Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử mặn nước biển bằng quá trình màng chưng cất

04/08/2020

I. MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam, nhu cầu dùng nước ngọt trong quá trình phát triển kinh tế xã hội đang tăng mạnh. 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. Trong số các giải pháp cung cấp nước ngọt, khử mặn nước biển là một giải pháp đầy hứa hẹn có thể được áp dụng để giải quyết vấn đề khan hiếm nước ngọt và nước sạch ở Việt Nam, đặc biệt là ở các vùng hải đảo và vùng sâu vùng xa. Thực chất 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. Gần đây, việc áp dụng các kỹ thuật chưng cất màng để khử mặn đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học vì tính đơn giản, dễ vận hành và tiết kiệm năng lượng. Nó là sự kết hợp giữa chưng cất nhiệt truyền thống và tách màng, sử dụng màng vi lọc kỵ nước, nghĩa là chỉ có hơi nước thoát ra và muối hòa tan trong nước và các hợp chất khác sẽ được giữ lại trên bề mặt màng [1]. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của màng tạo ra độ dốc áp suất hơi - động lực truyền khối (hơi nước di chuyển qua bộ lọc). Màng chưng cất có thể hoạt động trong bốn cấu hình cơ bản: chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp (DCMD – Direct Contact Membrane Distillation); chưng cất màng cuốn khí (SGMD – Sweeping Gap Membrane Distillation); chưng cất màng chân không (VMD – Vaccum Membrane Distillation) và chưng cất màng đệm khí (AGMD – Air Gap Membane Distillation) [2]. Do động lực của quá trình là chênh lệch nhiệt độ giữa dòng cấp và dòng thấm qua màng nên nhiệt độ dòng cấp là một trong những yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ đến động lực truyền khối và từ đó ảnh hưởng rất mạnh đến hiệu quả của quá trình khử mặn. Đối với cấu hình chưng cất màng đệm khí, độ dày ngăn khí cũng là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất khử mặn.

Do đó, trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu, đánh giá một số yếu tố vận hành như nhiệt độ dòng cấp, độ dày ngăn khí ảnh hưởng hiệu quả khử mặn của modun màng chưng cất đệm khí (AGMD).

II. THỰC NGHIỆM

2.1. Giới thiệu về modun AGMD

Cấu hình AGMD có khoang thấm chứa không khí như là một lớp đệm ngăn cách giữa màng và bề mặt ngưng tụ đặt bên trong module màng (Hình 1). AGMD có sự khác biệt về nhiệt độ của dung dịch cấp và bề mặt lạnh dẫn đến sự chênh lệch áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt kỵ nước của màng và bề mặt ngưng tụ. Điều này gây ra quá trình chuyển khối của hơi nước qua các lỗ của màng, khuếch tán đến bề mặt lạnh để ngưng tụ trong module màng nhờ hiện tượng đối lưu tự nhiên.


Trong cấu hình AGMD, nhờ có lớp đệm không khí được đặt bên trong module màng làm giảm đáng kể sự mất nhiệt do truyền nhiệt qua màng của dòng dung dịch cấp làm tăng hiệu suất nhiệt. Trong AGMD, lớp đệm không khí cản trở truyền nhiệt. Lưu lượng dòng thấm sẽ tăng lên khi giảm độ rộng của lớp đệm không khí bởi vì điều đó làm tăng gradient nhiệt độ trong đệm không khí [1].

2.2. Hệ thí nghiệm màng chưng cất AGMD

Sơ đồ hệ thí nghiệm màng chưng cất được mô tả trong Hình 2: 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.

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.


Hình 2. Sơ đồ hệ thí nghiệm màng chưng cất.

2.3. Thiết kế thí nghiệm

a) Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ dòng vào tới hiệu quả xử khử mặn của hệ:

- Tiến hành quá trình chưng cất màng dung dịch muối ăn nồng độ NaCl 35 g/l, lưu lượng dòng vào 1 l/phút, nhiệt độ của dòng vào được thay đổi từ 40°C tới 80°C.

- Với mỗi chế độ, đo thể tích nước cất thu được bên khoang lạnh, từ đó tính thông lượng nước đã được khử mặn hay tỷ lệ thu hồi nước ngọt REC (được định nghĩa là tỷ lệ giữa lưu lượng nước đầu ra đã được khử mặn và lưu lượng nước biển đi vào hệ chưng cất màng).

