trang20-28

STINFO SỐ 4 2017 Thế giới dữ liệu Thêm nguồn nước ngọt  ANH TÙNG Nguồn nước trên thế giới có đến 97,5% là nước mặn ở các đại dương, vùng biển và một số hồ; 2,5 % là nước ngọt (trong đó nước ngầm chiế[.]

Thế giới liệu Thêm nguồn nước  ANH TÙNG Nguồn nước giới có đến 97,5% nước mặn đại dương, vùng biển số hồ; 2,5 % nước (trong nước ngầm chiếm 70% dạng băng tuyết bao phủ vùng núi, vùng Bắc Nam cực, có 0,3 % nước người sử dụng được) Nguồn nước hành tinh cạn kiệt nhanh chóng gia tăng dân số, biến đổi khí hậu,… Nhiệt độ tồn cầu nóng lên 2oC làm tăng thêm khoảng 15% dân số toàn cầu bị thiếu nguồn nước Đảm bảo nhu cầu nước cho người, khử mặn giải pháp lựa chọn Đa dạng công nghệ khử mặn nước Nước mặn có hàm lượng khống cao, đặc trưng tiêu TDS (Total Disolved Solid - tổng chất rắn hòa tan) TDS phụ thuộc vào lượng ion chủ yếu có nước Ví dụ nước biển, có 90% ion Na+, Cl-, Mg2+; 3% ion K+, Ca2+, SO42- ; chất lại chiếm 7% Nước biển có TDS khoảng 30.000 - 50.000 ppm (hay mg/l), nước lợ có TDS thấp nước biển (khoảng 1.000 - 30.000 ppm) cao nước uống (< 1.000 ppm) Khử mặn trình loại bỏ loại muối hịa tan chất khác có nước biển, nước lợ, hay nước ngầm nước mặt bị nhiễm mặn Tùy theo cơng nghệ mục đích xử lý, q trình khử mặn thu nước đạt chất lượng dùng cho ăn uống, sinh hoạt hay công nghiệp nông nghiệp Các thử nghiệm khử mặn nước sớm phương pháp lọc cát Francis Bacon vào năm 1627, hay khử mặn phương pháp chưng cất Thomas Jefferson vào năm 1791 Hiện nay, có nhiều cơng nghệ khử mặn, phân làm nhóm: cơng nghệ nhiệt, cơng nghệ lọc qua màng, phương pháp hóa học phương pháp hấp phụ (BĐ1) Sử dụng nhiệt để khử mặn gồm có: chưng cất nhanh đa cấp (MSF - multi stage flash distillation), chưng cất đa hiệu ứng (MED - multiple effect distillation), chưng cất nén (MVC - vapor compression distillation), khử mặn bốc ẩm (HDH - humidification - dehumidification desalination), chưng cất lượng mặt trời (SD - solar distillation) đóng băng (Frz - freezing) Cơng nghệ màng lọc gồm có: thẩm thấu ngược (RO- reverse osmosis), thẩm thấu chuyển tiếp (FO - forward osmosis), điện thẩm tách (ED - electro dyalysis) lọc nano (NF - nanofiltration) Phương pháp hóa học bao gồm: trao đổi ion (I.Ex - ion exchange desalination), gas hydrate (G.Hyd) chiết tách lỏng - lỏng (LLE - liquid liquid extraction) BĐ1: Những công nghệ khử mặn nước Công nghệ khử mặn nước Nhiệt MSF MED MVC HDH Màn lọc SD Frz RO FO ED Hóa NF I.Ex G.Hyd Hấp thụ LLE Nguồn: P G Youssefa, R.K AL-Dadaha, S M Mahmouda; Comparative Analysis of Desalination Technologies; The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014 20 STINFO SỐ - 2017 Thế giới liệu Công nghệ hấp phụ (Ads - adsorption technology) Về khả khử mặn, công nghệ MSF Ads vượt trội so với công nghệ khác, hai cơng nghệ xử lý nước mặn đầu vào có độ mặn từ (67 - 70) x 103 ppm giảm xuống cịn 10 ppm Có khả khử mặn thấp công nghệ LLE (BĐ2) Lựa chọn công nghệ để khử nước mặn phụ thuộc nhiều thông