Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử mặn nước biển của hệ thống lọc nước sử dụng màng lọc thẩm thấu chuyển tiếp (FO)

Header Page of 126 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Phƣơng Thảo ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ KHỬ MẶN NƢỚC BIỂN CỦA HỆ THỐNG LỌC NƢỚC SỬ DỤNG MÀNG LỌC THẨM THẤU CHUYỂN TIẾP (FO) Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60520320 LỜIVĂN CẢM ƠN SĨ LUẬN THẠC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Quang Trung TS Lê Văn Chiều Hà Nội - 2016 Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực nghiên cứu đề tài, em nhận sư quan tâm giúp đỡ nhiệt tình, đóng góp quý báu nhiều cá nhân tập thể tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa luận Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn tới thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Quang Trung – Trung tâm Đào tạo, Tư vấn Chuyển giao công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam TS Lê Văn Chiều – Trường Đại học Việt Nhật, Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình hướng dẫn em suốt thời gian thực đề tài Em xin cảm ơn tận tình dạy dỗ, bảo thầy côKhoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Em gửi lời cảm ơn tới tập thể cán Phòng thi nghiệm trọng điểm An toàn thực phẩm Môi trường giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận Tuy có nhiều cố gắng thời gian kiến thức có hạn nên tránh khỏi thiếu sót, khiếm khuyết.Rất mong nhận góp ý, chỉnh sửa quý thầy cô Và cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người thân bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ em suốt trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 28 tháng 12 năm 2016 Học viên Phạm Thị Phương Thảo Footer Page of 126 Header Page of 126 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AB Amoni bicacbonat (AB) A3C Amoni sắt (II) citrat (A3C) A2S Amoni sắt (II) sunphat (A2S) A3C Amoni sắt (III) sunphat (A3S) CAc Axit citric CTA Xenlulose triaxetat DS Dung dịch lôi (Draw solution) FO Thẩm thấu chuyển tiếp (Forward Osmonis) FS Dung dịch đầu vào (Feed solution) GMH g/(m2.h) Jw Thông lượng nước (Water flux) Js Thông lượng chất tan thấm ngược (Reverse solute flux) LMH L/(m2.h) LPRO RO sử dụng lượng thấp (Low power RO) MBR Thiết bị phản ứng màng sinh học (Membrane bioreactor) MD Chưng cất màng (Membrane Distillation) MED Chưng cất đa hiệu ứng (Multi Effection Distillation) MF Vi lọc (Microfiltration) MNPs Hạt nano từ tính (Magnetic nanoparticles) MSFD Chưng cất bay nhiều giai đoạn (Multistage flash distillation) NF Lọc nano (Nanofiltration) OMBR Thiết bị phản ứng sinh học màng – màng lọc thẩm thấu (Osmosis membrane bioreactor) Footer Page of 126 PET Polyester PPA Polyacrylic axit PSf Polysylfone Header Page of 126 Footer Page of 126 RO Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) SRSF Tỉ số dòng thấm ngược chất tan (Specific Reverse Solute Flux) TDS Tổng chất rắn hòa tan (Total disolved solid) TFC Composit màng mỏng (Thin – film composite) TrOCs Các hợp chất hữu lượng vết môi trường (Trace Organic compounds) UF Siêu lọc (Ultra-filtration) Header Page of 126 DANH MỤC BẢNG Bảng So sánh công nghệ khử mặn nước biển[11] 12 Bảng Bảng tổng hợp số dung dịch lôi sử dụng màng FO khử mặn [12,13,16,31,34-36] 23 Bảng Đặc tính phức chất sử dụng hệ thống lọc FO 29 Bảng Điều kiện thí nghiệm hệ thống FO 36 Bảng Điều kiện thí nghiệm hệ thống NF 37 Bảng Giá trị thông lượng nước thông lượng chất tan thấm ngược thu dung dịch lôi khác với nồng độ 50 Bảng Hiệu thu hồi dung dịch lôi sử dụng màng NF-90 54 Footer Page of 126 Header Page of 126 DANH MỤC HÌNH Hình Bản đồ xâm nhập mặn vùng Đồng sông Cửu Long (Tháng 3/2016)[3] Hình Thành phần nguyên tố nước biển Hình Sơ đồ nguyên lý vận hành công nghệ MSFD Hình Sơ đồ mô tả hoạt động công nghệ RO 10 Hình Sơ đồ mô tả hoạt động công nghệ ED 11 Hình Sơ đồ nguyên lý phương pháp tách nước sử dụng màng FO [21] 17 Hình Màng TFC sử dụng công nghệ FO có cấu tạo lớp[7] 18 Hình Cấu tạo màng TFC sử dụng công nghệ FO kính hiển vi: (A) Mặt lớp Polyamide; (B) Mặt lớp PSF [7] 19 Hình Mặt cắt ngang màng TFC sử dụng công nghệ FO kính hiển vi: (A) Lớp vải PET không dệt; (B) Hình ảnh phóng to hình dạng dày, gần giống bọc, gần lớp hoạt động [7] 20 Hình 10 Vị trí lấy mẫu nước biển xã Thạch Trị, huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh ngày 16/11/2016 32 Hình 11 