Nghiên ứu ứng dụng công nghệ thẩm thấu ngược ro trong khử mặn và phục vụ cấp nước cho các vùng duyên hải và hải đảo

ọChương 2: Cơ sở lý thuyế ủa quá trình thẩt c m thấu ngược, đây là chương cung cấp các kiến thức cơ bản của quá trình thẩm t ấu ngược.hChương 3: Nghiên cứu kh ả năng khử muối trong nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN CẢNH DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC

RO TRONG KHỬ MẶN VÀ PHỤC VỤ CÂP NƯỚC CHO

CÁC VÙNG DUYÊN HẢI VÀ HẢI ĐẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔI TRƯỜNG

-

NGUYỄN CẢNH DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC RO

TRONG KHỬ MẶN VÀ PHỤC VỤ CÂP NƯỚC CHO

CÁC VÙNG DUYÊN HẢI VÀ HẢI ĐẢO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS: ĐẶNG XUÂN HIỂN

Warmer Global is the cause of sea-level rising, this is the main affection come to water supply in the world Main due to which look for a solutions bump off face is a requests is necessary

Base on the reverse osmosis principle, the Thesis concentrates to study for

reverse osmosis membrane's desalination capability and namely The "desalination capability research of the reverse osmosis membrane's (RO) and Application ut p s forward the solution to supply water for salt’s polluted water regions”

It includes following contents:

Chapter 1: General, deliver to a generality look reader about the water resources of the world and Viet Nam, the challenges in sustain level of julep delivered to conditions of life and production of human being Near that is potential provide juleps from well spring to prepossess saltiness In this -chapter, a number of desalinated method tractate also approached, from sloyd

Chapter 4: Application p s ut forward the solution to supply water for salt’s polluted water regions, this chapter includes some desalination’s solution to suplly the water for island and salt-marsh region

M Ở ĐẦ U

Chiến lược kinh t - ế xã hộ ủa công nghiệp đến năm 2010 cũng đã xác định i c

“Phát triển nhanh, hi u qu ệ ả và bền vững, tăng trưởng kinh t ế đi đôi với bảo đảm tiến b ộ công bằng xã hội và bảo v ệ môi trường’ Vấn đề phát triển b n về ững cũng được nêu trong nhiều văn kiện, ch th , ngh quy t cỉ ị ị ế ủa Đảng, văn bản quy ph m ạpháp luật do Qu c hố ội ban hành và thể ện rõ trong chương trình hành độ hi ng c th ụ ể

của Chính phủ nhằm th c hiự ện các chiến lược phát triển kinh t - ế xã hội, chiến lược tăng trưởng và xoá đói giảm nghèo, chiến lược b o v ả ệ môi trường… Do đó việc chăm lo cho đờ ống nhân dân, ổn định xã hội là mội s t trọng tâm không thể thi u ếtrong việc phát triển b n về ững

Nước sạch đóng vai trò rất quan trọng trong đờ ống và sải s n xu t c a con ấ ủngười, m i hoọ ạt động sinh tồn và phát triển của con người đều cần đến nước s ch ạViệc thiếu nước ngọt không những ảnh hưởng đến kinh t , s c kh e cế ứ ỏ ủa con người

mà nó có thể ảnh hưởng đến tình hình xã hộ ủi c a m t cộ ộng đồng dân cư sống trong khu vực Điều đó ảnh hưởng r t nhiấ ều đến s ự phát triển b n v ng c a b t k mề ữ ủ ấ ỳ ột quốc gia Nh n thậ ức được điều này, Đảng và nhà nước ta t ừ lâu đã coi nhu cầu nước sạch là một nhu c u thi t yầ ế ếu đối với người dân, hàng trăm ngàn tỷ đồng đã được chi ra nh m mằ ục đích đưa nước sạch đến v i tớ ừng ngườ dân, tuy nhiên đếi n nay vấn đề này vẫn đang gặp ph i nhả ững khó khăn rào cản v ề khoảng cách địa lý, địa hình

Công nghệ màng lọc th m thẩ ấu ngược RO đã được nghiên cứu và sử ụ d ng

rộng rãi tại các nước tiên tiến trên thế giới trong vi c t o ệ ạ ngọt hóa nước biển và tạo

ra nước siêu sạch ph c v nhiụ ụ ều ngành nghề khác nhau Tại m t s qu c gia vùng ộ ố ố ởTrung Đông như Arab Saudi, UAE, Kuwat… để có thể cung cấp đầy đủ nư c cho ớnhu cầu người dân nhiều nhà máy khử muối dùng công nghệ này đã được xây dựng

và đem lại hi u qu to l n v nhi u m t ệ ả ớ ề ề ặ

V i mớ ục đích đưa ra các giải pháp kỹ thuật góp phần c i thiả ện tình hình thiếu

hụt nướ ạc t i những vùng khó khăn về nước ngọt như vùng hải đảo và ven biển, đề

v cụ ấp nước cho các vùng duyên hải và hải đả ” hy vo ọng đóng góp nhỏ bé của mình trong việc cung cấp nước sạch cho vùng ven bi n, hể ải đả và vùng nướo c nhiễm m n ặ

Đề ại này sẽ đi sâu vào nghiên cứ ổ t u t ng th v ể ề công nghệ màng thẩm th u ấngược RO, hi u qu c a s kh mu i b ng công nghệ màng ẩệ ả ủ ự ử ố ằ th m thấu ngược (RO) cũng như các yế ố ảnh hưởu t ng t i ớ lưu lượng và hiệu su t cấ ủa quá trình khử mu i ố

Chương 2: Cơ sở lý thuyế ủa quá trình thẩt c m thấu ngược, đây là chương cung cấp các kiến thức cơ bản của quá trình thẩm t ấu ngược.h

Chương 3: Nghiên cứu kh ả năng khử muối trong nước của màng thẩm thấu ngược RO, ở chương này với các số ệu thí nghiệ li m, luận văn phân tích rõ những

y u t ế ố ảnh hưởng đến công suất và hiệu su t kh ấ ử muố ủa màng bán thấi c m, t ừ đó tìm ra được phương trình hồi quy, điều ki n tệ ối ưu của công suất và hiệu su t d a ấ ựtheo nhiệt độ, áp suất và độ ặn đầu vào m

Chương 4: Đề xuất sơ đồ công nghệ khử muố ại các vùng ven biểi t n, hải đảo

và vùng nước nhi m m n, ễ ặ sau đó chạy chương trình winflow2004 (một ph n m m ầ ề

thiết k h ế ệ thống RO) với các thông số chọn lựa để kiểm nghiệm tính xác thự ởc, chương này luận văn đề xu t nhấ ững công nghệ cung cấp nước ngọt cho các vùng trên dựa trên các yế ố đặc trưng của vùng.u t

T NG QUAN Ổ1.1 T ng quan ổ tài nguyên nước c a th ủ ế giới

1.1.1 T ổng quan v ề trữ lượng và phân bố nước trên trái đất

1.1.1.1 Tổng tr lưữ ợng nước trên trái đất

Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường, nó còn là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% 97% trọng lượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm -70% trọng lượng cơ thể và ở Sứa biển nước chiếm tới 97%

Trong 3% lượng nước ngọt có trên quả đất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước

mà con người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng đất, bị đóng băng,

ở dạng hơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục điạ chỉ có 0, 5% nước ngọt hiện diện trong sông, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng Tuy nhiên, nếu ta trừ phần nước bị ô nhiễm ra thì chỉ có khoảng 0,003% là nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được và nếu tính ra trung bình mỗi người được cung cấp 879.000 lít nước ngọt để sử dụng (Miller, 1988)

Hiện nay, nước trên hành tinh của chúng ta phát sinh từ 3 nguồn: bên trong lòng đất, từ các thiên thạch ngoài quả đất mang vào và từ tầng trên của khí quyển; trong đó thì nguồn gốc từ bên trong lòng đất là chủ yếu

Theo sự tính toán thì khối lượng nước ở trạng thái tự do phủ lên trên trái đất khoảng 1,4 tỷ km3, nhưng so với trử lượng nước ở lớp vỏ giữa của qủa đất ( khoảng

200 t ỷ km3) thì chẳng đáng kể vì nó chỉ chiếm không đến 1% Tổng lượng nước tự nhiên trên thế giới theo ước tính có khác nhau theo các tác giả và dao động từ 1.385.985.000 km3 (Lvovits, Xokolov - 1974) đến 1.457.802.450 km3 (F Sargent - 1974)

