Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp và nồng độ muối đầu vào đến hiệu quả khử mặn nước biển của mô đun màng chưng cất đệm khí (AGMD)

Thứ Sáu, 01/12/2023, 10:27(GMT +7)

1. MỞ ĐẦU

Nước là một nhu cầu thiết yếu của con người và hầu hết các sinh vật sống trên trái đất. Việc cung cấp đủ nước sạch cả về chất lượng và số lượng luôn là thách thức đối với các nước đang phát triển như Việt Nam. Theo Chương trình phát triển Liên Hiệp Quốc (UNDP), hơn 1 tỷ người trên thế giới không thể tiếp cận với nước sạch và 2,6 tỷ người đang sử dụng nước cấp không hợp vệ sinh [1]. Sự gia tăng nhanh chóng của dân số, kèm theo sự thiếu hụt về cơ sở hạ tầng và nguồn cung cấp tài chính khiến việc tiếp cận nước sạch ở các vùng nông thôn Việt Nam trở nên khó khăn hơn. Theo các báo cáo khác nhau, chưa đến một nửa dân số Việt Nam được sử dụng nước sạch và vệ sinh [2], trong khi phần còn lại của dân số Việt Nam ở các vùng nông thôn và vùng sâu, vùng xa phải sử dụng các nguồn nước ngầm (giếng khoan) và nước mưa để khắc phục sự khan hiếm nước [3]. Việc sử dụng nước ngầm có nhiều rủi ro vì nguồn nước ngầm ở các vùng nông thôn Việt Nam không đủ an toàn để uống khi nồng độ kim loại nặng như As, Fe, Mn vượt quá quy định của WHO đối với nước uống [4]. Hứng nước mưa để thay thế nước ngầm và nước mặt là một giải pháp hữu hiệu, đơn giản và phù hợp với các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa Việt Nam. Tuy nhiên, nguồn nước mưa phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết và cần phải có giải pháp tích trữ để dùng vào mùa khô. Mặt khác, nước mưa ở Việt Nam không độc nhưng vi khuẩn E.coli và Coliforms sẽ xuất hiện nếu nước mưa không được xử lý bằng tia UV [5]. Khử muối trong nước biển là một trong những lựa chọn có thể áp dụng để giải quyết vấn đề khan hiếm nước ngọt và nước sạch ở các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa ở Việt Nam. Tại nhiều nước trên thế giới, các nhà máy cấp nước với công nghệ khử mặn bằng nhiệt truyền thống hoặc công nghệ thẩm thấu ngược được áp dụng trên quy mô lớn để chiết xuất nước ngọt từ nước biển [6], điển hình là ở Tây Ban Nha và Israel. 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 [7]. 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 Distillatio); 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) [8]. Trong bài báo này chúng tôi đề cập tới kết quả nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố vận hành như lưu lượng dòng cấp và nồng độ muối đầu vào tới 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.

Hình 1. Cơ chế làm việc của AGMD

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.

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 lưu lượng hồi lưu dòng cấp tới hiệu quả khử mặn của hệ::

– Tiến hành quá trình chưng cất màng dung dịch muối ăn nồng độ NaCl 35 mg/l, nhiệt độ dòng vào là giá trị thu được ở trên, lưu lượng dòng vào được thay đổi từ 0,5 l/phút đến 1 l/phút để đánh giá ảnh hưởng của tốc độ dòng vào.

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

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

S_m : diện tích màng (m²);

t : thời gian chưng cất (h).

– Từ kết quả thu được, phân tích lựa chọn lưu lượng dòng vào phù hợp.

b) Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ muối của dung dịch đầu vào 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 khác nhau: 8,75; 17,5; 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.

– 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 nồng độ dung dịch muối đầu vào phù hợp.

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng hồi lưu dòng cấp

Trong quá trình AGMD, lưu lượng dòng cấp là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình khử mặn. Để nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp đến hiệu quả quá trình khử mặn, tiến hành quá trình chưng cất màng bằng cấu hình AGMD với độ dày ngăn khí là 5 mm dung dịch muối ăn nồng độ NaCl g.l^-1, với lưu lượng dòng mát duy trì ở mức 0,3 l.phút^-1, nhiệt độ dòng mát luôn duy trì ở mức 20°C, nhiệt độ dòng cấp duy trì ở mức 60°C, lưu lượng dòng cấp được điều chỉnh từ 0,5 đến 1 l.phút^-1. Thể tích và thông lượng nước cất thu được (tính theo công thức (1)) ở các nhiệt độ dòng cấp khác nhau được thể hiện trên bảng 1

Bảng 1. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp tới khả năng chưng cất dung dịch NaCl 35 g.L^-1 bằng hệ AGMD

