(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 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 download by : skknchat@gmail.com 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: 52 03 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Hướng dẫn 1: TS Dương Công Hùng Hướng dẫn 2: TS Trần Thị Thu Lan Hà Nội, 07/2021 download by : skknchat@gmail.com Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Quách Tất Tùng download by : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng lượng mặt trời quy mơ pilot.” thực phịng thí nghiệm Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, hướng dẫn TS Dương Công Hùng TS Trần Thị Thu Lan Trong suốt trình thực luận văn, từ nhận đề tài kết thúc thực nghiệm, em nhận quan tâm, động viên, hỗ trợ từ thầy cô hướng dẫn Bằng tất kính trọng, lịng biết ơn, em xin phép gửi tới TS Dương Công Hùng TS Trần Thị Thu Lan lời cảm ơn chân thành Em xin 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 Cơng nghệ Việt Nam cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành tốt luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, thầy cô giáo Khoa Công nghệ Môi trường, giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện sở vật chất hướng dẫn em hoàn thành chương trình học tập thực luận văn Em xin cảm ơn gia đình em, dù khơng phải cộng sự, khơng làm việc, gia đình bên, động viên, tạo điều kiện thuận lợi tinh thần vật chất cho em nghiên cứu khoa học! download by : skknchat@gmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Các công nghệ khử mặn nước biển giới 1.1.1 Các công nghệ chưng cất 1.1.2 Công nghệ thẩm thấu ngược RO 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 công nghệ chưng cất màng 11 1.2.2 Các cấu hình chưng cất màng 13 1.2.3 Màng lọc sử dụng cho trình chưng cất màng 16 1.2.4 Hiệu hoạt động trình chưng cất màng khử mặn nước biển 17 1.2.5 Bẩn cặn màng trình chưng cất màng 19 1.3 Các công nghệ thu hồi lượng mặt trời tiềm sử dụng lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển 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 hóa chất .27 2.3 Phương pháp nghiên cứu .27 2.3.1 Phương pháp lấy mẫu phân tích 27 2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 28 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 3.1 Tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển quy mô pilot với công suất m3/ngày 32 3.1.1 Thiết kế mô đun màng MD 33 3.1.2 Thiết kế hệ thống gia nhiệt làm lạnh 35 3.2 Khảo sát hiệu hoạt động hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển 39 download by : skknchat@gmail.com 3.2.1 Hiệu hoạt động hệ thống AGMD quy mơ phịng thí nghiệm 39 3.2.2 Hiệu hoạt động hệ thống AGMD quy mơ pilot Đảo An Bình, Lý Sơn .47 3.3 Đánh giá hiệu lượng trở ngại kỹ thuật cần khắc phục hệ thống 56 3.3.1 Đánh giá hiệu lượng hệ thống 56 3.3.2 Các trở ngại kỹ thuật hệ thống 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AGMD Air gap membrane distillation - Chưng cất màng đệm khơng 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 VMD Vacuum Membrane Disitllation - Chưng cất màng chân không download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Điều kiện làm việc lượng tiêu thụ công nghệ khử mặn nước biển [7] Bảng Hiệu suất chuyển đổi hệ số thất thoát nhiệt loại thiết bị thu nhiệt mặt trời [32] 21 Bảng Số nắng cường độ xạ mặt trời vùng khác Việt Nam 23 Bảng Đặc trưng nước biển lấy Đảo Bé, huyện đảo Lý Sơn 26 Bảng Các đặc tính kỹ thuật mô đun màng lọc