nghiên cứu lọc nước mặn biển cần giờ thành nước ngọt bằng màng lọc ro

Vì vậy, với thời gian quy định cho Đồ án tốt nghiệp, trên quy mô phòng thí nghiệm tại Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường TP.HCM, “Nghiên cứu lọc nước mặn thành nước ngọt bằng màng lọc

Hiện nay, tình trạng thiếu nước ngọt đã trở thành vấn đề nghiêm trọng không chỉ trong nước mà trên toàn thế giới Biến nước biển thành nước uống có nhiều ưu điểm Nước biển luôn sẵn có từ 97% nước trên trái đất là nước lợ Đây là một nguồn đáng tin cậy với khả năng cung cấp dường như không giới hạn Các hoạt động khử muối có thể được thiết lập ở các vùng ven biển và đưa các nước ngọt đến các vùng xa xôi Vì vậy, với thời gian quy định cho Đồ án tốt nghiệp, trên quy mô phòng thí nghiệm tại Trường

ĐH Tài nguyên và Môi trường TP.HCM, “Nghiên cứu lọc nước mặn thành nước ngọt bằng màng lọc RO” là một trong các công nghệ khử muối đang được thực hiện Hệ thống bao gồm: một bơm tăng áp, một từ trường, một lọc thô, màng RO Các mẫu nước khi tiến hành thí nghiệm đều được lấy trực tiếp tại biển Cần Giờ Các thông số khảo sát trong thí nghiệm này là nồng độ muối nước đầu vào, nồng độ muối nước đầu ra Nghiên cứu lọc nước mặn thành nước ăn uống bằng màng RO kết hợp với từ trường đã thành công bước đầu Kết quả thí nghiệm cho thấy chất lượng nước sau lọc của hệ thống đề xuất ở trên đã lọc được nước mặn thành nước ăn uống qui mô hộ gia đình đạt tiêu chuẩn qui định đối với nước ăn uống Tuy nhiên hệ thống này cần nghiên cứu và thử nghiệm thêm để có đủ cơ sở thiết kế và chế tạo thành sản phẩm thương mại

Từ khóa: Màng RO, Khử muối, Từ trường, Nước nhiễm mặn

and worldwide Turning seawater into potable water has several advantages Seawater is always available since 97% of the water on Earth is brackish It is a reliable resource with seemingly unlimited supply capabilities Desalination operations can be established in coastal zones and send the freshwater to distant areas So, in the time was regulated for the Graduation project, on the laboratory scale at the HCM City University of Natural Resources and Environment,

"Research turn salt water into freshwater by RO membrane" is one of the desalination technology produces freshwater being made The system includes: a high pressure pumps, magnetic field, a pre-filtration systems, a RO membrane The samples were taken directly at Can Gio beach The parameters tested in this experiment were input salt concentration, output salt concentration Research turn salt water into drinking water by RO membrane in combination with magnetic field has been successful initially The results show that the filtered water quality of the proposed system has filtered saline water into household drinking water that meets the standards for drinking water However, this system should be further researched and tested in order to have sufficient basis for the design and manufacture of commercial products

Keywords: RO membrane, desalination, magnetic field, salt water

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

ABSTRACT v

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN vi

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN vii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu của đồ án 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung của đồ án 2

5 Thời gian và địa điểm thực hiện đồ án 2

6 Đóng góp xã hội, khoa học của nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan các vấn đề về nguồn nước 3

