Công nghệ chưng cất màng khử mặn nước biển để cung cấp nước uống cho người dân trên các đảo nhỏ của Việt Nam

Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên một hệ thống khử mặn nước biển sử dụng công nghệ MD ở quy mô hiện trường (công suất 1 m3 /ngày) được thiết kế, lắp đặt và triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại Việt Nam. Hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ MD với nước cấp là nước biển được vận hành ở các điều kiện nhiệt độ và lưu lượng tuần hoàn khác nhau để khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống.

THỬ NGHIỆM CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN ĐỂ CUNG CẤP NƯỚC UỐNG CHO NGƯỜI DÂN

TRÊN CÁC ĐẢO NHỎ CỦA VIỆT NAM

Dương Công Hùng1, Trịnh Văn Giáp2, Trần Thị Thu Lan2*

TÓM TẮT

Chưng cất màng (tên tiếng Anh là Membrane Distillation, viết tắt là MD) là công nghệ khử mặn rất hứa hẹn

để đáp ứng nhu cầu nước uống cho các cộng đồng dân cư ở những khu vực duyên hải ven biển xa xôi và

trên các đảo, hải đảo MD là công nghệ lai ghép giữa một chưng cất truyền thống với một quá trình tách

màng, do đó công nghệ này thừa hưởng những ưu điểm của cả hai quá trình trên Trên thế giới, công nghệ

MD đã được nghiên cứu và phát triển cho các hệ thống khử mặn nước biển để cung cấp nước uống với quy

mô lên đến 100 m3/ngày Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên một hệ thống khử mặn nước biển sử dụng

công nghệ MD ở quy mô hiện trường (công suất 1 m3

/ngày) được thiết kế, lắp đặt và triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại Việt Nam Hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ MD với nước cấp là nước biển được vận

hành ở các điều kiện nhiệt độ và lưu lượng tuần hoàn khác nhau để khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ

thống Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ dòng nước cấp và lưu lượng tuần hoàn ảnh hưởng mạnh lên

thông lượng cất nước và điện năng tiêu thụ của hệ thống MD Khi vận hành ở nhiệt độ dòng cấp là 800C, lưu

lượng tuần hoàn nước là 360 L/h, hệ thống có thể cung cấp 45 L/h nước cất đạt tiêu chuẩn nước uống với

điện năng tiêu thụ riêng là 96 kWh/m3

nước cất Với giá bán điện trên đảo An Bình là 2.200 đồng/kWh, chi phí vận hành (bao gồm tiền điện và nhân công lao động) để điều chế 1 m3

nước uống từ nước biển bằng công nghệ MD là 511.200 đồng

Từ khóa: Chưng cất màng, công nghệ màng, khử mặn nước biển

1 GIỚI THIỆU3

Công nghệ chưng cất màng (được gọi là công

nghệ MD, viết tắt của từ Membrane Distillation) là

một công nghệ khử mặn rất tiềm năng để đáp ứng

nhu cầu nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới

(González et al., 2017; Alsebaeai, Ahmad, 2020;

Suwaileh et al., 2020) Công nghệ MD dựa trên sự

bay hơi và ngưng tụ của hơi nước để khử mặn giống

như công nghệ chưng cất truyền thống, nhưng sử

dụng màng lọc để thúc đẩy quá trình bay hơi và

ngưng tụ này Màng lọc sử dụng trong công nghệ

MD là màng kỵ nước, vi xốp với các lỗ xốp có kích

thước khoảng 0,2 m (Wang, Chung, 2015; Ghaffour

et al., 2019) Nhờ tính chất kỵ nước, màng lọc MD

chỉ cho hơi nước truyền qua nhưng ngăn không cho

nước lỏng thấm qua các lỗ màng Trong quá trình

MD, khi gia nhiệt dòng nước biển để tạo áp suất hơi

nước chênh lệch giữa hai bề mặt màng, nước sẽ bốc

1

Bộ môn Kỹ thuật Môi trường, Khoa Hóa - Lý kỹ thuật,

Học viện Kỹ thuật Quân sự

2

Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam

*Email: thulan180679.vn@gmail.com

hơi từ bên dòng nước biển mặn nóng, dịch chuyển qua các lỗ màng và sau đó ngưng tụ thành nước cất ở bên dòng nước cất mát Hoạt động dựa trên nguyên