AGMD thương mại sản xuất Aquastill, Hà Lan 34 Bảng Các thông số phẳng thu nhiệt mặt trời 35 Bảng Thông lượng cất nước q trình AGMD nhiệt độ dịng làm mát 25 oC, nhiệt độ dòng cấp 45 C 60 C với tốc độ dòng khác 40 Bảng Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng nóng lên cơng suất cất nước nhiệt độ khác 48 Bảng Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dịng lạnh cơng suất cất nước 50 Bảng 10 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất độ dẫn điện nước cất thu 51 download by : skknchat@gmail.com i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Phân bố sản lượng khử mặn giới theo (A) khu vực (B) công nghệ sử dụng [7] Hình Quá trình khử mặn nước biển công nghệ MSF [7] Hình Sơ đồ cơng nghệ q trình MED khử mặn nước biển [7] Hình Nguyên lý hoạt động trình khử mặn dựa công nghệ RO [11] Hình Quy trình cơng nghệ q trình khử mặn dùng cơng nghệ RO [6] Hình Nguyên lý hoạt động trình ED [4] 11 Hình Nguyên lý hoạt động trình MD khử mặn nước biển [24] 13 Hình Nguyên lý cấu tạo bốn cấu hình MD [11] 15 Hình Cấu tạo phẳng chân không thu nhiệt 22 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mô m3/ngày 24 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống AGMD quy mơ phịng thí nghiệm sử dụng luận văn 29 Hình 12 Hình ảnh thực tế hệ thống AGMD quy mơ phịng thí nghiệm sử dụng luận văn 29 Hình 13 Hình ảnh thực (A) mô đun màng lọc AGMD (B) mặt cắt ngang mô đun màng lọc AGMD 34 Hình 14 Sơ đồ điều khiển hệ thống gia nhiệt sử dụng lượng mặt trời điện trở đốt để cấp nhiệt cho hệ thống MD quy mô pilot 36 Hình 15 Sơ đồ hệ thống tự động hóa hệ khử mặn nước biển MD quy mô pilot lắp đặt Đảo Bé 37 Hình 16 Hình ảnh thực tế hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển công suất m3/ngày lắp đặt đảo Bé, Lý Sơn 38 download by : skknchat@gmail.com ii Hình 17 Hệ thống thu nhiệt mặt trời để bổ sung nhiệt cho hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển công suất m3/ngày Lý Sơn 38 Hình 18 Thơng lượng cất nước q trình AGMD với nước cấp dung dịch NaCl 35 g/L nhiệt độ dòng cấp lưu lượng tuần hồn khác nhau, nhiệt độ dịng làm mát trì 25 oC 39 Hình 19 Ảnh hưởng lưu lượng dịng cấp dịng làm mát đến thơng lượng cất q trình AGMD với dịng cấp 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 thông lượng cất nước đo theo thực nghiệm tính tốn lý thuyết theo 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 dòng làm mát 0,3 L/ph 43 Hình 21 Hình ảnh phân tích SEM màng PTFE chưa sử dụng màng sau vận hành hệ thống AGMD hiệu suất thu hồi nước 73% 44 Hình 22 Thơng lượng cất nước trình AGMD nước biển tự nhiên nước biển 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 dòng làm mát 0,3 L/ph 45 Hình 23 Hình ảnh phân tích SEM màng qua sử dụng 13 với nước biển tự nhiên Hệ thống vận hành nhiệt độ 60 oC dòng cấp, 25 oC dòng làm mát lưu lượng hai dòng cấp làm mát 0,3 L/ph 45 Hình 24 Góc tiếp xúc nước tinh khiết với (A) màng chưa qua sử dụng (B) màng bị cặn sau rửa giấm ăn 46 Hình 25 Hình ảnh phân tích SEM bề mặt màng sau rửa cặn giấm 47 download by : skknchat@gmail.com 52 thấp Do vậy, nhiệt độ dịng cấp nóng khơng ảnh hưởng định đến độ mặn dòng nước cất thu 2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ dòng làm mát đến hiệu suất trình AGMD Ảnh hưởng nhiệt độ dòng làm mát thực nghiệm dải nhiệt độ 15, 20 30 °C trì nhiệt độ dịng cấp nóng 85 °C Nhiệt độ dịng làm mát có ảnh hưởng khơng đáng kể đến thông lượng lọc công suất cất nước hệ thống MD quy mơ pilot Khi nhiệt độ dịng làm mát tăng từ 15 °C lên 30 °C lưu lượng nước cất giảm không đáng kể từ 53 L/h xuống 48 L/h (Bảng Hình 27) Bảng Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng lạnh công suất cất nước Độ dẫn điện nước cất (µS/cm) 15 53 40 20 51 46 30 48 55 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 15 20 25 Nhiệt độ dịng lạnh Cơng suấ cất nước (l/h) Độ dẫn điện nước cất (µS/cm) Cơng suất cất nước (L/h) Cơng suất cất nước (L/h) Nhiệt độ dịng lạnh (°C) 30 Độ dẫn điện nước cất (uS/cm) Hình 27 Ảnh hưởng nhiệt độ dịng làm mát lên cơng suất cất nước chất lượng nước cất thu hệ thống MD khử mặn nước biển quy mô pilot download by : skknchat@gmail.com 53 Để giải thích cho kết này, Adbullah đưa lập luận tăng nhiệt độ dòng làm mát làm giảm áp suất chênh lệch qua màng, làm giảm thông lượng cất nước Tuy nhiên giảm áp suất xảy khơng đáng kể nhiệt độ dịng làm mát giảm Điều thấy rõ mối liên hệ áp suất nước bão hòa nhiệt độ nước Mối liên hệ theo hàm số mũ: tăng nhiệt độ ảnh hưởng nhiều dòng nước nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp tăng nhiệt độ nước áp suất nước tăng khơng đáng kể Giảm nhiệt độ dịng làm mát làm tăng lượng tiêu thu máy lạnh vận hành để trì nhiệt độ dịng làm mát Do đó, từ kết nghiên cứu này, hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển quy mơ pilot vận hành nhiệt độ dịng làm mát 20 °C 2.2.3 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hồn nước đến hiệu suất q trình AGMD Để đưa lưu lượng tuần hoàn nước tối ưu cho hệ thống chưng cất màng AGMD, dải lưu lượng đưa vào vận hành 300, 360, 480, 540 L/h Nhiệt độ dịng cấp nóng cố định 85 °C, nhiệt độ dòng làm mát 20 °C Kết thực nghiệm cho thấy lưu lượng tuần hồn nước có ảnh hưởng đến hiệu suất cất nước hệ thống AGMD mức độ khác (Bảng 10 Hình 28) Tăng lưu lượng tuần hồn nước làm tăng hiệu suất cất nước thu Bảng 10 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất độ dẫn điện nước cất thu Lưu lượng tuần hoàn nước (L/h) Lưu lượng cất nước (L/h) Độ dẫn điện nước cât thu (µS/cm) 300 40 40 360 51 50 480 69 65 540 90 62 download by : skknchat@gmail.com Lưu lượng nước cất (L/h) 54 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 300 360 420 480 540 Lưu lượng tuần hồn (L/h) Hình 28 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước đến lưu lượng nước cất thu hệ thống MD khử mặn nước biển quy mơ pilot Kết Hình 28 cho thấy, lưu lượng nước cất có gia tăng tăng lưu lượng tuần hoàn Khi vận hành lưu lượng tuần hoàn 300 L/h thu lưu lượng nước cất 40 L/h Lưu lượng nước cất tăng 12% lên 51 L/h lưu lượng tuần hoàn 360 L/h Lưu lượng nước cất thu tăng lên 69 90 L/h lưu lượng tuần hoàn tăng từ 480 lên 540 L/h Với kết ta nhận thấy lưu lượng tuần hồn tăng 1,8 lần (300→540 L/h) lưu lượng nước cất thu tăng 2,3 lần (40→90 L/h) Sự tăng lưu lượng cất nước tăng lưu lượng tuần hồn hệ thống AGMD giải thích theo chế sau Thứ nhất, tăng lưu lượng tuần hồn cố định nhiệt độ dịng làm mát dịng cấp nóng khơng đổi làm tăng nhiệt độ chênh lệch hai bên bề mặt màng dọc theo kênh màng bên mô đun màng AGMD Cần nhấn mạnh rằng, trình MD, nhiệt độ chênh lệch hai bên bề mặt màng động lực cho dịch chuyển nước qua màng lọc, động lực ảnh hưởng đển lưu lượng cất nước trình Khi tăng lưu lượng tuần hồn, thời gian lưu dịng nước mát dịng nước nóng bên mơ đun màng giảm xuống, trình trao đổi nhiệt từ dịng nóng qua màng lọc, lớp đệm khơng khí, ngưng, dịng nước mát giảm xuống Do vậy, nhiệt độ chênh lệch hai bên