ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ KHẮC DUYÊN

TỔNG HỢP CARBON AEROGEL VÀ ỨNG DỤNG
LÀM ĐIỆN CỰC HẤP PHỤ NaCl, Na2SO4 TRONG
DUNG DỊCH NƯỚC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Anh Kiên

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Nguyễn Đình Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Ngô Thanh An

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 04 tháng 08 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Ngô Mạnh Thắng
2. PGS. TS. Nguyễn Đình Thành

3. TS. Ngơ Thanh An
4. TS. Lê Minh Viễn
5. TS. Nguyễn Quang Long
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

LÊ KHẮC DUYÊN

MSHV: 7140058

Ngày, tháng, năm sinh:

20/06/1991

Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành:


Kỹ thuật Hóa học

Mã số: 60520301

I. TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp carbon aerogel và ứng dụng làm điện cực hấp phụ NaCl,
Na2SO4 trong dung dịch nước.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Xây dựng quy trình tổng hợp carbon aerogel
 Khảo sát, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp
 Đánh giá tính chất của vật liệu carbon aerogel
 Chế tạo điện cực hấp phụ bằng carbon aerogel và đánh giá khả năng ứng dụng
điện cực hấp phụ NaCl và Na2SO4 bằng công nghệ điện dung khử ion
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

18/01/2016

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

02/12/2016

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. LÊ ANH KIÊN

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

Lê Anh Kiên
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN
Khơng có cơng việc nào thành cơng mà khơng có sự nỗ lực hết mình của một nhóm
người đầy tâm quyết. Do đó, tơi cần phải cảm ơn rất nhiều người tuyệt vời vì sự cống
hiến quý báo của họ trong việc giúp tơi hồn thành luận văn này.
Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Lê Anh Kiên, người đã tận
tình truyền đạt những kinh nghiệm và kiến thức nghiên cứu khoa học quý báu cũng như
tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tơi có thêm tri thức và hồn thành tốt luận văn
này. Chân thành cảm ơn PGS. TS. Lê Thị Kim Phụng và TS. Nguyễn Trường Sơn đã cố
vấn, giải đáp những thắc mắc trong quá trình nghiên cứu của tơi.
Gia đình ln là hậu phương vững chắc, là động lực to lớn giúp tơi vượt qua mọi
khó khăn trong học tập và cuộc sống.
Chân thành cảm ơn quý thầy cơ Khoa Kỹ thuật Hóa học và cán bộ Viện Nhiệt đới
Mơi trường đã hết lịng hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi có được những
điều kiện thí nghiệm tốt nhất. Tơi cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp của tôi ở Viện Nhiệt
đới Môi trường đã tận tình hỗ trợ tơi trong q trình thực hiện đề tài.
Xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp cao học Kỹ thuật Hóa học khóa 2014 và những
người bạn của tôi đã động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập,
nghiên cứu tại trường.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Carbon aerogel là vật liệu xốp có nhiều tính chất đặc trưng được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong nghiên cứu này, quy trình tổng hợp carbon aerogel từ
resorcinol và formaldehyde qua hợp chất trung gian aerogel hữu cơ được thực hiện. Các
điều kiện ảnh hưởng đến quá trình chế tạo aerogel hữu cơ và carbon aerogel được khảo
sát, đánh giá và lựa chọn để tổng hợp carbon aerogel có những tính chất phù hợp làm
vật liệu điện cực hấp phụ. Cấu trúc của vật liệu carbon aerogel được đánh giá bằng các
phương pháp SEM, XRD và hấp phụ nitrogen; cấu trúc xốp của vật liệu được đánh giá
qua khối lượng riêng, diện tích bề mặt riêng và độ xốp. Khả năng dẫn điện và độ bền
nhiệt của carbon aerogel cũng được đánh giá nhằm mở ra nhiều hướng ứng dụng cho
vật liệu. Kết quả tổng hợp vật liệu cho thấy carbon aerogel có khối lượng riêng 0.1500.510 g/cm3, độ xốp 70%, diện tích bề mặt riêng 637-824 m2/g, kích thước lỗ xốp trung
bình 22 Å, độ dẫn điện 1.9 S/cm và độ bền nhiệt 550oC. Điện cực hấp phụ cho công
nghệ CDI được chế tạo từ carbon aerogel và chất kết dính polyvinyl alcohol. Điện cực
carbon aerogel có diện tích bề mặt riêng 399 m2/g, khối lượng riêng 0.246 g/cm3, kích
thước lỗ xốp trung bình 24 Å và điện dung của điện cực 2.03 mF/g. Thử nghiệm điện
cực carbon aerogel trong công nghệ CDI cho thấy khả năng hấp phụ ion của điện cực
đối với dung dịch NaCl và Na2SO4 tương ứng là 21.41 và 5.14 mg/g điện cực. Các kết
quả cho thấy vật liệu carbon aerogel tổng hợp được có nhiều tính chất đặc trưng và là
cơ sở cho việc phát triển vật liệu carbon aerogel trong nhiều ứng dụng khác nhau.

ii


ABSTRACT

Carbon aerogels are highly porous materials with many specific characteristics,
which make it a promising material for practical applications. In this study, carbon
aerogel synthetic process by the aqueous polycondensation of resorcinol with
formaldehyde was investigated. Effect of synthetic conditions on this process were
evaluated and optimized to synthesize carbon aerogel for CDI electrosorption materials.
Characteristics of carbon aerogel were determined by Scanning electrode microscopy,

X-Ray diffraction, Nitrogen absorption, Thermo gravimetric analysis and Four-point
prode methods. The experimental results showed that obtained carbon aerogel had low
density (0.150-0.510 g/cm3), high porosity (~70%), large specific surface area (637-824
m2/g), micropores structure (22 Å), electrical conductivity (1.9 S/cm) and high thermal
stability (550oC). Electrodes for CDI technique were developed by carbon aerogels and
polyvinyl alcohol (as binder). The properties of carbon aerogel electrodes were specific
surface area, density, average pore size and electrical capacitance in the range of 399
m2/g, 0.246 g/cm3, 24 Å and 2.03 mF/g, respectively. CDI experiments data with carbon
aerogel electrodes showed that the absorption capacities of carbon aerogel electrodes in
NaCl and Na2SO4 solutions were in the range of 21.41 and 5.14 mg/g, respectively.