Hệ thống lọc FO quy mô phòng thí nghiệm 36 Hình 12 Modun gắn màng lọc FO 37 Hình 13 Hệ thống loại bỏ dung dịch lôi để thu hồi nước 38 Hình 14 Độ dẫn điện phức sắt khác nồng độ khác sử dụng chất lôi thí nghiệm FO 42 Hình 15 Ảnh hưởng dung dịch lôi khác đến pH: (a) dung dịch Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat 44 Hình 16 Ảnh hưởng dung dịch lôi khác đến TDS: (a) dung dịch Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat 46 Hình 17 Sự thay đổi thông lượng nước thấm qua màng (Jw) với nồng độ muối loại dung dịch lôi khác 47 Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 18 Sự thay đổi thông lượng chất tan thấm ngược (Js) thấm qua màng với nồng độ muối loại dung dịch lôi khác (khi dung dịch đầu vào nước deion) 48 Hình 19 Sự thay đổi tỉ số dòng thấm ngược chất tan (SRSF) thấm qua màng với nồng độ muối loại dung dịch lôi khác (khi dung dịch đầu vào nước deion) 49 Hình 20 Biểu đồ thể số thông số vận hành màng FO với nồng độ tối ưu dung dịch lôi khác 51 Hình 21 Giá trị thông lượng nước qua màng với mẫu nước đầu vào khác 52 Hình 22 Giá trị thông lượng chất tan thấm ngược với mẫu nước đầu vào khác 53 Footer Page of 126 Header Page of 126 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG – TỔNG QUAN 1.1 Tình trạng thiếu nƣớc sinh hoạt Việt Nam 1.2 Thành phần nƣớc biển 1.3 Tổng quan công nghệ khử mặn nƣớc biển 1.3.1 Các công nghệ khử mặn nước biển 1.3.2 So sánh công nghệ khử mặn 12 1.4 Hệ thống lọc nƣớc sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO) 14 1.4.1 Cơ sở khoa học tượng thẩm thấu chuyển tiếp 14 1.4.2 Nguyên lý hoạt động 16 1.4.3 Vật liệu màng 17 1.4.4 Chất lôi lý tưởng cho trình thẩm thấu chuyển tiếp 20 1.4.5 Các nghiên cứu dung dịch lôi phương pháp thu hồi 22 1.4.6 Ứng dụng công nghệ FO xử lý nước 24 1.5 Cơ sở khoa học lựa chọn dung dịch lôi phƣơng pháp thu hồi màng NF nghiên cứu 29 1.5.1 Cơ sở khoa học lựa chọn dung dịch lôi nghiên cứu 29 1.5.2 Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp thu hồi màng NF 30 CHƢƠNG – ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 32 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 32 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 33 2.2 Giả thuyết nghiên cứu 33 Footer Page of 126 Header Page of 126 2.3 Nội dung nghiên cứu 33 2.4 Phƣơng pháp thực nghiệm 34 2.4.1 Vật liệu, hóa chất thiết bị 34 2.4.2 Mô hình thực nghiệm 35 2.4.3 Tiến hành thí nghiệm 38 2.4.4 Các thông số tính toán 40 CHƢƠNG – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Đặc tính đặc điểm phức chất sắt 42 3.2 Kết khảo sát ảnh hƣởng dung dịch lôi (về nồng độ loại dung dịch) đến số thông số vận hành hệ thống lọc FO 43 3.2.1 Ảnh hưởng dung dịch lôi đến pH 44 3.2.2 Ảnh hưởng dung dịch lôi đến TDS 45 3.2.3 Ảnh hưởng dung dịch lôi đến thông lượng nước (Jw), thông lượng chất tan thấm ngược (Js) tỉ số dòng chất tan thấm ngược 47 3.2.4 So sánh số thông số vận hành hệ thống lọc FO với dung dịch khác 50 3.3 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đầu vào đến hiệu lọc qua màng FO 52 3.4 Ảnh hƣởng chất lôi khác đến hiệu thu hồi nƣớc qua màng NF 54 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC - Định hƣớng thu hồi liti dịch cặn thải hệ FO 61 PHỤ LỤC - Một số hình ảnh trình thực nghiên cứu 63 PHỤ LỤC - Một số kết nghiên cứu 65 PHỤ LỤC – Các công trình công bố có liên quan đến luận văn 68 Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nước nhu cầu thiếu đời sống người Việc cung cấp đầy đủ nước đảm bảo chất lượng số lượng thách thức quốc gia Trong báo cáo chung công bố ngày 14/4/2015, Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp quốc (FAO) Hội đồng Nước giới (WWC) cảnh báo, tác động môi trường sống tượng biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia phát triển phải đối mặt với nguy nước diện rộng năm tới Theo hai tổ chức này, không cải thiện, giới phải đối đầu với khủng hoảng nghiêm trọng nước dân số giới tăng nhanh chóng với dự báo đạt tỷ người vào năm 2050 Một báo cáo gần Ngân hàng Thế giới ước tính, tới năm 2030, nhu cầu nguồn nước người vượt lượng cung tới 40% Theo Liên hiệp quốc, có 2,6 triệu người toàn cầu không tiếp xúc với điều kiện vệ sinh tỷ người không dùng nước Cứ 20 giây lại có trẻ em tử vong bệnh liên quan đến tình trạng thiếu nước điều kiện vệ sinh phù hợp Tại Việt Nam, có khoảng 41 triệu người dân nông thôn chưa có nước (theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước sinh hoạt Bộ Y tế ban hành năm 2009) Chỉ có 8% dân số nông thôn có nước máy nhà có đường ống dẫn nước vào sân, 82% lấy nước từ nguồn đãđược cải thiện bên nhà, 10% phải lấy nước từ nguồn chưa cải thiện (theo báo cáo ADB - Ngân hàng Phát triển châu Á) Bên cạnh đó, mục tiêu Chiến lược Quốc gia cấp nước vệ sinh nông thôn Thủ tướng Chính phủ phê duyệt định 104/2000/QĐ/TTg ngày 25/8/2000 đặt mục tiêu đến 2020 “tất dân cư nông thôn sử dụng nước đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng 60 lít/người/ngày”, đồng thời nêu rõ cần thử nghiệm phát triển công nghệ xử Footer Page 10 of 126 Header Page 30 of 126 trình thẩm thấu Áp suất thẩm thấu dung dịch lôi phải lớn áp suất thẩm thấu nước đầu vào để đảm bảo tạo dòng nước thấm qua màng Theo công thức Morse, biến đổi từ công thức Van‟t Hoff (công thức (1)), xem xét dung dịch ion hòa tan, áp suất thẩm thấu dung dịch, π, biểu diễn sau: 𝑛 π = iCRT = i( )RT (2) 𝑉 Trong đó: n số mol chất tan (mol), V thể tích dung dịch (L) Vì vậy, để đạt áp suất thẩm thấu cao, yêu cầu cần có khả tan tốt chất tan nước, điều giúp đạt giá trị n C(mol/L) lớn Ngoài ra, hợp chất ion có khả phân ly hoàn toàn để tạo ion thành phần ưu tiên, tạo i lớn Điều chất tan đa hóa trị chất phù hợp Vì vậy, chất có khả tan tốt nước khả phân ly cao chất lôi tiềm năng[27] Hai là, thông lượng thấm ngược chất lôi phải nhỏ Khi màng FO màng bán thấm lý tưởng, chất lôi khuyếch tán từ dung dịch lôi sang nước đầu vào Dòng thấm ngược chất tan xảy có chênh lệch lớn nồng độ dung dịch lôi nồng độ nước đầu vào Thông lượng chất tan thấm ngược (g/m2h hay GMH) xác định theo công thức: Js = 𝐶𝑡 𝑉𝑡 −𝐶𝑜 𝑉0 𝐴𝑚 ∆𝑡 Trong đó: Co Ct (mol/L) nồng độ ban đầu nồng độ dung dịch đầu vào xác định thời điểm ban đầu vàsau khoảng thời gian ∆t (h) thực thí nghiệm Tương ứng, Vo Vt (L) thể tích ban đầu thể tích dung dịch đầu vào xác định, tương ứng với nồng độ Co Ct.Amlà diện tích màng (m2) Nồng độ chất tan nước đầu vào tính toán thông qua giá trị độ dẫn điện nước đầu vào nước deion Ngoài ra, tính toán nồng độ chất tan qua giá trị tổng cacbon hữu cơ[27] Sự có mặt dòng thấm ngược chất tan ảnh hưởng xấu đến hiệu trình FO Nó không làm giảm động lực trình nhiễm bẩn nước đầu vào mà làm gia tăng chi phí bổ sung chất lôi Vì vậy, thông lượng thấm ngược chất tan nhỏ yếu tố quan trọng trình FO[20] 21 Footer Page 30 of 126 Header Page 31 of 126 Ba là, yêu cầu khả dễ hoàn nguyên dung dịch lôi sau trình FO Thông thường, FO gắn với trình khác để sản xuất nước Ví dụ, hệ thống khử muối nước biển FO cần hai giai đoạn: (1) tách nước từ nước biển dung dịch lôi cuốn, (2) tách nước thành phẩm khỏi dung dịch lôi bị hòa loãng công nghệ RO, NF, UF, MD công nghệ sử dụng nhiệt khác Những trình tiêu thụ lượng áp suất nước nhiệt để cô đặc dung dịch lôi hòa loãng Vì vậy, khả hoàn nguyên đơn giản dung dịch lôi mục tiêu lớn để đạt mức tiêu thụ lượng chi phí vận hành thấp[5,27] Cuối là, chất lôi tiềm có khối lượng phân tử nhỏ độ nhớt dung dịch thấp Sự phân cực nồng độ bên phần hệ số khuyếch tán thấp chất tan Hệ số khuyếch tán chất tan tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử độ nhớt dung dịch Một chất lôi có khối lượng phân tử độ nhớt lớn có hệ số khuyếch tán nhỏ, phân cực nồng độ bên đáng kể Vì vậy, chất có khối lượng phân tử độ nhớt nhỏ ưu tiên sử dụng Các yêu cầu khác bao gồm khả ổn định nhiệt độ môi trường tính phù hợp với màng FO[27] 1.4.5 Các nghiên cứu dung dịch lôi phương pháp thu hồi Trong vài thâ ̣p kỷ gầ n , nghiên cứu thực để tìm dung dich ̣ lôi cuố n thić h hơ ̣p cho ̣ thố ng FO Các chất lôi , phương pháp thu hồ i và ̣n chế của nó đã đươ ̣c trình bày bảng Một nhìn tổng quan đại diện cho dung dịch lôi với phương pháp thu hồi tách hình thức khác sử dụng màng cellulose axetate liệt kê bảng 2: Batchelder (1965) người tiên phong việc sử dụng chất hòa tan dễ bay (SO2) làm dung dịch lôi Frank đưa ý tưởng kết tủa muối Al2SO4 cách sử dụng Ca(OH)2 để tách CaSO4 Al(OH)3 khỏi nước Lượng dư Ca(OH)2được xử lý bổ sung axit sunfuric khí Cacsbonic Kravath, Davis Stache sử dụng glucose fructose làm dung dịch lôi Yaeli dùng công nghệ RO để thu hồi lại Glucose Hầu hết nghiên cứu từ cuối năm 1990 đến đầu năm 2000 sử dụng dung dịch muối NaCl MgCl2 Glew 22 Footer Page 31 of 126 Header Page 32 of 126 (1965) McGinnis (2002) tạo hỗn hợp SO2,rượu với KNO3 dung dịch lôi Cath dùng NaCl làm dung dịch lôi sử dụng chưng cất để thu hồi