luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở qui mô pilot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --- Quách Tất Tùng ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG K

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Quách Tất Tùng

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MÔ PILOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 07/2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Quách Tất Tùng

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MÔ PILOT

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 8 52 03 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG

Hướng dẫn 2: TS Trần Thị Thu Lan

Hà Nội, 07/2021

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn

trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và

pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Quách Tất Tùng

Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường với đề

tài “Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô pilot.” được thực hiện tại phòng thí

nghiệm của Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của TS Dương Công Hùng và TS Trần Thị Thu Lan Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, từ khi nhận đề tài cho đến khi kết thúc thực nghiệm, em luôn nhận được sự quan tâm, động viên, hỗ trợ từ các thầy cô hướng dẫn Bằng tất cả sự kính trọng, lòng biết ơn, em xin phép được gửi tới TS Dương Công Hùng và TS Trần Thị Thu Lan lời cảm ơn chân thành nhất

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi trường, Ban lãnh đạo Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho em được hoàn thành tốt luận văn này

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học

và Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Môi trường, đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện về cơ sở vật chất và hướng dẫn em hoàn thành chương trình học tập

và thực hiện luận văn

Em xin cảm ơn gia đình em, dù không phải là cộng sự, không cùng làm việc, nhưng gia đình luôn ở bên, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cả tinh thần và vật chất cho em được nghiên cứu khoa học!

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới 3

1.1.1 Các công nghệ chưng cất 5

1.1.2 Công nghệ thẩm thấu ngược RO 8

1.1.3 Công nghệ điện thẩm tách ED 10

1.2 Công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển 11

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng 11

1.2.2 Các cấu hình chưng cất màng 13

1.2.3 Màng lọc sử dụng cho quá trình chưng cất màng 16

1.2.4 Hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển 17

1.2.5 Bẩn và cặn màng trong quá trình chưng cất màng 19

1.3 Các công nghệ thu hồi năng lượng mặt trời và tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển ở Việt Nam 20

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.2 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 27

2.3 Phương pháp nghiên cứu 27

2.3.1 Phương pháp lấy mẫu và phân tích 27

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 28

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển quy mô pilot với công suất 1 m 3 /ngày 32

3.1.1 Thiết kế mô đun màng MD 33

3.1.2 Thiết kế hệ thống gia nhiệt và làm lạnh 35

3.2 Khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển 39

3.2.2 Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD quy mô pilot tại Đảo An Bình,

Lý Sơn 47

3.3 Đánh giá hiệu quả năng lượng và các trở ngại kỹ thuật cần khắc phục của hệ thống 56

3.3.1 Đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống 56

3.3.2 Các trở ngại kỹ thuật của hệ thống 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

AGMD Air gap membrane distillation - Chưng cất màng đệm không khí CAM Contact angle measurement - Đo góc tiếp xúc

DCMD Direct contact membrane distillation - Chưng cất màng trực tiếp

ED Electrodialysis - Điện thẩm tách

LEP Liquid entry presssure - Áp suất ướt màng

MED Multi Effect Distillation - Chưng cất đa phân đoạn

MF Microfiltration - Vi lọc

MSF Multi Stage Flash - Chưng cất nhanh đa bậc

RO Reverse Osmosis - Thẩm thấu ngược

SEC Specific energy consumption - Năng lượng tiêu thụ riêng

SEM Scanning electron microscopy - Kính hiển vi điện tử quét

SGMD Sweeping gas membrane distillation - Chưng cất màng khí cuốn VMD Vacuum Membrane Disitllation - Chưng cất màng chân không

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử mặn nước biển [7] 7 Bảng 2 Hiệu suất chuyển đổi và hệ số thất thoát nhiệt của các loại thiết bị thu nhiệt mặt trời [32] 21 Bảng 3 Số giờ nắng và cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau tại Việt Nam 23 Bảng 4 Đặc trưng của nước biển lấy tại Đảo Bé, huyện đảo Lý Sơn 26 Bảng 5 Các đặc tính kỹ thuật của mô đun màng lọc AGMD thương mại sản xuất bởi Aquastill, Hà Lan 34 Bảng 6 Các thông số tấm phẳng thu nhiệt mặt trời 35 Bảng 7 Thông lượng cất nước của quá trình AGMD ở nhiệt độ dòng làm mát

25 oC, nhiệt độ dòng cấp 45  C và 60  C với tốc độ dòng khác nhau 40 Bảng 8 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng nóng lên công suất cất nước ở các nhiệt độ khác nhau 48 Bảng 9 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng lạnh đối với công suất cất nước 50 Bảng 10 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất và độ dẫn điện của nước cất thu được 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B) công nghệ sử dụng [7] 5 Hình 2 Quá trình khử mặn nước biển bằng công nghệ MSF [7] 6 Hình 3 Sơ đồ công nghệ quá trình MED khử mặn nước biển [7] 8 Hình 4 Nguyên lý hoạt động của một quá trình khử mặn dựa trên công nghệ

RO [11] 9 Hình 5 Quy trình công nghệ của một quá trình khử mặn dùng công nghệ RO [6] 9 Hình 6 Nguyên lý hoạt động của quá trình ED [4] 11 Hình 7 Nguyên lý hoạt động của quá trình MD khử mặn nước biển [24] 13 Hình 8 Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình MD cơ bản [11] 15 Hình 9 Cấu tạo tấm phẳng chân không thu nhiệt 22 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mô 1

m3/ngày 24 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng trong luận văn 29 Hình 12 Hình ảnh thực tế của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng trong luận văn 29 Hình 13 Hình ảnh thực của (A) mô đun màng lọc AGMD và (B) mặt cắt ngang của mô đun màng lọc AGMD 34 Hình 14 Sơ đồ điều khiển của hệ thống gia nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời

và các điện trở đốt để cấp nhiệt cho hệ thống MD ở quy mô pilot 36 Hình 15 Sơ đồ hệ thống tự động hóa của hệ khử mặn nước biển MD ở quy mô pilot lắp đặt tại Đảo Bé 37 Hình 16 Hình ảnh thực tế của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày lắp đặt tại đảo Bé, Lý Sơn 38

