Nghiên cứu và thực nghiệm, Cunping Huang đã chứng minh hiệu quả điện phân bằng xung điện hay của Naohiro Shimizu đã công bố một phương pháp điện phân xung mới với hiệu suất rất cao – điện phân xung cực ngắn, sử dụng phương pháp điện phân dùng dòng một chiều DC truyền thống để khử độ cứng của nước, Hideo Hayakawa đã đưa ra phát minh thiết bị làm sạch nước với hệ ba điện cực để khử các thành phần tạo ra độ cứng của nước trên cơ sở muối cacbonat hoặc sunfat… Nhưng để có một hệ thống phá huỷ và thu hồi cáu cặn đầy đủ, có tính thương mại thì hiện nay thế giới chưa có nhiều. Nhu cầu sử dụng các hệ thống giải nhiệt bằng nước tuần hoàn hở hiện nay tại Việt Nam và các nước lân cận trong khu vực Đông Nam Á là rất lớn. Chính vì vậy nhóm tác giả đã nghiên cứu tính toán thiết kế thiết bị xử lý nước cứng và thu hồi cáu cặn bằng sóng cao tần, ứng dụng trong hệ thống làm mát công nghiệp bằng nước tuần hoàn hở, nhằm khắc phục nhược điểm của các phương pháp xử lý nước cứng truyền thống đang được sử dụng tại Việt Nam.

1. Cơ sở lý thuyết về sự hình thành, phá huỷ và thu hồi cáu cặn

1.1. Sự hình thành cáu cặn trong hệ thống làm mát

Sự hình thành cáu cặn trong hệ thống làm mát chủ yếu do nước cấp cho hệ thống này có độ cứng cao. Độ cứng của nước tạo ra do các ion kim loại hóa trị khác nhau chuyển vào trong nước từ quá trình phong hóa các khoáng chất lâu dài. Độ cứng của nước gây ra do sự tồn tại của các ion kim loại trong nước, chủ yếu là Ca²⁺, Mg²⁺ (ngoài ra còn có Al³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Mn²⁺…) với hàm lượng khác nhau tùy theo nguồn nước. Các khoáng tạo ra độ cứng của nước trên cơ sở muối carbonate hoặc sulfate.

Độ cứng của nước được phân thành độ cứng tạm thời (hay độ cứng cacbonat) khi các ion kim loại có mặt dưới dạng các muối bicarbonate (HCO₃^-) và độ cứng vĩnh cửu khi chúng ở dạng các muối của acid mạnh (sulfate và chloride).

Trong các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống làm mát nguồn nước và thiết bị có nhiệt độ cao, do đó tăng cường sự thoát CO₂, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận tạo ra CaCO₃, MgCO₃, Al(OH)₃, Fe₂O₃... Khi nồng độ các chất này đạt đến quá bão hòa cùng với tốc độ nước tuần hoàn thấp sẽ lắng trong hệ thống. Trải qua thời gian lớp này dày nên và hình thành cặn bám. CO₂ sinh ra kết hợp với nước tạo thành acid H₂CO₃ ăn mòn đường ống và các bộ phận có hơi nước ngưng đọng. Trong đường ống hoặc trong thiết bị trao đổi nhiệt xảy ra quá trình ăn mòn điện hoá. Các nguyên tử Fe bị oxi hóa thành Fe²⁺. Các ion này tan vào dung dịch điện li trong đó đã có một lượng không khí oxygen, tại đây chúng bị oxi hóa tiếp thành Fe³⁺.

Các hydrogen ion của dung dịch điện ly bị khử thành hydrogen tự do, sau đó thoát ra khỏi dung dịch điện ly.

Các tinh thể Fe lần lượt bị oxi hóa từ ngoài vào trong. Sau một thời gian hình thành lớp gỉ trên vật bằng gang (thép) và vật liệu sẽ bị ăn mòn.

Một số loại muối dễ phân ly, khi hòa tan sẽ làm tăng độ dẫn điện của nước, thúc đẩy ăn mòn theo cơ chế điện hóa.

Vì vậy xử lý độ cứng của nước cấp mà tập trung vào khử Ca, Mg, Al, Fe,..., độ cứng carbonate, loại trừ cặn, tảo, rong rêu sẵn có, ngăn chặn bám cặn, rong rêu trở lại là mục tiêu chính của nghiên cứu.