iii


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV
Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận văn này là do chính tơi
thực hiện từ kiến thức của chính mình. Tơi khơng nộp luận văn này cho bất cứ trường,
viện nào để được cấp bằng.
LÊ KHẮC DUYÊN

iv


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ...................................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ................................................................................ ii
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV ..........................................................................iv
MỤC LỤC .......................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................x
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................2
1.1 Vật liệu aerogels và carbon aerogel...........................................................................2
1.1.1 Giới thiệu về aerogels .............................................................................................2
1.1.2 Phân loại aerogels ...................................................................................................2
1.1.3 Phương pháp tổng hợp aerogels .............................................................................3
1.2 Nghiên cứu về vật liệu carbon aerogel ......................................................................4
1.3 Ứng dụng carbon aerogel trong xử lý nước nhiễm mặn............................................8
1.3.1 Tổng quan công nghệ xử lý nước nhiễm mặn thành nước ngọt .............................8
1.3.2 Công nghệ điện dung khử ion trong xử lý mặn bằng carbon aerogel ....................9
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................14
2.1 Hoá chất và trang thiết bị.........................................................................................14
2.1.1 Hoá chất ................................................................................................................14
2.1.2 Trang thiết bị thí nghiệm ......................................................................................14
2.2 Tổng hợp carbon aerogel .........................................................................................15
2.2.1 Tổng hợp RF aerogels ..........................................................................................15
2.2.2 Nhiệt phân RF aerogel tạo carbon aerogel ...........................................................16
2.2.3 Hoạt hoá carbon aerogels .....................................................................................17
2.3 Phân tích các tính chất carbon aerogels ...................................................................17
2.3.1 Hình thái bề mặt vật liệu ......................................................................................17
2.3.2 Khối lượng riêng và độ xốp ..................................................................................18
2.3.3 Diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp ........................................................18
2.3.4 Độ dẫn điện ...........................................................................................................19
2.3.5 Độ bền nhiệt..........................................................................................................19
2.4 Chế tạo điện cực carbon aerogel cho hệ điện dung khử ion (CDI) .........................20
2.4.1 Chế tạo điện cực ...................................................................................................20
2.4.2 Tính chất điện cực carbon aerogel........................................................................21
2.4.3 Đánh giá khả năng hấp phụ ion ............................................................................21
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..............................................................23

3.1 Chế tạo RF aerogel ..................................................................................................23
3.1.1 Khả năng gel hóa của dung dịch RF và sấy loại dung mơi ..................................23
3.1.2 Tính chất của RF aerogel ......................................................................................25
3.2 Chế tạo carbon aerogel ............................................................................................30
v


3.2.1 Nhiệt độ nhiệt phân - hoạt hóa .............................................................................31
3.2.2 Thời gian nhiệt phân - hoạt hóa ............................................................................33
3.3 Tính chất của carbon aerogel ...................................................................................35
3.3.1 Hình thái và cấu trúc carbon aerogel ....................................................................35
3.3.2 Diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp ........................................................37
3.3.3 Độ bền nhiệt..........................................................................................................39
3.4 Chế tạo điện cực carbon aerogel..............................................................................40
3.4.1 Tính chất điện cực carbon aerogel........................................................................40
3.4.2 Hấp phụ muối NaCl ..............................................................................................45
3.4.3 Hấp phụ muối Na2SO4 ..........................................................................................48
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ........................................................................................51
4.1 Kết luận....................................................................................................................51
4.2 Kiến nghị .................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................53
PHỤ LỤC ......................................................................................................................57

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Sơ đồ phân loại aerogels [2]. .............................................................................3
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của CDI [41]. .........................................................................10
Hình 3. Cấu trúc vật liệu cacbon làm điện cực CDI [42]. ............................................10

Hình 4. Sơ đồ quy trình tổng hợp RF aerogel và carbon aerogel. ................................15
Hình 5. Sơ đồ chương trình nhiệt độ nhiệt phân chế tạo carbon aerogel [1]...............17
Hình 6. Sơ đồ đo điện trở bằng phương pháp 4 mũi dị. ...............................................19
Hình 7. Sơ đồ chế tạo điện cực từ carbon aerogel. .......................................................20
Hình 8. Sơ đồ mơ hình hệ điện dung khử ion. ...............................................................21
Hình 9. Mơ hình cơng nghệ CDI trong phịng thí nghiệm. ...........................................22
Hình 10. RF aerogel ở các thành phần %RF khác nhau, RC500. ................................24
Hình 11. Độ giảm khối lượng và thể tích thay đổi ở các thành phần %RF tại RC500
(a) và RC1000 (b) ..........................................................................................................26
Hình 12. Độ giảm khối lượng và thể tích của RF aerogel ở các nồng độ xúc tác khác
nhau với các thành phần %RF. a-RF40; b-RF30; c-RF20; d-RF10 ............................27
Hình 13. Khối lượng riêng của RF aerogel ở các thành phần %RF tại RC500 (a) và
RC1000 (b) ....................................................................................................................27
Hình 14. Khối lượng riêng RF aerogel ở các nồng độ xúc tác khác nhau với các thành
phần %RF. a-RF40; b-RF30; c-RF20; d-RF10 ............................................................28
Hình 15. Độ xốp RF aerogel với các thành phần %RF khác nhau tại RC1000 ...........29
Hình 16. Phân tích diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET. a-RF500; bRF1000 ..........................................................................................................................30
Hình 17. Khối lượng riêng, độ giảm khối lượng và thể tích của carbon aerogel
ACA1000 ở các nhiệt độ nhiệt phân - hoạt hóa khác nhau. a-Khối lương riêng; b-Độ
giảm khối lượng và thể tích. ..........................................................................................32
Hình 18. Khối lượng riêng và độ dẫn điện của carbon aerogel ACA1000 ở các nhiệt
độ nhiệt phân - hoạt hóa. ...............................................................................................32
Hình 19. Đường hấp phụ nitrogen đẳng nhiệt (a) và diện tích bề mặt riêng – độ dẫn
điện (b) của carbon aerogel ở các nhiệt độ nhiệt phân – hoạt hóa khác nhau. ............33
Hình 20. Độ dẫn điện của carbon aerogel ACA1000 ở các thời gian nhiệt phân và
hoạt hóa khác nhau. ......................................................................................................34
Hình 21. Độ dẫn điện và khối lượng riêng carbon aerogel ACA1000 ở các thời gian
nhiệt phân khác nhau, hoạt hóa 2 giờ. ..........................................................................34
Hình 22. Phân tích SEM các mẫu carbon aerogel, a-CA500; b-CA1000; ACA1000...35
Hình 23. Giản đồ X-Ray của carbon aerogel CA1000 và carbon aerogel hoạt hóa

ACA1000. .......................................................................................................................36
Hình 24. Đường hấp phụ nitrogen đẳng nhiệt (a) và phân bố kích thước lỗ xốp (b) của
RF aerogel RF1000; carbon aerogel CA1000 và carbon aerogel hoạt hóa ACA1000.
.......................................................................................................................................38
Hình 25. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA của carbon aerogel ACA1000 ..................39
vii