lý này, công nghệ MD có nhiều ưu điểm đáng kể: hoạt động ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn và chất lượng ban đầu của nước biển cấp vào; có khả năng thu được nước cất với độ tinh khiết rất cao; có thể tận dụng các nguồn nhiệt dư hay nhiệt mặt trời để cung cấp năng lượng giúp giảm chi phí Thực tế là trên thế giới đã

có rất nhiều nghiên cứu phát triển các hệ thống MD khử mặn nước biển sử dụng các nguồn nhiệt dư từ các quá trình công nghiệp khác hay năng lượng mặt trời với công suất lên đến 100 m3/ngày (Shim et al., 2015; Dow et al., 2016; Andrés - Mañas et al., 2018; Andrés - Mañas et al., 2020)

Nghiên cứu này đã tiến hành phân tích nguyên

lý hoạt động, quá trình truyền nhiệt và chuyển khối,

ưu và nhược điểm của bốn cấu hình hệ thống MD cơ bản để chỉ ra cấu hình phù hợp cho ứng dụng khử mặn nước biển để cung cấp nước uống cho các hộ dân trên một đảo nhỏ Trên cơ sở phân tích cấu hình, một hệ thống MD ở quy mô hiện trường với công suất 1 m3/ngày đã được thiết kế, lắp đặt và triển khai khảo sát thực nghiệm để khử mặn nước biển cung

cấp nước uống trên đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn

Hệ thống MD được khảo sát ở các chế độ vận hành

khác nhau để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ

thống, đặc biệt là công suất cất nước, điện năng tiêu

thụ, và chất lượng nước cất thu được Đảo An Bình có

diện tích 0,69 km2, nằm cách đảo Lý Sơn 7 km và

cách đất liền khoảng 34 km và có khoảng 120 hộ dân

sinh sống Do điều kiện địa chất rất đặc biệt, đảo An

Bình không có hệ thống nước ngầm và phải phụ

thuộc hoàn toàn vào nguồn nước mưa và nước vận

chuyển ra từ đảo Lý Sơn để đáp ứng nhu cầu nước

uống của người dân trên đảo Trong những năm gần

đây, đảo An Bình nói riêng và huyện đảo Lý Sơn nói

chung đang trở thành một điểm đến hấp dẫn của

khách du lịch, cùng với đó là nhu cầu nước uống

ngày càng cao Do đó, việc nghiên cứu và triển khai

hệ thống khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ để đáp

ứng nhu cầu nước uống trên đảo An Bình có ý nghĩa

kinh tế, xã hội rất lớn Ứng dụng và triển khai công

nghệ MD để khử mặn nước biển sẽ giúp đảo An Bình

có thể chủ động trong việc đáp ứng nhu cầu nước

uống của người dân và khách du lịch trên đảo

2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1 Các cấu hình cơ bản của hệ thống MD

Trong thực tế, các hệ thống MD được thiết kế và

vận hành dựa trên bốn cấu hình cơ bản gồm: chưng

cất màng trực tiếp (direct contact membrane

distillation, DCMD), chưng cất màng chân không

(vacuum membrane distillation, VMD), chưng cất

màng khí cuốn (sweep gas membrane distillation,

SGMD) và chưng cất màng đệm khí (air gap membrane distillation, AGMD) (Wang, Chung, 2015) Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình cơ bản này được thể hiện trên hình 1 Trong cả bốn cấu hình này, cấu trúc của khoang cấp là không thay đổi: dòng nước biển mặn nóng tiếp xúc trực tiếp với màng lọc