Bảng 1 Trữ lượng nước trên thế giới (theo F Sargent, 1974).1

Loại nước Trữ lượng (km3) Biển và đại dương

Nước ngầm Băng và băng hà

Hồ nước ngọt

Hồ nước mặn Khí ẩm trong đất Hơi nước trong khí ẩm Nước sông Tuyết trên lục địa

1.370.322.000 60.000.000 26.660.000 125.000 105.000 75.000 14.000 1.000

250 1.1.1.2 Nước mặt

Sự bốc hơi nước trong đất, ao, hồ, sông, biển; sự thoát hơi nước ở thực vật và động vật , hơi nước vào trong không khí sau đó bị ngưng tụ lại trở về thể lỏng rơi xuống mặt đất hình thành mưa, nước mưa chảy tràn trên mặt đất từ nơi cao đến nơi thấp tạo nên các dòng chảy hình thành nên thác, ghềnh, suối, sông và được tích tụ lại ở những nơi thấp trên lục địa hình thành hồ hoặc được đưa thẳng ra biển hình thành nên lớp nước trên bề mặt của vỏ trái đất

Trong quá trình chảy tràn, nước hòa tan các muối khoáng trong các nham thạch nơi nó chảy qua, một số vật liệu nhẹ không hòa tan được cuốn theo dòng chảy và bồi lắng ở nơi khác thấp hơn, sự tích tụ muối khoáng trong nước biển sau

một thời gian dài của quá trình lịch sử của quả đất dần dần làm cho nước biển càng trở nên mặn

Có hai loại nước mặt là nước ngọt hiện diện trong sông, ao, hồ trên các lục địa và nước mặn hiện diện trong biển, các đại dương mênh mông, trong các hồ nước mặn trên các lục địa

Có hai loại nước ngầm: nước ngầm không có áp lực và nước ngầm có áp lực Nước ngầm không có áp lực: là dạng nước được giữ lại trong các lớp đá ngậm nước và lớp đá nầy nằm bên trên lớp đá không thấm như lớp diệp thạch hoặc lớp sét nén chặt Loại nước ngầm này có áp suất rất yếu, nên muốn khai thác nó phải thì phải đào giếng xuyên qua lớp đá ngậm rồi dùng bơm hút nước lên Nước ngầm loại nầy thường ở không sâu dưới mặt đất, có nhiều trong mùa mưa và ít dần trong mùa khô

Nước ngầm có áp lực: là dạng nước được giữ lại trong các lớp đá ngậm nước

và lớp đá nầy bị kẹp giữa hai lớp sét hoặc diệp thạch không thấm Do bị kẹp chặt giữa hai lớp đá không thấm nên nước có một áp lực rất lớn vì thế khi khai thác người ta dùng khoan xuyên qua lớp đá không thấm bên trên và chạm vào lớp nước này nó sẽ tự phun lên mà không cần phải bơm Loại nước ngầm nầy thường ở sâu dưới mặt đất, có trữ lượng lớn và thời gian hình thành nó phải mất hàng trăm năm thậm chí hàng nghìn năm

1.1.2 Các vấn đề ảnh hưởng đến tài nguyên nước

1.1.2.1 Hạn hán

Theo các nhà nghiên cứu thì khả năng cung cấp nước ngọt hiện nay là một vấn đề nghiêm trọng trên toàn thế giới Có ít nhất 80 nước ở vùng sa mạc và bán sa mạc (chiếm khoảng 40% dân số thế giới) thuộc hai lục điạ Á Châu và Phi Châu thường xuyên bị hạn hán và thất mùa nên thường xuyên không cung cấp đủ lương thực để nuôi sống dân của họ

Trong những thập niên 1970 thảm họa hạn hán đe dọa trên khoảng 24, 4 triệu người và hàng năm đã giết chết hơn 23.000 người, hậu quả này vẫn còn kéo dài đến

1980 Năm 1985 hơn 154 triệu người thuộc 21 quốc gia ở Phi Châu rơi vào nạn đói

do hạn hán, thêm vào đó sự gia tăng dân số quá mức và chiến tranh lan rộng, mặt khác còn do việc quản lý và sử dụng nguồn tài nguyên và phát triển nông nghiệp kém hiệu quả Ở các nước này, người dân nghèo phải mất nhiều thời gian để đi tìm nước thường là ở những dòng sông và suối đã bị ô nhiễm và để có được nước những người phụ nữ và trẻ em phải đi bộ từ 16 km 25 km một ngày và chỉ mang - được một bình đầy nước trên đường trở về( Miller, 1988 )

1.1.2.2 Ngập lụt

Ngược lại, ở những quốc gia khác có vũ lượng mưa tương đối lớn thì một lượng lớn nước mưa nhận được chỉ trong một thời gian ngắn trong năm Chẳng hạn như ở Ấn Ðộ, 90% lượng nước mưa tập trung vào giữa tháng 6 đến tháng 9 thường gây nên ngập lụt

Trong những thập niên 1970, thảm họa lụt lội đã đe dọa trên 15, 4 triệu người và hằng năm giết chết trung bình 4.700 người, làm thiệt hại trung bình 15 tỉ USD, hậu quả này vẫn còn kéo dài đến năm 1980 Nguyên nhân dẫn đến lụt lội là

do con người phá rừng, đốt rừng để lấy đất canh tác, khai thác quặng mỏ, mở rộng

đô thị Mặc dù lụt lội được xem là một thiên tai gây chết người và làm thiệt hại hoa màu, tài sản của người dân nhưng sau các trận lụt, do sự lắng đọng của phù sa làm tăng thêm độ màu mỡ cho đất ( Miller, 1988 ) Ðể ngăn ngừa và làm giảm sự tàn phá của lụt lội ở những quốc gia nầy, nhiều biện pháp được thực hiện như xẻn

kinh thoát nước, xây đập và hồ chứa nước, trồng cây gây rừng trên các đồi trọc, giữ lại rừng ở đầu nguồn

1.1.2.3 Sự úng nước

Ở những vùng có địa hình thấp hoặc nơi có mực nước ngầm quá cao làm cho mặt đất luôn bị phủ kín bởi một lớp nước tù đọng lâu ngày tạo nên trạng thái úng nước, đất bị úng nước nên luôn yếm khí

Trên những vùng đất bị úng nước thường có những thực vật thủy sinh đặc trưng như một số các loài rong tảo, năn, lác rất phát triển vì thế nên đất nơi đó dồi dào mùn , đạm và các acid hữu cơ vì thế làm cho đất và nước bị chua, đất nghèo lân nhưng lại giàu những chất độc như H2S, CH4, Fe2+ Do những tính chất vật lý và hóa học của nước và đất của vùng bị úng nước đó không tốt cho sự trồng trọt cũng như sử dụng nước cho công nghiệp và sinh hoạt

1.1.2.4 Nước ngọt bị ô nhiễm

Theo nhịp độ phát triển của nền công nghiệp, nông nghiệp và sự nâng cao mức sống của con người thì nhu cầu về nước sử dụng ngày một tăng Vấn đề về nước ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt là nước mặt ngày càng thoái hóa và mức độ ô nhiễm nước ngày càng tăng Theo tổ chức y tế thế giới (WHO 1980) ước -tính rằng ở các quốc gia kém phát triển thì 70% dân chúng ở các vùng ven thành phố và 25% dân cư ở các đô thị không có đủ nước sạch để sử dụng

Ở Việt Nam, do nền công nghiệp mới phát triển, số đô thị và các khu công nghiệp còn ít và các điểm tập trung dân cư chưa nhiều nên lượng nước dùng cho công nghiệp và sinh hoạt còn quá ít so với trữ lượng trong tự nhiên Tuy vậy, sự nhiễm bẩn nguồn nước đã bắt đầu xuất hiện do việc sử dụng thuốc trừ sâu trong nông nghiệp; lượng nước thải ra môi trường của các nhà máy luyện kim, nhiệt điện, hóa chất, thực phẩm; cùng với lượng nước thải do sinh hoạt đã trở thành một vấn

đề cấp bách cần phải được quan tâm

1.2 T ng quan v ổ ề tài nguyên nước c a Vi t Nam ủ ệ

1.2.1 Tiềm năng tài nguyên nước c a Vi t Nam ủ ệ

Nước ng t cọ ủa nước ta được cung c p b i hai nguấ ở ồn chính là nước mặt và nước ng m ầ

1.2.1.1 Tiềm năng về nguồn nước m t ặ

V i h ớ ệ thống sông ngòi chằng ch t, nguị ồn nước m t t i Viặ ạ ệt Nam là khá phong phú, Ở Vi t Nam hiệ ện có trên 2.000 con sông có chiều dài hơn 10 km trong

đó có 8 con sông có diện tích lưu vự ớn hơn 10.000 kmc l 2 Tổng lượng dòng chảy

nằm trên các lưu vực sông Việt Nam kho ng 847 t mả ỷ 3, trong đó có 327 m3 sản sinh trên lĩnh vực Vi t Nam ệ