lại dung dich lôi Elimelech, McCutcheon dùng hỗn hợp khí NH3, CO2, NH4HCO3 dùng nhiệt để tách NH4HCO3 thành NH3 CO2[21].Ngoài có Adam sử dụng số vật liệu hạt nano từ tính sử dụng lọc từ tính để thu hồi,với Albumin thu hồi cách làm biến tính cố định chúng lại, Dendrimers sử dụng pH để thu hồi lại Tai Shung Chung đồng nghiệp (2009) nghiên cứu loại dung dịch lôi nhóm phân tử thuộc gốc imidazole cụ thể – methylimidazon[35] Bảng 2.Bảng tổng hợp số dung dịch lôi sử dụng màng FO khử mặn [12,13,16,31,34-36] Năm Nhóm nghiên cứu Dung dịch/chất lôi Phƣơng pháp thu hồi 1965 Batchelder SO2 Đuổi khí nhiệt 1965 Glew Hỗn hợp nước với SO2 rượu no Nhiệt/chưng cất 1972 Frank Amoni sunphat Kết tủa với Ca(OH)2 1975 Kravath Davis Glucose Không yêu cầu 1976 Kessler Moody Dung dịch dinh dưỡng Không yêu cầu 1989 Stache Fructose Không yêu cầu 1992 Yaeli Glucose RO 2002 McGinnis KNO3 SO2 Làm mát đun nóng 20052007 Elimelech NH4HCO3 Đun nóng 2007 Adham Hạt nano từ tính Sử dụng hộp tách nhỏ 2007 Adham Dendrime UF 2007 Adham Albumin Nhiệt 2010 Chung Hợp chất hữu gốc 2Methylimidazol FO-MD 20102011 Chung Hạt nano từ tính Sử dụng từ trường 2011 Wang Vật liệu polyme dạng hydrogen Kích thích áp suất nhiệt 23 Footer Page 32 of 126 Header Page 33 of 126 2011 Chung Hạt nano siêu ưu nước UF 2012 Chung Muối Natri axit polyacrylic (PAA-Na) UF 2012 Chung Hạt nano phân tách bề mặt Hệ thống kết hợp từ trường – NF 2013 Stewart Muối phosphazene hóa trị VI Không báo cáo 2013 Alnaizy Đồng sunphat 2013 Ou Chất đa điện phân nhạy nhiệt UF 2013 Cai Hydrogen bán IPN Nhiệt 2014 Na Hạt nano phủ citrat (citMNPs) Không báo cáo 2014 Zhao Poly (natri 4-styrensunfonat -co-n-isopropylacrylamide) Màng chưng cất (MD) 2014 Sato Dimethyl ete Khuyếch tán khí 2014 Ge Phức sắt Coban hidro axit NF 2015 Tian Poly (natri 4styrensunfonat) UF áp lực thấp Kết tủa kim loại 1.4.6.Ứng dụng công nghệ FO xử lý nước Ứng dụng phát triển công nghệ FO năm gần chủ yếu việc sử dụng hệ thống FO hỗn hợp áp dụng công nghệ FO vào những giai đoa ̣n của quá triǹ h xử lí nước thải Hê ̣ thố ng FO hỗn hơ ̣p là ̣ thố ng kế t hơ ̣p công nghê ̣ thẩ m t hấ u chuyể n tiế p FO cùng với các công nghê ̣ khác các ứng du ̣ng sản xuấ t nước sa ̣ch , xử lý nước thải công nghiê ̣p, tưới phân, làm giàu protein , khử nước,… nhằ m tâ ̣n du ̣ng tấ t ưu điểm công nghệ [10,29] 1.4.6.1 Ứng dụng lọc nước biể n và nước lợ Chủ yếu ứng dụng hệ thống FO hỗn hợp sử dụng trì nh để nghiên cứu hi ệu phương thức thu hồi dung dịch lôi để lấy nước tinh khiết với FO đóng vai trò làm trình tiền xử lý, công nghệ khác tiến hành thu hồi nước từ dung dịch lôi 24 Footer Page 33 of 126 Header Page 34 of 126 a) Hê ̣ thố ng FO-RO Hệ thống FO-RO dùng công nghệ FO làm trình tiền xử lý nước biển.Sau đó, RO đóng vai trò tách nước khỏi dung dịch lôi Hê ̣ thố ng FO-RO lầ n đầ u tiên đươ ̣c đề xuấ t bởi Yaeli – người đã phát triể n ̣ thố ng kế t hơ ̣p giữa quá trình FO và quá trì nh RO sử du ̣ng lươ ̣ng thấ p (LPRO) nhằ m thu hồ i dung dich ̣ lôi cuố n glucose khỏi sản phẩm nước Trong nghiên cứu này, ̣ thố ng hỗn hơ ̣p FO -RO đươ ̣c dùng để thay thế với RO riêng rẽ vố n rấ t dễ có tiề m dẫn đ ến tắ c ngheñ màng Vì vậy, FO đươ ̣c sử du ̣ng làm quá trin ̀ h tiề n xử lí nhằm giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn màng Sau đó, dung dich ̣ Glucose loañ g thu đươ ̣c từ quá trình FO đươ ̣c chuyể n tiế p tới quá trình RO , đó, màng LPRO tiế n hành tách nước từ dung dịch glucose Qúa trình thu hồi hệ thống gặp nhiề u ̣n chế vì hiê ̣u quả thẩ m thấ u của Glucose tương đố i thấ p và vì tro ̣ng lươ ̣ng phân tử lớn nên dẫn đế n chỉ số khuế ch tán cao [30] Sau đó , FO la ̣i tiế p tu ̣c đươ ̣c nghiên cứu viê ̣c kế t hơ ̣p với LPRO trình khử muối nước Biển Đỏ Kế t quả cho thấ y lươ ̣ng tiêu thu ̣ ̣ thố ng FO -LPRO ước tiń h vào khoảng 1,3-1,5kWh/m3, nửa so với ̣ thố ng RO hoa ̣t đô ̣ng riêng biê ̣t (2,5-5kWh/m3)[20].