và màng lọc ngăn không cho nước biển thấm qua màng Song cấu trúc khoang thấm của bốn cấu hình lại khác nhau tùy thuộc vào cách thức để tạo ra và duy trì sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa hai bên

bề mặt màng

Cấu hình DCMD có cấu trúc đơn giản nhất với dòng nước cất mát tiếp xúc trực tiếp với màng lọc ở bên khoang thấm (hình 1a) Nhiệt độ chênh lệch giữa dòng nước biển nóng và dòng nước cất mát tạo

ra sự chênh lệch áp suất hơi nước, tạo động lực cho

sự chuyển dịch của nước (ở dạng hơi) từ dòng nước biển qua các lỗ màng sang dòng nước cất Tuy nhiên, cấu trúc đơn giản này lại làm giảm hiệu suất nhiệt của cấu hình DCMD Do dòng nước mặn nóng và dòng nước cất mát chỉ được ngăn cách bởi lớp màng mỏng, có một lượng nhiệt đáng kể truyền do dẫn nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh qua màng lọc Lượng nhiệt truyền qua màng lọc này là nhiệt tổn thất do không liên quan đến sự dịch chuyển của hơi nước qua màng Các nghiên cứu thực nghiệm công

bố trước đã chỉ ra rằng lượng nhiệt tổn thất có thể chiếm > 50% tổng lượng nhiệt tiêu thụ của cấu hình DCMD

Hình 1 Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình hệ thống MD cơ bản

