Nghiên cứu khử mặn nước biển bằng công nghệ màng thẩm thấu ngược

LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu về nước của con người không ngừng tăng lên. Ở hiện tại nguồn nước đang thiếu và trong tương lai điều này sẽ ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển và các nước nghèo có dân số đông thì vấn đề về nước sinh hoạt chưa được quan tâm đầy đủ. Việt Nam là quốc gia đang phát triển, nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa chúng ta không phải là quốc gia khan hiếm về nguồn nước nhưng khả năng trữ nước là không cao do đó không thể phân bố đều theo thời gian trong năm. Hơn nữa Việt Nam có hơn 3260 km chiều dài bờ biển vùng biển có nhiều đảo và quần đảo, đồng bằng ven biển là nơi tập trung dân cư đông đúc nhất, thời gian đánh bắt trên biển của tàu thuyền ngày càng kéo dài. Đồng thời, trên đà phát triển nhiều thành phố ven biển sẽ được mọc lên. Do đó, nhu cầu về nước cho sinh hoạt ở các khu vực này cần được quan tâm giải quyết vì nước biển và nước lợ không thể dùng trực tiếp cho sinh hoạt. Trên thế giới, từ lâu con người đã nghĩ đến việc khử mặn nước biển bằng cách bay hơi và ngưng tụ nhưng hiệu quả chưa cao. Một giải pháp mang tính đột phá được đưa ra và ứng dụng thành công đầu tiên ở Mỹ vào những năm 60 của thế kỷ trước đó là lọc nước biển và nước lợ để sử dụng cho sinh hoạt bằng công nghệ thẩm thấu ngược RO. Cho đến nay kỹ thuật này ngày càng được hoàn thiện . Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa được nghiên cứu ứng dụng nhiều. Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp này em tập trung tìm hiểu về công nghệ màng RO và ứng dụng trong lĩnh vực khử mặn. Báo cáo này l là những kết quả thu thập bước đầu cho đề tài tốt nghiệp trên trong thời gian thực tập tốt nghiệp. Kết thúc lời mở đầu em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Xuân Hiển, Người đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ chúng em có được những buổi tham quan các công trình xử lý nước cấp và nước thải rất thiết thực. Sinh viên Nguyễn Đình Mãi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH 4 DANH MỤC CÁC BẢNG 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHỬ MUỐI VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHỬ MUỐI NƯỚC BIỂN 7 I.1. Các vấn đề về nguồn nước trên trái đất: 7 I.1.1. Sự cung ứng và phân bố nước trên hành tinh:[2] 7 I.1.2. Vai trò của nước: [2] 8 I.2. Thành phần và tính chất của nước và nước biển: 8 I.2.1. Những đặc tính chung của nước tinh khiết:[1] 8 I.2.2. Thành phần của nước biển:[1] 9 I.2.3. Cân bằng của nước biển:[1] 10 I.2.4. Các cách biểu thị độ mặn nước biển:[7] 10 I.3. Sự cần thiết phải khử mặn nước biển: 11 I.4. Khái quát về tình hình khử mặn nước biển trên thế giới: 12 I.5. Các công nghệ khử mặn nước biển:[3] 14 I.5.1. Phân loại các biện pháp khử muối: 14 I.5.2. Các phương pháp nhiệt: 15 I.5.2.1. Bay hơi nhanh nhiều bậc (Multi Stage Flash - MSF): 15 I.5.2.2. Bay hơi đa hiệu ứng (Multiple Effect Evaporlation - MEE): 18 I.5.2.3. Bay hơi đơn hiệu ứng (Single Effect Evaporlation - SEE): 20 I.5.2.4. Một số qúa trình khử muối sử dụng năng lượng nhiệt khác: 21 I.5.3. Công nghệ màng: 21 I.5.3.1. Màng điện thẩm (Electro Dialysis - ED): 21 I.5.3.2. Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO): 22 I.6. Lựa chọn công nghệ khử muối phù hợp: 24 I.7. Vấn đề môi trường nảy sinh từ các nhà máy khử muối: 25 II. 26 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC RO 27 II.1. Sơ lượt về các loại màng và quá trình màng: 27 II.1.1. Các loại màng chính:[4] 27 II.1.2. Các quá trình màng: 27 II.2. Các khái niệm liên quan: [5] 27 II.2.1. Giới thiệu quá trình lọc màng: 27 II.2.2. Hiện tượng thẩm thấu và thẩm thấu ngược: 30 II.2.3. Mô hình áp suất thẩm thấu: 31 II.2.4. Tính toán áp suất thẩm thấu: 31 II.3. Các cơ chế vận chuyển:[ 4] 32 II.3.1. Giới thiệu hai cơ chế vận chuyển chính: 32 II.3.2. Mô hình khuếch tán: 34 II.3.2.1. Gradient độ và Gradient áp suất trong màng: 34 II.3.2.2. Áp dụng mô hình khuếch tán cho thẩm thấu ngược: 39 II.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu ngược:[ 7] 42 II.4.1. Ảnh hưởng của cấu trúc dung dịch: 42 II.4.2. Ảnh hưởng của chất điện ly: 43 II.4.3. Ảnh hưởng của áp suất làm việc: 43 II.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch: 44 II.4.5. Ảnh hưởng của cấu trúc màng: 45 II.4.6. Hiện tượng phân cực nồng độ: 45 II.5. Ứng dụng thẩm thấu ngược trong khử mặn nước biển:[ 4] 46 II.5.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình khử muối: 46 II.5.2. Ảnh hưởng của áp suất dòng, nồng độ muối (NaCl) và nhiệt độ của nước cần xử lý đến quá trình làm việc của màng thẩm thấu ngược:[4] 47 II.5.2.1. Ảnh hưởng của áp suất đặt vào: 47 II.5.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ muối: 47 II.5.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ: 48 II.5.2.4. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác: 49 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU MỘT SỐ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC CẤP VÀ NƯỚC THẢI ĐÃ THAM QUAN 50 II.6. Các trạm xử lý nước cấp và khử khoáng: 50 II.6.1. Trạm xử lý nước cấp cho khu công nghiệp Bắc Thăng Long: 50 II.6.2. Trạm xử lý nước cấp cho nhà máy mạ kẽm - Mạ màu LiLaMa: 54 II.6.3. Trạm khử khoáng cho nhà máy mạ kẽm - Màu LiLaMa: 55 II.6.4. Hệ thống lọc nước RO cấp cho hệ thống sản xuất Hiđrô của nhà máy mạ kẽm - mạ màu LiLaMa: 55 II.7. Các trạm xử lý nước thải: 57 II.7.1. Trạm xử lý nước thải sinh hoạt cho khu công nghiệp Bắc Thăng Long: 57 II.7.2. Trạm xử lý nước thải của nhà máy giấy Bãi Bằng: 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC HÌNH Chương I Hình I.1 Tỷ lệ các loại nước trên trái đất Hình I.2 Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước biển Hình I.3 Nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại vịnh Tampa, Mỹ. Hình I.4 Nhà máy biến nước biển thành nước ngọt với công suất 800m3/ngày ở Israel, sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược Hình I.5 Farasan - nhà máy biến nước biển thành nước ngọt lớn nhất trên thế giới nằm tại Ả-Rập Xê-út. Hình