Các công nghệ khử mặn nước biển – nghiên cứu thử nghiệm quá trình màng chưng cất

17/12/2019

1. MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam, nhu cầu dùng nước ngọt trong quá trình phát triển kinh tế xã hội đang tăng mạnh. Hiện nay, dân số nước ta đã vượt qua con số 90 triệu người. Theo ước tính, lượng nước ngọt cần dùng vào năm 2020 sẽ là 160 tỷ m3. Mức này gần tương đương với nguồn nước vào mùa khô trên các lưu vực sông của cả nước. Như vậy, việc thiếu nước ngọt đã rất rõ ràng. Nước sử dụng trong sinh hoạt chiếm tỷ lệ khoảng 2% so với tổng nhu cầu. Nếu đối chiếu với tiêu chuẩn thiếu nước của Tổ chức Khí tượng thế giới và của UNESCO, hiện nay nhiều vùng ở Việt Nam thiếu nước ở mức từ trung bình đến gay gắt, đặc biệt trong các tháng mùa khô. Sử dụng nước mưa là một phương pháp đơn giản, hiệu quả và thân thiện với môi trường, và do đó nó được sử dụng bổ sung cho khai thác nước ngầm để đáp ứng nhu cầu nước ngọt ở cả khu vực nông thôn và thành thị ở Việt Nam. Tuy nhiên, giống như ở nhiều nước khác, các mô hình nước mưa ở Việt Nam đã bị ảnh hưởng mạnh bởi biến đổi khí hậu, dẫn đến mùa hạn hán kéo dài và nghiêm trọng. Vì vậy, thu hoạch nước mưa không phải là một phương pháp bảo đảm để cung cấp đủ nước sạch trong các mùa hạn hán ở Việt Nam.


Hình 1. Phân bố nước trên trái đất

Theo thống kê, lượng nước trên trái đất hiện nay bao gồm 96,5% trong các đại dương và 2,5% là nước ngọt còn lại là nước bị nhiễm mặn. Nước ngọt tập trung chính ở trong băng ở hai địa cực và trong lòng đất chỉ có 1,3% nước ngọt là từ nguồn nước mặt (hình 1). Có thể thấy được lượng nước mặn trên trái đất rất lớn là nguồn có thể cung cấp cho việc khai thác nước sạch phục vụ cho sử dụng. Do đó, khử mặn nước biển có thể là một giải pháp thiết thực để tăng cường nguồn nước ngọt và giảm thiểu tình trạng khan hiếm nước ngọt ở Việt Nam, đặc biệt là cho nhân dân vùng ven biển và hải đảo.

2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN

Khử mặn là quá trình thu hồi nước ngọt từ các nguồn nước mặn (nước biển hoặc nước lợ) sử dụng các dạng năng lượng khác nhau. Trong một quá trình khử mặn, từ dòng nước mặn cấp vào người ta thu được hai dòng nước: một dòng nước ngọt có độ mặn rất thấp và một dòng nước thải có độ mặn cao hơn rất nhiều so với dòng nước cấp ban đầu (Hình 2). Hai công nghệ khử mặn nước biển phổ biến nhất hiện nay là công nghệ chưng cất truyền thống và công nghệ màng [38].


Hình 2. Sơ đồ nguyên tắc chung của quá trình khử mặn.

2.1. Khử mặn bằng công nghệ chưng cất truyền thống      

Trong công nghệ chưng cất truyền thống, dòng nước mặn được gia nhiệt để đun sôi và hơi nước bốc lên từ nước mặn được ngưng tụ để thu được nước ngọt. Muối và các chất tan không bay hơi nằm lại trong dòng nước mặn. Do đó, công nghệ chưng cất truyền thống cho phép thu được nước ngọt có độ tinh khiết rất cao. Hai dạng công nghệ chưng cất truyền thống có thể kể đến là chưng cất nhanh nhiều bậc MSF (Multi-stage Flash) và chưng cất đa hiệu ứng MED (Multi-effect Distillation) [1].