Để hạn chế tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt, trong

cấu hình VMD và SGMD dòng nước cất mát được

tách không cho tiếp xúc với màng lọc Để tạo ra áp

suất chênh lệch giữa 2 bên bề mặt màng, người ta áp

dụng một áp suất chân không trong khoang cấp cấu

hình VMD, hay thổi một dòng khí qua khoang cấp

của cấu hình SGMD (Hình 1b và c) Nhờ cấu trúc

này, nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua màng được hạn

chế, trong khi động lực cho sự dịch chuyển của hơi

nước qua các lỗ màng vẫn được đảm bảo Do đó, cấu

hình VMD và SGMD có hiệu suất nhiệt và đạt được

thông lượng cất nước cao hơn đáng kể so với cấu

hình DCMD (Wang, Chung, 2015) Tuy nhiên,

nhược điểm của cấu hình VMD và SGMD là phải sử

dụng nhiều thiết bị phụ trợ như là bơm chân không,

quạt khí và hệ thống ngưng tụ hơi nước tách rời bên

ngoài mô đun màng lọc Điều này làm cho các hệ

thống MD sử dụng cấu hình VMD và SGMD có cấu

tạo phức tạp, chi phí lắp đặt và vận hành cao hơn so

với cấu hình DCMD Do đó, cấu hình VMD và

SGMD chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng

khác không phải là khử mặn nước biển

Cấu hình AGMD (Hình 1d) vừa đảm bảo cấu

trúc đơn giản của cấu hình DCMD, vừa có khả năng

hạn chế tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt qua màng lọc

như cấu hình VMD và SGMD Trong khoang cấp của

cấu hình AGMD, một tấm ngưng được chèn vào tạo

lên một lớp đệm không khí giữa dòng nước làm mát

và màng lọc, do đó làm giảm sự dẫn nhiệt qua màng

nhờ tác dụng cách nhiệt của lớp không khí Hơi nước

bốc lên từ bên dòng nước biển nóng, dịch chuyển

qua các lỗ màng và lớp không khí đến bề mặt tấm

ngưng và ngưng tụ thành nước cất trên bề mặt tấm

ngưng này Với cấu trúc này, cấu hình AGMD cho

phép hơi nước ngưng tụ thành nước cất ngay bên

trong mô đun màng lọc mà không cần đến các thiết

bị bổ trợ như là bơm chân không, quạt gió và thiết bị

ngưng tụ hơi nước bên ngoài như trong cấu hình

VMD và SGMD Đặc biệt, việc ngăn cách dòng làm

mát và dòng nước cất trong cấu hình AGMD cho

phép sử dụng dòng nước biển là dòng làm mát để tận

dụng nhiệt tỏa ra từ quá trình ngưng tụ hơi nước gia

nhiệt sơ bộ dòng nước biển trước khi đi vào khoang

cấp Cơ chế này giúp giảm đáng kể nhiệt năng cần để

gia nhiệt dòng nước cấp Với cấu trúc đơn giản và

hiệu suất nhiệt cao, AGMD là cấu hình được sử dụng

phổ biến nhất trong các hệ thống MD khử mặn nước

biển ở quy mô hiện trường và lớn hơn

Trong một nghiên cứu được công bố gần đây, Hung Cong Duong và đồng tác giả (2016) đã tiến hành khảo sát hoạt động và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của một quá trình MD khử mặn nước biển sử dụng cấu hình AGMD Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ việc tuần hoàn dòng nước biển cấp vào khoang làm mát để tận dụng nhiệt ngưng tụ của hơi nước giúp nâng nhiệt độ dòng cấp lên đáng

kể Ví dụ như, khi vận hành ở lưu lượng tuần hoàn là

150 L/h, nước biển cấp vào khoang làm mát có nhiệt

độ ban đầu là 250C sẽ được đun nóng đến nhiệt độ

670C sau khi ra khỏi khoang làm mát Sau đó, chỉ cần gia nhiệt bổ sung để nâng nhiệt độ dòng cấp từ 670C đến 700C để tạo một nhiệt độ chênh lệch T = 30C,

hệ thống AGMD đã có thể đạt được thông lượng cất nước là 1,3 L/m2h Sử dụng một mô đun màng lọc AGMD hình trụ với kích thước (đường kính  chiều cao) là 0,4  0,5 cm, hệ thống có thể điều chế 9,5 L/h nước cất với độ tinh khiết rất cao từ nước biển Các kết quả nghiên cứu của Hung Cong Duong và đồng tác giả (2016) cùng với nhiều nghiên cứu khác đã chứng tỏ sự phù hợp của cấu hình AGMD cho ứng dụng khử mặn nước biển cung cấp nước uống 2.2 Thiết kế hệ thống MD ở quy mô hiện trường Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các cấu hình cơ bản và tham khảo các nghiên cứu công bố trước đây, đã lựa chọn cấu hình AGMD cho hệ thống

MD ở quy hiện trường công suất 1 m3/ngày Hệ thống MD triển khai trên đảo An Bình bao gồm 3 mô đun màng lọc AGMD (cung cấp bởi Aquastill, Hà Lan) được bố trí song song, 1 bể chứa nước cấp, 1 bể nước nóng và 1 bình thu nước cất (Hình 2) Mỗi mô đun màng lọc có kích thước (đường kính  chiều cao) là 0,6  0,5 m, với diện tích bề mặt màng là 25,9

m2 Hệ thống MD được tích hợp một trở và một máy lạnh (mỗi thiết bị có công suất là 3 kW) để cung cấp nhiệt cho bể nóng và lạnh cho bể chứa nước cấp Nhiệt độ của nước trong bể nước nóng và trong bể nước cấp mát được đo bằng nhiệt kế PT100 gắn với

bộ điều khiển và hiển thị Điện năng tiêu thụ của hệ thống MD được ghi nhờ sử dụng một đồng hồ đo điện tích hợp trên hệ thống điều khiển và hiển thị Trong nghiên cứu này, hệ thống MD được vận hành hoàn toàn bằng điện: điện cấp cho bơm tuần hoàn nước, điện vận hành trở và máy lạnh và điện cho hệ thống điều khiển và hiển thị Nước biển trước khi cấp vào hệ thống MD được bơm từ một giếng đào trên bãi biển An Bình qua một lõi lọc thô (sử dụng các sợi

màng lọc có đường kính lỗ 1 m) để giảm các chất

cặn bẩn lơ lửng trong nước biển

Hình 2 Hệ thống MD ở quy mô hiện trường được lắp

đặt và khảo sát trên đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn,

Quảng Ngãi

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Hoạt động của hệ thống MD ở các điều kiện