- Từ kết quả thu được, phân tích lựa chọn nhiệt độ dòng vào phù hợp.

b) Nghiên cứu ảnh hưởng độ dày ngăn khí tới hiệu quả xử khử mặn của hệ:

- Tiến hành quá trình chưng cất màng dung dịch muối ăn nồng độ ở các nồng độ NaCl 35 mg/l, các giá trị nhiệt độ dòng vào và lưu lượng dòng vào là các giá trị tối ưu tìm được ở thí nghiệm trên, độ dày ngăn khí được thay đổi theo các giá trị 5mm, 9mm, 13mm để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ màng.

- Với mỗi chế độ, đo thể tích nước cất thu được bên khoang lạnh, từ đó tính thông lượng nước ngọt.

- Từ kết quả thu được, phân tích lựa chọn độ dày ngăn khí phù hợp.

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng cấp

Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ dòng cấp đến hiệu quả quá trình khử mặn, tiến hành quá trình chưng cất bằng cấu hình AGMD với độ dày ngăn khí là 5 mm, dung dịch muối ăn nồng độ NaCl 35 g/l với lưu lượng dòng cấp ở mức 1 l/phút, nhiệt độ dòng mát luôn duy trì ở mức 20°C, lưu lượng dòng mát duy trì ở mức 0,3 l/phút, độ rộng ngăn khí là 5mm, nhiệt độ của dòng cấp được thay đổi từ 40°C tới 80°C.

Thông lượng dòng thấm (hay thông lượng nước cất thu được) là đại lượng được quan tâm. Đại lượng này được định nghĩa bởi công thức sau:


Trong đó J: thông lượng dòng thấm (l/m2.h);

    VDis : Thể tích nước cất nhận được sau khoảng thời gian t (l) ;

   Sm : diện tích màng (m2);

   t : thời gian chưng cất (h).

Kết quả đo thể tích và thông lượng nước cất thu được được thể hiện trong Bảng 1.  

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

Nhiệt độ

pha nóng (°C)

Lưu lượng dòng cấp

(l/phút)

Nhiệt độ

pha lạnh (°C)

Lưu lượng dòng mát

(l/phút)

Thể tích nước

thu được (ml)

Thông lượng

nước cất (l/m2.h)

40

1

20

0,3

59,85

2,08

45

1

20

0,3

67,43

2,34

50

1

20

0,3

82,50

2,86

55

1

20

0,3

88,98

3,09

60

1

20

0,3

97,50

3,39

65

1

20

0,3

103,34

3,59

70

1

20

0,3

110,92

3,85

75

1

20

0,3

114,11

3,96

80

1

20

0,3

119,70

4,16


Kết quả trên bảng 1 cho thấy nhiệt độ dòng cấp ảnh hưởng mạnh đến thông lượng dòng thấm: khi nhiệt độ tăng từ 40°C lên 80°C, thông lượng dòng thấm tăng gấp 2 lần, từ 2,08 l/m2.h lên 4,16 l/m2.h. Điều này có thể được giải thích như sau: khi tăng nhiệt độ dòng cấp sẽ làm tăng áp suất của hơi nước tại bề mặt pha lỏng-hơi tại các miệng lỗ màng bên khoang cấp, dẫn đến làm tăng tốc độ truyền hơi nước qua các lỗ màng, do đó làm tăng hiệu suất cất nước. Biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ dòng cấp và thông lượng dòng thấm bằng đồ thị (Hình 3), kết quả cho thấy thông lượng dòng thấm quan hệ với nhiệt độ theo hàm số mũ. Điều này phù hợp với lý thuyết về quá trình AGMD.

Thật vậy, thông lượng dòng thấm qua màng tỷ lệ với chênh lệch áp suất hơi nước ở 2 bên màng theo phương trình:


Trong đó Km là hệ số chuyển khối qua màng (l/Pa.m2.h) và ∆P là chênh lệch áp suất hơi nước trên bề mặt màng giữa dòng cấp và dòng ngưng tụ (Pa). Km phụ thuộc vào tính chất của màng, độ dày ngăn khí, điều kiện vận hành, trong đó có nhiệt độ dòng cấp và dòng mát, tỷ lệ dòng hồi lưu,....Theo phương trình Antoine, áp suất hơi nước ở nhiệt độ T(°K) tỷ lệ với nhiệt độ theo hàm số mũ: 


Trong đó Χw là nồng độ phần mol của nước, ΧS là nồng độ phần mol của muối.