Nhiệt độ pha nóng (°C)	Lưu lượng dòng cấp (l.phút^-1)	Nhiệt độ pha lạnh (°C)	Lưu lượng dòng mát (l.phút^-1)	Thể tích nước thu được (ml)	Thông lượng nước cất (l.m^-2.h^-1)
60	0,5	20	0,3	26,6	0,92
60	0,6	20	0,3	41,4	1,44
60	0,8	20	0,3	69	2,40
60	1	20	0,3	92	3,19

Kết quả trên bảng 1 cho thấy lưu lượng dòng cấp có ảnh hưởng mạnh đến thông lượng nước cất thu được trong hệ AGMD. Thực vậy, khi lưu lượng dòng cấp tăng từ 0,5 l.phút^-1 đến 1 l.phút^-1 trong khi lưu lượng dòng mát giữ nguyên ở mức 0,3 l.phút^-1 thì thông lượng nước cất thu được tăng từ 0,92 l.m^-2.h^-1 đến 3,194 l.m^-2.h^-1, tăng hơn 3 lần, hay nói khác đi tốc độ lưu thông dòng cấp càng lớn, càng tạo điều kiện cho quá trình chưng cất diễn ra trong hệ AGMD. Điều này có thể giải thích như sau: khi lưu lượng dòng cấp tăng, tốc độ dòng chảy ngang của dòng cấp tăng, thúc đẩy chế độ chảy rối của chất lỏng ở khu vực tiếp giáp với bề mặt màng, do đó làm giảm những ảnh hưởng tiêu cực gây ra bởi sự phân cực nhiệt độ và phân cực nồng độ [9]. Kết quả là thông lượng của nước cất thu được tăng theo sự gia tăng tốc độ lưu thông của dòng cấp trong hệ AGMD.

Theo một số nghiên cứu trước đây [10, 11], cả lưu lượng dòng cấp và lưu lượng dòng mát đều ảnh hưởng đến thông lượng nước cất thu được. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng mát nhỏ hơn nhiều do với lưu lượng của dòng cấp do hiệu ứng phân cực nhiệt độ bên pha nóng cao hơn so với pha lạnh (khoang của pha nóng chứa không khí và hơi nước, còn khoang của pha lạnh chỉ chứa nước). Ngoài ra, hiệu ứng phân cực nồng độ hầu như chỉ tồn tại bên pha nóng trong hệ thống AGMD (do nước làm mát và nước cất thu được được ngăn cách bởi tấm ngưng tụ và lượng muối đi qua màng là không đáng kể). Do đó, trong đề tài này, chúng tôi chỉ tập trung vào nghiên cứu sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp mà không xét đến sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng mát.

Hình 3. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp đến thông luợng nước cất thu được trong quá trình AGMD

Cũng theo đồ thị hình 3 thông lượng dòng thấm gần như phụ thuộc một cách tuyến tính vào lưu lượng dòng cấp. Kết quả này cũng tương tự như một số nghiên cứu khác về AGMD [12, 13].

3.2. Ảnh hưởng của nồng độ muối đầu vào

Trong quá trình khử mặn bằng modun AGMD, nồng độ muối đầu vào cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình khử mặn. Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ muối đầu vào, tiến hành quá trình chưng cất dung dịch muối ăn bằng modun AGMD với độ dày ngăn khí là 5 mm, lưu lượng dòng cấp được duy trì ở mức 1 l.phút^-1, nhiệt độ dòng cấp duy trì ở mức 60°C, lưu lượng dòng mát duy trì ở mức 0,3 l.phút^-1, nhiệt độ dòng mát luôn duy trì ở mức 20°C, nồng độ muối đầu vào trong dòng cấp thay đổi ở các giá trị: 8.75, 17.5 và 35 g.L^-1. Kết quả thu được được thể hiện trong bảng 3.4 và hình 3.4.

Bảng 2. Ảnh hưởng của nồng độ muối đầu vào tới khả năng chưng cất dung dịch NaCl 35 g.l^-1 bằng hệ AGMD

Nồng độ muối đầu vào (mg.l^-1)	Nhiệt độ pha nóng (°C)	Lưu lượng dòng cấp (l.phút^-1)	Nhiệt độ pha lạnh (°C)	Lưu lượng dòng mát (l.phút^-1)	Thể tích nước thu được (mL)	Thông lượng nước cất (l.m^-2. h^-1)
8,75	60	1	20	0,3	154	5,35
17,5	60	1	20	0,3	124,7	4,33
35	60	1	20	0,3	101	3,51

Từ kết quả bảng 2 và hình 4 ta có thể thấy rằng nồng độ muối đầu vào có ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất của hệ AGMD, cụ thể là khi nồng độ muối đầu vào càng lớn thì lượng nước cất thu được càng giảm, chẳng hạn khi nồng độ muối đầu vào 8,75 mg.l^-1, thông lượng nước cất thu được 5,35 l.m^-2.h^-1, nếu nồng độ muối tăng lên 35 mg.l^-1 thì thông lượng nước cất thu được chỉ còn 3,51 l.m^-2.h^-1. Điều này có thể giải thích như sau: Thông lượng dòng thấm qua màng tỷ lệ với chênh lệch áp suất hơi nước ở 2 bên màng theo phương trình:

Trong đó K_m là hệ số chuyển khối qua màng (L.Pa^-1.m^-2.h^-1) và ∆P là chênh lệch áp suất hơi nước trên bề mặt màng giữa dòng cấp và dòng ngưng tụ (Pa). K_m 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 Χ_w là nồng độ phần mol của nước, Χ_S là nồng độ phần mol của muối.