Đứng phương diện mô ̣t công nghê ̣ tiế t kiê ̣m lươ ̣ng , ̣ thố ng FO -LPRO hoàn toàn là mô ̣t công nghê ̣ đầ y triể n vo ̣ng và rấ t đáng quan tâm Bên ca ̣nh đó , áp lực thủy lực cũ ng có thể đươ ̣c cung cấ p quá trình lo ̣c FO (hay còn đươ ̣c go ̣i là áp lực hỗ trơ ̣ thẩ m thấ u chuyể n tiế p ) nhằ m nâng cao hiê ̣u quả và tiế t kiê ̣m chi phí cho quá trin ̀ h tiế p theo Ngoài ra, FO còn giúp cho quá trình lo ̣c nước trở nên hiê ̣u qua loa ̣i bỏ đươ ̣c tố i đa chất bẩn lơ lửng nước Không vậy, có nhiều chất rắn hòa tan mà RO lọc bỏ hoàn toàn chất rắn có hại cho sức khỏe dù với hàm lượng nhỏ, ví dụ số hợp chất hữu có môi trường nước (TrOCs) boron[20] Tóm lại, công nghê ̣ FO đươ ̣c sử du ̣ng ̣ thố ng FO -RO đóng vai trò vô quan trọng việc giảm thiếu tối đa tình trạng tắc nghẽn màng trình xử lý nước biển thông thường tiết kiệm lượng b) Hê ̣ thố ng FO-MSF/MED 25 Footer Page 34 of 126 , nâng cao Header Page 35 of 126 MSF và MSD là hai công nghê ̣ khử muố i thường đươ ̣c sử du ̣ng ta ̣i các nước Trung Đông, nơi nước biể n thường có đô ̣ mă ̣n cao , nhiê ̣t đô ̣ cao và thành p hầ n ta ̣p chấ t lớn Vì vậy, viê ̣c tiề n xử lý cho nước cấ p trước đưa vào quá trin ̀ h lo ̣c là vô quan trọng để giảm thiểu nguy tắc nghẽn màng cách loại bỏ chất hữu tự nhiê n và các chấ t rắ n lơ lửng Do đó, FO gầ n đã đươ ̣c thử nghiê ̣m làm phương pháp tiền xử lý thay để loại bỏ chất hữu vô h òa tan nước cấ p Altae thực hiê ̣n mô hình FO-MSF và FO-MED để khử nước biể n và trình mô cho thấy FO đươ ̣c sử du ̣ng mô ̣t cách rấ t hiê ̣u quả cho viê ̣c tiề n xử lý để giảm thiể u nồ ng đô ̣ của các ion đa hóa tri ̣trong nước cấ p [20] c) Hệ thống FO - NF Công nghệ màng FO bước đầu ứng dụng để thay cho trình khử muối nước biển kết hợp với màng NF (màng nano).Màng lọc nano loại màng tách dùng động lực áp suất, lọc nano trình trung gian siêu lọc thẩm thấu ngược Màng NF có khả tách phân tử khoảng 100 – 1000 Da, khả loại bỏ muối cao nhờ hiệu ứng điện Hiệu ứng điện cho phép loại bỏ ion (phần lớn ion đa hóa trị), thành phần hữu không mang điện tách nhờ kích thước lỗ màng Hiện nay, ứng dụng NF trở nên phổ biến, nhờ có ưu điểm áp suất vận hành thấp, chi phí đầu tư vận hành nhỏ khả loại bỏ muối đa hóa trị cao Ví dụ, khả loại bỏ muối hóa trị màng NF đến 99%[25] Tan Ng (2010) tiến hành nghiên cứu mức độ phù hợp NF để thu hồi dung dịch lôi khác (MgCl2, MgSO4, Na2SO4, C6H12O6) hệ thống FO Thông lượng nước thu xấp xỉ 10 LMH hai trình FO NF Tỉ lệ loại bỏ muối lớn 97,9% dung dịch lựa chọn Sản phẩm nước thu có TDS 113,6 mg/L đáp ứng tiêu chuẩn Tổ chức Y tế Thế giới nước uống (TDS < 500 mg/L)[33] Zhao cộng (2012) sử dụng NF để hoàn nguyên dung dịch lôi hóa trị hai sau hệ thống FO Kết thu hệ thống FO – NF thu có nhiều ưu điểm so với sử dụng hệ thống RO đơn để khử mặn nước lợ áp suất vận hành thấp, tượng tắc màng xảy ra, thông lượng dòng cao sau làm sạch, hiệu thấm nước cao 26 Footer Page 35 of 126 Header Page 36 of 126 hơn, yêu cầu trình tiền xử lý thấp hơn[37] Su cộng (2012) sử dụng màng NF để thu hồi dung dịch sucrose có kích thước phân tử lớn để sản xuất nước từ nước thải trình FO, kết loại bỏ sucrose đạt 99,6% Đáng kể hơn, tỉ lệ sản phẩm FO NF đạt cân bằng[26] Hau cộng (2014) khả thu hồi muối natri EDTA màng NF đạt 93%[22] Ge Chung (2013) sử dụng NF để hoàn nguyên phức hydro axit citrat sau trình FO[15,28] Áp suất vận hành 10 bar tỉ lệ loại bỏ 90% ghi nhận[15,28] Nhìn chung, trình NF lựa chọn phù hợp để thu hồi ion đa hóa trị nhờ áp suất vận hành thấp tỉ lệ loại muối cao d) Một số hệ thống khác[8,18,20]: + FO-nhiê ̣t + FO- màng chưng cất (MD) + FO - màng siêu lọc (UF) với ̣t nano biế n đổ i từ tính (PPA-MNPs) làm chấ t lôi cuố n + FO-từ trường với hạt nano từ tính(MNPs) làm chất lôi + FO-điê ̣n trường- màng nano (NF) với polyelectrolytes làm chất lôi + FO- NF với axit citric(CAc) làm chất lôi + FO-RO với Glucose làm chấ t lôi cuố n + FO-UF với PAA -MNPs làm dung dich ̣ lôi cuố n : Hiê ̣u quả so với RO UF, lưu lươ ̣ng nước cao , lươ ̣ng tiêu tố n it́ cầ n cải thiê ̣n về sự thấ m ngươ ̣c của muố i dung dich ̣ lôi cuố n + FO-NF với tổ ng hơ ̣p nhiề u loa ̣i muố i hữu và vô làm chấ t lôi cuố n : Lưu lươ ̣ng nước cao, khả lọc muối tốt , chấ t lươ ̣ng của sản phẩ m nước tố t 1.4.6.2 Ứng dụngmàng FO xử lý nước thải a) Hệ thống UF-OMBR-FO Màng lọc sinh học MBR sản phẩm công nghệ xử lý nước thải tiên tiến sử dụng hai loại màng áp suất thấp màng vi lọc MF màng siêu lọc UF[6] Tuy nhiên, hạn chế lớn MF UF khả loại bỏ chất ô nhiễm hữu 27 Footer Page 36 of 126 Header Page 37 of 126 lượng vết TrOCs, số ion, virut,…[6]Bên cạnh MBRs đòi hỏi nhiều lượng để vận hành khả màng bị bám bẩn cao chất hữu tự nhiên Vì thế, màng FO nghiên cứu để thay cho màng MF UF công nghệ MBR với ưu điểm: tiêu thụ lượng thấp, nguy tắc nghẽn màng ít, khả loại bỏ cao đại phân tử, ion chất hữu tự nhiên có nước thải Từ hệ thống OMBRs phát triển với màng FO nhúng chìm hệ thống phản ứng sinh