       Các công nghệ chưng cất truyền thống này được vận hành dựa trên sự phụ thuộc của quá trình bay hơi và ngưng tụ của nước vào nhiệt độ và áp suất. Trong các hệ thống MSF và MED người ta sử dụng nhiều khoang bay hơi và ngưng tụ liên tiếp, nhiệt độ nước cấp và áp suất trong các khoang giảm dần từ khoang đầu đến khoang cuối cùng (Hình 3 và 4). Điểm đặc biệt của công nghệ MSF và MED là nhiệt lượng thoát ra từ quá trình ngưng tụ hơi nước trong khoang này được sử dụng để gia nhiệt cho dòng nước mặn ở khoang tiếp theo, do đó làm giảm nhiệt năng tiêu thụ của cả quá trình và giảm giá thành nước ngọt thu được.

       Công nghệ MSF và MED đã được biết đến và ứng dụng rộng rãi với quy mô lớn từ những năm 1960 để cung cấp nước ngọt có độ tinh khiết cao cho con người sử dụng trong sinh hoạt hoặc các mục đích khác. Tuy nhiên, các công nghệ khử mặn này vẫn tồn tại một số nhược điểm làm cho chúng không khả thi để ứng dụng cung cấp nước ngọt ở quy mô nhỏ, đó là [1]:

  • Tiêu tốn nhiều năng lượng để vận hành hệ thống, nhất là đối với phương pháp MSF (nước biển đầu vào có nhiệt độ từ 90-115 oC).
  • Cấu tạo phức tạp, chỉ phù hợp cho quy mô sản xuất lớn.
  • Dễ bị ăn mòn, vì vậy tiêu tốn nhiều chi phí cho chế tạo và duy tu bảo dưỡng thiết bị.
  • Dễ xảy ra hiện tượng lắng cặn, do đó yêu cầu nước biển phải trải qua quá trình tiền xử lý để đảm bảo các chỉ tiêu nước đầu vào.
  • Nước muối đậm đặc thải ra môi trường có chứa các phụ gia chống ăn mòn và các chất khử trùng, nên có tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh.


Hình 3. Sơ đồ của một hệ thống khử mặn MSF điển hình [38].


Hình 4. Sơ đồ nguyên tắc khử mặn MED [38].

2.2. Công nghệ màng cho khử mặn nước biển     

  Hai loại công nghệ màng đang được sử dụng rộng rãi cho khử mặn nước biển là công nghệ thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO) và điện thẩm tách (Electrodialysis - ED) [1]. Khác với các quá trình chưng cất truyền thống, quá trình khử mặn sử dụng công nghệ RO và ED không đòi hỏi sự chuyển pha của nước để thực hiện quá trình tách, do vậy năng lượng tiêu thụ của quá trình khử mặn dùng công nghệ RO và ED thấp hơn nhiều so với công nghệ chưng cất truyền thống [2, 3]. Năng lượng tiêu thụ của quá trình khử mặn sử dụng công nghệ RO và ED là điện năng.