I.6 Nhà máy khử muối Tuas. Công trình đầu tiên ở Singapore - Nó cung cấp 10% nhu cầu nước cho nước này Hình I.7 Sơ đồ nguyên tắc quá trình khử muối Hình I.8 Sơ đồ phân loại các quá trình khử muối Hình I.9 Hệ thống khử muối bay hơi nhanh nhiều bậc - tuần hoàn dung dịch muối (MSF - BR) Hình I.10 Hệ thống bay hơi nhanh nhiều bậc - dòng đi qua một lần ( MSF-OT) Hình I.11 Hệ thống bay hơi đa bậc - trộn dòng (MSF – M) Hình I.12 Hệ thống bay hơi đa bậc - nén hơi (MSF – VC) Hình I.13 Hệ thống chưng đa hiệu ứng với dòng vào song song (MED - PF) Hình I.14 Quá trình bay hơi đơn hiệu ứng nén hơi cơ học (SEE - MVC) Hình I.15 Sự loại bỏ các ion trong quá trình điện thẩm Hình I.16 Sự di chuyển các ion trong quá màng điện thẩm Hình I.17 Sơ đồ quy trình khử mặn bằng màng thẩm thấu ngược RO Hình I.18 Đồ thị biểu diễn lượng nước được khử mặn bằng công nghệ thẩm thấu ngược ở một số nước Chương II Hình II. 1 Các loại màng cơ bản Hình II.2 Các quá trình màng cơ bản và kích thước lỗ các màng Hình II.3 Mô tả quá trình màng Hình II.4 Hai cách đặt áp suất vận hành trong quá trình màng Hình II.5 Quá trình thấu và thẩm thấu ngược Hình II.6 Mô tả sự vận chuyển dung môi qua màng xốp và màng chặt Hình II.7 Kích thước mao quản và lý thuyết áp dụng tôt nhất cho các quá trình màng cơ bản Hình II.8 Sự xuyên thấm cưỡng bức của dung dịch một thành phần theo mô hình khuếch tán Hình II.9 Thế hoá học, áp suất và hoạt hoá dung môi qua màng thẩm thấu theo cơ chế khuếch tán Hình II.10 Dữ liệu về sự loại bỏ muối và dòng nước đi qua khi cho thẩm thấu một dung dịch muối (3.5 % NaCl) qua một màng thẩm thấu ngược chất lượng cao. Dòng muối thì tương thích với công thức II. sự giữ lại là một hằng số và không phụ thuộc vào áp suất.Còn dòng nước trong công thức II. tăng lên theo áp suất và dòng bằng 0 ở áp suất 350 psi của nước biển Hình II.11 Hiện tượng phân cực nồng độ Hình II.12 Biểu đồ ảnh hưởng của áp suất đến quá trình tách muối bằng màng RO Hình II.13 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ đến quá trình tách muối bằng màng RO Hình II.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khử muối Chương III Hình III.1 Sơ đồ qui trình công nghệ trạm xử lý nước cấp cho khu công nghiệp Bắc Thăng Long Hình III.2 Mặt bằng trạm xử lý nước cấp cho khu công nghiệp Bắc Thăng Long Hình III.3 Sơ đồ quy trình xử lý nước cấp cho công ty mạ kẽm mạ màu - LiLaMa Hình III.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khử khoáng nước cấp cho dây chuyền mạ Hình III.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lọc nước bằng công nghệ RO cấp nước cho hệ thống sản xuất hiđrô Hình III.6 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt khu công nghiệpBắc Thăng Long Hình III.7 Mặt bằng trạm xử lý nước thải sinh hoạt cho khu công nghiệp Bắc Thăng Long Hình III.8 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy giấy Bãi Bằng Hình III.9 Cơ cấu cào rác Hình III.10 Khuấy trộn hoá chất Hình III.11 Ngăn phản ứng Hình III.12 Bể lắng ngang và cơ cấu hút bùn Hình III. 13 Sơ đồ điều khiển hệ thống cho bể cân bằng, tháp làm mát và bể tiếp xúc sinh học Hình III.14 Sơ đồ điều khiển và kiểm soát cho bể tiếp xúc sinh học và aeroten Hình III.15 Sơ đồ điều khiển và kiểm soát tháp khử khí, bể lắng thứ cấp và bơm bùn Hình III.16 Sơ đồ điều khiển cho bể chứa bùn, và hệ thống ép bùn băng tải Hình III.17 Bùn tồn đọng ở cuối bể lắng ngang DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng I.1 Tình hình sản xuất nước ngọt từ nước biển ở một số nước trên thế giới Bảng I.2 So sánh phương pháp khử muối bằng phương pháp nhiệt và màng Bảng II. 1 Thể hiện kích thước mao quản và áp suất cần đặt vào cho một số quá trình màng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHỬ MUỐI VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHỬ MUỐI NƯỚC BIỂN Các vấn đề về nguồn nước trên trái đất: Sự cung ứng và phân bố nước trên hành tinh:[2] Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt. Trong 3% lượng nước ngọt có trên quả đất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước mà con người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng đất, bị đóng băng, ở dạng hơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục điạ, chỉ có 0,3% nước ngọt hiện diện trong sông, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên, nếu ta trừ phần nước bị ô nhiễm ra thì chỉ có khoảng 0,003% là nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được và nếu tính ra trung bình mỗi người được cung cấp 879.000 lít nước ngọt để sử dụng (Miller, 1988). Hình I.1 Tỷ lệ các loại nước trên trái đất Nguồn: Gleick, P. H, S.H Scheneide, Tài nguyên nước. Bách khoa từ điển về khí hậu và thời tiết. Quyển II, Nhà xuất bản Đại học OXford, New york, 1996 Hơn nữa xét về mặt địa lí, sự phân bố của nước là không đồng đều. 15% lượng nước ngọt toàn cầu được giữ tại khu vực Amazon. Ngay trong khu vực Địa trung hải, các nước giàu về tài nguyên nước (Pháp, Ý, Thổ Nhĩ Kì, Nam Tư cũ) chiếm tới 2/3 lượng nước toàn khu vực. Tình trạng này dẫn đến sự phân hóa những nước giàu và nghèo tính theo tỉ lệ tài nguyên nước trên đầu người: Giao động từ chưa đến 100m3/năm đến 10.000m3/năm. Dưới ngưỡng 1000m3/năm/đầu người những căng thẳng bắt đầu xuất hiện và ngưỡng thiếu nước được xác định ở mức 500m3/năm. Không những thế lượng nước lại có sự phân bố không đồng đều theo thời gian. Có một sự mất cân đối về lượng nước giữa mùa khô hạn và mùa mưa và giữa các năm. Vai trò của nước: [2] Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường. Nước là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm 70% trọng lượng cơ thể và ở Sứa biển nước chiếm tới 97%. Trong lĩnh vực nông nghiệp thì nước lại càng không thể thiếu, không có nước sẽ không có lương thực nuôi sống con người và cung cấp năng lượng cho sự vận động của các hệ sinh thái trong tự nhiên. Một nghiên cứu toàn cầu gần đây do các nhà nghiên cứu Viện Quản lý Nước Quốc tế cho thấy ít nhất 30% các dòng chảy của sông ngòi trên thế giới cần được sử dụng để duy trì điều kiện của các hệ sinh thái nước ngọt. Tuy không sử dụng nước nhiều như nông