học sử dụng bùn hoạt tính vận hành theo chế độ liên tục Đồng thời, màng RO kết hợp để xử lý dung dịch DS sau bị pha loãng[6] Tuy nhiên, hạn chế lớn công nghệ tích tụ chất hòa tan bên bình phản ứng hoạt động màng FO khuếch tán ngược chất tan dung dịch lôi Để giải vấn đề Wang Holloway (2012) đề xuất giải pháp đưa hai màng MF/UF kết hợp song song màng FO đưa vào lò phản ứng sinh Do chất hòa tan bị loại khỏi lò phản ứng hợp chất dinh dưỡng có lợi nitơ photpho giữ lại lò từ cải thiện hoạt động vi sinh vật Trong vòng tháng nghiên cứu hệ thống UF-OMBR-RO, kết nhận thông lượng nước nằm khoảng từ 3,8 đến 5,7 LMH tuần đầu đạt mức 4,8 LMH 80 ngày Điều đặc biệt hệ thống không cần phải trải qua trình vệ sinh màng suốt 120 ngày đó[20] Ngoài hệ thống FO-NF FO-MD sử dụng muối vô NaCl, MgCl2 làm chất lôi áp dụng trình xử lý nước thải[20] 1.4.6.3 Ứng dụng xử lý đồng thời nước thải và lọc nước biển Mô ̣t những cách giảm thiể u lươ ̣ng cầ n tiêu tố n quá trin ̀ h lo ̣c nước biể n đó là tâ ̣n dụng nguyên lý thẩm thấu chuyển tiếp công nghệ FO Trong công nghê ̣ này , bước đầ u tiên là sử du ̣ng nước bẩ n làm dung dich ̣ FS và sử du ̣ng nước biể n đã qua tiề n xử lý làm dung dich ̣ DS Nước cấp từ FS dưới sự chênh lê ̣ch áp suấ t thẩ m thấ u sẽ qua màng bán thấ m đế n dung dich ̣ nước biể n có nồ ng đô ̣ cao nó Sau đó , dung dich ̣ nước biể n trở nên loañ g và đươ ̣c chuyể n vào xử lý 28 Footer Page 37 of 126 Header Page 38 of 126 tiế p ở ̣ thố ng RO để sản xuấ t nước sa ̣ch Ở giai đoạn xử lý thứ 2, dung dich ̣ nước bẩ n đâ ̣m đă ̣c của ̣ thố ng FO ở giai đoa ̣n đầ u sẽ tiế p tu ̣c đươ ̣c dùng làm FS ở giai đoa ̣n FO này , dung dịch muối đậm đặc sau trình RO lúc trước tiếp tục đươ ̣c sử du ̣ng làm dung dich ̣ lôi cuố n Dung dịch nước muối pha loãng lúc tiếp tục cho vào lọc công nghệ RO đổ trở lại môi trường lúc nồng độ dung dịch không gây tác động xấu đến môi trường Còn dung dịch nước bẩn đậm đặc tiếp tục tách nước để thu hồi chất bổ dưỡng phục vụ cho bón phân trồng [20] 1.5 Cơ sở khoa học lựa chọn dung dịch lôi phƣơng pháp thu hồi màng NF nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở khoa học lựa chọn dung dịch lôi nghiên cứu Mặc dù có nhiều nghiên cứu loại chất lôi khác cho trình FO, nhiên chưa có nghiên cứu sử dụng amoni sắt II sunphat, amoni sắt III sunphat amoni sắt II citrat với vai trò chất lôi Amoni sắt II sunphat hay gọi muối Mohr, muối kép amoni sunphat sắt sunphat, có công thức (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O; tinh thể đơn tà, suốt, màu xanh lục; tan tốt nước, tạo phức sắt [Fe(H2O)6]2+ Amoni sắt III sunphat hay gọi phèn sắt, có công thức NH4Fe(SO4)2·12 H2O; tinh thể có màu tím nhạt, tan tốt nước Amoni sắt III citrat có công thức C6H8O7.xFe3+.yNH3, có màu vàng nâu, tan vô hạn nước; sử dụng chất phụ gia thực phẩm Một số đặc tính hóa lý ba muối sắt trình bày bảng Bảng 3.Đặc tính phức chất sử dụng hệ thống lọc FO Phức chất Amoni sắt (II) sunphat Amoni sắt (III) sunphat (A2S) (A3S) Amoni sắt (III) citrat (A3C) CTPT (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O NH4Fe(SO4)2·12 H2O (NH4)5Fe(C6H4O7)2 CTHH (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O FeNH4(SO4)2 C6H8O7.xFe3+.yNH3 Khối lượng mol 392,14 g 482,19 g 262,97g 29 Footer Page 38 of 126 Header Page 39 of 126 Cation Fe2+ NH4+ Fe3+và NH4+ Fe3+và NH4+ Độ hòa tan nước 269 g/L (hexahydrat) (20°C) 482,2 g/L(20°C) Tan tốt nước Khối lượng riêng 1,86 g/cm3 1,71 g/cm3 - Với đặc tính hóa lý trên, ba muối sắt xem xét để sử dụng lôi Theo Qingchun Ge (2013), so với muối hữu cơ, muối vô có xu hướng tạo thông lượng nước lớn Điều kích thước phân tử lớn muối hữu tạo hệ số khuyếch tán thấp có ảnh hưởng lớn đối phân cực nồng độ bên trong, dẫn đến ảnh hưởng xấu đến hiệu trình FO[16] Cả ba muối vô xem xét có khả tan tốt nước chất đa hóa trị Như nhận định trên, chất đa hóa trị có khả phân ly hoàn toàn nước có hệ số khuyếch tán i lớn, có khả tạo áp suất thẩm thấu lớn thông lượng dòng lớn Từ sở lý thuyết đó, ba muối sắt nhóm nghiên cứu kỳ vọng chất lôi phù hợp cho trình FO Tuy nhiên, cần thí nghiệm thực tế để xác định giá trị thông lượng nước, thông lượng chất tan thấm ngược, giúp đưa đánh giá xác khả sử dụng muối sắt chất lôi cho hệ thống FO 1.5.2 Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp thu hồi màng NF Với ba chất lôi amoni sắt II sunphat, amoni sắt III sunphat amoni sắt III citrat có khả tan tốt nước phân