       Trong công nghệ khử mặn RO, một màng bán thấm được sử dụng để ngăn cách dòng nước mặn và dòng nước ngọt. Màng bán thấm này chỉ cho phép nước sạch ở dạng lỏng truyền qua trong khi chặn lại tất cả các chất hòa tan, các chất rắn lơ lửng, vi khuẩn, và cả virus trên bề mặt màng. Trong quá trình thẩm thấu thông thường, do chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa hai bề mặt màng, nước sạch sẽ dịch chuyển từ bên dòng nước ngọt sang dòng nước mặn (Hình 5). Khi áp đặt một áp suất lên phía bên nước mặn lớn hơn áp suất thẩm thấu, nước sạch sẽ chuyển dịch từ phía nước mặn qua màng RO và ta thu được nước ngọt (Hình 5). Áp suất thủy tĩnh yêu cầu của quá trình RO phụ thuộc vào độ mặn của dòng nước cấp, đặc tính của màng lọc và nhiệt độ của dòng nước cấp. Thông thường đối với nước biển, áp suất vận hành của quá trình RO có thể lên đến 60 atm. Hơn nữa, trong quá trình khử mặn RO, màng lọc rất dễ bị bẩn do lắng cặn. Khi màng lọc bị bẩn, lưu lượng lọc của RO giảm xuống đáng kể và áp suất vận hành phải tăng lên. Do đó, quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ RO yêu cầu nước biển phải được tiền xử lý kỹ để tránh hiện tượng bẩn màng. Do sử dụng áp suất cao, hệ thống RO yêu cầu các vật liệu chịu được áp lực lớn, chống ăn mòn cao như thép không gỉ duplex. Quá trình vận hành công nghệ RO đòi hỏi trình độ tay nghề cao (để thực hiện các quá trình điều khiển, quá trình tiền xử lý nước biển, và quá trình rửa màng lọc). Do đó, công nghệ khử mặn RO phù hợp cho các hệ thống có quy mô lớn nhằm cấp nước ngọt cho các thành phố, khu đô thị trung tâm. Khả năng ứng dụng của công nghệ RO để cấp nước ngọt cho các vùng duyên hải, xa xôi hoặc cho tàu thuyền là rất hạn chế.


Hình 5. Hiện tượng thẩm thấu và thẩm thấu ngược.

Khác với quá trình khử mặn sử dụng công nghệ RO, quá trình điện thẩm tách ED là quá trình tách các ion ra khỏi nước mặn sử dụng các lớp màng thấm ion chọn lọc nhờ lực hút tĩnh điện. Hệ thống ED bao gồm tập hợp các màng đặt giữa điện trường của dòng điện một chiều phát ra từ hai điện cực (Hình 6).


Hình 6. Nguyên tắc của quá trình điện thẩm tách : C.M. : màng chọn lọc cation, A.M. : màng chọn lọc anion [1].

Do sử dụng các màng trao đổi ion để tách muối ra khỏi nước, quá trình khử mặn nước biển dùng ED có các nhược điểm sau:

  • Quá trình ED chỉ loại bỏ được các hợp chất dạng ion, các hợp chất không ở dạng ion và vi khuẩn không được loại bỏ. Nước biển trước khi đi qua cụm màng thấm ion chọn lọc cần phải trải qua giai đoạn tiền xử lý để điều chỉnh pH và ngăn sự kết tủa của các muối CaCO3, CaSO4, tuy không yêu cầu nghiêm ngặt như đối với RO.

Nước được sản xuất ra cần phải xử lý để điều chỉnh pH và khử trùng trước khi đưa vào sử dụng.

3. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHỬ MUỐI TRONG NƯỚC BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG CHƯNG CẤT

3.1. Giới thiệu về kỹ thuật màng chưng cất

Màng chưng cất (MD) là một quá trình vận hành bằng nhiệt, trong đó hơi nước được vận chuyển qua một lớp màng xốp kỵ nước. Quá trình MD, tương tự những quá trình chưng cất thông thường, dựa trên sự cân bằng pha lỏng - hơi để thực hiện quá trình tách, do đó yêu cầu tiêu thụ nhiệt năng để đun nóng dung dịch cấp thúc đẩy sự hình thành hơi nước.

Động lực của quá trình MD dựa vào sự chênh lệch áp suất hơi nước bão hòa gây ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở hai bên bề mặt màng [4]. Bản chất kỵ nước của màng ngăn cản sự xâm nhập của chất lỏng vào các lỗ xốp. Do sức căng bề mặt của dung dịch lỏng, các bề mặt pha lỏng-hơi được hình thành tại các miệng lỗ màng. Hơi được vận chuyển qua các lỗ màng nhờ sự chênh lệch của áp suất hơi nước bão hòa giữa hai bề mặt của màng, sau đó được ngưng tụ thành nước cất ở bên kia bề mặt của màng (Hình 7).

Quá trình chuyển khối trong MD bao gồm các bước sau [4-6]:

- Hình thành lớp đệm hơi nước tại nơi tiếp xúc giữa dung dịch cấp nóng và màng;

- Hơi nước vận chuyển qua các lỗ vi xốp;

- Hơi nước ngưng tụ thành nước cất trong khoang thấm.