nghiệp nhưng nước cũng không thể thiếu trong hầu hết các hoạt động công nghiệp. Ngày nay dịch vụ và du lịch ngày càng được chú trọng phát triển và đây cũng là lĩnh vực tiêu tốn nhiều nước. Thành phần và tính chất của nước và nước biển: Những đặc tính chung của nước tinh khiết:[1] Nước tính khiết có công thức hoá học là H2O, trong phân tử nước có hai phân tử hyđro và một nguyên tử ôxy. Các phân tử nước không tồn tại riêng rẽ mà tạo thành từng nhóm phân tử nhờ các liên kết hyđro. Nước có thể tồn tại ở thể rắn, lỏng hoặc hơi. Ở áp suất khí quyển 1at, nước đông đặc ở nhiệt độ 0 oC, sôi ở nhiệt độ 100 oC. Ở nhiệt độ thường nước tồn tại ở thể lỏng. Phân tử nước có mômen lưỡng cực cao, hằng số điện môi cao, tỷ trọng 1kg/l, nhiệt dung riêng 1cal/goC , nhiệt bay hơi cao (540 cal/g), sức căng bề mặt của nước bằng 73 dyn/cm3 và độ nhớt bằng 0.01 poise ở 20 oC. Nước có một số tính chất đặc biệt sau: Nước có khả năng hoà tan một số chất rắn, nó là dung dịch điện ly với anion, cation và các chất không điện ly có cực cơ thể hoà tan trong nước với nồng độ cao. Khi nồng độ chất tan càng lớn thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng cao và nhiệt độ đóng băng càng thấp Độ hoà tan của khí vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Thường thì độ hoà tan tăng khi nhiệt độ giảm và áp suất tăng. Giá trị của các thông số hoà tan có thể xác định theo định luật Henry. Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của nhiều chất khác, tính chất này giúp ta kiểm tra các yếu tố về mặt vật lý, điều chỉnh giọt và hiện tượng bề mặt Nước không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua. Nước có tỷ trọng tối đa ở 4 oC cho nên băng nổi trên mặt nước. Nhiệt bay hơi của nước lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất lỏng khác cho nên nó thường được sử dụng trong các quá trình truyền nhiệt. Nhiệt hoà tan của nước cao hơn các chất lỏng khác và tạo điều kiện giữ nhiệt độ ổn định ở điểm tinh khiết của nước. Nhiệt dung riêng của nước cao hơn nhiệt dung riêng của các chất lỏng khác. Thành phần của nước biển:[1] Nước biển là sản phẩm kết hợp giữa những khối lượng khổng lồ các axit và bazơ từ những giai đoạn đầu của sự hình thành trái đất. Các axit HCl, H2SO4 và CO2 sinh ra từ trong lòng đất do sự hoạt động của núi lửa kết hợp với các bazơ sinh ra do quá trình phong hoá các đá thời nguyên thuỷ và tạo thành muối và nước. Thành phần chủ yếu của nước biển là các anion như Cl-, SO4-2, CO3-2, SiO3-2,…và các cation như Na+, Ca+2,…Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn nước ngọt 2000 lần. Vì biển và các đại dương thông nhau nên thành phần các chất trong nước biển tương đối đồng nhất. Hàm lượng muối (độ mặn) có thể khác biệt nhưng tỷ lệ về những thành phần chính thì hầu như không đổi. Trong nước biển ngoài H2 và O2 ra thì Na, Cl2, Mg chiếm 90%;K, Ca, S (Dưới dạng SO4-2) chiếm 7% tổng lượng các chất. Ở đại Tây dương tỷ lệ Na/Cl = 0.55 – 0.56. Ở Thái Bình Dương và Đại Trung Hải tỷ lệ Mg/Cl = 0.06 – 0.07 và K/Cl = 0.02 Đại dương là nơi lắng đọng cuối cùng của nhiều vật thể, sản phẩm cảu nhiều quá trình hoá địa cũng như các chất thải do hoạt động của con người thải vào. Đại dương chấp nhận quá trình tuần hoàn lại từ các lục địa, sự hoà tan và bay hơi của nhiều sinh vật trên trái đất. Diễn đạt theo ngôn ngữ hoá học thì “Nước biển là dung dịch của 0.5 mol NaCl, 0.05 mol MgSO4 và vi lượng của tất cả các nguyên tố có mặt trong toàn cầu” Hình I.2 Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước biển Nguồn: Cân bằng của nước biển:[1] Người ta ước đoán rằng trong khoảng 500 triệu năm , đại dương đã trải qua 5 triệu lần quay vòng, nghĩa là chu kỳ 1 vòng quay là 1000 năm và do đó pha lỏng đã bị xáo trộn mạnh. Cân bằng nước biển rất phức tạp vì đó là hỗn hợp của một hệ thống các nguyên tố với những thông số độc đáo như: Nhiệt độ trung bình: 5oC (0 – 30 oC); áp suất trung bình: 200 at (1 at ở bề mặt và 1000 at ở dưới đáy) Độ pH trong nước biển dao động ổn định trong khoảng 8.1
0.2. Độ pE trong nước biển dao động trong khoảng 12.5
0.2 Các cách biểu thị độ mặn nước biển:[7] Để xác định thành phần nước biển người ta thường sử dụng các thông số: Độ Clo; độ muối (Độ mặn); tổng lượng muối; nồng độ Bômê. Độ Clo của nước biển là tổng số gam bạc cần có để làm Clo, Brom, iot có trong 0.328523 kg nước biển đó kết tủa hoàn toàn. Đơn vị đo độ Clo là ‰ (phần nghìn). Kí hiệu độ Clo là Cl ‰ Độ muối (Độ mặn) của nước biển là tổng số gam muối hoà tan trong 1000 gam nước biển, trong đó các muối cacbonat, bromua, iotdua, được thay thế bằng các oxyt tương ứng và kể cả oxyt của các chất hữu cơ. Độ muối tính bằng ‰ và kí hiệu S ‰ Giữa độ muối và độ Clo của nước biển có hệ thức liên hệ sau: S % = 0.030 + 1.8050×Cl ‰ Tổng lượng muối của nước biển là tổng số gam các lợi muối có trong 1000 gam nước biển. Tổng lượng muối cũng được tính bằng ‰ và ký hiệu Σ‰ Hệ thức liên hệ giữa độ Clo và tổng lượng muối qua hệ thức sau Σ‰ = 0.073 + 1.811×Cl ‰ Nước biển chứa càng nhiều muối hoà tan thì càng đặc và ngược lại. Để biểu thị mức độ đặc, loãng đó của nước biển, người ta dùng một thuật ngữ nồng độ. Nồng độ nước biển đo bằng Bômê kế được gọi là nồng độ Bômê (oBé). Nước biển chứa càng nhiều các muối hoà tan thì độ Bômê càng lớn. Quan hệ giữa nồng độ Bômê và tỷ trọng nước biển ở 15oC d15 =
Trong đó: d15 : Tỷ trọng của nước biển ở 15oC oBé: Nồng độ Bômê của nước biển ở 15oC Quan hệ giữa nồng độ Bômê và nhiệt độ của nước biển: oBét = (0.00002748 ×oBé15 – 0.00007837)×t2 – (0.00158×oBé15 + 0.00326)×t – (1.01675×oBé15 + 0.2242) Trong đó : oBét : Nồng độ Bômê của nước biển ở 15oC t : Nhiệt độ nước thải. oBé15 : Nồng độ Bômê của nước biển ở 15oC Phạm vi áp dụng công thức trên trong khoảng từ 0 ÷ 40oC Sự cần thiết phải khử mặn nước biển: Trên Trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Như đã nói đến ở trên, khoảng 97% nước trên trái đất là nước biển. Nước mà con người có thể sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi đó, dân số toàn cầu tăng tới sáu tỷ người vào năm 2000 và sẽ đạt tám tỷ vào năm 2025. 3,5 tỷ người trong số này chắc chắn sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước.[9] Những con số thống kê gần đây đang thực sự làm chúng ta lo ngại. Cứ 6 người, có 1 người không thường xuyên có được nguồn nước uống an toàn. Hơn 1/3 dân số, tức khoảng 2,4 tỷ người không có các điều kiện vệ sinh đầy đủ. Cứ mỗi 8 giây lại có một trẻ em chết vì các bệnh liên quan đến nước, và các bệnh này gây ra 80% bệnh tật và cái chết ở các nước đang phát triển- đó thật sự là bi kịch đối với loài người khi từ lâu chúng ta đã nhận ra rằng các căn bệnh này dễ dàng phòng tránh được [9] Đối với Việt Nam chúng ta không thiếu nước đến mức trầm trọng nhưng diện tích đất nước trải dài dọc theo 3260 km dọc theo bở biển, ngư nghiệp là ngành phát triển theo hướng đánh bắt xa bờ phải lưu lâu ngày ngoài biển, ngành vận tải biển đang trên đà phát triển mạnh mẽ, những chiến tàu chở hàng đi trên biển rất dài ngày. Đặc biệt dân cư trên các đảo của Việt Nam vẫn chưa có đủ nước sinh hoạt. Nguồn nước sinh hoạt cho cư dân trên đảo chủ yếu là nước mưa hoặc nước được chở từ đất liền ra, tuy nhiên nước được chở từ đất liền ra với chi phí tương đối cao và không phải là cách giải quyết tốt nhất. Đồng thời đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá mạnh mẽ, các thành phố du lịch ven biển, các thành phố cảng sẽ mọc lên nhanh chóng và tại các đô thị này nguồn nước ngọt cũng không dễ dàng gì có được. Từ những nhìn nhận như vậy ta thấy khử mặn nước biển là việc làm cần thiết để giải quyết phần nào nguồn nước sinh hoạt cho cộng đồng. Khái quát về tình hình khử mặn nước biển trên thế giới: Ngày nay, trên thế giới đã có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung Đông (Israel, Ảrập Xêút), Địa Trung Hải (Malta), châu Mỹ, Nam Âu, Caribbean, Nhật Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Canaria - nơi nguồn nước tự nhiên rất hiếm do lượng mưa thấp. Israel và Ả-Rập Xê-út phải phụ thuộc nhiều vào những nhà máy như vậy để cấp nước cho người dân trong khi các bang Florida và California của Mỹ cũng bắt đầu xây dựng nhà máy lọc nước biển. 18 nhà máy kiểu này đang được xem xét xây dựng tại California. Trong những thập kỷ 1960-1970, câu trả lời cho tình trạng thiếu nước là xây dựng nhiều hồ chứa hơn. Tuy nhiên, giá đất gia tăng đã làm cho các công ty nước thương mại không thể lựa chọn giải pháp này. Khử muối trong nước biển là một giải pháp tương đối mới. Nó bắt nguồn từ Trung Đông vào những năm 1980 và 1990. Trong tổng số hơn 7.500 nhà máy khử muối đang hoạt động trên toàn thế giới, 60% nằm tại Trung Đông với tổng công suất 16 tỷ lít nước mỗi ngày. Nhà máy lọc nước biển lớn nhất Trái đất ở Ả-Rập Xê-út sản xuất 128 triệu galon mỗi ngày (tương đương 581 triệu lít). Ả-Rập Xê-út là nước sản xuất nước ngọt từ nước biển lớn nhất thế giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống hiện nay của đất nước cũng như cung cấp cho các trung tâm đô thị và công nghiệp thông qua mạng lưới đường ống dài hơn 3.700km. Nhiều nhà máy mới đang được triển khai và sẽ đưa tổng số nhà biến nước biển thành nước ngọt lên gần 30. Trong khi đó, 12% nước được khử muối của thế giới được sản xuất ở châu Mỹ với phần lớn nhà máy nằm tại Caribbean và Florida. Bảng I.1 Tình hình sản xuất nước ngọt từ nước biển ở một số nước trên thế giới Nước  Số tổ máy  Công suất (m3/ngày)   Các tiểu vương quốc Ả Rập thống nhất  382  5.465.784   Bahrain  156  1.151.204   Ảrập Xêút  2.074  11.656.043   Oman  102  845.507   Qatar  94  1.223.000   Kuwait  178  3.129.588   Llibya  431  1.620.652   Iraq  207  418.102   Ai Cập  230  236.865   Israel  ?  149.594   Algeria  174  301.363   Tunisia  64  148.882   Yemen  66  132.897   Nguồn: Hình ảnh một số nhà máy khử muối trên thế giới
  HìnhI.3 Nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại vịnh Tampa, Mỹ.  
  Hình I.5 Farasan - nhà máy biến nước biển thành nước ngọt lớn nhất trên thế giới nằm tại Ả-Rập Xê-út.  
  Hình I.4 Nhà máy biến nước biển thành nước ngọt với công suất 800m3/ngày ở Israel, sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược.   Hình I.6 Nhà máy khử muối Tuas. Công trình đầu tiên ở Singapore - Nó cung cấp 10% nhu cầu nước cho nước này. Nguồn: Các công nghệ khử mặn nước biển:[3] Phân loại các biện pháp khử muối: Bản chất của quá trình khử muối là tách các muối tự do có trong nước biển hoặc nước lợ, với các muối có trong dòng nước đầu vào của quá trình khử muối sẽ được nâng cao nồng độ trong dung dịch của dòng nước thải bỏ sau xử lý. Cả hai phương pháp nhiệt và lọc màng được sử dụng trong lĩnh vực này. Hình I.7 mô tả khái niệm của quá trình khử muối, hình I.8 đưa ra các loại công nghệ chính trong hai quá trình trên. Hình I.7 Sơ đồ nguyên tắc quá trình khử muối
Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001. Hình I.8 Sơ đồ phân loại các quá trình khử muối
Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001. Các phương pháp nhiệt: Bay hơi nhanh nhiều bậc (Multi Stage Flash - MSF): Phương pháp này được thương mại hoá vào những năm 50 của thế kỷ XX. Hệ thống loại này có những đặc trưng sau: Có từ 15 đến 25 bậc Công suất có thể đạt được giao động từ 1 – 15 triệu gallon/ngày Nhiệt độ của dung dịch muối trong hệ thống từ 70 – 90 0C Trong công nghệ này người ta đã phát triển thêm những hệ thống khác nhau để nâng cao hiệu quả của quá trình chưng với một số công nghệ cơ bản thuộc nhóm này như: Tuần hoàn dung dịch muối, Nước đi qua hệ thống 1 lần, Nén hơi, hay khuấy, trong số đó thì hệ thống bay hơi nhiều bậc có tuần hoàn dung dịch được sử dụng rộng rãi nhất Hệ thống khử muối bay hơi nhiều bậc tuần hoàn dung dịch muối: Đối với hệ thống này, nước đầu vào được chia thành hai dòng. Dòng thứ nhất là dòng làm mát (Mcw) sau đó được đưa trở lại biển, dòng thứ hai là dòng nguyên liệu vào hệ thống (Mf). Dòng này được khử khí và xử lý hoá học ở bộ phận thải nhiệt trước khi vào các bậc chưng phía sau. Dòng dung dịch tuần hoàn (Mr) được lấy từ bể chứa ở bậc cuối cùng của bộ phận thải nhiệt và được đưa vào các ống ngưng tụ ở bậc cuối cùng của bộ phân thu hồi nhiệt. Dòng này được gia nhiệt nhờ sự hấp thụ ẩn nhiệt