Một nghiên cứu mới của ĐH Stanford trên tạp chí ACS ES&T Engineering đã mở đường cho việc khai thác nước thải để thu hồi các vật liệu có thể tái sử dụng trong sản xuất phân bón và pin, thậm chí có thể cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh và máy bay.
Một số phương án xử lý sunfua lại tạo ra các phụ phẩm và thúc đẩy những phản ứng hóa học ăn mòn đường ống, khiến khó khử trùng nước hơn. Nguồn: Pixabay
Các tác giả đã tiết lộ cách tối ưu hóa các quy trình điện để chuyển hóa chất ô nhiễm lưu huỳnh, từ đó xử lý nước thải với giá cả phải chăng, tạo ra nước có thể uống được. “Chúng tôi luôn tìm cách thu hẹp vòng lặp của quy trình sản xuất hóa chất”, Will Tarpeh, tác giả chính của nghiên cứu, một trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học tại ĐH Stanford cho biết. “Lưu huỳnh là một nguyên tố quan trọng trong chu trình, là chìa khóa gợi mở những cải tiến trong việc chuyển đổi hiệu quả các chất ô nhiễm lưu huỳnh thành các sản phẩm như phân bón và thành phần pin”.
Khi nguồn nước ngọt ngày càng cạn kiệt, đặc biệt là ở các vùng khô hạn, con người đã tập trung phát triển các công nghệ chuyển đổi nước thải thành nước có thể uống được. Các quy trình màng sử dụng môi trường kỵ khí hoặc không oxy để lọc nước thải đặc biệt hứa hẹn vì chúng tiêu tốn ít năng lượng. Tuy nhiên, những quy trình này tạo ra sunfua, một hợp chất độc hại, có tính ăn mòn và bốc mùi hôi. Một số phương án khắc phục như oxy hóa khử hoặc sử dụng hóa chất để chuyển lưu huỳnh thành chất rắn có thể phân tách, lại tạo ra các phụ phẩm và thúc đẩy những phản ứng hóa học ăn mòn đường ống, khiến khó khử trùng nước hơn.
Thực chất, chúng ta có thể đối phó với lượng sunfua trong quá trình lọc kỵ khí bằng cách chuyển đổi sunfua thành hóa chất được sử dụng trong phân bón và vật liệu cực âm cho pin lithium-lưu huỳnh. Nên làm điều đó bằng cách nào? Để trả lời câu hỏi này, Tarpeh và các đồng nghiệp của ông đã đề xuất một cách tiếp cận hiệu quả về chi phí mà không tạo ra các phụ phẩm hóa học.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào quá trình oxy hóa lưu huỳnh điện hóa, đòi hỏi năng lượng đầu vào thấp và cho phép kiểm soát chặt chẽ các sản phẩm lưu huỳnh ở bước cuối cùng. Nếu nó hoạt động hiệu quả, chúng ta có thể vận hành quy trình này bằng năng lượng tái tạo và điều chỉnh nó nhằm hướng đến xử lý nước thải thu gom từ các tòa nhà riêng lẻ hoặc toàn bộ thành phố.
Bằng cách sử dụng phương pháp mới của kính hiển vi điện hóa quét — một kỹ thuật giúp chụp ảnh siêu nhỏ bề mặt điện cực trong khi các bình phản ứng đang hoạt động — nhóm nghiên cứu đã định lượng tốc độ của từng bước oxy hóa lưu huỳnh điện hóa, cũng như nhận dạng các sản phẩm tạo thành. Họ đã xác định được các rào cản hóa học chính đối với việc thu hồi lưu huỳnh, bao gồm tắc nghẽn điện cực và những chất trung gian khó chuyển đổi nhất. Bên cạnh đó, họ cũng phát hiện ra rằng các thông số vận hành khác nhau, chẳng hạn như điện áp bình phản ứng, có thể tạo điều kiện thu hồi lưu huỳnh năng lượng thấp từ nước thải.
Những phát hiện này đã làm sáng tỏ sự cân bằng giữa hiệu quả năng lượng, loại bỏ sunfua, sản xuất sunfat và thời gian. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã vạch ra những tiêu chuẩn, điều kiện cần thiết nhằm thiết kế các quá trình oxy hóa sunfua điện hóa trong tương lai: cân bằng năng lượng đầu vào, loại bỏ chất ô nhiễm và phục hồi tài nguyên. Trong tương lai, có thể kết hợp công nghệ thu hồi lưu huỳnh với các kỹ thuật khác, chẳng hạn như thu hồi nitơ từ nước thải để sản xuất phân bón amoni sunfat.