bề mặt màng cao lưu lượng tuần hoàn nước tăng Điều download by : skknchat@gmail.com 55 làm tăng động lực q trình MD, tăng lưu lượng cất nước Yếu tố thứ hai ảnh hưởng lên lưu lượng cất nước tăng lưu lượng tuần hoàn tượng phân cực nhiệt độ nồng độ Với trình MD, phân cực nhiệt độ nồng độ làm giảm động lực trình, làm giảm lưu lượng cất nước Tăng lưu lượng tuần hoàn làm tăng mức độ chảy rối dịng nước sát bề mặt màng, làm giảm tượng phân cực nhiệt độ nồng độ Tăng lưu lượng tuần hoàn giúp tăng lưu lượng cất nước Song, vận hành trình AGMD, cần tối ưu lưu lượng tuần hoàn để tránh nguy ướt màng giảm lượng tiêu thụ trình Tăng lưu lượng tuần hồn làm tăng áp suất thủy tĩnh dòng nước bề mặt màng, tăng nguy ướt màng Trong trình MD, có thơng số để đánh giá nguy ướt màng gọi áp suất thấm ướt chất lỏng (LEP) Khi áp suất thủy tĩnh dòng, đặc biệt dòng cấp, vượt qua giá trị LEP màng, nước lỏng thắng lực cản tạo sức căng bề mặt thâm nhập vào lỗ màng lọc Khi lỗ màng bị chất lỏng thấm qua, muối tan qua lỗ màng với chất lỏng, làm giảm chất lượng nước cất thu Việc ướt màng làm giảm lưu lượng cất nước q trình AGMD diện tích mặt thoáng dành cho nước bốc bị giảm xuống Do đó, cần khống chế lưu lượng tuần hồn nước không cao để tránh nguy ướt màng Tăng lưu lượng tuần hoàn nước làm tăng điện tiêu thụ hệ thống Tăng lưu lượng tuần hoàn làm cho nhiệt độ chênh lệch đầu dịng làm mát đầu vào dịng cấp nóng tăng lên Nhiệt độ chênh lệch tăng lên có nghĩa hệ thống phải cung cấp nhiều nhiệt để trì nhiệt độ dịng cấp nóng 85 °C Nhiệt độ chênh lệch đầu dòng cấp đầu vào dòng nước mát tăng lên, tải lạnh để làm mát dòng nước mát cấp vào tăng lên tăng lưu lượng tuần hoàn Một yếu tố quan trọng q trình khử mặn sử dụng cơng nghệ MD hiệu suất loại muối Chúng kiểm tra độ dẫn điện nước sau trình lọc qua màng cho kết thể Hình 29 Tăng lưu lượng tuần hồn nước có làm thay đổi độ dẫn điện nước cất thu được, thay đổi không đáng kể Hiệu suất loại muối đạt 99,9%, nước download by : skknchat@gmail.com 56 Độ dẫn điện nước cất (µS/cm) cất thu có độ dẫn điện dao động từ 40 – 60 µS/cm Độ dẫn điện tương đương với nồng độ muối không 25 mg/L, đạt tiêu chuẩn độ mặn nước sinh hoạt hay nước uống Bộ Y tế (QCVN 01-1:2018/BYT) 70 60 50 40 30 20 10 300 360 420 480 540 Lưu lượng dịng vào (L/h) Hình 29 Ảnh hưởng lưu lượng tuần hồn đến độ dẫn điện dịng nước cất thu từ trình MD khử mặn nước biển quy mô pilot Từ kết khảo sát này, thấy tăng lưu lượng tuần hồn có lợi cho hệ thống AGMD xét khía cạnh lưu lượng cất nước Chất lượng nước cất thu không phụ thuộc nhiều vào lưu lượng tuần hoàn dải khảo sát Tuy nhiên, tăng lưu lượng tuần hoàn, nguy ướt màng cao áp suất thủy tĩnh dịng nước bên mơ đun màng tăng lên Do đó, để hạn chế nguy ướt màng đồng thời đảm bảo lưu lượng cất nước cao, chúng tơi lựa chọn lưu lượng tuần hồn 540 L/h để vận hành hệ thống hoạt động lâu dài với nước thải mặn 2.2.4 Kiểm nghiệm thông số vận hành tối ưu hệ thống AGMD quy mô pilot Sau đánh giá ảnh hưởng thơng số vận hành lên hiệu hoạt động, hệ MD vận hành với nước cấp nước biển lấy đảo An Bình Lý Sơn Trong ngày, hệ MD khởi động vào buổi sáng vận hành điều kiện không đổi nhiệt độ dòng cấp 85 C, nhiệt độ đầu vào dòng làm mát 20 C, lưu lượng tuần hoàn nước 540 L/h download by : skknchat@gmail.com 57 Như phân tích trên, lưu lượng tuần hồn 540 L/h lựa chọn để đảm bảo tránh nguy ướt màng lọc trình MD vận hành thời gian dài, dù lưu lượng tuần hồn lớn giúp tăng thơng lượng cất nước Tại cuối ngày