Luận văn thạc sĩ môi trường nghiên cứu ứng dụng công nghệ thẩm thấu ngược (ro) trong khử mặn phục vụ cấp nước cho các vùng duyên hải và hải đảo

Công nghệ màng lọc thẩm thấu ngược RO đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các nước tiên tiến trên thế giới trong việc tạo ngọt hóa nước biển và tạo ra nước siêu sạch phục vụ nhiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN CẢNH DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC

RO TRONG KHỬ MẶN VÀ PHỤC VỤ CÂP NƯỚC CHO

CÁC VÙNG DUYÊN HẢI VÀ HẢI ĐẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔI TRƯỜNG

-

NGUYỄN CẢNH DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC RO

TRONG KHỬ MẶN VÀ PHỤC VỤ CÂP NƯỚC CHO

CÁC VÙNG DUYÊN HẢI VÀ HẢI ĐẢO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS: ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội - 2008

Warmer Global is the cause of sea-level rising, this is the main affection come to water supply in the world Main due to which look for a solutions bump off face is a requests is necessary

Base on the reverse osmosis principle, the Thesis concentrates to study for reverse osmosis membrane's desalination capability and namely "The desalination capability research of the reverse osmosis membrane's (RO) and Application puts forwardthe solution to supply water for salt’s polluted water regions”

It includes following contents:

Chapter 1: General, deliver to a generality look reader about the water

resources of the world and Viet Nam, the challenges in sustain level of julep delivered to conditions of life and production of human being Near that is potential provide juleps from well-spring to prepossess saltiness In this chapter, a number of desalinated method tractate also approached, from sloyd

to complexity

Chapter 2: the base theoretically of the osmotic process negative that this is

Chapter provide basic knowledges, the reverse osmosis process

Chapter 3: The desalination capability research of the reverse osmosis

membrane's, this chapter includes describing method collecting actual data and method converting them into input data Analysing some resons that effection to the productivity of the desalination capability In which we built the equation of the fitted model and the optimize response

Chapter 4: Application puts forward the solution to supply water for salt’s polluted water regions, this chapter includes some desalination’s solution to suplly the water for island and salt-marsh region

MỞ ĐẦU

Chiến lược kinh tế - xã hội của công nghiệp đến năm 2010 cũng đã xác định

“Phát triển nhanh, hiệu quả và bền vững, tăng trưởng kinh tế đi đôi với bảo đảm tiến bộ công bằng xã hội và bảo vệ môi trường’ Vấn đề phát triển bền vững cũng được nêu trong nhiều văn kiện, chỉ thị, nghị quyết của Đảng, văn bản quy phạm pháp luật do Quốc hội ban hành và thể hiện rõ trong chương trình hành động cụ thể của Chính phủ nhằm thực hiện các chiến lược phát triển kinh tế - xã hội, chiến lược tăng trưởng và xoá đói giảm nghèo, chiến lược bảo vệ môi trường… Do đó việc chăm lo cho đời sống nhân dân, ổn định xã hội là một trọng tâm không thể thiếu trong việc phát triển bền vững

Nước sạch đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người, mọi hoạt động sinh tồn và phát triển của con người đều cần đến nước sạch Việc thiếu nước ngọt không những ảnh hưởng đến kinh tế, sức khỏe của con người

mà nó có thể ảnh hưởng đến tình hình xã hội của một cộng đồng dân cư sống trong khu vực Điều đó ảnh hưởng rất nhiều đến sự phát triển bền vững của bất kỳ một quốc gia Nhận thức được điều này, Đảng và nhà nước ta từ lâu đã coi nhu cầu nước sạch là một nhu cầu thiết yếu đối với người dân, hàng trăm ngàn tỷ đồng đã được chi ra nhằm mục đích đưa nước sạch đến với từng người dân, tuy nhiên đến nay vấn đề này vẫn đang gặp phải những khó khăn rào cản về khoảng cách địa lý, địa hình

Công nghệ màng lọc thẩm thấu ngược RO đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các nước tiên tiến trên thế giới trong việc tạo ngọt hóa nước biển và tạo

ra nước siêu sạch phục vụ nhiều ngành nghề khác nhau Tại một số quốc gia ở vùng Trung Đông như Arab Saudi, UAE, Kuwat… để có thể cung cấp đầy đủ nước cho nhu cầu người dân nhiều nhà máy khử muối dùng công nghệ này đã được xây dựng

và đem lại hiệu quả to lớn về nhiều mặt

Với mục đích đưa ra các giải pháp kỹ thuật góp phần cải thiện tình hình thiếu hụt nước tại những vùng khó khăn về nước ngọt như vùng hải đảo và ven biển, đề

vụ cấp nước cho các vùng duyên hải và hải đảo” hy vọng đóng góp nhỏ bé của

mình trong việc cung cấp nước sạch cho vùng ven biển, hải đảo và vùng nước nhiễm mặn

Đề tại này sẽ đi sâu vào nghiên cứu tổng thể về công nghệ màng thẩm thấu ngược RO, hiệu quả của sự khử muối bằng công nghệ màng thẩm thấu ngược (RO) cũng như các yếu tố ảnh hưởng tới lưu lượng và hiệu suất của quá trình khử muối của màng

Các nội dung nghiên cứu sẽ được trình bày theo các chương mục trong Luận văn này, cụ thể:

Chương 1: Tổng quan, cung cấp cho người đọc một cái nhìn tổng quát về tài

nguyên nước của thế giới và Việt Nam, những thách thức trong việc duy trì lượng nước ngọt cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất của con người Bên cạnh đó là tiềm năng cung cấp nước ngọt từ các nguồn nước nhiễm mặn Trong chương này, luận văn cũng đề cập đến những phương pháp từ thủ công đến phức tạp trong việc khử muối tạo nước ngọt

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình thẩm thấu ngược, đây là chương

cung cấp các kiến thức cơ bản của quá trình thẩm thấu ngược

Chương 3: Nghiên cứu khả năng khử muối trong nước của màng thẩm thấu

ngược RO, ở chương này với các số liệu thí nghiệm, luận văn phân tích rõ những yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất khử muối của màng bán thấm, từ đó tìm ra được phương trình hồi quy, điều kiện tối ưu của công suất và hiệu suất dựa theo nhiệt độ, áp suất và độ mặn đầu vào

Chương 4: Đề xuất sơ đồ công nghệ khử muối tại các vùng ven biển, hải đảo

và vùng nước nhiễm mặn, sau đó chạy chương trình winflow2004 (một phần mềm thiết kế hệ thống RO) với các thông số chọn lựa để kiểm nghiệm tính xác thực, ở chương này luận văn đề xuất những công nghệ cung cấp nước ngọt cho các vùng trên dựa trên các yếu tố đặc trưng của vùng

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tài nguyên nước của thế giới

1.1.1 Tổng quan về trữ lượng và phân bố nước trên trái đất

1.1.1.1 Tổng trữ lượng nước trên trái đất

Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường, nó còn 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 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, 5% 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)

Hiện nay, nước trên hành tinh của chúng ta phát sinh từ 3 nguồn: bên trong lòng đất, từ các thiên thạch ngoài quả đất mang vào và từ tầng trên của khí quyển; trong đó thì nguồn gốc từ bên trong lòng đất là chủ yếu

Theo sự tính toán thì khối lượng nước ở trạng thái tự do phủ lên trên trái đất khoảng 1,4 tỷ km3, nhưng so với trử lượng nước ở lớp vỏ giữa của qủa đất ( khoảng

200 tỷ km3) thì chẳng đáng kể vì nó chỉ chiếm không đến 1% Tổng lượng nước tự nhiên trên thế giới theo ước tính có khác nhau theo các tác giả và dao động từ 1.385.985.000 km3 (Lvovits, Xokolov - 1974) đến 1.457.802.450 km3 (F Sargent -