Hình 17 Hệ thống tấm thu nhiệt mặt trời để bổ sung nhiệt năng cho hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày tại Lý Sơn 38 Hình 18 Thông lượng cất nước của quá trình AGMD với nước cấp là dung dịch NaCl 35 g/L ở các nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn khác nhau, nhiệt

độ dòng làm mát duy trì ở 25 oC 39 Hình 19 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát đến thông lượng cất của quá trình AGMD với dòng cấp là dung dịch NaCl 35 g/L: (1) Nhiệt độ dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (2) Nhiệt độ dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng làm mát; (3) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (4) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng làm mát 41 Hình 20 Sự thay đổi của thông lượng cất nước đo được theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết theo khi tăng hiệu suất thu hồi nước Điều kiện vận hành: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát 0,3 L/ph 43 Hình 21 Hình ảnh phân tích SEM màng PTFE chưa sử dụng và màng sau khi vận hành hệ thống AGMD ở hiệu suất thu hồi nước 73% 44 Hình 22 Thông lượng cất nước của quá trình AGMD đối với nước biển tự nhiên và nước biển đã lọc theo thời gian Thông số vận hành hệ thống: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát 0,3 L/ph 45 Hình 23 Hình ảnh phân tích SEM đối với màng đã qua sử dụng 13 giờ với nước biển tự nhiên Hệ thống vận hành ở nhiệt độ 60 oC đối với dòng cấp, 25 oC đối với dòng làm mát và lưu lượng của cả hai dòng cấp và làm mát là 0,3 L/ph 45 Hình 24 Góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết với (A) màng chưa qua sử dụng và (B) màng bị cặn sau khi rửa bằng giấm ăn 46 Hình 25 Hình ảnh phân tích SEM bề mặt màng sau khi rửa cặn bằng giấm 47

Hình 18 Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng cấp nóng lên công suất cất nước (lưu lượng cất) và chất lượng của nước cất thu được 49 Hình 19 Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng làm mát lên công suất cất nước và chất lượng nước cất thu được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot 50 Hình 20 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước đến lưu lượng nước cất thu được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot 52 Hình 21 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn đến độ dẫn điện dòng nước cất thu được từ quá trình MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot 54 Hình 22 Công suất cất nước và độ mặn của nước cất của hệ MD khi vận hành trong thời gian kéo dài với nước cấp là nước biển thật 55 Hình 23 Theo dõi điện năng tiêu thụ riêng và vận hành hệ thống sử dụng điện trở đốt nóng nước 57 Hình 24 Công suất cất nước và năng lượng tiêu thụ riêng của hệ thống MD khử mặn nước biển quy mô pilot tại Đảo Bé, Lý Sơn trong 30 ngày vận hành

sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở phụ 58 Hình 25 Hình ảnh bà con trên Đảo Bé tập trung lấy nước uống từ hệ thống MD khử mặn nước biển lắp trên đảo 59 Hình 26 Tác động của môi trường biển đảo lên độ bền và tuổi thọ của các chi tiết, thiết bị của các hệ thống khử mặn nước biển trong môi trường biển đảo 60

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nhu cầu khử mặn nước biển để cung cấp nước ngọt đang ngày càng trở nên cấp thiết ở nhiều khu vực trên thế giới, trong đó

có Việt Nam Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các công nghệ khử mặn

đã được hoàn thiện và phát triển rất nhiều, góp phần cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm chi phí sản xuất nước ngọt Do vậy, khử mặn nước biển đã và đang là một giải pháp chiến lược để đáp ứng nhu cầu nước ngọt của con người Hiện tại, các công nghệ khử mặn nước biển được chia thành hai nhóm chính: các công nghệ chưng cất truyền thống và các công nghệ lọc màng Hai nhóm công nghệ này đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó chúng được lựa chọn áp dụng ở những điều kiện khác nhau Tuy nhiên, nhìn chung công nghệ lọc màng (đặc biệt là công nghệ thẩm thấu ngược, RO) đang ngày càng chiếm ưu thế và được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nhà máy khử mặn nước biển mới được xây dựng Công nghệ RO đã chứng minh được sự hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật cho ứng dụng khử mặn nước biển ở quy môn lớn, song lại gặp nhất nhiều hạn chế công nghệ cho các ứng dụng khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ trên các đảo và hải đảo

Công nghệ chưng cất màng (tên tiếng Anh là Membrane Distillation, viết tắt là MD) đang nổi lên là một công nghệ khử mặn chiến lược rất phù hợp cho các ứng dụng khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ để cung cấp nước ngọt tại các khu vực xa xôi, hẻo lánh Công nghệ chưng cất màng là một công nghệ lai ghép giữa công nghệ chưng cất truyền thống và công nghệ lọc màng Do là công nghệ lai ghép, chưng cất màng kế thừa những ưu điểm và tránh được những hạn chế của cả hai nhóm công nghệ Do đó, công nghệ chưng cất màng hiện đang được tập trung nghiên cứu và phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu và các tổ chức khoa học công nghệ trên thế giới Gần đây, trên thế giới đã có rất nhiều công bố khoa học về ứng dụng công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển ở trong phòng thí nghiệm, cũng như ở quy mô bán công nghiệp (pilot) Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ chưng cất màng còn khá hạn chế Chỉ có một số ít công trình nghiên cứu khoa học về ứng dụng

công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển ở quy mô phòng thí nghiệm Các nghiên cứu này đã chứng tỏ tính khả thi về mặt kỹ thuật và chỉ ra những trở ngại của công nghệ chưng cất màng khử mặn nước biển Song, ở Việt Nam hiện chưa có một nghiên cứu, khảo sát hoạt động của hệ thống chưng cất màng cho khử mặn nước biển ở quy mô pilot, đặc biệt là khi kết hợp với năng lượng

mặt trời Từ thực tế này, tôi đã lựa chọn luận văn: “Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô pilot.”