vận hành, hệ MD chuyển sang trạng thái ngừng tạm thời (Standby), nguồn điện nước cấp hệ MD ngắt, nước giữ mô đun màng để tránh tượng màng bị khơ bị kết tủa.Trong q trình thử nghiệm, trình MD vận hành liên tục 12 tiếng Từ ngày thứ đến ngày thứ 60 đợt vận hành thử nghiệm, tốc độ nước cất khơng đổi mức 90 L/h (1,08 m3/ngày) (Hình 30) Hình 30 Cơng suất cất nước độ mặn nước cất hệ MD vận hành thời gian kéo dài với nước cấp nước biển thật Độ dẫn điện nước cất dao động 50 µS/cm 80 µS/cm Độ dẫn điện dòng nước cất thấp cho thấy việc bám bẩn làm ướt màng tránh cách hiệu trình vận hành MD thí điểm kéo dài Thật vậy, nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm trước chứng minh bám bẩn thấm ướt màng trình khử mặn nước biển hệ thống MD ngăn chặn cách hiệu cách xử lý trước lọc nguồn cấp nước biển kiểm sốt thơng lượng cất download by : skknchat@gmail.com 58 nước để giảm thiểu tác động tiêu cực hiệu ứng phân cực việc đóng cặn màng Kết thu từ trình khảo sát thực nghiệm hệ thống MD quy mô pilot thời gian 60 ngày chứng tỏ tính khả thi cơng nghệ MD cho khử mặn nước biển phương diện kỹ thuật Quan trọng hơn, hệ thống bước đầu cung cấp đủ nguồn nước uống cho bà đảo An Bình, Lý Sơn Để đánh giá hiệu quả, hệ thống tiếp tục vận hành kiểm tra thời gian 3.3 Đánh giá hiệu lượng trở ngại kỹ thuật cần khắc phục hệ thống 3.3.1 Đánh giá hiệu lượng hệ thống Năng lượng tiêu thụ hệ thống chưng cất màng AGMD bao gồm: nhiệt để làm nóng dịng nước cấp vào khoang cấp nóng làm mát dòng nước mát cấp vào khoang làm mát điện để vận hành bơm tuần hoàn hệ thống điều khiển Trong tổng lượng tiêu thụ này, nhiệt phần lượng chủ yếu Trong luận văn, hiệu lượng đánh giá theo hai chế độ vận hành: hoàn toàn sử dụng điện (sử dụng điện trở để đun nóng nước) sử dụng điện kết hợp với lượng mặt trời (điện trở phụ kết hợp với thu nhiệt mặt trời) để gia nhiệt Hình 31 thể điện tiêu thụ riêng lưu lượng nước cất thu vận hành hệ thống MD khử mặn nước biển thời gian 30 ngày sử dụng nguồn điện trở trực tiếp để đốt nóng nguồn nước Với chế độ vận hành lưu lượng dòng vào 540 L/h, nhiệt độ dịng nóng 85 °C, nhiệt độ dòng lạnh 20 °C, lưu lượng dòng nước cất thu dao động 90 L/h Với lưu lượng nước cất thu này, điện tiêu thụ toàn hệ thống 108  110 kWh/m3 Với chi phí cho kWh 2.000 VND, chi phí cho điện hệ thống để thu m3 nước cất 220.000 VND download by : skknchat@gmail.com 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 10 15 20 25 30 Điện tiêu thụ (kWh/m3) Lưu lượng nước (L/h) 59 Thời gian chạy (ngày) Công suất cất nước Điện tiêu thụ Hình 31 Theo dõi điện tiêu thụ riêng vận hành hệ thống sử dụng điện trở đốt nóng nước Điện tiêu thụ hệ thống giảm xuống rõ rệt kết hợp sử dụng điện trở phụ với thu nhiệt mặt trời (Hình 32) Với chế độ vận hành lưu lượng dịng vào 540 L/h, nhiệt độ dịng nóng sau hệ thống lượng mặt trời đạt 60  65 °C gia nhiệt lên 85 °C nhờ cụm điện trở phụ, nhiệt độ dòng lạnh 20 °C trì, thời gian vận hành hệ thống vịng 16h Lưu lượng dòng nước cất thu dao động 85  90 L/h Điện tiêu thụ toàn hệ thống giảm 50% xuống 20  21 kWh/m3 Vậy chi phí cho điện sử dụng kết hợp nguồn lượng mặt trời điện trở phụ 40.000  42.000 VND/m3 nước cất download by : skknchat@gmail.com 100 40 90 35 80 30 70 60 25 50 20 40 15 30 10 20 10 0 10 Công suất cất nước(L/h) 15 20 25 Điện tiêu thụ riêng (kWh/m³) Công suất cất nước (L/h) 60 30 Điện tiêu thụ riêng (kWh/m³) Hình 32 Cơng suất cất nước lượng tiêu thụ riêng hệ thống MD khử mặn nước biển quy mơ pilot Đảo An Bình, Lý Sơn 30 ngày vận hành sử dụng lượng mặt trời kết hợp điện trở phụ Cần nhần mạnh chi phí lượng để cung cấp m3 nước uống/ngày hệ thống MD lớn so với chi phí sản xuất nước sử dụng cơng nghệ khử mặn khác RO NF, song chi phí hồn tồn phù hợp với thực trạng nhu cầu nước uống bà đảo Hiện bà đảo An Bình (xã An Bình, nơi lắp đặt hệ thống) phải mua nước uống với giá trung bình vào khoảng 1.250.000 VND/m3 Rõ ràng, hiệu lượng kinh tế hệ thống chưng cất màng MD với công suất m3/ngày phù hợp với điều kiện địa lý kinh tế Đảo An Bình Hình 33 thể hình ảnh bà nhân dân đảo An Bình nhận nước uống từ hệ thống chưng cất màng MD nghiên cứu đề tài download by : skknchat@gmail.com 61 Hình 33 Hình ảnh bà đảo An Bình tập trung lấy nước uống từ hệ thống MD khử mặn nước biển lắp đảo (chụp ngày 06/08/2020) 3.3.2 Các trở ngại kỹ thuật hệ thống Các kết thực nghiệm thu thời gian khảo sát hệ thống chưng cất màng chứng tỏ tính khả thi công nghệ cho ứng dụng khử mặn nước biển cung cấp nước uống cho cộng đồng dân cư đảo hải đảo Việt Nam Kết nghiên cứu cho thấy hệ thống chưng cất màng MD thu nước đạt tiêu chuẩn nước uống (về độ mặn số đặc trưng quan trọng), có mức tiêu thụ lượng hợp lý với điều kiện địa lý kỹ thuật đảo Song, để phát triển nhân rộng thương mại hóa cơng nghệ chưng cất màng, có số trở ngại kỹ thuật hệ thống chưng cất màng MD mà cần phải tập trung giải Trở ngại lớn tác động môi trường biển lên độ bền tuổi thọ hệ thống khử mặn nước biển Thực tế nghiên cứu khảo sát đảo cho thấy ảnh hưởng mặn nhiệt độ lên linh kiện, chi tiết hệ thống chưng cất màng lớn Dù phần lớn chi tiết hệ thống MD chế tạo nhựa để chống ăn mịn, việc phải làm việc với dịng nước nóng nhiệt độ cao thời gian dài ảnh hưởng đến đặc tính lý vật liệu nhựa, dẫn đến tượng bị lão hóa nhanh Hình 34 thể tác động mạnh môi trường biển lên độ bền chi tiết, thiết bị sử dụng hệ thống khử mặn nước biển đảo hải đảo Với thực trạng này, rõ ràng cần nghiên cứu nhiệt đới hóa nâng cao khả chống chọi với điều kiện môi trường biển đảo hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển cần thiết download by : skknchat@gmail.com 62 Hình 34 Tác động mơi trường biển đảo lên độ bền tuổi thọ chi tiết, thiết bị hệ thống khử mặn nước biển môi trường biển đảo download by : skknchat@gmail.com 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu, khảo sát, tiến hành thực hiện, luận văn đạt mục đích, yêu cầu đề cương đăng ký: Nghiên cứu phân tích, đánh giá nguyên lý hoạt động, điều kiện vận hành, ưu nhược điểm cơng nghệ khử mặn nước biển có cơng nghệ chưng cất màng Phân tích ngun lý hoạt động, ưu nhược điểm cấu hình chưng cất màng, từ lựa chọn cấu hình chưng cất màng đệm khơng khí (AGMD) cho hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển quy mô pilot Thiết kế chế tạo hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển có sử dụng lượng mặt trời với công suất m3/ngày: hệ thống gồm 03 mơ đun màng lọc có cấu hình AGMD với diện tích bề mặt màng 77,7 m2 Khảo sát đánh giá hiệu hoạt động hệ thống điều kiện vận hành khác nhau, từ đánh giá tính khả thi cơng nghệ thời gian vận hành kéo dài Do thời gian nghiên cứu hạn chế bối cảnh dịch bệnh Covid-19 diễn biến phức tạp khó lường, luận văn khơng tránh khỏi cịn tồn hạn chế sai sót Tác giả mong nhận ý kiến góp ý phản biện bạn đọc để khắc phục sửa chữa download by : skknchat@gmail.com 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ahmed F.E., Hashaikeh R., and Hilal N - Solar powered