Hình 26. Bề mặt điện cực CA-PVA sau 3 giờ ngâm trong nước. a.CA-PVA05; b.CAPVA10; c.CA-PVA15; d.CA-PVA20. .............................................................................40
Hình 27. Độ dẫn điện và khối lượng riêng của điện cực CA-PVA với các thành phần
%PVA khác nhau ...........................................................................................................41
Hình 28. Đường đẳng nhiệt hấp phụ nitrogen (a) và phân bố kích thước lỗ xốp (b) của
điện cực CA-PVA15. ......................................................................................................42
Hình 29. Đường cong thế vịng tuần hồn của điện cực CA-PVA ở các thành phần
%PVA, tốc độ quét 10 mV/s. a.CA-PVA05; b.CA-PVA10; c.CA-PVA15; d.CA-PVA20.
.......................................................................................................................................43
Hình 30. Đường cong thế vịng tuần hồn của điện cực CA-PVA15 ở các tốc độ quét
khác nhau. a-1 mV/s; b-5 mV/s; c- 10 mV/s; d- 20mV/s. ..............................................44
Hình 31. Đường chuẩn giữa độ dẫn điện dung dịch và nồng độ NaCl trong dung dịch.
.......................................................................................................................................45
Hình 32. Độ giảm độ dẫn điện dung dịch NaCl theo thời gian hấp phụ, Q=50 mL/phút.
.......................................................................................................................................46
Hình 33. Dung lượng hấp phụ NaCl của điện cực ở các nồng độ NaCl. ......................47
Hình 34. Độ dẫn điện của dung dịch NaCl 1000 mg/L theo thời gian ở các lưu lượng
dịng chảy khác nhau. ....................................................................................................47
Hình 35. Dung lượng hấp phụ NaCl của điện cực ở các lưu lượng khác nhau. ...........48
Hình 36. Đường chuẩn giữa độ dẫn điện dung dịch và nồng độ Na2SO4 trong dung
dịch. ...............................................................................................................................49
Hình 37. Dung lượng hấp phụ Na2SO4 của điện cực ở các nồng độ Na2SO4. ..............49
Hình 38. Dung lượng hấp phụ Na2SO4 của điện cực ở các lưu lượng khác nhau. .......50


viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Một số loại và tính chất của carbon aerogel từ nguồn aerogel hữu cơ [1].........4
Bảng 2. Hoá chất sử dụng cho nghiên cứu. ...................................................................14
Bảng 3. Khả năng gel hóa của các dung dịch RF. .........................................................23
Bảng 4. Tính chất RF aerogel ở các tỷ lệ %RF và nồng độ xúc tác khác nhau. ...........25
Bảng 5. Tính chất carbon aerogel ACA1000 ở các nhiệt độ nhiệt phân – hoạt hóa khác
nhau. ..............................................................................................................................31
Bảng 6. Tính chất vật lý của RF aerogel, carbon aerogel và carbon aerogel hoạt hóa. 38
Bảng 7. Tính chất vật lý của carbon aerogel và điện cực CA-PVA15. .........................42
Bảng 8. Điện dung riêng của điện cực với các tỉ lệ PVA khác nhau, tốc độ quét thế 10
mV/s...............................................................................................................................43
Bảng 9. Điện dung riêng của điện cực CA-PVA15 ở các tốc độ quét thế. ...................45

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BET –

Brunauer–Emmett–Teller

BJH

–

Barrett–Joyner–Halenda


CA

–

Carbon Aerogel

CNT –

Carbon Nanotube

–

Capacitive Deionization

MED –

Multi Effect Distillation

MSF –

Multi Stage Flash

PVA –

Polyvinyl Alcohol

CDI

RF


–

Resorcinol-Formaldehyde

RO

–

Reverse Osmosis

SEM –

Scanning Electron Microscope

TGA –

Thermogravimetric Analysis

XRD –

X-Ray Diffraction

x


MỞ ĐẦU
Vật liệu carbon đã được biết đến với nhiều tìm năng ứng dụng trong cuộc sống, như
sử dụng là chất hấp phụ trong phân tách khí, chất mang xúc tác, xử lý môi trường, các
sợi carbon được sử dụng trong hàng không và các dạng vật liệu carbon sử dụng trong

các thiết bị điện. Trong mỗi lĩnh vực áp dụng, vật liệu carbon được sự đầu tư nghiên cứu
của nhiều nhà khoa học. Tuy nhiên, việc tạo ra vật liệu carbon dễ thay đổi kích thước,
hình dạng và có các tính chất lỗ xốp thích hợp cho từng nhu cầu sử dụng là một vấn đề
quan trọng. Trong những năm gần đây, aerogel hữu cơ và carbon aerogel đã thu hút sự
quan tâm của nhiều nghiên cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như hấp phụ,
xúc tác, năng lượng. Các tính chất đặc trưng của carbon aerogel như diện tích bề mặt
riêng lớn (400–1100 m2/g), khối lượng riêng thấp (0.03–0.8 g/m3) và sự phân bố phức
tạp các lỗ xốp cấu trúc macro (> 50 nm), meso (2–50 nm), micro (< 2 nm) [1, 2] đã tạo
nên sự đa dạng của carbon aerogel trong nhiều ứng dụng.
Trong bối cảnh nguồn nước ngọt ngày càng thiếu hụt hiện nay, việc cung cấp nước
ngọt cho một số quốc gia đang là vấn đề rất quan trọng. Nước nhiễm mặn và nước biển
là hai nguồn nước chiếm trữ lượng rất lớn. Nhiều công nghệ tách muối trong nước nhiễm
mặn và nước biển đã phát triển như chưng cất, thẩm thấu ngược (reverse osmosis, RO),
điện phân nhằm góp phần giải quyết nhu cầu nước ngọt. Nhưng những cơng nghệ này
địi hỏi phải tốn nhiều chi phí đầu tư và năng lượng. Cơng nghệ điện dung khử ion
(capacitive deionization, CDI) là một kỹ thuật điện hố mới ứng dụng tính chất hấp phụ
điện hoá của điện cực để tách muối trong nước nhiễm mặn. Ưu điểm của cơng nghệ này
là chi phí thấp, tiêu tốn ít năng lượng mà hiệu quả tách muối cao đối với nguồn nước
nhiễm mặn có nồng độ muối thấp và trung bình [3]. Việc phát triển cơng nghệ CDI địi
hỏi điện cực phải có độ hấp phụ cao và độ đẫn điện tốt. Carbon aerogel có diện tính bề
mặt riêng lớn và dẫn điện là một ưu thế cho việc sử dụng làm điện cực hấp phụ trong
công nghệ CDI.
Trong nghiên cứu này, các yếu tố ảnh hưởng đến q trình tổng hợp carbon aerogel
trong phịng thí nghiện sẽ được khảo sát. Tính chất carbon aerogel được đánh giá qua
các phương pháp phân tích khác nhau và lựa chọn điều kiện tổng hợp thích hợp để phát
triển carbon aerogel làm điện cực hấp phụ cho hệ thống điện dung khử ion xử lý NaCl
và Na2SO4 trong dung dịch nước.