vận hành khác nhau

Trong quá trình MD khử mặn nói chung, các

thông số vận hành có nhiều ảnh hưởng đến hoạt

động của hệ thống MD bao gồm: nhiệt độ dòng cấp,

lưu lượng tuần hoàn nước và độ mặn của nước cấp

Độ mặn của nước biển lấy tại đảo An Bình trong thời

gian khảo sát ổn định trong khoảng 32.000  2.000

mg/L Do đó, hoạt động của hệ thống MD trên đảo

An Bình được khảo sát khi vận hành ở các điều kiện

nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn nước khác

nhau Hiệu quả hoạt động của hệ thống được đánh

giá dựa trên 3 tiêu chí: thông lượng cất nước (thể tích

nước cất thu được trên một đơn vị diện tích bề mặt

màng trong một đơn vị thời gian, L/m2h), điện năng

tiêu thụ riêng (điện năng tiêu thụ để thu được 1 m3

nước cất, kWh/m3) và độ tinh khiết của nước cất thu

được (đánh giá bằng độ dẫn điện của nước cất,

S/cm)

Kết quả vận hành thực nghiệm cho thấy nhiệt độ

dòng cấp ảnh hưởng mạnh đến thông lượng cất nước

và điện năng tiêu thụ của hệ thống MD khử mặn

nước biển (Hình 3) Tăng nhiệt độ dòng cấp từ 600C

lên 800C giúp tăng thông lượng cất nước gần như gấp

đôi, từ 0,3 L/m2h lên 0,6 L/m2h Tương ứng với sự

tăng lên của thông lượng cất nước, điện năng tiêu thụ

riêng của hệ thống MD giảm từ 140 kWh/m3 tại

nhiệt độ dòng cấp là 600C xuống khoảng 87 kWh/m3

ở nhiệt độ dòng cấp là 800C Kết quả thực nghiệm

thu được phù hợp với các kết quả nghiên cứu công

bố trước đây về quá trình MD trong đó năng lượng

tiêu thụ chủ yếu là năng lượng dành cho việc gia

nhiệt dòng cấp Khi tăng nhiệt độ dòng cấp mà vẫn

giữ nguyên nhiệt độ đầu vào của dòng làm mát, nhiệt

độ chênh lệch giữa 2 bên bề mặt màng tăng lên, áp suất hơi nước bão hòa chênh lệch giữa 2 bề mặt màng lớn hơn Hơi nước dịch chuyển qua các lỗ màng với tốc độ nhanh hơn, do đó thông lượng cất nước lớn hơn Nâng nhiệt độ dòng cấp cũng làm tăng điện năng tiêu thụ của hệ thống (điện năng dùng cho gia nhiệt và làm lạnh), nhưng tốc độ tăng của điện năng tiêu thụ thấp hơn so với tốc độ tăng của thông lượng cất nước Nhờ vậy, điện năng tiêu thụ riêng của hệ thống (điện năng tiêu thụ/thể tích nước cất thu được) lại giảm xuống khi tăng nhiệt độ dòng cấp

Hình 3 Thông lượng cất nước và năng lượng tiêu thụ của hệ thống MD khi thay đổi nhiệt độ đầu vào của

dòng nước cấp nóng Cùng với nhiệt độ đầu vào của dòng cấp, lưu lượng tuần hoàn nước cũng là một thông số ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả hoạt động của hệ thống

MD ở quy mô hiện trường Tăng lưu lượng tuần hoàn nước cũng làm tăng thông lượng cất nước và giảm điện năng tiêu thụ của hệ thống MD (Hình 4) Có 2

cơ chế giải thích cho ảnh hưởng tích cực của lưu lượng tuần hoàn nước lên thông lượng cất nước và điện năng tiêu thụ riêng của hệ thống Thứ nhất, khi tăng lưu lượng cất nước trong điều kiện nhiệt độ đầu vào của dòng cấp và dòng làm mát được giữ nguyên