desalination – Technology, energy and future outlook, Desalination 453 (2019) 54-76 Bundschuh J., Kaczmarczyk M., Ghaffour N., and Tomaszewska B State-of-the-art of renewable energy sources used in water desalination: Present and future prospects, Desalination 508 (2021) 115035 Lim Y.J., Goh K., Kurihara M., and Wang R - Seawater desalination by reverse osmosis: Current development and future challenges in membrane fabrication – A review, Journal of Membrane Science 629 (2021) 119292 Duong H.C., Tran T.L., Ansari A.J., Cao H.T., Vu T.D., and Do K.-U Advances in Membrane Materials and Processes for Desalination of Brackish Water, Current Pollution Reports (2019) 319-336 Duong H.C., Ansari A.J., Nghiem L.D., Pham T.M., and Pham T.D - Low Carbon Desalination by Innovative Membrane Materials and Processes, Current Pollution Reports (2018) 251-264 Duong H.C., Membrane distillation for strategic desalination, Doctor of Philosophy Thesis, School of Civil, Mining and Environmental Engineering (2017), University of Wollongong p 155 Mezher T., Fath H., Abbas Z., and Khaled A - Techno-economic assessment and environmental impacts of desalination technologies, Desalination 266 (2011) 263-273 Kayvani Fard A., Rhadfi T., Khraisheh M., Atieh M.A., Khraisheh M., and Hilal N - Reducing flux decline and fouling of direct contact membrane distillation by utilizing thermal brine from MSF desalination plant, Desalination 379 (2016) 172-181 Adham S., Hussain A., Matar J.M., Dores R., and Janson A - Application of Membrane Distillation for desalting brines from thermal desalination plants, Desalination 314 (2013) 101-108 10 Qasim M., Badrelzaman M., Darwish N.N., Darwish N.A., and Hilal N Reverse osmosis desalination: A state-of-the-art review, Desalination 459 (2019) 59-104 11 Duong H.C., Nguyen N.C., Do K.-U., and Le S.T - Membrane processes and their potential applications for fresh water provision in Vietnam, Vietnam Journal of Chemistry 55 (2017) 533-544 download by : skknchat@gmail.com 65 12 Liu L and Cheng Q - Mass transfer characteristic research on electrodialysis for desalination and regeneration of solution: A comprehensive review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 134 (2020) 110115 13 Al-Amshawee S., Yunus M.Y.B.M., Azoddein A.A.M., Hassell D.G., Dakhil I.H., and Hasan H.A - Electrodialysis desalination for water and wastewater: A review, Chemical Engineering Journal 380 (2020) 122231 14 Suwaileh W., Johnson D., and Hilal N - Membrane desalination and water re-use for agriculture: State of the art and future outlook, Desalination 491 (2020) 114559 15 Naidu G., Tijing L., Johir M.A.H., Shon H., and Vigneswaran S - Hybrid membrane distillation: Resource, nutrient and energy recovery, Journal of Membrane Science 599 (2020) 117832 16 Drioli E., Ali A., and Macedonio F - Membrane distillation: Recent developments and perspectives, Desalination 356 (2015) 56-84 17 Alkhudhiri A., Darwish N., and Hilal N - Membrane distillation: A comprehensive review, Desalination 287 (2012) 2-18 18 Duong H.C., Duke M., Gray S., Cooper P., and Nghiem L.D - Membrane scaling and prevention techniques during seawater desalination by air gap membrane distillation, Desalination 397 (2016) 92-100 19 Duong H.C., Cooper P., Nelemans B., Cath T.Y., and Nghiem L.D Evaluating energy consumption of air gap membrane distillation for seawater desalination at pilot scale level, Separation and Purification