1.1.1 Vai trò của nước 3

1.1.2 Sự cần thiết phải khử mặn nước biển 5

1.2 Nước nhiễm mặn 5

1.2.1 Độ mặn 5

1.2.2 Xâm nhập mặn 8

1.3 Tổng quan về các phương pháp xử lý 12

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 12

a Phương pháp chưng cất 12

b Công nghệ màng 13

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 16

1.4 Tổng quan về màng RO 19

1.4.1 Nguyên lý hoạt động màng RO 19

1.4.2 Cấu tạo màng RO 20

1.4.3 Từ trường 21

a Cuộn cảm 21

b Công nghệ từ trường 21

c Mục đích kết hợp màng RO và từ trường 22

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Sơ đồ nghiên cứu 23

2.2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 24

2.2.1 Bơm RO 24

2.2.2 Bộ tạo từ trường 25

2.2.3 Lọc thô 28

2.2.4 Màng RO 29

2.2.5 Van xả thải 30

2.2.6 Máy đo độ dẫn điện 31

2.2.7 Máy đo pH tại phòng thí nghiệm: 32

2.2.8 Máy so màu đo các chỉ tiêu nước Aqualytic AL450 33

2.3 Phương pháp nghiên cứu 34

2.4 Phương pháp phân tích mẫu 36

2.5 Phương pháp xử lý số liệu 36

2.6 Nội dung thực hiện 36

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Độ dẫn điện 37

3.2 Lưu lượng 39

3.5 Độ đục 48

3.6 TSS 50

3.7 pH 52

3.8 Lượng nước sau lọc giảm theo thời gian sử dụng lọc 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

Kết luận 55

Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

PHỤ LỤC 1 NGHIÊN CỨU LỌC NƯỚC MẶN BIỂN CẦN GIỜ THÀNH NƯỚC NGỌT BẰNG MÀNG LỌC RO 57

1 Đặt vấn đề 57

2 Phương pháp nghiên cứu 58

3 Kết quả và thảo luận 58

4 Kết luận 59

PHỤ LỤC 2 BẢNG THÔNG SỐ 60

PHỤ LỤC 3 SOP – QUY TRÌNH PHÂN TÍCH 73

PHỤ LỤC 4 HÌNH ẢNH 78

Bảng 2.1 Bảng thông tin màng lọc RO 29

Bảng 2.2 BẢng thông tin về sản phẩm máy SCM 902A 31

Bảng PL 2.1 Độ dẫn điện của nước biển (µS/cm) 60

Bảng PL 2.2 Độ dẫn điện của nước ngọt và lợ (µS/cm) 61

Bảng PL 2.3 Tương quan lưu lượng dòng vào, dòng ra và dòng thải nước biển (l/h) 62

Bảng PL 2.4 Tương quan lưu lượng dòng vào, dòng ra và dòng thải nước ngọt và lợ (l/h) 63

Bảng PL 2.5 Tương quan nồng độ muối dòng vào và dòng ra của nước biển (mgNaCl/l) 64

Bảng PL 2.6 Tương quan nồng độ muối dòng vào, dòng ra của nước ngọt và lợ (mgNaCl/l) 65

Bảng PL 2.7 So sánh độ dẫn điện giữa thí nghiệm có từ trường và không từ trường 65

Bảng PL 2.8 Sự biến động hiệu suất xử lý theo nồng độ nước vào 66

Bảng PL 2.9 Độ đục của nước biển (fau) 67

Bảng PL 2.10 Độ đục của nước ngọt và nước lợ (fau) 68

Bảng PL 2.11 TSS của nước biển (mg/l) 69

Bảng PL 2.12 TSS của nước ngọt và lợ (mg/l) 70

Bảng PL 2.13 pH của nước biển 71

Bảng PL 2.14 pH của nước ngọt và lợ 72

Hình 1.1 Sự dịch chuyển của khối nước mặn vào tầng nước ngọt 9

Hình 1.2 Hiện tượng xâm nhập mặn từ biển vào lòng sông vùng cửa sông 9

Hình 1.3 Biểu đồ độ mặn lớn nhất đầu tháng 3/2016 so với cùng kỳ năm 2015 10

Hình 1.4 xâm nhập mặn tại đồng bằng sông cửu long 10

Hình 1.5 xâm nhập mặn ở đbscl (kịch bản A2-nước biển dâng 30cm) 11

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống chưng cất SD 17

Hình 1.7 Màng lọc điện thẩm tích ED 17

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống ED 18

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống lọc nước biển bằng công nghỆ RO 18