Bảng 1.2: Tổng lượng dòng chẩy trung bình/năm của

các nguồn nước m t t i Vi t Nam ặ ạ ệ

Phân loại dòng chảy Tổng lượng dòng chảy trung bình /năm T lỷ ệ

1.2.1.2 Tiềm năng về nguồn nước ng m ầ

Nước tàng trử trong lòng đất cũng là một bộ phận quan trọng của nguồn tài nguyên nước ở Việt Nam Mặc dù nước ngầm được khai thác để sử dụng cho sinh hoạt đã có từ lâu đời nay; tuy nhiên việc điều tra nghiên cưú nguồn tài nguyên nầy một cách toàn diện và có hệ thống chỉ mới được tiến hành trong chừng chục năm gần đây Hiện nay phong trào đào giếng để khai thác nước ngầm được thực hiện ở

nhiều nơi nhất là ở vùng nông thôn bằng các phương tiện thủ công, còn sự khai thác bằng các phương tiện hiện đại cũng đã được tiến hành nhưng còn rất hạn chế chỉ nhằm phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt ở các trung tâm công nghiệp và khu dân cư lớn mà thôi

1.2.2 Hiện tr ng s d ng ạ ử ụ tài nguyên nước và tiềm năng của các nguồn nước ngọ ạt t i Vi t Nam ệ

Hiện nay, trên toàn nước ta có trên 240 nhà máy nước v i tớ ổng công suất thi t k ế ế là 3,22 triệu m3/ngàyđêm, phục v sinh hoụ ạt và sản xu t cấ ủa hơn 600 đô thị

Đố ới các đô thị là thị xã nhỏi v , th tr n m i ch ị ấ ớ ỉ có khoảng gần 25% (150/560) có

h ệ thống cấp nước t p trung v i tậ ớ ổng công suấ ấp nước đạt c t 433.000 m3/ngày

Tổng công suấ ấp nướt c c hi n nay ệ ở đô thị đạ ầ t g n 1,8 tri u mệ 3/ngày, trong đó 35% cho nhu cầu đờ ối s ng, 30% cho s n xu t d ch vả ấ ị ụ Tính bình quân cho các nơi được

cấp nước đạt 54 lít/ngày/người Trong đó, ở Hà Nội đạt 100 lít/ngày/người, TP H ồChí Minh, Đà Lạt đạt 80 lít/ngày/người So với tiêu chuẩn Nhà nước cho phép (200

- 250 l/ngày/người ở thành phố và 150 200 l/ngày/người ở thị xã - - khu công nghiệp) thì con số này còn kém xa và mới ch ỉ đạt 1/2 đến đến 1/4 tiêu chuẩn c p ấ

nướ ở ộ ốc m t s ớnư c khu vực Đông Nam Á Theo định hướng phát triể- n cấp nước

đô thị, nhu c u cầ ấp nướ ở các đô thị trên toàn quốc đến năm 2010 là 8,8 triệc u

m3/ngày; tới năm 2020 là 15,94 triệu m3/ngày

1.2.3 Những thách thức v nhu c u s dề ầ ử ụng nước

1.2.3.1 Nhu c ầu dùng nước tăng lên mạnh m ẽ

Cùng vớ ự phát triểi s n kinh t ế xã hội và sự gia tăng dân số, nhu cầu dùng nước cho sinh ho t, s n xuạ ả ất công nông nghiệp s tẽ ăng lên mạnh m trong t t c ẽ ấ ảcác vùng Theo kết qu ả đánh giá năm 1999, tổng lượng nước cần dùng của c nư c ả ớchi m kho ng 8,8% tế ả ổng lượng dòng chảy năm tương ứng v i t n suớ ầ ất 75%, tăng lên tới 12,5% vào năm 2000 và 16,5% vào khoảng năm 2010 Tổng lượng nước dùng để tưới cho cây trồng khá lớn, t 41 km3 (chiừ ếm 89,8%) năm 1985, tăng lên 46,9 km3 (năm 1990) và 60 km3 năm 2000 (chiếm 85%) Lượng nước cần dùng

cần dùng trong mùa cạn năm 2000 đạ ớt t i 70,7 km3, chi m kho ng 42,4% t ng ế ả ổlượng nước có khả năng cung cấp trong mùa cạn (bao gồm nước sông, nước dưới đất và nước do các hồ chứa điều ti t), hay 51% tế ổng lượng dòng chảy mùa cạn tương ứng v i t n suớ ầ ất 75% Vào khoảng năm 2010, tổng lượng nước cần dùng trong mùa cạn có thể ớ t i 90 km3, chi m kho ng 54% tế ả ổng lượng nước có thể cung

c p hay 65% tấ ổng lượng dòng chảy trong mùa cạn tương ứng v i t n su t 75% ớ ầ ấ

Đặc bi t, ệ ở không ít vùng và lưu vực sông, lượng nước cần dùng có thể ấp vài lầ g n

tổng lượng nước có thể cung c p, tấ ức là chẳng những vượt quá xa ngưỡng lượng nước cần có để duy trì sinh thái mà còn không có nguồn nướ ạc t i ch cung c p ỗ để ấcho sinh hoạt và sản xu ất

1.2.3.2 C n ki ạ ệt và ô nhiễm nguồn nước

Như trên đã nêu, sự gia tăng dân số và các hoạt động của con ngườ ẽ ngày i s càng tác động m nh m ạ ẽ đến môi trường t ự nhiên nói chung và môi trường nước nói riêng Những hoạt động t ự phát, không có quy hoạch của con người như chặt phá

r ng bừ ừa bãi, canh tác nông lâm nghiệp không hợp lý và thải ch t th i bấ ả ừa bãi vào các thuỷ ực đã và sẽ gây nên nhữ v ng h u qu rậ ả ất nghiêm trọng, làm cho nguồn nước b c n ki t, b ị ạ ệ ị ô nhiễm, hạn hán có khả năng càng khốc liệt Nguy cơ thiếu nướ ạch càng trầc s m tr ng, nhọ ất là vào mùa cạn ở các vùng mưa ít.M t minh ch ng ộ ứ

c ụ thể là việc phát triển ồ ạt các KCN trong thời gian qua, môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng đã bị những tác động ô nhiễm nghiêm trọng Trong c ảnước hi n nay m i ch ệ ớ ỉ có 33 trên tổng s ố 135 KCN đang hoạt động có hệ ố th ng x ử

lý nước th i tả ập trung, điều đó đồng nghĩa với việc có khoảng 223.750 m3nước thải chưa được qua x ử lý đổ xuống các sông hồ mỗi ngày gây ảnh hưởng to l n t i ớ ớnguồn tài nguyên nước m t cặ ủa nước ta Nh ng viữ ệc làm đó về lâu dài sẽ ả nh hưởng tr c ti p t i ngu n cung cự ế ớ ồ ấp nước ng t, hi n tọ ệ ại đã có rất nhiều con sông trởthành sông chết và nướ ại các con sông này không thể ử ụng được t s d c n a ữ

1.2.3.3 Tác động c a biủ ến đối khí hậu toàn cầu

S ự biến đổ ủa khí hậu toàn cầu đã, đang và sẽ tác đội c ng m nh m ạ ẽ đến tài nguyên nước Theo đánh giá bước đầu, vào khoảng năm 2070, vớ ịi k ch b n nhi t ả ệ

độ không khí tăng thêm 2,5 4,50C, lượng dòng chảy sông ngòi cũng sẽ- biến đổi tuỳ theo mức độ ến đổ ủa lượng mưa, nếu lượng mưa giảm 10% thì dòng chả bi i c y năm có thể ả gi m 17 - 53% đố ớ ịi v i k ch b n nhiả ệt độ không khí tăng 2,50C và giảm

26 - 90% v i k ch b n nhiớ ị ả ệt độ không khí tăng 4,50C Mức độ ến đổbi i m nh nh t ạ ấ

x y ra Nam Trung B ẩ ở ộ và Đông Nam Bộ

Ngoài ra, trái đất nóng lên sẽ làm cho nước biển có thể âng cao thêm 0,3 d - 1,0 m và do đó nhiều vùng thấ ở đồp ng bằng sông Cửu Long, vùng đồng bằng châu thổ ắ B c B ộ và ven biển Trung B s b ngộ ẽ ị ập chìm trong nước bi n Nể ếu nước bi n ểdâng 1 m, diện tích ngậ ụt là 40.000 kmp l 2, ch yủ ếu ở đồ ng bằng sông Cửu Long,

