Người ta biết rằng nước dùng cho điện phân phải có chất lượng rất cao. Tuy nhiên, việc xử lý nước cấp đạt chất lượng yêu cầu mới chỉ là một nửa câu chuyện. Chất lượng nước cũng phải được duy trì trong khi nước lưu thông bên trong máy điện phân. Bài viết này tìm hiểu những gì xảy ra với nước bên trong máy điện phân và những tác động của việc xử lý nước.
Bởi Henrik Tækker Madsen, Giám đốc Phát triển Ứng dụng, Silhorko-Eurowater – Công ty Grundfos
Trước hết, điều quan trọng là phải hiểu tại sao việc xử lý nước lại cần thiết sau khi nước đi vào máy điện phân. Thiếu hoặc thiết kế sai quy trình xử lý nước trong vòng điện phân sẽ dẫn đến:
Hư hỏng dàn điện phân
Hoạt động không đáng tin cậy với các lần dừng ngoài kế hoạch thường xuyên
Tổng chi phí xử lý nước cao hơn
Tăng tiêu thụ nước
Điều quan trọng cần lưu ý là trong khi dàn máy điện phân chiếm 40–60% tổng chi phí vốn của hệ thống máy điện phân thì việc xử lý nước chỉ chiếm khoảng 1% (xem Hình 1), nghĩa là các vấn đề có thể được giải quyết một cách dễ dàng. cách thức chi tiêu hiệu quả.
Hình 1. Xử lý nước chiếm khoảng 1% tổng chi phí vốn.
Nhưng tại sao chúng ta không thể cải thiện việc xử lý nước trước khi đưa vào máy điện phân để tránh phải xử lý nước bên trong máy điện phân?
Các chất ô nhiễm trong hệ thống điện phân không chỉ bắt nguồn từ nước cấp mà còn được thải ra từ chính máy điện phân. Để loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước lưu thông bên trong máy điện phân, hệ thống xử lý nước phải được bổ sung vào cái thường được gọi là vòng lọc.
Để thiết kế đúng hệ thống này, cần phải tính đến mức độ ảnh hưởng của máy điện phân đến chất lượng nước:
- Sửa đổi các chất ô nhiễm
Do sự lưu thông liên tục, các chất ô nhiễm có thể được biến đổi bằng máy điện phân, tạo ra hỗn hợp các chất ô nhiễm phức tạp hơn trong nước.
- Nồng độ chất ô nhiễm
Quá trình điện phân tập trung mọi chất ô nhiễm bên trong máy điện phân. Điều này xảy ra vì nước liên tục biến thành hydro và do đó bị loại khỏi hệ thống. Khi mức độ sử dụng nước tăng lên thì nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng theo. Ví dụ, nếu 90% nước được chuyển thành hydro, nồng độ chất ô nhiễm sẽ tăng theo hệ số 10 và nếu 99% lượng nước được sử dụng, nồng độ chất ô nhiễm sẽ tăng theo hệ số 100.
Trong thực tế, điều này có nghĩa là máy điện phân không hoạt động với nước cấp siêu tinh khiết. Thay vào đó, nó hoạt động trên một luồng quy trình bị ô nhiễm. Hình 2 minh họa cách máy điện phân thay đổi thành phần nước bên trong máy điện phân.
Hình 2. Có ba loại chất ô nhiễm có trong hệ thống điện phân: chất ô nhiễm từ nước thô, chất ô nhiễm thải ra từ máy điện phân và chất ô nhiễm được biến đổi bởi máy điện phân.
Sự hình thành và các loại chất ô nhiễm khác nhau, tùy thuộc vào các yếu tố như loại quy trình điện phân, điều kiện vận hành của máy điện phân và thiết bị xử lý nước được sử dụng để duy trì chất lượng nước. Bài viết này tập trung đặc biệt vào điện phân kiềm và PEM, đây là hai quá trình điện phân phổ biến nhất tại thời điểm viết bài.
Nước siêu tinh khiết là gì?
Nước thích hợp cho điện phân thường được gọi là nước siêu tinh khiết. Để hiểu được chất lượng nước siêu tinh khiết cho máy điện phân đòi hỏi phải xem xét công nghệ máy điện phân cụ thể. Các loại máy điện phân khác nhau rất nhạy cảm với các hợp chất cụ thể trong nước, đòi hỏi các thông số kỹ thuật nước tùy chỉnh cho từng máy điện phân. Mức chấp nhận được đối với các hợp chất có vấn đề thường bị giới hạn ở phần tỷ (ppb).
Độ dẫn điện đóng vai trò là thước đo chung cho nồng độ ion tối đa cho phép. Máy điện phân kiềm thường cho phép mức độ dẫn điện là 1–5 µS/cm, trong khi PEM có giới hạn nghiêm ngặt hơn lên tới 0,1 µS/cm. Ngoài ra, điều cần thiết là phải thiết lập các giới hạn đối với chất hữu cơ và silic, vì chúng không được giải quyết thỏa đáng bằng các phép đo độ dẫn điện.
