(Đồ án HCMUTE) thiết kế và chế tạo bộ phận stack cho hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ thẩm tách điện (electrodialysic)

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ phận stack cho hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ thẩm tách điện Electrodialysis.. iii KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HÒA XÃ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ PHẬN STACK CHO HỆ

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ PHẬN STACK CHO HỆ

i

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: GS.TS Đặng Mậu Chiến

Giảng viên hướng dẫn: GV Nguyễn Duy Linh

Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Viện Công nghệ Nano-ĐHQG TP.HCM

1 Tên đề tài:

Thiết kế và chế tạo bộ phận stack cho hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ thẩm tách điện (Electrodialysis)

2 Nội dung chính của khóa luận:

- Tìm hiểu lý thuyết công nghệ thẩm tách điện và các nghiên cứu, mô hình hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ này

- Thiết kế các chi tiết bộ phận stack thẩm tách điện

- Chế tạo các chi tiết và lắp ráp stack thẩm tách điện

3 Các sản phẩm dự kiến

- Sơ đồ và bản vẽ thiết kế từng chi tiết của bộ phận stack

- Mô hình stack thẩm tách điện

- Đề xuất các thành phần khác của hệ thống khử mặn ED quy mô phòng thí nghiệm như máy bơm, đường ống dẫn, …

ii

4 Ngày giao đồ án: 01/01/2021

5 Ngày nộp đồ án: 25/08/2021

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

GS.TS Đặng Mậu Chiến

iii

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngành: Công nghệ Vật liệu

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ phận stack cho hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ

thẩm tách điện (Electrodialysis)

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn 1: GS.TS Đặng Mậu Chiến

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn 2: GV Nguyễn Duy Linh

Cơ quan công tác của GV hướng dẫn: Viện Công nghệ Nano-ĐHQG TP.HCM

Địa chỉ: Khu phố 6, phường Linh Trung, Thủ Đức, TP.HCM

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện

Nội dung nghiên cứu của Đề tài Luận văn có tính thời sự, đóng góp giải pháp kỹ thuật cho vấn đề xử lý nguồn nước nhiễm mặn tại Việt Nam Khối lượng công việc là rất lớn, bao gồm:

- Tổng quan về tình hình nhiễm mặn trên thế giới và tại Việt Nam, giới thiệu về

các thiết bị và hệ thống khử mặn bằng công nghệ thẩm tách điện (Electrodialysis – ED),

cấu tạo của bộ phận stack thẩm tách điện (ED) dùng cho hệ thống khử mặn

iv

- Thiết kế bộ phận stack cho hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ ED

- Chế tạo bộ phận stack cho hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ ED

- Đánh giá và tính toán chi phí cho việc chế tạo bộ phận stack

- Đề xuất mô hình cho hệ thống khử mặn dùng công nghệ ED quy mô phòng thí nghiệm sử dụng bộ phận stack được thiết kế và chế tạo

2 Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên

- Các Sinh viên có tinh thần học tập, nghiên cứu hăng say

- Các Sinh viên đều tham gia đầy đủ các buổi thực tập nghiên cứu, họp nhóm, chuẩn

bị kỹ lưỡng các thí nghiệm

3 Ưu điểm

- Các Sinh viên có khả năng tự nghiên cứu, chăm chỉ và ham học hỏi

- Các nội dung trình bày trong Luận văn rõ ràng, có biện luận kết quả và trích dẫn đầy đủ các tài liệu tham khảo

- Nội dung nghiên cứu của Luận văn đã góp phần vào Bài báo khoa học đã được

chấp nhận đăng trên Kỷ yếu Hội nghị Quốc tế “International Workshop on Advanced

Materials Science and Technology – IWAMSN 2021”

4 Khuyết điểm

- Kiến thức cơ bản của Sinh viên còn hạn chế

- Các SV cần được rèn luyện thêm về cách chọn từ vựng và viết câu trong văn bản học thuật

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Đề nghị cho các SV được bảo vệ Luận văn Tốt nghiệp

6 Điểm: 9.5 (Bằng chữ: chín rưỡi)

v

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

GS.TS Đặng Mậu Chiến

vi

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Ngành: Công nghệ Vật liệu

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ phận stack cho hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ

thẩm tách điện (Electrodialysis)

Họ và tên Giáo viên phản biện: Nguyễn Thụy Ngọc Thủy

Cơ quan công tác của GV phản biện: ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Địa chỉ: 01 Võ Văn Ngân, Tp Thủ Đức, Tp HCM

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

 Nội dung đề tài có tính thời sự cho nhu cầu dân sinh về nước sinh hoạt đang gặp phải vấn đề ô nhiễm, và nhiễm mặn

 Trong một khoảng thời gian hạn chế, hai em sinh viên đã thực hiện khối lượng công việc khá lớn với mục đích chính là thiết kế và chế tạo hệ thống khử mặn dùng công nghệ thẩm tách điện (ED) có quy mô phòng thí nghiệm Những

Chưa có đánh giá về hiệu suất và công suất khử mặn của hệ này

4 Kiến nghị và câu hỏi:

Câu hỏi 1: So với các công nghệ lọc nước đang được sử dụng phổ biến hiện này thì nhược điểm lớn nhất của công nghệ thẩm tách điện là gì ?

Câu hỏi 2: Có thể sử dụng công nghệ này để tạo nước tinh khiết làm nước uống trực tiếp được không?

Câu hỏi 3: Sv có đề cập ưu điểm của công nghệ thẩm tách điện là tỷ lệ nước thu hồi

là rất lớn tới 90% Nhưng nếu mới chỉ qua 1 stack lọc thì nước đã lọc có đạt yêu cầu không?