1



CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu aerogels và carbon aerogel
1.1.1 Giới thiệu về aerogels
Thuật ngữ aerogel được giới thiệu đầu tiên bởi Kistler vào năm 1932 để mô tả gel
mà khi đó chất lỏng đã được thay thế bằng khí mà không ảnh hưởng đến cấu trúc mạng
của pha rắn [1]. Trong khi các gel ướt được làm khô bằng phương pháp bốc hơi thì
Kistler sử dụng kỹ thuật siêu tới hạn để để loại bỏ dung môi ra khỏi gel. Phương pháp
siêu tới hạn giúp giảm sự liên kết nơi mặt thoáng của gel, và hạn chế tác động lên cấu
trúc khung của gel nhằm giữ vững được cấu trúc xốp.
Aerogels là vật liệu rắn, có độ xốp rất cao, cấu trúc chiếm trên 90% là khơng khí nên
rất nhẹ. Aerogel đầu tiên được tổng hợp từ silica gel bằng việc thay thế dung môi trong
cấu trúc gel bằng không khí. Về sau, rất nhiều loại aerogels đã được nghiên cứu như:
aerogel oxide kim loại, aerogel hữu cơ, aerogel có nguồn gốc tự nhiên,… Aerogel khơng
chỉ có độ rỗng cao như bọt mà cịn có những tính chất vật lý đặc biệt như: độ dẫn nhiệt
cực thấp, cách âm tốt, độ cứng thấp, diện tích bề mặt riêng lớn, phạm vi điều chỉnh khối
lượng riêng lớn [2].
Một số điểm đặc trưng của aerogels [2, 4]:
 Đặc trưng về cấu trúc: cấu trúc giống như gel, cấu trúc là các chuỗi nano liên kết
lại với nhau và tạo những lỗ xốp, cấu trúc micro sắp xếp có trật tự và liên kết với
nhau thành những đoạn ngắn (cấu trúc vi mô và vĩ mơ tương quan nhau), có khả
năng hình thành khối vĩ mơ, các liên kết hình thành ngẫu nhiên trong cấu trúc,
không ở trạng thái kết tinh.
 Đặc trưng về tính chất: tính chất ở dạng khối khác xa với trạng thái rắn, khí hoặc
bọt thơng thường, aerogels có độ dẫn điện rất nhỏ, độ cứng rất thấp, chỉ số khúc
xạ nhỏ, hằng số điện môi rất nhỏ, tốc độ truyền âm kém, diện tích bề mặt riêng
lớn, phạm vi phân bố của khối lượng riêng và chỉ số khúc xạ rộng (đặc biệt là silica

aerogel), khối lượng riêng tương đối thấp và độ rỗng rất cao.
1.1.2 Phân loại aerogels
Có nhiều cách phân loại aerogels. Nếu dựa vào trạng thái hình thành có thể chia
aerogels thành các dạng như: dạng nguyên khối, dạng bột, dạng màng. Nếu dựa vào
phương pháp tổng hợp có thể phân aerogel thành bốn loại bao gồm: aerogel, xerogel,
cryogel và dạng aerogel khác phụ thuộc vào vật liệu. Một cách phân loại khác dựa vào
2


cấu trúc vật liệu, aerogel được chia thành microporous (< 2 nm) aerogel, mesoporous
(2~50 nm) aerogel và mixed-porous aerogel.
Tuy nhiên, một quan điểm phân loại aerogel được chấp nhận nhiều nhất là dựa vào
thành phần của nó. Aerogel được phân thành hai loại là aerogels đơn chất và composites
aerogels. Aerogel đơn chất gồm có: oxide aerogel (silica và non-silica), aerogel hữu cơ
(resin-based và cellulose-based), carbon aerogel (carbonized plastic, CNT và graphene),
chalcogenide aerogel và các loại aerogel khác (đơn phân tử, carbide,...). Composite
aerogel bao gồm các aerogel đa thành phần, gradient aerogel và micro-/nano- aerogel
composites.

Hình 1. Sơ đồ phân loại aerogels [2].

1.1.3 Phương pháp tổng hợp aerogels
Các ứng dụng chủ yếu của aerogels phụ thuộc vào các tính chất đặc trưng của chúng.
Các tính chất này được quyết định bởi cấu trúc micro của vật liệu hình thành trong quá
trình tổng hợp. Vì thế, quá trình điều khiển cấu trúc vật liệu trong quá trình tổng hợp rất
quan trọng. Phương pháp tổng hợp các aerogels chủ yếu dựa trên quá trình sol–gel. Quy
trình tổng hợp aerogel cơ bản gồm các bước sau:
(1) – Quá trình tạo sol từ dung dịch tiền chất (sự tạo sol): tiền chất ban đầu được hoà
tan trong dung mơi thích hợp tạo thành dung dịch. Dưới tác động của xúc tác, các phân
tử tiền chất tiếp xúc với nhau và ngưng tụ thành các hạt nano sol.

(2) – Chuyển hoá sol thành gel (sự gel hoá): các hạt nano sol trong dung dịch tiếp
xúc nhau và tạo liên kết thành mạng lưới cấu trúc micro các phân tử trong dung dịch,
gọi là gel ướt.
3


(3) – Chuyển hố gel thành aerogel (sấy khơ): dung mơi trong gel ướt được thay thế
bằng khơng khí mà không làm phá huỷ cấu trúc nano của hệ hoặc chỉ gây ra sự thay đổi
nhỏ.
Việc thay đổi các điều kiện ảnh hưởng đến 3 giai đoạn trên sẽ ảnh hưởng trực tiếp
đến cấu trúc của aerogel thu được. Từ đó tạo ra các vật liệu aerogel có tính chất khác
nhau tuỳ mục đích sử dụng.
1.2 Nghiên cứu về vật liệu carbon aerogel
Carbon aerogel là một dạng đặc biệt trong các loại aerogel. Chúng được tạo thành từ
việc nhiệt phân các aerogel hữu cơ để loại bỏ các nhóm chức và chỉ còn lại khung carbon
trong cấu trúc. Carbon aerogel có thể được tạo thành từ nhiều loại aerogel hữu cơ như:
Resorcinol-Formaldehyde, Melamine-Formaldehyde, Phenol-Furfural, polyurethane,
polyacrylonitrile,… [1, 5-7]. Một số tính chất của carbon aerogel từ các aerogel hữu cơ
khác nhau được giới thiệu trong bảng sau:
Bảng 1. Một số loại và tính chất của carbon aerogel từ nguồn aerogel hữu cơ [1].
TT Tên
1
2
3
4
5
6
7

RF

MF
PF
CF
PUR
PM
PVC

Tác chất
Resorcinol, formaldehyde
Melamine, formaldehyde
Phenol, furfural
Cresol, formaldehyde
Polymeric isocyanate
Phenol, melamine
Polyvinyl chloride

Khối lượng
riêng (g/cm3)
0.03-0.60
0.10-0.80
0.10-0.25
0.15-0.40
0.15-0.50
0.53-0.71
0.08-0.52