Duy trì độ tinh khiết của nước trong điện phân kiềm
Trong điện phân kiềm, nước bổ sung siêu tinh khiết được trộn với kali hydroxit (KOH) đến nồng độ khoảng 25–30% trọng lượng. KOH cung cấp độ dẫn điện khi quá trình điện phân được thực hiện bởi ion hydroxit.
Hình 3. Vòng tinh chế cho máy điện phân kiềm. Trong điện phân kiềm, toàn bộ dòng chảy được xử lý bằng bộ lọc dung dịch kiềm để duy trì chất lượng nước.
Dung dịch điện phân kiềm đậm đặc khiến việc phân tách ở cấp độ phân tử và ion rất khó khăn; tuy nhiên, nó giúp giữ cho dung dịch sạch. Do nồng độ cao, hầu hết các ion sẽ có xu hướng kết tủa dưới dạng muối kali hoặc hydroxit do hiệu ứng tạo muối. Lấy canxi (Ca) làm ví dụ, chỉ có 8 ng Ca có thể được hòa tan trong một lít KOH 25% trọng lượng trước khi nó kết tủa dưới dạng canxi hydroxit (Ca(OH) 2 ).
Do đó, vấn đề chính đối với máy điện phân kiềm khi nói đến việc duy trì chất lượng nước là sự hình thành các hạt có thể làm tắc nghẽn máy điện phân hoặc dẫn đến cặn và cặn trong hệ thống.
Để loại bỏ các hạt, người ta sử dụng bộ lọc dung dịch kiềm, thường được tích hợp trực tiếp vào vòng nước khử ion/dung dịch kiềm để xử lý toàn bộ dòng chảy. Bộ lọc này phải có khả năng chịu được môi trường ăn mòn, nhiệt độ cao và khả năng có mặt của hydro phân tử.
Duy trì độ tinh khiết của nước trong điện phân PEM
Máy điện phân PEM khác biệt đáng kể so với máy điện phân kiềm. Không giống như các chất kiềm khác, chúng không cần bổ sung chất điện giải như KOH vào nước. Trong hệ thống PEM, màng trao đổi proton nằm giữa các điện cực đóng vai trò là chất điện phân. Do đó, nước siêu tinh khiết được sử dụng ở trạng thái tự nhiên, không bổ sung thêm chất điện giải. Điều này cho phép xử lý nước bằng kỹ thuật tách ion và phân tử để duy trì chất lượng của nước.
Trong quá trình điện phân trong tế bào PEM, một môi trường rất ăn mòn sẽ được tạo ra. Quá trình này dựa trên việc oxy hóa nước thành proton ở cực dương, sau đó chúng bị khử thành hydro ở cực âm.
Trong quá trình này, các ion florua được giải phóng khỏi máy điện phân và kết hợp với các ion hydro để tạo thành axit hydrofluoric. Do môi trường ăn mòn, hệ thống điện phân có thể bị phân hủy và giải phóng các ion có hại cho ngăn xếp máy điện phân vào vòng DI-nước.
Để ngăn chặn sự tích tụ của các ion và phân tử có hại này, nước phải được làm sạch liên tục, được thực hiện bằng cách xử lý dòng bên của vòng DI-nước trong một vòng tinh lọc.
Cách tiếp cận phổ biến nhất là xử lý nước bằng máy đánh bóng có khả năng khử ion nước, sau đó là bộ lọc hạt nhằm loại bỏ các hạt nhựa mịn khỏi máy đánh bóng. Một số thiết kế cũng bao gồm đèn UV sau bộ lọc hạt để khử trùng nước, nhưng điều này thường không cần thiết do nguy cơ bám bẩn sinh học trong hệ thống điện phân rất thấp.
Kích thước của vòng lặp sàng lọc phụ thuộc vào một số biến:
- Chất lượng của nước trang điểm
- Khả năng lọc của vật liệu được sử dụng trong máy điện phân
- Điều kiện hoạt động của máy điện phân (ví dụ: nhiệt độ và áp suất)
- Tiêu chí chất lượng trong vòng DI-water
Tiêu chí chất lượng trong vòng DI-nước chỉ định nồng độ chất ô nhiễm ở trạng thái ổn định tối đa cho phép. Nồng độ mục tiêu hoặc độ dẫn điện trong vòng DI-water càng thấp thì vòng tinh chế phải càng lớn.
Theo nguyên tắc chung, vòng sàng lọc trong hệ thống PEM phải có lưu lượng bằng 1–5% vòng lặp DI-nước, như minh họa trong Hình 5.
Hình 5. Để duy trì chất lượng nước bên trong máy điện phân PEM, kích thước của vòng tinh chế phải bằng 1–5% vòng DI-nước.
Các điều kiện trong vòng tinh chế đều có tính ăn mòn và liên quan đến nhiệt độ tăng cao, nghĩa là hệ thống xử lý nước phải có khả năng xử lý nước hiệu quả mà không bị hư hỏng.
Hai công nghệ thường được xem xét cho quá trình đánh bóng: trao đổi ion và điện cực hóa lớp hỗn hợp (EDI), nhưng hiện tại, chỉ có một công nghệ được coi là phù hợp.