ở 800C và 250C, nhiệt độ chênh lệch giữa 2 bên bề mặt màng (giữa khoang cấp và khoang làm mát) sẽ tăng lên do thời gian lưu ở bên trong khoang làm mát của dòng làm mát ngắn hơn Nhiệt độ chênh lệch giữa hai bên bề mặt màng tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa hai phía của các lỗ màng, chính là động lực cho sự dịch chuyển hơi nước từ dòng cấp sang bề mặt tấm ngưng để ngưng tụ thành nước cất Thứ hai, trong quá trình MD khử mặn nước biển, luôn xảy ra hiện tượng phân cực nhiệt độ và phân cực nồng độ Phân cực nhiệt độ làm cho nhiệt độ của

dòng cấp tại bề mặt màng thấp hơn so với ở bên

trong dung dịch, trong khi phân cực nồng độ làm

làm tăng nồng độ muối tại bề mặt màng Cả hai hiệu

ứng này đều làm giảm thông lượng cất nước của quá

trình MD Tăng lưu lượng tuần hoàn giúp tăng mức

độ chảy rối của các dòng chất lỏng gần bề mặt màng,

làm giảm hiện tượng phân cực nhiệt độ và phân cực

nồng độ, do đó làm tăng thông lượng cất nước của

quá trình MD

Hình 4 Thông lượng cất nước và năng lượng tiêu thụ

của hệ thống MD khi thay đổi lưu lượng tuần hoàn

nước 3.2 Hoạt động của hệ thống MD với nước biển

trong thời gian thực nghiệm kéo dài

Sau khi đã đánh giá được ảnh hưởng của các

thông số vận hành chính lên hiệu quả hoạt động, hệ

thống MD được vận hành với nước cấp là nước biển

(đã được sơ lọc bằng lõi lọc kích thước lỗ 1 m)

trong thời gian kéo dài 30 ngày Trong mỗi ngày, hệ

thống MD được khởi động vào buổi sáng và được vận

hành ở các điều kiện không đổi là nhiệt độ dòng cấp

800C, nhiệt độ đầu vào dòng làm mát 250C, lưu lượng

tuần hoàn nước là 360 L/h Lưu lượng tuần hoàn 360

L/h được lựa chọn để đảm bảo tránh được nguy cơ

ướt màng lọc của quá trình MD khi vận hành trong

thời gian dài, dù lưu lượng tuần hoàn lớn sẽ giúp tăng

thông lượng cất nước và giảm điện năng tiêu thụ như

đã khảo sát ở trên Tại cuối ngày vận hành, hệ thống

MD được chuyển sang trạng thái ngừng tạm thời

(Standby), nguồn điện và nước cấp và hệ thống MD

được ngắt, nhưng nước vẫn được giữ trong các mô

đun màng để tránh hiện tượng màng bị khô và bị kết

tủa Các nghiên cứu công bố trước đây đã cho thấy

thời gian sử dụng của màng lọc MD kéo dài đến 5

năm mà không ảnh hưởng nhiều lên hiệu quả lọc khi

màng lọc không bị khô và lắng cặn kết tủa trong quá

trình vận hành

Các kết quả đo công suất cất nước, điện năng tiêu thụ và độ dẫn điện của nước cất thu được đã chứng tỏ hệ thống MD ở quy mô hiện trường có thể hoạt động ổn định trong thời gian kéo dài 30 ngày (Hình 5) Công suất cất nước của hệ thống MD ở quy