Diện tích bề mặt
riêng (m2/g)
400-1000
874-1025

350-600
~800
300-600
600-800
300-700

Kích thước
lỗ xốp (nm)
~50
~50
~10
~30
~20
~10
2-20

Trong các loại aerogel hữu cơ sử dụng để tổng hợp carbon aerogel, hệ RF aerogel
được sự quan tâm nghiên cứu nhiều của các nhà khoa học. Các thông số quá trình tổng
hợp RF aerogel và carbon aerogel từ RF được cơng bố rõ ràng cụ thể trên các tạp chí.
Cấu trúc carbon aerogel là một thông số quyết định đến tính chất của aerogel. Rất
nhiều nghiên cứu đã thực hiện việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc aerogel
như các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng ngưng tụ, dung mơi sử dụng cho q trình tổng
hợp, điều kiện sấy tạo aerogel hữu cơ, điều kiện nhiệt phân,… Nhóm nghiên cứu Tamon
và cộng sự [5, 8] tổng hợp carbon aerogel từ phản ứng ngưng tụ resorcinol với
formaldehyde trong xúc tác sodium carbonate với điều kiện sấy siêu tới hạn và sấy đơng
khơ. Cấu trúc của aerogel hình thành được đánh giá và đưa ra các thông số để tổng hợp
carbon aerogel với cấu trúc mesoporous. Kết quả đánh giá bằng hấp phụ khí nitrogen
4



cho thấy kích thước lỗ xốp aerogel trong khoảng 2.5–9.2 nm, diện tích bề mặt riêng
400–700 m2/g. Tamon cịn cho thấy khả năng hấp phụ của aerogel đối với các khí ethane
và ethylene. Khi tăng nhiệt độ nhiệt phân, khả năng hấp phụ khí ethane lớn hơn khí
ethylene, nhưng khi nhiệt độ nhiệt phân đạt 1000oC mức độ hấp phụ của aerogel carbon
đối với hai khí trên là như nhau. Cùng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc carbon
aerogel trên cơ sở sấy siêu tới hạn còn có sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu khác.
Nhóm Brandt và Fricke [9] sử dụng kỹ thuật sấy siêu tới hạn tạo ra carbon aerogel có
khối lượng riêng dao động trong khoảng rộng 0.20–1.40 g/cm3. Xúc tác nhóm sử dụng
là acid acetic với tỷ lệ resorcinol/xúc tác (R/C) trong khoảng 0.13–1300. Nhóm
Horikawa [10] sử dụng nhiều loại xúc tác khác nhau như: K2CO3, Na2CO3, KHCO3,
NaHCO3 để đánh giá cấu trúc carbon aerogel tạo thành. Perez-Caballero và cộng sự [11]
phát triển carbon aerogel dựa trên 5-methylresorcinol–formaldehyde gel trong điều kiện
sấy siêu tới hạn và so sánh với việc sấy ở điều kiện thường. Kết quả nhận thấy, carbon
aerogel có khối lượng riêng 0.13 g/cm3, diện tích bề mặt riêng 500 m2/g với tỷ lệ MR/C
= 60, W/MR = 45, cấu trúc micropores chiếm 90%. So sánh việc sấy siêu tới hạn và sấy
trong khí quyển cho thấy cấu trúc gel khi sấy siêu tới hạn đồng đều hơn, độ xốp phân
bố tốt trong tồn bộ aerogel, diện tích bề mặt riêng lớn hơn. Bên cạnh đó, một số nhóm
nghiên cứu phát triển carbon aerogel trong điều kiện sấy trong không khí. Petricevic và
cộng sự [12] cơng bố carbon aerogel có kích thước lỗ xốp > 50 nm được tổng hợp trong
điều kiện R/C = 1000, thành phần polymer trong dung dịch 30%, sấy trong điều kiện
khí quyển, nhiệt phân ở 1050oC. Nhóm Wu và cộng sự [13] tạo carbon aerogel có khối
lượng riêng thấp < 0.4 g/cm3, diện tích bề mặt riêng 550–660 m2/g, kích thước các sợi
carbon 30–50 nm với điều kiện sấy khí quyển để làm khơ gel ướt. Nhóm nhận thấy cấu
trúc carbon aerogel tổng hợp bằng phương pháp này tương tự cấu trúc nano của aerogel
phát triển từ kỹ thuật sấy siêu tới hạn. Qua đó cho thấy, cấu trúc carbon aerogel rất đa
dạng và phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau. Ở mỗi điều kiện sẽ tạo ra carbon
aerogel có những tính chất đặc trưng như khối lượng riêng thấp, diện tích bề mặt riêng
cao, kích thước lỗ xốp phân bố rộng,… Tuỳ vào mục đích ứng dụng, carbon aerogel sẽ
được chọn lựa điều kiện tổng hợp khác nhau để đạt được hiệu quả tốt nhất.
Sự phát triển của carbon aerogel nói riêng và vật liệu aerogel nói chung tạo ra một

xu thế vật liệu mới, có nhiều tính năng vượt trội, thân thiện với môi trường, tiềm năng
ứng dụng cao. Bên cạnh các nghiên cứu về cấu trúc vật liệu, nhiều nghiên cứu đã bước
5


đầu ứng dụng carbon aerogel vào nhiều ngành khác nhau như hấp phụ, xúc tác, năng
lượng.
Với việc điều khiển kích thước lỗ xốp, kích thước sợi carbon, diện tích bề mặt riêng
trong q trình tổng hợp carbon aerogel. Tính chất hấp phụ của carbon aerogel như dung
lượng hấp phụ, tốc độ hấp phụ đã được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm và thử nghiệm
trên các tác nhân có kích thước phân tử khác nhau. Bekyarova và Kaneko [14] đã điều
chỉnh cấu trúc carbon aerogel cho việc hấp phụ nitrogen và oxygen ở điều kiện siêu tới
hạn. Kích thước lỗ xốp trong aerogel được điều chỉnh bằng việc tẩm các kim loại Ce và
Zr lên bề mặt aerogel. Sau khi tẩm Ce và Zr lên carbon aerogel thì khả năng hấp phụ đối
với nitrogen và oxygen tăng so với carbon aerogel. Nhóm Farmer và nhóm Rana đã sử
dụng carbon aerogel để hấp phụ ion chromium trong nước thải [15, 16]. Phương pháp
hấp phụ điện hố được hai nhóm sử dụng để hấp phụ ion chromium. Farmer nhận thấy
carbon aerogel có khả năng hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch giảm từ nồng độ 35 ppb
xuống 2 ppb trong điều kiện điện thế sử dụng 1.2 V. Dung lượng hấp phụ điện hoá của
carbon aerogel trong điều kiện trên đạt 1.4x10-4 g/g. Còn nhóm Rana khảo sát khả năng
hấp phụ chromium cho thấy, điều kiện tối ưu để hấp phụ chromium đối với carbon
aerogel là ở pH thấp và điện lượng cao. Carbon aerogel có khả năng hấp phụ đạt 98.5%
trong điều kiện pH = 2, điện lượng 0.8 Ah với nồng độ chromium ban đầu trong khoảng
2–8 mg/L. Một số kim loại nặng khác cũng được đánh giá khả năng hấp phụ trên carbon
aerogel như: Cd(II), Pd(II), Hg(II), Cu(II), Ni(II), Mn(II) và Zn(II) trong nghiên cứu của
nhóm Meena và Kadirvelu [17, 18]. Khảo sát của Meena cho thấy, dung lượng hấp phụ
tối đa các ion trên carbon aerogel tương ứng là: Cd(II) 400.8 mg/g, Cu(II) 561.71 mg/g,
Hg(II) 45.62 mg/g, Ni(II) 12.85 mg/g, Zn(II) 1.84 mg/g, Mn(II) 1.27 mg/g và Pb(II)
0.70 mg/g. Khả năng hấp phụ của carbon aerogel tuân theo hai mô hình hấp phụ
Langmuir và Freundlich. Kadirvelu khảo sát khả năng hấp phụ của carbon aerogel trên