Trung tâm Phục hồi Tài nguyên Codiga, một nhà máy xử lý quy mô thí điểm trong khuôn viên trường ĐH Stanford, có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đẩy nhanh quá trình thiết kế và triển khai các phương pháp này trong tương lai. “Hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ giúp đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ giảm thiểu ô nhiễm, thu hồi các nguồn tài nguyên quý giá và tạo ra nước uống được”, TS. Xiaohan Shao, tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ.□
Khi nguồn nước ngọt ngày càng cạn kiệt, đặc biệt là ở các vùng khô hạn, con người đã tập trung phát triển các công nghệ chuyển đổi nước thải thành nước có thể uống được. Các quy trình màng sử dụng môi trường kỵ khí hoặc không oxy để lọc nước thải đặc biệt hứa hẹn vì chúng tiêu tốn ít năng lượng. Tuy nhiên, những quy trình này tạo ra sunfua, một hợp chất độc hại, có tính ăn mòn và bốc mùi hôi. Một số phương án khắc phục như oxy hóa khử hoặc sử dụng hóa chất để chuyển lưu huỳnh thành chất rắn có thể phân tách, lại tạo ra các phụ phẩm và thúc đẩy những phản ứng hóa học ăn mòn đường ống, khiến khó khử trùng nước hơn.
Thực chất, chúng ta có thể đối phó với lượng sunfua trong quá trình lọc kỵ khí bằng cách chuyển đổi sunfua thành hóa chất được sử dụng trong phân bón và vật liệu cực âm cho pin lithium-lưu huỳnh. Nên làm điều đó bằng cách nào? Để trả lời câu hỏi này, Tarpeh và các đồng nghiệp của ông đã đề xuất một cách tiếp cận hiệu quả về chi phí mà không tạo ra các phụ phẩm hóa học.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào quá trình oxy hóa lưu huỳnh điện hóa, đòi hỏi năng lượng đầu vào thấp và cho phép kiểm soát chặt chẽ các sản phẩm lưu huỳnh ở bước cuối cùng. Nếu nó hoạt động hiệu quả, chúng ta có thể vận hành quy trình này bằng năng lượng tái tạo và điều chỉnh nó nhằm hướng đến xử lý nước thải thu gom từ các tòa nhà riêng lẻ hoặc toàn bộ thành phố.
Bằng cách sử dụng phương pháp mới của kính hiển vi điện hóa quét — một kỹ thuật giúp chụp ảnh siêu nhỏ bề mặt điện cực trong khi các bình phản ứng đang hoạt động — nhóm nghiên cứu đã định lượng tốc độ của từng bước oxy hóa lưu huỳnh điện hóa, cũng như nhận dạng các sản phẩm tạo thành. Họ đã xác định được các rào cản hóa học chính đối với việc thu hồi lưu huỳnh, bao gồm tắc nghẽn điện cực và những chất trung gian khó chuyển đổi nhất. Bên cạnh đó, họ cũng phát hiện ra rằng các thông số vận hành khác nhau, chẳng hạn như điện áp bình phản ứng, có thể tạo điều kiện thu hồi lưu huỳnh năng lượng thấp từ nước thải.
Những phát hiện này đã làm sáng tỏ sự cân bằng giữa hiệu quả năng lượng, loại bỏ sunfua, sản xuất sunfat và thời gian. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã vạch ra những tiêu chuẩn, điều kiện cần thiết nhằm thiết kế các quá trình oxy hóa sunfua điện hóa trong tương lai: cân bằng năng lượng đầu vào, loại bỏ chất ô nhiễm và phục hồi tài nguyên. Trong tương lai, có thể kết hợp công nghệ thu hồi lưu huỳnh với các kỹ thuật khác, chẳng hạn như thu hồi nitơ từ nước thải để sản xuất phân bón amoni sunfat.
Trung tâm Phục hồi Tài nguyên Codiga, một nhà máy xử lý quy mô thí điểm trong khuôn viên trường ĐH Stanford, có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đẩy nhanh quá trình thiết kế và triển khai các phương pháp này trong tương lai. “Hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ giúp đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ giảm thiểu ô nhiễm, thu hồi các nguồn tài nguyên quý giá và tạo ra nước uống được”, TS. Xiaohan Shao, tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ.□
Tiasang
Tin tức liên quan
Đăng nhập