1974)

Bảng 1.1 Trữ lượng nước trên thế giới (theo F Sargent, 1974)

Biển và đại dương Nước ngầm Băng và băng hà

Hồ nước ngọt

Hồ nước mặn Khí ẩm trong đất Hơi nước trong khí ẩm Nước sông Tuyết trên lục địa

1.370.322.000 60.000.000 26.660.000 125.000 105.000 75.000 14.000 1.000

250

1.1.1.2 Nước mặt

Sự bốc hơi nước trong đất, ao, hồ, sông, biển; sự thoát hơi nước ở thực vật và động vật , hơi nước vào trong không khí sau đó bị ngưng tụ lại trở về thể lỏng rơi xuống mặt đất hình thành mưa, nước mưa chảy tràn trên mặt đất từ nơi cao đến nơi thấp tạo nên các dòng chảy hình thành nên thác, ghềnh, suối, sông và được tích tụ lại ở những nơi thấp trên lục địa hình thành hồ hoặc được đưa thẳng ra biển hình thành nên lớp nước trên bề mặt của vỏ trái đất

Trong quá trình chảy tràn, nước hòa tan các muối khoáng trong các nham thạch nơi nó chảy qua, một số vật liệu nhẹ không hòa tan được cuốn theo dòng chảy và bồi lắng ở nơi khác thấp hơn, sự tích tụ muối khoáng trong nước biển sau

một thời gian dài của quá trình lịch sử của quả đất dần dần làm cho nước biển càng trở nên mặn

Có hai loại nước mặt là nước ngọt hiện diện trong sông, ao, hồ trên các lục địa và nước mặn hiện diện trong biển, các đại dương mênh mông, trong các hồ

nước mặn trên các lục địa

Có hai loại nước ngầm: nước ngầm không có áp lực và nước ngầm có áp lực Nước ngầm không có áp lực: là dạng nước được giữ lại trong các lớp đá ngậm nước và lớp đá nầy nằm bên trên lớp đá không thấm như lớp diệp thạch hoặc lớp sét nén chặt Loại nước ngầm này có áp suất rất yếu, nên muốn khai thác nó phải thì phải đào giếng xuyên qua lớp đá ngậm rồi dùng bơm hút nước lên Nước ngầm loại nầy thường ở không sâu dưới mặt đất, có nhiều trong mùa mưa và ít dần trong mùa khô

Nước ngầm có áp lực: là dạng nước được giữ lại trong các lớp đá ngậm nước

và lớp đá nầy bị kẹp giữa hai lớp sét hoặc diệp thạch không thấm Do bị kẹp chặt giữa hai lớp đá không thấm nên nước có một áp lực rất lớn vì thế khi khai thác người ta dùng khoan xuyên qua lớp đá không thấm bên trên và chạm vào lớp nước này nó sẽ tự phun lên mà không cần phải bơm Loại nước ngầm nầy thường ở sâu dưới mặt đất, có trữ lượng lớn và thời gian hình thành nó phải mất hàng trăm năm

thậm chí hàng nghìn năm

1.1.2 Các vấn đề ảnh hưởng đến tài nguyên nước

1.1.2.1 Hạn hán

Theo các nhà nghiên cứu thì khả năng cung cấp nước ngọt hiện nay là một vấn đề nghiêm trọng trên toàn thế giới Có ít nhất 80 nước ở vùng sa mạc và bán sa mạc (chiếm khoảng 40% dân số thế giới) thuộc hai lục điạ Á Châu và Phi Châu thường xuyên bị hạn hán và thất mùa nên thường xuyên không cung cấp đủ lương thực để nuôi sống dân của họ

Trong những thập niên 1970 thảm họa hạn hán đe dọa trên khoảng 24, 4 triệu người và hàng năm đã giết chết hơn 23.000 người, hậu quả này vẫn còn kéo dài đến

1980 Năm 1985 hơn 154 triệu người thuộc 21 quốc gia ở Phi Châu rơi vào nạn đói

do hạn hán, thêm vào đó sự gia tăng dân số quá mức và chiến tranh lan rộng, mặt khác còn do việc quản lý và sử dụng nguồn tài nguyên và phát triển nông nghiệp kém hiệu quả Ở các nước này, người dân nghèo phải mất nhiều thời gian để đi tìm nước thường là ở những dòng sông và suối đã bị ô nhiễm và để có được nước những người phụ nữ và trẻ em phải đi bộ từ 16 km - 25 km một ngày và chỉ mang

được một bình đầy nước trên đường trở về( Miller, 1988 )

1.1.2.2 Ngập lụt

Ngược lại, ở những quốc gia khác có vũ lượng mưa tương đối lớn thì một lượng lớn nước mưa nhận được chỉ trong một thời gian ngắn trong năm Chẳng hạn như ở Ấn Ðộ, 90% lượng nước mưa tập trung vào giữa tháng 6 đến tháng 9 thường gây nên ngập lụt

Trong những thập niên 1970, thảm họa lụt lội đã đe dọa trên 15, 4 triệu người và hằng năm giết chết trung bình 4.700 người, làm thiệt hại trung bình 15 tỉ USD, hậu quả này vẫn còn kéo dài đến năm 1980 Nguyên nhân dẫn đến lụt lội là

do con người phá rừng, đốt rừng để lấy đất canh tác, khai thác quặng mỏ, mở rộng

đô thị Mặc dù lụt lội được xem là một thiên tai gây chết người và làm thiệt hại hoa màu, tài sản của người dân nhưng sau các trận lụt, do sự lắng đọng của phù sa làm tăng thêm độ màu mỡ cho đất ( Miller, 1988 ) Ðể ngăn ngừa và làm giảm sự

kinh thoát nước, xây đập và hồ chứa nước, trồng cây gây rừng trên các đồi trọc, giữ

lại rừng ở đầu nguồn

1.1.2.3 Sự úng nước

Ở những vùng có địa hình thấp hoặc nơi có mực nước ngầm quá cao làm cho mặt đất luôn bị phủ kín bởi một lớp nước tù đọng lâu ngày tạo nên trạng thái úng nước, đất bị úng nước nên luôn yếm khí

Trên những vùng đất bị úng nước thường có những thực vật thủy sinh đặc trưng như một số các loài rong tảo, năn, lác rất phát triển vì thế nên đất nơi đó dồi dào mùn , đạm và các acid hữu cơ vì thế làm cho đất và nước bị chua, đất nghèo lân nhưng lại giàu những chất độc như H2S, CH4, Fe2+ Do những tính chất vật lý và hóa học của nước và đất của vùng bị úng nước đó không tốt cho sự trồng trọt cũng

như sử dụng nước cho công nghiệp và sinh hoạt

1.1.2.4 Nước ngọt bị ô nhiễm

Theo nhịp độ phát triển của nền công nghiệp, nông nghiệp và sự nâng cao mức sống của con người thì nhu cầu về nước sử dụng ngày một tăng Vấn đề về nước ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt là nước mặt ngày càng thoái hóa và mức độ ô nhiễm nước ngày càng tăng Theo tổ chức y tế thế giới (WHO -1980) ước tính rằng ở các quốc gia kém phát triển thì 70% dân chúng ở các vùng ven thành phố và 25% dân cư ở các đô thị không có đủ nước sạch để sử dụng

Ở Việt Nam, do nền công nghiệp mới phát triển, số đô thị và các khu công nghiệp còn ít và các điểm tập trung dân cư chưa nhiều nên lượng nước dùng cho công nghiệp và sinh hoạt còn quá ít so với trữ lượng trong tự nhiên Tuy vậy, sự nhiễm bẩn nguồn nước đã bắt đầu xuất hiện do việc sử dụng thuốc trừ sâu trong nông nghiệp; lượng nước thải ra môi trường của các nhà máy luyện kim, nhiệt điện, hóa chất, thực phẩm; cùng với lượng nước thải do sinh hoạt đã trở thành một vấn

