Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Phát triển công nghệ chưng cất màng dạng ống trong xử lý nước mặn

NHIEM VU VA NOI DUNG:Nghiên cứu và phat triển công nghệ chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp bang VIỆC SỬdụng mang dạng ống nhúng chìm trong nước, khảo sát các điều kiện tối ưu, bao gồm : N

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chuyén nganh : KY THUAT MOI TRƯỜNGMã số : 60520320

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 07 năm 2018

TRUONG DAI HOC BACH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Xuân Thanh

2.TS Nguyén Xuan Duong3 TS Trần Minh Chí

4 TS Huỳnh Khánh An5 TS Nguyễn Nhật Huy

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGÔ THỊ TRA MY MSHV: 1670377Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1993 Nơi sinh: Bình ĐịnhChuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số : 60520320I TÊN DE TÀI: Ứng dụng Công nghệ Chung cất màng dang ống trong xử lý nước

mặn — Application o Submerged Tubular Direct Contact Membrane DistillationTechnology in saltwater desalination

II NHIEM VU VA NOI DUNG:Nghiên cứu và phat triển công nghệ chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp bang VIỆC SỬdụng mang dạng ống nhúng chìm trong nước, khảo sát các điều kiện tối ưu, bao gồm :

Nhiệt độ dòng vào — nóng ;Nhiệt độ dòng cất — mát ;Chênh lệch nhiệt độ 2 bé mặt mảng :Bé day lớp đệm;

Kích thước lễ màng ;Nông độ TDS đầu vào ;Ngoài ra, đánh giá hiệu quả khử mặn của hệ thống hoạt động theo thời gian dài và đánhgiá bân mảng được thực hiện trong luận văn này

HI NGÀY GIAO NHIEM VU : (Ghi theo trong QD giao dé tai) 26/02/2018.IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tai)

02/ 12/ 2018 ; V CAN BO HUONG DAN (Ghi rõ hoc ham, học vi, ho, tên):

-CBHDI : TS Nguyễn Công Nguyên, CBHD2 : PGS.TS Bùi Xuân Thanh

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Công Nguyên — chuyên gia trong lĩnh vựcchưng cất màng tại trường đại học Đà Lạt Mặc dù ở khoảng cách xa nhưng thay vanthường xuyên liên lạc va hướng dẫn trực tuyến để tôi có thé hoàn thành tốt luận vănnay Đồng thời, tôi xin cảm ơn đến GS Shiao-Shing Chen, người đã cung cấp màng vađưa ra những lời khuyên cho tôi có thể cải thiện hướng nghiên cứu; đồng thời nhómnghiên cứu của thầy tại trường Đại học kỹ thuật Quốc gia Đài Bắc (Đài Loan) đã hỗ trợđo góc tiêp xúc cũng như một sô hình ảnh bê mặt màng.

Bên cạnh đó, xin cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Môi Trường và Tài nguyên —Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hỗ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức đểtôi có thê sử dụng và phục vụ cho luận văn.

Tôi cũng xin cảm ơn các sinh viên Võ Thị Yến Nhi, Nguyễn Thị Diễm Ngọc, LêThị Hương, Lìu Sì Kín và sinh viên quốc tế Aude Sagnimorte đã cùng tôi vượt quanhững thời kì khó khăn và hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến bạn bè, những sinh viên trong nhóm BIOSEP đãnhiệt tình giúp đỡ trong suốt quá trình lay nước và làm thí nghiệm Tôi cũng gửi lời xincảm ơn tới gia đình và những người thân quen, họ không chỉ động viên tinh thần giúptôi học tập và làm việc tốt, mà còn bỏ thời gian và công sức của mình để hoàn thiện môhình nghiên cứu và giúp bài luận văn của tôi được hoàn thành.

TOM TATNgày nay, nhiều công nghệ khử man đã được phát triển, tuy nhiên van còn tôn tạimột số thách thức, chăng hạn như năng lượng tiêu thụ, chi phí đầu tư va khả năng xử lý

nước có độ mặn cao Là một phan cua hệ thong chung cat mang (MD), cong nghéchung cat mang tiép xuc truc tiép (DCMD) là một trong những hệ thong don gian va

hiệu quả nhất của quá trình MD Luận văn này là nghiên cứu dau tiên thiết kế hệ thốngDCMD với màng dạng ống đơn giản được đặt nhúng chìm trong nước đầu vào để giảmchi phí đầu tư và vận hành Mang ky nước được sử dụng trong nghiên cứu nay đượclàm bang vat liệu Polytetrafluoroethylene - PTFE với diện tích hiệu dung là 0.02 mĩ.Toàn bộ hệ thong màng được đặt ngập trong nước Một SỐ thông số được theo dõitrong suốt các thí nghiệm, chắng hạn như TOC, Cl’, SO,”, Ca”, pH độ mặn, độ dẫnđiện và tổng chat ran hòa tan (TDS) Nghiên cứu này cho thay răng nhiệt độ dòng vào -dòng mát, kích thước lỗ màng, độ dày màng và nồng độ đầu vào đều ảnh hưởng đếnthông lượng dòng thấm; tuy nhiên, chất lượng nước đầu ra hầu như không bị ảnhhưởng.

Sau hai tháng vận hành mô hình với nước biển ở nhiệt độ dòng vào và dòng mátlần lượt là 60 + 1 °C và 28 + 1 °C, màng PTFE có kích thước lỗ rỗng là 0.45um, thônglượng dòng thấm dat được là 1.13 + 0.21 L/m”h Thông lượng này giảm không đáng kểvà chất lượng nước xử lý rất tốt, khả năng loại bỏ độ mặn, TDS, độ dẫn, TOC,Chloride, Sulfate, Calcium lần lượt là 100% và trên 99.98, 99.97, 96.35, 99.98, 99.91và 100% Góc tiếp xúc của màng giảm từ 123.6 + 0.8° xuống còn 78.5 + 0.4° nguyênnhân có thé là do mang bị bám ban Hình ảnh SEM-EDX có thé chứng minh rang chấtcặn bám trên bê mặt màng là mudi CaCQO3.

Nowadays, many desalination technologies have been developed, however somechallenges exist, such as consumption energy, investment cost and ability of treatinghigh salinity water Being part of the membrane distillation (MD) system, directcontact membrane distillation (DCMD) is one of the simplest and most efficientsystems This is the first study to design simple submerged tubular DCMD system toreduce investment and operation cost The hydrophobic membrane used in this studywas made of Polytetrafluoroethylene - PTFE material with an active membrane area of0.02 mí The entire membrane system was submerged in water Several parameterswere followed throughout the experiments, for instance TOC, Cl, S04", Ca”, pH.salinity, conductivity and Total dissolved solid (TDS) This study showed that somefactors, such as feed — cool temperature, membrane pore size, membrane thickness andfeed concentration affected to the permeate flux, but the removal efficiency was notsignificantly changed.

After 02 months of operation with seawater at feed temperature of 60 + 1 °C,cooling water of 28 + | °C and PIFE membrane with 0.45 ym as pore size, the fluxreached 1.13 + 0.21 L/m”h The permeate flux wasn't significantly reduced anddistillate of high quality was obtained during MD operation process The removalefficiencies of salinity, TDS, conductivity, TOC, chloride, sulfate, calcium reached100%, 99.98%, 99.97%, 96.35%, 99.98%, 99.91% and 100%, respectively The contactangle of membrane was reduced from 123.6 + 0.8° to 78.5 + 04° due to membranefouling SEM-EDX analysis could demonstrate that the scale on the membrane surfacewas CaCO 3.

