Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Palermo (Italy) đã công bố kết quả mới nhất trong chuỗi nghiên cứu kéo dài nhiều năm về công nghệ điện phân dùng màng lưỡng cực (electrodialysis with bipolar membranes - EDBM) - phương pháp cho phép sản xuất trực tiếp xút (NaOH) và axit từ dòng nước muối thải, thay vì phải xả thải ra môi trường như cách xử lý thông thường. Nghiên cứu mới nhất, công bố trên tạp chí Desalination, tập trung vào việc cải thiện khả năng xử lý nước muối đậm đặc ở quy mô thí điểm bán công nghiệp.

Vấn đề cần giải quyết: nước muối thải và nhu cầu nước ngọt của quy trình

Các nhà máy khử mặn nước biển, cũng như nhiều ngành công nghiệp khác (luyện kim màu, xử lý nước thải công nghiệp có độ mặn cao), tạo ra lượng lớn nước muối đậm đặc (brine) cần xử lý. Trong bối cảnh quy định về xả thải ngày càng siết chặt, mô hình "xả thải tối thiểu" (Minimum Liquid Discharge - MLD) đang ngày càng được quan tâm như một cách vừa tuân thủ quy định vừa thu hồi được tài nguyên có giá trị từ dòng thải này.

Công nghệ EDBM sử dụng điện trường để tách một dung dịch muối thành axit và bazơ tương ứng - ví dụ từ natri clorua (muối ăn) có thể sản xuất đồng thời axit clohydric (HCl) và xút (NaOH). Tuy nhiên, theo nhóm nghiên cứu, một trong những rào cản kỹ thuật của công nghệ này là quy trình đòi hỏi lượng nước ngọt lớn để pha loãng các ngăn chứa axit và bazơ trong hệ thống - một yêu cầu mâu thuẫn với chính mục tiêu ban đầu là xử lý và tận dụng nước thải mặn, đặc biệt tại các khu vực khan hiếm nước ngọt.

Cấu hình mới: "lật ngược muối-nước" để giảm tiêu thụ nước ngọt

Trong nghiên cứu công bố năm 2026, nhóm tác giả - gồm các nhà nghiên cứu Giovanni Virruso, Calogero Cassaro, Alessandro Tamburini, Andrea Cipollina và Giorgio Micale thuộc Khoa Kỹ thuật, Đại học Palermo - đã thử nghiệm một cấu hình vận hành mới gọi là "Lật ngược muối-nước" (Water Salt Backflip - WS-BF), trong đó thay vì chỉ dùng nước ngọt để pha loãng ngăn axit hoặc ngăn bazơ, hệ thống được đưa trực tiếp dòng nước muối đậm đặc vào các ngăn chứa hóa chất này.

Kết quả thử nghiệm cho thấy việc đưa nước muối vào các ngăn kiềm không ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng của hệ thống, trong khi vẫn đạt được mức giảm tới 50% lượng nước ngọt tiêu thụ - một cải thiện đáng kể về mặt tính bền vững của quy trình. Nhóm nghiên cứu cũng ghi nhận hành vi tương tự khi chỉ đưa nước muối vào riêng ngăn axit hoặc riêng ngăn bazơ, và thử nghiệm hai bộ màng thương mại khác nhau (của các nhà cung cấp Fumatech và SUEZ) cho thấy tỷ lệ năng suất chênh lệch giữa hai loại màng dao động 9-40% - cho thấy việc lựa chọn nhà cung cấp màng cũng là yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả tổng thể của hệ thống.

Kết quả từ các thử nghiệm trước: hiệu quả cả với nước muối thật, không chỉ dung dịch tổng hợp

Nghiên cứu mới nhất này là một phần trong chuỗi công trình liên tục của cùng nhóm tác giả tại Palermo, được thực hiện trên cùng một hệ thống thí điểm EDBM quy mô bán công nghiệp. Trong một nghiên cứu trước đó công bố năm 2023 trên tạp chí ACS Sustainable Chemistry & Engineering, nhóm đã thử nghiệm hệ thống với cả chế độ vận hành liên tục và gián đoạn ở các mật độ dòng điện khác nhau (200-500 A/m²). Kết quả cho thấy ở mật độ dòng điện thấp (200 A/m²), chế độ vận hành vòng kín (closed-loop) đạt mức tiêu thụ năng lượng riêng thấp nhất (1,4 kWh/kg) với hiệu suất dòng điện cao (80%); trong khi ở mật độ dòng điện cao hơn (300-500 A/m²), chế độ "cấp liệu và xả" (feed and bleed) tỏ ra phù hợp hơn nhờ mức tiêu thụ năng lượng riêng thấp (1,9-2,6 kWh/kg) và năng suất sản xuất riêng cao (0,82-1,3 tấn/năm/m²).

Một nghiên cứu khác của nhóm, công bố cuối năm 2024, đã thử nghiệm hệ thống không chỉ với dung dịch muối tổng hợp mà còn với nước muối thải thật lấy từ nhà máy khử mặn nước biển - và ghi nhận việc chuyển từ dung dịch muối tổng hợp sang nước muối thật thực tế còn giúp cải thiện hiệu suất sản xuất sản phẩm kiềm (bazơ). Ngoài ra, công nghệ này còn được thử nghiệm thành công với dòng nước muối có độ mặn cao phát sinh từ ngành luyện kim màu (non-ferrous metallurgy) - một nghiên cứu công bố đầu năm 2026 trên tạp chí Water, Air, & Soil Pollution ghi nhận nồng độ H2SO4 và NaOH thu được lần lượt trong khoảng 0,539-0,563 và 1,270-1,313 mol/L khi vận hành thử nghiệm tại chỗ.

Ý nghĩa với ngành hóa chất cơ bản

Nhìn tổng thể, chuỗi nghiên cứu này cho thấy công nghệ EDBM đang dần trưởng thành từ các thử nghiệm phòng thí nghiệm sang quy mô thí điểm bán công nghiệp, với minh chứng hiệu quả trên nhiều loại dòng thải mặn khác nhau trong thực tế - từ nước biển, nước thải khử mặn, đến nước thải luyện kim. Đối với ngành sản xuất hóa chất cơ bản như xút và các loại axit vô cơ, đây là một hướng đi đáng chú ý: thay vì chỉ dựa vào quy trình điện phân muối ăn truyền thống (chlor-alkali) vốn đòi hỏi nguyên liệu muối tinh khiết đầu vào, công nghệ EDBM mở ra khả năng tận dụng các dòng nước muối thải - vốn trước đây được xem là chi phí xử lý môi trường - để tạo ra thêm nguồn hóa chất cơ bản, đồng thời giảm bớt gánh nặng xử lý nước thải mặn cho các ngành công nghiệp liên quan.