1.2. Sự phá huỷ cáu cặn trong hệ thống làm mát

1.2.1. Phá hủy cáu cặn bằng sóng cao tần

Theo Leonard D.Tijing, sử dụng trường điện tần số radio tạo ra giữa 2 điện cực graphit có tác dụng làm giảm cặn calcium carbonate bám trong hệ thống làm mát. Trở lực của cặn giảm từ 34 - 88% tùy theo tốc độ dòng chảy, tần số sử dụng. Nhóm nghiên cứu của Leonard D.Tijing đã sử dụng hai tần số 13,56 MHz và 27,12 MHz, hiệu điện thế nguồn cấp 2 V- 5 V tốc độ dòng chảy 0,3 m/s - 1,0 m/s. Ở tần số cao, các calcium ion và carbonate ion có xác suất va chạm cao hơn, do đó tăng cường khả năng lắng thành các khối hạt lớn kết tủa trong nước. Lớp cặn lắng trong ống dẫn giảm đi so với trường hợp không sử dụng trường điện. Khi tốc độ dòng chảy tăng, lớp cặn cũng giảm đi trong trường hợp có sử dụng từ trường.

1.2.2. Phá hủy cáu cặn bằng CO₂ hòa tan

Khí CO₂ là một khí được biết đến rộng rãi, gắn liền với cuộc sống của con người và mọi sinh vật. Tỷ trọng riêng của nó ở 25 °C là 1,98 kg/m³, nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần. Phân tử carbon dioxide (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện. Do nó là hợp chất đã bị oxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không hoạt động lắm và cụ thể là không cháy. Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định carbon dioxide, và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén. CO₂ có nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, công nghệ ô tô, hàn, cứu hỏa... Bên cạnh đó về mặt địa chất thiên tạo, CO₂ cũng đóng góp vai trò quan trọng tạo nên những cảnh quan – đó chính là hiện tượng hình thành nhũ đá trong các hang động. Các nhà khoa học đã có nhiều nghiên cứu về hiện tượng này. Nguyên nhân là do dòng nước tại các khu vực này giàu Ca(HCO₃)₂. Vì đá vôi với thành phần chính là calcium carbonate bị hoà tan trong nước có chứa khí carbonic tạo thành dung dịch Ca(HCO₃)_2.

Như vậy, bằng cách tạo ra CO₂ hòa tan trong nước, CO₂ sẽ đi vào hệ thống đường ống, hòa tan dần cáu cặn trong hệ thống làm mát mà thành phần chính là calcium carbonate. Mặt khác chỉ khoảng 1% carbon dioxide hòa tan chuyển hóa thành acid carbonic nên việc sử dụng CO₂ hợp lý sẽ không làm ảnh hưởng tới pH của hệ thống.

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp điện phân với dòng xoay chiều AC giữa 2 điện cực và tần số từ 15 KHz - 5 MHz, liên tục tạo ra gốc tự do OH·, O·, HOO· có tính oxi hóa mạnh, (điển hình là OH·), các gốc này sẽ oxi hóa không chọn lọc các hợp chất hữu cơ trong nước tạo thành CO₂ và H₂O. CO₂ sinh ra do quá trình này một phần sẽ hòa tan trong nước, tương tác và phá hủy một phần cáu cặn trong đường ống. Thực nghiệm cũng cho thấy pH của hệ thống ổn định từ 7,0 - 8,0 nằm trong tiêu chuẩn cho phép với nước cấp công nghiệp.

1.3. Sự thu hồi cáu cặn trong hệ thống làm mát

1.3.1. Khử độ cứng của nước bằng phương pháp điện phân

Một số nhà khoa học đã có những công bố về sử dụng phương pháp điện phân dùng dòng một chiều DC truyền thống để khử độ cứng của nước. Nguyên lý của khử cặn bằng phương pháp điện phân nước dựa trên việc tạo ra môi trường pH cao quanh bề mặt cathode bằng cách khử nước và giải phóng ra ion hydroxyl OH-.

Ion HCO₃^- có thể chuyển thành CO₃^2-.

Bên cạnh đó, môi trường kiềm tạo ra sự kết tủa các ion khác gây nên độ cứng của nước như Mg²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ ... ở dạng hydroxide.

Trong giai đoạn của phản ứng, Ca²⁺ có thể phản ứng với CO₃^2- tạo thành các mầm tinh thể và phát triển thành tinh thể calcium carbonate khi độ quá bão hòa lớn hơn 1.

Quá trình kết tinh từ dung dịch là quá trình chuyển pha điển hình, trong đó chất kết tinh được chuyển từ dung dịch bão hòa sang pha rắn (tinh thể). Để thực hiện quá trình kết tinh trước hết phải có dung dịch quá bão hòa.

Trong quá trình tạo ra dung dịch quá bão hòa, độ quá bão hòa cứ tăng dần, khi đạt đến giá trị nhất định thì hiện tượng kết tinh bắt đầu xảy ra. Quá trình kết tinh là quá trình biến đổi phức tạp gồm nhiều giai đoạn. Theo quan niệm chung thì quá trình kết tinh gồm 2 giai đoạn chính: Sự tạo mầm tinh thể và sự lớn lên của tinh thể.