LOI CAM DOANTôi xin cam đoan luận văn “Phát triển công nghệ chưng cất màng dang ốngtrong xử lý nước mặn” là sản phẩm nghiên cứu của cá nhân tôi và các thành viênBiosep, nội dung tôi viết dưới đây không sao chép của bất kỳ ai Số liệu trong luận vănđược thực hiện trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 07 năm 2018

Người cam đoan

Ngô Thị Trà My

MUC LUC09899009507 i

ABSTRACT 00 ccccccccccessncccesssnneeceseeeecessaeecceesaaeeeeeeaaeeceseaaeeseseueeeseeeaaaeeseseeaeeeeneas lilLOT CAM ĐOAN các H111 ivMUC LUC 3 4 VDANH MỤC TU VIET TẮTT G2 6E S2 22523 E9 2E E21 1511511111111 1111111 ixDANH MỤC HÌNH ẢNH - (52 SE SE E3 EEEE1311111121151111 111111 xe xiDANH MỤC BANG BI - G552 S223 3 2E 121 151211111111 11 1111111111 y xiiiChương 1: MO DAU o.ceccccccccccccccccccccscssescscscscssescscscscsssscsescscsssscscscsssssesscsssssssseseseseass l1.1 Đặt vấn đề - 5c CS 2111 1 121212121111 1111110111 1101011111217 01 0g |1.2 Mục tiêu nghiên CỨU - - - ĂG 111191 ng re 21.3 Phạm vi nghiên CỨU - -G S11 HH re 31.4 Y nghĩa của đề tài G11 tt tt HT H 1101010101 1101 010101011122 31.5 Tính mới - Ă S 1S nọ re +Chương 2: TONG QUAN G11 1 12151111111 111 1111010101 1111111211151 111111 crkg 52.1 Tong quan về van đề xâm nhập mặn - ¿2 22 + 2£ £E+E£E+Ezrrerereee 52.1.1 Xam nhập mặn và các yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập mặn 52.1.2 Tình hình xâm nhập mặn ở ĐBSCL, << SSSSeeeess 72.2 Dac trưng nước mặn và các thông số đánh giá chất lượng nước nhiễm111?” Laẳaiiiiaaaaaaaaiiiiiiiiiiai Ô 9

2.3 Những anh hướng cua hiện tượng xâm nhập mặn - 13

2.4 Một số công nghệ xứ lý nước nhiễm mặn điển hình - 14

2.62.7

`này

2.4.1 Công nghệ chưng cất ¿- - + 25252 SE SE9EEE E3 E231 12111 1E rrred 1424.2 Công nghỆ màng - << 0n re 152.4.3 Công nghệ điện thâm tach c.cccccccccsccsessesesessesessesssessssssesssseseeessssseees 16Tổng quan về công nghệ Chung cất màng - MD cece 192.5.1 Khái niệm và nguyên tắc cơ bản của MÌD ¿55 cscccsccscece¿ 192.5.2 Ưu và nhược điểm của MD eseseesseseesseecseesseeeseesseesseesseenneensensees 192.5.3 Các cau hình trong MD cccccccsescssssessssssessesesessesesessssesessssessseseseesesessees 212.5.3.1 Chung cat màng tiếp xúc trực tiếp (Direct contact membranedistillation -DCMD) 2 212.5.3.2 Chung cất màng có khoảng trống khí (Air gap membranedistillation — AŒMI]) 7 << c0 00H nọ nà 222.5.3.3 Chung cất màng sử dụng áp suất chân không (Vacuummembrane distillation — VMI) - << G1111 111111133111 se 222.5.3.4 Chưng cất màng sử dụng khí quét (Sweeping gas membraneSI1511710i061/09) 227277 <4a 232.5.4 Mang MÍÌ Gv 23

Các dạng màng sir dung trong DCMDÙ ng re, 25

Nghiên cứu về DCMD và những vẫn đề về màng ảnh hưởng đến quá trình¬ 272.7.1 Những nghiên cứu về DCMD ¿5-5-5252 E‡E+EEEcEeErerrerered 272.7.2 Những van đề về màng ảnh hưởng đến quá trình DCMD 302:7.2.] AM màng ¿+ + 2+ SE+E#EEEEEEE212111 212121112111 xyeU 302.7.2.2 Bắn MAN - E523 SE 191212181121 11 111121111 1x 31

Chương 3: PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CUU ouu.iccccccccceceecsseeeesseeecsneneeen 333.1 Nội dung nghiên CỨU - - -G 111310111399 ng ng ng re 333.2 Vật liệu và đối tượng nghiên cứu - + + 2 25555 +E+E+E+EzEetetererrrrrscee 343.2.1 Màng LH SH HH TH E1 1111211111121 1111 1101112111121 343.2.2 Dung dich dau vào trong nghiên cứu ¿5-5 52 5s+s+c>s+xsescs2 373.3 Thiết kế mô hình DCMD thực nghiệm - 5-5 55555552525 2ecezeseseee 393.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý của hệ thống DCMD ¬— 413.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng nước NON - + 2 5s+s+cscs¿ 4]3.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng mát ¿+5 + 2 s+s+£zs+xerscxẻ 423.4.3 Ảnh hưởng của sự chênh lệch nhiệt độ hai bên bề mặt màng 423.44 Ảnh hưởng của độ day lớp vật liệu đỡ ¿5 55c+cccs+xseecs¿ 433.4.5 Ảnh hưởng của kích thước lỗ màng PTTFE - 2 2 5s+s+sscs¿ 433.4.6 Ảnh hưởng của nồng độ dòng vào - + 5552552 s+x+zzezxerered 443.5 Khao sát ban màng va kha năng xứ ly của hệ thống DCMD trong thờiOCC) cee 443.6 Phương pháp lay mẫu, phân tích va xử ly số liệu - 453.6.1 Phương pháp lẫy mẫu + 2 2E SE SE EESE£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEErErkrree 453.6.2 Phương pháp phân tÍch + + 99 ng re 463.6.3 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu - +25 +s+s+cscecezsccee ATChương 4: KET QUA G5525 1 E5 11121 1512111111 11111111 1111111111111 ce 504.1 Anh hướng của nhiệt độ dòng nước nóng 5-5 ss+s+x+xzxzxsescez 50

4.2 Anh hưởng của nhiệt độ dịng mát - + 25 ecsseesescseeeseseees 544.3 Anh hướng của sự chênh lệch nhiệt độ hai bên bề mặt mang 574.4 Anh hướng của độ dày lớp vật liệu đỡ ©5555 552s+xcxzxeeseez 594.5 Anh hướng của kích thước lỗ rỗng màng + 2 5555: 624.6 Anh hướng của nồng độ đầu vào - - 2 SE EEEEeEeEererrreree 654.7 Anh hướng đến kha năng xử lý của hệ thống DCMD trong thời gian dai69ATL DO MAN oo 69,7//MlMỒ 7]AT 3 “TOC 73ATA Độ dẫn c1 H11 9113 110 H11 1g HH TH TT nọ 754.7.5 Chloride, Sulfate, CaÏCI1uim - - << << < +12 s£cssseess+ 764.7.6 Đánh giá kha năng khử mặn của hệ thống so với cơng nghệ RO và MSF— cơng nghệ khử mặn được ứng dụng phơ biến nhất hiện nay 784.8 Đánh giá âm màng và ban màng - - 2 2 52+ £xzxzvsrerree, 304.8.1 AM màng 6+ S< St E23 v E1 1211111111121 1111011111111 804.8.2_ Ban MAN occceccccccsccscssssssssscsssesssssscsscscsessesssesscsesesscsesssscsesssssesecseseeeeseseees 8]

Chương 5: KET LUẬN VÀ KIEN NGHI ouooceccccccscscseccscscsscscssesssscessecstssestssesnssees 87

5.1 Kết luận LG G-E 121 1 1 1212 3 1111111111111 01 1111711 110111010101 1111111 87“l0 887 -‹‹‹DD 88TAI LIEU THAM KHAO 2-2-5 S<SE+EE2ESEEEEEEEEEEEEEE1E11111 111111 89PHU LUC 2 iLY LICH TRÍCH NGANG ¿E52 SE SE E2 E12 1813111121111 111 11x XXXVi

DANH MUC TU VIET TAT

Từ viết tat Từ gốc Ý nghĩaAGMD Air Gap Membrane Chung cat màng có khoảng trong khí

DistillationBYT Bộ Y tế Bộ y tếDCMD Direct Contact Membrane Chung cat mang tiép xtic truc tiép

DistillationDBSCL - Dong băng sông Cửu LongED Electrodial ysis Céng nghé dién tham tachEDX Energy Dispersive X-ray Phô tán sắc năng lượng tia X

SpectroscopyTEE Thermal Energy Efficiency Hiéu qua nang luong nhiétFO Forward Osmosis Tham thấu thuận

LEP Liquid Entry Pressure Ap suat chat long qua mangMD Membrane Distillation Chung cat mang

ME Microfiltration Tinh locMSF Multi Stage Flash Chung cat nhanh nhiéu bacMED Multiple - Effect Distillation | Chung cat da hiệu ứngNEF Nanofiltration Loc nano

Nước man Nước có TDS 5000 mg/L được pha5000 loãng từ nước ngầm nhiễm mặn ở Bến

Tre.