Hình 1.10 Cấu tạo lõi lọc RO 20

Hình 1.11 Hệ thống từ trường bằng cuộn cảm 22

Hình 2.1 Vị trí thu mẫu 24

Hình 2.2 Bơm RO 25

Hình 2.3 Bộ tạo từ trường 27

HÌNH 2.4 Lộc thô 28

Hình 2.5 Màng RO 30

Hình 2.6 Van xả thải 30

Hình 2.7 Máy đo độ dẫn điện 32

Hình 2.8 Máy đo pH 33

Hình 2.9 Máy so màu đo các chỉ tiêu nước AQUALYTIC AL450 33

Hình 2.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm lọc nước mặn 34

Hình 2.11 Mô hình thí nghiệm 35

Hình 2.12 Mẫu nước biển, nước sau lọc và nước thải 35

Hình 2.13 Thí nghiệm chuẩn độ bạc nitrat 36

Hình 3.1 Độ dẫn điện của nước biển 37

Hình 3.2 Độ dẫn điện của nước ngọt và lợ 38

Hình 3.5 Nồng độ dòng vào và dòng ra của nước biển 41

Hình 3.6 Nồng độ muối dòng vào, dòng ra của nước ngọt và lợ 42

Hình 3.7 So sánh độ dẫn điện giữa thí nghiệm có từ trường và không từ trường 43

Hình 3.8 Tương quan nồng độ giữa nồng độ và lưu lượng đối với nước biển 44

Hình 3.9 Tương quan giữa nồng độ muối và lưu lượng đối với nước ngọt và lợ 45

Hình 3.10 biểu đồ thể hiện sự biến động hiệu suất xử lý theo nồng độ muối nước vào đối với nước biển 46

Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện sự biến động hiệu suất xử lý theo nồng độ muối nước vào đối với nước ngọt và nước lợ 47

Hình 3.12 Độ đục dòng vào và dòng ra của nước biển 48

Hình 3.13 Đô đục của nước ngọt và lợ 49

Hình 3.14 TSS dòng vào và dòng ra của nước biển 50

Hình 3.15 TSS của nước ngọt và lợ 51

Hình 3.16 Biến động pH dòng vào, dòng ra của nước biển 52

Hình 3.17 Biến động pH dòng vào, dòng ra của nước ngọt và lợ 52

Hình 3.18 Lượng nước sau lọc giảm theo thời gian sử dụng lọc 53

Hình 3.19 Độ mặn thay đổi theo thời gian lọc 54

Hình PL 4.1 LẤY MẪU 78

Hình PL 4.2 Đo độ đục, TSS 78

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

EDR Expressed Dissatisfaction Rate Điện phân đảo ngược

ISD In situ desalination Khử muối tại chỗ

TSS Turbidity & suspendid solids Tổng chẩ rắn lơ lửng

TDS Total disolved solid Tổng chất rắn hòa tan trong nước

QC Quality control Kỹ sư quản lý chất lượng

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, tình trạng thiếu nước ngọt đã trở thành vấn đề nghiêm trọng không chỉ trong nước mà trên toàn thế giới Thách thức ấy đối với cư dân biển càng lớn hơn các vùng khác Vì lòng đất nhiễm mặn nên việc khai thác mạch ngầm để tìm ra nước ngọt cho sản xuất và phục vụ sinh hoạt rất khó khăn Nhu cầu dùng nước ngọt, nước sạch cho dân vùng biển trong tổng nhu cầu của đất nước chỉ mới được đáp ứng khoảng trên 60% Trên một số đảo ngoài khơi vùng thềm lục địa và vùng đặc khu kinh tế của ta tình trạng thiếu nước ngọt càng trầm kha hơn

Nguyên nhân gây ra tình trạng cạn kiệt nguồn nước trước tiên là do tác động của con người và biến đổi khí hậu toàn cầu Biến đổi khí hậu có tác động xấu đến sự thay đổi nguồn nước Theo một dự báo khoa học (Theo TS Đào Trọng Tứ, Viện Nghiên cứu Tài nguyên nước và Môi trường sinh thái - Bộ Khoa học và Công nghệ) thì đến năm

2025 nguồn nước của Việt Nam sẽ bị giảm đi khoảng 40 tỉ m3 Riêng trong mùa khô tổng lượng nước có thể giảm khoảng 13 tỉ m3 Vì vậy, tiếp cận với nguồn nước sạch hiện vẫn là giấc mơ của hàng triệu người dân vùng biển, nơi được coi là khá phổ biến về tình trạng khô hạn và bán khô hạn

Là vùng duyên hải phía Đông Thành phố Hồ Chí Minh, huyện Cần Giờ nằm tách biệt với khu vực nội thành bởi con sông Nhà Bè khá rộng Trước đây nước ngọt đối với người dân vùng biển mặn này vẫn là "của hiếm" Công ty dịch vụ công ích huyện Cần Giờ thường phải vượt từ 20 - 72 km đường sông để mua nước sạch về phân phối lại cho người dân thông qua các hệ thống đường ống nội bộ theo từng cụm dân cư Đường xa, phương tiện vận chuyển bằng đường thủy nên mất đến 18 giờ những sà lan chở nước mới đến nơi Có thời điểm nạn thiếu nước sạch tại Thành phố rất căng thẳng, nhiều sà lan phải xếp hàng chờ lấy nước nên có khi 2 - 3 ngày sà lan nước mới về đến Cần Giờ