1700 km2vùng đất ngập nước cũng bị đe doạ và 17 triệu ngườ ẽ chịi s u h u qu cậ ả ủa

lũ lụt

Cuối cùng, sự ạ c n kiệt, ô nhiễm nguồn nước cũng như sự khan hi m nguế ồn nước s ẽ càng trầm tr ng nọ ếu không có các biện pháp quản lý tốt tài nguyên nước Cũng vì lẽ đó mà người ta cho r ng, kh ng hoằ ủ ảng nước hiện nay không chỉ do nước quá ít không đủ để tho ả mãn nhu cầu của con người mà còn do sự quản lý nguồn

nước quá kém gây nên hàng tỷ người và môi trường gánh chịu h u qu ậ ả

1.3 V ấn đề khử ặ ừ nướ m n t c biển đố ớ ác vùng ven biển và hải đải v i c o

1.3.1 T m quan tr ng c a vi c kh ầ ọ ủ ệ ử muối trong nước biển đố ới các vùng ven i vbiển và hải đảo

Với đặc thì về địa lý Việt Nam có ba mặt giáp biể Đông và nam giáp biển nĐông (thuộc Thái Bình Dương) ớ ờ ể kéo dài khoả v i b bi n ng 3.260km, k t ể ừ Móng Cái ở phía bắc đến Hà Tiên ở phía tây nam, và với h thệ ống đảo ven b gờ ồm có 2.773 hòn đả ớo l n nh diỏ ện tích từ 0,001 km2 n 100 kmđế 2, diện tích tổng cộng lên đến 1.720 km2, kèm theo đó là một lượng lớn dân cư sống tại đây việc đảm b o ả

nh ngữ nhu c u v t ch t t i thiầ ậ ấ ố ểu cho lượng dân cư sống tại đây là một yêu cầu cực

k quan trỳ ọng, nó ảnh hưởng sâu sắ ới tình hình an ninh, chính trị và quân sực t

V i nhớ ững phân tích ở trên, ta d ễ dàng nhận th y Viấ ệt Nam là một lượng có tài nguyên nước thu c loộ ại khá trên thế giới tuy nhiên với đặc thù phân bố không

được s dử ụng nước sạch (trong đó dân cư sống ở vùng ven biển và hải đảo chi m ế

đa số , điều đó đặt ra thách thứ) c c c k to lự ỳ ớn đối v i s ớ ự phát triển b n v ng c a ề ữ ủnước ta Hiện nay nhà nước ta đã dùng nhiều phương pháp nhằm cung cấp nước

sạch đến các vùng này như đưa các xe nước s ch t ạ ừ trong đất liền ra, xây dựng đường ống cung cấp nướ ừ các vùng lân cận… Tuy nhiên các phương pháp này c t

r t tấ ốn kém và không thể chủ động được cho người dân sống trong khu vực Đó không thể là một phương pháp dùng để duy trì lâu dài và đòi hỏi phải có những phương pháp khác thay th ế

M t nghộ ịch lý khi mà các vùng ven biển và hải đảo xung quan đều được bao

b c bọ ởi nước bi n, v i ể ớ trữ lượng l n t ớ ừ đại dương nó gần như là vô tậ Nó sẽ là n nguồn nguyên liệu tuy t v i cho s n xuệ ờ ả ất nước ng t i vọ đố ới người dân hải đảo và ven bi n nể ếu có thể tìm cách khử muố ủa nưới c c biển

1.3.2 Những phương thức kh ử muối trong nước đơn giản

T ừ ngàn xưa vấn đề này đã được con người nghĩ đến và áp dụng v i mớ ức độthô sơ và đã mang được nh ng k t qu nhữ ế ả ất định, tuy nhiên chất lượng nước thu được vẫn chưa ổn định Ta có thể ấy ví dụ l một vài phương pháp khử ặn thô sơ msau đây:

1.3.2.1 Lọc nước m n bặ ằng than đước

Đây là cách lọc "chữa cháy" không hoàn toàn khử đư c muợ ối, nước vẫn còn

Hình 1.2: Kh ử muối theo phương pháp lọc bằng than đước

Ưu điểm: Phương pháp vận hành đơn giản, không tiêu tốn năng lượng cho việc lo i b mu i ạ ỏ ố

Nhược điểm: Không loại b đưỏ ợc hoàn toàn muối trong nước, chất lượng nước sau khi x ử lý không đượ ố ẫn còn vị ờ ợc t t v l l

Ưu điểm của phương pháp này: đơn giản, t n dậ ụng được năng lượng m t tr i ặ ờcho vi c cung cệ ấp năng lượng để đưa nước lên nhiệt độ bay hơi

Nhược điểm: hi u su t th p, ph thuệ ấ ấ ụ ộc vào điều kiện khí hậu

Hình 1.3 Khử mu i b ng nhi t m t tr i ố ằ ệ ặ ờ1.3.2.3 Kh m n bử ặ ằng chưng cấ đơn giả t n

Nguyên lý: sử ụ d ng nhiệt để ến nướ bi c thành hơi, tách muối ra khỏi nước Làm mộ ồi hơi như hình dưới Cách này thu đượt n c nhiều nước hơn nhưng

l i tạ ốn nhiên liệu đố ốn công sức và thường xuyên phả ạt, t i c o b l p mu i cỏ ớ ố ặn ở ồ n i

Hình 1.4: Khử mu i bố ằng chưng cất đơn giản

Ưu điể ủa phương pháp: chủ động đượ ệ ử muố ỏi nước

Nhược điểm: đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng cho vi c cung c p nhiệ ấ ệt để bay hơi nước

Các phương pháp trên chính là các tiền đề cho các phương pháp khử mu i ốtrong hiện đại như: chưng cất nhiều giai đoạn, ọc màng l

Chưng cất: là quá trình tách hỗn h p ch t lợ ấ ỏng bay hơi thành những c u t ấ ửriêng biệ ựa vào độ bay hơi khác nhau, ởt d nh ng nhiữ ệt độ sôi khác nhau của m i ỗ

c u t ấ ử chứa trong h n hỗ ợp đó, bằng cách lặp đi lặ ạp l i nhi u lề ần bay hơi và ngưng

tụ Quá trình chưng cấ ựa trên cơ sở là các cấ ử ủt d u t c a h n h p lỗ ợ ỏng có áp suất hơi khác nhau, khi đun nóng, những chất có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước và được tách riêng ra khỏ ỗi h n h p ợ

Thự ế đểc t kh mu i kh i n c biử ố ỏ ướ ển thì đòi hỏi phải có các phương pháp chưng cất riêng biệt là phương pháp chưng ất đa ức ng (MED, Multi Effect

Distillation), phương pháp chưng ất phân đoạc n (MSF, Multi Stage Flash Distillation)

Phương pháp chưng ất đa ứng dùng nhiệt năng ởc nhi t ệ độ dư i 100 ớ C và phương pháp chưng ấ phân đoạ , có hiệc t n u suất cao hơn, dùng nhiệt năng ở120/125 C Hai phương pháp này cần đến 200 nhiệt năng cho mỗi mét khối nhưng thích ứng v i nhớ ững nhà máy có công suấ ớt l n

Những ưu nhược điểm của phương pháp chưng ấc t:

Dựa vào kích thướ ỗc l , kh ả năng loại b ỏ các chất trong nước mà người ta có thểchia ra bốn phương pháp lọc khác nhau đó là:

+ Thẩm thấu ngược (RO)

+ Lọc nanô (NF)

+ Siêu lọc (UF)

+ Vi l c (MF) ọ

Thẩm thấu ngược là phương pháp lọ ốc t t nh t trong t t c ấ ấ ả các phương pháp

lọc màng Quá trình lọc này chỉ cho nước đi qua màng còn tấ ả các chất hòa tan, t c chấ ắn lơ lửng đềt r u b gi l i ị ữ ạ

M t lo i lộ ạ ọc khác tương đương vớ ọc RO là lọi l c nano (NF) Trong th c t ự ếthì NF chỉ ữ ại các loại ion có hóa trị ớn hơn 1(Ca gi l l 2+, Mg2+, SO42-…) trong khi

những ion hóa trị 1 thì vẫn có thể đi qua màng Khả năng giữ ạ l i muối vì thế có hiệu su t t 0-ấ ừ 50% tùy theo nồng độ mu i cố ủa nước đầu vào.

Siêu lọc (UF) là quá trình lọc mà các hợp chất phân tử có phân tử ợ lư ng l n ớnhư là protein và các chấ ắn lơ lửt r ng b lo i b trong khi nh ng h p chị ạ ỏ ữ ợ ất có phân

t ử lượng thấp thì có thể đi qua màng dễ dàng Vì thế những axit hữu cơ, axit vô cơ, saccarit, mu i, kiố ềm…vẫn đi qua màng dễ dàng

Vi lọc (MF) là quá trình chỉ loại b ỏ những ch t rấ ắn lơ lửng trong khi thấm chí protein vẫn đi qua màng

Việc s d ng loử ụ ại màng nào tùy thuộc vào mục đích sử ụng và chúng ta dphải cân nhắc đến nhi u y u t ề ế ố khác nữa như công suất, giá thành, nhân lực…

Những ưu nhược điểm của công nghệ màng

+ Ưu điểm:

- Quy trình công nghệ đơn giản

- Tốn ít diện tích, chi phí năng lượng thấp

- Không ảnh hưởng tới môi trường

- Có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng và tốn ít hóa chất

- Phạm vi áp dụng lớn

- Khả năng xử lý và loạ ỏ các chất ô nhiễi b m cao

+ Nhược điểm:

- Màng dễ ị ỏ b h ng n u vế ận hành sai chế độ

- Nước cấp vào phải đạt được đến một giá trị nhất định

- Do ti ến hành ở áp suất cao nên thiế ị phải đặt b c bi ệt

- Vận hành đòi hỏ ự tuân thủi s cao

- Giá thành đầu tư cao

Các hợp chất

có phân tử lượng lớn, mono-, di-và oligosaccarit, các iôn hóa nhiều hóa trị

Các phân tử lớn, protein, polysaccarit

Trong các hệ thố ử lý nước siêu sạch thì vai trò của RO là rấ ọng

vì những ưu điểm vượt tr i cộ ủa nó (sẽ nói kĩ hơn ở ph n ti p theo cầ ế ủa đồ án này) Thông thường quá trình này có thể áp dụng cho quá trình làm sạch triệt để

1.3.3.3 Quá trình điện thẩm tách (ED)

Điện thẩm tách (ED) là phương pháp tách điện hóa học, trong đó các ion được v n chuyậ ển qua màng trao đổi ion t ừ nơi có nồng độ ấp đến nơi có nồng độ thcao hơn, dưới tác ụ d ng của dòng điện m t chi u (DC) Mộ ề ảng trao đổi ion cho phép những ion mang điện tích dương như là ion Na+, K+ đi qua, gọi là màng cation Màng trao đổi ion cho phép những ion mang điện tích âm như ion Cl-, SO42- đi qua, gọi là màng anion

Trong phương pháp điện thẩm tách, tạp chất (các ion) được tách loại khỏi nước bằng điện Dòng điện 1 chiều chuyển các ion qua 1 màng để tạo ra dòng nước khử khoáng và dòng nước có nồng độ cao hơn Màng sẽ hình thành một rào cản giữa nước thu ion (hay dòng nước có nồng độ ion cao hơn trước )và nước khử khoáng Phía màng có nồng độ ion cao hơn sẽ gây ra hiện tượng phân cực nồng độ,

Hình 1.5 dưới đây mô tả quá trình làm việc của một thiết bị điện thẩm tách đơn giản để tách muối

H nh 1.5ì : Sơ đồ nguyên lý quá trình điện thẩm tích

Khi cho dòng điện một chiều đi qua, khoang số 1 và 6 khác biệt với các khoang khác vì chứa các điện cực kim loại Dưới tác dụng của dòng điện, khí clo, khí oxy và ion H+ sinh ra ở anốt còn khí H2 và ion OH- sẽ được tạo ra ở catôt

Trong khoang số 2, ion Cl- bị đẩy qua màng trao đổi anion (A) vào khoang số

3, trong khi ion Na+ bị đẩy qua màng trao đổi cation (C) vào khoang số 1 Như vậy khoang 2 là khoang được tách muối

Trong khoang số 3, ion Na+ không thể đi qua được màng trao đổi anion nên

bị giữ lại trong khi đó anion Cl- cùng không thể đi qua được màng trao đổi cation nên cũng bị giữ lại trong khoang 3 Khoang 3 trở thành khoang thu nhận muối

Tương tự khoang 4 là khoang tách muối, khoang 5 là khoang thu muối Như vậy các khoang 2 và 4 hàm lượng ion giảm còn khoang 3 và 5 hàm lượng ion tăng hình thành các ngăn dung dịch nhận muối và tách muối luân phiên nhau trong thiết

bị màng trao đổi ion dươí tác dụng của dòng điện một chiều

Khi vận hành một thiết bị như trên sẽ tạo ra 2 dòng nước chính tách biệt nhau: dòng nước đã tách muối và dòng nước thu muối và 2 dòng nước phụ từ các khoang chứa các điện cực Đó là cấu trúc đặc trưng và quan trọng nhất của một hệ thống ED

Người ta thấy rằng sự đổi chiều màng sau khi làm vệ sinh thiết bị sẽ làm đổi ngược lại tác dụng nhiễm bẩn hưũ cơ, kéo dài năng lực làm việc giữa các làn làm

vệ sinh thiết bị và giảm nhu cầu vệ sinh hoá học Trong những năm 1950, người ta

cố gắng phát triển một hệ thống màng ED đối xứng và dòng địện xoay chiều để có thể tự động thay đổi môi trường và bề mặt của màng, thay đổi điều kiện nồng độ cách một cách thuận lợi cho việc tự làm sạch màng trong quá trình làm ngọt nước Thiết bị làm sạch nước dựa trên kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều (EDR) đã ra đời

Sự thay đổi căn bản trong việc kiểm soát sự tạo cặn mà không cần phải thêm hoá chất xuất hiện vào cuối những năm 1960 và được ứng dụng trong công nghệ dựa trên kỹ thuật EDR So với hoạt động của hệ ED trước đây, EDR ít bị ảnh hưởng bởi

sự tạo cặn rắn CaCO3 hay CaSO4 khi pH tăng hay trong nước có nhiều tạp chất hữu

cơ Các nhà máy EDR có thể vận hành lâu hơn mà không cần tăng độ bền của màng đối với các tạp bẩn và có thể khôi phục lại sự hoạt động ổn định mà không cần thêm hoá chất

Sự phổ biến rộng rãi và nhanh chóng kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều đã cho thấy ưu thế đặc biệt của nó so với các phương pháp tách muối có sử dụng màng một cách chung chung Sự phân cực ngược làm giảm sự nhiễm bẩn dài hạn và làm giảm việc sử dụng thêm hoá chất như thế là kinh tế và thực tiễn hơn nhiều so với quá trình ED Tính chất vật lý tấm mỏng của khối màng cùng với tính chất chịu hóa chất và không nhiễm bẩn màng làm cho EDR chiếm vị trí dẫn đầu trong công nghệ tách muối của những nguồn nước khó xử lý hoặc xử lý tốn kém

Trong khoảng 10 năm trở lại đây EDR đẵ trở thành một phương pháp kinh tế

để tách muối bằng màng cho nước ngầm, nước mặt và nước thải Các hệ thống EDR đã được thiết kế và vận hành để tách muối từ nước sông, nước hồ dùng cho mục đích công nghiệp và dân dụng Các thiết bị EDR cũng được sử dụng cho hệ thống làm mát, XLNT công nghiệp và nước thải đô thị nhằm tái sử dụng

* Những ưu nhược điểm của cụng nghệ điện thẩm ít ch

+Ưu điểm: Hiệu suất xử lý cao, các màng trao đổi cation và anion có độ chọn lọc tối thiểu 90%, được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng

+Nhược điểm: Quá trình hình thành cặn làm cho chế độ vệ sinh, vận hành phức tạp làm tăng giá thành sản phẩm Thiết bị chế tạo đòi hỏi công nghệ cao do chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chi phối do đó tương đối đắt tiền

Trong hệ thống sản xuất nước siêu sạch thì phương pháp điện thẩm tách chủ yếu được dùng để loại các ion trong nước ở công đoạn cuối cùng vì nó có khả năng tách triệt để các ion Tuy nhiên đối với các loại chất ô nhiễm không phải là ion thì phương pháp này không hoặc ít có khả năng loại bỏ

K t luế ận chương 1:

- V i nhớ ững gì phân tích ở trên ta nhận thấy tài nguyên nước c a Viủ ệt Nam là

ở mức khá nếu so sánh với m t b ng chung cặ ằ ủa toàn thế giới nhưng với đặc tính phân bố không đều và không ổn định, m t b phộ ộ ận khá lớn dân cư trong nước ta

v n ph i ch u c nh thiẫ ả ị ả ếu nướ ạc s ch cho cu c s ng sinh hoộ ố ạt và sản xu ất

- Nước biển là nguồn nguyên liệu gần như là vô tận cho s n xuả ất nước ng t ọNước bi n chi m 97% tể ế ổng lượng nước trên toàn thế ớ gi i, v ề cơ bản nước biển có

độ ô nhiễm thấp do đó không phải m t nhiấ ều công trong việc x ử lý (ngoại tr x ừ ử lý khử mu i) ố

- Khử muối nước biển thành nước ngọt là hoàn toàn có khả năng với các phương pháp hiện đại như lọc màng RO, điện thẩm tách, chưng cất

- V i nhớ ững phân tích ở trên ta nhận th y rấ ằng phương pháp màng thẩm thấu ngược RO hoàn toàn thích hợp v i vi c kh muớ ệ ử ối trong nước biển để ạo thành tnước ngọt cho các vùng ven biển và hải đảo c a Vi t Nam ủ ệ

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ TH M THẨ ẤU NGƯỢC RO

2.1 Cơ sở lý thuyế ủa quá trình thẩt c m thấu ngược

S ự thẩm thấu là : quá trình mà trong đó có sự di chuy n c a dung dể ủ ịch xuyên qua màng phân chia từ dung dịch có nồng độ thấp hơn sang dung dịch có

nồng độ cao hơn Những dung dịch xuyên qua màng có xu hướng làm giảm n ng ồ

độ ủ c a dung dịch có nồng độ cao hơn Sự di chuyển này có thể được quan sát bằng

s ự tăng giảm th ể tích của các dung dịch S di chuyự ển này sẽ ết thúc khi sự chênh k

l ch m c dung d ch ệ ự ị cân bằng với áp suất th m th u ẩ ấ

Thẩm thấu ngược là: quá trình ngượ ạc l i với quá trình thẩm thấu, nghĩa là hướng chuyển động của dòng chả ừy t dung dịch đặc hơn qua màng sang dung dịch loãng hơn Hiện tượng th m thẩ ấu và thẩm thấu ngược được mô tả trong hình 2.1.

Trong th m thẩ ấu ngược, động l c cự ủa quá trình là sự chênh lệch áp suất giữa

2 b mề ặt màng Sự chênh áp này là nguyên nhân để nước ch y t dung dả ừ ịch có

nồng độ cao hơn sang dung ịch có nồng độ thấp hơn Bở ậy áp suất yêu cầu đểd i v

x y ra s ả ự thẩm thấu ngược phải cao hơn áp suất th m th u ẩ ấ

S ự chênh áp (áp suất màng) thường lớn hơn 21kg/cm2 và phụ thuộc vào sựchênh lệch nồng độ Trung bình khoảng 0.7 kg/cm2cho 1000 mg/l chênh lệch n ng ồ

độ Điều đó có nghĩa là một ph n lầ ớn chi phí dành cho năng lượng của bơm, các chi phí khác là chi phí cho dòng thải b ỏ (thông thường là khoảng 25% th ể tích dòng vào), chi phí khấu hao và chi phí cho sự thay th ế màng Có thể coi s ự tránh giảm áp suất đột ngột như một bước c t gi ế năng, nhưng quan trọng là để duy trì áp suấấ ữ th t thi t k bế ế ởi vì sự giảm giá trị trong quá trình này không chỉ giảm s n phả ẩm mà còn cho phép nhiều chất ô nhiễm qua hơn (sự ạ ỏ ít hơn) Vì thế, điề lo i b u khiển áp suất trong h thệ ống chính là tối ưu hóa quá trình

m thCác loại màng khác nhau thì áp suất màng cũng khác nhau Trong thẩ ấu ngược, s v n chuyự ậ ển nước qua màng không phải là kết qu c a viả ủ ệc nước xuyên qua các lỗ nhỏ, ít nhất là không phải các lỗ thông thường như ta vẫ nghĩ Đó là kến t quả ủ c a khuyếch tán, một phân tử ạ t i m t thộ ời điểm, xuyên qua khoảng tr ng trong ố

cấu trúc phân tử ủa màng Nhữ c ng kho ng tr ng trong v t liả ố ậ ệu plyme vô định hình

là một mạng dòng và không cố định trong khi trong các vật li u cệ ấu trúc tinh thể thì những kho ng trả ống này là cố đị nh trong cấu trúc về ị trí và số ợng Màng RO là v lưmàng polyme vô định hình nhưng thông thường có chứa m t s ộ ố vùng cấu trúc tinh thể hoặc ít vô định hình hơn

Đa số nguyên liệu màng được s d ng rử ụ ộng rãi là axêtat xenlulo, triacetate

và polyamide pôlime Mỗi m t loộ ại màng đều có những thông số gi i hớ ạn khác nhau như nhiệt độ, áp suất làm việc, pH, nồng độ clo gi i hớ ạn…

Hiệu ứng già hóa trên màng RO dẫn đến s ự ép (nén) bề ặt và sự ắ m th t lu ng ồHiệu ứng này khó xảy ra ở áp suất dưới 12 bar nhưng có thể ấ ớ m t t i 10% s n ph m ả ẩ

ở 24bar và có thể ới 40% sau 1 năm hoạt động Vì thế ệ t vi c thi t k h th ng RO ế ế ệ ốlàm việc hi u qu theo thệ ả ời gian là rất quan tr ng ọ

Thẩ ấu ngược đã cũng đượ ọi là lọc cao áp, chỉ ố ệ ủ ó tới

một quá trình lọc ở áp suất cao Tuy nhiên, nó không nên được nh m l n v i s ầ ẫ ớ ựsiêu lọc, là quá trình mà sử ụng áp suấ d t thấp hơn và những màng có cấu trúc khác,

vì thực ch t s lo i b ấ ự ạ ỏ trong siêu lọc là quá trình giữ ạ l i nh ng ch t b n dữ ấ ẩ ựa vào sự

khác nhau của kích thước hạt Vì thế RO gi lữ ại được nh ng chữ ất có phân tử ợ lư ng

bé hơn nhiều so với siêu lọc

S ự loại b ỏ đôi khi là một đặc trưng của màng bán thấm, một ion nào đó có

thể đư c lo i b nhiợ ạ ỏ ều hơn ion khác Sự ạ ỏ cũng bị ảnh hưởlo i b ng bởi các ion có

m t trong dung dặ ịch Nói chung với m i loỗ ại màng khác nhau thì chất lượng sản phẩm cũng khác nhau

2.2 C ấu trúc hóa học của màng RO

Hiện tượ ẩ ấu đã được quan sát từ giữ ế ỉ ững thí nghiệm đầu tiên được th c hiự ện trên màng động vật và nó đã bị lãng quên từ năm 1867 cho đến khi màng nhân tạo được phát triển Vào đầu những năm 50 của th k 20, ế ỉ

những nhân viên nghiên cứu ở trường đại học Florida đã thấy r ng, v i nhằ ớ ững màng dày làm từ cellulo axetat có những thuộc tính đặc biệt đối v i qớ uá trình vận chuy n c a muể ủ ối và nướ ẩc, n ch a kh ứ ả năng tiềm tàng để chế ạ t o những màng thẩm thấu ngược để kh muử ối Vào những năm 1960, Loeb và cộng s ự ở trường đại

h c Califonia ọ ở Los Angeles phát triển kĩ thuật để ả s n xu t nhấ ững màng cellulo axetat có khả năng tách nước và muố ại áp suấ ừi t t v a ph i V i s ả ớ ự phát triển này, kĩ thu t th m thậ ẩ ấu ngược đã có thể được ứng d ng th c t ụ ự ế

p cho vi c kh i vNhững màng cellulo axetat cổ điển này chỉ thích hợ ệ ử muố ới

nồng độ thấp Chúng không chịu được áp suấ ớt l n c n tầ hiết cho vi c kh ệ ử muối trong nước bi n Nhể ững màng đầu tiên được ch t o t cellulo axetat b thế ạ ừ ị ủy phân

này cũng bị phá hoạ ởi b i vi sinh v t, b ậ ị phân rã ở quá 40 độ C Màng cellulo axetat cũng bị nén ép ở áp suất trên 28bar Tiền x ử lý nước cấp vào thích hợp làm giảm đáng kể nh ng hi u ng xữ ệ ứ ấu gây ra bởi nhiệt độ, độ pH và vi sinh vậ ới màng sửt t

d ng trong th c t ụ ự ế

M t s ộ ố lượng đáng kể các nghiên cứu đã được phát triển để phát tr ển màng icellulo triaxetat ổn định hơn đố ới v i pH, nhiệt độ và chống ch u tị ốt hơn đố ớ ựi v i s phá hoạ ủa các chất hóa học và vi sinh vật Trong khi màng cellulo triaxetat ổi c n định hơn với những điều kiện trên thì nó lạ ị nén ép ở áp suấi b t hoạt động 28bar, đó

là nguyên nhân gây giảm dòng sản ph m ẩ

c ch t o lo i h n h p c

Việ ế ạ ại màng vớ ỗ ợ ủa cellulo diaxetat và cellulo traxetat cho ta m t loộ ại màng với những đặc tính vượt trội hơn:

- B n về ững hơn màng cellulo diaxetat

- Chất lượng dòng sản phẩm và dòng loạ ỏ ốt hơn màng cellulo diaxetat.i b t

- Chịu được áp suấ ớn hơn so với màng cellulo diaxetat và cellulo triaxetat.t l

Tuy nhiên, màng axetat có giớ ạ ịu được tác dụ ủa clo dư rất ít, mà đây lại là hóa chất được dùng nhiều để kh ử trùng cho nước c p ấ

i x c ch t o t mNhững màng cellulo axetat là màng không đố ứng và đượ ế ạ ừ ột khối polyme đơn Khi dung kính hiểm vi điệ ử để nghiên cứ ớp màng cellulo n t u laxetat vào những năm 1960, thì các nhà khoa học th y r ng: lấ ằ ớp màng này gồm có

m t lộ ớp đặc, mỏng trên bề ặt và tiếp theo là lớ m p xốp dày hơn được c u t o t ấ ạ ừ cùng

v t liậ ệu Độ dày của màng khoảng 100 micromet thì lớp đặc trên bề ặ m t ch ỉ có 0.2 micromet và 99.8 micromet còn lại là củ ớa l p x p ố