số công suất, độ mặn nước đầu vào, yêu cầu nước đầu ra, lượng sử dụng, yếu tố môi trường giá thành Nước mặn đầu vào (x103 ppm) Năng lượng vấn đề quan tâm lựa chọn công nghệ khử mặn Hiện có nhiều cơng nghệ khử mặn tiết kiệm lượng sử dụng lượng tái tạo, cịn đắt đỏ Tiêu tốn lượng công nghệ SD, I.Ex, Ads G.Hyd, KWh/m3 (BĐ3) BĐ2: Khả khử mặn công nghệ Nước mặn đầu (ppm) 80 70 450 Nước mặn đầu vào 400 70 60 Nước đầu 67 350 55 50 45 45 42 40 45 300 45 250 37 35 35 250 200 200 30 150 20 10 400 80 10 10 10 MSF MED MVC HDH SD 100 Frz 100 90 10 RO FO ED 13 1,5 NF I.Ex 100 10 G.Hyd LLE Ads 50 Nguồn: P G Youssefa, R.K AL-Dadaha, S M Mahmouda; Comparative Analysis of Desalination Technologies; The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014 BĐ3: Năng lượng cần thiết cho công nghệ Năng lượng điện yêu cầu (KWh/m3) Năng lượng điện yêu cầu (KWh/m3) 140 14 120 12 Năng lượng điện 11,9 11,1 Năng lượng nhiệt 120 10 100 8,2 5,2 3,8 19,4 80 5,5 60 4,49 40 16,4 1,1 1,58 1,38 MSF MED MVC HDH SD Frz RO FO ED NF I.Ex G.Hyd LLE Ads 20 Nguồn: P G Youssefa, R.K AL-Dadaha, S M Mahmouda; Comparative Analysis of Desalination Technologies; The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014 STINFO SỐ - 2017 21 Thế giới liệu Tùy vào nguồn lượng sử dụng cơng nghệ mà có tác động đến môi trường khác Yếu tố ảnh hưởng đến mơi trường tính tốn dựa lượng khí CO2 thải Những cơng nghệ tác động đến môi trường SD, I.Ex, Ads G.Hyd, công nghệ thải CO2 0,7 kg/m3 Thải nhiều CO2 môi trường công nghệ HDH, lên đến 29,1 kg/m3 (BĐ4) BĐ4: Tác động đến môi trường công nghệ khử mặn nước ED - 2,5 FO - 2,3 NF - 2,1 G.Hyd - 0,7 Ads - 0,6 MSF 6,9 I.Ex - 0,5 SD - HDH 29,1 Ứng dụng công nghệ khử mặn Nguồn: P G Youssefa, R.K AL - Dadaha,S M Mahmouda; Comparative Analysis of Desalination Technologies; The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014 gần nửa kỷ qua Năm 2014, có khoảng 18.000 nhà máy khử mặn nước hoạt động giới, cơng suất khoảng 86,5 triệu m3/ngày, có đến 65% sử dụng công nghệ RO (BĐ6, BĐ7) BĐ5: Giá thành khử mặn công nghệ Giá thành (USD/m3) 3,93 RO 3,8 LLE 2,8 MED 5,5 Giá thành sản phẩm yếu tố cân nhắc chọn công nghệ Các công nghệ Ads, Frz LLE tạo sản phẩm nước khử mặn 0,5 USD/m3 Trong cơng nghệ HDH SD lên đến gần USD/m3 (BĐ5) Dự án công nghiệp tầm cỡ khử nước mặn biết đời Mỹ vào năm 1952, với kinh phí nghiên cứu triển khai 160 triệu USD Các nhà máy khử mặn nước giới gia tăng nhanh chóng MVC 5,1 Frz 5,5 3,9 0,96 1,12 0,92 0,86 0,75 0,8 1,05 0,83 0,63 0,4 0,34 MSF MED HDH MVC SD Frz RO FO ED NF I.Ex G.Hyd LLE 0,2 Ads Nguồn: P G Youssefa, R.K AL-Dadaha, S M Mahmouda; Comparative Analysis of Desalination Technologies; The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014 22 STINFO SỐ - 2017 Thế giới liệu BĐ6: Phát triển cơng suất khử mặn nước tồn cầu Cơng suất (Triệu m3/ngày) 100 Nhà máy xây Nhà máy sẵn sàng hoạt động 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Năm Nguồn: Global Clean