Hình 7. Nguyên lý của quá trình MD.

3.2. Hệ thiết bị thí nghiệm và các phương pháp phân tích

a) Hệ thí nghiệm màng chưng cất:

Sơ đồ hệ thí nghiệm màng chưng cất được mô tả trong Hình 8: Khuôn bằng thủy tinh hữu cơ, kích thước 15 cm x 20 cm, được khắc để tạo thành một rãnh nông có chiều sâu x chiều rộng x chiều dài là 1 cm x 8 cm và 12 cm để đặt màng và miếng đệm, lưới, tấm ngưng tụ. Thí nghiệm sử dụng màng PE mật độ thấp ( phòng thí nghiệm của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Thông tin, Đại học Wollongong, Úc) với độ xốp, chiều rộng và kích thước lỗ trung bình của màng PE tương ứng là 85%, 76 µm và 0,3 µm. Kích thước của tấm màng PE là 8cm x 12cm. Các miếng đệm có tác dụng bịt kín và tạo không gian. Lưới nhựa trong buồng thấm duy trì chiều rộng của không gian và cho phép nước bay hơi ngưng tụ dễ dàng.


Hình 8. Sơ đồ hệ thí nghiệm màng chưng cất.

Nước đầu vào là nước muối (tự pha nồng độ 15 g/L) được đun nóng đến nhiệt độ mong muốn nhờ bộ phận gia nhiệt có kiểm soát, sau đó nhờ bơm đẩy qua modun màng. Trong pha lạnh, nước cất được giữ ở 25°C và luôn chuyển liên tục để giúp hơi nước ngưng tụ nhanh chóng.

b) Phương pháp phân tích:

-  Đánh giá sự thay đổi giá trị TDS của dung dịch nước sau khi qua hệ MD theo phương pháp SMEWW 2540.C:2005.

- Phân tích hàm lượng các ion Ca2+, Mg2+, Na+, K+ trong nước trước và sau khi qua hệ MD theo TCVN 6660:2000 (ISO 14911-1988).

- Phân tích hàm lượng các ion Cl-, SO42- trong nước trước và sau khi qua hệ MD theo TCVN 6494:1999, ion HCO3- theo phương pháp SMEWW 2005 (2320 B).

3.3. Kết quả đánh giá

Trong thí nghiệm này, chúng tôi tiến hành đánh giá khả năng khử mặn của nước bằng kỹ thuật màng chưng cất. Điều kiện thí nghiệm như sau: Nhiệt độ dòng nước mát được duy trì ở 20 – 25°C, nhiệt độ dòng cấp duy trì ở 55 – 60°C, lưu lượng dòng cấp 0,5 l/phút và dòng làm mát là 1,5 l/phút. Thể tích nước ban đầu của dòng cấp là 3L. Sau 2 giờ vận hành kể từ khi thu được sản phẩm, tiến hành lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu: TDS, Ca2+, Mg2+, SO42-, Na+, Cl-, K+, HCO3-. Kết quả phân tích được thể hiện trong bảng 1. 

Bảng 1: Kết quả phân tích chất lượng nước đầu vào và ra của hệ MD

STT

Chỉ tiêu

Đơn vị

Đầu vào

Đầu ra

Nước cất

1

TDS

ppm

15000

40

40

2

Ca2+

mg/l

0,18

KPH

KPH

3

Mg2+

mg/l

0,56

KPH

KPH

4

SO42-

mg/l

1,16

KPH

KPH

5

Na+

mg/l

4,59

KPH

KPH

6

Cl-

mg/l

8,25

KPH

KPH

7

K+

mg/l

0,17

KPH

KPH

8

HCO3-

mg/l

0,07

KPH

KPH

Từ kết quả bảng ta có thể thấy rằng nước đầu ra hầu như không chứa các cation và anion, và TDS có giá trị khoảng 40 ppm, có nghĩa là chất lượng nước đầu ra của hệ MD tương đương với chất lượng nước cất.