Vì thiếu nước sạch nên người dân Cần Giờ thường phải chầu trực để mua nước nhưng với giá cao gấp hàng chục lần giá nước trong Thành phố

Với thực trạng đó cùng với lượng nước biển dồi dào thì việc lọc được nước mặn càng thêm cấp bách và cần thiết Vì vậy, với thời gian quy định cho luận án tốt nghiệp, trên quy mô phòng thí nghiệm tại Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường TP.HCM,

“Nghiên cứu lọc nước mặn thành nước ngọt bằng màng lọc RO” là một trong các nghiên cứu cải thiện nước nhiễm mặn đang được thực hiện Nghiên cứu này sẽ giúp đưa ra các

số liệu chi tiết về kết quả cũng như hiệu quả xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở cho phép

4 Nội dung của đồ án

 Nghiên cứu lọc nước mặn thành nước ngọt

 Lắp đặt mô hình quy mô phòng thí nghiệm

 Vận hành mô hình

 Thu mẫu và phân tích mẫu

 Phân tích số liệu và viết báo cáo

5 Thời gian và địa điểm thực hiện đồ án

 Từ tháng 6/2017 đến tháng 12/2017

 Địa điểm thực hiện đồ án:

 Phân tích mẫu tại Phòng thí nghiệm Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM

 Địa chỉ: 236B Lê Văn Sỹ, phường 1, quận Tân Bình, TP.HCM

 Lấy mẫu: Tại biển Cần Giờ

6 Đóng góp xã hội, khoa học của nghiên cứu

Nghiên cứu này sẽ cung cấp số liệu chính xác về hiệu quả lọc nước nhiễm mặn của màng RO kết hợp với từ trường Từ đó, mang lại khả năng áp dụng vào thực tế của màng lọc RO, xử lý nước nhiễm mặn, hỗ trợ nguồn nước sạch cho người dân ven biển cũng như toàn xã hội Áp dụng lọc nước cho hộ gia đình, công nghiệp hoặc sử dụng cung cấp nước cấp cho cộng đồng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan các vấn đề về nguồn nước

1.1.1 Vai trò của nước

Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường Nước 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 lĩnh vực nông nghiệp thì nước lại càng không thể thiếu, không có nước sẽ không có lương thực nuôi sống con người và cung cấp năng lượng cho sự vận động của các hệ sinh thái trong tự nhiên Một nghiên cứu toàn cầu gần đây do các nhà nghiên cứu Viện Quản lý Nước Quốc tế cho thấy ít nhất 30% các dòng chảy của sông ngòi trên thế giới cần được sử dụng để duy trì điều kiện của các hệ sinh thái nước ngọt Tuy không sử dụng nước nhiều như nông nghiệp nhưng nước cũng không thể thiếu trong hầu hết các hoạt động công nghiệp Ngày nay dịch vụ và du lịch ngày càng được chú trọng phát triển và đây cũng là lĩnh vực tiêu tốn nhiều nước

 Nước ngọt hay nước nhạt

Nước ngọt hay nước nhạt là loại nước chứa một lượng tối thiểu các muối hòa tan,

đặc biệt là natri clorua (thường có nồng độ các loại muối hay còn gọi là độ mặn trong khoảng 0,01 - 0,5 ppt hoặc tới 1 ppt), vì thế nó được phân biệt tương đối rõ ràng với nước

lợ hay các loại nước mặn và nước muối

Tất cả các nguồn nước ngọt có xuất phát điểm là từ các cơn mưa được tạo ra do sự ngưng tụ tới hạn của hơi nước trong không khí, rơi xuống ao, hồ, sông của mặt đất cũng như trong các nguồn nước ngầm hoặc do sự tan chảy của băng hay tuyết

Sự cung cấp đủ lượng nước ngọt cần thiết để duy trì sự sống là một vấn đề đáng báo động đối với nhiều loài sinh vật, trong đó có con người, đặc biệt là ở các khu vực sa mạc hay các khu vực khô cằn khác

