tái chế điện cực của pin loại bỏ kim loại nặng.

Các kỹ sư đã khám phá nhiều cách để chiết xuất các kim loại này, nhưng mỗi cách đều có nhược điểm. Chất hấp phụ than hoạt tính nhanh chóng bị bão hòa. Kết tủa hóa học tạo ra bùn thải đòi hỏi chi phí xử lý tốn kém. Màng lọc dễ bị tắc nghẽn. Phương pháp loại bỏ điện hóa, mặc dù hiệu quả, nhưng thường tiêu thụ lượng điện năng đáng kể – thường là 5 volt trong nhiều giờ – để chiết xuất các ion. Những yêu cầu này làm suy yếu tính bền vững bằng cách đánh đổi một chi phí môi trường này cho một chi phí môi trường khác.

Mối liên hệ khái niệm giữa hóa học pin và xử lý nước thải phần lớn đã bị bỏ qua, mặc dù cả hai đều liên quan đến sự vận chuyển ion. Pin truyền thống lưu trữ năng lượng thông qua sự di chuyển ion giữa các điện cực; việc loại bỏ kim loại tương tự cũng đòi hỏi sự thu giữ ion chọn lọc. Khó khăn nằm ở việc thiết kế một hệ thống thực hiện quá trình làm sạch mà không cần nguồn điện bên ngoài.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Nam Khai (Trung Quốc) đã giải quyết vấn đề này bằng “pin loại bỏ kim loại nặng” của họ. Được công bố trên tạp chí Advanced Materials, nghiên cứu này trình bày một hệ thống đồng thời loại bỏ kim loại độc hại khỏi nước thải và tạo ra điện.

Pin sử dụng thiết kế hai ngăn được ngăn cách bởi một màng chọn lọc anion. Trong một ngăn, nước bị ô nhiễm chảy qua một điện cực chứa đồng hexacyanoferrat (CuHCF), một vật liệu xốp có mạng tinh thể đủ lớn để chứa các ion kim loại hydrat hóa. Ngăn đối diện chứa một điện cực kim loại (kẽm, sắt hoặc đồng). Khi được kết nối, sự khác biệt điện thế vốn có giữa hai điện cực sẽ đẩy các ion kim loại nặng vào khung CuHCF, đồng thời giải phóng dòng điện trong quá trình này. Thay vì sử dụng điện để chiết xuất kim loại, hệ thống này tạo ra điện trong quá trình làm sạch. Các thử nghiệm cho thấy hiệu suất ổn định đối với nhiều chất ô nhiễm. Hệ thống đã loại bỏ hơn 96% ion mangan, coban, niken và kẽm từ dung dịch hỗn hợp kim loại. Khi xử lý nước có 100 ppm kẽm – một chất ô nhiễm công nghiệp phổ biến – pin đã giảm nồng độ xuống dưới 2 ppm, vượt qua các tiêu chuẩn xả thải môi trường.

Khả năng hấp phụ đạt 61 miligam kẽm trên mỗi gram CuHCF, vượt trội so với than hoạt tính (thường dưới 36 mg/g). Quá trình hấp phụ hoàn tất trong vòng chưa đầy 4 phút ở tốc độ dòng chảy cao hơn, với hiệu suất duy trì ngay cả ở nồng độ kẽm thấp tới 5 ppm. Điều quan trọng là, công nghệ này vẫn duy trì hiệu quả ngay cả khi có các ion cạnh tranh như natri – thường có trong nước thải – mặc dù sự hấp thụ kẽm có giảm nhẹ xuống 38,25 mg/g trong trường hợp đó. Chỉ trong nước có tính axit cao (pH ~1), hiệu quả hấp phụ mới giảm đáng kể.

Ngoài việc loại bỏ, hệ thống còn giải quyết vấn đề tái sinh điện cực tồn tại lâu nay. Các phương pháp truyền thống hoặc tiêu thụ thêm năng lượng để sạc lại hoặc tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Ngược lại, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp nhanh chóng, không tốn năng lượng sử dụng hydro peroxide để oxy hóa CuHCF và giải phóng các kim loại bị giữ lại. Điều này không chỉ phục hồi các điện cực mà còn chuyển đổi các kim loại đã chiết xuất thành các muối có thể sử dụng được.

Trong một thử nghiệm, kẽm đã được thu hồi dưới dạng Zn₄SO₄(OH)₆·4H₂O bằng cách thêm natri hydroxit vào dung dịch hấp phụ. Natri sulfat, một muối công nghiệp lành tính, cũng được thu hồi sau quá trình xử lý thêm. Các điện cực vẫn giữ được hơn 80% công suất ban đầu sau 25 chu kỳ, cho thấy độ bền lâu dài. Trong quá trình hoạt động, các pin cung cấp khoảng 50 miliampe-giờ trên mỗi gram vật liệu điện cực. Công suất đầu ra thay đổi theo kim loại được sử dụng trong điện cực đối: kẽm tạo ra điện áp cao nhất (1,42 V) và mật độ năng lượng cao nhất (71,9 Wh/kg CuHCF). Mặc dù không thể so sánh với pin thương mại, nhưng năng lượng đầu ra vượt quá năng lượng của các hệ thống loại bỏ kim loại truyền thống, vốn tiêu thụ điện thay vì tạo ra nó.

Hệ thống có khả năng mở rộng tốt. Các nhà nghiên cứu đã kết nối chín đơn vị pin nối tiếp để cấp nguồn cho đèn LED với điện áp 14 volt. Cấu hình này xử lý 3,8 lít nước bị ô nhiễm mỗi giờ – phù hợp cho ứng dụng công nghiệp. Cấu hình dòng chảy oxy hóa khử có thể mở rộng hơn nữa công suất cho xử lý liên tục, khối lượng lớn. Khi tính đến quá trình tái sinh và tạo ra điện, chi phí hiệu quả để loại bỏ kim loại chỉ là 0,024 đô la trên mỗi gram – chưa bằng một nửa so với than hoạt tính thương mại. Việc thu hồi các muối có giá trị thay vì bùn thải độc hại cải thiện hồ sơ tài chính và môi trường.

Công nghệ này có thể giải quyết nhiều vấn đề cùng một lúc. Nó loại bỏ một loạt các chất ô nhiễm kim loại khó phân hủy mà không cần nguồn điện bên ngoài, tạo ra điện, tránh chất thải nguy hại và tạo ra các vật liệu có thể tái sử dụng. Nó định hình lại việc xử lý nước thải không chỉ là một nhu cầu mà còn là một tài sản tiềm năng.

Việc phát triển liên tục có thể cho phép loại bỏ chọn lọc các kim loại cụ thể và cải thiện sản lượng năng lượng. Nhưng hiện tại, pin loại bỏ kim loại nặng mang đến một công cụ đầy hứa hẹn cho các ngành công nghiệp đang đối mặt với các quy định chặt chẽ hơn, chi phí năng lượng ngày càng tăng và nhu cầu về các hệ thống vòng kín giảm thiểu chất thải và tối đa hóa giá trị.

Cục TT,TK