đề cấp bách cần phải được quan tâm

1.2 Tổng quan về tài nguyên nước của Việt Nam

1.2.1 Tiềm năng tài nguyên nước của Việt Nam

Nước ngọt của nước ta được cung cấp bởi hai nguồn chính là nước mặt và nước ngầm

1.2.1.1 Tiềm năng về nguồn nước mặt

Với hệ thống sông ngòi chằng chịt, nguồn nước mặt tại Việt Nam là khá phong phú, Ở Việt Nam hiện có trên 2.000 con sông có chiều dài hơn 10 km trong

đó có 8 con sông có diện tích lưu vực lớn hơn 10.000 km2 Tổng lượng dòng chảy nằm trên các lưu vực sông Việt Nam khoảng 847 tỷ m3, trong đó có 327 m3 sản sinh trên lĩnh vực Việt Nam

Bảng 1.2: Tổng lượng dòng chẩy trung bình/năm của

các nguồn nước mặt tại Việt Nam

Phân loại dòng chảy Tổng lượng dòng chảy trung bình /năm Tỷ lệ

Tổng lượng nước từ bên ngoài

chảy vào

Với những số liệu phân tích ta có thể nhận thấy rằng tuy nguồn tài nguyên nước mặt của Việt Nam là rất phong phú tuy nhiên tài nguyên này sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều không chỉ theo mùa mà còn thay đổi theo chiến lược sử dụng nước của các nước trên thượng nguồn

1.2.1.2 Tiềm năng về nguồn nước ngầm

Nước tàng trử trong lòng đất cũng là một bộ phận quan trọng của nguồn tài nguyên nước ở Việt Nam Mặc dù nước ngầm được khai thác để sử dụng cho sinh hoạt đã có từ lâu đời nay; tuy nhiên việc điều tra nghiên cưú nguồn tài nguyên nầy một cách toàn diện và có hệ thống chỉ mới được tiến hành trong chừng chục năm

nhiều nơi nhất là ở vùng nông thôn bằng các phương tiện thủ công, còn sự khai thác bằng các phương tiện hiện đại cũng đã được tiến hành nhưng còn rất hạn chế chỉ nhằm phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt ở các trung tâm công nghiệp và khu dân cư lớn mà thôi

1.2.2 Hiện trạng sử dụng tài nguyên nước và tiềm năng của các nguồn nước ngọt tại Việt Nam

Hiện nay, trên toàn nước ta có trên 240 nhà máy nước với tổng công suất thiết kế là 3,22 triệu m3/ngàyđêm, phục vụ sinh hoạt và sản xuất của hơn 600 đô thị Đối với các đô thị là thị xã nhỏ, thị trấn mới chỉ có khoảng gần 25% (150/560) có

hệ thống cấp nước tập trung với tổng công suất cấp nước đạt 433.000 m3/ngày Tổng công suất cấp nước hiện nay ở đô thị đạt gần 1,8 triệu m3/ngày, trong đó 35% cho nhu cầu đời sống, 30% cho sản xuất dịch vụ Tính bình quân cho các nơi được cấp nước đạt 54 lít/ngày/người Trong đó, ở Hà Nội đạt 100 lít/ngày/người, TP Hồ Chí Minh, Đà Lạt đạt 80 lít/ngày/người So với tiêu chuẩn Nhà nước cho phép (200

- 250 l/ngày/người ở thành phố và 150 - 200 l/ngày/người ở thị xã - khu công nghiệp) thì con số này còn kém xa và mới chỉ đạt 1/2 đến đến 1/4 tiêu chuẩn cấp nước ở một số nước khu vực Đông - Nam Á Theo định hướng phát triển cấp nước

đô thị, nhu cầu cấp nước ở các đô thị trên toàn quốc đến năm 2010 là 8,8 triệu

m3/ngày; tới năm 2020 là 15,94 triệu m3/ngày

1.2.3 Những thách thức về nhu cầu sử dụng nước

1.2.3.1 Nhu cầu dùng nước tăng lên mạnh mẽ

Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội và sự gia tăng dân số, nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt, sản xuất công nông nghiệp sẽ tăng lên mạnh mẽ trong tất cả các vùng Theo kết quả đánh giá năm 1999, tổng lượng nước cần dùng của cả nước chiếm khoảng 8,8% tổng lượng dòng chảy năm tương ứng với tần suất 75%, tăng lên tới 12,5% vào năm 2000 và 16,5% vào khoảng năm 2010 Tổng lượng nước dùng để tưới cho cây trồng khá lớn, từ 41 km3 (chiếm 89,8%) năm 1985, tăng lên 46,9 km3 (năm 1990) và 60 km3 năm 2000 (chiếm 85%) Lượng nước cần dùng

cần dùng trong mùa cạn năm 2000 đạt tới 70,7 km3, chiếm khoảng 42,4% tổng lượng nước có khả năng cung cấp trong mùa cạn (bao gồm nước sông, nước dưới đất và nước do các hồ chứa điều tiết), hay 51% tổng lượng dòng chảy mùa cạn tương ứng với tần suất 75% Vào khoảng năm 2010, tổng lượng nước cần dùng trong mùa cạn có thể tới 90 km3, chiếm khoảng 54% tổng lượng nước có thể cung cấp hay 65% tổng lượng dòng chảy trong mùa cạn tương ứng với tần suất 75% Đặc biệt, ở không ít vùng và lưu vực sông, lượng nước cần dùng có thể gấp vài lần tổng lượng nước có thể cung cấp, tức là chẳng những vượt quá xa ngưỡng lượng nước cần có để duy trì sinh thái mà còn không có nguồn nước tại chỗ để cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất

1.2.3.2 Cạn kiệt và ô nhiễm nguồn nước

Như trên đã nêu, sự gia tăng dân số và các hoạt động của con người sẽ ngày càng tác động mạnh mẽ đến môi trường tự nhiên nói chung và môi trường nước nói riêng Những hoạt động tự phát, không có quy hoạch của con người như chặt phá rừng bừa bãi, canh tác nông lâm nghiệp không hợp lý và thải chất thải bừa bãi vào các thuỷ vực đã và sẽ gây nên những hậu quả rất nghiêm trọng, làm cho nguồn nước bị cạn kiệt, bị ô nhiễm, hạn hán có khả năng càng khốc liệt Nguy cơ thiếu nước sạch càng trầm trọng, nhất là vào mùa cạn ở các vùng mưa ít.Một minh chứng

cụ thể là việc phát triển ồ ạt các KCN trong thời gian qua, môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng đã bị những tác động ô nhiễm nghiêm trọng Trong cả nước hiện nay mới chỉ có 33 trên tổng số 135 KCN đang hoạt động có hệ thống xử

lý nước thải tập trung, điều đó đồng nghĩa với việc có khoảng 223.750 m3 nước thải chưa được qua xử lý đổ xuống các sông hồ mỗi ngày gây ảnh hưởng to lớn tới nguồn tài nguyên nước mặt của nước ta Những việc làm đó về lâu dài sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới nguồn cung cấp nước ngọt, hiện tại đã có rất nhiều con sông trở thành sông chết và nước tại các con sông này không thể sử dụng được nữa

1.2.3.3 Tác động của biến đối khí hậu toàn cầu

Sự biến đổi của khí hậu toàn cầu đã, đang và sẽ tác động mạnh mẽ đến tài nguyên nước Theo đánh giá bước đầu, vào khoảng năm 2070, với kịch bản nhiệt

độ không khí tăng thêm 2,5 - 4,50C, lượng dòng chảy sông ngòi cũng sẽ biến đổi tuỳ theo mức độ biến đổi của lượng mưa, nếu lượng mưa giảm 10% thì dòng chảy năm có thể giảm 17 - 53% đối với kịch bản nhiệt độ không khí tăng 2,50C và giảm