Đây là một nghiên cứu có tính thực tiễn cao Công nghệ chưng cất màng là một công nghệ mới, nhiều tiềm năng, và hứa hẹn phát triển không chỉ đối cộng đồng khoa học của Việt Nam mà còn của toàn thế giới Chỉ tính riêng năm

2020, đã có hàng trăm công bố khoa học liên quan đến công nghệ chưng cất màng và ứng dụng công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển Ở Việt Nam, Bộ Khoa học và Công nghệ trong các chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp quốc gia đã đặt nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ chưng cất màng để khử mặn nước biển, cung cấp nước sinh hoạt cho các cộng đồng dân cư trên đảo, hải đảo, và các vùng xa xôi hẻo lánh Đề tài của luận văn

là một nội dung trong nhiệm vụ nghiên cứu quan trọng này Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết kế, chế tạo, và khảo sát hoạt động của một hệ thống chưng cất màng MD ở quy mô pilot có sử dụng năng lượng mặt trời với công suất 1 m3 nước uống/ngày

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới

Khử mặn nước biển đã và đang là một giải pháp hiệu quả để giải quyết bài toán khan hiếm nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới Có thể nói, biển sẽ

là nguồn nước ngọt vô tận cho loài người khi có các công nghệ khử mặn nước biển hiệu quả và kinh tế Trên hành tinh xanh của chúng ta, biển và đại dương chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất và nước ngọt chỉ chiếm 3% lượng nước trên trái đất, 97% lượng nước còn lại là nước biển Trong 3% nhỏ bé của tổng lượng nước ngọt trên trái đất, phần lớn nước ngọt nằm trong băng đá ở các cực và sâu trong lòng đất rất khó để khai thác Con người chỉ có thể khai thác một phần nhỏ nước ngọt trên bề mặt trái đất nằm trong mạch nước ngầm và trong các ao

hồ, sông suối Song, nguồn nước ngọt nhỏ bé này lại đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do các hoạt động phát triển kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu Trong bối cảnh này, khử mặn nước biển được các nhà khoa học và quản lý coi là giải pháp khả thi và bền vững để giải quyết bài toán khan hiếm nước ngọt [1-3]

Với các công nghệ khử mặn nước biển, độ mặn đầu vào của nước biển là đặc trưng quan trọng nhất quyết định sự lựa chọn và tính khả thi của công nghệ [4, 5] Tùy vào vị trí địa lý, mùa, vào đặc điểm thời tiết, độ mặn của nước biển trên thế giới tại các khu vực khác nhau dao động trong dải rộng từ 15.000 mg/L đến 42.000 mg/L [4] Với độ mặn cao này, nước biển không thể được sử dụng cho các nhu cầu của con người, mà nó cần phải khử mặn để giảm độ mặn thành nước ngọt Theo quy ước, nước ngọt là nước có độ mặn (tổng hàm lượng muối tan) nhỏ hơn 500 mg/L [4] Do đó, các công nghệ khử mặn nước biển, có thể dựa trên các nguyên lý khác nhau, đều có chung mục đích là giảm độ mặn của nước biển để thu được nước ngọt

Để khử mặn nước biển (giảm độ mặn xuống ngưỡng tiêu chuẩn của nước ngọt), các công nghệ khử mặn tiếp cận theo hai hướng khác nhau: (1) tách nước ngọt ra khỏi nước biển và (2) tách muối ra khỏi nước biển [6] Trong 2 cách tiếp cận này, tách muối ra khỏi nước biển để khử mặn về logic có vẻ hiệu quả

hơn Điều này là do trong nước biển, hàm lượng muối dù cao (15.000  42.000 mg/L), nhưng nó cũng là không đáng kể so với nước (chiếm phần lớn còn lại của nước biển) Do đó, việc tách muối ra khỏi nước biển sẽ tốn ít công hơn so với việc tách nước ra khỏi nước biển Tuy nhiên, trong thực tế, dù hàm lượng của nó trong nước biển nhỏ hơn, việc tách muối ra khỏi nước biển phức tạp hơn nhiều so với việc tách nước Do vậy, các công nghệ khử mặn nước biển chủ yếu tiếp cận theo cách thứ 2, tách nước sạch ra khỏi nước biển

Các công nghệ khử mặn nước biển đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới

có thể được chia thành hai nhóm chính: công nghệ chưng cất và công nghệ màng [5, 7] Các công nghệ khử mặn nước biển bằng chưng cất hoạt động dựa trên sự chuyển pha của nước: nước biển được gia nhiệt để bay hơi nước, sau đó hơi nước được ngưng tụ để thu được nước cất (nước sạch) Khác với các quá trình chưng cất, các quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ màng không thực hiện quá trình chuyển pha của nước mà thay vào đó chúng sử dụng một màng có tính chọn lọc cao để tách nước sạch ra khỏi dòng nước biển [4, 5, 7] Nhờ đặc điểm này, các công nghệ khử mặn nước biển dùng màng lọc tiêu tốn

ít năng lượng hơn nhiều so với các quá trình chưng cất; vì vậy chúng được lựa chọn cho hầu hết các nhà máy khử mặn nước biển đang và sắp được xây dựng

ở nhiều nước trên thế giới trừ khu vực Trung Đông [4, 5] Tuy nhiên, chất lượng nước sạch thu được từ quá trình khử mặn dùng công nghệ màng lọc phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nguồn nước biển cấp vào, đặc biệt là độ mặn của nước biển Do đó, các công nghệ khử mặn này yêu cầu phải tiền xử lý nguồn nước biển đầu vào rất kỹ để hạn chế việc bẩn màng lọc và quá trình vận hành các công nghệ này cũng phức tạp hơn do thường xuyên phải tiến hành rửa màng lọc Ngược lại, các công nghệ chưng cất khử mặn tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, nhưng chúng có thể thu được nước sạch có độ tinh khiết cao hơn và chất lượng nước sạch thu được ít bị ảnh hưởng bởi nguồn nước biển cấp vào Vì điều này, các công nghệ chưng cất khử mặn nước biển vẫn được ưu tiên lựa chọn ở các nước trong khu vực Trung Đông (Hình 1)

Hình 1 Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B)

công nghệ sử dụng [7]