Thậm chí trên tàu thuyền hay trên các đảo giữa đại dương vẫn có hiện tượng "thiếu nước", điều đó có nghĩa là sự thiếu hụt nước ngọt chứ không phải thiếu nước nói chung

do nước biển là nước mặn và không thể sử dụng trực tiếp để uống

Đối với các loài cá và các loài sinh vật khác sinh sống dưới nước thì nồng độ của natri clorua hòa tan trong nước là một yếu tố quan trọng cho sự sống của chúng Phần lớn các loài không thể sống trong cả nước ngọt lẫn nước mặn, mặc dù có một số loài có thể sống trong cả hai môi trường Cá nước mặn sinh sống chủ yếu ở các vùng nước mặn

có độ chứa muối cao và chúng cố gắng thải các loại muối ra khỏi cơ thể nhiều đến mức

có thể đồng thời với việc giữ lại nước Cá nước ngọt thì làm việc ngược lại: Chúng có quá nhiều nước và có rất ít muối

Định nghĩa định lượng

Nước ngọt được định nghĩa như là nước chứa ít hơn 0,5 phần nghìn các loại muối hòa tan Các khối nước ngọt trong tự nhiên có phần lớn các hồ và ao, sông, một số khối nước ngầm cũng như nhiều khối nước ngọt chứa trong các vật thể do con người tạo ra, chẳng hạn các kênh đào, hào rãnh và hồ chứa nước nhân tạo Nguồn chủ yếu tạo ra nước ngọt là giáng thủy từ khí quyển trong dạng mưa hay tuyết

 Nước lợ

Nước lợ là loại nước có độ mặn cao hơn độ mặn của nước ngọt, nhưng không cao

bằng nước mặn Nó có thể là kết quả của sự pha trộn giữa nước biển với nước ngọt, chẳng hạn như tại các khu vực cửa sông hoặc nó có thể xuất hiện trong các tầng ngậm nước hóa thạch lợ Một số hoạt động nhất định của con người cũng có thể tạo ra nước

lợ, cụ thể là trong một số dự án kỹ thuật xây dựng dân sự như các dạng đê điều ven biển hay việc làm ngập lụt các vùng đất lầy lội ven biển để tạo ra các ao hồ nước lợ để nuôi tôm nước lợ Nước lợ cũng có thể là chất thải chủ yếu của công nghệ năng lượng gradient

độ mặn Do nước lợ là không thích hợp với sự phát triển của phần lớn các loài thực vật trên đất liền, cho nên nếu không có sự quản lý và kiểm soát thích hợp thì nó có thể gây

ra các tổn hại cho môi trường (xem bài về trang trại nuôi tôm)

Khái niệm nước lợ cũng thay đổi tùy theo các quan điểm nhìn nhận Về mặt kỹ thuật, người Anh-Mỹ cho rằng nước lợ chứa từ 0,5hoặc 1 tới 17 hoặc 30 gam muối hòa tan trong mỗi lít nước - thông thường được biểu diễn dưới dạng 0,5/1 tới 17/30 phần nghìn (ppt hay ‰) Vì thế, nước lợ bao phủ một khoảng chế độ mặn và nó không thể coi

là một điều kiện có thể định nghĩa chính xác Tuy nhiên, Bách khoa Toàn thư Việt Nam coi nước lợ là nước có độ mặn từ 1 tới 10 g/L hay 1 tới 10 ppt Một đặc trưng của nhiều

bề mặt nước lợ là độ mặn của chúng có thể dao động mạnh theo thời gian và/hoặc không gian

 Nước mặn

Nước mặn là thuật ngữ chung để chỉ nước chứa một hàm lượng đáng kể

các muối hòa tan (chủ yếu là NaCl) Hàm lượng này thông thường được biểu diễn dưới dạng phần nghìn (ppt) hay phần triệu (ppm) hoặc phần trăm (%) hay g/l

Khái niệm nước mặn cũng thay đổi tùy theo các quan điểm nhìn nhận Chẳng hạn, Bách khoa Toàn thư Việt Nam coi nước mặn là tên gọi để chỉ một trong hai trường hợp:

Nước có chứa muối NaCl hoà tan với hàm lượng cao hơn nước lợ, thường quy ước trên 10 g/l

Thuật ngữ gọi chung các loại nước chứa lượng muối NaCl cao hơn nước uống thông thường (> 1g/l)