NOM Natural Organic Matter Chat hữu co tự nhiênPE Polyethylene Tên của vật liệu PolyethylenePP Polypropylene Tên của vật liệu Polypropylene

PTFE Polytetrafluoroethylene Tên của vật liệu PolytetrafluoroethylenePV Pervaporation Công nghệ thoát hoi nước

PVDF Polyvinylidene Fluoride lên cua vat liệu Polyvinylidene

FluorideQOCVN Quy chuân Việt Nam Quy chuân Việt NamR Rejection Ty lệ loại bỏ (%)RO Reverse Osmosis Tham thau ngược

SEM Scanning Electron Kính hiền vi điện tử quét

MicroscopeSGMD Sweeping Gas Membrane Chung cat mang sử dụng khí quét

DistillationTDS Total Dissolved Solids Tổng lượng chat ran hòa tanTOC Total Organic Carbon Tổng carbon hữu co

TrOC Trace Organic Compounds Các hop chat hữu cơ dang vếtUF UltrafiltrationSiêu loc

USD United States Dollar Don vi tiên tệ của MỹVMD Vacuum Membrane Chung cat mang sử dung áp suất chân

Distillation khongWHO World Health Organization Tổ chức Y tế thé giới

DANH MUC HINH ANHHình 2.1 Quá trình xâm nhập mặn từ gi6Ng c.ceccccesescsessesssessesssessesesessesssessesesesseseeen 6Hình 2.2 Tình hình xâm nhập mặn ở Dong bang sông Cửu Long - 7Hình 2.3 Quy trình chưng cất nhanh nhiều bậc— MSF -¿- - 2 c2 sec, 14Hình 2.4 Khái niệm về thâm thấu, áp suất thâm thấu và thâm thấu ngược l6Hình 2.5 Sơ đồ khử mặn bang điện thâm tách - + + 2E rkrkrkerrree 17Hình 2.6 Quá trình IDDCÌMI G5 6030010 9900 19000 vn 21Hình 2.7 Quá trình AGMI -G G0 kh 22l0): 159)).000ì: 0:00 90121 ằằ :Ở1iI 22Hình 2.9 Quá trình SGMIÏD - < 00.0 kh 23Hình 2.10 Hệ thống chung cất màng sử dụng màng dạng sợi rỗng - 26Hình 2.11 Hệ thống chung cất màng sử dụng màng dang tắm phẳng 27Hình 2.12 Các mức độ khác nhau của âm màng - ¿2+2 2+s+++£++s+x+zzszxee: 30Hình 3.1 Sơ đỗ tóm tắt nội dung nghiên cứu - +2 + + +s+x+E+£x+xeEzxrrererersees 33Hình 3.2 (A) Lớp đệm — mặt sau (B) Lớp PTFE hoạt tính — mặt trước của màng 34Hình 3.3 Quá trình tạo lỗ rỗng cho lớp đỡ màng - ¿+ + 5555552522 +2 +22 ££zc+2 36Hình 3.4 Lớp lưới đệm giữa màng và Ống PVC -¿- 5c 62c 2t E22 Erkerrrrrees 36Hình 3.5 Mang dạng ống được làm từ vật liệu PTFE trong nghiên cứu 37Hình 3.6 Sơ đồ hệ thông DCMD trong quá trình xử lý nước nhiễm mặn 39Hình 3.7 Sơ đỗ nguyên lý hoạt động của quá trình DCMD + + 55555: 40Hình 4.1 (a) Thông lượng dòng thắm ở các nhiệt độ dòng vào - nóng khác nhau; (b)Thông lượng trung bình và sự gia tăng thông lượng theo nhiệt độ đối với màng có kíchthước 0.45 7m, TDS 5000 mg/L và nhiệt độ dòng mát là 28 + I” - 51Hình 4.2 Hiệu quả khử mặn của hệ thống chung cất màng ở các nhiệt độ đầu vào khác

Hinh 4.3 (a) Thong luong dong thắm ở các nhiệt độ dòng mát khác nhau; (b) Thônglượng trung bình và sự gia tăng thông lượng theo nhiệt độ đối với màng có kích thước0.45 wm, TDS 5000 mg/L và nhiệt độ dòng vào là 60 + I”C .-<<<<<<+2 54Hình 4.4 Ảnh hưởng của sự chênh lệch nhiệt độ hai bề mặt màng đến thông lượng 57Hình 4.5 Ảnh hưởng của bé dày lớp màng đến thông lượng 5-5 +: 60Hình 4.6 Mang 2 sau khi vận hành ở nhiệt độ dòng vào 70C -s «+55: 61

Hình 4.7 Anh hưởng của kích thước lỗ màng đến thông lượng - 63Hình 4.8 Anh hưởng của kích thước lỗ màng đến hiệu quả loại bỏ - 64Hình 4.9 Ảnh hưởng của nồng độ đầu vào đến thông lượng . 5- 5+: 66Hình 4.10 Anh minh hoa cho lớp ranh giới phân cực ngay bề mặt màng 67Hình 4.11 Kha năng khử mặn của hệ thong DCMD trong 02 tháng van hanh 70Hình 4.12 Kha năng xử lý TDS của hệ thong DCMD trong 02 tháng van hanh 71Hình 4.13 Kha năng loại bỏ TOC của hệ thong DCMD 0 eee ccccssesecccccceeeseeceeeeeeeeceees 74Hình 4.14 Hiệu quả xử ly các ion gây ra độ dẫn của hệ thong DCMD trong 02 thángVAN ANN 0 Ã sa dd 75Hình 4.15 Khả năng loại bỏ (a) CI, (b) SO,” va (c) Ca** của hệ thống DCMD dạngống trong 02 tháng vận hành -¿-¿- ¿%6 SE +E9ESE E9 EE2E9E1 2121211121111 211112 76Hình 4.16 Phân biệt tính ky nước và thắm nước của màng bởi góc tiếp xúc 80Hình 4.17 Kết quả do góc tiếp xúc của mang (a) trước va (b) sau khi vận hành tronghai thấnng sọ Họ vớ 81Hình 4.18 Sự thay đối thông lượng dòng thấm trong hai tháng vận hành 82Hình 4.19 Ảnh SEM bề mặt màng trước — sau thời gian hai tháng vận hành 84Hình 4.20 Anh cau trúc tinh thé aragonite của muối CaCOa, 2- + + 2s: 85Hình 4.21 Anh chụp EDX của mẫu màng sau khi vận hành trong hai tháng 85

DANH MUC BANG BIEUBang 2.1 Độ man va phạm vi ảnh hưởng của nó ở khu vực sông Tiển -c-ccscss¿ SBảng 2.2 Thanh phan các ion trong nước mặn - +2 + 2+2 ++x+xzzezxexerscxee 9Bang 2.3 Phân loại nước dựa vào TTÌIDS 90H ng 10Bang 2.4 Phân loại nước theo mục đích sử dụng - - << + cv gưg 10Bảng 2.5 Phân loại nước dưới đất dựa theo độ dẫn điện se secsesed I1Bang 2.6 Phân loại nước theo Chloride - 5< 55 E151 18 3955011 19930511 ke 12Bảng 2.7 Phân loại nước dựa trên dO cỨng - - - - - - -Ă 11H ng vn 13Bảng 2.8 Các van dé gặp phải đối với các hệ thống khử mặn - +: 17Bảng 2.9 Ưu điểm của công nghệ MD - 256 522223922 3222321 E21 Ererreee 20Bang 2.10 Tong quan về các đặc tính của màng được sử dụng cho quá trình MD 24Bảng 2.11 Một số nghiên cứu về công nghệ DCMD trên thế giới - 28Bảng 3.1 Các thông số vỀ màng -. ¿+ ¿56+ SE 239332392121 1112121111211 E11 xe 35Bang 3.2 Các thông số nước thô đầu vàO ¿+ + ©s+x+E£SE+ESEEEEEEEEEEEEerxrkrrrrees 38Bang 3.3 Các thông số nước đầu vào đã pha loãng (nước mặn 5000) - 38Bảng 3.4 Các thông số đầu vào trong quá trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dòng¡952177 42;; 5£ f0 11:01 077 7 -ŸÍẦIẦA 45Bảng 3.6 Các phương pháp phan tich - (<< <1 1119999010111 1 ng 46Bảng 4.1 Bang tổng hợp chất lượng nước cất dau ra trong khảo sát ảnh hưởng củanhiệt độ dòng VàO nọ 52Bảng 4.2 Bảng tổng hợp hiệu quả xử lý trong khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dòng

Bang 4.4 Bảng tong hợp hiệu quả xử lý trong khảo sát ảnh hưởng của bề dày màng ở010161189/0ã910:500190 000000108 3Ÿ 62

Bang 4.5 Bảng tong hợp hiệu quả xử lý trong khảo sát ảnh hưởng của nông độ đầu vào