Hình 2 Màng không cân đối đượ2 c c u t o t mấ ạ ừ ột thành phần v t li u ậ ệ

Trong su t nhố ững năm 1960, công ty Dupont đã tìm ra mộ ố nguyên liệu t s khác tốt hơn cellulo axetat để ch tế ạo màng thẩm thấu ngược Những nghiên cứu

c a h ủ ọ chỉ ra rằng polyme vòng thơm là loạ ậi v t li u tệ ốt hơn để chế ạo màng bán t

thấm Đa số các ả s n phẩm màng RO sợi ống m nh cả ủa công ty này được ch t o t ế ạ ừpolyme vòng thơm và nó có sức c nh tranh r t l n v i loạ ấ ớ ớ ại màng cellulo axetat trên thị trường

m v i x c thi t l p, nh ng Không lâu sau khái niệ ề màng không đố ứng đượ ế ậ ữnghiên cứu v ề màng composit (màng phức) được bắt đầu Màng phức cũng có cấu trúc không đối xứng nhưng nó bao gồm hai lớp polyme là lớp chắn trên bề m t ặmàng và lớp xốp đỡ ở phía dướ ớ i l p chắn (Hình 2.4) Lớp xốp đỡ phía dưới được hình thành riêng rẽ ằng kĩ thuật nén màng từ ộ b m t lo i polyme L p xạ ớ ốp có bề dày khoảng t ừ 75-100 micromet và tính xốp của nó do những l ỗ nhỏ xuyên qua tạo thành Lớp chắn trên bề ặt màng là mộ ớ m t l p mỏng dày đặc được c u t o t m t ấ ạ ừ ộloại polyme khác bằng cách lắng đọng sau quá trình hình thành lớp xốp Độ ày d

c a l p chủ ớ ắn này chỉ khoảng t ừ 400 đến 1000 angstron

99,8 micromet

0,2 micromet

Lớp đặc

L p xớ ốp Cellulo

axetat

Hình 2.3 Màng kép

Một vài loại polyme đã được s dử ụng để hình thành lớp x p M t trong ố ộnhững loại màng kép được ch t o s m nhế ạ ớ ất là màng vớ ới l p xốp được c u t o t ấ ạ ừcellulo nitrat và ớ l p chắn được c u t o t cellulo triaxetat Loấ ạ ừ ại màng này đượ ức ng

dụng thành công để tách muối khỏi nước biển nhưng nó dễ ỏng và đắ h t Nh ng ữmàng thương mại ngày nay sử ụng polyme sunfua để d ch t o l p x p ế ạ ớ ố

L p chớ ắn được hình thành trên lớp xốp theo cách sau:

- Phân tán

- Polyme hoá (trùng hợp) thành lớp màng mỏng

- Trùng ngưng giữa hai b m ề ặt

Kĩ thuậ ủ phân tán đượ ử ụng cho màng cellulo triaxetat đã đề ập

ở trên Phân tán cellulo triaxetat trong dung môi clorofom trên lớp xốp, sau đó làm bay hơi dung môi để được một màng mỏng trên lớp xốp Trùng ngưng thành lớp

mỏng là sử ụ d ng lớp polyfuran làm nền trên polysulfua Trong trường hợp này, mono furury alcohol b ị trùng hợp ở ố g c do s ự điều chỉnh pH và nhiệt độ Màng loại này dễ ị ảnh hưở b ng m nh bạ ởi các chất ôxy hóa Kĩ thuậ ốt t t nhất để hình thành lớp chắn là kĩ thuật trùng ngưng giữa hai b mề ặt Trong phương pháp này, một polyme được hình thành trên bề ặ ỗ ố ạ m t l x p t i giao di n c a b m t hai pha hệ ủ ề ặ ữu cơ và pha nước b ng ph n ứằ ả ng c a nhủ ững phân tử òa tan đặ h c bi t trong m i pha Bệ ỗ ằng cách

75 micromet

400-1000 Angstron

L ớp màng chắ n

L p xớ ốp siêu lỗPolysunfone

Polyamid

này mà mộ ố ớt s l p chắn polyamine và polyure đã được hình thành trên bề m t ặpolysunfua Những màng thương mại được ch tế ạo theo cách này Những ti n b ế ộtrong việc hoàn thiện loại màng không đố ứng đơn vậi x t liệu là không hiệu q a so ủ

với màng kép Màng kép cho sản ph m tẩ ốt hơn, chịu được áp suấ ớn hơn t lPolyamin và polyure cho phép màng kép chịu được nhiệt độ cao hơn, làm việc trong d i pH lả ớn hơn, và chịu đượ ốt hơn sự ấn công củc t t a vi sinh vật Nhưng trái

lại, màng kép cũng vẫn b ị phá hủy bởi clo dư và các chất oxy hóa khác Vì thế ếu ntrong nước cấp có sử ụng phương pháp khử trùng hoặc clo hóa thì phải đi kèm dtheo phương pháp khử clo để ả b o v ệ màng trước khi nước đi vào hệ th ng th m ố ẩthấu ngược

Trong khi màng c ịu được áp suất trung bình, phù hợ

việc phân tách những dung dịch có nồng độ trung bình thì màng composit có thểchịu sức ép lớn hơn nhưng dòng thấm qua l i nh Kh ạ ỏ ả năng loại b c a 2 lo i ỏ ủ ạmàng nói trên đã được ki m nghi m v i nhi u lo i dung dể ệ ớ ề ạ ịch khác nhau Kết lu n ậđược đưa ra là khả năng loại b cỏ ủa màng composit lớn hơn đáng kể so với màng cellulo axetat Hiện nay có nhiều loại màng thương phẩm được bán trên thị trường Tùy thuộc vào yêu cầu s n ph m sau x ả ẩ ử lý mà ta lựa chọn các loại khác nhau Tuy nhiên với m i loỗ ại đều có các thông số kĩ thuật đi kèm và chúng ta cần ph i hi u ả ểđược ý nghĩa của các thông số đó để ự l a ch n ọ

2.3 Các loại thi t b ế ị màng RO dùng trong công nghiệp

2.3.1 D ng t m ạ ấ

Hình 2.4: Mô tả ạ d ng thi t b d ng t m ế ị ạ ấ

2.3.2 Thi t b d ng xoế ị ạ ắn ố c

Thi t b d ng xoế ị ạ ắn ốc được mô tả trong hình 2.6

Hình 2.5 Thi t b d ng xo n c ế ị ạ ắ ố

V ề cơ bản thi t b dế ị ạng này bao gồm hai tấm màng được phân tách bởi các

t m polyme, t m vấ ấ ải và các tấm lướ ằi n m xen kẽ Cơ cấu này nhằm tăng khả năng chịu áp lực của màng và tạo ra các rãnh dòng chảy

Trong kiểu này, giữa hai màng bán thấm, b ộ phận xốp làm bằng các sợi thu ỷtinh, được gắn vào tạo thành mộ ốt ng dẫn nước thấm Trên mặt ngoài của m i ỗmàng, một miếng đệm được gắn vào tạo thành ống dẫn nước chưa xử lý chảy vào

H ệ thống này được g n lắ ần lượt trong nhi u n p gề ế ấp và sau đó được uốn thành hình

thể xo n v ắ Ở ị trí trung tâm, mộ ốt ng dẫn nước được luồng qua và đoạn cuối màng được nâng lên tớ ối ng dẫn để ứng nước tràn qua ố h ng d n K t cẫ ế ấu này cho phép diện tích màng rộng thêm 1m3 modum (đơn vị ủ c a h ệ thống), nhưng lại làm cho việ ửa màng rất khó khăn, nên nó không thích hợc r p cho s x ự ử lý với nước có SDI cao

m c a lo ng xo s d c nhi u thi t b

Ưu điể ủ ại màng dạ ắn ốc là có thể ử ụng đượ ề ế ị

và tốc độ dòng lớn Nhưng nhược điểm c a thi t b ủ ế ị này là cần ph i x ả ử lý nước c p ấvào thậ ốt để ngăn ngừ ự đóng cặt t a s n của màng

2.3.3 Dạng ống

Thi t b ế ị này được mô tả trong hình 2.7

Hình 2.6 Thi t b ế ị màng dạng ng ố

M t trong c a b ặ ủ ộ phận chống đỡ ố x p dạng hình trụ, ví dụ như hình trụ làm

bằng các sợi thu ỷ tinh, có một màng bán thấm được nâng lên, sử ụ d ng một áp suất

để đưa nước vào trong hình trụ Môdum này được k t h p trong m t s lư ng l n ế ợ ộ ố ợ ớ

tạo thành hệ thống th m thẩ ấu ngược kiểu ống Diện tích màng trên 1m3 modum không rộng hơn so với kiểu lò xo

Kiểu này có thuận lợi là nó có thể được dùng cho nước cấp vào có chất lượng không cao lắm, kiểu màng này rất d rễ ửa màng và nó cũng rất v ng ch c ữ ắTuy nhiên nhược điểm c a loủ ại màng này là rấ ồt c ng k nh, kh ề ả năng chịu áp suất kém và giá thành cao