3 kim loại Pb(II), Hg(II) và Cd(II) dựa trên hai mơ hình Langmuir và Freundlich cho
thấy, dung lượng hấp phụ của các ion tương ứng là: Hg (II) 34.96 mg/g, Pb(II) 34.72
mg/g, Cd(II) 15.53 mg/g. Ngồi ra, carbon aerogel cịn được nghiên cứu sử dụng để hấp
phụ các anion của các muối vô cơ như: Cl-, Br-, NO3-, SO42-, CO32-. Các nghiên cứu sử
dụng carbon aerogel làm điện cực cho hệ thống điện dung khử ion (CDI) để khảo sát
khả năng hấp phụ các anion và ứng dụng xử lý nước nhiễm mặn [19-21]. Gabelich và
cộng sự [20] đã sử dụng mơ hình CDI để khảo sát tính chất hấp phụ của điện cực carbon
6


aerogel đối với các muối vô cơ của các ion: sodium (Na+), magnesium (Mg2+), potassium
(K+), rubidium (Rb+), chloride (Cl-), bromide (Br-), nitrate (NO3-), và sulfate (SO42-).
Nghiên cứu cho thấy, các ion hấp phụ đơn lớp theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir. Dung
lượng hấp phụ của điện cực carbon aerogel đạt 1.0–2.0×10-4 mol/g aerogel với kích
thước lỗ xốp của carbon aerogel từ 4–9 nm. Nhóm Jung [19] và nhóm Rasines [21] khảo
sát khả năng ứng dụng carbon aerogel để khử mặn cho thấy, khả năng hấp phụ và loại
bỏ NaCl trong dung dịch cao trên 90% khi điện thế sử dụng 1.5 V với dung dịch NaCl
vào có độ dẫn 100 μS/cm. Bên cạnh hấp phụ các ion kim loại, muối vơ cơ, carbon aerogel
cịn có thể được sử dụng để hấp phụ các chất hữu cơ khác nhau. Hấp phụ ethane và
ethylene bằng carbon aerogel do nhóm Tamon và cộng sự khảo sát [5]. Một số hợp chất
hữu cơ trong ngành dệt nhuộm như: crystal violet, methyl violet, và methylene blue đã
được khảo sát hấp phụ trên carbon aerogel [22].
Bên cạnh đó, carbon aerogel cịn được sử dụng làm chất mang xúc tác trong lĩnh vực
xúc tác dị thể [23]. Một trong những đặc trưng trong lĩnh vực này là các xúc tác kim loại
được tẩm lên carbon aerogel trong quá trình tổng hợp aerogel hữu cơ. Sau khi gel hoá,
các tiền chất kim loại được giữ lại trong khung cấu trúc của aerogel và các ion kim loại
có thể tạo phức với các nhóm chức của polymer. Việc sử dụng các tiền chất muối kim
loại có thể làm tăng hiệu quả xúc tác trong q trình polymer hố và gel hoá, việc này
sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước lỗ xốp của aerogel hữu cơ. Sau giai đoạn nhiệt
phân, các kim loại sẽ phân bố trong cấu trúc xốp của carbon aerogel. Phương pháp này

có ưu điểm là tăng hiệu quả tẩm kim loại lên chất mang aerogel và có thể sử dụng như
xúc tác trong nhiều phản ứng khác nhau hoặc nhiều ứng dụng như: điện cực trong pin
nhiên liệu, siêu tụ điện. Ngoài ra, xúc tác kim loại có thể phân tán trên carbon aerogel
bằng nhiều phương pháp khác như ngâm tẩm hoặc hấp phụ lên aerogel hữu cơ hoặc trực
tiếp lên carbon aerogel. Ứng dụng carbon aerogel làm chất mang xúc tác trong pin nhiên
liệu được khảo sát trong nhiều nghiên cứu [24-28]. Trong các khảo sát này, xúc tác
platinum được tẩm lên carbon aerogel để sử dụng trong pin nhiên liệu màng. Marie và
cộng sự [25] sử dụng phương pháp ngâm tẩm để gắn platinum lên carbon aerogel trong
hai giai đoạn khác nhau, tẩm trong quá trình trao đổi ion tạo gel hữu cơ và tẩm sau khi
đã tạo carbon aerogel. Bên cạnh đó Marie cịn so sánh hiệu quả giữa carbon aerogel và
carbon black (Vulcan XC-72 và BP2000). Kết quả so sánh thấy hiệu quả tẩm platinum
lên carbon aerogel cao hơn so với chất mang carbon blacks. So sánh hai phương pháp
7


tẩm thì việc tẩm lên carbon aerogel cho kết quả phân bố hạt platinum tốt hơn so với việc
tẩm platinum trong gel hữu cơ. Kim và các cộng sự [27] tẩm platinum lên carbon aerogel
bằng việc ngưng tụ polymer trong tiền chất kim loại. Bằng phương pháp này, hiệu quả
tẩm platinum lên carbon aerogel đạt 40%, kích thước các hạt platinum khoảng 2–3 nm.
So sánh hiệu quả xúc tác của Pt–Carbon aerogel với các xúc tác thương mại cho thấy,
Pt-Carbon aerogel có hiệu quả xúc tác tốt hơn trong hệ pin nhiên liệu màng. Bên cạnh
đó, carbon aerogel cịn được sử dụng làm chất mang xúc tác cho pin nhiên liệu methanol.
Du và cộng sự [26] tẩm hỗn hợp xúc tác Pt-Ru lên carbon aerogel sử dụng ở điện cực
anode trong pin nhiên liệu methanol. Hỗn hợp đồng xúc tác Pt-Au cũng được tẩm lên
carbon aerogel làm xúc tác [28]. Kết quả khảo sát cho thấy carbon aerogel tẩm xúc tác
kim loại có tính chất xúc tác tốt cho việc oxy hố methanol trong pin nhiên liệu. Ngồi
ra, carbon aerogel tẩm kim loại hoặc oxide kim loại được sử dụng làm điện cực trong
siêu tụ điện. Hwang và Hyun [29] sử dụng carbon aerogel được tẩm SnO2 làm điện cực
trong siêu tụ cho thấy, điện dung riêng của điện cực cao nhất đạt 119.2 F/g. Nhóm
Bozbag và nhóm Lee [30, 31] khảo sát việc tẩm các kim loại (Co, Ni, Cu, Fe, Mn và