Từ phương trình (2) và (3) cho thấy lưu lượng dòng thấm tỷ lệ với nhiệt độ theo hàm số mũ. Kết quả thu được ở đây phù hợp với những báo cáo trong các nghiên cứu trước đây sử dụng AGMD và các cấu hình MD khác [3-5]. Sự tăng trưởng của thông lượng dòng thấm theo hàm số mũ với nhiệt độ nhấn mạnh rằng sự chênh lệch nhiệt độ là động lực của quá trình phân tách AGMD.

Tăng nhiệt độ dòng cấp làm tăng hiệu suất quá trình cất, tuy nhiên cũng làm tăng hiệu ứng phân cực nhiệt độ và phân cực nồng độ. Thực vậy, AGMD là một quá trình phân tách không đẳng nhiệt, trong đó nhiệt được lấy đi tại các bề mặt phân chia pha lỏng – hơi trong dòng cấp và dòng thấm ở 2 bên phía màng. Kết quả là nhiệt độ tại các bề mặt phân chia pha lỏng – hơi khác với nhiệt độ của dòng cấp và dòng thấm, dẫn đến sự hình thành các lớp ranh giới nhiệt ở 2 phía của màng. Hiện tượng này gọi là phân cực nhiệt độ, làm giảm động lực truyền nhiệt của quá trình AGMD. Hiện tượng này gây ra những tác động tiêu cực khi nồng độ muối và nhiệt độ trong dòng cấp càng lớn, lưu lượng dòng cấp và dòng thấm càng thấp. Ngoài ra trong ứng dụng thực tế, việc tăng nhiệt độ dòng cấp sẽ dẫn đến nhiều vấn đề khác đi kèm như là tiêu tốn năng lượng, tăng chi phí chế tạo, vận hành và hoạt động, có thể làm tăng khả năng kết tủa của một số muối có độ tan thấp ở nhiệt độ cao [6]. Do vậy, nhiệt độ dòng cấp chỉ nên duy trì ở khoảng 60 – 70°C. Với nhiệt độ dòng cấp như vậy thì rất phù hợp với nguồn nhiệt tái tạo (năng lượng mặt trời). Do đó, trong các thí nghiệm tiếp theo, nhiệt độ dòng cấp được duy trì ở mức 60°C.

3.2. Ảnh hưởng của độ dày ngăn khí

Để nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày ngăn khí, tiến hành quá trình chưng cất dung dịch muối ăn nồng độ 35 g/l bằng modun AGMD với lưu lượng dòng cấp được duy trì ở mức 1 l/phút, nhiệt độ dòng cấp duy trì ở mức 60°C, lưu lượng dòng mát duy trì ở mức 0,3 l/phút, nhiệt độ dòng mát luôn duy trì ở mức 20°C, độ dày ngăn khí thay đổi với 3 độ dày ngăn khí lần lượt là: 5mm, 9mm và 13mm. Kết quả thu được được thể hiện trên bảng 2 và hình 4 dưới đây.

Bảng 2. Ảnh hưởng của độ dày ngăn khí tới khả năng chưng cất dung dịch NaCl 35 g/l bằng hệ AGMD

Độ dày

ngăn khí (mm)

Nhiệt độ

pha nóng

(°C)

Lưu lượng dòng cấp

(l/phút)

Nhiệt độ

pha lạnh

(°C)

Lưu lượng dòng mát

(l/phút)

Thể tích nước thu được (ml)

Thông lượng

nước cất (l/m2.h)