2.3.4 Dạng ống s i rợ ỗng

Thi t b ế ị này được mô tả trong hình 2.7

Hình 2.7: Thi t b ế ị màng dạng ng s i r ng ố ợ ỗNhi u s i rề ợ ỗng được bó thành gói, và nước chưa xử lý được thấm qua các sợi này và thu được nước đã xử lý Sợ ỗng được làm từi r nylon bền,…với đường kính

mặt ngoài khoảng 85 micromet và đường kính mặt trong là khoảng 42 micromet,

và khoảng m t triộ ệu các sợi được bó gói và được đặt trong một bình hình trụ ới áp vsuất kháng cự ại Bình này có đường kính khoảng 10cm Nước chưa xử lý đi vào lbình dưới một áp suất và được nén về hướng ngoài của các sợ ỗng Nưới r c trong nước thải được xuyên qua b ph n rộ ậ ỗng và được dùng như nước thải đã xử lý Sợi

rỗng này có kích cỡ nhỏ như mộ ợi tóc và để chống đỡ áp suất bên ngoài khoảt s ng 28kgf/cm2 B i v y, nở ậ ếu không cần thi t b ế ộ phận chống đỡ áp suất kháng cự thì có nhiều sợi có được bó gói để làm tăng đáng kể ện tích màng trên mỗi mét khối dimođum Thiế ịt b loại này có thể chịu áp suấ ận hành từ 17 đến 70 bar Ưu điểt v m

c a thi t b ủ ế ị loại này là diện tích bề ặ ử ụng màng lớn, nhưng nhược điể m t s d m của

2.4 Các yế ố ảnh hưởng đến qúa trình thẩu t m thấu ngược

2.4.1 Cấu trúc dung dịch

Dung dịch là mộ ỗt h n hợp đồng th ể ít nhất là có hai cấ ử và có thành phần u t thay đổi Vì dung dịch g m nhi u c u t ồ ề ấ ử nên đặc trưng chủ ế y u c a dung dủ ịch là

nồng độ, rõ ràng sự phân bố ch t tan, s ấ ự liên kết giữa các phân tử dung môi và phân

t ử chất tan tạp thành mộ ệ đồt h ng nh t s ấ ẽ quyết định tính chất đặc trưng của dung

d ch, t t c ị ấ ả các tính chất trên của dung dịch đều ph thuụ ộc vào cấu trúc dung dịch, vào nồng độ dung dịch mà ít phụ thuộc vào bản ch t dung d ch ấ ị

Để có thể hiểu rõ và giải thích đượ ột cách đầy đủ các yế ố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của màng, chúng ta cần đề ập đến các đặc trưng “nhiệ c t động và cấu trúc của dung dịch”

2.4.2 B n ch ả ất điện ly

Nhiều tác giả đã nghiên cứu quá trình tách các muối vô cơ từ dung dịch nước

bằng phương pháp thẩm thấu ngược đã chỉ ra rằng đố ới các ion khác nhau được i vtiến hành tách trong cùng một điều kiện như nhau trên cùng một màng thì các đặc trưng của quá trình tách cũng khác nhau Như vậy quá trình tách này còn phụ thu c ộvào bản ch t chấ ất điện ly dung dở ịch Như đã nói ở trên, khả năng hydrat hóa khác nhau của các ion có ảnh hưởng đến tính lựa chọn và thẩm th u cấ ủa màng Qua thực

t ế nghiên cứu nhiều tác giả đưa đến k t luế ận: độ ự l a chọn tăng khi khả năng hydrat hóa của ion tăng (tương ứng với bán kính ion giảm) và ngượ ạc l i kh ả năng hydrát hóa tăng thì độ ẩ th m th u gi m ấ ả

Khả năng hydrat hóa của các ion đượ ắc s p xếp như sau:

Ion hóa trị 1: Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+

Cl->Br->NO3->I->CNS

-Ion hóa trị 2: Mg2+> Ca2+> Cr2+> Ba2+

Ion hóa trị 1 và 2: Sr2+> Ba2+>Li+>Na+>K+

SO42-> Cl->Br->NO3->I

-Độ ề b n c a v ủ ỏ hydrat hóa được đánh giá như sau:

25 , 0

Trong đó ZA: điện tích anion

Nghiên cứu m i quan h giố ệ ữa áp suất làm việc, độ ẩ th m thấu và độ ch n l c ọ ọ

chỉ ra rằng: lúc đầu khi áp suất tăng thị ả độ ẩ c th m thấu và độ ọ ọc càng tăng ch n l

N u ti p tế ế ục tăng áp suất thì độ thẩm thấu đạ ới giá trị ực đạ ồt t c i r i gi m xu ng d n, ả ố ầ

độ ch n l c họ ọ ầu như không thay đổi S ở dĩ có hiện tượng như vậy là vì: trong giai đoạn đầu khi áp suất tăng sẽ làm tăng động lực quá trình đồng thời màng bị bi n ế

d ng dạ ẫn đến đường kính lỗ mao qu n thu h p lả ẹ ại cho nên độ chọ ọn l c s ẽ tăng và

độ th m thẩ ấu cũng tăng Nếu ti p tế ục tăng áp suất thì những ng mao qu n s b ố ả ẽ ịkhít dầ ạ ề ặt làm viện l i b m c của màng giảm d n, giầ ảm nhanh hơn sự tăng động l c ự

của quá trình vì vậy lượng nước qua màng giảm đi Khi giảm dần áp suất ta thấy quan h thu n nghệ ậ ịch không trùng nhau Nguyên nhân là do màng có tính đàn hồi nên khi thực hi n theo hai chiệ ều màng có biến dạng dư

Qua phân tích trên ta thấy rằng không phải làm việ ở áp suấ càng cao là c t càng tốt vì không những độ th m th u giẩ ấ ảm, độ ch n lọ ọc không tăng được bao nhiêu mà còn do màng bị nén quá lớn d n tẫ ới màng bị ế bi n dạng quá giớ ạn đàn i h

hồi, làm phá huỷ màng Thông thường v i m i loớ ỗ ại màng, các nhà sản xuất đều đưa

ra các thông s ố làm việc của màng

2.4.4 Nồng độ dung dịch

Nồng độ dung dịch cũng là yếu t r t quan trố ấ ọng ảnh hưởng đến quá trình làm việc của màng Khi nồng độ thay đổi không những động l c cự ủa quá trình thẩm thấu ngược thay đổi (do áp suất th m th u ph thu c vẩ ấ ụ ộ ào nồng độ) mà cấu trúc dung dịch cũng thay đổi

Trong dung d ch nguị ời ta thường chia làm ba vùng nồng độ sau:

Hình 2.8 Vùng nồng độ trong dung d ch ịVùng nồng độ loãng (vùng nướ ự do): là vùng còn tồ ại các phân tửc t n t nư c ớ

ở ạng thái tự tr do trong dung d ch ị

Vùng nồng độ giớ ạn (vùng khuyếch tán): tại vùng này không còn tồ ại các phân tử nư c t ớ ự do mà nó đã ở trong l p v hydrat gớ ở ần và xa

n): tVùng nồng độ cô đặc (vùng lực hút tĩnh điệ ại vùng này toàn bộ nước đã chuyển vào vỏ hydrát hóa thứ nhất.

Theo m t s ộ ố tác giả khi chuy n t ể ừ vùng nồng độ này sang vùng nồng độkhác thì cấu trúc dung dịch thay đổi đột ng t ộ

V i dung dớ ịch loãng ảnh hưởng c a nủ ồng độ đến độ chọn lọc và độ thẩm thấu của màng là không đáng kể vì trong dung dịch luôn tồ ại các phân tửn t nư c t ớ ự

do tạo thành mộ ớp màng nước nguyên chất trên bề ặt màng Nhưng khi nồt l m ng

độ dnng dịch tăng dần thì số phân tử nư c t do trong dung d ch giớ ự ị ảm đi, chúng chuy n dể ần vào lớp v ỏ hydrát hóa thứ nhất và thứ hai Khi đó lực tương tác giữa các ion chất tan và dung môi rấ ớt l n, mối liên kết này rất b n về ững do đó bề ặ m t màng không tạo thành lớp nước nguyên chất được và xảy ra hiện tượng bít kín các mao quản do đó độ chọ ọc và độ thẩn l m th u cấ ủa màng giảm đi rất nhanh

tốt Nhưng để đả m bảo quá trình làm việ ốt thì các màng phảc t i thỏa mãn các yêu

c u sau: ầ

- Có độ thẩm th u l n vấ ớ ới nước và nhỏ đố ớ i v i ch t tan; ấ

- Có độ ền cơ họ ớn, đồng đề b c l u v ề khích thước và cấu trúc;

- Các mao quản đồng nhất và ít khuyế ật.t t

- Có độ ền hóa cao; b

- D ễ chế ạ t o, s n xuả ất hàng loạt, d b o quễ ả ản