ly tạo thành ion đa hóa trị Fe2+,Fe3+và NH4+ Qua kết nhận định nhóm nghiên cứu trước cho thấy NF lựa chọn phù hợp để thu hồi ion đa hóa trị nhiều ưu điểm áp suất vận hành thấp, chi phí đầu tư vận hành nhỏ khả loại bỏ muối đa hóa trị lớn 90% Bên cạnh đó, kết nghiên cứu Tan Ng (2010) sử dụng hệ thống FO – NF để sản xuất nước từ nước mặn 30 Footer Page 39 of 126 Header Page 40 of 126 Sản phẩm nước thu có TDS 113,6 mg/L đáp ứng tiêu chuẩn Tổ chức Y tế Thế giới nước uống (TDS < 500 mg/L)[33] Vì vậy, nhóm nghiên cứu kỳ vọng với việc sử dụng NF để thu hồi dung dịch lôi muối sắt sau trình xử lý qua hệ thống FO đạt tỉ lệ loại bỏ muối lớn 90% ứng dụng hệ thống FO - NF để sản xuất nước sinh hoạt nước biển 31 Footer Page 40 of 126 Header Page 41 of 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Thế Hải, Đặng Thị Hà Giang (2016),“Thực trạng hạn hán, xâm nhập mặn vùng ven biển đồng sông Hồng kiến nghị giải pháp khắc phục”, Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường Đào Minh Hương (2011),Báo cáo tổng hợp đề tài cấp Bộ: Một số vấn đề môi trường phát triển người Việt Nam 2011-2020, Hà Nội Tổng cục Thủy lợi (2016), “Tình hình xâm nhập mặn năm 2015-2016 vùng Đồng sông Cửu Long, hạn hán Miền Trung, Tây Nguyên đề xuất giải pháp khắc phục” Viện khoa học thủy lợi Việt Nam (2016),“Dự báo xâm nhập mặn cửa sông, vùng ven biển, đồng sông Cửu Long đề xuất giải pháp chống hạn” Tiếng Anh Achilli, A., Cath, T.Y., Childress, A.E (2010),“Selection of inorganic-based draw solutions for forward osmosis applications”, Journal of Membrane Sciences, 364, pp 233–241 Achilli, A., Cath, T.Y., Marchand, E.A., Childress, A.E (2009),“The forward osmosis membrane bioreactor: a low fouling alternative to MBR processes”,Desalination, 239, pp 10–21 Alberto Tiraferri, William A Phillip, Jessica D Schiffman, Menachem Elimelech (2010), “High Performance Thim-Film Composite Forward Osmosis Membrane”, Environmental Science and Technology Alnaizy, R., Aidan, A., Qasim, M (2013),“Copper sulfate as draw solute in forward osmosis desalination”,Journal of Environmental and Chemical Engineering, 1, pp 424–430 Ayuko Kitajou, Takuya Suzuki, Syouhei Nishihama and Kazuharu Yoshizuka (2004), “Selective recovery of lithium from seawater using a novel MnO2 type adsorbent II – enhancement of lithium ion selectivity of the adsorbent”, Ars Separatoria Acta, 2, pp 97-106 10 Chekli, L., Phuntsho, S., Shon, H K., Vigneswaran, S., Kandasamy, J., and Chanan, A (2012), "A review of draw solutes in forward osmosis process and their use in modern applications",Desalination and Water Treatment, 43(1-3), pp 167-184 57 Footer Page 41 of 126 Header Page 42 of 126 11 Dhruv Mehta, Lovleen Gupta, Rijul Dhingra (2014), “Forward Osmosis in India: Status and Comparison withOther Desalination Technologies”, International Scholarly Research Notices, 2014 12 Dieling Zhao, Peng Wang, Qipeng Zhao, Ningping Chen, Xianmao Lu (2014), “Thermo responsive copolymer-based draw solution for seawater desalination in a combined process of forward osmosis and membrane distillation”, Desalination, 384, pp 26 – 32 13 Enling Tian , Chengbo Hu, Yan Qin, Yiwei Ren, Xingzu Wang, Xiao Wang, Ping Xiao, Xin Yang(2015),“A study of poly (sodium 4-styrenesulfonate) as draw solute in forward osmosis”,Desalination, 360,pp 130–137 14 Garcia-Castello, E.M., McCutcheon, J.R., Elimelech, M.(2009),“Performance evaluation of sucrose concentration using forward osmosis”,J Membr Sci., 338, pp 61–66 15 Ge, Q., Fu, F., Chung, T.-S (2014),“Ferric and cobaltous hydroacid complexes for forward osmosis (FO) processes”,Water Resources, 58, pp 230–238 16 Ge, Q., Ling, M., and Chung, T.-S (2013), "Draw Solutions for Forward Osmosis Processes: Developments, Challenges, and Prospects for the Future",Journal of Membrane Science, 447, pp 1-11 17 How Y Ng , Wanling Tang , and Wei S Wong (2006),“Performance of Forward (Direct) Osmosis Process:  Membrane Structure and Transport Phenomenon”,Environmental Sciences and Technology, 40 (7), pp 2408– 2413 18 Huayong Lou, Qin Wang, Tian C.Zang, Tao Tao and et (2014), “A review on the recovery methods of draw solutes in forward osmosis”, Journal of Water Process Engineering, 4, pp 212 – 223 19 J Ren, J.R McCutcheon(2014), “A new commercial thin film composite membrane for forward osmosis”, Desalination, 343,pp 187–193 20 Laura Chekli, Sherub Phuntsho, Jung Eun Kim, Jihye Kim, Joon Young Choi, June-Seok Choi, Suhan Kim, Joon Ha Kim, Seungkwan Hong, Jinsik Sohn, H.K Shon (2015), “A comprehensive review of hybrid forward osmosis systems: Performance, applications and future prospects”, Jounal of Membrane Science, 497, pp.430-449 21 McCutcheon, J.R., McGinnis, R.L., Elimelech, M.