1.1.1 Các công nghệ chưng cất

Các công nghệ chưng cất ứng dụng cho khử mặn nước biển chủ yếu dựa

trên hai quá trình: chưng cất nhanh đa bậc (multi stage flash, MSF) và chưng

cất đa phân đoạn (multi effect distillation, MED) Các nhà máy khử mặn nước

biển sử dụng 2 công nghệ này chiếm đến 28% thị phần khử mặn nước biển trên

thế giới (Hình 1) Nguồn năng lượng chính của quá trình khử mặn nước biển

dùng công nghệ chưng cất là nhiệt năng để đun nóng nước biển

Nguyên lý hoạt động của quá trình MSF được thể hiện trên Hình 2 Nước

biển đã qua tiền xử lý chạy qua các ruột gà có vai trò như nước làm mát để

ngưng tụ hơi nước trong các buồng bay hơi và được gia nhiệt sơ bộ nhờ nhiệt

ngưng tụ của hơi nước Nước biển đã gia nhiệt sơ bộ sau đó được tuần hoàn

qua một thiết bị trao đổi nhiệt: trong thiết bị này, nước biển được đun nóng (90

– 100 oC) bằng hơi nóng Nước biển đã được đun nóng sau đó được bơm vào

các buồng bay hơi để bốc hơi nước Sau khi đi qua các buồng bay hơi (các giai

đoạn), nhiệt độ của nước biển giảm xuống trong khi độ mặn của nước biển tăng

lên Nước biển mặn ấm sau buồng bay hơi cuối cùng sẽ được bơm thải ra ngoài

hệ thống Để thúc đẩy quá trình bốc hơi nước, áp suất trong các buồng bay hơi

được giảm xuống theo thứ tự từ buồng thứ nhất cho đến buồng cuối cùng sử

dụng bơm hút chân không

Hình 2 Quá trình khử mặn nước biển bằng công nghệ MSF [7]

Ưu điểm chính của công nghệ MSF khử mặn nước biển là nó thu được nước sạch (nước cất) có độ tinh khiết rất cao và quá trình vận hành tương đối đơn giản [8, 9] Là một quá trình chưng cất, hoạt động của quá trình MSF ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn của nước biển như là quá trình RO (bị ảnh hưởng bởi áp suất thẩm thấu của nước biển) Quá trình MSF có thể hoạt động hiệu quả với nước biển có độ mặn cao (như ở khu vực Trung Đông), không yêu cầu quá trình tiền

xử lý kỹ càng và có thể đạt được hiệu suất thu hồi nước cao [8, 9] Tuy nhiên, quá trình MSF tiêu tốn rất nhiều năng lượng để làm bay hơi nước biển và ngưng

tụ hơi nước để thu được nước sạch (Bảng 1) Do đặc điểm này, công nghệ MSF thường được sử dụng cho các nhà máy khử mặn nước biển có độ mặn cao và chất lượng đầu vào thường bị biến đổi

Bảng 1 Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử

mặn nước biển [7]

Công nghệ khử mặn

Điện năng tiêu thụ (kWh/m 3 ) 3,5-5,0 1,5-2,5 4,0-8,0 17,0 0,13 Nhiệt năng tiêu thụ (kWh/m 3 ) 69,4-88,3 41,7-61,1   90,0

Một công nghệ khử mặn nước biển dựa trên nguyên lý chưng cất khác là công nghệ MED (Hình 3) Có thể nói, MED là một trong những công nghệ chưng cất lâu đời nhất trên thế giới, song nó lại không thể cạnh tranh được với công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển Hiện nay trên toàn thế giới, chỉ có khoảng 7% lượng nước ngọt sản xuất từ nước biển được thực hiện bởi quá trình MED (trong khi sản lượng của quá trình MSF là 21%) (Hình 1) [7]

So với quá trình MSF, quá trình MED có thiết kế tin cậy, công nghệ hoàn thiện, chất lượng sản phẩm cao hơn và năng lượng tiêu thụ ít hơn Năng lượng nhiệt tiêu thụ trung bình của quá trình khử mặn MED nằm trong khoảng từ 41,7  61,1 kWh/m3 (Bảng 1) Song, công nghệ MED hiện tại chưa thể cạnh tranh với công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển vì nó có chi phí xây dựng và vận hành cao hơn Quá trình MED khử mặn nước biển có nguy cơ xảy ra cặn kết tủa cao hơn nhiều so với quá trình MSF, dẫn đến quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ MED yêu cầu phải tiền xử lý nước biển kỹ càng hơn, vận hành ở nhiệt độ thấp hơn, và phải thường xuyên phải tiến hành vệ sinh và rửa các dàn trao đổi nhiệt

Hình 3 Sơ đồ công nghệ quá trình MED khử mặn nước biển [7]

1.1.2 Công nghệ thẩm thấu ngược RO

Công nghệ RO hiện đang dẫn đầu thị trường khử mặn nước biển trên thế giới [3, 10] RO sử dụng một màng lọc bán thấm để tách nước ngọt từ dòng nước biển Do tính chọn lọc của nó, màng RO chỉ cho phép nước sạch thẩm thấu qua màng trong khi chặn lại toàn bộ các tạp chất (cặn lơ lửng, các chất hữu

cơ, vi khuẩn, và virus) và muối tan Do đó, quá trình khử mặn RO cho phép thu được nước ngọt có độ tinh khiết cao (với tổng lượng hòa tan TDS <150 ppm) Tuy nhiên, để thu được nước ngọt từ dòng nước biển, cần phải áp dụng một áp suất thủy tĩnh rất cao bên phía dòng nước biển để vượt qua được áp suất thẩm thấu của nước biển (Hình 4) Công nghệ RO có những ưu điểm chính sau:

i) Có khả năng mô đun hóa rất cao và có kích thước nhỏ gọn, do đó các nhà máy khử mặn dùng công nghệ RO có diện tích và chi phi xây dựng ban đầu nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy sử dụng công nghệ chưng cất truyền thống ii) Không đòi hỏi phải thực hiện quá trình chuyển pha để khử mặn nên năng lượng tiêu thụ của quá trình khử mặn RO nhỏ hơn rất nhiều so với quá trình khử mặn chưng cất truyền thống

iii) Cho phép thu được nước sạch có độ tinh khiết cao

Hình 4 Nguyên lý hoạt động của một quá trình khử mặn dựa trên công nghệ

ii) Thường xuyên phải thực hiện rửa màng khi vận hành quá trình RO

ii) Có chi phí lắp đặt ban đầu tương đối cao do đòi hỏi sử dụng các vật liệu chịu được áp lực cao và có khả năng chống ăn mòn