26 - 90% với kịch bản nhiệt độ không khí tăng 4,50C Mức độ biến đổi mạnh nhất xẩy ra ở Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ

Ngoài ra, trái đất nóng lên sẽ làm cho nước biển có thể dâng cao thêm 0,3 - 1,0 m và do đó nhiều vùng thấp ở đồng bằng sông Cửu Long, vùng đồng bằng châu thổ Bắc Bộ và ven biển Trung Bộ sẽ bị ngập chìm trong nước biển Nếu nước biển dâng 1 m, diện tích ngập lụt là 40.000 km2, chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu Long,

1700 km2 vùng đất ngập nước cũng bị đe doạ và 17 triệu người sẽ chịu hậu quả của

lũ lụt

Cuối cùng, sự cạn kiệt, ô nhiễm nguồn nước cũng như sự khan hiếm nguồn nước sẽ càng trầm trọng nếu không có các biện pháp quản lý tốt tài nguyên nước Cũng vì lẽ đó mà người ta cho rằng, khủng hoảng nước hiện nay không chỉ do nước quá ít không đủ để thoả mãn nhu cầu của con người mà còn do sự quản lý nguồn nước quá kém gây nên hàng tỷ người và môi trường gánh chịu hậu quả

1.3 Vấn đề khử mặn từ nước biển đối với các vùng ven biển và hải đảo

1.3.1 Tầm quan trọng của việc khử muối trong nước biển đối với các vùng ven biển và hải đảo

Với đặc thì về địa lý Việt Nam có ba mặt giáp biển Đông và nam giáp biển Đông (thuộc Thái Bình Dương) với bờ biển kéo dài khoảng 3.260km, kể từ Móng Cái ở phía bắc đến Hà Tiên ở phía tây nam, và với hệ thống đảo ven bờ gồm có 2.773 hòn đảo lớn nhỏ diện tích từ 0,001 km2 đến 100 km2, diện tích tổng cộng lên

những nhu cầu vật chất tối thiểu cho lượng dân cư sống tại đây là một yêu cầu cực

kỳ quan trọng, nó ảnh hưởng sâu sắc tới tình hình an ninh, chính trị và quân sự

Với những phân tích ở trên, ta dễ dàng nhận thấy Việt Nam là một lượng có tài nguyên nước thuộc loại khá trên thế giới tuy nhiên với đặc thù phân bố không

được sử dụng nước sạch (trong đó dân cư sống ở vùng ven biển và hải đảo chiếm

đa số), điều đó đặt ra thách thức cực kỳ to lớn đối với sự phát triển bền vững của nước ta Hiện nay nhà nước ta đã dùng nhiều phương pháp nhằm cung cấp nước sạch đến các vùng này như đưa các xe nước sạch từ trong đất liền ra, xây dựng đường ống cung cấp nước từ các vùng lân cận… Tuy nhiên các phương pháp này rất tốn kém và không thể chủ động được cho người dân sống trong khu vực Đó không thể là một phương pháp dùng để duy trì lâu dài và đòi hỏi phải có những phương pháp khác thay thế

Một nghịch lý khi mà các vùng ven biển và hải đảo xung quan đều được bao bọc bởi nước biển, với trữ lượng lớn từ đại dương nó gần như là vô tận Nó sẽ là nguồn nguyên liệu tuyệt vời cho sản xuất nước ngọt đối với người dân hải đảo và ven biển nếu có thể tìm cách khử muối của nước biển

1.3.2 Những phương thức khử muối trong nước đơn giản

Từ ngàn xưa vấn đề này đã được con người nghĩ đến và áp dụng với mức độ thô sơ và đã mang được những kết quả nhất định, tuy nhiên chất lượng nước thu được vẫn chưa ổn định Ta có thể lấy ví dụ một vài phương pháp khử mặn thô sơ sau đây:

1.3.2.1 Lọc nước mặn bằng than đước

Đây là cách lọc "chữa cháy" không hoàn toàn khử được muối, nước vẫn còn

Hình 1.2: Khử muối theo phương pháp lọc bằng than đước

Ưu điểm: Phương pháp vận hành đơn giản, không tiêu tốn năng lượng cho việc loại bỏ muối

Nhược điểm: Không loại bỏ được hoàn toàn muối trong nước, chất lượng nước sau khi xử lý không được tốt vẫn còn vị lờ lợ

Ưu điểm của phương pháp này: đơn giản, tận dụng được năng lượng mặt trời cho việc cung cấp năng lượng để đưa nước lên nhiệt độ bay hơi

Nhược điểm: hiệu suất thấp, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu

Hình 1.3 Khử muối bằng nhiệt mặt trời

1.3.2.3 Khử mặn bằng chưng cất đơn giản

Nguyên lý: sử dụng nhiệt để biến nước thành hơi, tách muối ra khỏi nước Làm một nồi hơi như hình dưới Cách này thu được nhiều nước hơn nhưng lại tốn nhiên liệu đốt, tốn công sức và thường xuyên phải cạo bỏ lớp muối cặn ở nồi

Hình 1.4: Khử muối bằng chưng cất đơn giản

Ưu điểm của phương pháp: chủ động được trong việc khử muối ra khỏi nước

Nhược điểm: đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng cho việc cung cấp nhiệt để bay hơi nước

Các phương pháp trên chính là các tiền đề cho các phương pháp khử muối trong hiện đại như: chưng cất nhiều giai đoạn, lọc màng

1.3.3 Những phương pháp khử muối hiện đại

Hiện nay để khử muối người ta dựa vào ba phương pháp chính là:

Chưng cất: là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng bay hơi thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau, ở những nhiệt độ sôi khác nhau của mỗi cấu tử chứa trong hỗn hợp đó, bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần bay hơi và ngưng

tụ Quá trình chưng cất dựa trên cơ sở là các cấu tử của hỗn hợp lỏng có áp suất hơi khác nhau, khi đun nóng, những chất có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước và

được tách riêng ra khỏi hỗn hợp

Thực tế để khử muối khỏi nước biển thì đòi hỏi phải có các phương pháp

chưng cất riêng biệt là phương pháp chưng cất đa ứng (MED, Multi Effect

Distillation), phương pháp chưng cất phân đoạn (MSF, Multi Stage Flash Distillation)

Phương pháp chưng cất đa ứng dùng nhiệt năng ở nhiệt độ dưới 100 C và phương pháp chưng cất phân đoạn, có hiệu suất cao hơn, dùng nhiệt năng ở 120/125 C Hai phương pháp này cần đến 200 nhiệt năng cho mỗi mét khối nhưng

thích ứng với những nhà máy có công suất lớn

Những ưu nhược điểm của phương pháp chưng cất:

+ Thẩm thấu ngược (RO)

Một loại lọc khác tương đương với lọc RO là lọc nano (NF) Trong thực tế thì NF chỉ giữ lại các loại ion có hóa trị lớn hơn 1(Ca2+, Mg2+, SO42-…) trong khi

những ion hóa trị 1 thì vẫn có thể đi qua màng Khả năng giữ lại muối vì thế có hiệu suất từ 0-50% tùy theo nồng độ muối của nước đầu vào

Siêu lọc (UF) là quá trình lọc mà các hợp chất phân tử có phân tử lượng lớn như là protein và các chất rắn lơ lửng bị loại bỏ trong khi những hợp chất có phân

tử lượng thấp thì có thể đi qua màng dễ dàng Vì thế những axit hữu cơ, axit vô cơ, saccarit, muối, kiềm…vẫn đi qua màng dễ dàng

Vi lọc (MF) là quá trình chỉ loại bỏ những chất rắn lơ lửng trong khi thấm chí protein vẫn đi qua màng