Bảng 4.7 Bảng so sánh khả năng xử lý của nghiên cứu này với các công nghệ khử mặnđiển hình trên thế giới ¿+ - ¿56 E+S2SE2E9EE E392 2121911232111 211111 111111111111 L 79

Chuong 1: MO DAU1.1 Đặt van đề

Ngày nay, hau như người dân đều str dung nước máy làm nguồn cấp nước chínhcho sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên, ở một số vùng nông thôn vẫn chưa được cấpnước máy Người dân ở đây chủ yếu sử dụng nước từ các nguén nước mặt va nước

ngâm được chứa trong bề nhằm phục vụ cho sinh hoạt và sản xuẤt Tuy nhiên, chất

lượng nước mặt cũng như nước ngầm ngày càng 6 nhiễm do nhiều nguyên nhân Mộttrong những nguyên nhân lớn là do vấn đề xâm nhập mặn, điều này làm cho nướcnhiễm mặn với hàm lượng các chất rắn hòa tan trong nước cao ở các vùng đồng bằngven biển (Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, 2017)

Biến đổi khí hậu đã và đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn cầu và Việt Namcũng đang phải hứng chịu nhiễu rủi ro thiên tai do van dé này gây ra Mực nước biểndâng cao là một trong những rủi ro lớn và liên quan trực tiếp đến van dé nước sạch ởcác vùng đồng băng ven biến, điển hình là đồng bằng sông Cửu Long Đặc biệt, trongmùa cạn, lượng nước từ thượng nguồn đồ về biển giảm, dẫn đến nước biển xâm nhậpsâu vào đất liền gây ra hiện tượng nhiễm mặn Nước biển xâm nhập sâu vào các consông, kênh rạch ảnh hưởng lớn đến hoạt động sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp củangười dân trong khu vực Ngoài ra, hệ thống nước ngầm ở vùng ven biến cũng bị xâmnhập mặn vô cùng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng nước ngọt của khu vực

Diễn biến xâm nhập mặn diễn ra khá phức tạp, gây ra những hậu quả nặng né, ảnhhưởng đến hoạt động của người dân trong khu vực này Do đó, cần phải có các biệnpháp phòng ngừa và xử lý một cách hiệu quả, nhằm mục đích cung cấp nước sạch chongười dân trong khu vực thiếu nước Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển công nghệmới có thé khắc phục những hạn chế của các hệ thống trước đây như: tiêu thụ nhiênliệu lớn và tôn diện tích lớn của hệ thông chưng cât; cũng như tiêu thụ điện năng lớn và

chi phi đầu tư cao của hệ thống RO đã trở thành một dé tài hap dẫn với các nhanghiên cứu.

So với các công nghệ chưng cất và công nghệ màng, công nghệ chưng cất màngtiếp xúc trực tiếp (DCMD) ngày càng được nghiên cứu rộng trên thế giới vì giá thànhthấp, xây dựng dễ dàng, tiêu thụ năng lượng thấp cũng như khả năng loại bỏ cao cácchất ô nhiễm Công nghệ này là sự kết hợp quá trình lọc màng và chưng cất, góp phầnhạn chế các nhược điểm của từng hệ thống riêng lẻ, tạo nên sự kết hợp hiệu quả trongxử lý nước nhiễm mặn, nước biến (Deshpande và cộng sự, 2016) Tuy nhiên, hệ thốngnày không tránh khỏi những khuyết điểm mà ảnh hưởng đến khả năng xử lý nướcnhiễm mặn Vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm khảo sát và đánh giá đề tài“Phát triển công nghệ chưng cất màng dạng ong trong xử lý nước mặn”, đồng thờitìm ra những điều kiện hoạt động tôi ưu trong điều kiện phòng thí nghiệm nhằm ứngdụng công nghệ mới này vào tình trạng xâm nhập mặn hiện nay cũng như khả năngkhử mặn nước biên ở các vùng đảo Việt Nam.

12 Muc tiêu nghiên cứuKhảo sát những yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống DCMD với màng dạng ống đặtngập trong nước nhằm đánh giá khả năng xử lý nước nhiễm mặn Khảo sát về ảnhhưởng của các yêu tô bao gôm:

- Nhiét độ dòng nước nóng;- - Nhiệt độ dòng mát;

- _ Sự chênh lệch nhiệt độ 2 bên bề mặt màng:- _ Kích thước lễ rỗng của màng PTFE;

- Độ dày cua lớp vật liệu đỡ;

- Nong độ dau vào.Từ những khảo sát đó, rút ra được những điều kiện phù hop trong nghiên cứu nàyở điều kiện phòng thí nghiệm và tiễn hành khảo sát quá trình DCMD trong thời gian

dai dé đánh giá khả năng xử lý và khảo sát hiện tượng ban màng Chat lượng nướctrước và sau xử lý bang hệ thống này được kiểm tra liên tục và so sánh với QCVN01:2009/BYT về các chỉ tiêu TDS, Chloride, Sulfate, pH Ngoài ra, việc đánh giá độướt mang được thực hiện bằng cách đo góc tiếp xúc và ban màng cũng được thực hiệnbang chụp SEM — EDX để xác định thành phan gây ban.

13 Phạm vi nghiên cứuMàng được tiến hành thử nghiệm trong nghiên cứu là màngPolytetrafluoroethylene (PTFE) với các kích thước lỗ rỗng và bề dày lớp đệm khácnhau được cung cấp bởi Đài Loan Mẫu nước đầu vào được lấy từ nguồn nước ngầmtại một khu vực ở Bến Tre và nước biên ở Cần Giờ, sau đó tiễn hành quá trình DCMDxử lý nước mặn này để đạt QCVN 01:2009/BYT

14 Y nghĩa của đề tàiÝ nghĩa khoa học:Nghiên cứu này giúp tìm ra giải pháp mới, vừa hạn chế được các nhược điểm củatừng công nghệ chưng cất và lọc màng thông thường, dong thời đưa ra một sự kết hợphiệu quả trong quá trình xử lý nước nhiễm mặn bằng công nghệ chưng cất màng sửdụng màng ky nước dạng ống đặt ngập trong nước mặn Bên cạnh đó, việc khảo sát cácyếu tố ảnh hưởng đến hệ thống sẽ góp phân đưa ra điều kiện vận hành ở quy mô pilotvà các quy mô lớn hơn trong các nghiên cứu sau này.

Y nghĩa thực tién:Trong tình trạng van đề nhiễm mặn ngày càng diễn biến phức tạp, nghiên cứu gópphân tìm ra giải pháp để làm giảm độ mặn trong nước, đảm bảo cho người dân có nướcsạch để sử dụng vào mùa khô cũng như vào những giai đoạn nước bị nhiễm mặnnghiêm trọng, ảnh hưởng đến hoạt động sinh hoạt và sản xuất của người dân Đồngthời, nghiên cứu cũng là giải pháp mới đề khử mặn nước biên giúp cho người dân ở

những vùng ven biên thiêu nước ngọt, vùng đảo ở Việt Nam nói riêng và trên thê giớinói chung có nước sạch dé sử dụng cho hoạt động thường ngày.

15 Tính mớiChưng cất màng MD được đề cập cho quá trình khử mặn vào cuối những năm1960 (Findley, 1967) Quá trình này là quá trình phân tách kết hợp công nghệ màng vàbốc hơi nước Cụ thể, mang ky nước hoạt động như một lớp rào chăn dé tách hơi nướcvà nước, sau đó hơi nước sẽ khuếch tán qua các lỗ rỗng của màng và ngưng tụ ở phíathấm của màng Tuy nhiên, vào thời điểm trước đây công nghệ MD không đượcthương mại hoá cho các mục đích khử muối (Camacho và cộng sự, 2013) Có hai yếutố chính cản trở sự phát triển của công nghệ nảy, đó là mảng không đáp ứng được cácđặc trưng cua quá trình và chi phí chưa hop lý (Alklaibi và Lior, 2005; Hanbury vàHodgkiess, 1985) Ngày nay, nhiều nghiên cứu về màng đã được thực hiện nhằm cungcấp các loại màng hiệu quả và độ bền cao cho quá trình khử mặn nước biển Cácnghiên cứu về màng chủ yếu đi vào van dé cải thiện lớp hoạt tính để duy trì tính kynước của mang trong suốt quá trình hoạt động Bên cạnh đó, các nghiên cứu về việclàm giảm chi phí xử lý cũng được thực hiện Tuy nhiên, hầu như các nghiên cứu nàychỉ nham vào mục tiêu hạn chế chi phí vận hành, chưa có nghiên cứu nào được thựchiện nhằm giảm chỉ phí đầu tư ban đầu Do đó, hệ thông chưng cất màng tiếp xúc trựctiếp dạng ống đặt ngập trong nước được nghiên cứu Quá trình đặt ngập toàn bộ hệthống mang trong bé màng góp phan làm giảm chi phí bom đầu vào Ngoài ra, hau hếtcác nghiên cứu về MD đều chỉ sử dụng màng phang, do đó chi phí đầu tư khung mangrất cao Khi đó, mang dạng ống được thiết kế trong nghiên cứu này nham làm giảm chiphí khung màng, dẫn đến giảm chi phí đầu tư ban dau Đó là lý do tại sao nghiên cứuđược thực hiện Một phần làm giảm chỉ phí đầu tư, nhằm đảm bảo khả năng thực hiệnở nước đang phát triển như Việt Nam, phần khác tao ra một hướng nghiên cứu mới màvan đảm bảo kết quả khử mặn của hệ thống MD không bị thay đối