Với những nhược điểm này, công nghệ RO chỉ phù hợp cho các nhà máy khử mặn nước biển có quy mô lớn ở những thành phố trung tâm với những khu

dân cư đông đúc Ví dụ, ở Úc 6 nhà máy khử mặn nước biển dùng công nghệ

RO đều có quy mô rất lớn và được xây dựng ở các thành phố trung tâm của các bang để cung cấp nước sạch phục vụ nhu cầu sinh hoạt trong các trường hợp khẩn cấp như hạn hán kéo dài

1.1.3 Công nghệ điện thẩm tách ED

Công nghệ ED sử dụng các màng trao đổi ion để thực hiện quá trình khử mặn nước biển [12, 13] Năng lượng tiêu thụ chính của quá trình ED là điện năng (Bảng 1) và nó phụ thuộc rất nhiều vào độ mặn của dòng nước biển Điện năng tiêu thụ của quá trình ED cho khử mặn nước biển là khoảng 17 kWh/m3

trong khi với nước nhiễm mặn và nước nhiễm mặn điện năng tiêu thụ chỉ là 3

 7 kWh/m3 [7] Vì lý do này, công nghệ ED chỉ được chủ yếu áp dụng cho khử mặn nước nhiễm mặn để đảm bảo tính kinh tế của quá trình

Nguy cơ bẩn màng cao cũng là một giới hạn của quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ ED [12, 13] Do đó, tương tự như RO, quá trình khử mặn

ED yêu cầu phải tiền xử lý dòng nước cấp rất kỹ càng và thường xuyên phải tiến hành rửa màng để phục hồi hiệu quả hoạt động của quá trình Cải tiến đáng

kể nhất gần đây trong công nghệ ED là ứng dụng đổi chiều điện cực trong quá trình ED để giảm thiểu hiện tượng bẩn màng Quá trình cải tiến được gọi là điện thẩm tách đổi chiều (Electro Dialysis Reversal-EDR) Tuy nhiên, quá trình EDR mới đang ở giai đoạn nghiên cứu và cần thêm nhiều thời gian để được áp dụng cho khử mặn nước biển ở quy mô công nghiệp [4]

Hình 6 Nguyên lý hoạt động của quá trình ED [4]

1.2 Công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng

Chưng cất màng (membrane distillation, MD) là một công nghệ khử mặn

có tiềm năng lớn để giải bài toán khan hiếm nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới [14, 15] Chưng cất màng MD dựa trên sự bay hơi và ngưng tụ của hơi nước để khử mặn nước biển giống như công nghệ chưng cất truyền thống, nhưng nó 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 [16, 17] Nhờ tính chất kỵ nước và kích thước lỗ xốp nhỏ này, khi tiếp xúc với dòng nước biển, màng lọc MD sẽ tạo nên bề mặt phân cách pha lỏng-hơi tại miệng các lỗ màng, và nó chỉ cho hơi nước truyền qua trong khi ngăn không cho nước lỏng thấm qua các lỗ màng [18-20] 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 bay hơi từ bên dòng nước biển mặn nóng rồi

dịch chuyển qua các lỗ màng và ngưng tụ thành nước cất ở bên dòng nước cất mát (Hình 7)

Dựa trên nguyên lý hoạt động này, có thể coi MD là một công nghệ lai ghép giữa quá trình chưng cất và quá trình lọc màng, do đó nó thừa hưởng ưu điểm của cả hai quá trình trên Dựa trên nguyên lý chưng cất, hoạt động của quá trình

MD khử mặn nước biển ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn và chất lượng ban đầu của nước biển cấp vào giống như các công nghệ MSF và MED Với đặc điểm này,

MD có thể được áp dụng để khử mặn nước biển ở nhiều khu vực trên thế giới với độ mặn và các tính chất đặc trưng khác nhau mà vẫn đảm bảo thu được nước cất với độ tinh khiết rất cao Quan trọng hơn, MD thực hiện quá trình chưng cất mà không yêu cầu phải đun nóng nước lên đến nhiệt độ sôi như quá trình MSF và MED: các nghiên cứu công bố đã chứng tỏ quá trình MD có thể khử mặn nước biển hiệu quả khi vận hành ở nhiệt độ dòng cấp nóng là 40  80

C [18-20] Với nhiệt độ vận hành này, các nguồn năng lượng tái tạo như là nhiệt dư từ các quá trình công nghiệp khác và nhiệt mặt trời có thể tích hợp với quá trình MD để giảm chi phí năng lượng vận hành của nó Thực tế là các nghiên cứu ứng dụng công nghệ MD cho khử mặn nước biển đều hướng đến việc sử dụng và tích hợp năng lượng tái tạo để giảm thiểu chi phí năng lượng

và giá thành của nước ngọt thu được [21-23] Là một quá trình màng, MD có

ưu điểm là rất nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp với các hệ thống xử lý nước khác

để nâng cao hiệu quả xử lý Các màng lọc MD (giống như RO) được chế tạo thành các mô đun, cho phép dễ dàng lắp giáp, thay đổi công suất, vận hành, và duy tu bảo dưỡng Khác với RO, MD không vận hành bằng áp suất, do đó mô đun màng lọc và các chi tiết khác của hệ thống MD có thể được chế tạo từ các vật liệu chi phí thấp mà vẫn có khả năng chống ăn mòn cao như là nhựa và nhôm [18-20, 24] Nhờ điều này, chi phí xây dựng và lắp đặt các hệ thống MD khử mặn nước biển có thể được giảm thiểu và thấp hơn đáng kể so với các hệ thống RO Một ưu điểm nổi bật nữa của công nghệ MD so với RO là nó ít bị ảnh hưởng bởi bẩn và cặn màng [17, 18] Do hoạt động trên nguyên lý chưng cất, trong quá trình MD nước lỏng và các cặn bẩn không bám dính lên thành các lỗ màng như trong quá trình RO và áp suất thủy tĩnh của các dòng nước

trong quá trình MD cũng thấp hơn nhiều so với RO Do vậy, hiện tượng bẩn cặn màng ít xảy ra với quá trình MD khử mặn nước biển khi vận hành ở chế độ thu hồi nước hợp lý (không quá 70% với nước biển) [18] Điều này giúp quá trình MD khử mặn nước biển không đòi hỏi phải tiền xử lý dòng nước cấp kỹ càng như quá trình RO, do vậy giảm thiểu được chi phí năng lượng và hóa chất