Việc sử dụng loại màng nào tùy thuộc vào mục đích sử dụng và chúng ta phải cân nhắc đến nhiều yếu tố khác nữa như công suất, giá thành, nhân lực…

Những ưu nhược điểm của công nghệ màng

+ Ưu điểm:

- Quy trình công nghệ đơn giản

- Tốn ít diện tích, chi phí năng lượng thấp

- Không ảnh hưởng tới môi trường

- Có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng và tốn ít hóa chất

- Phạm vi áp dụng lớn

- Khả năng xử lý và loại bỏ các chất ô nhiễm cao

+ Nhược điểm:

- Màng dễ bị hỏng nếu vận hành sai chế độ

- Nước cấp vào phải đạt được đến một giá trị nhất định

- Do tiến hành ở áp suất cao nên thiết bị phải đặc biệt

- Vận hành đòi hỏi sự tuân thủ cao

- Giá thành đầu tư cao

Các hợp chất

có phân tử

mono-, di-và oligosaccarit, các iôn hóa nhiều hóa trị

Các phân tử lớn, protein, polysaccarit

nhỏ, vi khuẩn

Áp suất làm

việc

Trong các hệ thống xử lý nước siêu sạch thì vai trò của RO là rất quan trọng

vì những ưu điểm vượt trội của nó (sẽ nói kĩ hơn ở phần tiếp theo của đồ án này) Thông thường quá trình này có thể áp dụng cho quá trình làm sạch triệt để

1.3.3.3 Quá trình điện thẩm tách (ED)

Điện thẩm tách (ED) là phương pháp tách điện hóa học, trong đó các ion được vận chuyển qua màng trao đổi ion từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao hơn, dưới tác dụng của dòng điện một chiều (DC) Mảng trao đổi ion cho phép những ion mang điện tích dương như là ion Na+, K+ đi qua, gọi là màng cation Màng trao đổi ion cho phép những ion mang điện tích âm như ion Cl-, SO42- đi qua, gọi là màng anion

Trong phương pháp điện thẩm tách, tạp chất (các ion) được tách loại khỏi nước bằng điện Dòng điện 1 chiều chuyển các ion qua 1 màng để tạo ra dòng nước khử khoáng và dòng nước có nồng độ cao hơn Màng sẽ hình thành một rào cản giữa nước thu ion (hay dòng nước có nồng độ ion cao hơn trước )và nước khử khoáng Phía màng có nồng độ ion cao hơn sẽ gây ra hiện tượng phân cực nồng độ,

Hình 1.5 dưới đây mô tả quá trình làm việc của một thiết bị điện thẩm tách đơn giản để tách muối

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý quá trình điện thẩm tích

Khi cho dòng điện một chiều đi qua, khoang số 1 và 6 khác biệt với các khoang khác vì chứa các điện cực kim loại Dưới tác dụng của dòng điện, khí clo, khí oxy và ion H+ sinh ra ở anốt còn khí H2 và ion OH- sẽ được tạo ra ở catôt Trong khoang số 2, ion Cl- bị đẩy qua màng trao đổi anion (A) vào khoang số

3, trong khi ion Na+ bị đẩy qua màng trao đổi cation (C) vào khoang số 1 Như vậy khoang 2 là khoang được tách muối

Trong khoang số 3, ion Na+ không thể đi qua được màng trao đổi anion nên

bị giữ lại trong khi đó anion Cl- cùng không thể đi qua được màng trao đổi cation nên cũng bị giữ lại trong khoang 3 Khoang 3 trở thành khoang thu nhận muối

Tương tự khoang 4 là khoang tách muối, khoang 5 là khoang thu muối Như vậy các khoang 2 và 4 hàm lượng ion giảm còn khoang 3 và 5 hàm lượng ion tăng hình thành các ngăn dung dịch nhận muối và tách muối luân phiên nhau trong thiết

bị màng trao đổi ion dươí tác dụng của dòng điện một chiều

Khi vận hành một thiết bị như trên sẽ tạo ra 2 dòng nước chính tách biệt nhau: dòng nước đã tách muối và dòng nước thu muối và 2 dòng nước phụ từ các khoang chứa các điện cực Đó là cấu trúc đặc trưng và quan trọng nhất của một hệ thống ED

Người ta thấy rằng sự đổi chiều màng sau khi làm vệ sinh thiết bị sẽ làm đổi ngược lại tác dụng nhiễm bẩn hưũ cơ, kéo dài năng lực làm việc giữa các làn làm

vệ sinh thiết bị và giảm nhu cầu vệ sinh hoá học Trong những năm 1950, người ta

cố gắng phát triển một hệ thống màng ED đối xứng và dòng địện xoay chiều để có thể tự động thay đổi môi trường và bề mặt của màng, thay đổi điều kiện nồng độ cách một cách thuận lợi cho việc tự làm sạch màng trong quá trình làm ngọt nước Thiết bị làm sạch nước dựa trên kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều (EDR) đã ra đời

Sự thay đổi căn bản trong việc kiểm soát sự tạo cặn mà không cần phải thêm hoá chất xuất hiện vào cuối những năm 1960 và được ứng dụng trong công nghệ dựa trên kỹ thuật EDR So với hoạt động của hệ ED trước đây, EDR ít bị ảnh hưởng bởi

sự tạo cặn rắn CaCO3 hay CaSO4 khi pH tăng hay trong nước có nhiều tạp chất hữu

cơ Các nhà máy EDR có thể vận hành lâu hơn mà không cần tăng độ bền của màng đối với các tạp bẩn và có thể khôi phục lại sự hoạt động ổn định mà không cần thêm hoá chất

Sự phổ biến rộng rãi và nhanh chóng kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều đã cho thấy ưu thế đặc biệt của nó so với các phương pháp tách muối có sử dụng màng một cách chung chung Sự phân cực ngược làm giảm sự nhiễm bẩn dài hạn và làm giảm việc sử dụng thêm hoá chất như thế là kinh tế và thực tiễn hơn nhiều so với quá trình ED Tính chất vật lý tấm mỏng của khối màng cùng với tính chất chịu hóa chất và không nhiễm bẩn màng làm cho EDR chiếm vị trí dẫn đầu trong công nghệ tách muối của những nguồn nước khó xử lý hoặc xử lý tốn kém

Trong khoảng 10 năm trở lại đây EDR đẵ trở thành một phương pháp kinh tế

để tách muối bằng màng cho nước ngầm, nước mặt và nước thải Các hệ thống EDR đã được thiết kế và vận hành để tách muối từ nước sông, nước hồ dùng cho mục đích công nghiệp và dân dụng Các thiết bị EDR cũng được sử dụng cho hệ thống làm mát, XLNT công nghiệp và nước thải đô thị nhằm tái sử dụng

* Những ưu nhược điểm của cụng nghệ điện thẩm tích

+Ưu điểm: Hiệu suất xử lý cao, các màng trao đổi cation và anion có độ chọn lọc tối thiểu 90%, được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng

+Nhược điểm: Quá trình hình thành cặn làm cho chế độ vệ sinh, vận hành phức tạp làm tăng giá thành sản phẩm Thiết bị chế tạo đòi hỏi công nghệ cao do chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chi phối do đó tương đối đắt tiền

Trong hệ thống sản xuất nước siêu sạch thì phương pháp điện thẩm tách chủ yếu được dùng để loại các ion trong nước ở công đoạn cuối cùng vì nó có khả năng

tách triệt để các ion Tuy nhiên đối với các loại chất ô nhiễm không phải là ion thì

phương pháp này không hoặc ít có khả năng loại bỏ

Kết luận chương 1:

- Với những gì phân tích ở trên ta nhận thấy tài nguyên nước của Việt Nam là

ở mức khá nếu so sánh với mặt bằng chung của toàn thế giới nhưng với đặc tính phân bố không đều và không ổn định, một bộ phận khá lớn dân cư trong nước ta vẫn phải chịu cảnh thiếu nước sạch cho cuộc sống sinh hoạt và sản xuất

