công nghệ màng RO và ứng dụng trong lĩnh vực khử mặn

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

LỜI MỞ ĐẦU

Nhu cầu về nước của con người không ngừng tăng lên Ở hiện tại nguồn nước đangthiếu và trong tương lai điều này sẽ ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn, đặc biệt ở cácquốc gia đang phát triển và các nước nghèo có dân số đông thì vấn đề về nước sinh hoạtchưa được quan tâm đầy đủ Việt Nam là quốc gia đang phát triển, nằm trong khu vựcnhiệt đới gió mùa chúng ta không phải là quốc gia khan hiếm về nguồn nước nhưng khảnăng 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 quầnđảo, đồng bằng ven biển là nơi tập trung dân cư đông đúc nhất, thời gian đánh bắt trênbiển của tàu thuyền ngày càng kéo dài Đồng thời, trên đà phát triển nhiều thành phố venbiển sẽ được mọc lên Do đó, nhu cầu về nước cho sinh hoạt ở các khu vực này cần đượcquan 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 bayhơi 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 nướcbiển và nước lợ để sử dụng cho sinh hoạt bằng công nghệ thẩm thấu ngược RO Cho đếnnay kỹ thuật này ngày càng được hoàn thiện Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa được nghiêncứu ứng dụng nhiều

Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp này em tập trung tìm hiểu về công nghệ màng RO

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.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, sửdụng 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

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 thìtương thích với công thức II sự giữ lại là một hằng số và không phụ thuộc vào ápsuất.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

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 trìnhmàng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHỬ MUỐI VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ

KHỬ MUỐI NƯỚC BIỂN

I.1.Các vấn đề về nguồn nước trên trái đất:

I.1.1.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 nướcngọt Trong 3% lượng nước ngọt có trên quả đất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước màcon người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng đất, bị đóng băng, ở dạnghơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục điạ, chỉ có 0,3% nước ngọt hiện diện trongsông, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng Tuy nhiên, nếu ta trừ phần nước bị ônhiễm 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 nướcngọt toàn cầu được giữ tại khu vực Amazon Ngay trong khu vực Địa trung hải, các nướcgiàu về tài nguyên nước (Pháp, Ý, Thổ Nhĩ Kì, Nam Tư cũ) chiếm tới 2/3 lượng nướctoàn 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 đến10.000m3/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 giữamùa khô hạn và mùa mưa và giữa các năm

I.1.2.Vai trò của nước: [2]

Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môitrường

Nước là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọnglượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm 70% trọng lượng cơ thể và ở Sứabiển nước chiếm tới 97%

Trong lĩnh vực nông nghiệp thì nước lại càng không thể thiếu, không có nước sẽkhông có lương thực nuôi sống con người và cung cấp năng lượng cho sự vận động củacác hệ sinh thái trong tự nhiên Một nghiên cứu toàn cầu gần đây do các nhà nghiên cứuViện Quản lý Nước Quốc tế cho thấy ít nhất 30% các dòng chảy của sông ngòi trên thếgiới 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 thiếutrong 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 lĩnhvực tiêu tốn nhiều nước

I.2.Thành phần và tính chất của nước và nước biển:

I.2.1.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 nhómphân 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 ởnhiệt độ 0 oC, sôi ở nhiệt độ 100 oC Ở nhiệt độ thường nước tồn tại ở thể lỏng Phân tửnước có mômen lưỡng cực cao, hằng số điện môi cao, tỷ trọng 1kg/l, nhiệt dung riêng1cal/go

C , nhiệt bay hơi cao (540 cal/g), sức căng bề mặt của nước bằng 73 dyn/cm3 và độnhớt 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 Khinồng độ chất tan càng lớn thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng cao và nhiệt độ đóng băngcàng thấp

- Độ hoà tan của khí vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất Thường thì độ hoàtan tăng khi nhiệt độ giảm và áp suất tăng Giá trị của các thông số hoà tan có thể xácđịnh theo định luật Henry

- 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 nóthường 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

I.2.2.Thành phần của nước biển:[1]

Nước biển là sản phẩm kết hợp giữa những khối lượng khổng lồ các axit và bazơ từnhững giai đoạn đầu của sự hình thành trái đất Các axit HCl, H2SO4 và CO2 sinh ra từtrong lòng đất do sự hoạt động của núi lửa kết hợp với các bazơ sinh ra do quá trìnhphong 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 cáccation như Na+, Ca+2,…Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn nước ngọt 2000 lần Vìbiển và các đại dương thông nhau nên thành phần các chất trong nước biển tương đốiđồng nhất Hàm lượng muối (độ mặn) có thể khác biệt nhưng tỷ lệ về những thành phầnchính 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 trìnhhoá địa cũng như các chất thải do hoạt động của con người thải vào Đại dương chấpnhận quá trình tuần hoàn lại từ các lục địa, sự hoà tan và bay hơi của nhiều sinh vật trêntrái đất

Diễn đạt theo ngôn ngữ hoá học thì “Nước biển là dung dịch của 0.5 mol NaCl, 0.05mol 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: http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Sea_salt-e_hg.svg

I.2.3.Cân bằng của nước biển:[1]

Người ta ước đoán rằng trong khoảng 500 triệu năm , đại dương đã trải qua 5 triệu lầnquay vòng, nghĩa là chu kỳ 1 vòng quay là 1000 năm và do đó pha lỏng đã bị xáo trộnmạnh

Cân bằng nước biển rất phức tạp vì đó là hỗn hợp của một hệ thống các nguyên tố vớinhững 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

I.2.4.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 trong0.328523 kg nước biển đó kết tủa hoàn toàn Đơn vị đo độ Clo là ‰ (phần nghìn) Kíhiệu độ Clo là Cl ‰

- Độ muối (Độ mặn) của nước biển là tổng số gam muối hoà tan trong 1000 gamnước biển, trong đó các muối cacbonat, bromua, iotdua, được thay thế bằng các oxyttương 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

3 144

Be o

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

I.3.Sự cần thiết phải khử mặn nước biển:

Trên Trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nướcuống 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 dàngchẳng 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 1người không thường xuyên có được nguồn nước uống an toàn Hơn 1/3 dân số, tứckhoảng 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 đãnhận 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 đấtnước trải dài dọc theo 3260 km dọc theo bở biển, ngư nghiệp là ngành phát triển theohướng đánh bắt xa bờ phải lưu lâu ngày ngoài biển, ngành vận tải biển đang trên đà pháttriển mạnh mẽ, những chiến tàu chở hàng đi trên biển rất dài ngày Đặc biệt dân cư trêncác đảo của Việt Nam vẫn chưa có đủ nước sinh hoạt Nguồn nước sinh hoạt cho cư dântrên đảo chủ yếu là nước mưa hoặc nước được chở từ đất liền ra, tuy nhiên nước đượcchở 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 dulịch ven biển, các thành phố cảng sẽ mọc lên nhanh chóng và tại các đô thị này nguồnnước 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 giảiquyết phần nào nguồn nước sinh hoạt cho cộng đồng

I.4.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 tạiTrung 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 rấthiếm do lượng mưa thấp Israel và Ả-Rập Xê-út phải phụ thuộc nhiều vào những nhàmáy như vậy để cấp nước cho người dân trong khi các bang Florida và California của Mỹcũng bắt đầu xây dựng nhà máy lọc nước biển 18 nhà máy kiểu này đang được xem xétxây dựng tại California

Trong những thập kỷ 1960-1970, câu trả lời cho tình trạng thiếu nước là xây dựngnhiều hồ chứa hơn Tuy nhiên, giá đất gia tăng đã làm cho các công ty nước thương mạikhông thể lựa chọn giải pháp này Khử muối trong nước biển là một giải pháp tương đốimới Nó bắt nguồn từ Trung Đông vào những năm 1980 và 1990 Trong tổng số hơn7.500 nhà máy khử muối đang hoạt động trên toàn thế giới, 60% nằm tại Trung Đông vớitổng 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 mỗingày (tương đương 581 triệu lít) Ả-Rập Xê-út là nước sản xuất nước ngọt từ nước biểnlớn nhất thế giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống hiện nay của đất nước cũng như cungcấp cho các trung tâm đô thị và công nghiệp thông qua mạng lưới đường ống dài hơn3.700km Nhiều nhà máy mới đang được triển khai và sẽ đưa tổng số nhà biến nước biểnthành nước ngọt lên gần 30

Trong khi đó, 12% nước được khử muối của thế giới được sản xuất ở châu Mỹ vớiphần lớn nhà máy nằm tại Caribbean và Florida

Hình ảnh một số nhà máy khử muối trên thế giới

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: http://vietnamnet.vn/khoahoc/hoso/2004/06/160869/

I.5.Các công nghệ khử mặn nước biển:[3]

I.5.1.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 caonồng độ trong dung dịch của dòng nước thải bỏ sau xử lý Cả hai phương pháp nhiệt vàlọc màng được sử dụng trong lĩnh vực này Hình I.7 mô tả khái niệm của quá trình khửmuối, hình I.8 đưa ra các loại công nghệ chính trong hai quá trình trên

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 800m 3 /ngày ở Israel, sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược

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.

I.5.2.Các phương pháp nhiệt:

I.5.2.1.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 thốngloại 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 nângcao 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 đóthì 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 dònglàm mát (Mcw) sau đó được đưa trở lại biển, dòng thứ hai là dòng nguyên liệu vào hệthống (Mf) Dòng này được khử khí và xử lý hoá học ở bộ phận thải nhiệt trước khi vàocác bậc chưng phía sau

Dòng dung dịch tuần hoàn (Mr) được lấy từ bể chứa ở bậc cuối cùng của bộ phận thảinhiệt và được đưa vào các ống ngưng tụ ở bậc cuối cùng của bộ phân thu hồi nhiệt Dòngnày được gia nhiệt nhờ sự hấp thụ ẩn nhiệt ngưng tụ Dòng hơi nóng (Ms) được ngưng tụbên ngoài bề mặt các ống ngưng tụ Còn dòng dung dịch muối thì hấp thụ ẩn nhiệt củadòng 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 dungdịch muối trong mỗi bậc Như mô tả ở dước hơi được lấy nhờ vào sự giảm áp suất trongbậc

Trong mỗi bậc bay hơi thì hơi được ngưng tụ bên ngoài các ống ngưng tụ, tại đâydòng dung dịch muối tuần hoàn (Mr) đi bên trong ống để làm lạnh hơi hơi nóng bênngoài 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 tạothành dòng sản phẩm cất (Md), dòng này đi qua nhiều bậc theo hướng từ bậc có nhiệt độcao đến bậc có nhiệt độ thấp hơn và nước đã được loại muối được thu hồi ở bậc cuốicùng của bộ phận thải nhiệt

Sự bay hơi và hơi nước được hình thành bị giới hạn bởi sự gia tăng thể tích riêng ởnhiệt độ thấp cũng như những khó khăn gặp phải trong quá trình vận hành ở áp suất tĩnhthấp Theo kinh nghiệm chung thì nhiệt độ ở bậc cuối cùng khoảng 30 – 40 0C tương ứngvới 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 Trongquá 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 giảiCaHCO3, điều này có thể là nguyên nhân chính là giảm vận tốc tải nhiệt giữa các buồngbay hơi với nhau Theo thời gian điều này có thể làm gia tăng khuynh hướng ăn mòn và

Quá trình tiền xử lý nước biển trước khi đưa vào hệ thống (Mf + Mcw) thường chỉ làquá 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 muốithải ra còn mang một nhiệt độ tương đối cao điều này có thể làm ô nhiễm nhiệt đối vớinguồn 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 tươngđương, tuy nhiên trước khi đi vào dãy buồng chưng thì dòng nước biển được trộn với mộtphần của dòng dung dịch muối xả Bộ trộn có tác dụng gia nhiệt cho dung dịch trước khivào các bồng bốc hơi

Với hệ thống này ta tận dụng được một phần nhiệt thải đưa trở lại hệ thống đồng thờigiảm 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 nàyđược hút và nén bằng các Ejecter và tạo thành dòng khí nóng, nhiệt này được đưa đến đểgia nhiệt cho các buồng bay hơi theo bậc ở phía sau Và dòng dung dịch muối sau khi rakhỏi 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.

I.5.2.2.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 EffectEvaporlation - 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 mặnnước biển Nó là công nghệ chắc chắn, kĩ thuật hoàn hảo, chất lượng nước cất cao, và quátrình hoạt động theo dõi dễ dàng Hiện tại khoảng 3.5 % lượng nước khử muối trên thếgiới 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 cóthể 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 23năm Còn HT – MED thì sử dụng dòng khí nhiệt độ cao, quá trình đóng cặn được kiểmsoát trong suốt quá trình tiền sử lý của dòng nước biển vào, HT – MED được sử dụngnhiều hơn LT – MED và hiệu suất của quá trình này gấp đôi HT – MED Sau đây là mộtquá 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 làmviệc 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 gianbay hơi, bộ khử sương và các phụ kiện khác Trong thiết bị bay hơi thì dòng nước đượcphun từ trên xuống dưới dạng các hạt nhỏ li ti và tiếp xúc với các ống được bố trí nằmngang, 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 nướcbiển hay dung dịch muối đi thẳng góc với các “hiệu ”, dòng nước được dẫn từ thiết bị bayhơi 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 nướcngưng từ “hiệu ứng” cuối cùng, sau khi qua bình ngưng nhiệt độ của nước đầu vào đượctăng lên, một phần nước làm lạnh thì được đưa trở lại nguồn, phần kia thì chia thànhnhiều dòng được xử lý hoá học, được khử khí rồi sau đó phun vào các thiết bị bay hơiTrong mỗi “hiệu ứng”, nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất trongkhông gian bay hơi trước một lượng nhỏ hơi nước được tạo thành Ngưng tụ kiểm soátlượng hơi quá nhiệt đi vào bên trong các bó ống ở “hiệu ứng thứ nhất” cung cấp nhu cầunhiệt 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 độsạch 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

Hình I.13 Hệ thống chưng đa hiệu ứng với dòng vào song song (MED - PF)

I.5.2.3.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 quátrình này chỉ đi qua một thiết bị chưng Sau đây là quy trình bay hơi đơn hiệu ứng phổbiến 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 bơmvào hai thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp Một dòng trao đổi nhiệt với sản phẩm (Md, Td)cònmột dòng trao đổi nhiệt với dung dịch muối thải bỏ (Mb, Tb) Dòng nước biển vào đitrong các ống của thiết bị còn dòng sản phẩm và dòng muối thải bỏ đi bên ngoài thiết bịống chùm Nước biển vào sau khi trao đổi nhiệt với hai dòng trên sẽ được gộp lại mộtdòng (Mf, tf) trước khi được đưa vào thiết bị bay hơi, còn dòng sản phẩm sau khi trao đổinhiệt 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 thápbằng 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 hơinóng đi qua Khi tiếp xúc với các ống trao đổi nhiệt thì nước hấp thụ ẩn nhiệt và tăngnhiệt đội đến nhiệt bốc hơi hơi này đi qua tấm khử sương và sau đó được ngưng tụ thànhdòng 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 chưacao đồng thời chất lượng nước sản phẩm sau khi cất cũng thấp hơn so với các hệ thốngkhác

Nguồn: H El-Dessouky and H Ettouny, “Study on water desalination technologies”,

prepared for ESCWA in January, 2001

Hình I.14 Quá trình bay hơi đơn hiệu ứng nén hơi cơ học (SEE - MVC)

I.5.2.4.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 môcông nghiệo trên thì ngày nay người ta phát triển thêm một số phương pháp mới cũng sửdụng năng lượng nhiệt nhưng không tiêu tốn nhiều năng lượng nhờ vào việc tận dụng cácnguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng haytận hay tận dụng quá trình bay hơi tự nhiên Hoặc dựa vào sự chênh lệch khối lượng riêngcủa nước ngọt và nước biển ở nhiệt độ đông đặc để đóng băng và thu hồi nước ngọt, tuynhiên trên thực tế thì biện pháp này không khả thi lắm

I.5.3.Công nghệ màng:

I.5.3.1.Màng điện thẩm (Electro Dialysis - ED):

Theo công nghệ này nước biển hoặc nước lợ được bơm vào khoảng giữa các màngtrao đổi ion với áp suất thấp, số lượng các màng có thể lên đến hàng trăm màng đặt songsong và xen kẽ nhau, cứ một màng trao đổi cation thì đến một màng trao đổi anion thànhtừng cụm

Màng trao đổi cation là những màng chỉ cho phép các ion dương chuyển qua Màngtrao 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 dòngđiện Dòng điện một chiều chuyển các ion qua màng để tạo ra dòng nước ngọt và dòngnước 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

I.5.3.2 Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO):

Trong quá trình thẩm thấu ngược, nước từ nguồn dung dịch muối áp lực cao được táchmuối hoà tan bằng cách thấm qua màng bán thấm Dòng chất lỏng thấm qua màng đựơcgọi 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 cấpvào tiếp tục chảy qua màng bên phía có áp suất cao và tạo ra dòng đặc (Có hàm lượngmuối cao) Ở đây hoàn toàn không cần gia nhiệt và cũng không diễn ra quá trình biến đổipha 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 nướcbiển từ 800 ÷ 1000 psi

Trên thực tế, nước cấp được bơm vào bình kín để tạo ra áp suất trên bề mặt màng Mộtphần nước thấm qua màng, phần còn lại sẽ có nồng độ muối cao hơn nồng độ muối cấpvào Để giảm nồng độ các muối hoà tan trong phần còn lại người ta xả bớt một phần rakhỏi bình chứa Nếu không xả thì nồng độ muối trong dung dịch cấp vào sẽ không ngừngtăng lên dẫn tới yêu cầu năng lượng cấp vào cũng phải gia tăng để khắc phục hiện tượnggia tăng áp suất thẩm thấu

Hình I Biểu diễn quy trình khử mặn của một hệ thống thẩm thấu ngược gồm các giaiđoạn 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 đồngthời thường lấy nước cách xa bờ từ vài chục đến vài trâm mét do đó mà phải tốn nănglượng 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, điềuchỉnh pH cho phù hợp, bổ sung thêm các ức chế kiểm soát thành phần các chất gây rahiện tượng đóng cặn trên bề mặt màng như CaSO4 , cũng như các thành phần có thể kéomàng 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 thànhphần và nồng độ trong nước mà áp lực được tạo ra khác nhau khi đưa vào hệ thống táchmàng

Do tính chất đặc biệt của màng bán thấm ngăn chặn các muối hoà tan nhưng lại chophép nước thấm qua Nên kết quả là sau khi đi qua các module màng, từ dòng nước biểnban đầu sẽ tạo thành hai dòng: Dòng nước tinh khiết và dòng dung dịch muối đậm đặc

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 khítrước 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 mạnglưới phân phối

Hình I.17 Sơ đồ quy trình khử mặn bằng màng thẩm thấu ngược RO

Nguồn:http://www.awa.asn.au/Content/NavigationMenu2/

AboutWaterandtheWaterIndustry/WaterFacts/FactSheets/Desalination/

I.6.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 xuhướng phát triển công nghệ khử mặn trên thế giới đồng thời thích hợp với điều kiện ViệtNam 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

Mechanical (Electrical) energy

Electrical Energy

Tiêu thụ

năng lượng

average 3,5 average1,5 average1 average8-14 * average5-7 * average1-2*

< 500 ppm

Dải công

suất hiện tại

50.000

5.000- 20.000

20.000

500- 3.000

50- 10.000

10- 10.000 (*) : Phụ thuộc vào hàm lượng muối trong nước thô

1-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

LƯỢNG NƯỚC BIỂN ĐƯỢC KHỬ BẰNG CÔNG NGHỆ RO Ở MỘT

SỐ NƯỚC

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

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 vàmức tiêut thụ là từ 5- 7 kWh/m3 mức tiêu thụ năng lượng này chỉ thấp hơn MVC còn caohơn so với các phương pháp còn lại Đồng thời nước sau xử lý có hàm lượng TDS caohơn 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 nghệchiếm 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 cónhững 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 nhiềuđến yếu tố ăn mòn vật liệu

- Hiệu suất khử muối rất cao, các màng RO ngày nay có thể loại bỏ đến99% 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 đìnhđến 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 vàoviệc 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 vàtiêu tốn ít hoá chất

- Ngày nay nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống RO có thể sử dụngnguồn 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

I.7.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 mànglọc Lo ngại chính về môi trường là liệu lượng cặn nước muối còn lại sau quá trình thẩmthấu 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 đếnảnh 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 hoặclàm 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 nướcbiển tiêu tốn một lượng năng lượng rất lớn Nhưng các nhà máy thẩm thấu nghịch hiệnđại tiêu thụ mức năng lượng chỉ bằng 50% so với công nghệ trước đây nhờ vào nhữngthiết bị phục hồi năng lượng Ngoài ra, công nghệ RO còn giảm thiểu chi phí cũng nhưkhí nhà kính phát thải Chi phí xây dựng một nhà máy khử muối từ nước biển với côngsuất 100 triệu lít mỗi ngày ở vào khoảng 100 triệu USD hay lớn hơn Và giá nước đượcsản 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 cóhơn 16.000 giếng khoan bất hợp pháp nhằm khai thác nước từ tầng ngập nước Nếukhông được quản lý tốt, chính những giếng này có thể làm tầng nước ngầm bị ô nhiễmtrầm trọng

II.

Hình II 1 Các loại màng cơ bản

Nguồn: Richard W.Baker, Membrane Technology and Application

II.1.2.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

II.2.Các khái niệm liên quan: [5]

II.2.1.Giới thiệu quá trình lọc màng:

Các quá trình màng áp lực được dùng rộng rãi trong hầu hết lĩnh vực hoá học, dược

phần khác Trước tiên là một vài yếu tố quan trọng được dùng trong kỹ thuật màng thểhiện 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 dùngcho 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 sàngcho một thành phần dễ đi qua hơn những thành phần khác Nói cách khác, màng chothành 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 microfiltrationand 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 điệnthẩm 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, cácmàng này chỉ cho phép các cation và anion vận chuyển tương đối qua màng Chẳng hạnmàng trao đổi cation là màng tích điện âm cho nên nó sẽ đẩy các anion và chuyển cáccation đi qua

Trong hình II.3 Ta thấy động lực tạo ra một dòng thấm từ bên dung dịch đặc về phíabên dung dịch thấm Các động lực khác nhau được nói đến trong các quá trình màng đólà:

 Chênh lệch áp suất

 Chệnh lệch nồng độ

 Chênh lệch hiệu điện thế

 Chênh lệch nhiệt độTuy nhiên trong các quá trình được quan tâm trong đồ án này em thì chủ yếu động lựccủa nó là chênh lệch áp suất Trong bảng II.1 thể hiện kích thước lỗ và áp suất cần thiếtcho 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:

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

dx

dX

trong2.1 có thể viết lại thành Δp Khi đó công thức 2.1 được viết lại thành định luật Darcy:p Khi đó công thức 2.1 được viết lại thành định luật Darcy:

J = l p Δp p (2.2)

Hệ số hiện tượng được viết lại l p, chính là hệ số thấm của màng Độ dày của các lớpmàng chọn lọc được ghép vào hệ số thấm trong 2.2 và ở đây để đạt được độ thấm cao đếnmức có thể, người ta dùng màng bất đối xứng với các lớp chọn lọc rất mỏng, độ dày củacác lớp chọn lọc trong màng bất đối xưng thường ở khoảng 1μm Độ thấm thường phụm Độ thấm thường phụ

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 II.2.2.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 khácnhau, 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 làhiện 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 bằngtốc 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 dịchthì dòng chảy có xu hướng chuyển động ngược tức là dung môi từ dung dịch đặc sẽ quamàng vào dung dịch loãng hơn Khi áp suất tăng càng lớn thì vận tốc dòng chảy ngượccàng lớn, như vậy dung dịch càng đậm đặc hơn Hiện tượng này gọi là hiện tượng thẩmthấu ngược

Hình II.5 Quá trình thấu và thẩm thấu ngược

DD loãng-A DD đặc-B

J A

J B

J A >J B

DD loãng-A

DD B

(C)Thẩm thấu ngược

Màng bán thấm

II.2.3.Mô hình áp suất thẩm thấu:

Để có được dòng xuyên qua màng từ dung dịch đậm đặc (Dung dịch có nồng độ lớn)sang bên thấm (Dung dịch có nồng độ thấp) thì áp suất thuỷ tĩnh đặt vào phía dung dịchđặc phải lớn hơn độ chênh áp suất thẩm thấu giữa hai bên màng như trên hình II.5c thì ápsuất thuỷ tĩnh đặt vào bên phải phải lớn hơn, khi đó cộng một áp suất thẩm thấu vào địnhluật Darcy (Công thức 2.2) để tính toán dòng xuyên qua màng, dẫn đến mô hình áp suấtthẩm thấu

J = l p (Δp p - Δp Π) (2.3)

Chúng ta có thể áp một áp suất thuỷ tĩnh p vào bên có dung dịch đậm đặc để làm tăngthế hoá của dung môi trong dung dịch đặc, sự tăng này làm xuất hiện một gradient trongthế hoá qua màng Điều này sẽ “cho phép” hay “dễ dàng” có một dòng từ bên dung dịchđặc sang bên thấm để cân bằng gradient thế hoá (Theo đuổi đến sự cân bằng hoá thế).Tuy nhiên, Dòng dung dịch đậm đặc thì luôn được tuần hoàn còn dòng thấm thì luônđược lấy ra do đó mà sự cân bằng sẽ không được thiết lập và dòng thấm sễ luôn đượcduy trì

Một ví dụ thông dụng cho mô hình áp suất thẩm thấu là dung dịch nước biển có ápsuất thẩm thấu là khoảng 30 bar

II.2.4.Tính toán áp suất thẩm thấu:

Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu tồn tại qua màng đã được mô tả ở phần trước Bởi vìhoạt hoá dung môi giữa dung dịch đặc và dung dịch loãng Hiệu áp suất đặt vào giữa haidung dịch đặc và dòng thấm phải lớn hơn hiệu áp suất thẩm thấu để tạo ra một dòngxuyên qua màng từ bên dung dịch đặc sang bên dung dịch thấm Các xem xét này đượctóm tắt trong mô hình áp suất thẩm thấu, như ta thấy đầu tiên Nhưng bây giờ làm saotính áp suất thẩm thấu của dung dịch?

Áp suất thẩm thấu п của dung dịch có thể đựơc tính theo công thức Van’t Hoff:

Trong đó:

R: Hằng số khí

T: Nhiệt độ ban đầu

Mi: Khối lượng mol của cấu tử i

Ci: Nồng độ của cấu tử i

Khi áp suất thẩm thấu được tính cho dung dịch muối NaCl, thì nồng độ NaCl phải gồmhai thành phần bởi vì nó phân li thành hai ion (Na+ và Cl-) Tỉ lệ giữa áp suất thẩm thấuvới nồng độ dung dịch được cho bởi công thức 2.4 áp dụng cho dung dịch nồng độ thấp

và hợp chất hữu cơ phân tử thấp

Khi áp suất thẩm thấu tính cho dung dịch cao phân tử hay nồng độ cao thì có thể ápdụng biểu thức mở rộng:

i

c M

T R

.

.

+B.c i 2 + C.c i 3 + (2.5)

Ở đây B, C là các hằng số đặc trưng của phân tử

II.3.Các cơ chế vận chuyển:[ 4]

II.3.1.Giới thiệu hai cơ chế vận chuyển chính:

Thuộc tính quan trọng nhất của màng là khả năng kiểm soát tốc độ thấm của các loạidung môi (có thể có chất tan) khác nhau Hai mô hình chính dùng mô tả sự vận chuyểnxuyên qua màng như hình II.6

Thứ nhất là mô hình khuếch tán dung dịch (Solution – difusion model), đối với môhình này các chất tan thấm vào vật liệu màng và khuếch tán xuyên qua màng với sự giảmgradien nồng độ Các chất thấm qua và được phân tách nhờ sự khác nhau về độ hoà tancủa các cấu tử trong màng và sự khác nhau về vận tốc khuếch tán xuyên qua màng củacác cấu tử

Mô hình thứ hai là mô hình dòng mao quản (pore – flow model): Đây là cơ chế thuộcdạng lâu đời nhất và đơn giản nhất Lý thuyết này coi các màng như là môi trường xốpđược tạo thành từ nhiều mao quản Trong trường hợp này, độ lựa chọn và độ thấm có thểđược xác định từ bán kính lỗ xốp và đường cong phân bố của chúng

Hình II.6 Mô tả sự vận chuyển dung môi qua màng xốp và màng chặt

Nguồn: Richard W.Baker, Membrane Technology and Application

Sự khuếch tán (diffisuon) là cơ sở của mô hình khuếch tán Khái niệm này được nhậndạng đầu tiên bằng lý thuyết và thí nghiệm Fick vào năm 1855 Fick đã đưa ra kết quảbằng công thức mà ngày nay được gọi là định luật khuếch tán Fick như sau:

Ji = - Di × dx

dc i

(2.6)Trong đó:

Ji: Tốc độ vận chuyển của cấu tử i hoặc hoặc dung môi (g/cm2.s)

dx

dc i

: Gradien nồng độ của cấu tử i

Di: Hệ số khuếch tán (cm2/s.) và là số đo độ linh động của từng phân tử

Áp suất kéo của dòng đối lưu (pressure – driven convective flow) là cơ sở của môhình mao quản Mô hình này được mô tả bởi định luật Darcy

Ji = - K’ ×ci × dx

dp

(2.7)Trong đó:

dx

dp

: Gradien áp suất tại các lỗ vật liệu

ci: Nồng độ của cấu tử i trong vật liệu

K’: Hệ số phản xạ tự nhiên của màng

Sự khác nhau giữa hai mô hình trên là ở chỗ kích thước tương đối và tính không đổicủa các lỗ Cho những màng trong đó sự vận chuyển tốt nhất được mô tả bằng mô hìnhkhuếch tán và định luật Fick Thì các lỗ trong màng là khoảng trống rất nhỏ giữa cácchuỗi polymer, các lỗ này được hình thành chính nhờ sự chuyển động nhiệt của các phân

tử polymer Các lỗ này xuất hiện rồi biến mất trong một khoảng thời gian cũng như sựchuyển động của các chất đi qua màng Mặt khác, đối với các màng sự vận chuyển được