Tính toán thông lượng dòng thấm ta có:

                                                                                                  

Trong đó:     V        : Thể tích sản phẩm thu được  (L)

                      t        : Thời gian lọc (h)

                      S       : là diện tích màng, S= 8x12 = 96 cm2 = 0,0096 m2:

Trong thí nghiệm này, thể tích nước thu được sau 2 giờ là ∆VD = 87,6 ml hay 0,0876L. Từ đó tính được thông lượng thấm qua màng là 4,56 (L/m2.h).

Tỷ lệ thu hồi nước R được định nghĩa là tỷ lệ giữa thể tích nước lọc thu được và thể tích nước mất đi trong dòng cấp. Trong thí nghiệm này, sau 2 giờ thể tích nước trong bể chứa nước muối còn lại là 2,854L hay thể tích nước mất đi ∆VF = 0,146 L. Từ đó tính được:


Như vậy công nghệ màng chưng cất có thể dùng để khử mặn nước biển.

4. KẾT LUẬN

Với sự gia tăng mức độ khan hiếm nước ngọt trên thế giới cũng như ở Việt Nam, trong khi 97% nước trên trái đất là nước mặn, là nguồn có thể cung cấp cho việc khai thác nước sạch phục vụ cho sử dụng. Do đó, khử mặn nước biển có thể là một giải pháp thiết thực để tăng cường nguồn nước ngọt và giảm thiểu tình trạng khan hiếm nước ngọt ở Việt Nam. Công nghệ chưng cất truyền thống để khử mặn nước biển tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị có cấu tạo phức tạp, dễ bị ăn mòn. Công nghệ màng lọc RO đòi hỏi ít năng lượng hơn nhưng hệ thống lọc cần chịu được áp suất rất cao, kỹ thuật vận hành phức tạp. Công nghệ điện thẩm tách chỉ tiêu tốn điện năng nhưng có nhược điểm chỉ tách loại được ion do đó nước biển trước đó phải được tiền xử lý để điều chỉnh pH và ngăn kết tủa CaCO3. Phương pháp màng chưng cất được thử nghiệm, kết quả đã chỉ ra rằng phương pháp có khả năng khử mặn nước biển tương đối tốt, với tỷ lệ thu hồi đạt 60,5% sau 2h thí nghiệm và nhiệt độ nước cấp được nâng lên 60°C, nước thu được có hàm lượng TDS khoảng 40ppm và không chứa các thành phần ion khác, tương đương với chất lượng nước cất.

LỜI CÁM ƠN

Công trình này được ủng hộ bởi đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở chọn lọc của Viện Công nghệ môi trường ‘Nghiên cứu sử dụng công nghệ màng lọc chưng cất để khử mặn nước biển và đánh giá khả năng ứng dụng ở Việt Nam’.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. WHO. (2007). Desalination for Safe Water Supply. Geneva: World Health Organization
  2. Ghalavand, Y., Hatamipour, M., & Rahimi, A. (2014). A review on energy consumption of desalination processes. Desalination and Water Treatment
  3. Shatat, M., Worall, M., & Riffat, S. (2013). Opportunities for solar water desalination worldwide: Review. Sustainable Cities and Society, 9, 67-80.
  4. Khayet, M., & Matsuura, T. (2011). Membrane Distillation Principles and Applications. Elsevier B.V.,Oxford, UK
  5. Onsekizoglu, P. (2012). Membrane Distillation: Principle, Advances, Limitations and Future Prospects in Food Industry, Distillation - Advances from Modeling to Applications. Turkey: InTech
  6. Zhang, J., Dow, N., Duke, M., Ostarcevic, E., Li, J.-D., & Gray, S. (2010). Identification of material and physical features of membrane distillation membranes for high performance desalination. Journal of Membrane Science, 349, 295–303.

Tác giả : TS. Lê Thanh Sơn, ThS. Đoàn Tuấn Linh, Nguyền Trần Dũng, Trần Thu Hương

Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

(Nguồn tin: Vnniosh.vn)