Với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn ra nhanh chóng, Việt Nam là một trong các quốc gia đang phát triển phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm nguồn nước. Nhu cầu sử dụng nước cho sinh hoạt, sản xuất công và nông nghiệp đang gia tăng mạnh mẽ cùng với sự phát triển kinh tế xã hội và bùng nổ dân số. Theo nhiều tính toán, những thách thức này có thể làm tổn thất tới 6% GDP hàng năm.

Theo cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US-EPA), bùn thải là sản phẩm thải cuối cùng được tạo ra từ quá trình xử lý nước thải dân dụng và nước thải công nghiệp từ nhà máy xử lý nước thải ở dạng hỗn hợp bán rắn. Việc xử lý bùn thải rất khó do lượng lớn, thành phần khác nhau, độ ẩm cao và bùn rất khó lọc. Giá thành xử lý bùn thải chiếm khoảng 25 - 50% tổng giá thành quản lý chất thải. Tùy vào cách thức quản lý khác nhau mà các nước có những phương pháp xử lý bùn thải khác nhau, phổ biến nhất là ứng dụng làm phân bón, chôn lấp và đốt. Một số nước trên thế giới đã tận dụng bùn thay cho than để làm nhiên liệu sản xuất điện năng. Bùn thải đô thị còn được nghiên cứu để sản xuất vật liệu xây dựng tại rất nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Một hướng nghiên cứu mới trong xử lý bùn thải đô thị đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học đó là tận dụng bùn thải đô thị để chế tạo vật liệu mới ứng dụng trong xử lý môi trường. Zhang và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu hấp phụ Pb (II) và Cr (VI) bởi than sinh học thu được từ quá trình nhiệt phân bùn thải đô thị. Lia và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu “Điều chế than hoạt tính từ của bùn thải và hiệu suất hấp phụ của nó đối với các hợp chất hữu cơ trong nước thải”. Monsalvo và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu: “Cacbon hoạt tính từ bùn thải và ứng dụng để hấp phụ 4-clorophenol trong nước”. Wen và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về “Than hoạt tính có nguồn gốc từ bùn thải để hấp phụ formaldehyde ở thể khí”.

Mặc dù trên thế giới đã có một số nghiên cứu chế tạo vật liệu cacbon từ bùn thải đô thị và ứng dụng để xử lý nước ô nhiễm, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào tận dụng vật liệu từ bùn thải cho mục đích tạo màng hấp thụ ánh sáng cho thiết bị tạo hơi nước dùng năng lượng mặt trời nhằm thu hồi nước sạch. Nghiên cứu này được tiến hành nhằm tận dụng nguồn bùn thải đô thị dồi dào để chế tạo màng hấp thụ ánh sáng mặt trời và tận dụng nguồn năng lượng mặt trời ứng dụng để thu hồi nước sạch có thể ứng dụng cho vùng duyên hải ven biển, vùng ngập mặn và hải đảo.

1. Thực nghiệm

1.1. Chế tạo màng hấp thụ ánh sáng từ bùn thải

Mẫu bùn sau khi được xử lý theo quy trình trên Hình 1 sẽ thu được màng vật liệu với các khối lượng vật liệu và điều kiện chế tạo sấy khô chân không ở 40⁰C trong 2 giờ được ký hiệu cụ thể trong Bảng 1. Bùn sau khi nung có không khí ở 500⁰C trong 2 giờ được ký hiệu là B500.  

1.2. Khảo sát các đặc trưng của vật liệu

Vật liệu sau khi tổng hợp sẽ được khảo sát các đặc trưng như hình thái, nhóm chức bề mặt, thành phần nguyên tố, diện tích bề mặt được khảo sát thông qua các phương pháp như hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR), phổ tán sắc năng lượng (EDX), đường đẳng nhiệt hấp phụ theo lý thuyết Brunauer-Emmett-Teller (BET). Các phép khảo sát đều được thực hiện tại phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong Phát triển xanh cấp Đại học Quốc gia Hà Nội (KLAMAG).

1.3. Đo tốc độ bay hơi

Thiết bị bay hơi được thiết kế. Màng hấp thụ ánh sáng được đặt trên 1 tấm xốp và được cấp nước từ bên dưới thông qua cầu nước xenlulo. Màng vật liệu hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành nhiệt năng, cung cấp cho quá trình tạo hơi nước. Điều kiện khảo sát: Nhiệt độ phòng 25⁰C, độ ẩm 65%, công suất chiếu sáng đèn mô phỏng ánh sáng mặt trời 0,6 kW/m². Thời gian khảo sát là 10 phút trong điều kiện tối và 30 phút trong điều kiện chiếu sáng (bật đèn). Sự thay đổi về khối lượng nước bay hơi được ghi lại bằng cân phân tích 6 số có kết nối với máy tính.

Tốc độ bay hơi được tính theo công thức (1) như sau:

V = W_loss/A.t

Trong đó:

v là tốc độ bay hơi nước (kg.m^-2.h^-1).

W_loss là lượng nước mất đi trong quá trình tạo hơi (kg).

A là diện tích của phần được chiếu sáng (m²).

t là thời gian bay hơi (h).

2. Kết luận

Nghiên cứu đã chế tạo thành công màng hấp thụ ánh sáng từ bùn thải của nhà máy xử lý nước thải Kim Liên. Kết quả cho thấy, mẫu bùn thải qua quá trình xử lý nhiệt được phân bố tương đối đồng đều trên màng xenlulo ở các điều kiện khảo sát khác nhau. Mẫu bùn qua xử lý chứa hàm lượng C cao. Ngoài ra còn nhiều thành phần khác như Mg, Al, Fe,…. Diện tích bề mặt đạt 63,74 m²/g và chứa nhiều nhóm chức ưa nước trên bề mặt. Màng hấp thụ ánh sáng cho tốc độ bay hơi nước cao nhất với tốc độ 1,88 kg.m^-2.h^-1 của màng SK_0.09. Kết quả cho thấy ứng dụng tiềm năng của bùn thải công nghiệp.