- Nước biển là nguồn nguyên liệu gần như là vô tận cho sản xuất nước ngọt Nước biển chiếm 97% tổng lượng nước trên toàn thế giới, về cơ bản nước biển có

độ ô nhiễm thấp do đó không phải mất nhiều công trong việc xử lý (ngoại trừ xử lý khử muối)

- Khử muối nước biển thành nước ngọt là hoàn toàn có khả năng với các phương pháp hiện đại như lọc màng RO, điện thẩm tách, chưng cất

- Với những phân tích ở trên ta nhận thấy rằng phương pháp màng thẩm thấu ngược RO hoàn toàn thích hợp với việc khử muối trong nước biển để tạo thành nước ngọt cho các vùng ven biển và hải đảo của Việt Nam

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC RO

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình thẩm thấu ngược

Sự thẩm thấu là: quá trình mà trong đó có sự di chuyển của dung dịch

xuyên qua màng phân chia từ dung dịch có nồng độ thấp hơn sang dung dịch có nồng độ cao hơn Những dung dịch xuyên qua màng có xu hướng làm giảm nồng

độ của dung dịch có nồng độ cao hơn Sự di chuyển này có thể được quan sát bằng

sự tăng giảm thể tích của các dung dịch Sự di chuyển này sẽ kết thúc khi sự chênh lệch mực dung dịch cân bằng với áp suất thẩm thấu

Thẩm thấu ngược là: quá trình ngược lại với quá trình thẩm thấu, nghĩa là

hướng chuyển động của dòng chảy từ dung dịch đặc hơn qua màng sang dung dịch loãng hơn Hiện tượng thẩm thấu và thẩm thấu ngược được mô tả trong hình 2.1

Trong thẩm thấu ngược, động lực của quá trình là sự chênh lệch áp suất giữa

2 bề mặt màng Sự chênh áp này là nguyên nhân để nước chảy từ dung dịch có nồng độ cao hơn sang dung dịch có nồng độ thấp hơn Bởi vậy áp suất yêu cầu để xảy ra sự thẩm thấu ngược phải cao hơn áp suất thẩm thấu

chênh lệch nồng độ Trung bình khoảng 0.7 kg/cm2 cho 1000 mg/l chênh lệch nồng

độ Điều đó có nghĩa là một phần lớn chi phí dành cho năng lượng của bơm, các chi phí khác là chi phí cho dòng thải bỏ (thông thường là khoảng 25% thể tích dòng vào), chi phí khấu hao và chi phí cho sự thay thế màng Có thể coi sự tránh giảm áp suất đột ngột như một bước cất giữ thế năng, nhưng quan trọng là để duy trì áp suất thiết kế bởi vì sự giảm giá trị trong quá trình này không chỉ giảm sản phẩm mà còn cho phép nhiều chất ô nhiễm qua hơn (sự loại bỏ ít hơn) Vì thế, điều khiển áp suất trong hệ thống chính là tối ưu hóa quá trình

Các loại màng khác nhau thì áp suất màng cũng khác nhau Trong thẩm thấu ngược, sự vận chuyển nước qua màng không phải là kết quả của việc nước xuyên qua các lỗ nhỏ, ít nhất là không phải các lỗ thông thường như ta vẫn nghĩ Đó là kết quả của khuyếch tán, một phân tử tại một thời điểm, xuyên qua khoảng trống trong cấu trúc phân tử của màng Những khoảng trống trong vật liệu plyme vô định hình

là một mạng dòng và không cố định trong khi trong các vật liệu cấu trúc tinh thể thì những khoảng trống này là cố định trong cấu trúc về vị trí và số lượng Màng RO là màng polyme vô định hình nhưng thông thường có chứa một số vùng cấu trúc tinh thể hoặc ít vô định hình hơn

Đa số nguyên liệu màng được sử dụng rộng rãi là axêtat xenlulo, triacetate

và polyamide pôlime Mỗi một loại màng đều có những thông số giới hạn khác nhau như nhiệt độ, áp suất làm việc, pH, nồng độ clo giới hạn…

Hiệu ứng già hóa trên màng RO dẫn đến sự ép (nén) bề mặt và sự thắt luồng Hiệu ứng này khó xảy ra ở áp suất dưới 12 bar nhưng có thể mất tới 10% sản phẩm

ở 24bar và có thể tới 40% sau 1 năm hoạt động Vì thế việc thiết kế hệ thống RO làm việc hiệu quả theo thời gian là rất quan trọng

Thẩm thấu ngược đã cũng được gọi là lọc cao áp, chỉ mối quan hệ của nó tới một quá trình lọc ở áp suất cao Tuy nhiên, nó không nên được nhầm lẫn với sự siêu lọc, là quá trình mà sử dụng áp suất thấp hơn và những màng có cấu trúc khác,

vì thực chất sự loại bỏ trong siêu lọc là quá trình giữ lại những chất bẩn dựa vào sự khác nhau của kích thước hạt Vì thế RO giữ lại được những chất có phân tử lượng

bé hơn nhiều so với siêu lọc

Sự loại bỏ đôi khi là một đặc trưng của màng bán thấm, một ion nào đó có thể được loại bỏ nhiều hơn ion khác Sự loại bỏ cũng bị ảnh hưởng bởi các ion có mặt trong dung dịch Nói chung với mỗi loại màng khác nhau thì chất lượng sản phẩm cũng khác nhau

2.2 Cấu trúc hóa học của màng RO

Hiện tượng thẩm thấu đã được quan sát từ giữa thế kỉ 18 Những thí nghiệm đầu tiên được thực hiện trên màng động vật và nó đã bị lãng quên từ năm 1867 cho đến khi màng nhân tạo được phát triển Vào đầu những năm 50 của thế kỉ 20, những nhân viên nghiên cứu ở trường đại học Florida đã thấy rằng, với những màng dày làm từ cellulo axetat có những thuộc tính đặc biệt đối với quá trình vận chuyển của muối và nước, ẩn chứa khả năng tiềm tàng để chế tạo những màng thẩm thấu ngược để khử muối Vào những năm 1960, Loeb và cộng sự ở trường đại học Califonia ở Los Angeles phát triển kĩ thuật để sản xuất những màng cellulo axetat có khả năng tách nước và muối tại áp suất vừa phải Với sự phát triển này, kĩ thuật thẩm thấu ngược đã có thể được ứng dụng thực tế

Những màng cellulo axetat cổ điển này chỉ thích hợp cho việc khử muối với nồng độ thấp Chúng không chịu được áp suất lớn cần thiết cho việc khử muối trong nước biển Những màng đầu tiên được chế tạo từ cellulo axetat bị thủy phân

này cũng bị phá hoại bởi vi sinh vật, bị phân rã ở quá 40 độ C Màng cellulo axetat cũng bị nén ép ở áp suất trên 28bar Tiền xử lý nước cấp vào thích hợp làm giảm đáng kể những hiệu ứng xấu gây ra bởi nhiệt độ, độ pH và vi sinh vật tới màng sử dụng trong thực tế

Một số lượng đáng kể các nghiên cứu đã được phát triển để phát triển màng cellulo triaxetat ổn định hơn đối với pH, nhiệt độ và chống chịu tốt hơn đối với sự phá hoại của các chất hóa học và vi sinh vật Trong khi màng cellulo triaxetat ổn định hơn với những điều kiện trên thì nó lại bị nén ép ở áp suất hoạt động 28bar, đó

là nguyên nhân gây giảm dòng sản phẩm

Việc chế tạo loại màng với hỗn hợp của cellulo diaxetat và cellulo traxetat cho ta một loại màng với những đặc tính vượt trội hơn:

- Bền vững hơn màng cellulo diaxetat

- Chất lượng dòng sản phẩm và dòng loại bỏ tốt hơn màng cellulo diaxetat

- Chịu được áp suất lớn hơn so với màng cellulo diaxetat và cellulo triaxetat Tuy nhiên, màng axetat có giới hạn chịu được tác dụng của clo dư rất ít, mà đây lại là hóa chất được dùng nhiều để khử trùng cho nước cấp

Những màng cellulo axetat là màng không đối xứng và được chế tạo từ một khối polyme đơn Khi dung kính hiểm vi điện tử để nghiên cứu lớp màng cellulo axetat vào những năm 1960, thì các nhà khoa học thấy rằng: lớp màng này gồm có một lớp đặc, mỏng trên bề mặt và tiếp theo là lớp xốp dày hơn được cấu tạo từ cùng vật liệu Độ dày của màng khoảng 100 micromet thì lớp đặc trên bề mặt chỉ có 0.2 micromet và 99.8 micromet còn lại là của lớp xốp

Hình 2.2 Màng không cân đối được cấu tạo từ một thành phần vật liệu

Trong suốt những năm 1960, công ty Dupont đã tìm ra một số nguyên liệu khác tốt hơn cellulo axetat để chế tạo màng thẩm thấu ngược Những nghiên cứu của họ chỉ ra rằng polyme vòng thơm là loại vật liệu tốt hơn để chế tạo màng bán thấm Đa số các sản phẩm màng RO sợi ống mảnh của công ty này được chế tạo từ polyme vòng thơm và nó có sức cạnh tranh rất lớn với loại màng cellulo axetat trên thị trường

Không lâu sau khái niệm về màng không đối xứng được thiết lập, những nghiên cứu về màng composit (màng phức) được bắt đầu Màng phức cũng có cấu trúc không đối xứng nhưng nó bao gồm hai lớp polyme là lớp chắn trên bề mặt màng và lớp xốp đỡ ở phía dưới lớp chắn (Hình 2.4) Lớp xốp đỡ phía dưới được hình thành riêng rẽ bằng kĩ thuật nén màng từ một loại polyme Lớp xốp có bề dày khoảng từ 75-100 micromet và tính xốp của nó do những lỗ nhỏ xuyên qua tạo thành Lớp chắn trên bề mặt màng là một lớp mỏng dày đặc được cấu tạo từ một loại polyme khác bằng cách lắng đọng sau quá trình hình thành lớp xốp Độ dày của lớp chắn này chỉ khoảng từ 400 đến 1000 angstron

99,8 micromet

0,2 micromet Lớp đặc

Lớp xốp

Cellulo

axetat

Hình 2.3 Màng kép

Một vài loại polyme đã được sử dụng để hình thành lớp xốp Một trong những loại màng kép được chế tạo sớm nhất là màng với lớp xốp được cấu tạo từ cellulo nitrat và lớp chắn được cấu tạo từ cellulo triaxetat Loại màng này được ứng dụng thành công để tách muối khỏi nước biển nhưng nó dễ hỏng và đắt Những màng thương mại ngày nay sử dụng polyme sunfua để chế tạo lớp xốp

Lớp chắn được hình thành trên lớp xốp theo cách sau:

- Phân tán

- Polyme hoá (trùng hợp) thành lớp màng mỏng

- Trùng ngưng giữa hai bề mặt

Kĩ thuật bao phủ phân tán được sử dụng cho màng cellulo triaxetat đã đề cập

ở trên Phân tán cellulo triaxetat trong dung môi clorofom trên lớp xốp, sau đó làm bay hơi dung môi để được một màng mỏng trên lớp xốp Trùng ngưng thành lớp mỏng là sử dụng lớp polyfuran làm nền trên polysulfua Trong trường hợp này, mono furury alcohol bị trùng hợp ở gốc do sự điều chỉnh pH và nhiệt độ Màng loại này dễ bị ảnh hưởng mạnh bởi các chất ôxy hóa Kĩ thuật tốt nhất để hình thành lớp chắn là kĩ thuật trùng ngưng giữa hai bề mặt Trong phương pháp này, một polyme được hình thành trên bề mặt lỗ xốp tại giao diện của bề mặt hai pha hữu cơ và pha nước bằng phản ứng của những phân tử hòa tan đặc biệt trong mỗi pha Bằng cách

75 micromet

400-1000 Angstron

này mà một số lớp chắn polyamine và polyure đã được hình thành trên bề mặt polysunfua Những màng thương mại được chế tạo theo cách này Những tiến bộ trong việc hoàn thiện loại màng không đối xứng đơn vật liệu là không hiệu qủa so với màng kép Màng kép cho sản phẩm tốt hơn, chịu được áp suất lớn hơn Polyamin và polyure cho phép màng kép chịu được nhiệt độ cao hơn, làm việc trong dải pH lớn hơn, và chịu được tốt hơn sự tấn công của vi sinh vật Nhưng trái lại, màng kép cũng vẫn bị phá hủy bởi clo dư và các chất oxy hóa khác Vì thế nếu trong nước cấp có sử dụng phương pháp khử trùng hoặc clo hóa thì phải đi kèm theo phương pháp khử clo để bảo vệ màng trước khi nước đi vào hệ thống thẩm thấu ngược

Trong khi màng cellulo axetat chịu được áp suất trung bình, phù hợp cho việc phân tách những dung dịch có nồng độ trung bình thì màng composit có thể chịu sức ép lớn hơn nhưng dòng thấm qua lại nhỏ Khả năng loại bỏ của 2 loại màng nói trên đã được kiểm nghiệm với nhiều loại dung dịch khác nhau Kết luận được đưa ra là khả năng loại bỏ của màng composit lớn hơn đáng kể so với màng cellulo axetat Hiện nay có nhiều loại màng thương phẩm được bán trên thị trường Tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm sau xử lý mà ta lựa chọn các loại khác nhau Tuy nhiên với mỗi loại đều có các thông số kĩ thuật đi kèm và chúng ta cần phải hiểu được ý nghĩa của các thông số đó để lựa chọn

2.3 Các loại thiết bị màng RO dùng trong công nghiệp

Những loại thiết bị màng thẩm thấu ngược thường được sử dụng bao gồm: 1- Dạng tấm

2- Thiết bị dạng xoắn ốc

3- Dạng ống

4- Dạng ống sợi rỗng

2.3.1 Dạng tấm

Hình 2.4: Mô tả dạng thiết bị dạng tấm

Trong kiểu này, giữa hai màng bán thấm, bộ phận xốp làm bằng các sợi thuỷ tinh, được gắn vào tạo thành một ống dẫn nước thấm Trên mặt ngoài của mỗi màng, một miếng đệm được gắn vào tạo thành ống dẫn nước chưa xử lý chảy vào

Hệ thống này được gắn lần lượt trong nhiều nếp gấp và sau đó được uốn thành hình thể xoắn Ở vị trí trung tâm, một ống dẫn nước được luồng qua và đoạn cuối màng được nâng lên tới ống dẫn để hứng nước tràn qua ống dẫn Kết cấu này cho phép diện tích màng rộng thêm 1m3 modum (đơn vị của hệ thống), nhưng lại làm cho việc rửa màng rất khó khăn, nên nó không thích hợp cho sự xử lý với nước có SDI cao

Ưu điểm của loại màng dạng xoắn ốc là có thể sử dụng được nhiều thiết bị

và tốc độ dòng lớn Nhưng nhược điểm của thiết bị này là cần phải xử lý nước cấp vào thật tốt để ngăn ngừa sự đóng cặn của màng