mô hiện trường dao động quanh giá trị 45 L/h, tương ứng với công suất 1 m3/ngày khi hệ thống này được vận hành liên tục 24 giờ trong ngày Điện năng tiêu thụ riêng của hệ thống duy trì ổn định ở mức 96 kWh/m3, trong khi độ dẫn điện của nước cất thu được từ hệ thống MD luôn thấp hơn 80 S/cm Độ dẫn điện này tương đương với hàm lượng muối tan trong nước cất không quá 35 mg/L, chứng tỏ nước cất thu được có độ tinh khiết rất cao Bên cạnh độ dẫn điện và hàm lượng muối thấp, kết quả phân tích mẫu nước tiến hành tại Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng chứng tỏ nước cất thu được từ hệ thống MD trên đảo An Bình hoàn toàn đáp ứng được các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn nước uống (QCVN 01: 2009/BYT) Tuy nhiên, để đảm bảo vị ngon của nước uống, nước cất thu được từ hệ thống MD được cho qua lõi tạo khoáng đá (lõi lọc số 6 trong hệ thống lõi lọc của thiết bị lọc nước Karofi Việt Nam)

Hình 5 Công suất cất nước, điện năng tiêu thụ riêng

và độ dẫn điện của nước cất thu được từ hệ thống

MD khi vận hành trong thời gian kéo dài với nước

cấp là nước biển Kết quả thu được từ quá trình khảo sát thực nghiệm hệ thống MD trong thời gian kéo dài chứng

tỏ tính khả thi của công nghệ MD cho khử mặn nước biển cả về phương diện kỹ thuật và kinh tế Với mức điện năng tiêu thụ riêng là 96 kWh/m3 và giá điện sinh hoạt trên đảo An Bình là 2.200 đồng/kWh, chi phí vận hành để thu được 1 m3 nước uống trực tiếp từ nước biển bằng hệ thống MD là 511.200 đồng/m3

(bao gồm tiền điện và tiền công vận hành là 300.000

đồng/ngày) Hiện tại, chi phí để mua 1 m3 nước uống

được vận chuyển từ đảo Lý Sơn ra đảo An Bình là

1.250.000 đồng Từ sự so sánh này, có thể thấy được

tính khả thi về hiệu quả kinh tế của công nghệ MD

cho khử mặn nước biển ở trên các đảo nhỏ như đảo

An Bình Cũng cần lưu ý là chi phí tính toán ở trên

chỉ bao gồm chi phí năng lượng và nhân công vận

hành, chưa tính đến chi phí đầu tư hệ thống do đây

mới chỉ là nghiên cứu bước đầu ở quy mô hiện

trường

4 KẾT LUẬN

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu khảo

sát của hệ thống MD ở quy mô hiện trường công

suất 1 m3/ngày đầu tiên ở Việt Nam Hệ thống MD

được thiết kế, lắp đặt và sau đó khảo sát thực nghiệm

trong thời gian kéo dài 1 tháng tại đảo An Bình,

huyện đảo Lý Sơn với mục đích cung cấp nước uống

cho người dân trên đảo Kết quả khảo sát thực

nghiệm cho thấy rằng nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng

tuần hoàn nước là hai thông số vận hành ảnh hưởng

lớn đến hiệu quả hoạt động của hệ thống MD; tăng

nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn nước đều

giúp tăng thông lượng cất nước và giảm điện năng

tiêu thụ riêng của hệ thống Trong thời gian khảo sát

kéo dài 1 tháng, hệ thống MD khi vận hành ở nhiệt

độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn nước là 800C và

360 L/h đạt công suất cất nước ổn định là 45 L/h với

điện năng tiêu thụ riêng là 96 kWh/m3 nước cất

Nước cất thu được có độ tinh khiết rất cao, có độ

mặn dưới 35 mg/L, đạt tiêu chuẩn nước uống theo

quy định của Bộ Y tế Với mức điện năng tiêu thụ

trên, chi phí vận hành (gồm tiền điện và tiền công lao

động) để thu được 1 m3 nước cất từ hệ thống MD

khử mặn nước biển trên đảo An Bình là 511.200

đồng

LỜI CẢM ƠN

Công trình này được hoàn thành với sự hỗ trợ

kinh phí của đề tài cấp Bộ Khoa học và Công nghệ,

mã số KC.09.39/16-20

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Alsebaeai, M K and Ahmad, A L., 2020