Water Desalination Alliance “H20 minus CO2”, GWI Desaldata / IDA Công nghệ màng lọc công nghệ nhiệt để khử mặn nước ứng dụng nhiều phát triển năm vừa qua (BĐ8) Tùy theo đặc điểm riêng, nơi lựa chọn công nghệ khử mặn nước phù hợp Ví dụ, vùng Trung Đơng sử dụng công nghệ nhiệt MSF MED, phương pháp có khả thu hồi 30-40% nước từ nước biển đầu vào; Mỹ thiên công nghệ màng lọc công nghệ RO, ED Năng lượng sử dụng nhà máy khử mặn nước thường từ nguồn lượng hóa thạch Song song đó, có nhiều nhà máy khử mặn nước sử dụng lượng mặt trời Abu Dhabi (Các Tiểu vương quốc Ả rập Thống nhất) Ngoài ra, ứng dụng kết hợp lượng hạt nhân khử mặn nước phát triển số nơi giới Argentina, Ấn Độ, Nhật Pakistan BĐ7: Ứng dụng công nghệ khử nước mặn giới, năm 2014 RO: 65% MSF: 21% Cơng suất tồn cầu: 86,5 Triệu m3/ngày MED:7% ED/EDR: 3% NF/SR: 2% Khác: 2% Nguồn: www.un.org, GWI STINFO SỐ - 2017 23 Thế giới liệu BĐ8: Phát triển ứng dụng công nghệ nhiệt công nghệ màng lọc nhà máy khử mặn nước giới Công suất (Triệu m3/ngày) 90 80 Nhiệt Màn lọc 70 60 50 40 Công suất công nghệ lọc đến 2014: 59 triệu m3/ngày 30 20 Công suất công nghệ nhiệt đến 2014: 24 triệu m3/ngày 10 Năm Nguồn: GWI, www.un.org Xu hướng nghiên cứu khử mặn nước qua thông tin sáng chế Dù có nhiều cơng nghệ khử mặn nước sử dụng từ nhiều năm qua, triển khai đại trà cịn nhiều thách thức cơng nghệ khử mặn đòi hỏi nhiều lượng, tác động đến Số lượng SC mơi trường thải nhiều khí CO2, chi phí cao Do vậy, nhà khoa học không ngừng nghiên cứu phát triển công nghệ khử mặn nước theo hướng dùng lượng sạch, giảm tác động đến môi trường giảm giá thành Theo báo cáo phân tích cơng nghệ khử mặn sử dụng lượng thay để khử mặn (Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination) qua thông tin sáng chế (SC) Tổ chức Sở hữu Trí tuệ Thế giới (WIPO), cho thấy trước năm 1980 lĩnh vực khơng có nhiều SC, sau số lượng gia tăng dần, từ năm 2000 đến (BĐ9) BĐ9: Phát triển số lượng sáng chế liên quan đến khử mặn nước Năm Nguồn: WIPO, Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination 24 STINFO SỐ - 2017 Thế giới liệu Số lượng sáng chế khử mặn nước 4.551 SC, có 921 SC sử dụng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, sóng, địa nhiệt), chiếm 20,2 % tổng số SC khử mặn nước Phần lớn SC khử mặn nước sử dụng lượng mặt trời, lượng sóng gió (Bảng 1) Đăng ký nhiều SC khử mặn nước công ty Nhật, dẫn đầu Mitsubishi Heavy Industries Ltd., Hitachi Ltd Japan Organo Co., Ltd Hitachi Ltd công ty có nhiều SC sử dụng lượng tái tạo để khử mặn nước (Bảng 2) Bảng 1: Số lượng sáng chế khử mặn nước Số lượng SC Tổng số SC 4.551 Khử mặn nước lượng tái tạo 921 Khử mặn nước nhiệt mặt trời 747 Khử mặn nước lượng sóng 114 Khử mặn nước lượng gió 87 Khử mặn nước điện mặt trời 59 Khử mặn nước địa nhiệt 19 Nguồn: WIPO, Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination Bảng 2: Các công ty dẫn đầu số lượng sáng chế khử mặn nước Thứ hạng Số lượng SC Tên công ty Số lượng SC sử dụng lượng tái tạo Nhiệt mặt trời Mitsubishi Heavy Industries Ltd 119 Hitachi Ltd 118 10 Japan Organo Co Ltd 99 Kurita Water Ind Ltd 87 Ebara Corp 75 6 Toshiba Corp 49 Toray Industries Inc 42 Hitachi Zosen Corp 37 Chen Ming 33 10 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 31 11 Nitto Denko Corp 29 12 Sasakura Engineering Co Ltd 26 13 Suh Hee Dong 25 14 General Electric Company 23 15 Mitsui Shipbuilding And Engineering Co Ltd 19 16 Asahi Glass Co Ltd 18 17 Lee Sang Ha 16 18 United States of America as Represented by The Secretary of The Interior 14 18 University Tianjin 14 18 Asahi Chemical Ind 14 18 Nippon Rensui Co Ltd 14 Điện mặt trời Gió Sóng Địa nhiệt 1 1 Nguồn: WIPO, Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination STINFO SỐ - 2017 25 Thế giới liệu Tuy nhiên, năm vừa qua, có nhiều SC khử mặn nước công ty Hàn Quốc Suh Hee Dong xếp thứ nhất, với 20 SC, Lee Sang Ha, xếp thứ ba (15 SC), vị trí thứ nhì General Electric Company (Mỹ) với 18 SC (Bảng 3) Dựa vào phân loại SC quốc tế (IPC), chiếm số lượng lớn SC phương pháp xử lý nước mặn (C02F) Kế đến q trình hóa học, vật lý hay thiết bị chiết tách (B01D) chiếm gần 50% lượng SC Đây hai xu hướng nghiên cứu khử mặn nước phát triển mạnh năm vừa qua (BĐ10, BĐ11) Bảng 3: Các công ty dẫn đầu số lượng sáng chế khử mặn nước năm vừa qua Thứ hạng Tên công ty Số lượng SC Suh Hee Dong 20 General Electric Company 18 Lee Sang Ha 15 Kurita Water Ind Ltd 12 Mitsubishi Heavy Industries Ltd 10 Doosan University Tianjin Japan Organo Co Ltd Kobelco Eco-Solutions Co Ltd Siemens Ag Nguồn: WIPO, Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination BĐ10: Xu hướng nghiên cứu khử mặn nước Số lượng SC 5.000 Số lượng SC đến 2006 4.500 Số lượng SC từ 2006-2011 4.000 3.500 Ghi chú: 3.000 C02F: xử lý nước; 2.500 B01D: chiết tách: q trình vật lý hay hóa học hay thiết bị; 2.000 B01J: q trình hóa học hay vật lý, chất xúc tác, hóa keo; 1.500 F24J: sản xuất hay sử dụng nhiệt; 1.000 F04B: thiết bị vận chuyển chất lỏng, bơm 500 Tổng cộng C02F B01D B01J F24J F04B Nguồn: WIPO, Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination Số lượng SC theo IPC 1.600 1.400 BĐ11: Phát triển xu hướng nghiên cứu khử mặn nước C02F B01D B01J F24J 1.200 1.000 800 600 400 200 Năm Nguồn: WIPO, Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination 26 STINFO SỐ - 2017 Thế giới liệu Các SC khử mặn phần lớn nộp đơn Nhật, châu Âu, Mỹ Trung Quốc Những năm gần đây, Trung Quốc vượt lên dẫn đầu, Mỹ (BĐ 12), cho thấy xu hướng phát triển SC khử mặn nước đăng ký bảo hộ Trung Quốc Thị trường công nghệ khử mặn nước Những nhà máy khử nước mặn có từ lâu giới phát triển nhiều từ năm 2000, nguồn nước cạn kiệt dần nhu cầu sử dụng gia tăng, đồng thời nhờ có nhiều cơng nghệ khử mặn tiên tiến nghiên cứu giảm giá thành ô nhiễm Ước tính, năm 2018, thị trường khử mặn nước tồn cầu đạt 14 tỉ USD, tăng 2,5 lần so với năm 2014 (BĐ13) BĐ12: Đăng ký bảo hộ công nghệ khử mặn nước