ngưng tụ. Dòng hơi nóng (Ms) được ngưng tụ bên ngoài bề mặt các ống ngưng tụ. Còn dòng dung dịch muối thì hấp thụ ẩn nhiệt của dòng ngưng tụ và nhiệt độ của nó tăng lên đến giá trị cực đại, hay gọi TBT (T0) Dung dịch nước muối nóng đi vào các bậc bay hơi nhanh ở bộ phận thu hồi nhiệt sau đó đi sang bộ phận thải nhiệt, tại đây một ít hơi nước được tạo thành bởi sự bay hơi dung dịch muối trong mỗi bậc. Như mô tả ở dước hơi được lấy nhờ vào sự giảm áp suất trong bậc Trong mỗi bậc bay hơi thì hơi được ngưng tụ bên ngoài các ống ngưng tụ, tại đây dòng dung dịch muối tuần hoàn (Mr) đi bên trong ống để làm lạnh hơi hơi nóng bên ngoài. Bộ phận thu hồi nhiệt có tác dụng làm tăng nhiệt độ của dung dịch muối Hơi nước ngưng tụ bên ngoài các ống ngưng tụ đựơc tích trữ lại qua các bậc và tạo thành dòng sản phẩm cất (Md), dòng này đi qua nhiều bậc theo hướng từ bậc có nhiệt độ cao đến bậc có nhiệt độ thấp hơn và nước đã được loại muối được thu hồi ở bậc cuối cùng của bộ phận thải nhiệt Sự bay hơi và hơi nước được hình thành bị giới hạn bởi sự gia tăng thể tích riêng ở nhiệt độ thấp cũng như những khó khăn gặp phải trong quá trình vận hành ở áp suất tĩnh thấp. Theo kinh nghiệm chung thì nhiệt độ ở bậc cuối cùng khoảng 30 – 40 0C tương ứng với vận hành trong mùa đông và mùa hè. Nhiêù bậc bay hơi của hệ thống MSF hoạt động dưới 100 0C và áp suất thấp. Trong quá trình hoạt động dung dịch nước muối có thể gia tăng các khí hoà tan dưới dạng vết do sự rò rĩ từ ngoài vào, do sự khử khí không hoàn toàn ở tháp khử khí hay do phân giải CaHCO3, điều này có thể là nguyên nhân chính là giảm vận tốc tải nhiệt giữa các buồng bay hơi với nhau. Theo thời gian điều này có thể làm gia tăng khuynh hướng ăn mòn và giảm vận tốc bay hơi. Quá trình tiền xử lý nước biển trước khi đưa vào hệ thống (Mf + Mcw) thường chỉ là quá trình lọc sơ bộ và kỹ hơn là thêm công đoạn khử khí và bổ sung các hoá chất để giảm sự đóng cặn hay kéo màng trong thiết bị. Hình I.9 Hệ thống khử muối bay hơi nhanh nhiều bậc - tuần hoàn dung dịch muối (MSF - BR)
Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001. Hệ thống khử muối bay hơi nhiều bậc cho dung dịch đi qua một lần: Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống trên (Hình) với số bậc tương đương nhau . Nhưng không có có bộ phận giải nhiệt như ở hệ thống (Hình ), như vậy dung dịch muối thải ra còn mang một nhiệt độ tương đối cao điều này có thể làm ô nhiễm nhiệt đối với nguồn tiếp nhận lại nó (thường thì nó được đưa lại biển) Hình I.10 Hệ thống bay hơi nhanh nhiều bậc - dòng đi qua một lần ( MSF-OT)
Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001. Hệ thống khử muối bay hơi nhiều bậc khuấy trộn dung dịch muối Hệ thống này cũng có nguyên tắc hoạt động như hệ thống MSF với số bậc tương đương, tuy nhiên trước khi đi vào dãy buồng chưng thì dòng nước biển được trộn với một phần của dòng dung dịch muối xả. Bộ trộn có tác dụng gia nhiệt cho dung dịch trước khi vào các bồng bốc hơi. Với hệ thống này ta tận dụng được một phần nhiệt thải đưa trở lại hệ thống đồng thời giảm một phần nhiệt thải ra môi trường. Hình I.11 Hệ thống bay hơi đa bậc - trộn dòng (MSF – M)
Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001. Hệ thống khử muối bay hơi nhiều bậc nén hơi Với hệ thống này thì nước được gia nhiệt và làm bay hơi ở đầu vào sau đó hơi này được hút và nén bằng các Ejecter và tạo thành dòng khí nóng, nhiệt này được đưa đến để gia nhiệt cho các buồng bay hơi theo bậc ở phía sau. Và dòng dung dịch muối sau khi ra khỏi dãy buồng chưng được đưa lại để gia nhiệt bốc hơi nước đầu vào. Hình I.12 Hệ thống bay hơi đa bậc - nén hơi (MSF – VC)
Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001. Bay hơi đa hiệu ứng (Multiple Effect Evaporlation - MEE): Bay hơi đa hiệu ứng hay còn gọi là quá trình chưng đa hiệu ứng (Multiple Effect Evaporlation - MED) và nó có cơ sở từ quá trình bay hơi nhiều bậc (MSF). MED là quá trình chưng cất công nghiệp lâu đời nhất được sử dụng trong khử mặn nước biển. Nó là công nghệ chắc chắn, kĩ thuật hoàn hảo, chất lượng nước cất cao, và quá trình hoạt động theo dõi dễ dàng. Hiện tại khoảng 3.5 % lượng nước khử muối trên thế giới được tạo ra bằng phương pháp này. Phương pháp này có thể được phân thành hai loại là MED nhiệt độ thấp (LT - MED) và MED nhiệt độ cao (HT - MED). Đối với hệ thống LT – MED thì nhiệt độ làm việc có thể thấp ở 600C – 700C và nhiệt độ ra ở hiệu ứng cuối cùng có thể ở 400C, quá trình này sử dụng năng lượng hiệu quả hơn so với hệ thống MSF và thời gian làm việc khoảng 23 năm. Còn HT – MED thì sử dụng dòng khí nhiệt độ cao, quá trình đóng cặn được kiểm soát trong suốt quá trình tiền sử lý của dòng nước biển vào, HT – MED được sử dụng nhiều hơn LT – MED và hiệu suất của quá trình này gấp đôi HT – MED. Sau đây là một quá trình điển hình cho công nghệ này Bay hơi đa hiệu ứng với dòng vào song song: Hệ thống MED bao gồm một số thiết bị bay hơi thường từ 8 – 16, thiết bị này làm việc theo nguyên tắc trao đổi nhiệt gián tiếp, một dãy các hộp bốc hơi, các bộ ngưng tụ và hệ thống thông gió. Một “hiệu ứng” riêng rẻ bao gồm bộ phận trao đổi nhiệt, không gian bay hơi, bộ khử sương và các phụ kiện khác. Trong thiết bị bay hơi thì dòng nước được phun từ trên xuống dưới dạng các hạt nhỏ li ti và tiếp xúc với các ống được bố trí nằm ngang, các ống này có dòng khí đi qua bên trong. Trong hệ thống dòng hơi đi từ trái sang phải theo chiều giảm áp suất, còn dòn nước biển hay dung dịch muối đi thẳng góc với các “hiệu ”, dòng nước được dẫn từ thiết bị bay hơi thứ nhất đến bộ phận bay hơi thứ hai, tại đây dòng nước được trộn lẫn với dòng hơi. Nước biển hút vào được đưa vào bình ngưng, tại đây nó hấp thụ ẩn nhiệt của hơi nước ngưng từ “hiệu ứng” cuối cùng, sau khi qua bình ngưng nhiệt độ của nước đầu vào được tăng lên, một phần nước làm lạnh thì được đưa trở lại nguồn, phần kia thì chia thành nhiều dòng được xử lý hoá học, được khử khí rồi sau đó phun vào các thiết bị bay hơi Trong mỗi “hiệu ứng”, nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất trong không gian bay hơi trước một lượng nhỏ hơi nước được tạo thành. Ngưng tụ kiểm soát lượng hơi quá nhiệt đi vào bên trong các bó ống ở “hiệu ứng thứ nhất” cung cấp nhu cầu nhiệt cho gia nhiệt lại và bay hơi Dòng hơi mang nhiệt đi vào quá trình được cấp từ một nồi hơi bên ngoài, nước có độ sạch cao ở thiết bị bay hơi thứ nhất được đưa trở lại nồi hơi. Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001. Ngoài quá trình trên đối với quy trình bay hơi nước biển đa hiệu ứng còn một số công nghệ khác như: Bay hơi đa hiệu ứng dòng vào nối tiếp Bay hơi đa hiệu ứng dòng vào đi theo hướng thẳng đứng Bay hơi đơn hiệu ứng (Single Effect Evaporlation - SEE): Đây cũng là quá trình bay hơi nhưng đơn giản hơn so với các hiệu ứng trên vì quá trình này chỉ đi qua một thiết bị chưng. Sau đây là quy trình bay hơi đơn hiệu ứng phổ biến nhất – Quá trình bay hơi đơn hiệu ứng nén hơi cơ học. Quá trình bay hơi đơn hiệu ứng nén hơi cơ học: Trong quá trình này nước biển (Mf, Tcw) đầu tiên được chia thành hai dòng và bơm vào hai thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp. Một dòng trao đổi nhiệt với sản phẩm (Md, Td)còn một dòng trao đổi nhiệt với dung dịch muối thải bỏ (Mb, Tb). Dòng nước biển vào đi trong các ống của thiết bị còn dòng sản phẩm và dòng muối thải bỏ đi bên ngoài thiết bị ống chùm. Nước biển vào sau khi trao đổi nhiệt với hai dòng trên sẽ được gộp lại một dòng (Mf, tf) trước khi được đưa vào thiết bị bay hơi, còn dòng sản phẩm sau khi trao đổi nhiệt với dòng nước vào sẽ thành sản phẩm cuối cùng (Md,To) và dòng muối thải là dòng (Mb,To) Dòng (Mf,tf) sau đó được dẫn vào tháp chưng bằng cách phun điều vào tiết diện tháp bằng một giàn phun, nước sau khi được phun dưới dạng các hạt nhỏ li ti sẽ tiếp xúc với bề mặt ngoài của các ống trao đổi nhiệt được xếp ngang bên trong các ống có dòng hơi nóng đi qua. Khi tiếp xúc với các ống trao đổi nhiệt thì nước hấp thụ ẩn nhiệt và tăng nhiệt đội đến nhiệt bốc hơi hơi này đi qua tấm khử sương và sau đó được ngưng tụ thành dòng sản phẩm (Md, Td), còn nước biển sau khi đi qua giàn bốc hơi sẽ tăng nồng độ muối và đi xuống đáy tháp tạo thành dòng dung dịch thải (Mb,Tb). Hệ thống này là hệ thống chưng cổ điển và tương đối đơn giản, hiệu suất bay hơi chưa cao đồng thời chất lượng nước sản phẩm sau khi cất cũng thấp hơn so với các hệ thống khác. Một số qúa trình khử muối sử dụng năng lượng nhiệt khác: Trong quy trình khử muối sử dụng nhiệt ngoài các hệ thống có thể áp dụng ở quy mô công nghiệo trên thì ngày nay người ta phát triển thêm một số phương pháp mới cũng sử dụng năng lượng nhiệt nhưng không tiêu tốn nhiều năng lượng nhờ vào việc tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng hay tận hay tận dụng quá trình bay hơi tự nhiên. Hoặc dựa vào sự chênh lệch khối lượng riêng của nước ngọt và nước biển ở nhiệt độ đông đặc để đóng băng và thu hồi nước ngọt, tuy nhiên trên thực tế thì biện pháp này không khả thi lắm. Công nghệ màng: Màng điện thẩm (Electro Dialysis - ED): Theo công nghệ này nước biển hoặc nước lợ được bơm vào khoảng giữa các màng trao đổi ion với áp suất thấp, số lượng các màng có thể lên đến hàng trăm màng đặt song song và xen kẽ nhau, cứ một màng trao đổi cation thì đến một màng trao đổi anion thành từng cụm. Màng trao đổi cation là những màng chỉ cho phép các ion dương chuyển qua. Màng trao đổi anion chỉ cho phép các ion âm đi qua. Trong quá trình màng điện thẩm tách, tạp chất được tách loại khỏi nước nhờ dòng điện. Dòng điện một chiều chuyển các ion qua màng để tạo ra dòng nước ngọt và dòng nước muối có nồng độ cao hơn. Màng sẽ hình thành một rào cản giữa dung dịch muối và “nước ngọt”. Phía màng có nồng độ muối cao hớnẽ gây ra hiên tượng phân cực nồng độ, nhiễm bẩn hữu cơ, tạo cặn khoáng chất đá vôi và các kết tủa khác. Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001 Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO): Trong quá trình thẩm thấu ngược, nước từ nguồn dung dịch muối áp lực cao được tách muối hoà tan bằng cách thấm qua màng bán thấm. Dòng chất lỏng thấm qua màng đựơc gọi là dòng lọc (Permeate), nó được sinh ra do chênh lệch áp suất giữa dung dịch muối có áp suất của dòng sản phẩm xấp xỉ với áp suất khí quyển. Phần còn lại của dung dịch cấp vào tiếp tục chảy qua màng bên phía có áp suất cao và tạo ra dòng đặc (Có hàm lượng muối cao). Ở đây hoàn toàn không cần gia nhiệt và cũng không diễn ra quá trình biến đổi pha. Do đó năng lượng chủ yếu là cấp cho quá trình tạo áp dòng vào hệ thống RO. Áp suất làm việc của hệ thống RO đối với nước lợ từ 250÷400 psi, còn đối với nước biển từ 800 ÷ 1000 psi. Trên thực tế, nước cấp được bơm vào bình kín để tạo ra áp suất trên bề mặt màng. Một phần nước thấm qua màng, phần còn lại sẽ có nồng độ muối cao hơn nồng độ muối cấp vào. Để giảm nồng độ các muối hoà tan trong phần còn lại người ta xả bớt một phần ra khỏi bình chứa. Nếu không xả thì nồng độ muối trong dung dịch cấp vào sẽ không ngừng tăng lên dẫn tới yêu cầu năng lượng cấp vào cũng phải gia tăng để khắc phục hiện tượng gia tăng áp suất thẩm thấu. Hình I. Biểu diễn quy trình khử mặn của một hệ thống thẩm thấu ngược gồm các giai đoạn cơ bản sau: Hút nước từ biển vào (Intank seawater): Các nhà máy khử muối thường đặt gần bờ biển nhưng vì mực nước bỉển thấp đồng thời thường lấy nước cách xa bờ từ vài chục đến vài trâm mét do đó mà phải tốn năng lượng cho bơm để hút nước từ biển vào. Tiền xử lý (Pretreament): Nước trước khi cấp vào các module màng lọc cần phải loại bỏ chất rắn lơ lửng, điều chỉnh pH cho phù hợp, bổ sung thêm các ức chế kiểm soát thành phần các chất gây ra hiện tượng đóng cặn trên bề mặt màng như CaSO4 , cũng như các thành phần có thể kéo màng sinh học trên bề mặt màng. Tạo áp và phân tách bằng màng RO (Reserve Osmosis Process): Áp suất được tạo ra nhờ hệ thống bơm. Tuỳ thuộc vào từng loại màng cũng như thành phần và nồng độ trong nước mà áp lực được tạo ra khác nhau khi đưa vào hệ thống tách màng Do tính chất đặc biệt của màng bán thấm ngăn chặn các muối hoà tan nhưng lại cho phép nước thấm qua. Nên kết quả là sau khi đi qua các module màng, từ dòng nước