Zn) lên carbon aerogel sử dụng trong siêu tụ điện và đánh giá hiệu quả từ đó lựa chọn
kim loại phù hợp với tỷ lệ tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất tụ điện.
1.3 Ứng dụng carbon aerogel trong xử lý nước nhiễm mặn
1.3.1 Tổng quan công nghệ xử lý nước nhiễm mặn thành nước ngọt
Trữ lượng nước mặn lớn cùng với tình trạng nước nhiễm mặn càng nhiều làm nhiều
khu vực trên thế giới rơi vào tình trạng thiếu nước ngọt sử dụng. Phân tách muối trong
nước mặn và nước nhiễm mặn tạo nước ngọt cho người tiêu dùng trong sử dụng hàng
ngày, sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp là vấn đề đang được quan tâm trên thế
giới. Trong những năm qua, một số cơng nghệ khử muối đã được phát triển, trong đó
chưng cất, thẩm thấu ngược, và điện phân là phổ biến nhất [3].
Chưng cất
Chưng cất xảy ra trên cơ sở của sự thay đổi nhiệt độ của nước, đòi hỏi lượng lớn
năng lượng đầu vào (ts= 100oC ở 1 atm). Trong thực tế, nhiệt độ sơi của nước có thể
được thay đổi bằng cách điều chỉnh áp suất khí quyển để tạo ra lượng tối đa của hơi
nước trong điều kiện kiểm sốt. Ngày nay, giữa các q trình khử muối bay hơi, phương
pháp Multi Stage Flash (MSF) và phương pháp khử muối Multi Effect Distillation
(MED) được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Trong phương pháp MSF, dòng nước bốc
8


hơi trong các buồng nhiệt (trao đổi nhiệt ngược) với sự giảm nhiệt độ và áp suất làm
nóng bằng hơi nước, kết quả là số lượng lớn hơi nước sau đó được ngưng tụ trên bề mặt
bên ngồi của chùm ống. Trong phương pháp MED, sự bốc hơi xảy ra trên bề mặt bên
ngoài của một chùm ống, được làm nóng bằng hơi nước đi trong ống. Hơi nước trên mặt
ngoài chảy vào các chùm ống kế tiếp và gia nhiệt làm bay hơi nhiều hơi nước hơn ở áp
suất và nhiệt độ thấp. Cả hai phương pháp MSF và MED có thể được kết hợp với các
thiết bị phục hồi hơi, để nâng cao hiệu quả năng lượng [32].
Thẩm thấu ngược (RO)
Bên cạnh phương pháp thay đổi pha, việc tách nước ngọt từ nước mặn cũng có thể
được thực hiện bởi các quá trình lọc màng áp suất. Trong số các quy trình, thẩm thấu

ngược được sử dụng rộng rãi nhất, chiếm hơn 70% ứng dụng cho khử mặn nước biển và
nước lợ ở châu Âu [33]. Nước mặn được bơm với một áp lực lớn để vượt qua áp lực
thẩm thấu vào bên trong màng bán thấm mà chỉ cho phép thẩm thấu các phân tử nước,
không cho ion hoặc bất kỳ chất hòa tan khác nào thấm qua [32, 33]. Áp suất dòng nước
mặn thường khoảng 60-80 bar [34], trong khi đối với nước lợ, con số này thấp hơn nhiều
(~20 bar) [35].
Điện phân
Giống như thẩm thấu ngược, điện phân [36, 37] cũng là một phương pháp sử dụng
lớp màng khử muối. Tuy nhiên, thay vì sử dụng màng bán thấm, màng trao đổi ion được
sử dụng. Trong suốt q trình khử muối, dịng điện được tạo ra giữa hai điện cực của
một nguồn điện bên ngoài (ví dụ như pin). Do tác dụng của dịng điện, các ion di chuyển
về điện cực trái dấu của nó. Các anion đi qua màng trao đổi anion gần nhất và bị chặn
lại bởi các màng trao đổi cation liền kề. Tương tự như vậy, các cation di chuyển theo
hướng ngược lại, đi qua các màng trao đổi cation gần nhất, nhưng sau đó bị chặn bởi
các màng trao đổi anion liền kề. Điện phân thường được sử dụng để khử mặn nước ngầm
lợ dùng làm nước uống [38], và được sử dụng trong cơng nghiệp hóa chất, cơng nghệ
sinh học và kiểm sốt ơ nhiễm mơi trường nước [39].
1.3.2 Công nghệ điện dung khử ion trong xử lý mặn bằng carbon aerogel
Điện dung khử ion (CDI) là một kỹ thuật điện hoá mới, được phát triển để loại bỏ
các ion trong dung dịch bằng việc áp một điện thế nhỏ vào hai bản điện cực và khả năng
hấp phụ của điện cực [40]. Công nghệ CDI được sự quan tâm nghiên cứu nhiều so với
các công nghệ xử lý nước nhiễm mặn khác vì thân thiện với mơi trường, không tạo ra
9


sản phẩm gây ô nhiễm, và giảm năng lượng tiêu tốn khi vận hành [41]. Quá trình khử
ion xảy ra do sự khác nhau về điện thế trong dung dịch, dòng lưu chất chảy qua các điện
cực trái dấu, các ion hấp phụ lên điện cực, dịng nước sau đó đi ra khỏi điện cực sẽ được
loại bỏ các ion.


Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của CDI [41].

Điện cực là một phần quan trọng nhất trong hệ CDI. Thông thường, điện cực trong
hệ CDI được làm bằng vật liệu carbon xốp với diện tích bề mặt riêng lớn, và khả năng
dẫn điện. Nhờ vào hai tính chất trên mà điện cực có khả năng hấp phụ lượng lớn các ion
trong dung dịch. Rất nhiều loại vật liệu carbon đã được nghiên cứu và ứng dụng vào hệ
CDI để loại bỏ các ion, phần lớn các nghiên cứu là xử lý nước nhiễm mặn và các kim
loại nặng. Một số dạng điện cực xốp đã được phát triển như: activated carbon (AC),
activated carbon cloth (ACC), activated carbon fibers (ACFs), carbon nanofibers
(CNFs), carbon aerogels (CAs), mesoporous carbon (MC), carbon nanotubes (CNTs) và
graphene [40-42]. Tuy nhiên, một số loại vật liệu carbon có chi phí rất cao, khả năng
thấm ướt kém, cơ tính thấp gây khó khăn trong việc ứng dụng chúng làm điện cực cho
hệ CDI.

Hình 3. Cấu trúc vật liệu cacbon làm điện cực CDI [42].
Graphene-like carbon flake (a); multi-walled carbon nanotubes (b); electrospun fibers (c);
activated carbon cloth (d); carbon aerogels (e); và ordered mesoporous carbon (f).