Nghĩa thứ nhất phổ biến khi nói về các nguồn nước tự nhiên ven biển

Các mức hàm lượng muối được USGS Hoa Kỳ sử dụng để phân loại nước mặn thành ba thể loại Nước hơi mặn chứa muối trong phạm vi 1000 tới 3000 ppm (1 tới 3 ppt) Nước mặn vừa phải chứa khoảng 3000 tới 10000 ppm (3 tới 10 ppt) Nước mặn nhiều chứa khoảng 10000 tới 35000 ppm (10 tới 35 ppt) muối

1.1.2 Sự cần thiết phải khử mặn nước biển

Trên Trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế Hơn 1/3 dân số, tức khoảng 2,4 tỷ người không có các điều kiện vệ sinh đầy đủ Đối với Việt Nam chúng

ta không thiếu nước đến mức trầm trọng nhưng diện tích đất nước trải dài dọc theo 3260

km dọc theo bở biển, ngư nghiệp là ngành phát triển theo hướng đánh bắt xa bờ phải lưu lâu ngày ngoài biển, ngành vận tải biển đang trên đà phát triển mạnh mẽ, những chiến tàu chở hàng đi trên biển rất dài ngày Đặc biệt dân cư trên các đảo của Việt Nam vẫn chưa có đủ nước sinh hoạt Nguồn nước sinh hoạt cho cư dân trên đảo chủ yếu là nước mưa hoặc nước được chở từ đất liền ra, tuy nhiên nước được chở từ đất liền ra với chi phí tương đối cao và không phải là cách giải quyết tốt nhất Từ những nhìn nhận như vậy ta thấy khử mặn nước biển là việc làm cần thiết để giải quyết phần nào nguồn nước sinh hoạt cho cộng đồng

1.2 Nước nhiễm mặn

1.2.1 Độ mặn

Độ mặn hay độ muối được ký hiệu S‰ (S viết tắt từ chữ salinity - độ mặn) là tổng lượng (tính theo gram) các chất hòa tan chứa trong 1 kg nước Trong hải dương học, người ta sử dụng độ muối (salinity) để đặc trưng cho độ khoáng của nước biển, nó được hiểu như tổng lượng tính bằng gam của tất cả các chất khoáng rắn hoà tan có trong 1 kg nước biển Vì tổng nồng độ các ion chính (11 ion), bao gồm: Na+, Ca2+, Mg2+, Fe, NH4+,

Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-, NO2-, NO3-) chiếm tới 99,99% tổng lượng các chất khoáng hoà tan nên có thể coi độ muối nước biển chính bằng giá trị này Điều đó cũng có nghĩa là đối với nước biển khơi, độ muối có thể được tính toán thông qua nồng độ của một ion chính bất kỳ Độ muối được ký hiệu là S‰, độ Clo - Cl‰ và mối liên hệ giữa hai đại lượng này là:

S‰ = 0,030 + 1,8050 Cl‰

Ở đây, ‰ hay ppt (phần nghìn) không phải là đơn vị đo của độ muối, đó chỉ là ký hiệu để biểu diễn đơn vị đo nồng độ (g/kg) của các muối hoà tan trong nước biển Cũng không nên đồng nhất độ muối với "độ mặn" như cách hiểu ở một số địa phương về vị mặn của muối NaCl trong nước biển Định nghĩa độ muối như trên được xây dựng từ thực tế công việc xác định nó thông qua xác định độ clo bằng phương pháp phân tích hoá học - phương pháp Knudsen (còn gọi là phương pháp chuẩn độ bạc nitrat) Theo phương pháp này, khi chuẩn độ nước biển bằng dung dịch bạc nitrat (AgNO3) thì không chỉ có riêng ion clo mà các ion flo, brôm, iốt cũng bị kết tủa:

AgNO3 + X- = AgX kết tủa +NO3- (ở đây X = [Cl-]+[F-]+ [Br-]+[I-])

Trong đó: nồng độ F-, Br- và I-đã được quy chuyển tương đương theo nồng độ của

Nước quá mặn: S‰ = trên 47 ppt

Sau này được A.F.Karpevits bổ sung và chi tiết hóa như sau:

- Nước ngọt: 0,01 – 0,5 ppt (các sông hồ, hồ chứa)

Bảng 1.1 Bảng thành phần nước nhiễm mặn

Thành phần Giá trị ước tính

(mg/L)