Bạn có biết không?
Giới hạn dưới thực tế cho độ dẫn điện trong nước ở 25°C là 0,056 µS/cm. Đây là độ dẫn nền được tạo ra bởi các phân tử nước liên tục phân tách để tạo thành các ion hydro và ion hydroxit trong quá trình tự phân hủy nước. Bạn không bao giờ có thể nhận được dưới giá trị này.
Chỉ cần 1 mg/L natri clorua (NaCl) sẽ dẫn đến độ dẫn điện là 2,2 µS/cm.
Sử dụng công nghệ đánh bóng nào trong vòng sàng lọc PEM?
Giường hỗn hợp và EDI sử dụng các quy trình tương tự dựa vào sự trao đổi ion để loại bỏ các ion xuống nồng độ rất thấp.
Trong một giường hỗn hợp, một bình chứa đầy hỗn hợp các hạt nhựa trao đổi anion và cation. Khi nước đi qua các hạt nhựa, nhựa cation sẽ hấp thụ bất kỳ ion tích điện dương nào (ví dụ: các ion kim loại) và giải phóng các ion hydro. Nhựa anion sẽ hấp thụ các ion tích điện âm (ví dụ florua F – ) và giải phóng các ion hydroxit. Các ion hydro và hydroxit sẽ phản ứng và tạo thành nước, tạo thành dung dịch hầu như không có ion và chỉ chứa các phân tử nước.
Trong EDI, nhựa trao đổi ion được kết hợp với màng trao đổi ion và điện, tạo điều kiện loại bỏ ion liên tục khỏi nước.
Sau khi sử dụng hết công suất của nhựa trong giường hỗn hợp, nó phải được tái sinh hoặc thay thế về mặt hóa học. Ngược lại, hệ thống EDI có thể tiếp tục hoạt động khi nhựa được tái sinh liên tục bằng điện.
Ngày nay, công nghệ tốt nhất hiện có để sàng lọc PEM là các lớp hỗn hợp dựa trên nhựa sử dụng một lần. Điều này là do môi trường khắc nghiệt bên trong hệ thống điện phân đòi hỏi phải có loại nhựa đặc biệt và bình trao đổi ion để hoạt động an toàn. Những loại nhựa và vật liệu đặc biệt này hiện không có sẵn cho EDI.
Hiện nay, việc tái tạo các loại nhựa đặc biệt là quá rủi ro, vì điều này có thể dẫn đến sự gia tăng ô nhiễm của nhựa, làm suy giảm khả năng xử lý nước đạt chất lượng yêu cầu. Tuy nhiên, với việc mở rộng các nhà máy hydro xanh, việc tái tạo nhựa có thể trở nên khả thi, nâng cao tính bền vững cả về kinh tế và môi trường. Tương tự như vậy, có thể sẽ phát triển các hệ thống EDI chuyên dụng cho các vòng sàng lọc bằng máy điện phân PEM, mang lại lợi ích về vận hành, kinh tế và tính bền vững.
Bản tóm tắt
Việc duy trì nước siêu tinh khiết sau khi đi vào ngăn điện phân là rất quan trọng để vận hành an toàn, ổn định và lâu dài. Hình 6 tóm tắt những gì đã học được từ bài viết này.
Máy điện phân kiềm và PEM gặp phải những thách thức riêng biệt do quy trình vận hành khác nhau, đòi hỏi các giải pháp cụ thể cho từng loại.
Trong trường hợp máy điện phân kiềm, cần có hệ thống xử lý nước để loại bỏ các hạt hình thành trong dung dịch kiềm đậm đặc. Điều này liên quan đến việc sử dụng các bộ lọc hạt phù hợp với tính chất hóa học của dung dịch kiềm. Mặt khác, máy điện phân PEM yêu cầu loại bỏ liên tục các ion có hại khỏi cả nước trang điểm và chính hệ thống điện phân. Giải pháp tối ưu hiện nay cho PEM liên quan đến việc sử dụng các bộ trao đổi ion tầng hỗn hợp với các loại nhựa đặc biệt dùng một lần.
Hình 6. Những thách thức và giải pháp duy trì chất lượng nước bên trong máy điện phân kiềm và PEM
Các loại chất ô nhiễm khác nhau và các hệ thống xử lý nước khác nhau có nghĩa là đối với các máy điện phân kiềm, toàn bộ dòng nước DI phải được xử lý, trong khi đối với các hệ thống PEM, chỉ cần xử lý một dòng phụ nhỏ hơn 1–5% dòng chảy.
Không chú ý đến những thách thức cụ thể được nêu trong bài viết này đối với cả điện phân PEM và điện phân kiềm có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho chính máy điện phân. Như Hình 1 cho thấy, việc không đầu tư vào xử lý nước thích hợp có thể gây tốn kém. Vì vậy, có thể chắc chắn rằng việc xử lý nước đúng cách sẽ không thành công trong kinh doanh, nhưng xử lý nước sai cách sẽ phá vỡ nó.
Mời đối tác xem hoạt động của Pacific co.ltd:
Fanpage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLtd
