Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền trung việt nam

Phạm vi nghiên cứu ƒ Giới thiệu các công nghệ xử lý nước mặt được sử dụng trong nước và trên thế giới ƒ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các quá trình lọc bằng màng ƒ Lựa chọn và tính toá

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2011

MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cùng với sự gia tăng dân số nhu cầu dùng nước trong quá trình phát triển kinh

tế - xã hội ở Việt Nam đang tăng mạnh Trong khi đó tài nguyên nước mặt phân bố

không đều trên lãnh thổ và biến đổi mạnh theo thời gian làm cho tình trạng thiếu

nước ngọt đã và đang xảy ra ở nhiều nơi, nhất là vùng núi cao và đồng bằng ven

biển, hải đảo Đồng thời việc sử dụng nước dưới đất không hợp lý đã gây ra sụt lún

đất, hạ thấp mực nước ngầm ở một số nơi, quá trình xâm nhập mặn gia tăng và khá

phổ biến ở nhiều vùng ven biển, ảnh hưởng tới tầng chứa nước ngọt Thêm vào đó

lượng mưa có thể giảm đáng kể ở Việt Nam trong thập kỷ tới và hàng triệu người

sẽ phải chịu tác động của tình trạng thiếu nước ngày càng gia tăng

Biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề nước sạch Biến đổi khí

hậu và hiện tượng trái đất nóng lên dẫn đến tình trạng khô hạn kéo dài, sông ngòi

cạn nước, bão lũ xuất hiện thường xuyên hơn với cường độ mạnh hơn, nhiều vùng

trũng dễ bị ngập trong nước biển, … làm cho nước biển dễ dàng xâm nhập sâu hơn

vào trong đất liền khiến cho quá trình mặn hóa càng diễn ra nhanh chóng và nghiêm

trọng, đặc biệt là những dòng sông nước ngọt sẽ trở thành sông nước lợ Những

ngày cực kỳ khô hạn trong mùa hè, những trận mưa dữ dội trong mùa mưa và

nguồn nước bị nhiễm mặn sẽ làm cho nguồn nước sạch ngày càng khan hiếm

Việt Nam nằm dọc theo bờ biển Đông của Thái Bình Dương, với bờ biển kéo

dài hơn 3200 km nên khu vực duyên hải ven biển nước ta có nguy cơ ngày càng

khan hiếm nguồn nước ngọt nên cần thiết phải nghiên cứu các giải pháp cấp nước

khác nhau nhằm đảm bảo nhu cầu sử dụng nước thiết yếu của người dân trong hiện

tại và tương lai

Dựa trên nhu cầu thực tế, dựa trên cơ sở khoa học và các nghiên cứu đã thành

công, được sự đồng ý của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường và Giáo viên

hướng dẫn là PGS.TS Đặng Xuân Hiển, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ

thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước

vùng duyên hải miền Trung Việt Nam” cho luận văn tốt nghiệp cao học ngành Kỹ

thuật môi trường của mình

MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Mục đích nghiên cứu

ƒ Lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý nước lợ ứng dụng công nghệ màng

ƒ Tính toán thiết kế các công trình cơ bản trong dây chuyền công nghệ xử lý

ƒ Thực hiện các bản vẽ kỹ thuật các công trình đã tính toán

Đối tượng nghiên cứu: Nước sông bị nhiễm mặn nhẹ (nước lợ)

Phạm vi nghiên cứu

ƒ Giới thiệu các công nghệ xử lý nước mặt được sử dụng trong nước và trên

thế giới

ƒ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các quá trình lọc bằng màng

ƒ Lựa chọn và tính toán thiết kế công nghệ dây chuyền xử lý nước lợ

ƒ Vẽ bản vẽ kỹ thuật

Đóng góp mới

Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lọc màng nano cho xử lý nước nhiễm mặn

với hiệu quả xử lý và chi phí chấp nhận được

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học

Xây dựng phương pháp luận phát triển một công nghệ xử lý nước nhiễm mặn

với chi phí thấp, hiệu suất cao và thân thiện với môi trường góp phần giải quyết vấn

đề khan hiếm nước cho các vùng ven biển, đặc biệt là các vùng duyên hải miền

Trung Việt Nam

Ý nghĩa thực tiễn

Lựa chọn được dây chuyền công nghệ cụ thể xử lý nước nhiễm mặn bằng công

nghệ lọc màng nano có thể ứng dụng cho các vùng bị nhiễm mặn và khan hiếm

nước ngọt

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC MẶT ĐƯỢC SỬ DỤNG

TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI

Nước là nhu cầu thiết yếu của con người và con người đã dùng nhiều biện

pháp khác nhau để xử lý nước đảm bảo nhu cầu sử dụng Nhìn chung có thể coi quá

trình xử lý nước nhằm hướng tới các mục đích: đảm bảo cho chất lượng nước tới

người sử dụng đạt những yêu cầu an toàn về mặt hóa học, lý học và vi sinh, hấp dẫn

(hoặc ít nhất là chấp nhận được) đối với người sử dụng, và có tính ổn định

Đối với nước mặt, các yếu tố sau là cần quan tâm hàng đầu trong quá trình xử

lý: các chất lơ lửng và các chất keo, rong tảo và vi sinh vật, các chất hòa tan,

Các quá trình xử lý nước có thể được chia ra làm hai nhóm: nhóm các công

nghệ truyền thống và nhóm các công nghệ không truyền thống

I.1 CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN THỐNG

Phương pháp xử lý nước mặt truyền thống bao gồm các công đoạn chính:

làm trong, diệt khuẩn, loại bỏ màu, mùi, vị lạ và đôi khi có cả quá trình ổn định

nước Cụ thể được mô tả trong sơ đồ sau:

Hình 1.1 Dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt theo phương pháp truyền thống

Bể chứa nước sạch

Công trình

thu + Trạm

bơm cấp I

Trạm bơm cấp

Mạng phân phối

Thuyết minh sơ bộ các quá trình cơ bản trong dây chuyền công nghệ xử lý

nước mặt theo phương pháp truyền thống như sau:

I.1.1 Hồ sơ lắng

Lắng là phương pháp đơn giản và thường dùng nhất để tách cặn trong quá

trình xử lý nước Đối với nước mặt có hàm lượng cặn cao (>2500mg/l) thường phải

sử dụng hồ sơ lắng Hồ sơ lắng có vai trò:

- Tách các hạt cặn có kích thước lớn, nâng cao chất lượng nước đầu vào của

các công đoạn xử lý tiếp theo, đảm bảo công đoạn tiếp theo đạt hiệu quả tốt, bảo vệ

thiết bị xử lý Cụ thể như: giảm lượng hóa chất sử dụng cho keo tụ, giảm dung tích

vùng chứa cặn của bể lắng, giảm bớt các cặn nặng gây khó khăn cho việc xả cặn,…

- Các quá trình làm sạch tự nhiên có thể xảy ra khử bớt một phần các chất ô

nhiễm, quá trình này cũng có thể xử lý rong tảo trong nước

- Điều hoà lưu lượng giữa dòng chảy từ nguồn nước vào và lưu lượng tiêu thụ

do trạm bơm nước thô đem cấp cho nhà máy xử lý nước, đảm bảo cho nhà máy

nước hoạt động ổn định và an toàn

I.1.2 Quá trình keo tụ

Trong nước sông nói riêng và nước mặt nói chung thường chứa các hạt cặn

có nguồn gốc, thành phần và kích thước khác nhau Đối với loại cặn này dùng biện

pháp xử lý cơ học như lắng, lọc thì có thể loại bỏ được cặn có kích thước >10-4mm,

còn những hạt có kích thước <10-4 mm không thể tự lắng được mà luôn tồn tại ở

trạng thái lơ lửng Muốn loại bỏ các hạt cặn lơ lửng phải dùng biện pháp cơ học kết

hợp với biện pháp hóa học Tức là cho vào nước các hóa chất có khả năng phản ứng

để tạo thành các hạt keo có khả năng kết dính lại với nhau và kết dính cả các hạt cặn

lơ lửng trong nước tạo thành bông cặn lớn hơn, có trọng lượng đáng kể Như vậy

mục đích chính của quá trình keo tụ là nhằm tạo ra sự kết dính các hạt cặn với nhau

để tạo thành cặn lớn hơn dễ dàng lắng xuống ở bể lắng và bị giữ lại trong bể [1]

I.1.2 Quá trình tạo bông keo

Sau khi hóa chất keo tụ và nước được hòa trộn đồng đều trong ngăn keo tụ

thì hỗn hợp phản ứng sẽ được đưa sang ngăn phản ứng tạo bông cặn Trong ngăn

này hỗn hợp phản ứng thường được khuấy trộn nhẹ để tạo điều kiện thuận lợi cho

quá trình tiếp xúc và kết dính các hạt keo và cặn bẩn trong nước để tạo nên những

bông cặn đủ lớn, đủ nặng để được giữ lại trong bể lắng Để hỗ trợ cho quá trình tạo

bông có thể sử dụng thêm các chất trợ keo tụ là các polyme như: PAA, PAC, …

I.1.3 Quá trình lắng cặn [2]

Việc tách các bông cặn được tạo thành trong quá trình keo tụ được thực hiện

trong bể lắng Lắng là quá trình tách các hạt dựa vào khối lượng riêng của hạt lớn

hơn khối lượng riêng của chất lỏng bao quanh nó Bằng cách đó, các hạt lơ lửng và

các bông cặn trong nước sẽ di chuyển xuống đáy bể tạo ra lớp bùn, còn phần nước

trong sẽ được đưa sang công đoạn xử lý tiếp theo

I.1.4 Quá trình lọc [2]

Lọc là giai đoạn cuối cùng của quá trình làm trong nước được thực hiện trong

các bể lọc Sau lọc nước sẽ có được chất lượng tốt hơn cả về mặt hóa học và lý học

vì quá trình lọc sẽ loại bỏ hầu như tất cả các cặn bẩn và tạp chất còn lại trong nước

mà quá trình lắng không xử lý được Lọc không chỉ giữ lại các hạt cặn lơ lửng trong

nước có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng tạo ra giữa các hạt vật liệu lọc mà

còn giữ lại các hạt keo sắt, keo hữu cơ gây ra độ đục và độ màu có kích thước bé

hơn rất nhiều lần kích thước các lỗ rỗng nhờ vào khả năng dính kết và hấp thụ lên

bề mặt hạt lớp vật liệu lọc Dần dần cặn tích tụ trong vật liệu lọc sẽ gây cản trở cho

quá trình lọc, trở lực qua lớp vật liệu tăng lên và năng suất lọc giảm xuống Khi đó

cần vệ sinh lớp vật liệu lọc để tái tạo lại khả năng lọc của nó Vì thế quá trình lọc

được đặt trưng bởi hai thông số cơ bản là tốc độ lọc và chu kỳ lọc

Tốc độ lọc là lượng nước lọc đi qua một đơn vị diện tích bề mặt của bể lọc

trong một đơn vị thời gian Đơn vị: l/m2.s hoặc m/h Chu kỳ lọc là khoảng thời gian

giữa hai lần rửa bể lọc: T (giờ)

Thành phần cơ bản và quan trọng nhất của bể lọc là vật liệu lọc, nó đem lại

hiệu quả làm việc và tính kinh tế của quá trình lọc Vật liệu lọc sử dụng trong xử lý

nước cấp thường là dạng hạt như cát, sỏi, than, polyme, … trong đó cát là vật liệu

được sử dụng rộng rãi nhất vì có giá thành rẻ, dễ kiếm và hiệu suất lọc khá cao

I.1.5 Quá trình khử trùng [3]

Sau các bước xử lý cơ học và hóa học phía trước, nước sau xử lý đã đạt được

các yêu cầu về hóa học và lý học Nhưng trong nguồn nước vẫn luôn tiềm tàng

nhiều loại vi sinh vật khác nhau như vi khuẩn, vi trùng, vi rút gây bệnh như tả, lỵ,

thương hàn, … nên cần thiết phải khử trùng nước để đảm bảo yêu cầu về vi sinh

trước khi đưa đến người sử dụng Như vậy khử trùng nước là công đoạn bắt buộc

cuối cùng trong quá trình xử lý nước để tiêu diệt, ngăn ngừa sự phát triển và tích tụ

của các loài vi sinh vật trong hệ thống cấp nước có khả năng gây bệnh cho người sử

dụng, làm giảm khả năng truyền nhiệt và tăng tổn thất thuỷ lực của ống

Nước có thể được khử trùng bằng nhiều phương pháp khác nhau:

- Phương pháp lý học: khử trùng bằng nhiệt độ cao, tia tử ngoại, siêu âm hay

khử trùng bằng phương pháp lọc

- Phương pháp hoá học: dùng các chất có khả năng oxy hoá mạnh để tiêu diệt

các vi sinh vật gây bệnh như Clo và các hợp chất của Clo (Ca(OCl)2, NaClO),

Ôzôn, Phổ biến nhất hiện nay đang sử dụng là dùng Cl2 nguyên chất Cơ chế như

sau: Cl2 + H2O = HOCl + HCl

Hay ở dạng phân ly: Cl2 + H2O = 2H+ + ClO- + Cl

-ClO- là một gốc có khả năng oxy hoá rất cao, sẽ tiêu diệt vi sinh vật Nước sau

khi khử trùng sẽ được đưa vào bể chứa và phân phối đến người sử dụng

Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp xử lý nước mặt bằng phương

pháp truyền thống:

™ Ưu điểm:

- Dây chuyền công nghệ có đầy đủ các công đoạn xử lý cơ bản nên sau quá

trình xử lý chất lượng nước dễ dàng đạt được tiêu chuẩn chất lượng đề ra;

- Chất lượng nước sau xử lý ổn định;

- Quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành quen thuộc, đơn giản

™ Nhược điểm:

- Dây chuyền công nghệ khá dài nên chi phí xây dựng, bảo dưỡng và vận hành

tốn kém, không kinh tế;

- Việc chất lượng nước nguồn thay đổi liên tục theo chiều hướng gia tăng ô

nhiễm làm ảnh hưởng đến khả năng xử lý của hệ thống, khi thành phần và nồng độ

chất bẩn trong nước nguồn tăng lên công nghệ cũ trở nên không đáp ứng được yêu

cầu xử lý;

- Việc khử trùng bằng hóa chất Clo dễ làm sinh ra những hợp chất độc hại

Clo từ lâu đã được dùng làm chất oxy hóa và chất khử trùng trong xử lý nước

Tuy nhiên, việc xử lý bằng clo sẽ tạo nên các sản phẩm phụ độc hại, hơn nữa rất

khó và rất tốn kém để loại bỏ những sản phẩm phụ này Thêm vào đó, các quy định

về hàm lượng clo trong nước uống hiện nay tại các nước phát triển càng làm cho

công nghệ xử lý bằng clo trở lên đắt hơn Đã có nhiều công trình nghiên cứu được

thực hiện nhằm tìm kiếm các công nghệ xử lý nước có hiệu quả, giá thành hạ, đáp

ứng được các tiêu chuẩn hiện tại đối với nước uống và nước cho sản xuất

Bên cạnh đó các phương pháp xử lý nước cũng đang được thay đổi liên tục về

công nghệ để đáp ứng sự thay đổi liên lục của chất lượng nước đầu vào đang ngày

càng bị nhiễm bẩn nhiều hơn Đồng thời khi nguồn nước ngọt đang ngày càng bị ô

nhiễm nặng nề và khan hiếm thì đòi hỏi phải có những công nghệ xử lý mới xử lý

triệt để hơn mới đáp ứng được yêu cầu cung cấp nước về cả số lượng lẫn chất

lượng Trong những năm gần đây đã xuất hiện các xu hướng công nghệ mới, có

nhiều ưu điểm và có thể khắc phục được những hạn chế của công nghệ truyền

thống Đó là công nghệ Ôzôn hóa, sử dụng đèn cực tím và công nghệ màng

I.2 CÁC CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN

I.2.1 Công nghệ ôzôn hóa [3,4]

Ôzôn (O3) là khí không màu, có mùi hơi tanh và là chất oxy hóa mạnh nhất

từng được biết đến Tính chất oxy hóa mạnh của ôzôn là nhờ vào oxy nguyên tử

được giải phóng từ phân tử O3 không bền vững Vì tính chất không bền vững này,

ôzôn rất nhanh chóng bị phân hủy thành oxy và giải phóng ra một nguyên tử oxy tự

do Nguyên tử tự do này phản ứng rất mạnh và có tuổi thọ rất ngắn, chỉ vài mili giây

trong điều kiện bình thường Nhờ phản ứng của nguyên tử oxy mà ôzôn có khả

năng loại bỏ hoàn toàn nấm, mốc, virus, vi trùng, vi khuẩn nên được ứng dụng trong

quá trình khử trùng nước Ngoài ra ôzôn còn có thể làm mất màu nước, khử mùi, vị,

diệt tảo, khử được sắt, mangan và các chất hữu cơ độc hại như phenol, altrazin,

geosmine, trimethyl benzen, giảm BOD, COD,… mà không gây ô nhiễm thứ cấp

Ưu và nhược điểm của việc sử dụng ôzôn trong quá trình xử lý nước như sau:

™ Ưu điểm:

- Khả năng oxy hóa cao, không sinh sản phẩm phụ độc hại;

- Khả năng khống chế sự tạo cặn và ăn mòn đường ống, thiết bị cao nhờ khả

năng tiêu diệt vi khuẩn và oxy hóa chất hữu cơ;

- Ôzôn dễ sản xuất, có thể sản xuất từ oxy không khí nên giảm đáng kể chi phí

về hóa chất, vật tư và nguyên liệu

™ Nhược điểm:

- Ôzôn có thời gian tồn tại rất ngắn nên cần phải có đủ thời gian để quá trình

oxy hóa diễn ra hoàn toàn Nếu không tính toán đúng thời gian tiếp xúc, việc dùng

ôzôn sẽ không hiệu quả;

- Phải tính đủ hàm lượng ôzôn cần thiết trên cơ sở đo đếm chính xác hàm

lượng các tạp chất cần xử lý Tuy nhiên chất lượng nước đầu vào thiết bị thường

xuyên có sự thay đổi thành phần và nồng độ Bên cạnh đó chu kỳ bán hủy của ôzôn

trong nước ngắn hơn chu kỳ bán hủy của khí ôzôn nên ở nước trung tính có nhiệt

độ bình thường cần cung cấp nhiều ôzôn hơn Khi đó để đạt được nồng độ theo mục

đích đề ra phải cần lượng ôzôn lớn hơn rất nhiều;

- Ôzôn có tính oxy hóa mạnh và không phân biệt được yếu tố có lợi và yếu tố

có hại nên trong quá trình xử lý có thể phân hủy tất cả các chất có thể oxy hóa được;

- Cũng với tính oxy hóa cao, ôzôn có thể làm oxy hóa đường ống, vật liệu lọc,

bồn chứa và các chi tiết máy móc;

- Ôzôn là một chất độc do tính oxy hóa cực mạnh Nếu tiếp xúc với ôzôn có

thể gây ra triệu chứng ho, khó thở, thậm chí là tai biến mạch máu não, …

- Ôzôn không bền nên thường chỉ phát huy hiệu quả ở quy mô nhỏ và vừa

I.2.2 Khử trùng bằng đèn cực tím UV [3]

Tia cực tím là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng

dài hơn tia X Tia cực tím thường được chia thành: UVA, UVB và UVC (< 280nm),

trong đó tia UVC thường gọi là sóng ngắn hay sóng có tính tiệt trùng Hầu hết vi

sinh vật đều có thể bị tiêu diệt bằng tia cực tím nên tia cực tím được ứng dụng trong

quá trình khử trùng trong đó có khử trùng nước Nước cần xử lý được cho chảy qua

thiết bị trong đó có gắn các đèn cực tím Tùy thuộc vào cường độ bức xạ tia cực

tím, số lượng vi sinh có trong nguồn nước và thời gian lưu trong thiết bị mà chất

lượng nước ra khỏi thiết bị có mức độ khử trùng cao hay thấp Ưu điểm và nhược

điểm của việc sử dụng tia cực tím trong quá trình xử lý nước như sau:

™ Ưu điểm:

- Có tính diệt khuẩn cao, có thể tiêu diệt được 99,99% vi khuẩn và không làm

thay đổi tính chất lý hóa của nước;

- Xử lý nhanh và tiết kiệm điện năng;

- Vận hành dễ dàng, chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng khá thấp;

- Không để lại mùi, vị và ít gây nguy hiểm cho người sử dụng hơn so với Clo

và ôzôn

™ Nhược điểm:

- Chỉ có khả năng diệt khuẩn mà hoàn toàn không lọc được các tạp chất khác

như kim loại nặng, chất hữu cơ, thuốc trừ sâu, dầu mỡ, …

- Tuổi thọ ngắn, hiệu quả giảm đáng kể khi trong nước có tạp chất, đặc biệt là

các hạt cặn lơ lửng (SS > 50 mg/l thì khả năng khử trùng giảm mạnh) nên cần có

biện pháp tiền xử lý để loại bỏ hết độ màu, độ đục, …

I.2.3 Công nghệ màng [5]

Những màng có độ dày rất mỏng (từ vài µm đến vài trăm µm) đang ngày càng

được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật xử lý nước bởi khả năng loại bỏ gần như tất

cả các tạp chất trong nước như các chất huyền phù, chất keo, chất hữu cơ nhũ, chất

hữu cơ tan, các ion có kích thước nhỏ, vi trùng, vi khuẩn, …

Màng được định nghĩa là một pha hoạt động như một hàng rào chắn đối với

dòng chảy của một hỗn hợp gồm chất lỏng và các cấu tử trong đó Màng sử dụng

trong xử lý nước có tính thấm chọn lọc đối với các cấu tử cần tách

Có nhiều dạng màng khác nhau, các dạng màng thường được phân biệt dựa

vào kích thước lỗ xốp của màng Mỗi dạng màng có những đặc điểm đặc trưng và

được ứng dụng cho những trường hợp xử lý phù hợp với đặc trưng của màng

Những nghiên cứu cụ thể về các quá trình màng sẽ được trình bày cụ thể trong

chương II

CHƯƠNG II:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG ỨNG DỤNG TRONG

XỬ LÝ NƯỚC CẤP

Các quá trình phân tách bằng màng đã được sử dụng trong nhiều năm nhưng

trong lĩnh vực nước cấp công nghệ màng được ứng dụng với vai trò ngày càng quan

trọng trong khoảng 20 năm trở lại đây và đang ngày càng phát triển

II.1 CÁC CÔNG NGHỆ MÀNG

II.1.1 Các loại màng

Các dạng màng chính bao gồm:

a) Màng vi lọc (MF – Micro filtration)

Màng vi lọc được xem là quá trình trung gian nằm giữa quá trình lọc truyền

thống và màng siêu lọc UF Ban đầu màng MF được ứng dụng chủ yếu để khử

trùng nước uống nhờ khả năng tách các vi sinh vật (vi khuẩn, vi rút, vi trùng) rất

hiệu quả Màng MF từng bước được nghiên cứu cải tiến phát triển và ngày càng có

ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác bên cạnh lĩnh vực xử lý nước

Dạng màng: Màng MF có hai dạng màng là màng lọc bề mặt và màng lọc

sâu Màng MF lọc bề mặt giữ lại các phần tử có kích thước lớn hơn đường kính lỗ

xốp nhờ vào cấu tạo bề mặt của màng là các lỗ xốp có kích thước nhỏ Màng MF

lọc bề mặt nhanh chóng bị phủ kín bởi sự tích lũy vật chất trên bề mặt màng nên

màng nhanh chóng bị tắc, thời gian sử dụng hữu ích của màng ngắn hơn Tuy nhiên

sự tích tụ của các chất bẩn chủ yếu chỉ trên bề mặt màng cũng giúp cho việc vệ sinh

màng khá dễ dàng [6] Trong khi đó cấu tạo của màng lọc sâu có chứa các lỗ xốp có

kích thước tương đối lớn trên bề mặt nên các phần tử có thể đi sâu vào bên trong

của màng Các phần tử cần loại bỏ này sau đó sẽ được giữ lại tại các chỗ thắt của lỗ

xốp hoặc được hấp phụ trên bề mặt của thành trong lỗ xốp Màng MF lọc sâu có bề

mặt hữu ích cho việc tách giữ các phần tử cần loại bỏ rất lớn nên khả năng tách lọc

hiệu quả hơn dạng lọc bề mặt Khi hạt bị giữ lại trong màng, độ thấm qua của màng

giảm nên áp suất cần thiết để duy trì tốc độ lọc ngày càng tăng Thời gian hoạt động

hữu ích của màng tỷ lệ nghịch với tải lượng chất bẩn ở dòng vào [6]

b) Màng siêu lọc (UF – Ultra filtration)

Màng UF và màng MF khác nhau ở kích thước lỗ trên màng Màng UF là một

màng xốp mịn được sử dụng để tách ra khỏi nước các phần tử có kích thước rất nhỏ

như chất keo, vi chất tan,… Ban đầu màng UF chưa được ứng dụng trong công

nghiệp mà chỉ được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu Màng

UF tổng hợp đầu tiên được chế tạo từ Nitro cellulose, sau đó màng UF được nghiên

cứu và chế tạo bằng các polyme khác nhau như cellulose acetate, polyacrylonitril,

aromatic polyamid, polysulfone và poly vinylidene fluoride và gốm, … Việc mở

rộng ứng dụng màng UF gặp trở ngại lớn đó là vấn đề tắc màng, vấn đề này đã dần

dần được khắc phục nhưng vẫn chưa thể loại bỏ hoàn toàn [6]

c) Màng lọc Nano (NF – Nano filtration)

Màng lọc nano là loại màng có kích thước lỗ nhỏ hơn màng siêu lọc UF nhưng

lớn hơn kích thước lỗ của màng thẩm thấu ngược RO Màng nano cũng có áp suất

động lực thấp hơn so với màng thẩm thấu ngược RO Màng nano có cấu tạo gồm

hai lớp, lớp giá đỡ và lớp màng mỏng (lớp da) Lớp giá đỡ có cấu trúc xốp và có độ

bền cơ học đặc trưng cho cả màng Lớp da là lớp rất mỏng được phủ ở phía trên giá

đỡ nhằm giảm trở lực qua màng và có độ chọn lọc cao Màng nano kết hợp được

tính năng ưu việt về độ thấm lớn của lớp giá đỡ và tính chọn lọc của lớp da đặc [6]

d) Màng thẩm thấu ngược (RO – Reverse Osmosis)

Màng RO là loại màng ngăn chặn sự dịch chuyển của tất cả các tạp chất trong

nước ở kể cả dạng lơ lửng và dạng hòa tan, trừ nước, nên áp suất động lực phải lớn

hơn áp suất thẩm thấu Nhờ khả năng loại bỏ tối đa các tạp chất mà màng RO được

ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế

Các dạng màng cơ bản như trên thường được phân biệt với nhau dựa vào kích

thước lỗ của màng và cũng bởi có kích thước lỗ màng khác nhau nên yêu cầu các

điều kiện hoạt động và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau Dựa vào khả năng tách

loại của từng dạng màng mà lựa chọn loại màng thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể

[xem Phụ lục 1]

II.1.2 Cấu tạo và sắp xếp các màng lọc [7]

Cấu tạo và sắp xếp các màng lọc theo các dạng mô đun chính sau [32] :

- Dạng hình ống (Tubular module): Thường dùng ống gốm sứ, cacbon hay

ống nhựa xốp có đường kính trong từ 3,2 – 25,4 mm Màng lọc được tráng và gắn

- Dạng hình sợi rỗng (Hollow fiber module): Có cấu tạo giống dạng màng

hình ống, nhưng đường kính sợi nhỏ hơn nhiều, bản thân sợi là màng lọc hình trụ,

do đó phải bó lại và đựng trong khung cứng Dạng mô đun này thường được áp

dụng trong chế tạo màng MF và UF và thường được ứng dụng trong xử lý nước thải

hay trong các thiết bị lọc màng sinh học (membrane bioreactor).

+ Ưu điểm: diện tích riêng rất lớn; giá thành chế tạo nhỏ; chịu áp tốt

+ Nhược điểm: màng dễ bị tắc và bẩn; tổn thất áp suất trong màng lớn

- Dạng cuộn lại thành ống tròn (Spiral wound module): Màng lọc cuốn tròn

bọc lấy ống cứng có độ rỗng cao cho nước đi qua thành dễ dàng Nước thô chảy tiếp

xúc với màng, nước lọc thấm qua màng vào trong ống xốp Dạng này thường sử

dụng cho màng NF và RO

+ Ưu điểm: chế tạo đơn giản, chi phí thấp; diện tích riêng tương đối cao

(1000m2/m3); quá trình chuyển khối hiệu quả thông qua các lớp đệm

+ Nhược điểm: không gian di chuyển của dịch trong tương đối lớn; khó vệ

sinh; phải dùng keo để kết dính

- Dạng khung tấm (Plate – frame module): là dạng đơn giản nhất, màng căng

trên khung theo các lớp khác nhau, giữa các lớp có khoảng cách để đưa nước thô

vào một phía và lấy nước sạch ở một phía khác

+ Ưu điểm: được thay thế riêng rẽ; ít bị đóng cặn bẩn; có thể sử dụng mà

không cần keo dán

+ Nhược điểm: dùng nhiều bản phụ trợ; tổn thất áp suất cao khi chuyển hướng

dòng chảy trong mô đun màng; diện tích riêng tương đối nhỏ (< 400m2/m3)

II.2 CƠ CHẾ TÁCH QUA MÀNG [5], [6]

II.2.1 Động lực của quá trình lọc màng

Sự vận chuyển của các cấu tử qua màng là quá trình quan trọng nhất quyết

định tính năng của màng Để quá trình chuyển khối có thể xảy ra cần phải có sự

khác biệt về thế năng giữa hai phía của màng Hai loại thế năng chủ yếu trong quá

trình màng là thế năng hóa học và điện thế, thế năng điện hóa là tổ hợp của hai loại

trên Sự chênh lệch về thế năng sẽ hình thành khi có sự khác biệt về áp suất, nồng

độ, nhiệt độ và hiệu điện thế giữa hai phía của màng Thế năng hóa học là động lực

của nhiều quá trình chuyển khối Dưới điều kiện đẳng nhiệt, nồng độ, áp suất đóng

góp vào hóa thế của một hệ keo như sau: µi = µi0 + RT ln ai + Vi p

Hiệu hóa thế của cấu tử i giữa hai phía của màng: ∆µi = RT ln ai + Vi ∆p

Với µi : hóa thế của cấu tử i;

µi0 : hóa thế ban đầu của cấu tử i;

Vi : thể tích mol của cấu tử i;

ai : hoạt độ của cấu tử i;

p : áp suất;

T : nhiệt độ;

R : hằng số khí (R=0,0082 với áp suất tính bằng atm)

Khi có sự chênh lệch hóa thế giữa hai phía của màng thì quá trình vận chuyển

chất sẽ diễn ra

II.2.2 Nguyên tắc lọc trong quá trình lọc màng

Trong quá trình màng có thể có ba thành phần dòng: dòng vào, dòng thấm và

dòng hỗn hợp bị giữ lại Dòng bị giữ lại không phải là dòng sản phẩm thấm nên có

thể có hoặc không Khi đó xảy ra hai trường hợp: lọc màng có và không có dòng

hỗn hợp bị giữ lại (gồm nước chưa lọc và cặn bẩn)

™ Trường hợp lọc không có dòng hỗn hợp bị giữ lại gọi là quá trình lọc đường

cụt hay lọc toàn dòng (Dead - end filtration): dung dịch được tạo áp xuyên qua

màng Khi đó dòng thấm được ép xuyên qua màng còn nồng độ của dung dịch phía

trước màng sẽ tăng dần lên trong một thể tích nếu dòng vào được chứa trong một

bể Theo sơ đồ mô tả thì lọc theo kiểu đường cụt sẽ có áp suất là hằng số tại mọi

điểm trên bề mặt màng

™ Trường hợp lọc có dòng bị giữ lại gọi là quá trình lọc chéo dòng (Cross –

flow filtration): khi đó dung dịch sẽ đi vào theo phương tiếp tuyến với bề mặt của

màng rồi chia làm các hướng, dòng thấm xuyên qua màng theo chiều vuông góc với

bề mặt màng, còn các tạp chất bị giữ lại trên bề mặt màng được dòng dung dịch thô

thường xuyên cọ rửa và cùng với dung dịch thô chưa được lọc chảy ra ngoài Lưu

lượng dòng thấm tăng lên nhờ áp suất lớn bên dung dịch đậm đặc, nhưng vì chạy

dọc theo phương tiếp tuyến của màng nên áp suất giảm dần ở khu vực cuối của bề

mặt màng nên đối với phương thức lọc chéo dòng thì áp suất không phải là hằng số

tại mọi điểm trên khắp bề mặt màng

Có thể nhận thấy với phương thức lọc chéo dòng thì màng luôn luôn được cọ

rửa nên giảm được độ phân cực do các chất bẩn bám vào màng gây ra và giảm khả

năng màng bị trít tắc nhanh chóng nên tuổi thọ của màng cao hơn màng hoạt động

theo nguyên tắc lọc đường cụt Tuy nhiên cấu tạo của thiết bị lọc đường cụt sẽ đơn

giản hơn nên giá thành cũng sẽ thấp hơn so với thiết bị hoạt động theo nguyên tắc

lọc chéo dòng Việc áp dụng màng hoạt động theo nguyên tắc nào sẽ phụ thuộc vào

bản chất của cấu tử cần tách và điều kiện hoạt động cụ thể của ứng dụng đó Thiết

bị màng MF có thể được chế tạo theo cả hai nguyên tắc lọc đường cụt và lọc chéo

dòng, còn thiết bị màng UF, NF và RO thường được chế tạo theo nguyên tắc lọc

chéo dòng Chiều dòng nước đi qua màng được mô tả trong hình vẽ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ các nguyên tắc lọc qua màng:

a) Lọc đường cụt; b) Lọc chéo dòng

II.2.3 Cơ chế trong quá trình lọc màng

Có hai mô hình để mô tả quá trình vận chuyển các chất qua màng, đó là: mô

hình dòng chảy trong mao quản và mô hình hòa tan – khuếch tán

Hình 2.2 Cơ chế tách qua màng:

a) Cơ chế mao quản, b) Cơ chế hoà tan - khuếch tán

a) Mô hình dòng chảy trong mao quản (Pore – flow)

Mô hình này mô tả quá trình chuyển khối trong màng có kích thước lỗ xốp lớn

như màng vi lọc MF và siêu lọc UF, các màng này thường được gọi là màng xốp

nhờ độ xốp của màng cao Khi đó các lỗ xốp được giả thiết như các mao quản và

dòng chất lỏng thấm qua màng thông qua các mao quản này Động lực của dòng

chất lỏng là sự chênh lệch áp suất tạo ra sự đối lưu cưỡng bức giữa hai đầu của

màng Định luật Darcy được xem là sự mô tả tốt nhất cho mô hình dòng chảy mao

quản, định luật này mô tả mối quan hệ giữa dòng thấm qua màng J của cấu tử i và

áp suất động lực của quá trình:

Với dp/dx: chênh lệch áp suất giữa hai bên màng;

c i: nồng độ của cấu tử i;

a) b)

DÒNG VÀO

DÒNG THẤM

MÀNG LỌC

DÒNG

VÀO

Hỗn hợp nước chưa lọc và cặn bẩn

DÒNG THẤM

DÒNG THẤM

: hệ số đặc trưng cho bản chất của màng

Quá trình lọc qua màng xốp bao gồm hai cơ chế cụ thể: lọc bề mặt và lọc sâu

™ Cơ chế lọc bề mặt:

Trong trường hợp này, màng lọc có các lỗ xốp nhỏ nằm ở bề mặt của màng Cấu

tử cần tách ra khỏi dung dịch có đường kính lớn hơn đường kính của các lỗ xốp nên

quá trình bắt giữ sẽ xảy ra chủ yếu tại bề mặt của màng Để giảm trở lực thấm qua

màng, các màng này thường có cấu tạo bất đối xứng gồm hai lớp: lớp da bên trên có

kích thước lỗ bé (đặc hơn) và lớp giá đỡ bên dưới có độ bền cơ học và kích thước lỗ

lớn hơn Hầu hết các màng siêu lọc UF tuân theo cơ chế lọc bề mặt

Các lỗ xốp được giả thiết là các mao quản nhỏ và khi đó quá trình vận chuyển

qua lỗ xốp được mô tả bằng phương trình toán học Ferry:

Với A : phạm vi của lỗ xốp có thể cho chất tan vận chuyển qua;

A0 : phạm vi của lỗ xốp có thể cho dung môi vận chuyển qua;

r : bán kính lỗ xốp;

a : bán kính phân tử chất hòa tan

Trong trường hợp các phần tử di chuyển theo các đường cong thì hiệu quả

tách các chất hòa tan được xác định theo phương trình Renkin:

Từ phương trình Ferry có thể xác định được kích thước lỗ xốp của màng (r)

khi biết được hệ số tách cấu tử hòa tan (R) và bán kính của chất hòa tan (a)

™ Cơ chế lọc sâu:

Quá trình lọc sâu có cơ chế bắt giữ các phần tử cần loại bỏ phức tạp hơn quá

trình lọc bề mặt Các phần tử bị giữ lại bên trong màng tại các chỗ thắt nhỏ hoặc bị

hấp phụ khi vận chuyển qua các lỗ xốp bên trong màng Màng lọc sâu thường có

cấu trúc đối xứng và cấu trúc lỗ đồng nhất trong toàn bộ màng Hầu hết màng MF

hoạt động theo cơ chế lọc sâu

Lọc sâu có 4 cơ chế cụ thể trong quá trình giữ lại các cấu tử cần loại bỏ bên

trong màng Đầu tiên là cơ chế rây lọc và bắt giữ các phần tử tại các điểm thắt bên

trong màng Các hạt bị chặn và giữ lại trong màng thường có kích thước lớn không

thể xuyên qua các chỗ thắt hẹp trong lỗ xốp, trong khi đó các phân tử khác (như

dung môi nước) có kích thước đường kính bé hơn đường kính lỗ xốp tại các điểm

thắt nên có thể vận chuyển xuyên qua màng Cơ chế này rất đơn giản và có đóng

góp rất nhỏ vào tổng khả năng tách của màng

Ba cơ chế tách còn lại dựa vào khả năng hấp phụ của màng bao gồm: lọc nhờ

quán tính, khuếch tán Brown và hấp phụ tĩnh điện

Cơ chế lọc nhờ quán tính: Khi dòng chất lỏng chảy qua màng, các phần tử có

kích thước tương đối lớn thường không thể theo dòng chảy xuyên qua các lỗ xốp có

hình dạng xoắn ốc quanh co nên sẽ bị giữ lại khi chạm phải thành trong của lỗ xốp

Hai yếu tố quan trọng tạo nên cơ chế này là: màng có các lỗ xốp dạng mao quản

ngoằn nghèo quanh co và phần tử cần tách có kích thước tương đối lớn, hai yếu tố

này tạo ra quán tính lớn cho hạt cần tách trong quá trình vận chuyển qua lỗ xốp và

hạt bị hấp phụ vào màng do quán tính Trong đó màng có cấu tạo chứa các mao

quản quanh co uốn khúc có vai trò quan trọng hơn vì nó làm cản trở chuyển động

của hạt, tăng quán tính của hạt bị bắt giữ

Cơ chế lọc nhờ khuếch tán Brown: Có khả năng giữ lại các phần tử có kích

thước nhỏ Các hạt nhỏ thường rất dễ bị cuốn theo dòng chảy nên khó bị giữ lại bởi

quá trình hấp phụ của màng Tuy nhiên bởi vì các hạt có kích thước bé nên chúng

tuân theo chuyển động Brown Trong quá trình chuyển động ngẫu nhiên hỗn độn

các hạt này va chạm với thành trong của lỗ xốp và bị hấp phụ vào vật liệu màng

Cơ chế lọc nhờ hấp phụ tĩnh điện: Trong các phần tử cần loại bỏ luôn tồn tại

những hạt keo, chúng thường mang điện tích âm yếu và bị loại bỏ nhờ các nhóm

tích điện bề mặt của màng Cơ chế này được ứng dụng trong một số quá trình chế

tạo màng vi lọc MF có số lượng các nhóm tích điện bề mặt cao để tách các hạt tích

điện trong dung dịch Nhược điểm của dạng màng này là dung lượng hấp phụ sẽ cạn

kiệt dần trong suốt quá trình lọc và khả năng lọc cũng sẽ giảm dần

Hình 2.3 Các cơ chế tách chất bẩn trong quá trình lọc sâu

™ Tốc độ chuyển khối qua màng xốp:

Chất lỏng chảy qua màng xốp là tổng của các dòng chất lỏng chảy qua tất cả

các mao quản Tốc độ dòng chất lỏng chảy trong từng mao quản được mô tả bằng

định luật Poiseuille:

128 ·

Với Q : tốc độ chất lỏng chảy qua từng mao quản;

d : đường kính mao quản;

dp/dx: chênh lệch áp suất trên một đơn vị độ dài dọc theo hướng của dòng chảy;

: độ nhớt của chất lỏng, với T là nhiệt độ chất lỏng;

Dấu trừ chỉ sự giảm áp suất theo hướng dòng chảy

Phương trình Konzeny – Carman mô tả mối quan hệ giữa độ thấm đặc trưng

K0 của môi trường lọc và độ xốp của màng:

Cơ chế hấp phụ tĩnh điện Khuếch tán Brown

Cơ chế bắt giữ nhờ quán tính

Cơ chế sàng rây

Dòng chất lỏng thấm qua Mặt cắt màng lọc

180 1Khi đó tổng dòng chảy qua một môi trường xốp được xác định theo phương trình:

180· 1 ·

1

·Phương trình này cho thấy tốc độ chuyển khối (thấm, lọc) qua màng phụ thuộc

chặt chẽ vào cấu trúc màng ( , d, ), áp suất động lực và nhiệt độ T Khi tác động

vào những yếu tố này sẽ điều khiển được tốc độ lọc qua màng

Tuy nhiên việc tính toán tốc độ dòng chảy thường không hoàn toàn chính xác

do một số nguyên nhân:

- Tốc độ lọc phụ thuộc vào đường kính mao quản, độ lớn của mao quản không

phải là giá trị xác định mà thường nằm trong một khoảng giá trị

- Độ xốp của màng có thể thay đổi dọc theo chiều dày của lớp màng

- Trong một số loại màng (gốm, sứ) tính chất “mao quản” không thể hiện rõ

b) Mô hình hòa tan – khuếch tán

Khi cấu tử cần tách có kích thước rất bé cỡ các ion hay phân tử thì màng xốp

(siêu lọc, vi lọc) không thể tách được Khi đó màng được sử dụng có kích thước

mao quản rất bé, nhỏ hơn 20 A0 (chỉ số phân tử lượng bị chặn < 500), thường được

gọi là màng đặc Cơ chế chuyển khối qua màng đặc được gọi là cơ chế hòa tan –

khuếch tán

™ Định luật Fick được xem là mô tả tốt nhất cho mô hình hòa tan – khuếch tán:

Với : tốc độ vận chuyển của cấu tử i qua màng;

dci/dx: chênh lệch nồng độ của cấu tử i ở hai phía của màng theo hướng x

vuông góc với bề mặt màng;

: hệ số khuếch tán của cấu tử i

™ Độ thấm của màng P được định nghĩa là tích số của độ tan S và khả năng

khuếch tán D: P = D.S

Độ thấm của màng khi đó là sự kết hợp của hai yếu tố: hòa tan nhiệt động và

khuếch tán động học Khi một cấu tử thấm qua màng trước hết được hòa tan vào

màng, sau đó khuếch tán qua màng theo hướng có nồng độ thấp Các chất thấm qua

màng có mức độ hòa tan và khả năng khuếch tán khác nhau là cơ sở để tách chúng

ra khỏi hỗn hợp

Hòa tan thể hiện sự tương tác của hệ polyme, chất tan và dung môi, tương tác

càng lớn thì độ tan càng cao Quá trình hòa tan về thực chất là quá trình hấp phụ của

polyme đối với các chất tan và dung môi, chất có ái lực mạnh với polyme sẽ có tính

hấp phụ chọn lọc cao hơn Khuếch tán thể hiện khả năng di chuyển của chất tan

trong màng Khả năng khuếch tán phụ thuộc vào độ lớn phân tử, tương tác với

po-lyme và dung môi, nồng độ chất tan, điều kiện môi trường và một số dung môi hữu

cơ có thể làm tăng khả năng trương nở của polyme dẫn đến thúc đẩy quá trình

: chiều dày của màng;

∆c: chênh lệch nồng độ ở hai phía của màng

Phương trình này cho thấy dòng chuyển khối phụ thuộc vào cấu trúc màng,

quá trình khuếch tán và khả năng hấp phụ của màng

Về cơ chế chuyển khối có thể nhận thấy cả hai dạng chuyển khối cơ bản là đối

lưu và khuếch tán đều tồn tại trong quá trình vận chuyển chất qua màng xốp và

màng đặc Nhưng trong màng xốp quá trình đối lưu đóng vai trò chủ yếu, còn trong

màng đặc quá trình chuyển khối do khuếch tán phân tử đóng vai trò quan trọng

II.3 SỰ SUY GIẢM TỐC ĐỘ LỌC QUA MÀNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

II.3.1 Nguyên nhân làm giảm tốc độ lọc qua màng

Trong quá trình lọc, màng dễ bị tắc và hư hại do hai nguyên nhân chính là

phân cực nồng độ và nhiễm bẩn màng làm suy giảm tốc độ lọc của màng theo thời

gian Tốc độ lọc của màng tỷ lệ nghịch với trở khối và tỷ lệ thuận với áp suất động

lực Áp suất động lực của một thiết bị màng được thiết kế dễ dàng kiểm soát nên tốc

độ lọc suy giảm chủ yếu là do trở khối của màng tăng trong quá trình vận hành

a) Sự phân cực nồng độ:

Trong quá trình lọc, trên bề mặt màng hay tại lớp sát bề mặt màng, các chất

cặn bẩn và các chất tan sẽ tập trung lại làm cho mật độ của chúng tăng cao tạo thành

lớp màng Lớp màng này làm tăng trở khối lọc, cản trở quá trình thấm qua màng

của các phần tử và làm giảm tốc độ lọc của màng Lớp màng này đôi khi tạo nên

cấu trúc Gel (tập hợp các hạt có liên kết khá bền) với một độ dày nhất định, đặc biệt

khi nước có chứa thành phần protein [8]

b) Sự nhiễm bẩn màng lọc (tắc màng):

Tắc màng là vấn đề quan trọng nhất trong quá trình hoạt động của tất cả các

màng Trong quá trình vận hành màng có thể có một số chất chui vào mao quản gây

tắc và nhiễm bẩn màng, làm giảm tốc độ lọc Các tác nhân gây nhiễm bẩn và tắc

màng này gồm nhiều thành phần với kích thước khác nhau như: dạng hạt không tan

(bùn), vi sinh vật, hợp chất hữu cơ, dầu mỡ, chất kết tủa hình thành trong quá trình

lọc qua màng, … Chất nào có ái lực với màng thường là nguyên nhân gây tắc màng

Màng thường chứa rất nhiều lỗ xốp với kích thước khác nhau nên quá trình

làm tắc các lỗ xốp cũng khác nhau Có bốn trường hợp cụ thể như sau [9]:

Trường hợp d hạt << d lỗ : trong trường hợp này hạt có kích thước rất bé so với

kích thước lỗ xốp, quá trình hấp phụ các hạt cặn bẩn xảy ra làm cho lỗ xốp bị thu

hẹp dần và có thể bít kín các lỗ có đường kính mao quản bé

Trường hợp d hạt d lỗ : hạt có kích thước tương đương với đường kính mao

quản nên ngay cả khi không có sự hấp phụ xảy ra cặn bẩn vẫn dễ dàng bít kín lỗ

xốp do áp lực của dòng chảy Trong thực tế lỗ xốp có nhiều hình dạng khác nhau

(hình trụ, hình nón, …) nên trong trường hợp này các lỗ xốp có đường kính bé sẽ dễ

dàng bị bít kín bởi các hạt nhỏ

Trường hợp d hạt >> d lỗ : kích thước của hạt rất lớn so với kích thước lỗ xốp

Khi đó các hạt cặn sẽ lắng đọng lên trên bề mặt của màng tạo thành một lớp cặn sát

bề mặt hoặc tạo thành lớp Gel gây cản trở quá trình thấm qua màng

Trường hợp d hạt > d lỗ : đây là một trường hợp riêng của màng dùng để lọc các

hạt có kích thước lớn hơn kích thước lỗ xốp của màng Trường hợp này ngược với

trường hợp d hạt d lỗ vì các hạt cặn sẽ bít kín các lỗ xốp lớn trước và để lại các lỗ

nhỏ Quá trình này sẽ giúp làm giảm đường kính trung bình của lỗ xốp

Trong quá trình lọc bằng màng, tùy thuộc vào mối tương quan giữa kích thước

của các tạp chất của dòng chất lỏng đầu vào và kích thước mao quản của màng mà

cơ chế gây tắc màng theo trường hợp nào sẽ chiếm ưu thế hơn so với các trường

hợp còn lại

II.3.2 Các dạng tắc màng

Tắc màng tức thời: xảy ra khi trong dòng vào có một số thành phần (phố biến

nhất là protein) bị hấp phụ vào màng gây cản trở quá trình thấm qua màng và tăng

sự tích lũy cặn trong màng Quá trình này thường xảy ra rất nhanh, trong vài giây

đầu tiên của quá trình lọc nên rất khó phát hiện Nó được phát hiện thông qua sự suy

giảm tốc độ dòng chất lỏng qua màng sau khi rửa màng

Tắc màng do sự tích lũy vật chất dần dần: là sự suy giảm chậm của tốc độ

dòng chất lỏng qua màng trong suốt quá trình hoạt động của màng Nó có thể làm

giảm 50% lưu lượng dòng chảy qua màng sau vài phút hoặc vài tháng Hiện tượng

này có thể xảy ra do tác động của một chất độc trong một thời gian ngắn, nhưng

thông thường đó là kết quả của sự lắng đọng từ từ của các tạp chất trong dòng vào

lên màng Sự lắng đọng này thường đi kèm với quá trình tái cấu trúc tạo thành một

lớp cặn khá vững chắc gây khó khăn cho việc loại bỏ

II.3.3 Tác hại của tắc màng

Các chất bẩn bị đọng lại trong màng gây ra không ít khó khăn cho quá trình

vận hành màng:

b)

• Làm suy giảm tốc độ lọc của màng dẫn đến không đảm bảo yêu cầu xử lý;

• Giảm chất lượng dòng thấm qua màng;

• Tốn thời gian và hóa chất rửa màng, giảm chu kỳ hoạt động của màng;

• Một số chất gây tắc màng không thuận nghịch nên làm hỏng cấu trúc màng;

• Phải thay thế màng sớm hơn làm tăng chi phí lắp đặt, đầu tư và vận hành hệ

thống màng;

Tóm lại: tắc màng gây khó khăn cho việc vận hành kỹ thuật và gây thiệt hại kinh tế

II.3.4 Biện pháp phòng chống tắc màng

Để phòng chống tắc màng các biện pháp thường được sử dụng là: tiền xử lý để

giảm thiểu các tạp chất dễ gây tắc màng và vệ sinh màng để khôi phục tốc độ lọc

qua màng

Tiền xử lý: là các biện pháp xử lý nhằm loại bỏ các yếu tố có khả năng làm

bẩn màng Tùy thuộc vào chất lượng dòng vào mà có thể sử dụng một hay nhiều

biện pháp tiền xử lý khác nhau

Vệ sinh màng: khi màng bị tắc và nhiễm bẩn cần phải tiến hành vệ sinh màng

Quy trình cụ thể để rửa sạch màng phụ thuộc vào đặc trưng của nguồn nước cần lọc,

dạng và bản chất của màng, chất gây nhiễm bẩn, … Các phương pháp được sử dụng

để vệ sinh màng thường được chia thành hai nhóm là phương pháp vật lý và phương

pháp hóa học

• Phương pháp vật lý: Đặc điểm chung nhất của kỹ thuật này là quay vòng

dung dịch rửa với tốc độ lớn và sử dụng dòng rửa ngược để đánh bật các chất nhiễm

bẩn ra khỏi màng [9]

• Phương pháp hóa học: khi mà các biện pháp vật lý trên đã được áp dụng mà

vẫn không làm sạch được màng thì ta tiến hành làm sạch màng bằng cách ngâm

màng trong dung dịch hóa chất trong một khoảng thời gian nhất định Dung dịch

rửa màng có thể là: axit oxalic/citric, kiềm, hypoclorite, NaOCl, H2O2, phức chất

chelat, sản phẩm được pha chế sẵn, …[10]

Bên cạnh đó, giải pháp làm sạch màng còn kết hợp giữa 2 phương pháp trên

bằng cách sử dụng dòng rửa ngược kết hợp với hóa chất tăng cường sẽ làm cho quá

trình vệ sinh màng hiệu quả triệt để hơn

II.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA MÀNG

™ Kích thước mao quản: liên quan đến khả năng thấm qua màng nên ảnh

hưởng đến hoạt động của màng và hiệu quả xử lý

• Màng có kích thước thước mao quản càng bé thì khả năng giữ lại các tạp

chất càng tốt, nhưng đồng thời cũng dễ dàng bị nhiễm bẩn và tắc nên nhanh chóng

bị giảm tốc độ lọc và rút ngắn thời gian vận hành giữa hai lần vệ sinh màng Ngoài

ra kích thước mao quản bé cũng thường đòi hỏi áp suất động lực lớn hơn trong quá

trình vận hành để đảm bảo tốc độ lọc như yêu cầu nên làm tăng chi phí năng lượng

cung cấp

• Màng có kích thước mao quản càng lớn thì khả năng thấm qua màng càng tốt

nhưng khả năng lọc càng kém, nước sau lọc có nhiều khả năng còn chứa một số

chất bẩn chưa loại bỏ được Tuy nhiên khi đó quá trình vệ sinh màng tương đối dễ

dàng và áp suất động lực cần cung cấp không lớn

Trong một số lĩnh vực sản xuất yêu cầu chất lượng nước đầu vào cao, người ta

thường thực hiện kết hợp cả hai quá trình lọc: lọc qua màng có kích thước lỗ xốp

lớn và bé Đầu tiên nước được lọc qua màng có kích thước lỗ mao quản lớn, tiếp

theo nước lại được lọc qua màng có kích thước lỗ mao quản bé nhằm thu được nước

có chất lượng cao mà màng ít bị tắc hơn dẫn đến chi phí xử lý hợp lý hơn

™ Nồng độ và bản chất của thành phần cần loại bỏ:

Quá trình vận hành và tuổi thọ của màng liên quan trực tiếp đến chất lượng

nước đầu vào Để màng hoạt động an toàn, tránh các hiện tượng nhiễm bẩn, tắc

màng, phá hủy cấu trúc màng,… thì dung dịch lỏng đầu vào cần được lựa chọn hoặc

xử lý sơ bộ để phù hợp với điều kiện vận hành của màng đã chọn để sử dụng

™ Hàm lượng chất lơ lửng trong dòng vào:

Các chất lơ lửng ảnh hưởng trực tiếp đến sự nhiễm bẩn màng Nếu hàm lượng

chất lơ lửng cao thì tính thấm của màng giảm làm giảm đáng kể tốc độ lọc

™ Độ nhớt của dung dịch lỏng cần xử lý:

Độ nhớt sẽ làm tăng hay giảm tốc độ thấm của dung dịch lỏng qua màng, độ

nhớt giảm thì độ thấm tăng và ngược lại Độ nhớt của dung dịch lỏng phụ thuộc vào

thành phần và nhiệt độ của nước

™ Nhiệt độ:

Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng lọc của màng thông qua độ nhớt, nhiệt độ

tăng thì độ nhớt giảm Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng thấm qua màng thể hiện

Nhiệt độ nước thô còn ảnh hưởng tới sự bền vững của màng, nếu nhiệt độ

nước thô cao sẽ là cho màng chóng hỏng và giảm nhanh tuổi thọ

II.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ MÀNG

Trong giai đoạn đầu việc ứng dụng công nghệ màng còn hạn chế bởi các

nguyên nhân như các công nghệ truyền thống có thể đáp ứng được các yêu cầu xử

lý khá nghiêm ngặc trong khi đó chi phí đầu tư và vận hành hệ thống lọc màng khá

cao Hiện nay việc áp dụng các tiêu chuẩn chất lượng nước cao hơn nên công nghệ

truyền thống gặp khó khăn trong việc đảm bảo yêu cầu xử lý Đồng thời công nghệ

màng không ngừng được nghiên cứu cải tiến nên càng ngày càng hoạt động hiệu

quả và có giá thành cạnh tranh Thị trường công nghệ màng đã có những bước tăng

trưởng nhanh chóng

Ưu điểm: Công nghệ màng có những ưu điểm vượt trội so với các công nghệ

truyền thống khác:

- Không sử dụng hoặc sử dụng rất ít hóa chất trong quá trình xử lý nên giảm được

lượng lớn hóa chất sử dụng cũng như tác dụng tiêu cực của hóa chất;

- Tách được tạp chất cần loại bỏ và cả hóa chất còn dư trong quá trình tiền xử lý;

- Thường không có hay có rất ít sự tích tụ vật chất trong màng nên quá trình màng

hoạt động liên tục, ổn định và hiệu quả hơn quá trình tách bằng hấp phụ [11];

- Có thể thực hiện quá trình tách các chất mà không cần thực hiện sự đảo pha nên

hiệu quả tốt hơn quá trình chưng cất [11];

- Tiết kiệm không gian lắp đặt thiết bị;

- Hệ thống lọc màng có áp suất làm việc thấp thì giá thành rất có tính cạnh tranh;

- Có thể tự động hóa hoàn toàn nên giảm được lao động vận hành

Nhược điểm:

- Với hệ thống lọc màng có áp suất làm việc cao thì tiêu tốn năng lượng lớn;

- Đòi hỏi chất lượng nước đầu vào hệ thống xử lý phải phù hợp, nếu không thì tuổi

thọ của hệ thống sẽ giảm đi nhanh chóng, lọc màng thường thích hợp với nguồn

nước ngầm và nước mặt có hàm lượng cặn thấp;

- Để chống tắc màng thường phải có quá trình tiền xử lý, khi đó sẽ làm tăng mặt

bằng cần thiết cho toàn bộ hệ thống xử lý;

- Tốc độ lọc qua màng sẽ giảm dần theo thời gian và sau khi làm sạch màng thì có

thể sẽ không khôi phục được 100% tốc độ lọc ban đầu;

- Phải thay thế màng định kỳ để đảm bảo yêu cầu chất nước sau xử lý

II.6 CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH CÁC HỆ THỐNG LỌC

QUA MÀNG [7]

1- Áp lực: Dòng nước lọc được qua màng phụ thuộc vào độ chênh lệch áp lực

trước và sau màng, chênh lệch áp suất càng cao thì tốc độ thấm càng nhanh và

lượng nước lọc được càng lớn

2- Mật độ lắp ghép màng thành khối lọc: Được biểu thị bằng số diện tích của

màng lọc trong một đơn vị thể tích khối lọc, mật độ ghép màng càng lớn thì công

suất nước lọc được của một thể tích lọc càng cao

3- Công suất nước lọc: Công suất lọc nước của màng dạng sợi rỗng từ 6.10-3

đến 10,2.10-3 m3/m2 ngày, còn công suất lọc của mạng xếp dạng khung tấm từ 6.10-1

đến 10,2.10-1 m3/m2 ngày, nhưng mật độ ghép của màng sợi rỗng trong bộ lọc áp

lực lại cao hơn dạng khung tấm đến hơn 10 lần, do đó kích thước của bộ lọc cũng

gần như nhau Công suất nước lọc qua màng có khuynh hướng giảm dần theo thời

gian làm việc, sau 1-2 năm vận hành công suất có thể giảm từ 10 - 50%

4- Tỷ lệ nước lọc được qua màng: Tỷ lệ nước lọc được qua màng có thể đạt

được từ 75-95% lưu lượng nước thô cho vào lọc, thường vận hành ở khoảng 80%

Khi tỷ lệ nước lọc cao thì nồng độ chất bẩn còn lại trong nước thô (do rửa màng)

tuần hoàn lại càng cao Và nồng độ chất bẩn và muối trong nước thô đi vào lọc cũng

ngày càng cao, do đó chất lắng đọng trên bề mặt và chui vào lỗ rỗng của màng ngày

càng nhiều làm cho hiệu suất lọc ngày càng giảm

5- Tuổi thọ của màng: Tuổi thọ của màng rút ngắn rất nhanh khi trong nước thô

có phenol, vi khuẩn nấm, bào tử, có nhiệt độ nước cao và pH của nước quá thấp

hoặc cao Thường tuổi thọ của màng là 2 năm, sau 2 năm công suất lọc giảm

khoảng 40% hay có thể cao hơn và cần phải thay

6- Độ đục của nước thô: Màng thẩm thấu ngược làm việc tốt khi trong nước thô

không có cặn lơ lửng, trong thực tế thường phải xử lý nước thô trước để giảm độ

đục xuống còn ≤ 1 NTU hay < 2mg/l và nước thô không chứa các hạt cặn có kích

thước lớn hơn 25 µm

7- Vận tốc nước thô đi vào lọc: Để đảm bảo chế độ chảy trong các mao quản

sao cho loại trừ hiện tượng phân cực và lắng đọng trong màng, vận tốc nước thô

phải đạt được từ 1,2 - 76,2 cm/s Màng dạng khung tấm làm việc với trị số vận tốc

cao, màng dạng sợi rỗng thường lấy trị số thấp

8- Năng lượng: tiêu hao năng lượng phụ thuộc vào áp lực bơm nước và bộ lọc,

áp lực tăng dần theo thời gian để đảm bảo công suất lọc và do nồng độ muối trong

nước thô tăng dần nên năng lượng tiêu hao đối với hệ thống khửu nước lợ dao động

từ 0,5 – 2,5 kWh/m3 và với hệ thống khửu nước mặn là 2,4 - 4,5 kWh/m3

9- Tiền xử lý nước thô: Nước thô phải được xử lý trước để loại trừ độ đục,

giảm hợp chất có khả năng lắng đọng, đóng vảy cứng như CaCO3, CaSO4, oxit sắt,

mangan, bari, kẽm, canxi photphat,… và phải khử trùng và lọc nước để loại trừ vi

khuẩn, nấm, cặn hữu cơ và dầu

10- Rửa màng: Trong quá trình làm việc màng thường bị tắc, trít, công suất lọc

giảm, do đó phải có các biện pháp rửa màng hoặc bằng cơ học hoặc bằng hóa học

Thường lượng nước rửa chiếm khoảng 1-1,5% lượng nước đưa vào lọc, chu kỳ rửa

từ 24 - 48 giờ

II.7 MÀNG NANO XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM MẶN

II.7.1 Tính chất của màng NF

- Màng NF có thể được chế tạo từ vật liệu polyme hay vật liệu vô cơ Màng

bằng polyme hầu hết là màng đặc khít có cấu trúc dạng lưới và có sự xuất hiện của

một số ion nhờ sự tương tác với nước nên màng trương nở và có một số tính chất

đặc biệt Màng bằng vật liệu vô cơ thường là màng có kích lỗ từ 0,5 – 2nm, chúng

không bị trương nở trong môi trường nước và giữ nguyên được hình thái cả trong

điều kiện khô hoặc ướt Hầu hết màng NF là màng polyme chế tạo từ vật liệu

com-posite với lớp màng mỏng polyamides phủ lên bề mặt polysulphone [12]

- Kích thước lỗ của màng NF tương ứng với khối lượng phân tử giới hạn MW

= 200 – 500 g/mol nên màng có thể được ứng dụng để tách các phân tử có khối

lượng lớn [13]

- Màng NF có bề mặt tích điện yếu Nhờ kích thước lỗ của NF nhỏ hơn kích

thước của các ion nên tương tác tích điện này đóng vai trò quan trọng trong quá

trình phân tách bằng NF Tính chất này dùng để tách các ion có hóa trị khác nhau

- NF có thể loại trừ được khoảng 95% muối kim loại hóa trị II và 40% - 60%

muối của kim loại hóa trị I nên NF được sử dụng để khử độ mặn của nước biển và

nước lợ Ngày nay với sự cải tiến trong công nghệ chế tạo, các sản phẩm màng NF

ngày càng được nâng cao cả về tính năng lẫn hiệu suất xử lý [14]

II.7.2 Cơ chế tách trong quá trình lọc màng NF [32]

Cơ chế vận chuyển chất và quá trình tách của màng NF được cho là khá phức

tạp Tùy thuộc vào vật liệu chế tạo màng, tính chất bề mặt màng hay bản chất dung

dịch cần tách mà cơ chế tách diễn ra khác nhau Dựa vào bản chất của dung dịch

cần tách thì quá trình tách bằng màng NF xảy ra các cơ chế sau:

- Nếu dung dịch cần tách là dung dịch không điện ly (điện ly yếu):

+ Đối với màng vô cơ: cơ chế sàng (rây lọc) đóng vai trò quan trọng Khi đó

các phần tử được phân tách khỏi nhau nhờ kích thước vật lý của lỗ màng Cơ chế

này xảy ra khi cần phân tách các cấu tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ màng

+ Đối với màng polyme: cơ chế hòa tan-khuếch tán giữ vai trò chủ yếu Dung

môi sẽ thấm vào vật liệu màng và khuếch tán xuyên qua màng với sự giảm gradient

nồng độ Các cấu tử thấm qua màng và được phân tách nhờ vào sự khác nhau về độ

hòa tan (ái lực với màng polyme) và vận tốc khuếch tán xuyên qua màng

- Nếu dung dịch cần tách là dung dịch điện ly: khi đó cơ chế hòa tan - khuếch

tán và cơ chế loại trừ Donnan được cho là hai cơ chế chính của quá trình phân tách

Loại trừ Donnan: màng NF là màng tích điện tự nhiên, bề mặt màng thường

chứa các nhóm mang điện tích khác nhau, trong đó phần lớn là các nhóm chức

mang điện âm như nhóm cacboxyl ( COO-) của axit cacboxylic hay nhóm của axit

sulphonic ( SO3-), Khi đó nếu chất tan tích điện trái dấu với màng sẽ bị hút và

ngược lại nếu tích điện cùng dấu sẽ bị đẩy Loại trừ Donnan hay khả năng tách các

thành phần mang điện nhờ khả năng tích điện của màng chính là điểm khác biệt

trong cơ chế lọc của màng NF so với màng RO [15]

II.7.3 Vệ sinh màng NF

™ Các chất gây nhiễm bẩn và tắc màng [16]:

Các chất gây nhiễm bẩn và tắc màng thường gặp là:

− Cặn khoáng canxi cacbonat:

• Nguyên nhân: việc bổ sung chất chống cáu cặn vào nước nguồn chưa hiệu

quả hoặc việc điều chỉnh pH của nước nguồn làm cho nước có độ pH cao dẫn tới

CaCO3 dễ dàng lắng đọng tạo cặn;

• Tác hại: màng bị tắc, gây tác hại cho hoạt động của màng;

• Cách khắc phục: cặn CaCO3 cần được phát hiện sớm và xử lý để bảo vệ hoạt

động của màng Cặn CaCO3 có thể được loại bỏ bằng cách điều chỉnh nước đầu vào

ở pH = 3 5 trong thời gian một hoặc 2 giờ hoặc được làm sạch bằng axít citric

− Cặn Canxi sunphat, bari sunphat, stronti sunphat:

• Nguyên nhân: việc bổ sung chất chống cáu cặn vào nước nguồn chưa hiệu

quả hoặc việc sử dụng axít sunphuric trong điều chỉnh pH của nước nguồn;

• Tác hại: gây tắc màng;

• Cách khắc phục: cặn sunphat được xem là cặn “cứng” và khó loại bỏ hơn cặn

canxi cacbonat Đặc biệt là cặn bari và stronti sunphat rất khó loại bỏ vì chúng

không tan trong hầu hết các dung dịch rửa màng, vì vậy cần quan tâm chú ý để ngăn

chặn sự hình thành của chúng

− Cặn canxi photphat: cặn này đặc biệt phổ biến trong nguồn nước cấp bị ô

nhiễm hay nước thải đô thị Cặn photphat canxi có thể được loại bỏ với tác nhân

làm sạch có pH axít

− Ôxit kim loại và hydroxit của chúng (sắt, mangan, đồng, niken, nhôm, …):

có nguồn gốc từ sự ăn mòn đường ống, bể chứa; tác dụng giữa ion kim loại hòa tan

với tác nhân oxy hóa như không khí, clo, ôzôn, kali pemanganat hay có nguồn gốc

từ quá trình tiền xử lý do việc sử dụng chất keo tụ là phèn nhôm hay phèn sắt;

− Cặn silica polyme hóa: cặn này có kết quả từ quá trình quá bảo hòa và

po-lyme hóa silica hòa tan, nó khác với cặn silica dạng keo có khả năng kết hợp với

hydroxit kim loại và chất hữu cơ Cặn silica polyme hóa rất khó loại bỏ bằng

phương pháp làm sạch với hóa chất truyền thống, làm sạch bằng dung dịch amoni

biflouride là biện pháp làm sạch mạnh đã thu được một số thành công nhưng lại dễ

gây hư hại cho thiết bị;

− Cặn dạng keo: có thể là keo vô cơ hay hỗn hợp vô cơ và hữu cơ, các phần tử

này sẽ lơ lửng trong nước và không bị lắng xuống dưới tác dụng của trọng lực, cặn

dạng keo thường bao gồm một hay nhiều thành phần chính như: sắt, nhôm, sunphua

hay chất hữu cơ, …;

− Chất hữu cơ tự nhiên (NOM): có nguồn gốc từ sự phân hủy của thực vật vào

nước mặt hoặc giếng nước nông, cấu trúc hóa học của chất gây tắc màng dạng hữu

cơ này rất phức tạp với thành phần hữu cơ chủ yếu là axit humic hoặc axit fulvic

NOM hòa tan có thể nhanh chóng làm tắc màng vì bị hấp phụ vào bề mặt màng,

một khi sự hấp phụ đã xảy ra thì quá trình tạo ra các dạng gel hay lớp cặn sẽ bắt đầu

hình thành;

− Vi sinh vật (vi khuẩn, vi rút, nấm, …): sự lắng đọng vi sinh vật có thể rất khó

loại bỏ, đặc biệt là khi đường ống dẫn dòng vào bị bịt kín, khi đó rất khó để đưa

dung dịch rửa vào màng và phân phối dung dịch, để ngăn chặn sự tăng trường của

vi sinh vật thì không chỉ cần thiết phải vệ sinh hệ thống màng lọc mà còn vệ sinh cả

quá trình tiền xử lý, đường ống,

Như vậy màng cần được vệ sinh để loại bỏ cặn bẩn làm tắc màng và khôi phục khả

năng lọc của màng

Xác định thời điểm cần vệ sinh màng NF [16]: căn cứ để tiến hành vệ sinh màng

được xác định dựa vào một trong những thông số sau:

− Tốc độ dòng thấm giảm ∆ % 10%;

− Nồng độ muối trong dòng thu hồi tăng ∆ % 5 10%;

− Chênh lệch áp suất giảm ∆ % 10 15 % (∆ = áp suất đầu vào – áp suất

dòng thải)

Quá trình vệ sinh màng cần được tiến hành trước khi các thông số này vượt

quá các giá trị trên để đảm bảo phục hồi và duy trì “điều kiện sạch” của màng Nếu

quá trình làm sạch diễn ra chậm trễ thì sự bám cặn có thể làm ảnh hưởng làm hỏng

màng ở mức độ không thể phục hồi từ đó làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của màng

Tần số làm sạch màng thay đổi phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể, thông

thường tần số là rửa một lần trong mỗi khoảng thời gian từ 3 đến 12 tháng

™ Các bước vệ sinh màng NF [16], [17]:

Vệ sinh màng cần được tiến hành qua 3 bước cơ bản sau:

• Rửa cơ học bằng nước sạch;

• Rửa và ngâm bằng hóa chất vệ sinh màng;

• Rửa lại bằng nước sạch

™ Lựa chọn hóa chất rửa màng theo dạng cặn tương ứng [16], [17]:

Hóa chất sử dụng cho quá trình vệ sinh màng phải được lựa chọn tương ứng

với thành phần gây cáu cặn chính hoặc theo khuyến nghị của nhà sản xuất [Chi tiết

tham khảo phụ lục 3] Hệ thống màng NF thường không khôi phục được hoàn toàn

khả năng làm việc như ban đầu sau khi vệ sinh màng nên việc vệ sinh màng NF cần

được thực hiện đều đặn và chu đáo để duy trì hiệu suất làm việc và tuổi thọ của

màng

Việc tính toán hệ thống màng NF được thực hiện nhờ công cụ hỗ trợ là phần

mềm ROSA

II.8 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM ROSA [16]

− Lưu lượng dòng thấm qua màng (Q) tỷ lệ với diện tích ướt của màng (S) và được

tạo ra bởi áp suất động lực ∆ ∆ :

∆ ∆ Với: A: hệ số thấm của màng

S: diện tích màng

∆ : chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng

∆ : áp suất thẩm thấu qua màng

− Dòng muối đi qua màng NA tỷ lệ với sự chênh lệch nồng độ muối ở hai phía của

màng:

Với: B: hệ số khuếch tán muối

: nồng độ muối trung bình trong dòng vào

: nồng độ dòng thấm

Để tính toán thiết kế hệ thống màng có hai cách cơ bản, đó là: “Từ lõi đến lõi”

(Element – to – Element) và “Đầu vào hệ thống” (Entire System) Trong đó phương

pháp tính toán từ lõi sang lõi là chặt chẽ nhất Nó được dùng để tính tay nhưng lại

rất phù hợp với các tính toán bằng máy tính và phần mềm ROSA được xây dựng

trên cách tính này

Phương pháp tính “Từ lõi sang lõi” (Element – to – Element):

Các công thức cơ bản của phương pháp này như sau

− Lưu lượng dòng thấm qua lõi thứ i:

∆2

− Áp suất thẩm thấu trung bình bên dòng nồng độ:

− Áp suất thẩm thấu trung bình bên dòng thấm:

1

− Áp suất thẩm thấu của dòng vào:

1.12 273

− Tỷ số giữa giá trị trung bình của nồng độ trong dòng nồng độ tổng và nồng độ

trong dòng vào cho lõi lọc thứ i:

1

2 1

− Tỷ số giữa nồng độ của dòng nồng độ và dòng vào đối với lõi thứ i (dòng nồng độ

tạo ra tại lõi thứ i):

1 1 1 … 1 1 1Trong đó:

Q i : Lưu lượng dòng thấm của lõi I (gpd) : Hệ số phân cực nồng độ của lõi i

: Độ thấm của màng tại 25 o C đối với

lõi thứ I, là hàm số của áp suất thẩm

thấu trung bình bên dòng nồng độ

: Tỷ lệ loại muối của lõi thứ i,

ò à

: Diện tích bề mặt của mỗi lõi màng : Nồng độ trung bình của bên dòng

nồng độ tại lõi i TCF : Hệ số điều chỉnh nhiệt độ cho độ

∆ : Độ giảm áp suất bên dòng nồng độ tại

: Áp suất thẩm thấu trung bình bên

: Áp suất thẩm thấu của dòng vào lõi i n : Số lượng lõi màng trong một vỏ chịu

áp : Áp suất thẩm thấu phía bên dòng

Quá trình tính toán công nghệ cho nhà máy xử lý nước ứng dụng công nghệ

màng NF để lọc muối được trình bày cụ thể trong chương III

CHƯƠNG III:

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ DÂY CHUYỀN

XỬ LÝ NƯỚC CẤP III.1 THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC XỬ LÝ VÀ LỰA CHỌN QUY

TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

III.1.1 Thông số chất lượng nước xử lý

Nguồn nước được lựa chọn để xử lý là nguồn nước sông Hàn của Đà Nẵng, tại

vị trí cầu Tuyên Sơn cách cửa sông 4km về phía thượn nguồn, có các thông số chất

lượng nước như sau:

Bảng 3.1 Thông số quan trắc chất lượng nước sông Hàn (Đà Nẵng)

QCVN QCVN-01

2009/BYT

8/2008-BTNMT (Cột A 1 )

Ghi chú: KPH – không phát hiện

Nguồn: Thông số quan trắc chất lượng nước sông Hàn (Đà Nẵng) tháng 7 năm 2009 tại cầu Tuyên

Sơn Phòng quan trắc – Chi cục Bảo vệ Môi trường khu vực Miền Trung và Tây nguyên

Nhận xét về chất lượng nguồn nước:

- So sánh với Quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước ăn uống (QCVN01:

2009/BYT) và Quy chuẩn về chất lượng nước mặt (QCVN08/2008-BTNMT) thì

nguồn nước này có phần lớn các thông số chất lượng nước phù hợp có thể dùng

làm nguồn nước cấp cho các trạm xử lý nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt;

- Điểm đáng chú ý là nguồn nước bị nhiễm mặn nhẹ (nước lợ) với nồng độ các

ion như Na+ và Cl- vượt quá tiêu chuẩn cho phép nên cần có công nghệ xử lý

thích hợp để vừa đảm bảo yêu cầu xử lý vừa đáp ứng được yêu cầu kinh tế, công

nghệ được lựa chọn sử dụng là công nghệ lọc màng Nano;

- Có 10 chỉ tiêu vượt quá quy chuẩn và cần được xử lý, cụ thể là: TSS, độ đục,

độ màu, Na+, Ba2+, Cl-, COD, dầu mỡ, Coliform, Fecal coliform/100ml;

- Hàm lượng cặn, độ đục và độ màu lớn hơn các chỉ tiêu chất lượng nước cấp

cho sinh hoạt nên cần làm trong nước và khử màu Nước thô có hàm lượng cặn nằm

trong khoảng từ 150 220 mg/l (< 2500 mg/l) nên dây chuyền công nghệ xử lý

không cần dùng bể lắng sơ bộ

Như vậy đối với nguồn nước đã chọn có thể sử dụng quá trình xử lý cơ bản

(lắng và/hoặc lọc) để làm trong nước và khử mặn bằng công nghệ màng

III.1.2 Lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý

Để lựa chọn được các dây chuyền công nghệ xử lý nước lợ phù hợp với các

vùng ven biển và duyên hải nước ta hiện nay cần dựa vào các nguyên tắc sau:

− Phù hợp với thành phần và tính chất của nguồn nước lợ;

− Phù hợp với điều kiện kinh tế, tự nhiên và xã hội của vùng;

− Phải kết hợp được trước mắt và lâu dài, đầu tư xây dựng phải theo khả năng

về tài chính nhưng cũng phải bám sát được một dây chuyền công nghệ hoàn

chỉnh nhằm từng bước cải thiện công nghệ hiện đại trong tương lai

Từ chất lượng nước nguồn đầu vào hệ thống xử lý như trên có thể đề xuất các

sơ đồ quy trình công nghệ xử lý sau để làm trong và khử mặn nhằm đảm bảo chất

lượng nước cấp:

™ Sơ đồ 1:

Hình 3.1 Dây chuyền xử lý dùng bể lọc áp lực và màng NF

Thuyết minh công nghệ:

Đầu tiên nước nguồn từ công trình thu sẽ được bổ sung chất điện ly cao phân

tử rồi đưa vào bể lọc áp lực Chất điện ly cao phân tử có tác dụng kết nối các hạt

cặn có kích thước nhỏ, các dạng keo phân tán trong nước tạo thành hạt có kích

thước lớn hơn để dễ dàng bị giữ lại trong bể lọc Bể lọc áp lực là dạng bể lọc nhanh

kín, không chỉ có tác dụng làm trong nước nhờ khả năng lọc hiệu quả các loại cặn

bẩn trong nước mà còn có tác dụng loại bỏ một phần các vi sinh vật trong nước

Công trình thu

Thiết bị hấp phụ

Bơm rửa lọc

Nước mặt

bùn cặn

Chôn lấp bùn

Màng NF

Khử trùng nước

BỂ CHỨA NƯỚC NGỌT

Bể chứa trung gian

Ổn định nước

Hóa chất

rửa màng

Bơm rửa màng Màng MF

Chất điện

ly cao phân tử

Chất

chống cáu

cặn

Hộ sử dụng