5

60

1

20

0,3

100,8

3,50

9

60

1

20

0,3

70,2

2,44

13

60

1

20

0,3

49,1

1,70



Kết quả thu được cho thấy thông lượng nước cất thu được phụ thuộc rất nhiều vào độ dày ngăn khí: khi độ dày ngăn khí tăng lên thì thông lượng nước cất thu được từ hệ AGMD giảm. Điều này có thể được giải thích là độ dày ngăn khí có ảnh hưởng trực tiếp tới sự chuyển khối và truyền nhiệt: Thực vậy, khi tăng độ dày ngăn khí, đồng nghĩa với việc trở lực của quá trình chuyển khối (các phân tử nước di chuyển từ bề mặt màng xuyên qua lớp đệm không khí tới khoang thấm) tăng, làm giảm tốc độ truyền khối, do đó thông lượng dòng thấm giảm [6]. Cũng theo một số nghiên cứu, thông lượng dòng thấm tỷ lệ tuyến tính với độ dày ngăn khí [7], và trong nghiên cứu này, kết quả thu được cũng cho thấy xu thế quan hệ tương đối tuyến tính giữa thông lượng nước cất và độ dày ngăn khí. Như vậy, để tăng thông lượng nước cất thu được, nên giảm độ dày ngăn khí trong cấu hình AGMD. Tuy nhiên, nếu độ dày ngăn khí quá nhỏ có thể tạo điều kiện cho quá trình truyền nhiệt từ dòng cấp sang dòng lạnh, làm giảm nhiệt độ dòng cấp, dẫn đến làm giảm áp suất thẩm thấu qua màng, và do đó gián tiếp làm giảm thông lượng nước cất [6]. Do đó, trong các modun màng chưng cất, độ dày ngăn khí nên để ở mức 5 mm.

IV. KẾT LUẬN

Cấu hình AGMD có khoang thấm chứa không khí như là một lớp đệm ngăn cách giữa màng và bề mặt ngưng tụ đặt bên trong module màng, do đó độ dày ngăn khí là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử mặn của modun màng chưng cất. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ dày ngăn khí càng nhỏ, hiệu suất khử mặn càng cao. Tuy nhiên, nếu độ dày ngăn khí quá nhỏ sẽ làm giảm thông lượng nước cất thu được. Do động lực của quá trình màng chưng cất là chênh lệch nhiệt độ giữa dòng cấp và dòng thấm qua màng nên nhiệt độ dòng cấp ảnh hưởng rất mạnh đến hiệu quả của quá trình khử mặn. Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ dòng cấp càng cao, hiệu quả khử mặn càng lớn, nhưng đồng thời cũng tiêu tốn nhiều điện năng. Vì vậy, điều kiện tối ưu cho quá trình khử mặn bằng modun màng chưng cất AGMD là nhiệt độ dòng cấp 60°C, độ dày ngăn khí 5mm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Alkhudhiri A., Darwish N. and Hilal N. (2012). Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination 287, 2-18.

[2]. Sơn L.T., Linh Đ.T., Dũng N.T., Hương T.T. (2019). Các công nghệ khử mặn nước biển – Nghiên cứu thử nghiệm quá trình màng chưng cất. Tạp chí Hoạt động KHCN; số 4,5&6, 19 – 26.

[3]. Alsaadi, A. S., Francis, L., Maab, H., Amy, G. L., & Ghaffour, N. (2015). Evaluation of air gap membrane distillation process running under sub-atmospheric conditions: experimental and simulation studies. Journal of Membrane Science, 489, 73-80.

[4]. Alsaadi, A. S., Ghaffour, N., Li, J. D., Gray, S., Francis, L., Maab, H., & Amy, G. L. (2013). Modeling of air-gap membrane distillation process: A theoretical and experimental study. Journal of Membrane Science, 445, 53 – 65.

[5]. Azimi, G., Papangelakis, V. G., & Dutrizac, J. E. (2007). Modelling of calcium sulphate solubility in concentrated multi-component sulphate solutions. Fluid Phase Equilibria, 260, 300–315.

[6]. Cui G., Ren S., Zhang L. , Ren B., Zhuang Y., Li X., Han B., Zhang P. (2016). Formation water evaporation induced salt precipitation and its effect on gas production in high temperature natural gas reservoirs. Petroleum Exploration and Development, 43 (5), 815-824.

[7]. Yang, X. H., Tian, R., Ma, S. J., & Lv, H. L. (2011). Study on membrane fouling experiment of stacked AGMD module in low temperature. Advanced Materials Research, Trans Tech Publ., 396- 398.

TS. Lê Thanh Sơn, TS. Nguyễn Trần Điện, 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)