Chương 2: TONG QUAN

2.1 Tông quan về van dé xâm nhập man

2.1.1 Xâm nhập mặn va các yêu to anh hướng dén xâm nhập man

Xâm nhập mặn là quá trình thay thế nước ngọt trong các tầng chứa nước ở venbiên bằng nước mặn, là quá trình gây ra bởi những thay đối kéo dài (hoặc trong một sốtrường hợp có sự thay đối nghiêm trọng theo thời gian) về mực nước ngâm ven biến dobơm, thay đối mục đích sử dụng đất, biến đôi khí hậu hoặc biến động của mực nướcbiển Nguyên nhân gây ra hiện tượng xâm nhập mặn bao gôm sự trộn lẫn phân tán, ảnhhưởng của thủy triều, sự bién đổi không ôn định, thuỷ văn bề mặt, điều kiện địa chấtthủy triều, ảnh hưởng của con người và đặc điểm địa chất ảnh hưởng đến mức độ lưugiữ cũng như tinh chất thủy lực và vận chuyển của tầng chứa nước Sự tương tác giữacác quá trình này và các quá trình khác (ví dụ như các phản ứng địa hoá, sóng thần vàcác hiện tượng trên đại dương khác ) cho thay khả năng xâm nhập man có thể xay ratrên phạm vi lớn Đây là một thách thức lớn đối với các nhà quản lý tài nguyên nướctrong việc xác định các yếu tố kiểm soát chính đối với vẫn đề xâm nhập mặn, đồng thờixem xét cả trong việc đánh giá và tối ưu hóa sử dụng nước ngâm (Adrian và cộng sự,2012).

Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xâm nhập mặn:Quá trình khai thắc nước ngâm

Sự gia tăng ngày càng nhanh của dân số toàn câu đã dẫn đến sự tăng đáng ké nhucầu nước trong những thập kỷ gan đây Nhu cau sử dung nước tăng cả trong hoạt độnggia đình và nông nghiệp đã dẫn tới việc khai thác quá mức nước ngâm ở những khuvực khí hậu nóng và khu vực có chât lượng nguôn nước mặt kém (Ebrahimi và cộngsự, 2016).

Khi các giếng nam trong tang nước ngầm nơi nước ngọt và nước mặn được phântầng, việc bơm nước ngọt dé sử dụng có thé làm nước mặn di chuyên từ vùng phía dướisâu đi lên và trộn lẫn vào vùng nước ngọt ở dưới lòng đất (Werner và cộng sự, 2013).Khi đó việc tiếp tục khai thác, chất lượng nước ngầm sẽ giảm xuống bởi sự phối trộnvới nước mặn ở tang dưới và gây ra hiện tượng nhiêm mặn nguôn nước ngâm Hiện

Mực nướcbiên

— > —_— b °“ xế) —

~ - Xô SEAN) _— ä lu ÂN i es Xâm nhập mặn

Hình 2.1 Quá trình xâm nhập mặn từ giếng (Doyle, 2011)Anh hưởng của biến đổi khí hậu

Biến đối khí hậu ảnh hưởng lớn đến chu trình thủy văn thông qua thay đôi mô hìnhlượng mưa, lượng nước bốc hơi và độ âm của đất Những thay đổi về lượng mưa, nhiệtđộ cũng có thé làm thay đối đáng kế tốc độ bồ sung nước ngầm cho các hệ thống tầngngậm nước Lượng mưa có thé tăng hoặc giảm và phân bố không đồng đều trên toàncầu Mực nước biển dâng và những thay đổi trong việc bố sung và bốc hơi nước dothay đối khí hậu toàn cầu sẽ làm trầm trọng thêm hiện tượng xâm nhập mặn, trực tiếphoặc gián tiếp thông qua các ảnh hưởng thứ cấp như tăng cường bơm trong thời kỳkhô, tan suât và mức độ nghiêm trọng bão lũ, sóng than (Werner và cộng sự, 2013).

Sự biên động của nước biênHoạt động thủy triêu làm nước biên xâm nhập vào dat liên va tạo ra một vùng phangiới day hơn kế cả khi không còn tác động thủy triều Hơn nữa, cấu hình của vùng

phân giới được thay đổi khi có sự dao động của thủy triều Điều này là do những thayđổi đáng kế trong mô hình dòng chảy va vận tốc của nước ngầm gan bờ biến Đối vớitầng nước ngâm có độ sâu lớn hơn nhiều so với biên độ thủy triều, biên độ dao độngthủy triều không tác động nhiều đến khả năng xâm nhập của nước biến vào tang nướcngâm Tuy nhiên, sự thay đôi đáng ké cấu hình các đường bình độ do ảnh hưởng củadao động thủy triều sẽ làm tập trung các đường bình độ Điều này do sự thâm nhập củanước mặn lên đỉnh tang nudc ngam ở mực nước triều cao (Ataie-Ashtiani va cộng sự,

1999).Anh hưởng của việc thay doi mục dich sử dung đất

Các hoạt động làm thay đổi mục đích sử dụng đất và quan ly đất cũng có thé làmthay đối trực tiếp đến hệ thống thủy van, chế độ bốc hơi nước va dòng chảy Do đó, sửdụng đất với các mục đích khác nhau cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước ngầmđang được sử dụng (Werner và cộng sự, 2013).

— 45-65 km

Khu vực cửa sông thuộc sông Hậu—— 55-60 km

= NA HH HH —0:1 1:2 2-4 4-8 6-16 16-24 +24 Man tiến sâu

Độ mặn (@/1) vào đất liền (km)

Hình 2.2 Tình hình xâm nhập mặn ở Đồng băng sông Cửu Long (Viện Thủy lợi

miễn Nam, 2016)

Do đặc trưng về điều kiện tự nhiên như độ cao trung bình của vùng thấp, hệ thốngsông ngòi chăng chịt với nhiều cửa sông thông ra biển Đông, biển Tây kết hợp với chếđộ thủy triều phức tạp đã gây nên hiện tượng xâm nhập mặn ở phân lớn các tỉnh vùngĐBSCL Khu vực này chịu tác động mạnh của hai ché độ thủy triều khác nhau ở biểnĐông và biến Tây Ven biển Đông, từ Long An đến Mũi Cà Mau, là bán nhật triềukhông đều biên độ khoảng 3 — 4 m Ven biến Tây, từ mũi Cà Mau đến Hà Tiên là nhậttriều không đều, biên độ 0.8 - 1.2 m (Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, 2017).

Theo báo cáo của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam - Việt Nam vào 3/2018,chiều sâu xâm nhập mặn với ranh 4g/L lớn nhất từ đầu mùa khô đến ngày 15/3/2018 tạicác cửa sông chính vùng ĐBSCL có phạm vi ảnh hưởng từ 32 - 55km so với cùng kymùa khô năm 2016 - 2017 cao hơn từ 0 - 11km (tuỳ cửa sông), chi tiết như dưới đây:

e Trên sông Vàm Cỏ Đông phạm vi ảnh hưởng đến 50km, so với cùng kỳ mùakhô năm 2017 sâu hơn 2km, thấp hơn 45km so với mùa khô 2016

e Trên sông Vàm Cỏ Tây, phạm vi ảnh hưởng đến 48km, so với cùng kỳ mùa khônăm 2017 sâu hơn 3km, thấp hơn 32km so với mùa khô năm 2016

e Khu vực các cửa sông thuộc sông Tiền: Độ mặn 4 g/L có phạm vi ảnh hưởngchỉ tiết tại các cửa sông được thé hiện trong bang 2.1

Bang 2.1 Độ mặn và phạm vi anh hướng của nó ở khu vực sông Tiền (Viện Thủylợi miễn Nam, 2017)

Hệ thống cửa sông Tiền Ranh mặn Phạm vi ảnh hưởng

Cửa Tiểu 4 g/L 32 kmCửa Đại 4 g/L 37kmHàm Luông 4 g/L 46 kmCô Chiên 4 g/L 50 km

e Trên sông Hậu: Độ mặn 4 g/L có phạm vi anh hưởng đến 40km, so với cùng kymùa khô năm 2017 thấp hơn 7km và thấp hơn 20km so với mùa khô năm 2016.e Trên sông Cái Lớn: Độ mặn 4 g/L có phạm vi ảnh hưởng đến 55km, so với cùng

kỳ mùa khô năm 2017 sâu hơn 10km, thấp hơn 7km so với mùa khô năm 2016.2.2 Đặc trưng nước mặn và các thông số đánh giá chất lượng nước nhiễm mặn

` ~ 2 L4 2 z ~ ~ z ° -

2-Thành phan chu yêu của nước mặn bao gôm các anion như CI, SO," : Các

* 2 2 2 ` Xe ` Z ⁄ 2 on ` Lạ

cation như Na”, Mg, Ca“” như bảng 2.2 và ngoài ra còn có các chỉ tiêu dùng đánh

gia chat lượng nước nhiêm mặn như TDS, độ dân, chat hữu cơ Dé phân loại nước,người ta thường sử dụng các thông số như độ mặn, nồng độ Chloride (CI), tong luongchat ran hòa tan (TDS) Cụ thé, bảng 2.3 thé hiện sự phân loại nước theo TDS

Bang 2.2 Thành phan các ion trong nước mặn (Nicolini và cộng sự, 2017)

lon Nong độ (mg/L)

Na” 9 532Me** 1,261

K* 490

Ca”” 371

Sr? 54

Ba” 1.0Cr 18,855

SO,” 2.548

HCO, 145

Br 53

Bang 2.3 Phan loại nước dựa vào TDS (Freeze va Cherry, 1979)

TDS (mg/L) Phan loai

< 1,000 Nước sạch

1,000 — 10,000 Nước lo10,000 — 100,000Nước nhiêm man

> 100,000Nước muốiCác thông sô đánh gia chat lượng nước nhiễm mặn:

Tổng hàm lượng chất ran hòa tan (Total Dissolved Solids — TDS)Ham lượng TDS là tiêu chí quan trọng góp phan đánh giá chất lượng nước nhiễmmặn Đê đảm bảo tính phù hợp của nước đôi với các mục đích sử dụng khác nhau,phân loại nước theo hàm lượng TDS được sử dụng (Bảng 2.4) Các hướng dẫn củaWHO khuyên răng nồng độ TDS lớn hơn 1,000 mg/L sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến chấtlượng nước và có thé dẫn đến sự hình thành cặn trong các thiết bị gia dụng và đườngống nước Hàm lượng TDS đại diện cho tong lượng các chất vô cơ trong nước, chủ yếulà muối Mối tương quan giữa các giá trị TDS va các ion Ca“" và Cl khá cao cho thaynông độ TDS cao là kết quả của hai ion này (Arumugam và Elangovan, 2009)

Bang 2.4 Phân loại nước theo mục đích sw dung (Davis và DeWiest, 1966)

TDS (mg/L) Phan loai< 500 Nước uống

500 — 1,000 Nước uống chấp nhận được1,000 — 3,000 Hữu ich cho tưới tiêu

> 3,000 Không thích hợp để uống va tưới tiêu

Độ dan điệnSự chuyên động của các hạt mang điện (ion) trong nước tạo ra một dòng điện Dođó, nguyên nhân gây ra độ dân điện của một nguôn nước là sự có mặt của các Ion nàytrong nước Việc phân loại nước ngoài dựa vào TDS, còn có thê dựa vào độ dân Điêunày được thể hiện trong bảng 2.5.

Bang 2.5 Phân loại nước dưới đất dựa theo độ dẫn điện (Arumugam và Elangovan,2009).

Độ dẫn điện (zS/cm) Phân loại

< 1,500 Cho phép

I,500 — 3,000 Không cho phép

> 3,000 Nguy hại

Hàm lượng ChlorideNong độ Chloride cao gây ra vi man trong nước Giới han cho anion Chloride phụthuộc vào cation liên quan và nằm trong khoảng 200 - 300 mg/L đối với sodium,potassium and calcium chloride Nồng độ vượt quá 250 mg/L dễ bị phát hiện qua vịgiác, nhưng một số người tiêu dùng có thể quen với mức độ thấp của Chloride (WHO,2011)

Chloride trong nước tự nhiên thường tôn tại ở nồng độ thấp (dưới 100 mg/L), trừnước lg hoặc nước mặn Nông độ Chloride cao sẽ day nhanh sự ăn mòn của đường ốngnước Đồng thời, nồng độ cao của Chloride trong nước tưới có thể làm hư hại đến cácsản pham nông nghiệp và khi bị lắng đọng trên lá, nó có thé dẫn đến bỏng lá trên câytrồng (Ebrahimi và cộng sự, 2016)

Phân loại nước theo hàm lượng Chloride cũng được thực hiện trong nghiên cứucủa Stuyfzand (1989), được thể hiện dưới bảng 2.6

Bang 2.6 Phan loại nước theo Chloride (Stuyfzand, 1989)

Nong độ Chloride (mg/L) Phan loai

<0.14 Nước cực ki sạch< 0.85 Nước rất sạch0.85 — 4.23 Nước sạch4.23 — 8.46 Nước lợ sạch8.46 — 28.21 Nước lo28.21 — 282.06 Nước lo mặn282.06 — 564.13 Nước man

> 564.13 Nước cực ki mặn

Hàm lượng SulfateMặc dù hàm lượng Sulfate cao không gây ra các vẫn để sức khoẻ cho con người,nhưng mức độ cao hơn 250 mg/L gây ra vị dang trong nước uống và có thé gây ra hiệntượng nhuận tràng ở một số người tiêu dùng (WHO, 2011) Do ảnh hưởng đến đườngtiêu hoá, WHO xác định mức sulfate tối đa được chấp nhận trong nước uống là 400mg/L.

Độ cứng tổngCác thành phan chủ yếu dẫn đến độ cứng trong nước ngầm là các ion Ca va Mg,thường được tạo ra bởi sự giải phóng các khoáng carbonate như dolomit va calcite.Theo WHO (2011), độ cứng tổng lớn hơn 200 mg/L có thé dẫn đến sự đóng cặn trongđường ống nước, trong khi ở mức thấp hơn 100 mg/L có thé làm giảm các giá trị pH vàdo đó làm tăng nguy cơ ăn mòn trong hệ thống phân phối nước

Phân loại nước ngầm dựa trên độ cứng tong được thé hiện ở bang 2.7 Độ cứng củanước ngầm được tính toán theo công thức dưới đây (Sawyer và cộng sự, 2003).

Độ cứng (mgCaCO»/L) = (Ca** + Mg”) meq/L x 50Bang 2.7 Phân loại nước dựa trên độ cứng (Sawyer và McMcartly, 1967)

Độ cứng tong (mgCaCO3;/L) Phân loại nước

<75 Mềm75 — 150 Kha cao150 — 300 Cung

> 300 Rat cứng2.3 Những anh hướng của hiện tượng xâm nhập mặn

Nong độ muối cao ảnh hưởng đến sản lượng cây trông và chất lượng đất Nướcnhiễm mặn với hàm lượng cao có những ảnh hưởng lên năng suất cây trồng và chấtlượng sản phẩm (Hopkins và cộng sự, 2007):

Muối dạng hòa tan (tan trong nước) làm hư hại cây trồng thông qua hiện tượngthấm thấu: nước di chuyển từ nơi có nông độ muối thấp (rễ thực vật) đến nơi có nôngđộ muối cao hơn (đất) Điều này làm cho cây bị trương lên bởi nước và héo mặc dù đấtvẫn bị âm ướt

Muối tan trong nước tưới có thé làm khô (cháy) mô lá khi tưới vào lá.Muối lắng đọng trên cây trồng có thé làm mat màu lá và hoa quả, giảm giá trị tiêuthụ trên thị trường.

Nước tưới cung cấp nitơ vượt quá nhu cầu cây trồng có thể làm giảm năng suất vàchất lượng sản phẩm

2.4 _ Một số công nghệ xử ly nước nhiễm mặn điển hình2.4.1 Công nghệ chưng cất

Chung cat là một trong những công nghệ được sử dung pho biến dé tách nước từdung dịch Dung dịch đầu vào có chứa hỗn hợp của hai thành phân trở lên được tách rathành hai hoặc nhiều sản phẩm, bao gồm một nhóm chưng cất trên không khí và phầnđáy chứa các thành phần khác nhau của dung dịch đầu vào mà không có khả năng bayhơi tại một nhiệt độ xác định Dung dịch đầu vào có thể là hỗn hợp chất lỏng hoặc hơi.Sản phẩm đáy nhìn chung ở trạng thái lỏng, nhưng phan chung cất có thé là chất lỏnghoặc hơi hoặc ca hai Các thành phân trong hỗn hợp có các biến đối tương đối khácnhau, do đó chúng sẽ được tách ra giữa hai pha bằng trọng lực hoặc các biện pháp cơhọc khác (Leonzio, 2017).

Hơi nóng Thải ra

Luợế

—=—— Nước biên#

nhanh nhiéu bac (Multi Stage Flash — MSF) và chưng cất đa hiệu ứng (Multiple - effectdistillation — MED) Quá trình MED nén hơi nước tạo ra ở giai đoạn cuối và sử dụnglại nó để làm nóng nước biển trong giai đoạn đầu tiên, trong khi loại MSF tuần tự bốchơi nước biến thông qua các giai đoạn (Hanshik và cộng sự, 2016) Sơ đỗ quy trìnhchung cất nhanh nhiều bậc được thé hiện ở hình 2.3.

2.4.2 Công nghệ màng

Quá trình màng là quá trình sử dụng màng lọc chi cho phép một số thành phan điqua và giữ lại các thành phần khác Các công nghệ màng trong xử lý nước bao gồmMF, UF, NF, thâm thấu ngược (RO), thâm thấu thuận (FO), điện thâm tách (ED) vàcông nghệ thoát hơi nước qua mang (pervaporation - PV) (Jiang và cộng sự, 2017).Trong đó, công nghệ thầm thấu ngược — RO là một trong những ví dụ điển hình nhấtcủa quá trình khử mặn bằng màng được sử dụng pho biến hiện nay (Sanmartino vàcộng sự, 2017).

Quá trình thâm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO) là một quá trình lọc mang đểtách dung môi từ dung dịch Khi một mang bán thắm tách một dung dịch loãng từ dungdịch đậm đặc, dung môi sẽ đi từ phía loãng sang phía đậm đặc của màng nhăm cânbăng nông độ Dòng dung môi này có thé được ngăn cản bởi một áp suất thủy tĩnh Aplực cần thiết để ngăn cản hoàn toàn dòng chảy của dung môi được định nghĩa là áp suấtthâm thấu Nếu áp suất thủy tĩnh áp vượt quá mức thâm thấu, dòng dung môi sẽ đượcđảo ngược, nghĩa la dung môi sẽ chảy từ phía đậm đặc sang phía loãng Hiện tượngnày được gọi là thâm thấu ngược Hình 2.4 mô tả các khái niệm về thâm thấu, áp suất,và thầm thâu ngược.

RO hiện là kỹ thuật chính được sử dung dé khử mặn nước biến, tái sử dụng nướcuống, xử lý nước và các ứng dụng khác Màng RO có thể loại bỏ một lượng lớn cácmuối vô cơ và các phân tử hữu cơ hoà tan (Shultz và Frege, 2018) Ví dụ, màng thâmthấu ngược hiện đại có thé dé dàng loại bỏ NaCl đến 99.5% (Lee và cộng sự, 2011)

Ap suat

thuy luc

Dua 1 áp lực lớn hơn áp suấtthẩm thâu, dòng nước chảyngược lại, từ nơi có nồng độ

cao đến thập

Ap suất thâm thấu dat

được khi nước ngừngchảy và đạt trạng thái

cân bằng

Nước đi từ dungdịch có nông độ thâpđên cao

Hình 2.4 Khái niệm về thẩm thấu, áp suất tham thấu và thấm thấu ngược

(Gullinkala và cộng sự, 2010)2.4.3 Công nghệ điện tham tách (Electrodialysis - ED)

Công nghệ điện thấm tách (ED) là một trong các quá trình màng điện được sửdụng trong việc khử mặn để sản xuất nước uống (Wang và cộng sự, 2017) Như đượcthé hiện trong hình 2.5, các màng trao đổi anion và cation được sắp xếp xen kẽ nhau vàphân thành nhiều khoảng trỗng chứa đây nước biến Các anion va cation trong nướcbiển sẽ di chuyển qua màng trao đổi anion và cation Các màng này có đặc điểm chicho cation (đối với màng trao đôi cation) và anion (đối với màng trao đổi anion) đi qua.Khi đó các ion trong nước biển tập trung lại và thu được nước tách các Ion muối thâmthâu qua màng

Khả năng thu hồi cao đến 95% và nồng độ muối cao có thé lên đến 100,000 mg/Lhoặc cao hơn, ED thích hợp trong xử lý nước thải có độ mặn cao (Wang và cộng sự,2017).

Nước biên A Mang trao déiion 4m| _—_ CMàảng trao đôi ion đương

+ :

Anode ~kEct

Hình 2.5 Sơ đồ khử mặn bằng điện thâm tách (Zheng, 2017)Ngoài các công nghệ khử mặn nêu trên, còn có các công nghệ khác như trao đôiion, thấm thấu chuyền tiếp, chiết dung môi, hấp phụ

Tuy nhiên, các công nghệ khử mặn hiện nay đêu gặp phải một sô van đê được thêhiện dưới bảng 2.8.

Bang 2.8 Các van đề gặp phải đối với các hệ thong khử mặnCông nghệ Vấn đề gặp phải Nguồn tham khảo

MSF Tiêu thu năng lượng lớn, 20 - 27 kWh/m' Hanshik và cộng sự, 2016

Chiém diện tích lớn Zhou và cộng sự, 2015.NF Kha năng loại bỏ các hợp chất vòng thom | López-Muñoz và cộng sự,

băng màng NE được báo cáo trong | 2009.khoảng 25-50%.

Chi phí cho việc xử lý được ước tính | Andrade và cộng sự, 2017.khoảng 1.34 USD/m”, tiêu thụ năng

lượng khoảng 0.61 kW h/mỶ.Ban màng, phải thường xuyên rửa màng.

RO Khả năng loại bỏ thấp của các chất không | Shultz va Frege, 2018.

phân huỷ có khối lượng phân tử thấp, loạibỏ Boron đạt từ 35 - 40%.

Ban màng xảy ra làm tăng áp suất hoạt | Jiang và cộng sự, 2017.động, thường xuyên rửa màng bằng hóa

chất, giảm tuôi thọ màng.Tiêu thụ năng lượng cao (trên 4 - 5 | Kim và cộng sự, 2017.kWh/m” trong nhà máy lọc nước biển)

Không thé xử lý dung dịch nồng độ muối | Sanmartino và cộng sự,cao hơn 65 g/L; bởi vì áp suất cao (trên | 2017

80x10” Pa)

Doi hỏi phải có bơm chịu áp cao cho hệ | Hanshik va cộng sự, 2016.thống RO

ED Kha năng loại bo acid alginic, acid | Banasiak va Schafer, 2009.

humic, acid tannic thấp, 9.2 — 19.8%

Tiêu thu năng lượng lớn 25.32 kWh/m' Wang và cộng sự, 2017

Không thể xử lý các tạp chất không mang | Zheng, 2017.điện tích.

Do các van dé gặp phải với các công nghệ khử mặn hiện nay, việc tìm ra và ứngdụng một công nghệ mới mang lại hiệu quả cao hơn trong quá trình khử mặn đã đượcthực hiện Khi đó, công nghệ chưng cất màng bắt đầu được nghiên cứu và đã đưa đếnnhiều kết quả khả thi Chang hạn kha năng khử mặn cao, trên lý thuyết, hiệu quả loạibỏ đạt 100% các ion và chất hữu cơ không bay hơi và có khả năng khử mặn được nướccó nồng độ cao, ít chiếm diện tích và dễ dàng xây dựng (Duong va cộng sự, 2015) Chitiết được thể hiện dưới phân 2.5

2.5 Tong quan về công nghệ Chung cất màng - MDSự kết hợp của chung cất và quá trình màng được gọi 1a quá trình chung cất màng(Membrane Distillation - MD) Quá trình này là một quá trình màng không đăng nhiệt,trong đó màng phải có nhiều 16 rỗng va ky nước (Leonzio, 2017).

2.5.1 Khái niệm và nguyên tac co bản của MDChưng cất màng - MD là một quá trình hoạt động dựa trên nhiệt va quá trình màng,là sự kết hợp của công nghệ chưng cất và công nghệ màng trong cùng đơn vị khử mặn(Eykens và cộng sự, 2017a,b; Thomas va cộng sự, 2017; Tijing và cộng sự, 2015;Subramani và Jacangelo, 2015; Meindersman và cộng sự, 2006).