Nghiên cứu quá trình điện phân nước bằng phương pháp điện phân DC truyền thống, muốn tăng hiệu suất tạo kết tủa (với các thành phần như CaCO₃ và Mg(OH)₂) cần tăng hiệu suất tạo OH-. Do đó việc áp dụng phương pháp điện phân sao cho hiệu quả tạo H₂ cao cũng sẽ cho kết quả tạo cặn bám trên cathode nhiều hơn.

1.3.2. Bản chất và hiệu quả của quá trình điện phân xung cực ngắn

Quá trình tạo thành H₂ ở cathode do quá trình chuyển khối điều khiển trải qua 3 bước chính:

- Tạo thành H nguyên tử hấp phụ lên bề mặt xúc tác cathode: H⁺(ad) + e - → H (ad) (ad: adsorbed - hấp phụ)

- Tạo thành phân tử H₂: H(ad) + H(ad) → H2 (ad)

- Khử hấp phụ H2: H2 (ad) → H2(k)

Bằng nghiên cứu và thực nghiệm, Cunping Huang đã chứng minh hiệu quả điện phân bằng xung điện với dung dịch ammonium sunfit. Điện phân xung tạo ra cùng một lượng H₂ so với điện phân DC truyền thống trong một nửa thời gian với cùng một thế cực đại, cho hiệu quả tiết kiệm năng lượng rõ rệt.

Trong nghiên cứu của Naohiro Shimizu, xung cực ngắn với độ rộng xung 300 ns cùng với dải thế 7,9 đến 140 V và dải tần số 2-25 kHz. Đối với điện phân DC truyền thống khi thế tăng thì dòng tăng để tăng tốc độ thoát H2. Tuy nhiên hiệu suất giảm từ 40% ở thế 2,2 V còn 8% ở thế 12,6 V, như vậy tốc độ giải phóng hydrogen không tỷ lệ với công suất tiêu thụ vào. Sự giảm này chủ yếu do hầu hết electron chuyển thành năng lượng nhiệt. Trong trường hợp điện phân xung, tốc độ thoát hydrogen tăng tỷ lệ với công suất vào. Khi công suất vào tăng cùng với sự tăng tần số xung, hiệu suất không giảm trong trường hợp thế cực đại cao và tăng trong trường hợp thế thấp. Tính chất này ngược với điện phân DC. Sự tăng hiệu suất trong trường hợp thế thấp có thể do sự tiêu hao năng lượng giảm vì mỗi electron có năng lượng thấp hơn và dao động sóng xung nhọn hơn ở thế cực đại thấp. Với những lý do này năng lượng tiêu thụ điện phân có thể hiệu quả hơn. Nghiên cứu của Naohiro Shimizu cho thấy điện phân xung cực ngắn là phương pháp hứa hẹn khi ứng dụng tăng công suất cùng với sự tăng hiệu suất điện phân.

Trong quá trình điện phân với nguồn DC, luôn tồn tại trường điện, nghĩa là luôn có mặt lớp điện tích kép và lớp khuếch tán. Ngược lại khi điện phân xung cực ngắn, trường điện chỉ áp dụng trong thời gian cỡ một vài micro giây, nhỏ hơn rất nhiều thời gian cần thiết để tạo lớp điện tích kép. Lúc này electron sẽ tụ tập trên bề mặt cathode và vận chuyển nhanh chóng tới ion H⁺, tạo ra hydrogen, tăng hiệu quả điện phân rõ rệt.

Từ những nghiên cứu lý thuyết trên cho thấy rằng cơ chế điện phân xung điện cực ngắn khác hẳn so với điện phân DC truyền thống. Điện phân DC dựa trên việc tạo thành lớp điện tích kép và quá trình khuếch tán giới hạn. Trong khi điện phân xung dựa trên việc ứng dụng trường điện mạnh và sự vận chuyển electron giới hạn trong thời gian cực ngắn. Sự khác nhau này có vai trò rất quan trọng trong thực tế và ứng dụng công nghiệp điện phân xung ngắn với mục đích tăng công suất vào mà không giảm hiệu suất.

2. Kết luận

Bài báo này kế thừa các kết quả nghiên cứu về thu hồi, phá huỷ cáu cặn trong hệ thống làm mát công nghiệp bằng nước tuần hoàn hở. Nhóm tác giả đã tính toán thiết kế điện cực, mạch điều khiển điện cực để thu hồi cáu cặn với tần số làm việc từ 15 KHz ÷ 5 MHz, điện áp 12 V ÷ 48 V.