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 8a) Nhiệt độ chênh lệch giữa dòng nước biển nóng và dòng nước cất mát tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước, làm chuyển dịch 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

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 của cấu hình VMD, hay thổi một dòng khí qua khoang cấp của cấu hình SGMD (Hình 8b và c) 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 [6, 24] 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 [17]

Hình 8 Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình MD cơ bản: (a) chưng cất màng trực

tiếp DCMD, (b) chưng cất màng chân không VMD, (c) chưng cất màng khí cuốn

SGMD, và (d) chưng cất màng đệm không khí AGMD [11]

Cấu hình AGMD (Hình 8d) 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 MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot và lớn hơn [25- 27]

Trong một nghiên cứu được công bố gần đây, Hung Cong Duong và đồng tác giả [19] 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 25 C sẽ được đun nóng đến nhiệt độ 67 C sau khi ra khỏi khoang làm mát Sau đó, chỉ cần gia nhiệt bổ sung để nâng nhiệt độ dòng cấp từ 67 C đến 70 C để tạo một nhiệt

độ chênh lệch T = 3 C, 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 [19] 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

1.2.3 Màng lọc sử dụng cho quá trình chưng cất màng

Màng lọc là chi tiết quan trọng nhất trong hệ thống MD bởi nó ảnh hưởng trực tiếp đến trở lực của quá trình chuyển khối (truyền hơi nước) và truyền nhiệt qua màng và khả năng bị thấm ướt của các lỗ màng Công nghệ chưng cất màng

MD sử dụng màng lọc vi xốp, kị nước ở dạng tấm phẳng hay mao quản bố trí bên trong các mô đun màng để thực hiện quá khử mặn [16, 17]

Các loại màng chế tạo từ polyme tổng hợp hay các vật liệu vô cơ có tính kị nước có thể được sử dụng trong quá trình MD [17] Tuy nhiên, màng polyme được quan tâm nhiều hơn do những ưu việt của nó trong quá trình chế tạo so với màng lọc làm từ các vật liệu vô cơ Những vật liệu polyme thường được sử dụng nhất là polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene (PP) và polyvinylidene difluoride (PVDF) bởi vì màng được chế tạo từ chúng có sức căng bề mặt thấp, có độ bền nhiệt và hóa học cao Để chế tạo màng MD, người

ta thường phủ lên bề mặt màng polyme một lớp vật liệu kị nước để tăng khả năng chống ướt màng Các màng lọc có tính siêu kỵ nước được nghiên cứu và ứng dụng nhiều cho các quá trình MD xử lý các nguồn nước cấp có thành phần phức tạp với nguy cơ gây ướt màng cao như là nước thải mặn từ quá trình khai thác dầu khí [28, 29]

1.2.4 Hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển

Mục đích của quá trình chưng cất màng MD khử mặn nước biển là thu được nước ngọt có độ tinh khiết cao để phục vụ nhu cầu của con người Do vậy, hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng được đánh giá dựa trên các thông

số cơ bản là thông lượng cất nước, độ tinh khiết của nước cất thu được, và năng lượng tiêu thụ của quá trình Thông lượng nước cất phản ánh công suất của hệ thống chưng cất màng: hệ thống có thông lượng cất nước cao sẽ thu được nhiều nước ngọt trong cùng một thời gian vận hành hay với cùng một diện tích bề mặt màng Vì nước cất thu được từ quá trình khử mặn nước biển, độ tinh khiết của nó thể hiện qua hàm lượng muối tan có trong nước cất: nước cất càng tinh khiết có hàm lượng muối tan càng nhỏ Hàm lượng muối tan trong nước lại tỷ

lệ thuận với độ dẫn điện của nước Do đó, độ tinh khiết của nước cất thu được

từ quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển thường được đánh giá bằng độ dẫn điện của nước cất thu được Độ tinh khiết của nước cất cũng thể hiện hiệu quả khử muối của quá trình chưng cất màng, hiệu quả khử mặn càng lớn, nước

cất thu được có độ tinh khiết càng cao và ngược lại Năng lượng tiêu thụ của quá trình chưng cất màng liên quan đến hiệu quả kinh tế và giá thành sản xuất của nước ngọt thu được từ quá trình khử mặn Năng lượng tiêu thụ thấp sẽ giảm chi phí vận hành và giá thành của nước ngọt thu được

Trong quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển, thông lượng cất nước, hiệu quả khử mặn, và năng lượng tiêu thụ được tính toán theo các công thức dưới đây [18-20]:

Q

trong đó J là thông lượng cất nước: là thể tích nước cất thu được trong 1 giờ vận hành, trên 1 m2 màng lọc (L/m2.h); Rejection là hiệu quả khử mặn, và STEC

là nhiệt năng tiêu thụ riêng phần: số kWh nhiệt năng cần tiêu tốn để thu được

1 m3 nước cất (kWh/m3) Cần lưu ý rằng với quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển, nhiệt năng là nguồn tiêu thụ chủ yếu do đó phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ quan tâm đến năng lượng nhiệt tiêu thụ và tính toán năng lượng tiêu thụ riêng phần chỉ dựa trên nhiệt năng tiêu tốn của quá trình

Các thông số hoạt động của quá trình chưng cất màng MD khử mặn nước biển phụ thuộc rất nhiều vào đặc trưng màng lọc và điều kiện vận hành của quá trình Các đặc trưng màng lọc như là kích thước lỗ màng, chiều dày màng, độ xốp của màng, độ khúc khuỷu của lỗ màng, và độ kị nước của bề mặt màng đều ảnh hưởng đến thông lượng cất nước, hiệu quả khử mặn, và năng lượng tiêu thụ của quá trình chưng cất màng [17, 24] Bên cạnh đặc trưng của màng lọc, các điều kiện vận hành quá trình gồm: chất lượng và độ mặn của nước biển cấp vào hệ thống, nhiệt độ dòng nước cấp và dòng làm mát, lưu lượng tuần hoàn

của dòng cấp và dòng làm mát cũng ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển

1.2.5 Bẩn và cặn màng trong quá trình chưng cất màng

Trong các công nghệ khử mặn nước biển sử dụng màng lọc, chưng cất màng

MD khá an toàn khi xét về khía cạnh bẩn, cặn màng Đặc biệt là khi so sánh với quá trình RO, nguy cơ bẩn màng trong chưng cất màng MD là thấp hơn đáng kể [30, 31] Tuy nhiên, khi vận hành hệ thống MD ở hiệu suất thu hồi nước cao, hiện tượng bẩn màng sẽ xảy ra Hiện tượng bẩn màng là sự lắng cặn của các chất rắn lơ lửng hoặc hòa tan, các chất hữu cơ, các hạt keo và vi sinh vật có trong nước biển lên bề mặt màng hoặc các lỗ mao quản Bẩn màng làm giảm sự chuyển khối qua màng, do đó làm giảm thông lượng cất nước của quá trình chưng cất màng MD

Trong các quá trình khử mặn sử dụng công nghệ màng lọc nói chung, có nhiều loại bẩn màng tồn tại trong hệ thống như: bẩn màng do chất rắn lơ lửng, bẩn màng do các chất bẩn hữu cơ, bẩn màng do vi sinh vật, và bẩn màng do hình thành kết tủa lắng cặn trên bề mặt màng [30, 31] Với quá trình MD khử mặn nước biển, do độ mặn và nhiệt độ vận hành cao, hiện tưởng bẩn màng do

vi sinh vật ít có nguy cơ xảy ra [6] Bẩn màng do các chất rắn lơ lửng và các chất bẩn hữu cơ có thể xảy ra, song có thể hạn chế bằng các biện pháp sơ lọc tiền xử lý nước biển cấp vào hệ thống chưng cất màng Các nghiên cứu công

bố trước đây cho thấy chỉ cần sơ lọc nước biển bằng giấy lọc hay màng vi lọc

là có thể đảm bảo ngăn chặn sự hình thành cặn bẩn hữu cơ và lơ lửng [18-20] Bẩn màng do kết tủa lắng cặn xảy ra khi vận hành quá trình chưng cất màng ở hiệu suất thu hồi nước cao, khi ấy, dòng nước biển bị cô đặc dẫn đến nồng độ các muối ít tan trong nước biển vượt quá ngưỡng bão hòa, dẫn đến hình thành kết tủa trên bề mặt màng [18, 20, 30] Các muối ít tan trong nước biển có thể

kể đến như là muối cacbonat và sunfat của canxi và magie Bẩn màng do kết tủa có thể được hạn chế bằng cách khống chế hiệu suất thu hồi nước của quá trình khử mặn nước biển Ví dụ, các quá trình RO khử mặn nước biển thường được vận hành ở hiệu suất thu hồi nước không quá 50%, trong khi đó quá trình

chưng cất màng có thể vận hành ở hiệu suất thu hồi nước 70% mà vẫn không xảy ra hiện tượng bẩn màng do kết tủa lắng cặn [18] Có thể nói, đây là một ưu điểm đáng kể của công nghệ chưng cất màng MD so với công nghệ RO cho ứng dụng khử mặn nước biển ở những khu vực xa xôi hẻo lánh trên các đảo và hải đảo

1.3 Các công nghệ thu hồi năng lượng mặt trời và tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển ở Việt Nam

Hiện có nhiều công nghệ được sử dụng để thu hồi năng lượng mặt trời, song hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời của các công nghệ này còn khá thấp Các tấm quang năng của pin mặt trời thương mại có hiệu suất hấp thụ chỉ trong khoảng 20%: ví dụ như SunPower (22,2%), Panasonic (21,6%), LG (21,1%), Hanwha Q CELLS (19,6%), Solaria (19,4%) Pin mặt trời được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam, tuy nhiên việc ứng dụng chúng cho chưng cất màng khử mặn nước biển không phải là giải pháp tối ưu vì: (1) Khi sử dụng pin năng lượng mặt trời để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, điện năng lại cần chuyển lại thành năng lượng nhiệt dẫn đến việc giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng; và (2) Tấm quang năng hấp thụ ánh sáng mặt trời trên cơ sở bán dẫn chỉ hấp thụ một phần năng lượng mặt trời trong vùng cấm của bán dẫn để chuyển thành điện năng Pin mặt trời chỉ hấp thụ được trong vùng dải sóng từ 300 đến 1100nm, trong khi một phần đáng kể năng lượng mặt trời trong vùng gần hồng ngoại và hồng ngoại không được tận dụng

Việc sử dụng thiết bị thu nhiệt từ mặt trời có ưu điểm hơn về hiệu suất so với sử dụng tấm pin quang năng, do tấm thu nhiệt có thể thu nhiệt trên toàn bộ phổ phát xạ năng lượng mặt trời từ vùng hồng ngoại tới vùng tử ngoại và chuyển năng lượng đó thành nhiệt Với các hệ thống cần cấp nhiệt, năng lượng nhiệt được hấp thụ trực tiếp nên không cần qua bước chuyển đổi, từ đó dẫn đến việc tránh mất mát năng lượng trong hệ thống Trong khi hiệu suất của pin mặt trời

đã thương mại hóa chỉ khoảng 20 – 25% thì hiệu suất chuyển đổi nhiệt của các thiết bị thu nhiệt mặt trời cao hơn rất nhiều, khoảng trên 60% và có thể đạt trên

80% với ngày nắng mạnh Bảng 2 cho thấy hiệu suất hấp thụ và hệ số thất thoát nhiệt của một số thiết bị thu nhiệt mặt trời hiện có trên thị trường

Bảng 2 Hiệu suất chuyển đổi và hệ số thất thoát nhiệt của các loại thiết bị thu

nhiệt mặt trời [32]