biển ban đầu sẽ tạo thành hai dòng: Dòng nước tinh khiết và dòng dung dịch muối đậm đặc. Do màng không hoàn hảo nên các muối hoà tan vẫn có thể thấm qua nó, kết quả là trong dòng sản phẩm vẫn có thể chứa một lượng nhỏ muối hoà tan. Màng thẩm thấu ngược thường được thiết kế dưới dạng các module với các dạng khác nhau như: + Module dạng cuộn xoắn + Module dạng sợi xốp + Module dạng đĩa Nhưng trong số đó thì module dạng xoắn ốc được sử dụng rộng rãi và hiệu quả hơn cả. Trong hình I.17 biểu diễn một module dạng xoắn ốc điển hình Xử lý bổ sung - Ổn định nước (Post - Treament) Nước sản phẩm sau khi ra khỏi hệ thống lọc RO sẽ được điều chỉnh pH và đuổi khí trước khí vào bể chứa và vào hệ thống phân phối Trữ trong bể chứa (Freshwater storage): Thông thường thì nước sau xử lý được xả vào các bể chứa trước khi đưa vào mạng lưới phân phối. Lựa chọn công nghệ khử muối phù hợp: Để đưa ra sự lựa chọn phù hợp nhằm phát triển một công nghệ thích ứng với xu hướng phát triển công nghệ khử mặn trên thế giới đồng thời thích hợp với điều kiện Việt Nam ta phải có những so sánh nhất định giữa các công nghệ khác nhau về nhiều mặt. Bảng I.2 So sánh về một số chỉ tiêu giữa hai công nghệ nhiệt và công nghệ màng Bảng I.2 So sánh phương pháp khử muối bằng phương pháp nhiệt và màng  MSF  MED  ME-TVC  MVC  RO  ED   Nhiệt độ làm việc (oC)  < 120  < 65  < 65  < 65  < 45  < 45   Dạng năng lượng  Steam  Steam  Steam  Mechanical (Electrical) energy  Mechanical (Electrical) energy  Electrical Energy   Tiêu thụ năng lượng (kWh/m3)  average 3,5  average 1,5  average 1  average 8-14 *  average 5-7 *  average 1-2*   Chất lượng nước thành phẩm (TDS)  < 10 ppm  < 10 ppm  < 10 ppm  < 10 ppm  < 500 ppm (single stage)  < 500 ppm   Dải công suất hiện tại (m3/ngày)  5.000- 50.000  500- 20.000  500- 20.000  50- 3.000  10- 10.000  1- 10.000   (*) : Phụ thuộc vào hàm lượng muối trong nước thô   Nguồn: Asia EcoBest Work Programme 2001, Sea water desalination in coastal areas of Central and South Vietnam, Synlift system, Trang 54 Hình I.18 Đồ thị biểu diễn lượng nước được khử mặn bằng công nghệ thẩm thấu ngược ở một số nước
Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001 Qua phân tích bảng số liệu TRONG BảNG I.2 Ta thấy nhiệt độ làm việc của hệ thống RO thấp, thường thì ở nhiệt độ môi trường. Năng lượng sử dụng là năng lượng điện và mức tiêut thụ là từ 5- 7 kWh/m3 mức tiêu thụ năng lượng này chỉ thấp hơn MVC còn cao hơn so với các phương pháp còn lại. Đồng thời nước sau xử lý có hàm lượng TDS cao hơn so với các phương pháp còn lại nếu lọc 1 bậc. Dải công suất có thể thiết kế là từ 10 – 10000 m3/ngày. Như vậy dựa vào bảng so sánh trên ta thấy RO không phải là công nghệ chiếm ưu thế. Tuy nhiên như trên hình I.18 biểu diễn thì lượng nước được khử mặn bằng công nghệ RO ngày càng tăng lên đặc biệt là ở những nước phát triển bởi vì công nghệ này có những ưu điểm sau và ngày càng được hoàn thiện. Nếu các quá trình chưng nước biển luôn phải chú ý đến vật liệu để không bị ăn mòn nhằm tăng tuổi đời của nhà máy thì đối với hệ thống RO không cần xét nhiều đến yếu tố ăn mòn vật liệu. Hiệu suất khử muối rất cao, các màng RO ngày nay có thể loại bỏ đến 99% muối (Tuỳ theo áp suất làm việc và hàm lượng TDS trong nước nguồn) Với sự phát triển của công nghệ vật liệu thì ngày nay nhiều dạng màng RO mới ra đời có thể đáp ứng được điều kiện làm việc tốt hơn Theo thời gian thì công nghệ này đem lại hiệu quả khử muối tăng lên Quy trình công nghệ tương đối đơn giản Có thể lắp đặc ở nhiều quy mô khác nhau, từ các máy lọc nước gia đình đến quy mô công nghiệp trong khi một số biện pháp chưng cất không thể áp dụng ở quy mô nhỏ Không đòi hỏi kinh phí lắp đặc lớn và thời gian lắp đặc nhanh nhờ vào việc module hóa các màng lọc. Công nghệ này có thể loại bỏ gần như toàn bộ thành phần hữu cơ và vô cơ trong nước Công nghệ thẩm thấu ngược không gây ô nhiễm nhiệt tới môi trường và tiêu tốn ít hoá chất. Ngày nay nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống RO có thể sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời. Đó là những lý do để em chọn phương pháp khử muối bằng màng thẩm thấu ngược RO Vấn đề môi trường nảy sinh từ các nhà máy khử muối: Nhiều người lo ngại về tác động tiềm năng của nhà máy lọc nước biển tới môi trường. Tại một số nhà máy, có khả năng sinh vật biển bị kẹt hoặc bị giết chết trong các màng lọc. Lo ngại chính về môi trường là liệu lượng cặn nước muối còn lại sau quá trình thẩm thấu sẽ làm tăng độ mặn cùng vùng biển nơi đặt nhà máy và ảnh hưởng tới sinh vật biển. Hay nhiệt thải từ các hệ thống chưng nước biển có làm tăng nhiệt độ vùng biển dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái ven bờ của khu vực đó. Chất thải lỏng: (cặn nước muối cùng với hoá chất được sử dụng để làm sạch các thiết bị trong nhà máy) có thể được hoà với nước làm mát nhà máy điện hoặc nước từ nhà máy xử lý nước thải trước khi được đổ ra biển. Do vậy, độ mặn của nước biển không tăng. Một giải pháp khác là dẫn nước thải vào hệ thống cống tới nhà máy xử lý nước thải hoặc làm khô và chôn tại bãi. Các thiết bị cũng có thể được làm sạch bằng sinh vật hoặc nhiệt độ cao, tránh ô nhiễm. Vấn đề nhiệt thải từ các hệ thống chưng thì ngày nay đã được thu hồi tuần hoàn lại, do đó mà lượng nhiệt thải ra ngoài từ các hệ thống chưng nước biển cũng giảm đi đáng kể. Vấn đề năng lượng và phát thải khí nhà kính: Trước đây, các nhà máy khử muối nước biển tiêu tốn một lượng năng lượng rất lớn. Nhưng các nhà máy thẩm thấu nghịch hiện đại tiêu thụ mức năng lượng chỉ bằng 50% so với công nghệ trước đây nhờ vào những thiết bị phục hồi năng lượng. Ngoài ra, công nghệ RO còn giảm thiểu chi phí cũng như khí nhà kính phát thải. Chi phí xây dựng một nhà máy khử muối từ nước biển với công suất 100 triệu lít mỗi ngày ở vào khoảng 100 triệu USD hay lớn hơn. Và giá nước được sản xuất từ các nhà máy này chỉ còn khoảng 1.5 USD cho 1000 Lit Các nhà máy biến nước biển sẽ góp phần ngăn chặn các cuộc chiến tranh về nước trong tương lai. Tại Trung Đông, nhiều cuộc chiến tranh, đặc biệt là Cuộc chiến tranh 6 ngày vào năm 1967 giữa Israel với Ai Cập, Jordan, Syria, là những tranh chấp về nước. Ngoài ra, chúng còn giảm thiểu nạn ô nhiễm nguồn nước ngầm. Chẳng hạn, Syria hiện có hơn 16.000 giếng khoan bất hợp pháp nhằm khai thác nước từ tầng ngập nước. Nếu không được quản lý tốt, chính những giếng này có thể làm tầng nước ngầm bị ô nhiễm trầm trọng. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC RO Sơ lượt về các loại màng và quá trình màng: Các loại màng chính:[4] Hình II. 1 Các loại màng cơ bản