Kiểu này có thuận lợi là nó có thể được dùng cho nước cấp vào có chất lượng không cao lắm, kiểu màng này rất dễ rửa màng và nó cũng rất vững chắc Tuy nhiên nhược điểm của loại màng này là rất cồng kềnh, khả năng chịu áp suất kém và giá thành cao

và khoảng một triệu các sợi được bó gói và được đặt trong một bình hình trụ với áp suất kháng cự lại Bình này có đường kính khoảng 10cm Nước chưa xử lý đi vào bình dưới một áp suất và được nén về hướng ngoài của các sợi rỗng Nước trong nước thải được xuyên qua bộ phận rỗng và được dùng như nước thải đã xử lý Sợi rỗng này có kích cỡ nhỏ như một sợi tóc và để chống đỡ áp suất bên ngoài khoảng 28kgf/cm2 Bởi vậy, nếu không cần thiết bộ phận chống đỡ áp suất kháng cự thì có nhiều sợi có được bó gói để làm tăng đáng kể diện tích màng trên mỗi mét khối mođum Thiết bị loại này có thể chịu áp suất vận hành từ 17 đến 70 bar Ưu điểm của thiết bị loại này là diện tích bề mặt sử dụng màng lớn, nhưng nhược điểm của

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình thẩm thấu ngược

2.4.1 Cấu trúc dung dịch

Dung dịch là một hỗn hợp đồng thể ít nhất là có hai cấu tử và có thành phần thay đổi Vì dung dịch gồm nhiều cấu tử nên đặc trưng chủ yếu của dung dịch là nồng độ, rõ ràng sự phân bố chất tan, sự liên kết giữa các phân tử dung môi và phân

tử chất tan tạp thành một hệ đồng nhất sẽ quyết định tính chất đặc trưng của dung dịch, tất cả các tính chất trên của dung dịch đều phụ thuộc vào cấu trúc dung dịch, vào nồng độ dung dịch mà ít phụ thuộc vào bản chất dung dịch

Để có thể hiểu rõ và giải thích được một cách đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của màng, chúng ta cần đề cập đến các đặc trưng “nhiệt động và cấu trúc của dung dịch”

2.4.2 Bản chất điện ly

Nhiều tác giả đã nghiên cứu quá trình tách các muối vô cơ từ dung dịch nước bằng phương pháp thẩm thấu ngược đã chỉ ra rằng đối với các ion khác nhau được tiến hành tách trong cùng một điều kiện như nhau trên cùng một màng thì các đặc trưng của quá trình tách cũng khác nhau Như vậy quá trình tách này còn phụ thuộc vào bản chất chất điện ly ở dung dịch Như đã nói ở trên, khả năng hydrat hóa khác nhau của các ion có ảnh hưởng đến tính lựa chọn và thẩm thấu của màng Qua thực

tế nghiên cứu nhiều tác giả đưa đến kết luận: độ lựa chọn tăng khi khả năng hydrat hóa của ion tăng (tương ứng với bán kính ion giảm) và ngược lại khả năng hydrát hóa tăng thì độ thẩm thấu giảm

Khả năng hydrat hóa của các ion được sắp xếp như sau:

Ion hóa trị 1: Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+

Cl->Br->NO3->I->CNSIon hóa trị 2: Mg2+> Ca2+> Cr2+> Ba2+

-Ion hóa trị 1 và 2: Sr2+> Ba2+>Li+>Na+>K+

SO42-> Cl->Br->NO3->I

-Độ bền của vỏ hydrat hóa được đánh giá như sau:

25 , 0

Trong đó ZA: điện tích anion

Nghiên cứu mối quan hệ giữa áp suất làm việc, độ thẩm thấu và độ chọn lọc chỉ ra rằng: lúc đầu khi áp suất tăng thị cả độ thẩm thấu và độ chọn lọc càng tăng Nếu tiếp tục tăng áp suất thì độ thẩm thấu đạt tới giá trị cực đại rồi giảm xuống dần,

độ chọn lọc hầu như không thay đổi Sở dĩ có hiện tượng như vậy là vì: trong giai đoạn đầu khi áp suất tăng sẽ làm tăng động lực quá trình đồng thời màng bị biến dạng dẫn đến đường kính lỗ mao quản thu hẹp lại cho nên độ chọn lọc sẽ tăng và

độ thẩm thấu cũng tăng Nếu tiếp tục tăng áp suất thì những ống mao quản sẽ bị khít dần lại bề mặt làm việc của màng giảm dần, giảm nhanh hơn sự tăng động lực của quá trình vì vậy lượng nước qua màng giảm đi Khi giảm dần áp suất ta thấy quan hệ thuận nghịch không trùng nhau Nguyên nhân là do màng có tính đàn hồi nên khi thực hiện theo hai chiều màng có biến dạng dư

Qua phân tích trên ta thấy rằng không phải làm việc ở áp suất càng cao là càng tốt vì không những độ thẩm thấu giảm, độ chọn lọc không tăng được bao nhiêu mà còn do màng bị nén quá lớn dẫn tới màng bị biến dạng quá giới hạn đàn hồi, làm phá huỷ màng Thông thường với mỗi loại màng, các nhà sản xuất đều đưa

ra các thông số làm việc của màng

2.4.4 Nồng độ dung dịch

Nồng độ dung dịch cũng là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình làm việc của màng Khi nồng độ thay đổi không những động lực của quá trình thẩm thấu ngược thay đổi (do áp suất thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ) mà cấu trúc dung dịch cũng thay đổi

Trong dung dịch nguời ta thường chia làm ba vùng nồng độ sau:

Hình 2.8 Vùng nồng độ trong dung dịch

Vùng nồng độ loãng (vùng nước tự do): là vùng còn tồn tại các phân tử nước

ở trạng thái tự do trong dung dịch

Vùng nồng độ giới hạn (vùng khuyếch tán): tại vùng này không còn tồn tại các phân tử nước tự do mà nó đã ở trong lớp vở hydrat gần và xa

Vùng nồng độ cô đặc (vùng lực hút tĩnh điện): tại vùng này toàn bộ nước đã chuyển vào vỏ hydrát hóa thứ nhất

Theo một số tác giả khi chuyển từ vùng nồng độ này sang vùng nồng độ khác thì cấu trúc dung dịch thay đổi đột ngột

Với dung dịch loãng ảnh hưởng của nồng độ đến độ chọn lọc và độ thẩm thấu của màng là không đáng kể vì trong dung dịch luôn tồn tại các phân tử nước tự

do tạo thành một lớp màng nước nguyên chất trên bề mặt màng Nhưng khi nồng

độ dnng dịch tăng dần thì số phân tử nước tự do trong dung dịch giảm đi, chúng chuyển dần vào lớp vỏ hydrát hóa thứ nhất và thứ hai Khi đó lực tương tác giữa các ion chất tan và dung môi rất lớn, mối liên kết này rất bền vững do đó bề mặt màng không tạo thành lớp nước nguyên chất được và xảy ra hiện tượng bít kín các mao quản do đó độ chọn lọc và độ thẩm thấu của màng giảm đi rất nhanh

2.4.5 Màng bán thấm

Trong quá trình phân tách bằng thẩm thấu ngược, màng bán thấm có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng quá trình Các màng thường có độ chọn lọc và độ thẩm thấu rất khác nhau, ngay trong cùng một loại màng sản xuất theo cùng một điều kiện công nghệ thì cấu trúc màng cũng không phải là đồng nhất, các mao quản

có đường kính khác nhau, độ khuyết tật của mao quản trên từng vùng của màng cũng khác nhau nên đường kính mao quản chỉ tính theo đường kính trung bình Nói chung màng có đường kính mang quản càng nhỏ thì khả năng giữ ion chất tan càng tốt Nhưng để đảm bảo quá trình làm việc tốt thì các màng phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Có độ thẩm thấu lớn với nước và nhỏ đối với chất tan;

- Có độ bền cơ học lớn, đồng đều về khích thước và cấu trúc;

- Các mao quản đồng nhất và ít khuyết tật

- Có độ bền hóa cao;

- Dễ chế tạo, sản xuất hàng loạt, dễ bảo quản