Nguyên tắc hoạt động của MD là quá trình vận chuyển hơi nước qua màng kynước nhờ sự chênh lệch về nhiệt độ giữa 2 bên màng (Eykens va cộng sự, 2017b;Subramani và Jacangelo, 2015; Alkhudhiri và cộng sự, 2012; Cath và cộng sự, 2004).Sự chênh lệch này tạo ra gradient áp suất hơi cho quá trình truyền khối xảy ra theo babước (Cath và cộng sự, 2004):

(1) Vận chuyển khuếch tán từ dòng vào đến giao diện màng;(2) Kết hợp vận chuyển khuếch tán và đối lưu cho hơi qua các lỗ mang;(3) Ngung tu các hoi ở phía dòng thắm

2.5.2 Ưu và nhược điểm cia MDQuá trình MD có một số ưu điểm như không cần áp lực tác động vào, khả năngloại bỏ cao các chất không bay hơi, nhiệt độ hoạt động thấp khi sử dụng hút chânkhông, có khả năng sử dụng vật liệu nhựa để tránh ăn mòn, nông độ muối dòng vào ítảnh hưởng nhất đến hiệu quả xử lý so với các công nghệ khác, có khả năng tận dụngcác nguồn năng lượng khác như nhiệt thải, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt(Subramami và Jacangelo, 2015) Cụ thể, ưu điểm của quá trình MD được thể hiện dướibảng 2.9.

Bang 2.9 Ưu điểm của công nghệ MD

Ưu điểm Nguồn tham khảoKhử mặn ở nồng độ cao Alkhudhiri và cộng sự, 2012.MD không có các yêu cầu đặc biệt của hệ thống RO | Warsinger và cộng sự, 2015.cao áp, như các đường ống dẫn dày, bơm phức tạp, và

các yêu cau bảo trì.MD có khả năng sử dụng các nguồn năng lượng thay | Galvez và cộng sự, 2009.thé, chang hạn như năng lượng mặt trời

La quá trình hiệu qua trong việc loại bỏ các chất hữu | Han và cộng sự, 2017.cơ và kim loại nặng, theo lý thuyết loại bỏ 100% các

chất không bay hơi.Đối với chất gây ô nhiễm, việc loại bỏ TrOC, boron và | Wang và Chung, 2015.các ion vô cơ khác đã được ghi nhận trên 90 - 99%.

Hoạt động của áp suất khí quyền, nhiệt độ dòng vào | Subramani và Jacangelo,thấp (30 - 90°C) 2015

MD được xem là công nghệ thay thế cho các công nghệ thông thường như RO,MSE Hai công nghệ này yêu cầu năng lượng lớn, áp suất hoạt động cao, trong khi đóMD hoạt động ở áp suất khí quyền, nhiệt độ dòng vào thấp (30 — 90°C) với khả năngloại bỏ muối theo lý thuyết đạt 100% (Subramani và Jacangelo, 2015)

Bên cạnh những ưu điểm trên, quá trình MD không tránh khỏi những nhược điểmsau: ít màng và module được thiết kế cho MD; chỉ có nghiên cứu quy mô thí điểmđược thực hiện; hiện tượng ban màng xảy ra khi màng bị ướt, và một trong nhữngnhược điểm chính của công nghệ này là thông lượng thu được tương đối thấp(Subramani và Jacangelo, 2015) Ngoài ra, thông lượng thấm có độ nhạy cao với nồngđộ và nhiệt độ của điều kiện dòng vào do hiện tượng phân cực nông độ và nhiệt độ.Dong thời, không khí bị giữ trong màng sẽ góp phan tạo thêm sự cản trở quá trình

truyén khối, cũng như giới hạn lưu lượng thấm Hơn nữa, nhiệt bị mat do quá trình

truyền dẫn khá lớn (Alkhudhiri và cộng sự, 2012).2.5.3 Các cau hình trong MD

Các cau hình tiêu biểu được sử dụng trong MD bao gôm: chưng cat màng tiếp xúc

trực tiếp (DCMD), chưng cất màng có khoảng trong khi (AGMD), chung cat mang su

dung ap suất chân không (VMD) and chung cất màng sử dụng khí quét (SGMD) Sựkhác nhau giữa các cầu hình MD được dùng dé cải thiện hiệu quả khử mặn (Subramanivà Jacangelo, 2015).

2.5.3.1 Chưng cat mang tiếp xúc trực tiếp (Direct contact membrane distillation —

DCMD)

Trong DCMD, màng tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng của cả dòng nóng va dònglạnh Đây là cấu hình đơn giản nhất của công nghệ MD (Khayet, 2011) Đồng thờiDCMD là quá trình lâu đời nhất, được sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình MD vàthông lượng thắm tương đối 6n định Đường dẫn khuyéch tán hơi được giới hạn ở độdày của màng, do đó làm giảm sự cản trở của truyền khối và truyền nhiệt (Gullinkalavà cộng sự, 2010) Sự bốc hơi xảy ra ở bề mặt màng phía dòng nóng Hơi nước đi quamàng nhờ sự chênh lệch áp suất để đi vào phía dòng thấm và ngưng tụ bên trongmodule màng Bởi vì tính chất ky nước của màng, chất lỏng không thể xâm nhập vàomàng mà chỉ có pha khí, hơi mới tổn tại bên trong lỗ rỗng màng (Alkhudhiri và cộngsự, 2012) Sơ đồ của quá trình DCMD được thể hiện dưới hình 2.6

Tews Dong nong Tụ.

{ < - - H

MangDong lạnh{ = > 3

Ti, _

Hình 2.6 Quá trình DCMD (Alkhudhiri và cộng sự, 2012)

2.5.3.2 Chưng cất màng có khoảng trong khí (Air gap membrane distillation —

AGMD)

Cau hình này được xem là có hiệu qua năng lượng cao nhất và phù hợp nhất chocác ứng dụng với năng lượng thấp (Meindersman và cộng sự, 2006) Trong AGMD, cómột khoảng không khí giữa màng và bề mặt ngưng tụ Điều nay làm tăng sự cản trởcủa truyền khối và truyền nhiệt (Gullinkala và cộng sự, 2010) Trong quá trình nay, chicó dòng nóng tiếp xúc trực tiếp mới màng Hơi được tạo ra năm giữa màng và phíangưng tụ Khí đi qua khoảng trống không khí để đi vào phần ngưng tụ bên trongmodule màng Lợi ích của thiết kế này để giảm mất nhiệt bởi quá trình truyền dẫn Tuynhiên, hệ thống nảy làm tăng lên sự cản trở truyền khối, gây bất lợi cho hiệu suất khửmặn (Alkhudhiri và cộng sự, 2012) Hình 2.7 thé hiện sơ đồ cau hình AGMD

Tout Dòng nông Tin

Áp chan không = "

Hình 2.8 Quá trình VMD (Alkhudhiri và cộng sự, 2012)

Trong VMD, hoi nước được hút ra bang cách sử dụng một bom chân không ở phíathâm thấu Áp suất thâm thấu thấp hon áp suất bão hòa của hơi bốc lên và sự ngưng tụcủa nước thấm thấu diễn ra bên ngoài mô đun (Gullinkala va cộng sự, 2010) Trongquá trình này, hiện tượng mất nhiệt do quá trình truyền dẫn xảy ra không đáng kể(Alkhudhiri và cộng sự, 2012).

2.5.3.4 Chưng cất màng sử dụng khí quét (Sweeping gas membrane distillation —

SGMD)Trong SGMD, hơi thắm qua màng sẽ được lấy di bởi một dòng khí tro Sự ngưngtụ được thực hiện bên ngoài module và ngưng tụ cả lượng lớn của dòng khí quét và hơinước (Gullinkala và cộng sự, 2010) Trong AGMD, dòng khí quét làm giảm tốn thấtnhiệt, tuy nhiên điều này không ôn định, làm tăng hệ SỐ truyền dẫn Cấu hình này rấtphù hop để loại bỏ các hợp chất dé bay hơi khỏi dung dịch nước Bat lợi chính của cauhình này là một lượng nhỏ dòng thấm khuếch tán trong một lượng lớn khí quét, do đóđòi hỏi một bình ngưng lớn (Alkhudhiri và cộng sự, 2012).

với các quá trình MD Màng lọc được lựa chọn phải có độ xOp, có tính ky nước (không

bị ướt bởi chất lỏng) và không xảy ra hiện tượng nước ngưng tụ bên trong các lỗ rỗng(Subramani và Jacangelo, 2015).