Khoảng giá trị (mg/L)

nồng độ đáng kể ở một số địa điểm đạt biệt Thuật ngữ 'mặn' được sử dụng để mô tả các muối hòa tan trong nước Nước biển có độ khoáng rất cao, thường vào khoảng 35g/l Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn trong nước ngọt 2000 lần Độ khoáng hóa nước biển hoàn toàn phụ thuộc vào lượng các ion chủ yếu có trong nước biển Trong nước biển, Na+, Cl-, Mg2+chiếm 90%; K+, Ca2++, SO42- chiếm 3%; các chất còn lại chiếm 7% tổng lượng các chất Và độ mặn của nước biển được đo bằng tổng hàm lượng các ion này, đặc trưng bằng chỉ tiêu TDS (Total Disolved Solid) – tổng chất rắn hòa tan trong nước

Độ mặn có thể được thể hiện như lượng muối hòa tan trong đất hoặc trong nước (Tổng chất rắn hoà tan hoặc TDS đo bằng mg/L) hoặc như độ dẫn điện (đo bằng ms/ cm) Cả hai phương pháp đo trên thường được sử dụng để mô tả độ mặn nhưng không thể được sử dụng thay thế cho nhau khi họ đo các thông số khác nhau

TDS là mô tả chính xác nhất của độ mặn, vì nó là một phép đo nồng độ các muối trong nước Tuy nhiên, một phép đo TDS đòi hỏi phải phân tích trong phòng thí nghiệm

để xác định mỗi cation và anion có mặt trong nước Ngoài ra, một mẫu nước có thể bị bốc hơi và các chất rắn khô còn lại nặng Độ dẫn điện, mặt khác là một phép đo đơn giản, chỉ đòi hỏi công cụ phân tích cơ bản là có thể được sử dụng để cung cấp ngay lập tức kết quả Vì lý do này, nó thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và nông nghiệp Không có mối quan hệ chính xác giữa độ dẫn điện như ms/cm và TDS mg /L, như các muối khác nhau trong nước có một khả năng khác nhau để tạo ra điện

1.2.2 Xâm nhập mặn

Khái niệm về xâm nhập mặn: Xâm nhập mặn là quá trình thay thế nước ngọt

trong các tầng chứa nước ở ven biển bằng nước mặn do sự dịch chuyển của khối nước

mặn vào tầng nước ngọt (Hình 1.1) Xâm nhập mặn làm giảm nguồn nước ngọt dưới

lòng đất các tầng chứa nước ven biển do cả hai quá trình tự nhiên và con người gây ra Xâm nhập mặn tại Việt Nam:Theo Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai,

Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn: Xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn với nồng độ mặn bằng 4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cường, nước biển dâng hoặc cạn kiệt nguồn nước ngọt Việt Nam có trên 3000 km bờ biển, tập trung hàng triệu người sinh sống và khai thác các nguồn lợi từ biển Xâm nhập mặn diễn ra tại hầu hết các địa phương ven biển, gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động sản xuất và sinh hoạt của người dân Nhiều giải pháp đã được đưa ra, phần nào hạn chế được tình trạng xâm nhập mặn nhưng trong bối cảnh biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng phức tạp thì trong thời gian tới, hiện tượng xâm nhập mặn vẫn là mối đe dọa lớn đến đời sống các khu vực này, đặc biệt là khu vực ĐBSCL, vựa lương thực của cả nước

Hình 1.1 Sự dịch chuyển của khối nước mặn vào tầng nước ngọt

Hình 1.2 Hiện tượng xâm nhập mặn từ biển vào lòng sông vùng cửa sông

Hình 1.3 Biểu đồ độ mặn lớn nhất đầu tháng 3/2016 so với cùng kỳ năm 2015

Hình 1.4 Xâm nhập mặn tại đồng bằng sông Cửu Long

Trong tương lai, cùng với sự gia tăng của mực nước biển dâng, mặn cũng xâm nhập sâu hơn vào trong sông theo kịch bản A2 (các kịch bản biến đổi khí hậu và nước

biển dâng này đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012), vào giai đoạn 2020-2039, chiều dài xâm nhập mặn tăng lên 67-70 km trên sông Cửu Long, 125 km trên sông Vàm Cỏ Tây, vào giai đoạn 2040-2059, sẽ tăng 7-75 km trên sông Cửu Long

và 129 km trên sông Vàm Cỏ Tây

Ranh giới độ mặn 4‰ lớn nhất trên sông Cổ Chiên cách TP Vĩnh Long 22,5 km (xâm nhập sâu hơn thời kỳ nền 9,2 km) Ranh giới độ mặn 1‰ lớn nhất trên sông Cổ Chiên cách TP Vĩnh Long khoảng 5 km (lấn sâu hơn thời kỳ nền 9,5 km) và trên sông