Membrane distillation: Progress in the improvement

of dedicated membranes for enhanced

hydrophobicity and desalination performance J Ind

Eng Chem 86, 13 - 34

2 Andrés-Mañas, J A., Roca, L., Ruiz-Aguirre, A., Acién, F G., Gil, J D and Zaragoza, G., 2020

Application of solar energy to seawater desalination

in a pilot system based on vacuum multi-effect membrane distillation Appl Energy 258, 114068

3 Andrés-Mañas, J A., Ruiz-Aguirre, A., Acién,

F G and Zaragoza, G., 2018 Assessment of a pilot system for seawater desalination based on vacuum multi-effect membrane distillation with enhanced heat recovery Desalination 443, 110 -121

4 Dow, N., Gray, S., Li, J.-d., Zhang, J., Ostarcevic, E., Liubinas, A., Atherton, P., Roeszler, G., Gibbs, A and Duke, M., 2016 Pilot trial of membrane distillation driven by low grade waste heat: Membrane fouling and energy assessment Desalination 319, 30 - 42

5 Duong, H C., Cooper, P., Nelemans, B., Cath,

T Y and Nghiem, L D., 2016 Evaluating energy consumption of air gap membrane distillation for seawater desalination at pilot scale level Sep Purif Technol 166, 55 - 62

6 Ghaffour, N., Soukane, S., Lee, J G., Kim, Y and Alpatova, A., 2019 Membrane distillation hybrids for water production and energy efficiency enhancement: A critical review Appl Energy 254,

113698

7 González, D., Amigo, J and Suárez, F., 2017

Membrane distillation: Perspectives for sustainable and improved desalination Renew Sust Energ Rev

80, 238-259

8 Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 01: 2009/BYT về chất lượng nước ăn uống do Bộ Y tế ban hành

9 Shim, W G., He, K., Gray, S and Moon, I S.,

2015 Solar energy assisted direct contact membrane distillation (DCMD) process for seawater desalination Sep Purif Technol 143, 94-104

10 Suwaileh, W., Johnson, D and Hilal, N.,

2020 Membrane desalination and water re-use for agriculture: State of the art and future outlook Desalination 491, 114559

10 Wang, P and Chung, T.-S., 2015 Recent advances in membrane distillation processes: Membrane development, configuration design and application exploring, J Membr Sci 474, 39 - 56

MEMBRANE DISTILLATION SEAWATER DESALINATION FOR DRINKING WATER PROVISION ON

ISLANDS IN VIETNAM Duong Cong Hung1, Trinh Van Giap2, Tran Thi Thu Lan2*

1School of Environmental Engineerging, Le Quy Don Technical University

2Institute of Envrionmental Engineering, Vietnam Academy of Science and Technology

Email: thulan180679.vn@gmail.com

Summary

Membrane distillation (MD) has been considered a promising desalination technology to provide drinking water to people living in remote coastal areas and on islands MD is hybrid process that combines traditional thermal distillation and membrane filtration; thus, it inherits the advantages of these both separation technologies In the world, MD has been developed and deployed for drinking water provision with capacity up to 100 m3/day In this study, for the first time, a pilot seawater MD desalination system was designed, built, and trialed on an island in Vietnam The pilot MD system was operated with real seawater at different water temperatures and water circulation rates to examine the performance of the system The experimental results demonstrate strong influences of the feed inlet temperature and water circulation rates

on the water flux and specific energy consumption of the system When operated under the feed inlet temperature of 800

C, water circulation rate of 360 L/h, the system could produce 45 L/h of high quality distillate with the specific energy consumption of 96 kWh/m3

The estimated production cost (i.e for electricity and labor) of the pilot MD system for 1 m3

of drinking water was 511,200 VND

Keywords: Membrane distillation, membrane process, desalination, seawater desalination

Người phản biện: GS.TS Nguyễn Xuân Cự

Ngày nhận bài: 17/8/2020

Ngày thông qua phản biện: 18/9/2020

Ngày duyệt đăng: 25/9/2020