Theo phương trình (2), thông lượng dòng thấm tỷ lệ thuận với chênh lệch áp suất hơi nước giữa 2 bên màng. Tuy nhiên, dòng thấm qua màng luôn luôn là nước cất, nên áp suất hơi nước trên bề mặt màng phía dòng cấp hầu như không đổi. Do đó, cũng từ phương trình (2), ta có thể suy ra thông lượng dòng thấm tỷ lệ thuận với áp suất hơi nước bên khoang cấp. Theo phương trình (3), áp suất hơi nước của dung dịch muối bên khoang cấp giảm theo hàm bậc hai khi nồng độ muối tăng dần, từ đó suy ra thông lượng dòng thấm tăng khi nồng độ muối của dòng cấp giảm. Ngoài ra, khi nồng độ muối đầu vào cao thì khả năng tạo cặn màng do sự kết tinh của các muối trên bề mặt màng dễ dàng hơn. Lớp cặn trên bề mặt màng này sẽ ngăn cản sự thẩm thấu hơi nước qua các lỗ màng do đó sẽ làm giảm hiệu suất cất nước của hệ AGMD. Kết quả này cũng tương tự như kết quả nghiên cứu của Hung và cộng sự [14 ] trong đó thông lượng nước cất thu được tỷ lệ nghịch với nồng độ muối đầu vào.

4. KẾT LUẬN

Kết quả thực nghiệm cho thấy cả lưu lượng hồi lưu dòng cấp và nồng độ muối đầu vào đều ảnh hưởng lớn đến hiệu suất khử mặn của modun màng chưng cất AGMD: khi lưu lượng dòng cấp càng lớn, càng tạo điều kiện cho quá trình chưng cất diễn ra trong hệ AGMD, trong đó khi lưu lượng tăng từ 0,5 l.phút^-1 đến 1 l.phút^-1 thì thông lượng nước cất thu được tăng hơn 3 lần, từ 0,92 l.m^-2.h^-1 đến 3,194 l.m^-2.h^-1. Đối với nồng độ muối đầu vào, nồng độ càng lớn thì lượng nước cất thu được càng giảm, trong đó thông lượng nước cất thu được giảm từ 5,35 l.m^-2.h^-1 xuống còn 3,51 l.m^-2.h^-1 khi nồng độ muối đầu vào tăng từ 8,75 mg.l^-1, thông lượng nước cất thu được 5,35 l.m^-2.h^-1, nếu nồng độ muối tăng lên 35 mg.l^-1 thì thông lượng nước cất thu được chỉ còn 3,51 l.m^-2.h^-1.

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

United Nation Development Program (UNDP) (2006), Human Development Report 2006.
World Bank group (2014), Water Supply and Sanitation in Vietnam.
Ozdemir S., Elliott M. A. and Brown J. (2011), Rainwater Harvesting Practices and Attitudes in the Mekong Delta of Vietnam, J. Water. Saint. Hyg. De. 1(3), 171-177,.
Luu T. (2019), Remarks on the current quality of groundwater in Vietnam, Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 26, 1163-1169.
Lee M., Kim M., Kim Y. and Han M. (2017), Consideration of rainwater quality parameters for drinking purposes: A case study in rural Vietnam, J. Environ. Manage., vol. 200, pp. 400-406,.
Elimelech M. and Phillip W. A. (2011), The Future of Seawater and the Environment,Science. 333, 712-718.
Alkhudhiri A., Darwish N. and Hilal N. (2012), Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination 287, 2-18.
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.
A. Khalifa, D. Lawal, M. Antar, M. Khayet (2015), Experimental and theoretical investigation on water desalination using air gap membrane distillation, Disalination 376 94–108.
Duong, C. H., Pham, M. T., Luong, T. S., Huynh, T. N., & Nghiem, D. L. (2016), Membrane scaling during seawater desalination by direct contact membrane distillation, Vietnam Journal of Chemistry, 54(6), 752-759.
Gryta, M. (2012), Effectiveness of water desalination by membrane distillation process, Membranes, 2, 415-429.
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.
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.
Duong, H. C., Duke, M., Gray, S., Cooper, P., & Nghiem, L. D. (2016), Membrane scaling and prevention techniques during seawater desalination by air gap membrane distillation, Desalination, 397, 92–100.

Tác giả : TS. Lê Thanh Sơn, 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)