Technology 166 (2016) 55-62 20 Duong H.C., Cooper P., Nelemans B., Cath T.Y., and Nghiem L.D Optimising thermal efficiency of direct contact membrane distillation by brine recycling for small-scale seawater desalination, Desalination 374 (2015) 1-9 21 Ma Q., Xu Z., and Wang R - Distributed solar desalination by membrane distillation: current status and future perspectives, Water Research 198 (2021) 117154 22 Andrés-Mañas J.A., Roca L., Ruiz-Aguirre A., Acién F.G., Gil J.D., and Zaragoza G - Application of solar energy to seawater desalination in a pilot system based on vacuum multi-effect membrane distillation, Applied Energy 258 (2020) 114068 download by : skknchat@gmail.com 66 23 Blanco Gálvez J., García-Rodríguez L., and Martín-Mateos I - Seawater desalination by an innovative solar-powered membrane distillation system: the MEDESOL project, Desalination 246 (2009) 567-576 24 Duong H.C., Phan N.D., Nguyen T.V., Pham T.M., and Nguyen N.C Membrane distillation for seawater desalination applications in Vietnam: potential and challenges, Vietnam Journal of Science and Technology 55 (2017) 659-682 25 Alawad S.M and Khalifa A.E - Performance and energy evaluation of compact multistage air gap membrane distillation system: An experimental investigation, Separation and Purification Technology 268 (2021) 118594 26 Bindels M., Carvalho J., Gonzalez C.B., Brand N., and Nelemans B Techno-economic assessment of seawater reverse osmosis (SWRO) brine treatment with air gap membrane distillation (AGMD), Desalination 489 (2020) 114532 27 El Amali A., Bouguecha S., and Maalej M - Experimental study of air gap and direct contact membrane distillation configurations: application to geothermal and seawater desalination, Desalination 168 (2004) 357 28 Kalla S - Use of membrane distillation for oily wastewater treatment – A review, Journal of Environmental Chemical Engineering (2021) 104641 29 Li C., Deng W., Gao C., Xiang X., Feng X., Batchelor B., and Li Y Membrane distillation coupled with a novel two-stage pretreatment process for petrochemical wastewater treatment and reuse, Separation and Purification Technology 224 (2019) 23-32 30 Warsinger D.M., Swaminathan J., Guillen-Burrieza E., Arafat H.A., and Lienhard V J.H - Scaling and fouling in membrane distillation for desalination applications: A review, Desalination 356 (2015) 294-313 31 Tijing L.D., Woo Y.C., Choi J.-S., Lee S., Kim S.-H., and Shon H.K Fouling and its control in membrane distillation—A review, Journal of Membrane Science 475 (2015) 215-244 32 J L - Review of Materials for Solar Thermal Collectors, Advanced Materials Research 171 (2011) 486-489 33 P V., S.S K., S S., and R P - Comparison of evacuated tube and flat plate solar collector - A review, World Wide Journal of Multidisciplinary Research and Development 2017) 32-36 download by : skknchat@gmail.com ... nghiên cứu, khảo sát hoạt động hệ thống chưng cất màng cho khử mặn nước biển quy mô pilot, đặc biệt kết hợp với lượng mặt trời Từ thực tế này, lựa chọn luận văn: ? ?Nghiên cứu thiết kế khảo sát hệ thống. .. CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường với đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng lượng mặt trời quy mô pilot. ” thực... trình khảo sát, mẫu nước lấy nước biển cấp vào hệ thống MD (sử dụng hệ thống bơm lấy nước biển nhà máy nước Doosan), nước biển sau tiền xử lý, nước mặn bể cấp hệ thống MD, nước cất thu sau hệ thống