Loại thiết bị thu nhiệt Hệ số

chuyển đổi

Hệ số thất thoát nhiệt (kW/m 2 C) Nhiệt độ (C)

dễ dàng cho các ứng dụng khử mặn trên công nghệ MD Về độ bền cơ học, tấm phẳng chân không có ưu thế hơn ống chân không và dễ lắp đặt

Hình 9 Cấu tạo tấm phẳng chân không thu nhiệt

Cấu tạo của một bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng được thể hiện trên Hình 9 Khi bức xạ mặt trời đi qua lớp kính trong suốt đến tấm hấp thụ, phần lớn năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi lớp hấp thụ hiệu quả, sau đó truyền nhiệt cho môi chất trong ống, qua bộ trao đổi nhiệt làm nước nóng lên Phần dưới bộ thu và hai bên vỏ là các lớp các nhiệt để giảm tổn thất dẫn nhiệt Tấm kính phía trên được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt đối lưu của lớp không khí và ngăn các tia bức xạ nhiệt sóng dài phát ra từ tấm hấp thụ (hiệu ứng nhà kính)

Do vị trí địa lý gần xích đạo, Việt Nam có tiềm năng năng lượng mặt trời to

to lớn Việt Nam có tổng số giờ nắng cao trên 2.500 giờ/năm, tổng lượng bức

xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230  250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần

về phía Nam (

Bảng 3), đây là những cơ sở tốt cho phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời Thực tế ứng dụng và phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam cũng chứng tỏ tiềm năng to lớn này

Bảng 3 Số giờ nắng và cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau tại Việt

Nam

Vùng Giờ nắng trong

năm

Cường độ BXMT (kWh/m 2 , ngày) Ứng dụng

Bảng 3, Việt Nam có tiềm năng lớn để sử dụng năng lượng mặt trời cho các

hệ thống khử mặn nước biển trong đó có MD Hiện tại, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào được công bố về hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển có sử dụng năng lượng mặt trời

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống chưng cất màng MD ứng dụng cho khử mặn nước biển ở quy mô pilot để cung cấp nước uống Nước biển cấp vào

hệ thống MD là nguồn nước biển tự nhiên tại đảo An Bình (xã An Bình), huyện

Lý Sơn, tỉnh Quãng Ngãi với độ mặn dao động 32.000  35.000 mg/L

Hệ thống chưng cất màng MD được nghiên trong luận văn là hệ thống dựa trên cấu hình chưng cất màng đệm không khí (AGMD) Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống AGMD khử mặn nước biển được thể hiện trên Hình 10

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mô 1

m3/ngày

Nước biển được tiền xử lý thông qua một hệ thống vi lọc (lọc MF) với màng lọc là màng dạng sợi chế tạo từ popypropilen (PP) kích thước lỗ màng 1 µm Nước biển sau sơ lọc MF được giữ trong bể chứa 2, bố trí trên cao so với bể cấp của hệ thống chưng cất màng MD Khi mực nước trong bể cấp thấp hơn mực yêu cầu, van mức sẽ mở, nước biển sẽ chảy từ bể chứa 2 vào bể cấp dưới tác dụng của trọng lực

Nước biển trong bể cấp của hệ chưng cất màng MD được làm mát để duy trì nhiệt độ làm việc nhờ sử dụng máy lạnh (chiller) Nước biển mát từ bể cấp được bơm vào khoang làm mát của các mô đun màng AGMD Khi dòng làm mát chạy qua khoang làm mát, nó sẽ làm mát tấm ngưng để ngưng tụ hơi nước bốc sang từ bên khoang cấp Quá trình ngưng tụ hơi nước tỏa nhiệt, nhiệt truyền qua tấm ngưng, làm nóng dòng làm mát Khi ra khỏi khoang làm mát, nhiệt độ dòng làm mát có thể được nâng lên đến 60  70 C tùy thuộc vào điều kiện vận hành và đặc điểm cấu tạo của mô đun màng AGMD

Sau khi ra khỏi khoang làm mát, dòng nước biển được cho qua một hệ trao đổi nhiệt (bể nóng gia nhiệt bổ sung) để nâng nhiệt độ dòng cấp nóng đến nhiệt

độ vận hành Nhiệt độ chênh lệch giữa đầu ra của khoang làm mát và đầu vào của khoang cấp chính là nhiệt độ chênh lệch giữa dòng làm mát và dòng cấp nóng dọc theo chiều dài của màng lọc bên trong mô đun màng Khi dòng nước biển nóng chạy dọc theo bề mặt màng bên trong khoang cấp, nước sẽ bay hơi tại bề mặt màng, dịch chuyển qua các lỗ màng và lớp đệm không khí trước khi ngưng tụ thành nước cất trên bề mặt tấm ngưng Khi ra khỏi khoang cấp, độ mặn của dòng nước cấp tăng lên trong khi nhiệt độ của nó giảm xuống do nhiệt truyền qua màng Dòng nước mặn ấm ra khỏi mô đun màng lọc ở bên khoang cấp được hồi lưu quay trở lại bể cấp mát để vận hành ở hiệu suất thu hồi nước cao

Chế độ vận hành hệ thống AGMD khi hồi lưu dòng nước mặn ấm sau khi

ra khỏi mô đun màng lọc về bể cấp mát để nâng cao hiệu suất thu hồi nước được gọi là chế độ tuần hoàn nước mặn (brine-recycling) Ở chế độ này, do dòng nước mặn ấm được tuần hoàn quay trở lại bể cấp, độ mặn của nước trong

bể cấp mát sẽ tăng lên theo thời gian vận hành đồng thời với việc tăng hiệu suất thu hồi nước Khi đạt hiệu suất thu hồi nước mong muốn, một phần nước mặn

ấm sẽ được thải ra ngoài theo tỷ lệ nhất định với lưu lượng nước cất thu được Khi đó, độ mặn của nước trong bể cấp mát sẽ ổn định không thay đổi theo thời gian vận hành, và hệ thống MD sẽ đạt được hiệu suất thu hồi nước cao Ưu điểm chính của chế độ vận hành tuần hoàn nước mặn là có thể đạt được hiệu suất thu hồi nước cao Song, vận hành theo cơ chế này cần tiêu tốn năng lượng