Câu hỏi 4: Mục đích của bộ đệm dòng chảy là dẫn nước sau khi lọc riêng ra một bên, nước loại bỏ riêng ra một bên ? Nhưng tỷ lệ của hai loại nước này chênh nhau rất lớn, vậy bộ đệm dòng chảy là giống nhau hay khác nhau cho mỗi loại nước

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Đề nghị cho bảo vệ

6 Điểm: 9.3 (Bằng chữ: chín chấm ba)

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 09 năm 2021

viii

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

TS Nguyễn Thụy Ngọc Thủy

ix

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng tôi rất may mắn khi có bốn năm học tập và thực hành ở trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và sáu tháng thực tập tại Viện Công nghệ Nano-ĐHQG TP.HCM cho luận văn của nhóm chúng tôi Lời cảm ơn đầu tiên nhóm chúng tôi xin gửi đến trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã cho nhóm chúng tôi

có một môi trường học tập, thí nghiệm và nghiên cứu chuyên sâu về Công nghệ Vật liệu, cũng như giúp nhóm chúng tôi tích lũy kinh nghiệm, rèn luyện các kỹ năng mềm cần thiết cho làm việc sau này Tiếp theo nhóm chúng tôi chân thành gửi cảm ơn đến toàn

bộ quý Thầy Cô khoa Khoa học Ứng dụng đã truyền đạt những kiến thức chuyên ngành

và tạo điều kiện tốt nhất có thể cho nhóm chúng tôi học tập trong suốt bốn năm học vừa qua

Đặc biệt nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến:

- Giảng viên hướng dẫn GS.TS Đặng Mậu Chiến, người đã tạo điều kiện để nhóm chúng tôi nhận đồ án này và thực tập tại Viện Công nghệ Nano-ĐHQG TP.HCM

- Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Duy Linh, người đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ bằng tất cả tâm huyết của mình để nhóm chúng tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ

Nhóm chúng tôi đã cố gắng thực hiện và hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất

có thể nhưng do dịch bệnh SARS-CoV-2 diễn biến phức tạp khiến cho nhóm chúng tôi hạn chế về mặt thời gian, cũng như là hạn chế về mặt kiến thức, nên chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong quý Thầy Cô hỗ trợ và góp ý để nhóm chúng tôi

có thể hoàn thiện tốt hơn đồ án này Nhóm chúng tôi chân thành cảm ơn!

x

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp này là công trình do chính chúng tôi

nghiên cứu và thực hiện Các số liệu trong công trình này là do chính chúng tôi thực

hiện và xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Chúng tôi không sao chép từ bất kì một bài

viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kì một sự vi

phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021

Nguyễn Quốc Văn Nguyễn Thị Thảo Ngà

xi

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN vi

LỜI CẢM ƠN ix

LỜI CAM ĐOAN x

MỤC LỤC xi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xvii

LỜI MỞ ĐẦU xix

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.1 Tình hình xâm nhập mặn ở thế giới 1

1.1.2 Tình hình xâm nhập mặn ở Việt Nam 3

1.2 Giới thiệu công nghệ thẩm tách điện 4

1.2.1 Lịch sử phát triển công nghệ thẩm tách điện 4

1.2.2 Một số ứng dụng của công nghệ thẩm tách điện 5

1.2.3 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo stack thẩm tách điện 7

1.3 Một số nghiên cứu về mô hình hệ thống khử mặn ED 14

1.4 Mục tiêu của đề tài 15

xii

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ PHẬN STACK CHO HỆ THỐNG KHỬ MẶN SỬ

DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM TÁCH ĐIỆN 17

2.1 Thiết kế khung 18

2.2 Thiết kế điện cực 20

2.3 Thiết kế bộ đệm điện cực 20

2.4 Thiết kế màng trao đổi ion 22

2.5 Thiết kế bộ đệm dòng chảy 23

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO BỘ PHẬN STACK CHO HỆ THỐNG KHỬ MẶN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM TÁCH ĐIỆN 24

3.1 Nguyên vật liệu, thiết bị và dụng cụ chế tạo 24

3.1.1 Nguyên vật liệu chế tạo 24

3.1.2 Thiết bị và dụng cụ chế tạo 25

3.2 Quy trình chế tạo stack thẩm tách điện 25

3.2.1 Chế tạo khung 26

3.2.2 Chế tạo điện cực 28

3.2.3 Chế tạo màng trao đổi ion 29

3.2.4 Chế tạo bộ đệm điện cực và bộ đệm dòng chảy 32

3.3 Quy trình lắp ráp bộ phận ED stack 35

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ BỘ PHẬN ED STACK VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 38

4.1 Đánh giá các thông số bộ phận ED stack 38

4.2 Đánh giá vật liệu và phương pháp chế tạo của ED stack 39

4.3 Tính toán vật liệu và chí phí chế tạo 40

4.3 Đề xuất mô hình hệ thống khử mặn ED quy mô phòng thí nghiệm 42

4.4 Hướng phát triển 45

KẾT LUẬN 47

xiii

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

xiv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Control

xv

xvi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại nước theo tổng độ khoáng hóa [1] 1

Bảng 1.2 Ứng dụng thẩm tách điện trong sản xuất acid hữu cơ [38] 6

Bảng 1.3 Một số vật liệu màng trao đổi ion [17], [18], [19] 9

Bảng 1.4 Đặc điểm của một số vật liệu sử dụng làm bộ đệm [22] 11

Bảng 1.5 Các đặc điểm của tấm đệm xốp [26] 13

Bảng 4.1 Các thông số liên quan đến bộ phận stack và hiệu suất hoạt động mong đợi. 38

Bảng 4.2 Vật liệu và phương pháp chế tạo các thành phần stack 39

Bảng 4.3 Bảng giá chi phí chế tạo các chi tiết ED stack 40

Bảng 4.4 Bảng giá chi phí vật liệu 40

xvii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Bản đồ độ mặn nước ngầm của Ấn Độ [4] 2

Hình 1.2 Ruộng lúa chết cháy người dân mất trắng vì hạn mặn (a) và người dân phải dùng can nhựa, xếp hàng chờ lấy nước từ các xe nước ở TP Hồ Chí Minh [7] 3

Hình 1.3 Lịch sử phát triển của công nghệ thẩm tách điện [11] 5

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của ED stack 8

Hình 1.5 Bộ đệm dòng chảy quanh co (a), bộ đệm dòng chảy “sheet flow” (b) [21] 11

Hình 1.6 Thiết kế bộ đệm không dẫn điện có dòng chảy quanh co [25] 12

Hình 1.7 Cấu trúc của các tấm đệm xốp [26] 14

Hình 2.1 Ảnh 3D stack thẩm tách điện 17

Hình 2.2 Bản vẽ CAD khung mặt trước của stack Đơn vị đo: milimet 18

Hình 2.3 Bản vẽ CAD khung mặt sau của ED stack Đơn vị đo: milimet 18

Hình 2.4 Bản vẽ 2D khung ED stack (a) Khung mặt trước, (b) Khung mặt sau Đơn vị đo: milimet 19

Hình 2.5 Bản vẽ CAD 2D điện cực Đơn vị đo: milimet 20

Hình 2.6 Bản vẽ CAD bộ đệm dòng chảy điện cực.(a) Đệm điện cực cathode, (b) Đệm điện cực anode Đơn vị đo: milimet 21

Hình 3.1 Màng trao đổi ion Fujifilm Type 2-Manufactering European B.V, Hà Lan (a) Màng trao đổi caction (b) Màng trao đổi anion 24

Hình 3.2 Tấm nhựa polyvinyl clorua (a), Thanh ren, đai ốc (b) 25

Hình 3.3 Máy cắt CNC (a), Máy cắt laser (b), Máy cắt cầm tay (c) 25

Hình 3.4 Quy trình chung chế tạo ED stack 26

Hình 3.5 Quy trình chế tạo khung ED stack 26

Hình 3.6 Khung ED stack đã chế tạo 27

Hình 3.7 Quy trình chế tạo điện cực 28

Hình 3.8 Điện cực đã chế tạo 29

Hình 3.9 Quy trình chế tạo màng trao đổi ion 29

Hình 3.10 Ngâm màng trao đổi ion 30

Hình 3.11 Màng trao đổi anion (bên trái) và cation (bên phải) đã chế tạo 31

Hình 3.12 Quy trình chế tạo bộ đệm điện cực và bộ đệm dòng chảy 32

Hình 3.13 Cắt bộ đệm điện cực (bên trái) và bộ đệm dòng chảy (bên phải) bằng phương pháp cắt laser 33

Hình 3.14 Bộ đệm điện cực anode (bên trái), cathode (bên phải) 34

Hình 3.15 Bộ đệm dòng chảy cho ngăn cô đặc (bên trái), ngăn pha loãng (bên phải).34 Hình 3.16 Quy trình lắp ráp bộ phận ED stack 35

xviii

Hình 3.17 Bộ phận ED stack đã lắp ráp 37

Hình 4.1 Biểu đồ thể hiện tỉ lệ chi phí chế tạo các chi tiết ED stack 41

Hình 4.2 Biểu đồ thể hiện tỉ lệ chi phí vật liệu các chi tiết ED stack 41

Hình 4.3 Kiến trúc liên tục của hệ thống khử mặn ED [43] 42

Hình 4.4 Kiến trúc tuần hoàn của hệ thống khử mặn ED [43] 43

Hình 4.5 Bộ nguồn cấp điện (bên trái) và máy bơm nhu động (bên phải) 44

Hình 4.6 Van kết nối đường ống nước (Ø8) và (Ø6) đối với dòng rửa điện cực 44

Hình 4.7 Sơ đồ hệ thống khử mặn ED kiến trúc tuần hoàn quy mô phòng thí nghiệm. 45

Hình 4.8 Mô hình hệ thống khử mặn ED kiến trúc tuần hoàn được đề xuất 45

xix

LỜI MỞ ĐẦU

Nước là một nguồn tài nguyên đang bị thu hẹp trên thế giới, xã hội càng phát triển, nhu cầu sử dụng nguồn nước sạch cho mục đích sinh hoạt của con người ngày càng lớn Nhưng để đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước sạch vẫn đang là vấn đề thách thức không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Trong khi các nguồn nước từ sông, suối, ao,

hồ đang ngày càng bị ô nhiễm nặng bởi nước thải từ các nhà máy công nghiệp, nước thải sinh hoạt và xâm nhập mặn, điển hình như trong năm 2020 với sự xâm nhậm mặn kéo dài ở Đồng bằng sông Cửu Long thì việc sử dụng nước ngầm (nước lợ từ giếng khoan) như là một giải pháp tạm thời cho việc cung cấp nước sạch cho người dân Nước từ các nguồn này được đặc trưng là có hàm lượng muối cao với tổng chất rắn hòa tan (TDS) nằm trong khoảng từ 500 ppm đến 3000 ppm Việc sử dụng nước có độ mặn cao cũng

có thể gây ra những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe Hiện nay có nhiều công nghệ xử lý nước được sử dụng như công nghệ khử nước RO, công nghệ lọc nano NF, các công nghệ này tiêu thụ năng lượng cao nên đẩy giá thành sản phẩm lên cao và tiêu tốn nhiều năng lượng trong quá trình hoạt động Ngoài ra, việc tiêu thụ năng lượng cao sẽ dẫn tới việc tăng lượng khí thải gây ô nghiễm môi trường, hậu quả là thúc đẩy quá trình biến đổi khí hậu nhanh và nghiêm trọng hơn Công nghệ thẩm tách điện đang được nghiên cứu và cho thấy một hiệu quả đột phá về hiệu suất khử mặn và tiết kiệm năng lượng ở nồng độ nước lợ này Thẩm tách điện là một quy trình phân tách điện hóa trong đó các màng trao đổi ion dẫn điện được áp dụng để tách các loại ion từ dung dịch này sang dung dịch khác dưới tác dụng của điện trường Gần đây, quy trình này đã được sử dụng rộng rãi để sản xuất nước uống và khử mặn nước lợ và nước biển, xử lý nước thải công nghiệp, sản xuất acid hữu cơ, thu hồi các ion hữu ích từ nước thải và sản xuất muối

Do những ý nghĩa quan trọng đó, đề tài “Thiết kế và chế tạo stack hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ thẩm tách điện” được thực hiện

Nước nhiễm mặn là nguồn nước chứa hàm lượng lớn các muối hòa tan vượt mức cho phép Nguyên nhân chủ yếu do quá trình xâm nhập mặn của nước biển vào trong đất liền làm cho nguồn nước ở sông, ao, kênh, rạch,… bị nhiễm mặn Nguồn nước bị nhiễm mặn thường xảy ra ở vùng trũng, khu vực ven biển và cả các mạch nước ngầm cũng ảnh hưởng Bên cạnh đó, nguồn nước ngầm có nồng độ nitrat tăng cao chủ yếu do nước thải không được làm sạch hoặc bón quá nhiều phân hóa học và phân chuồng trong nông nghiệp Tổng chất rắn hòa tan (TDS) trong nước bao gồm khoáng chất, muối, kim loại,… đơn vị biểu thị thường là mg/L hoặc ppm TDS được lấy làm cơ sở ban đầu để xác định mức độ sạch của nguồn nước

Ta có thể phân loại nước mặn hoặc tinh khiết thông qua bảng sau:

Bảng 1.1 Phân loại nước theo tổng độ khoáng hóa [1]

STT Phân loại Giới hạn TDS (ppm)

và miền bắc Trung Quốc, Bên cạch đó các đảo, quần đảo cũng đối mặt vấn đề này [2]

California (Hoa Kỳ) đã trải qua một đợt hạn hán kéo dài, nguồn nước ngầm bị nhiễm mặn gây ra tình trạng thiếu nước sinh hoạt từ năm 2011 đến năm 2017, ảnh hưởng nặng nề đối với đời sống người dân ở California Chi phí nước sinh hoạt tăng, ảnh hưởng lớn đến nông nghiệp và công nghiệp ở nước này

Australia có mạch nước ngầm rất dồi giàu, mặc dù việc khai thác mạch nước ngầm vẫn còn hạn chế Nguyên nhân do độ mặn của nước ngầm rất lớn từ 1.000-14.000 ppm

và lớn hơn 14.000 ppm tùy theo từng khu vực Một số khu vực như khu vực Nam Australia và Tây Australia có độ mặn rất cao tương tự như độ mặn của nước biển [2]

Ở vùng đô thị của Ấn Độ chất lượng nước kém do ảnh hưởng vùng nước lợ và xâm nhập mặn Chính phủ Ấn Độ đưa ra mục tiêu cung cấp nước uống cho tất cả người dân, nhưng mục tiêu này vẫn chưa đạt được Trong khi tỷ lệ người dân được tiếp cận tốt hơn với các nguồn nước uống đã tăng từ 69-92% trên toàn quốc từ năm 1990 đến năm 2010, ước tính có khoảng 97 triệu người vẫn sống dựa vào nước ngầm, giếng đào và nước suối Nước từ các nguồn này được đặc trưng là hàm lượng muối cao với tổng chất rắn hòa tan (TDS) nằm trong khoảng từ 500 ppm đến 3000 ppm Độ mặn này vượt quá tiêu chuẩn

500 ppm TDS được khuyến nghị bởi Cục Tiêu chuẩn Ấn Độ (BIS) Việc sử dụng nước

có độ mặn cao có thể gây ra những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe bao gồm kích ứng dạ dày-ruột theo Cục Tiêu chuẩn Ấn Độ vào năm 2012 và sự phát triển của sỏi thận Do đó, người ta đã đưa ra giả thuyết rằng các phương pháp xử lý nước làm giảm mức TDS [3]

Hình 1.1 Bản đồ độ mặn nước ngầm của Ấn Độ [4].

3

1.1.2 Tình hình xâm nhập mặn ở Việt Nam

tích bị xâm nhập mặn Ngoài ra, dân số bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn tăng từ 39,5% tại thời điểm 2012, được dự đoán lên 41,4, 45,3 và 47,6% vào các năm 2020, 2030 và

2050 [5] Đến giữa tháng 2/2020, khu vực Đồng bằng sông Cửu Long có 12/13 tỉnh, thành bị ảnh hưởng của hạn, mặn So với đợt hạn hán, xâm nhập mặn lịch sử năm 2016 khiến 600.000 người dân Đồng bằng sông Cửu Long thiếu nước sinh hoạt, 160.000 ha đất nhiễm mặn gây thiệt hại hơn 5.500 tỷ đồng, hạn mặn năm 2020 được cho là sớm hơn một tháng và nguy cơ vượt ngưỡng năm 2016 là hoàn toàn có thể xảy ra [6] Hạn mặn đến sớm đã ảnh hưởng nghiêm trọng tới sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của người dân Đồng bằng sông Cửu Long Theo số liệu thống kê từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, đến giữa tháng 2, tổng thiệt hại lúa vụ Mùa 2019 và Đông Xuân 2019-2020

đã lên tới trên 32.000 ha Ngoài ra, khoảng 80.000 hộ dân đang gặp khó khăn về nước sinh hoạt trong thời gian diễn ra hạn mặn Trong đó, Sóc Trăng có 24.400 hộ, Cà Mau 20.100 hộ, Bến Tre 12.700 hộ, Bạc Liêu 3.300 hộ, Ghi nhận thực tế cho thấy, nước mặn đã lấn sâu 100 km vào đất liền đồng bằng sông Cửu Long Bên cạnh tình hình dịch diễn ra phức tạp, người dân vùng nhiễm mặn càng lo lắng hơn khi cuộc sống ngày càng khó khăn Tại các vùng chuyên canh sản xuất lúa vụ 3 tại huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng nhiều kênh rạch khô cằn vì hầu hết cống ngăn mặn đều đã đóng kín Trên đồng, hàng nghìn hecta lúa ở giai đoạn từ 15-25 ngày tuổi bắt đầu chết, khô cháy vì không có nước ngọt, mặt ruộng khô cằn, nứt nẻ Gần 3.500 hộ với gần 18.000 nhân khẩu ở xã Tân Phước, huyện Gò Công Đông (Tiền Giang) đang thiếu nước sinh hoạt trầm trọng Người dân phải dung can nhựa, xếp hàng chờ lấy nước từ các xe nước từ thành phố Hồ Chí Minh mang về cứu trợ Tình trạng hạn mặn không chỉ gây thiệt hại cho cây lúa, mà tại vùng chuyên canh cây sầu riêng lớn nhất của tỉnh Tiền Giang, nhiều diện tích cây sầu riêng đã bị khô héo, rụng trái,… gây thiệt hại hàng trăm triệu hàng triệu đồng cho nhà vườn [7]

Hình 1.2 Ruộng lúa chết cháy người dân mất trắng vì hạn mặn (a) và người dân phải

dùng can nhựa, xếp hàng chờ lấy nước từ các xe nước ở TP Hồ Chí Minh [7]

Công nghệ khử mặn phổ biến ở Việt Nam chia làm hai loại: công nghệ nhiệt (thermal)

cụ thể là công nghệ công nghệ chưng cất và công nghệ màng (membrane) cụ thể công nghệ khử muối RO, công nghệ lọc nano Khử muối sử dụng công nghệ nhiệt với mức

[8] Năng lượng tiêu thụ của công nghệ nhiệt được xem là tác nhân quan trọng nhất đã đẩy giá sản phẩm lên cao (30-50%) [9] Mà việc tiêu thụ năng lượng cao sẽ dẫn tới việc tăng lượng khí thải gây ô nghiễm môi trường, hậu quả là thúc đẩy quá trình biến đổi khí hậu nhanh hơn và nghiêm trọng hơn Công nghệ RO, đây là công nghệ sử dụng phổ biến hiện nay không chỉ ở Việt Nam mà còn ở trên thế giới, nhưng chi phí lắp đặt, vận hành

và bảo dưỡng hệ thống RO tương đối cao Do đó cần phải nghiên cứu chế tạo một hệ thống khử mặn có thể giảm năng lượng tiêu thụ, giảm chi phi vận hành hệ thống, giảm tác nhân gây ô nhiễm đến môi trường là rất cần thiết để nâng cao chất lượng cuộc sống con người Công nghệ thẩm tách điện là công nghệ khử muối đã được quan tâm, nghiên cứu trong nhiều năm gần đây Hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ thẩm tách điện có thể tiêu thụ năng lượng thấp hơn và tỷ lệ thu hồi nước cao hơn: 80-90% so với 25-40% của hệ thống RO [10]

1.2 Giới thiệu công nghệ thẩm tách điện

1.2.1 Lịch sử phát triển công nghệ thẩm tách điện

Công nghệ thẩm tách điện được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1890 bởi Maigrot và Sabates Nghiên cứu này đã xây dựng một hệ thống đầu tiên để khử khoáng xi-rô đường bằng cách sử dụng carbon làm điện cực và giấy pemanganat làm màng Nguồn cung cấp điện là máy phát điện Tuy nhiên, Maigrot và Sabates chưa sử dụng thuật ngữ thẩm tách điện, thuật ngữ này lần đầu tiên được chính thức tìm thấy vào năm 1900 Trong bằng sáng chế của Schollmeyer nhằm mục đích tinh chế xi-rô đường bằng cách sử dụng công nghệ tương tự như Maigrot và Sabates, nhưng với cực dương kẽm hoặc sắt [11]

Mặc dù vậy, công nghệ thẩm tách điện không thực sự được lý thuyết hóa cho đến năm 1911, khi Donnan trình bày nguyên lý loại trừ của mình, được Teorell xác nhận bằng thực nghiệm vài năm sau đó Theo nguyên tắc này, có thể chế tạo màng chọn lọc đối với cation bằng cách sử dụng điện tích âm cố định và màng chọn lọc với anion sử dụng điện tích dương cố định Việc đưa ra lý thuyết về các nguyên tắc điện hóa điều chỉnh hoạt động của IEM đã mở đường cho sự phát triển của các màng mới và hình thành khái niệm về máy điện hóa có nhiều ngăn Tuy nhiên, khái niệm thực tế về công nghệ thẩm tách điện nhiều ngăn trong đó màng trao đổi anion và cation được xen kẽ chỉ có

5

đầu tiên cho Aramco Kể từ năm đó, nhiều đơn vị ED khác đã được xây dựng Năm

1974, công nghệ ED đã có bước đột phá chính với sự phát triển của khái niệm thẩm tách điện đảo ngược (EDR) Công nghệ mới này cho phép ED hoạt động bằng cách đảo dòng định kỳ, mang lại lợi thế chính là kiểm soát tắc nghẽn màng và tạo ra bước đột phá trong việc triển khai ED ở quy mô công nghiệp lớn hơn Sau đó một số giải pháp thay thế, ứng dụng và quy trình “có nguồn gốc từ ED” đã được nghiên cứu và phát triển, góp phần

thúc đẩy hơn cho sự phát triển của công nghệ màng nói chung Hình 1.3 mô tả một dòng

thời gian tổng hợp của các bước phát triển quan trọng nhất của ED và các công nghệ liên quan và chỉ ra các cột mốc quan trọng đầu tiên đến các ứng dụng gần đây hơn

Hình 1.3 Lịch sử phát triển của công nghệ thẩm tách điện [11]

1.2.2 Một số ứng dụng của công nghệ thẩm tách điện

Ứng dụng trong sản xuất nước uống: Thẩm tách điện được áp dụng để loại bỏ các chất ion hòa tan khỏi nước, loại bỏ nitrat và độ cứng từ nước ngầm Thiết bị thẩm tách điện có nhiệm vụ khử muối và loại bỏ độ cứng khỏi nước bề mặt Hệ thống thẩm tách điện được tích hợp vào toàn bộ quá trình xử lý gồm tiền xử lý, ozon hóa, lọc than hoạt

tính sinh học và lọc cát chậm Thẩm tách điện được áp dụng như bước xử lý cuối cùng sau quá trình lọc cát chậm cũng như bước trung gian sau khi tiền xử lý [12]

Ứng dụng trong xử lý nước thải: Ô nhiễm môi trường chủ yếu là hoạt động sản xuất của nhà máy trong các khu công nghiệp, hoạt động làng nghề và sinh hoạt tại các

đô thị lớn Việc xả một số loại nước thải công nghiệp thường gặp khó khăn và tốn kém

vì nồng độ muối cao hoặc các thành phần nước độc hại Điều này dẫn đến xu hướng tái

sử dụng nước thải công nghiệp Thẩm tách điện đặc biệt thích hợp cho mục đích này vì

tỷ lệ thu hồi cao lên đến 95% và có thể đạt được nồng độ nước muối cao lên đến 100 000

mg, điều này không chỉ làm giảm chi phí nước cấp mà còn giảm lưu lượng nước thải [13] Ngoài ra các thành phần rất độc hại như các ion kim loại nặng thường được loại bỏ

để tránh ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí hóa chất thải bỏ bằng cách tái chế các vật liệu có giá trị Một số lượng lớn các ứng dụng khác của công nghệ thẩm tách điện là trong ngành công nghiệp mạ và trong các quy trình xử lý bề mặt kim loại Một ví dụ điển

HF,… từ các dung dịch tẩy rửa đã qua sử dụng Có nhiều ứng dụng thú vị của thẩm tách điện trong xử lý nước thải Một số ứng dụng này chỉ yêu cầu hệ thống thẩm tách điện tương đối nhỏ, chẳng hạn như xử lý một lượng nhỏ nước thải từ các quá trình hóa học

có chứa các hợp chất độc hại cao [13]

Ứng dụng công nghệ thẩm tách điện trong chế biến thực phẩm: Trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, cũng như trong công nghệ sinh học và công nghiệp dược phẩm, thẩm tách điện đã được tìm thấy trong một số ứng dụng Một số ứng dụng này có thể được coi là quy trình hiện đại như khử ion “whey” (phần nước của sữa được tách ra khỏi phần đông đặc hoặc sữa đông đặc biệt là trong quá trình sản xuất pho mát và rất giàu lactose, khoáng chất, vitamin và một ít chất béo) Các ứng dụng khác như loại bỏ muối khỏi dung dịch protein và đường hoặc muối và axit hữu cơ như axit lactic và một

số axit amin từ quá trình lên men đã được nghiên cứu trên quy mô nhà máy thí điểm Tuy nhiên, cho đến nay mới chỉ có một số ứng dụng được thương mại hóa Nhiều ứng dụng của nhựa trao đổi ion thông thường trong ngành công nghiệp thực phẩm có thể được thay thế bằng thẩm tách điện cung cấp tính kinh tế tốt hơn

Bảng 1.2 Ứng dụng thẩm tách điện trong sản xuất acid hữu cơ [38]

Kỹ thuật Chức năng chính Các ứng dụng

khử khoáng và nồng độ thức ăn cho công

sol

Ứng dụng để sản xuất acid citric và acid lactic

7

muối vô cơ được tạo thành nên được sử dụng

để tái chế quy trình hoặc chế biến phân bón

thành adiponitril, điện phân acid salicylic thành saligenin Đặc biệt là xử lý thức ăn trong chăn nuôi

base/alkoxit, acid hóa và kiềm hóa

Sản xuất hoặc thu hồi acid, base vô cơ hoặc hữu cơ, chuyển hóa muối, sự phân tách và tập trung của các ion, tổng hợp hữu cơ

ion

Sản xuất acid hữu cơ ít tan trong nước, tách acid hữu cơ từ nước dùng lên men

1.2.3 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo stack thẩm tách điện

Khử mặn bằng công nghệ thẩm tách điện là quá trình phân tách điện hóa khi có dòng điện một chiều đi qua cho phép chuyển các ion qua màng trao đổi ion và chuyển đổi dung dịch nước nguồn cấp vào thành dung dịch cô đặc và dung dịch pha loãng Nguyên tắc thẩm tách điện liên quan đến việc loại bỏ các thành phần ion trong dung dịch nước thông qua màng trao đổi ion bằng cách sử dụng điện trường Nước cần xử lý được bơm qua một chồng màng, bao gồm các màng chọn lọc anion và cation được đặt xen kẽ Được ngăn cách bởi các bộ đệm dòng chảy, các màng được cố định giữa hai khung Bên trong khung là hai điện cực có tác dụng tạo ra điện trường, truyền dòng điện, các tấm điện cực được rửa bằng dung dịch điện phân nhờ bộ đệm điện cực, ngoài ra dung dịch rửa điện cực còn loại bỏ khí sinh ra từ các phản ứng điện cực Trong các ngăn đệm, hàm lượng ion được pha loãng hoặc cô đặc tùy theo sự trao đổi của ion qua màng Các ngăn

có thiết kế tương tự nhau được kết nối bởi một hệ thống đường dẫn nước từ bồn chứa nước nguồn cấp sau đó đi vào ED stack thông qua van kết nối Do đó, nước nguồn cấp được tách thành dòng pha loãng và dòng nước cô đặc Cả hai dòng chảy với vận tốc giống nhau qua ED stack Vận tốc dòng chảy này phải nằm trong một phạm vi nhất định,

do cơ chế truyền ion đến và đi từ màng Kết quả tạo ra hai dòng riêng biệt: dòng có độ mặn thấp (nước sản phẩm) và dòng có độ mặn cao (nước mặn) [12]

Trong mỗi stack có thể quan sát các dòng chảy khác nhau:

- Dòng nước đầu vào chảy qua tất cả các ngăn, dòng pha loãng chỉ chảy song song qua các ngăn pha loãng, dòng cô đặc chỉ chảy song song qua các ngăn cô đặc

- Khi nước đầu vào chảy dọc theo màng, các ion được chuyển qua màng trao đổi từ dòng pha loãng sang dòng cô đặc Cụ thể, màng trao đổi cation chỉ cho phép ion dương qua màng, màng trao anion cho phép ion âm qua màng

- Dòng chảy từ hai ngăn điện cực không trộn lẫn với các dòng khác Một dòng rửa

lý nước thải công nghiệp, sản xuất acid hữu cơ, thu hồi các ion hữu ích từ nước thải và sản xuất muối [14]

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của ED stack

a) Khung trước và khung sau

Stack thẩm tách điện gồm có 2 khung dùng để cố định các các màng trao đổi, các

bộ đệm và kết nối với với các đường ống dẫn nước thông qua van kết nối, kết nối điện cực với bộ nguồn cấp điện Ngoài ra khung ED stack còn dùng để siết chặt các chi tiết

và giảm rò rỉ bên trong stack thẩm tách điện Khung ED stack thường được làm bằng

9

Một điện cực kim loại ở mỗi đầu của stack thẩm tách điện Ngăn điện cực bao gồm một điện cực, một bộ đệm dòng nước rửa điện cực và một màng cation Tấm đệm điện cực dày hơn tấm đệm bình thường, giúp tăng vận tốc dòng rửa điện cực để tránh bám bẩn Bộ đệm này cũng ngăn chất thải điện cực đi vào các ngăn pha loãng và ngăn cô đặc

của các ngăn cực dương, các điện cực dương thường được làm bằng titanium và được

mạ bằng platinum Titanium là kim loại có độ bền cao, có dẫn điện tốt rất ít bị ăn mòn thậm chí ở nhiệt độ cao và ít có độc tính, có tuổi thọ rất cao khoảng 20-30 năm và có thể lâu hơn nữa mà không bị ăn mòn Platium được coi như là một chất xúc tác và giúp tăng tốc quá trình điện phân [16] Tuổi thọ của điện cực phụ thuộc vào thành phần ion của nước nguồn cấp và điện thế điện đặt vào điện cực Một lượng lớn clorua trong nước nguồn cấp có thể làm giảm tuổi thọ điện cực

Bảng 1.3 Đặc điểm của một số màng trao đổi ion thương mại [17], [18], [19]

Màng Loại màng Dung lượng

trao đổi ion (mol/g)

Độ dày màng (mm)

Điện trở màng (Ωcm 2 )

Ralex CM-PES

Ralex MH-PES

CEM AEM

2,2 1,8

0,45 (Khô) 0,55 (Khô)

<8

<9 CR61-CMP

CR67-HMR

AR103QDP

CEM CEM AEM

2,2-2,5 2,1-2,45 1,95–2,20

0,58-0,70 0,53-0,65 0,56-0,69

11,0 7,0-11,0 14,5 Neosepta СМ-1

Neosepta CMX

Neosepta АМ-1

Neosepta АМ-X

CEM CEM AEM AEM

2,0-2,5 1,5-1,8 1,8-2,2 1,4-1,7

0,13-0,16 0,14-0,20 0,12-0,16 0,12-0,18

0,8-2,0 2,0-3,5 1,3-2,0 2,0-3,5

Một vấn đề quan trọng có thể gặp trong ứng dụng thẩm tách điện thông thường là

sự bám bẩn của màng Sự tích tụ của các chất lơ lửng và chất keo, các hợp chất hữu cơ

và muối đa hóa trị bám vào bề mặt màng gây ra tăng điện trở và giảm tính chọn lọc của màng AEM nhạy cảm và dễ bám bẩn hữu cơ hơn CEM do lực hút tĩnh điện giữa các chất hữu cơ tích điện âm và AEM tích điện dương Ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của màng là màng bị bám bẩn bởi các ion hữu cơ đủ nhỏ để xuyên qua màng nhưng có độ linh động thấp đến mức hầu như vẫn ở bên trong màng gây ra sự giảm mạnh vận chuyển ion qua màng Có thể tránh được hiện tượng tắc màng bằng cách tiền xử lý thích hợp dung dịch nguồn cấp như kết tủa, keo tụ, vi lọc, siêu lọc hoặc trao đổi ion để loại bỏ các chất gây ô nhiễm Việc sử dụng quá trình tiền xử lý sẽ làm tăng thêm chi phí vận hành của hệ thống khử mặn ED Làm sạch cơ học và xử lý hóa học bằng acid loãng nói chung

có thể khôi phục các đặc tính ban đầu của màng, nhưng chúng chỉ có tác động tạm thời

để tăng tuổi thọ của màng [20] Chế độ vận hành EDR là một kỹ thuật rất hiệu quả chống lại sự bám bẩn của màng mà hầu như không tốn thêm chi phí

c) Bộ đệm dòng chảy

Khoảng trống giữa các màng đại diện cho các đường dẫn dòng chảy của dòng pha loãng và dòng cô đặc được tạo thành bởi các bộ phân tách bằng nhựa được gọi là tấm đệm dòng chảy pha loãng và cô đặc Các tấm đệm này được làm bằng một số vật liệu dẫn diện hoặc không dẫn điện như cao su, polymer,… Các bộ đệm được đặt xen kẽ giữa các màng trao đổi ion để tạo ra các đường dẫn dòng độc lập, do đó tất cả các dòng pha loãng được kết nối với nhau một cách riêng biệt và tương tự cho tất cả các dòng cô đặc

Bộ đệm thường có nhiều dạng hình học khác nhau tùy theo hình dạng, góc giữa các sợi giao nhau, số lớp, khoảng cách giữa các sợi và kích thước sợi Bộ đệm dòng pha loãng cho phép nước chảy qua các bề mặt màng nơi các ion được loại bỏ, trong khi bộ đệm dòng cô đặc ngăn dòng cô đặc làm ô nhiễm dòng pha loãng Để giảm sự phân cực nồng

độ, hình dạng tấm đệm phải cung cấp khả năng trộn đều các dung dịch tại bề mặt màng

11

sử dụng: thiết kế quanh co và thiết kế “sheet-flow” Trong thiết kế tấm đệm quanh co, tấm đệm có một kênh dài hẹp cho dòng chất lỏng, cung cấp tốc độ dòng chảy cao Trong thiết kế “sheet-flow” bao gồm một khung với một màn nhựa ngăn cách các màng, dung dịch chảy thẳng từ lối vào đến các cổng ra ở vận tốc dòng chảy thấp hơn, điều này ngăn

chặn sự giảm áp suất quá mức [21]

Hình 1.5 Bộ đệm dòng chảy quanh co (a), bộ đệm dòng chảy “sheet flow” (b) [21] Bảng 1.4 Đặc điểm của một số vật liệu sử dụng làm bộ đệm [22]

Tên bộ đệm dòng chảy Vật liệu Độ dày (mm)

HDPE HPA 020 (ExxonMobil ™, Hoa Kỳ)

Versify™ 2000 (The Dow Chemical Company, Hoa Kỳ)

Tipplen R660 Tipplen R659 (TVK Plc., Hungary)

PP

PP

0,8 0,8

Lumicene® MR30MC2 Lumicene® MR10MX0

PP

PP

0,8 0,8

(Total Refining & Chemicals, Hungary)

Braskem DR7051.01 (Braskem, Hoa Kỳ)

Bảng 1.4 mô tả một số bộ đệm dòng chảy thương mại và vật liệu sử dụng làm bộ

đệm Nhược điểm lớn nhất của đệm polymer là thường được làm bằng vật liệu không dẫn điện, do đó làm tăng điện trở của ngăn Việc sử dụng các bộ đệm bằng vật liệu dẫn điện có thể là một lựa chọn tốt để giảm mức tiêu thụ năng lượng, do đó cải thiện hiệu quả của các đơn vị thẩm tách điện Một số bộ đệm dòng chảy đã được nghiên cứu để

giảm dòng rò rỉ nội, tăng hiệu suất khử mặn trong ED stack:

- Nghiên cứu và chế tạo bộ đệm làm bằng vật liệu dẫn điện Lợi ích của việc sử dụng

bộ đệm dẫn điện là: tăng cường truyền khối (giảm phân cực nồng độ và tăng mật độ dòng điện giới hạn) do tăng diện tích hoạt động, pH ổn định nên giảm sự tách nước, hiệu quả cao hơn ở nồng độ dòng pha loãng thấp [23] Ngoài ra nghiên cứu về bộ đệm dẫn điện chỉ ra rằng: hậu quả của tách nước, đóng cặn và tắc nghẽn của việc phân phối không đồng đều dung dịch nước đầu vào giữa và trong các kênh đã được giảm thiểu đáng kể nhờ sức cản thấp hơn do bộ đệm dẫn; bộ đệm dẫn điện cũng có thể hữu ích cho các ứng dụng đặc biệt, như để tách nitrat có chọn lọc khỏi nước uống [24] bằng cách sử dụng tấm đệm dẫn điện cation với các hạt nhựa trao đổi anion để chọn lọc nitrat Ngoài ra, nhược điểm của bộ đệm dẫn điện là chi phí sản xuất cao hơn, độ bền thấp hơn và gia công phức tạp nên bộ đệm dẫn điện chưa bao giờ được sử dụng trong các thiết bị thẩm tách điện công nghiệp

- Một nghiên cứu khác về bộ đệm không dẫn điện đã đề xuất một thiết kế tấm đệm

dòng chảy “sheet flow” khác như hình 1.6

13

Trong bộ đệm dòng chảy quanh co này, dòng chảy bắt đầu từ một góc của màng và đi theo đường quanh co, đến góc đối diện của màng Chiều dài và chiều rộng của các thiết

kế được tính toán phù hợp với yêu cầu khử muối với tỷ lệ thu hồi 80% Mô hình thẩm

như hình 1.6 Thử nghiệm khử muối với dung dịch natri clorua có nồng độ trong khoảng

1-5 g/L, điện áp đặt vào 50V và kết luận của tác giả thiết kế này có sự phân phối dòng chảy với tốc độ 4,4 hoặc 5,9 cm/s cho độ ổn định tốt và sự rò rỉ bên trong thấp nhất [25]

- Một nghiên cứu đã đề xuất một bộ đệm xốp bao gồm các mạng tinh thể lập phương được chế tạo bằng máy in 3D để tăng cường sự trộn lẫn dòng nước Nghiên cứ này cho rằng dòng chảy hướng tới màng trao đổi ion khi xen kẽ các tấm đệm xốp có thể ngăn chặn của sự phân cực nồng độ và do đó làm tăng mật độ dòng giới hạn [26] Các đặc

điểm của tấm đệm xốp được liệt kê trong Bảng 1.5

Hình 1.7 cho thấy cấu trúc của các tấm đệm xốp được sử dụng trong nghiên cứu này

Các màng trao đổi ion, được thể hiện bằng màu cam, được đặt trên dưới của tấm đệm Tấm đệm 1 có cấu trúc cơ bản trong đó các mạng lập phương kết hợp với nhau, hình vuông được tạo ra bằng cách kết hợp các mạng lập phương và được sắp xếp sao cho đường dẫn dòng là tuyến tính tại phần trung tâm Tấm đệm 2 có sắp xếp mạng tinh thể lập phương so le, được dịch chuyển bởi một nửa mạng theo hướng z so với tấm đệm 1, dòng dung dịch được tách ra nhiều lần và trộn song song với các màng trao đổi ion do

sự tồn tại của đệm xốp Tấm đệm 3 có sự sắp xếp so le được dịch chuyển xen kẽ bởi 1/3 mạng tinh thể theo hướng y so với tấm đệm 1, dòng chảy cũng được tách ra nhiều lần và trộn lẫn theo hướng liên quan đến màng trao đổi ion Do đó, dung dịch nước nguồn cấp được xáo trộn kỹ hơn với tấm đệm 3 hơn so với tấm đệm 2

Hình 1.7 Cấu trúc của các tấm đệm xốp [26]

1.3 Một số nghiên cứu về mô hình hệ thống khử mặn ED

Nghiên cứu của Sonin và Isaacson đã trình bày hai điều kiện để thiết kế thủy động lực học tối ưu là sự lựa chọn hình dạng kênh và tốc độ dòng chảy trong kênh Điều kiện đầu tiên yêu cầu là hoạt động ở mật độ dòng điện vừa đủ để các tác động tiêu cực của sự phân cực nồng độ là không đáng kể Điều kiện thứ hai yêu cầu vận tốc dòng chảy đủ thấp để chi phí bơm nhỏ hơn nhiều so với chi phí chế tạo của ED stack Việc áp dụng phân tích này vào hệ thống khử mặn nước lợ để xác định thiết kế khung điệm và tấm đệm dòng chảy tối ưu và xác định các thành phần cần cải thiện [27] Ngoài ra, có một nghiên cứu khác về ảnh hưởng của vận tốc dòng chảy và chiều cao kênh đến các chi phí của hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ thẩm tách điện Nhóm tác giả báo cáo rằng vận tốc ảnh hưởng đến công suất bơm và mật độ dòng điện giới hạn trong khi chiều cao kênh ảnh hưởng đến cả công suất bơm và công suất bộ phận stack thẩm tách điện Dòng điện luôn được đặt ở 70% mật độ dòng điện giới hạn, do đó việc tính toán vận tốc dòng chảy và điện áp hoạt động và diện tích màng là rất cần thiết để giảm thiểu tổng chi phí của hệ thống khử mặn ED [28] Jae-Hwan Choi đã xác định mật độ dòng điện giới hạn tối ưu dựa trên chi phí vốn, chi phí bảo trì, công suất ED stack và công suất bơm Tuy nhiên, nghiên cứu của Jae-Hwan Choi là một hệ thống tuần hoàn hoạt động với vận tốc

15

thay đổi vận tốc như một biến độc lập Nhóm tác giả kết luận rằng chiều cao kênh phải nhỏ và vận tốc phải lớn để giảm diện tích cần thiết và công suất tiêu thụ của hệ thống lọc mặn ED [4]

Các nghiên cứu của Zourmand, Galvanin và cộng sự đã thảo luận về một loạt các phương pháp tiếp cận toán học để tăng hiệu suất thẩm tách điện như khả năng phân tách ion, tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống bằng cách sử dụng năng lượng tái tạo Một hệ thống khác được gọi là thẩm tách điện đảo ngược (EDR) khi đảo cực của các điện cực, lợi ích chính của hệ thống này so với ED thông thường, là tự làm sạch màng trong quá trình hoạt động lâu dài [30], [31] Ngoài ứng dụng khử mặn, Scarazzato và cộng sự, Andrew và cộng sự đã áp dụng công nghệ thẩm tách điện ứng dụng cho xử lý nhiều loại nước thải [32], [33]

1.4 Mục tiêu của đề tài

Các vấn đề nghiên cứu:

- Lý thuyết công nghệ thẩm tách điện bao gồm các vấn đề liên quan đến cấu tạo hệ thống thẩm tách điện, ứng dụng công nghệ thẩm tách điện, các nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ này

- Các mô hình, ưu và nhược điểm của stack hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ thẩm tách điện đã có

- Thiết kế và chế tạo các chi tiết của stack thẩm tách điện

- Nghiên cứu này cũng thảo luận liên quan đến các khía cạnh về đánh giá vật liệu, tối ưu hóa thiết kế chi tiết stack, chế độ vận hành, yêu cầu năng lượng, yêu cầu về nguồn nước cấp và đánh giá bài toán kinh tế ED stack đã chế tạo

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Stack sử dụng công nghệ thẩm tách điện

- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo stack thẩm tách điện

Phương pháp nghiên cứu:

- Để thiết kế các chi tiết bộ phận stack nhóm chúng tôi sử dụng phần mềm vẽ kỹ thuật AutoCAD

- Để chế tạo các chi tiết bộ phận stack nhóm chúng tôi sử dụng máy cắt CNC, máy cắt laser, máy cắt kim loại cầm tay…

Kết cấu của khóa luận:

Luận văn này gồm bốn chương:

Chương 1 Tổng quan