(2006),“Desalination by ammonia-carbon dioxide forward osmosis: influence of draw and feed solution concentrations on process performance”,Journal of Membrane Sciences, 278, pp 114–123 58 Footer Page 42 of 126 Header Page 43 of 126 22 Nguyen Thi Hau, Chen S., N.C Nguyen, K.Z Huang, H.H Ngo, W Guo(2014), “Exploration of EDTA sodium salt as novel draw solution in forward osmosis process for dewatering of high nutrient sludge”, Journal of Membrane Sciences, 455, pp 305–311 23 Nguyen Quang Trung, Le Van Nhan, Pham Thi Phuong Thao, Le Truong Giang (2016), “Novel draw solutes of iron complexs easier recovery for foward osmosis process”, Journal of Water Reuse and Desalation (Bài báo chấp nhận đăng đăng năm 2017) 24 Nguyen Thi Hau, Nguyen Cong Nguyen, Shiao-Shing Chen, Huu Hao Ngo,Wenshan Guo, Chi-Wang Li(2015),“A new class of draw solutions for minimizing reverse salt flux to improve forward osmosis desalination”,Science of the Total Environment, 538, pp 129–136 25 Peter G Nicoll (2013), “Forward Osmosis – A brief introduction”, The International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse, Tianjin, China 26 Q.C Ge, J.C Su, G.L Amy, T.S Chung(2012), “Exploration of polyelectrolytes as draw solutes in forward osmosis processes”, Water Resources, 46, pp 1318–1326 27 Q.C Ge, M.M Ling, T.S Chung(2013), “Draw solutions for forward osmosis processes: developments, challenges, and prospects for the future”,Journal of Membrane Sciences, 442,pp 225–237 28 Q Ge, T.S Chung(2013), “Hydroacid complexes: a new class of draw solutes to promote forward osmosis (FO) processes”, Chem Commun., 49,pp 8471–8473 29 Qian Yang, Kai Yu Wang, Tai-Shung Chung (2009), “A novel dual-layer forward osmosis membrane for protein enrichment and concentration”, Seperation and Purification Technology, 69, pp 269-274 30 Sherub Phuntsho, Soleyman Sahebi, Tahir Majeed, Fezeh Lotfi, Jung Eun Kim, Ho Kyong Shon(2013),“Assessing the major factors affecting the performances of forward osmosis and its implications on the desalination process”,Chemical Engineering Journal, 231, pp 484–496 31 Stone, M.L., Rae, C., Stewart, F.F.,Wilson, A.D (2013),“Switchable polarity solvents as draw solutes for forward osmosis”,Desalination,312, pp 124– 129 32 Takehiko Tsuruta (2005), “Removal and Recovery of Lithium Using Various Microorganisms”, Journal of Bioscience and Bioengineering, 5, pp 562566 59 Footer Page 43 of 126 Header Page 44 of 126 33 Tan C.H., H.Y Ng (2010), “A novel hybrid forward osmosis - nanofiltration (FO – NF) process for seawater desalination: draw solution selection and system configuration”, Journal of Desalination and Water Treatment, 13, pp 356 – 361 34 Tian, E., Hu, C., Qin, Y., Ren, Y., Wang, X., Wang, X., et al (2015),“A study of poly (sodium 4-styrenesulfonate) as draw solute in forward osmosis”,Desalination, 360, pp 130–137 35 Yen, S.K., Mehnas Haja, N.F., Su, M., Wang, K.Y., Chung, T.-S (2010),“Study of draw solutes using 2-methylimidazole-based compounds in forward osmosis”,Journal of Membrane Sciences,364, pp 242–252 36 Yuntao Zhao, Yiwei Ren, Xingzu Wang, Ping Xiao, Enling Tian, Xiao Wang, Jing Li (2016), “An initial study of EDTA complex based draw solutes in forward osmosis process”,Desalination, 378,pp 28–36 37 Zhao, S., Zou, L., Mulcahy, D (2012),“Brackish water desalination by a hybrid forward osmosis– nanofiltration system using divalent drawsolute”,Desalination, 284, pp 175–181 60 Footer Page 44 of 126 ... quan đến việc nghiên cứu ứng dụng màng FO xử lý nước thải nước biển Xuất phát từ thực tiễn trên, xin chọn đề tài Đánh giá số yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống lọc nước biển sử dụng màng lọc thẩm thấu. .. với công nghệ màng khác, khả bị tắc màng ưu điểm FO[11] 1.4 Hệ thống lọc nƣớc sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO) 1.4.1 Cơ sở khoa học tượng thẩm thấu chuyển tiếp Thẩm thấu chuyển tiếp (forward... lọc thẩm thấu chuyển tiếp (FO) Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu khử mặn nước biển nhờ trình thẩm thấu chuyển tiếp Nội dung