10


Hiệu suất hấp phụ ion bằng CDI phụ thuộc chủ yếu vào các tính chất của điện cực
carbon: tổng thể tích lỗ xốp, kích thước lỗ xốp, liên kết lỗ xốp, tính dẫn điện, tính chất
điện hóa. Các u cầu quan trọng đối với vật liệu điện cực để lọc nước mặn theo phương
pháp CDI như sau [42, 43]:
 Diện tích bề mặt riêng lớn để hấp phụ ion
 Độ ổn định về mặt điện hóa cao trong mơi trường pH và điện áp (khơng bị
oxy hóa) để đảm bảo tuổi thọ và thời gian làm việc ổn định
 Tốc độ di chuyển ion nhanh trong mạng lưới lỗ xốp
 Độ dẫn điện

 Điện trở tiếp xúc thấp giữa các lớp điện cực xốp
 Thấm ướt tốt
 Chi phí thấp và khả năng mở rộng
 Dễ định hình, thuận lợi cho việc tạo lớp điện cực
 Nguồn cung cấp phong phú và thân thiện môi trường
 Trơ về mặt sinh học
Carbon aerogel (CA) được tạo thành từ resorcinol và formaldehyde trong điều kiện
sấy trong khơng khí có cấu trúc phần lớn là lỗ xốp nano và meso. CA có ưu điểm là diện
tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc lỗ xốp có thể điều chỉnh được, độ dẫn điện tốt, khối lượng
riêng phân bố trong khoảng rộng. Các tính chất trên của CA hướng đến khả năng ứng
dụng cao trong hấp phụ điện hoá. Điện cực CA được sử dụng để khử các ion kim loại
[15-18], muối vô cơ [19-21] và một số các chất ô nhiễm hữu cơ [22]. Sau khi sử dụng
một thời gian, các điện cực sẽ bị bão hòa mất khả năng loại bỏ các ion và chúng cần
được tái sinh hoặc thay thế. CA được xem là vật liệu điện cực lý tưởng cho siêu tụ điện
[29-31] và CDI [20, 21]. Phần lớn các nghiên cứu nhận thấy CA là vật liệu đầy hứa hẹn
trong ứng dụng làm điện cực hấp phụ điện hoá. Việc sử dụng CA trong xử lý nước uống
với số lượng lớn là khá đắt và việc thay thế các điện cực CA sẽ làm tăng chi phí xử lý
nước. Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể, việc xử lý nước uống ngay bằng công
nghệ CDI sử dụng CA là biện pháp tốt nhất có thể cung cấp nguồn nước sạch cho người
sử dụng.
Điện cực CA sử dụng cho hệ thống CDI được khảo sát bởi Farmer và cộng sự [44,
45] để loại bỏ Na2SO4, Na2CO3 và Na3PO4 trong nước và loại bỏ NaCl, NaNO3 trong
dung dịch đơn muối. Nhóm cịn sử dụng điện cực CA để loại bỏ NH4ClO4 [46]. Kết quả
11


khảo sát cho thấy, dung lượng hấp phụ đối với các ion có kích thước lớn NO3-, ClO4- là
thấp hơn đối với các ion có kích thước nhỏ Cl-. Khi điện cực được sử dụng liên tục trong
1 tháng, dung lượng hấp phụ giảm 6–8%, đặc biệt khi sử dụng ở điện thế thấp. Khả năng
khử các muối trong dung dịch của CA tương ứng là: Na2SO4 65%, Na2CO3 96%, Na3PO4

76%, NaNO3 94%, NaCl 95% và NH4ClO4 52% với dung dịch vào có độ dẫn 100 μS/cm,
điện thế áp dụng 1.2 V, và 192 cặp điện cực, tốc độ dòng chảy 25 mL/phút.
Jung và cộng sự phát [19] triển điện cực CA cho hệ thống CDI khử NaCl trong dung
dịch. CA được tổng hợp từ RF aerogel trong điều kiện sấy thơng thường có diện tích bề
mặt riêng 610 m2/g, khối lượng riêng thấp hơn 0.5 g/cm3, độ xốp 80%, độ dẫn điện tối
đa đạt 13.2 S/cm, dung lượng điện riêng 220 F/g. Điện cực CA cho hiệu suất loại bỏ cao
nhất 93–98% trong điều kiện nồng độ NaCl 50 mg/L, điện thế sử dụng 1.5–1.7 V, 6 cặp
điện cực. Dung lượng hấp phụ của điện cực CA đối với dung dịch NaCl nồng độ 100–
1000 mg/L khoảng 5.20–14.22 mg/g trong điều kiện điện thế áp vào là 1.2 V [47]. Kết
quả cho thấy, hiệu quả hấp phụ điện hoá tốt của điện cực CA là do diện tích bề mặt riêng
lớn, độ dẫn điện cao, trơ với hoá chất, độ phân bố lỗ xốp tối ưu cho việc di chuyển của
các ion trong quá trình hấp phụ và giải hấp điện hố. Nhóm Xu và cộng sự [48] phát
triển CA cho hệ CDI xử lý nước lợ và thu hồi iodide trong nước. Khảo sát trong phịng
thí nghiệm và quy mơ pilot để đánh giá tính chọn lọc của các ion, thông số vận hành,
hiệu quả khử mặn, và các khó khăn cho việc ứng dụng cơng nghệ. Tính chọn lọc các ion
trong dung dịch qua quá trình đánh giá tương ứng là I > Br > Ca > Mg > Na > Cl. Các
tác giả cũng cho thấy độ hấp phụ đối với mơ hình thí nghiệm và mơ hình pilot là tương
tự nhau. Trong quy mơ pilot, khả năng khử cho thấy hiệu quả tốt đối với các ion: 77%
(I-), 62% (Br-), 40% (Ca2+), 34% (Mg2+), 18% (Na+), và 16% (Cl-). Tuy nhiên, thực tế
quá trình xử lý bằng CDI không thể đạt chất lượng nước tiêu chuẩn để tái sử dụng do
chứa hàm lượng chất rắn không tan (TDS) cao. Để giải quyết vấn đề trên, nhiều cột CDI
sẽ được kết nối với nhau để khử muối đa bậc. CDI 10 bậc có thể giảm nồng độ TDS đến
giá trị có thể tái sử dụng.
Một số nghiên cứu đã mở rộng sử dụng CA kết hợp với một số chất khác để tạo thành
điện cực carbon composite nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ của điện cực trong hệ thống
CDI. Nhóm nghiên cứu Yang và cộng sự [49] sử dụng CA kết hợp với silica gel làm
thành điện cực hoạt tính. Điện cực composite có nhiều tính chất nổi bật: tính thấm ướt
cao, độ bền cơ tính tốt, dễ dàng tạo hình. Hiệu quả hấp phụ NaCl đạt 50% với nồng độ
12