quan sáng chế giới PCT 3% PCT 2% Khác 9% Khác 11% Hàn Quốc 5% Nhật 28% Hàn Quốc, 10% US PTO 16% Trung Quốc 31% Nhật 12% Trung Quốc 18% EPO 20% US PTO 18% EPO 17% USPTO: Cơ quan Sáng chế Nhãn hiệu Hoa Kỳ EPO: Cơ quan Sáng chế Châu Âu PCT: Đăng ký sáng chế theo Hiệp ước PCT (Patent Coporation Treaty) Nguồn: WIPO, Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination BĐ13: Phát triển thị trường khử mặn nước toàn cầu Triệu USD 16.000 14.000 Tăng 12.000 2,5 lầ ng n tro năm 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 2011 Năm 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Nguồn: OECD, Deloitte Tohmatsu Consulting Co., Ltd.; Shift to Floating Seawater Desalination STINFO SỐ - 2017 27 Thế giới liệu Các cơng trình khử mặn nước phần lớn xây dựng Bắc Mỹ Trung Đơng Tính đến năm 2016, thị trường khử mặn Saudi Arabia kỳ vọng đạt 13 tỉ USD, Mỹ đạt 11 tỉ USD UAE đạt 10 tỉ USD (BĐ14) Nẵng; xử lý nước phèn mặn phục vụ cho ăn uống, sinh hoạt Sư đoàn 4, tỉnh Kiên Giang; xử lý nước biển thành nước cho giàn khoan dầu khí tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu; xử lý nước giếng nhiễm phèn mặn, độc tố, thuốc trừ sâu thành nước sinh hoạt bệnh viện đa khoa Hòa Thành, tỉnh Tây Ninh Trung tâm Tư vấn Chuyển giao công nghệ nước môi trường nghiên cứu thiết kế lắp đặt thành công đảo Bạch Long Vĩ dây chuyền khử nước biển thành nước công nghệ RO Trung tâm Phát triển Công nghệ cao thuộc Viện Khoa học vật liệu Hà Nội nghiên cứu công nghệ điện thẩm tách ED khử nước bị nhiễm mặn 2.000 mg/l giảm cịn 350 mg/l Viện Hóa học (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam) lắp Việt Nam chịu tác động không nhỏ biến đổi khí hậu, xâm nhập mặn nhiều hải đảo, vùng ven biển khan nước Các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống khử mặn nước để bổ sung nguồn nước sinh hoạt dù quy mơ nhỏ Có thể kể đến cơng nghệ khử mặn RO nghiên cứu chế tạo Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng Việt Nam lắp đặt thử nghiệm tàu đánh bắt xa bờ ngư dân Đà đặt thử nghiệm Bến Tre Thừa Thiên-Huế hệ thống chưng cất nước biển thành nước dùng lượng mặt trời,… Biến nước mặn thành nước nhiều nơi nghiên cứu áp dụng Việt Nam, chủ yếu với quy mô nhỏ phục vụ nhu cầu nước sinh hoạt Tháng 11/2016, Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn ký kết Biên ghi nhớ hợp tác với Tập đoàn Rent A Port (Vương quốc Bỉ) lĩnh vực khử mặn nước biển sử dụng lượng gió lượng mặt trời Bước đầu, thành lập nhà máy khử mặn với vốn đầu tư 15 triệu USD, có khả cung cấp nước cho 200 lúa địa điểm khác Đồng Sông Cửu Long  BĐ14: Các nước dẫn đầu thị trường khử mặn nước Tỉ USD Saudi Arabia Mỹ Các Tiểu Vương quốc Ả rập Thống Úc Trung Quốc Kuwait 2007-2011 Israel 2012-2016 Libya Tây Ban Nha Algeria Ấn Độ Iran Caribean Oman Qatar 12 15 Nguồn: Global Water Intelligence “Global Water Market 2014”; OECD, Deloitte Tohmatsu Consulting Co., Ltd.; Shift to Floating Seawater Desalination 28 STINFO SỐ - 2017