Nguồn: Richard W.Baker, Membrane Technology and Application Các quá trình màng: Hình II.2 Các quá trình màng cơ bản và kích thước lỗ các màng
Nguồn: Richard W.Baker, Membrane Technology and Application Các khái niệm liên quan: [5] Giới thiệu quá trình lọc màng: Các quá trình màng áp lực được dùng rộng rãi trong hầu hết lĩnh vực hoá học, dược phẩm, thực phẩm và các quá trình công nghiệp hàng ngày. Yếu tố cốt lõi của quá trình lọc màng đó là các màng cho phép một thành phần đã biết đi qua và giữ lại các thành phần khác. Trước tiên là một vài yếu tố quan trọng được dùng trong kỹ thuật màng thể hiện trên hình hình II.3 Hình II.3 Mô tả quá trình màng
Nguồn: Søren Prip Beier, Pressure Driven Membrane Processes, In Zusammenarbeit mit, May 2007 Trong hình II.3 Phía đầu vào thường là dung dịch đậm đặc (bulk solution). Một số thành phần trong dung dịch đậm sẽ đươc giữ lại sau khi nó đi qua màng. Với một áp lực được tạo ra sẵn giữa hai bên màng thì một dòng (flux) sẽ xuyên qua màng từ bên dung dịch đặc sang bên thấm, dòng này được ký hiệu bằng chữ cái J và đơn vị thường dùng cho nó là [L/(m2.h)]. Dòng chất lỏng xuyên qua màng được gọi là dòng thấm (permeate) Một quá trình tách được hoàn thành bằng cách dùng một màng có khả năng sẵn sàng cho một thành phần dễ đi qua hơn những thành phần khác. Nói cách khác, màng cho thành phần nào thấm đi qua dễ dàng hơn so với các thành phần còn lại vì sự khác nhau về tính chất hoá học và vật lý giữa màng và cấu tử đi qua được màng. + Khác nhau về kích thước: Trong nhiều quá trình màng (Chẳng hạn microfiltration and ultrafiltration) thì các lỗ rỗng đã được phân bố. Cho nên với kích thước lỗ đã cho, một vài thành phần sẽ được gíư lại bởi sự khác nhau về kích thước còn một số thành phần đủ nhỏ để xuyên qua các lỗ trong màng. + Khác nhau về sự tích điện: Với một số quá trình màng (Chẳng hạn quá trình điện thẩm tích - electrodialysis) khác nhau về khả năng tích điện các thành phần được tách. Điều này được hoàn thành bằng cách sử dụng các màng trao đổi anion và cation, các màng này chỉ cho phép các cation và anion vận chuyển tương đối qua màng. Chẳng hạn màng trao đổi cation là màng tích điện âm cho nên nó sẽ đẩy các anion và chuyển các cation đi qua Trong hình II.3 Ta thấy động lực tạo ra một dòng thấm từ bên dung dịch đặc về phía bên dung dịch thấm. Các động lực khác nhau được nói đến trong các quá trình màng đó là: Chênh lệch áp suất Chệnh lệch nồng độ Chênh lệch hiệu điện thế Chênh lệch nhiệt độ Tuy nhiên trong các quá trình được quan tâm trong đồ án này em thì chủ yếu động lực của nó là chênh lệch áp suất. Trong bảng II.1 thể hiện kích thước lỗ và áp suất cần thiết cho một số quá trình màng: Bảng II. 1 Thể hiện kích thước mao quản và áp suất cần đặt vào cho một số quá trình màng
Nguồn: Søren Prip Beier, Pressure Driven Membrane Processes, In Zusammenarbeit mit, May 2007 Tỷ lệ giữa độ dòng đi qua màng và động lực của quá trình có thể biểu diễn bằng công thức tổng quát: J = - A.
(2.1) Dòng J tỉ lệ với động lực, nó được biểu diễn như một gradient của X ( Có thể là áp suất, nhiệt độ, nồng độ, hay hiệu điện thế) theo hướng x vuông góc với bề mặt màng. A là hằng số, nó được gọi là hệ số hiện tượng lụân (phenomenological coefficient). Vì gradient giảm theo phương x nên dấu (-) được đặt vào vế phải công thức. Động lực trong quá trình màng là sự chênh lệch áp suất giữa hai bên màng, do đó mà hệ thức
trong 2.1 có thể viết lại thành Δp. Khi đó công thức 2.1 được viết lại thành định luật Darcy: J = lp.Δp (2.2) Hệ số hiện tượng được viết lại lp, chính là hệ số thấm của màng. Độ dày của các lớp màng chọn lọc được ghép vào hệ số thấm trong 2.2 và ở đây để đạt được độ thấm cao đến mức có thể, người ta dùng màng bất đối xứng với các lớp chọn lọc rất mỏng, độ dày của các lớp chọn lọc trong màng bất đối xưng thường ở khoảng 1μm. Độ thấm thường phụ thuộc vào hệ số nhớt động học của chất lỏng di chuyển qua màng và trở lực theo hướng truyền chất. Độ thấm của màng microfiltration lớn hơn so với màng ultrafiltration, còn độ thấm của màng and nanofiltration / reverse osmosis membranes thì thấp hơn rất nhiều so với màng microfiltration. Thành ra quá trình RO cần áp suất cao cho hơn UF and MF, Thể hiện trong bảng II.1 Hai cách đặt áp suất vận hành cho quá trình màng Hình II.4 Hai cách đặt áp suất vận hành trong quá trình màng
Nguồn: Søren Prip Beier, Pressure Driven Membrane Processes, In Zusammenarbeit mit, May 2007 Hiện tượng thẩm thấu và thẩm thấu ngược: Nếu đặt một màng bán thấm vào giữa dung môi hoặc hai dung dịch có nồng độ khác nhau, ta sẽ quan sát thấy hiện tượng chuyển dung môi vào dung dịch hoặc từ dung dịch có nồng độ thấp đến dung dịch có nồng độ cao và có xu hướng san bằng nồng độ. Đây là hiện tượng thẩm thấu. Hình II.5a và II.5b Mô tả hiện tượng thẩm thấu và cân bằng như sau: Dung môi chuyển vào dung dịch làm cho áp suất thuỷ tĩnh của dung dịch tăng lên đến một độ cao Π nào đó thì quá trình đạt cân bằng, tức là tốc độ chuyển dung môi (A) vào dung dịch bằng tốc độ chuyển dung môi (B). Áp suất ứng với quá trình cân bằng này gọi là áp suất thẩm thấu (Π), hay gọi một cách khác áp suất thẩm thấu bằng áp suất phải tác dụng lên bề mặt dung dịch để hiện tượng thẩm thấu ngừng lại. Hình II.5c mô tả quá trình thẩm thấu ngược: Khi tiếp tục tăng áp suất trên dung dịch thì dòng chảy có xu hướng chuyển động ngược tức là dung môi từ dung dịch đặc sẽ qua màng vào dung dịch loãng hơn. Khi áp suất tăng càng lớn thì vận tốc dòng chảy ngược càng lớn, như vậy dung dịch càng đậm đặc hơn. Hiện tượng này gọi là hiện tượng thẩm thấu ngược