Hậu về phía thượng lưu TP Cần Thơ khoảng 3km (lấn sâu hơn thời kỳ nền 8,8 km)

Hình 1.5 Xâm nhập mặn ở ĐBSCL (kịch bản A 2 -nước biển dâng 30cm)

Trong 3 năm tới, diện tích đất lớn nhất có thể bị ảnh hưởng bởi độ mặn lớn hơn 4‰ khoảng 1.605.200 ha, chiếm 41% diện tích toàn ĐBSCL, tăng 25501 ha so với thời kỳ nền 1991-2000; diện tích chịu ảnh hưởng của độ mặn lớn hơn 1‰ khoảng 2.323.100 ha, chiếm 59% tích tự nhiên, tăng 19302 ha Trong 5 năm tới, diện tích đất lớn nhất có thể bị ảnh hưởng bởi độ mặn lớn hơn 4‰ khoảng 1.851.200 ha, chiếm 47% diện tích toàn ĐBSCL, tăng 43902 ha so với thời kỳ nền 1991-2000; diện tích chịu ảnh hưởng của độ mặn lớn hơn 1‰ khoảng 2.524.100 ha, chiếm diện 64% tích tự nhiên, tăng 456 1 ha Gần 4/5 diện tích vùng BĐCM bị ảnh hưởng mặn (ngoại trừ phần diện tích Tây sông Hậu) Toàn bộ diện tích các dự án Gò Công, Bảo Định, Bắc Bến Tre, Mỏ Cày, Nam Măng Thít, Tiếp Nhật, bị nhiễm mặn

Vị trí địa lí vùng biển Cần Giờ:

Cần Giờ là một trong 5 huyện ngoại thành của thành phố Hồ Chí Minh, nằm về hướng Đông Nam, cách trung tâm thành phố khoảng 50 km theo đường chim bay, có hơn 20 km bờ biển chạy dài theo hướng Tây Nam – Đông Bắc, có các cửa sông lớn của các con sông Lòng Tàu, Cái Mép, Gò Gia, Thị Vải, Soài Rạp, Đồng Tranh

Vị trí của huyện Cần Giờ ở từ 106 độ 46’12” đến 107 độ 00’50” Kinh độ Đông và

từ 10 độ 22’14” đến 10 độ 40’00” vĩ độ Bắc

Cần Giờ có bờ biển dài 13 km từ mũi Cần Giờ đến mũi Đồng Tranh Mũi Cần Giờ cách mũi Nghinh Phong Vũng Tàu 10 km đường biển băng qua vịnh Ghềnh Rái Từ bờ biển nhìn ra là một bãi triều rộng hàng cây số khi triều thấp với khoảng cách từ bờ trên

4 km ở phía mũi Cần Giờ và trên 1 km ở phía mũi Đồng Tranh Nhìn chung toàn bãi Cần Giờ là một bãi bồi rộng đến trên 100 km2 Cũng cần phải nói thêm rằng, bãi Cần Giờ là đoạn bờ biển phía Đông cuối cùng của dải bờ biển Việt Nam (tính từ Bắc vào Nam) có khả năng cải tạo phục vụ du lịch, tắm biển Đi xa hơn xuống phía Nam, bờ biển bị sình lầy khống chế và ít có giá trị phục vụ du lịch – nghỉ ngơi – giải trí

Với tiềm năng và lợi thế sẵn có, trong những năm qua, huyện Cần Giờ đã đẩy nhanh tốc độ phát triển một số lĩnh vực kinh tế then chốt như: nuôi trồng và đánh bắt thủy hải sản, sản xuất muối, thu hút du lịch, nông nghiệp và một số dịch vụ, nhằm đưa dân chúng thoát ra khỏi sự nghèo đói và từng bước đuổi kịp các quận huyện khác của thành phố Nhịp độ phát triển kinh tế khá cao của huyện trong những năm qua và quá trình đô thị hóa đang từng bước đượchình thành tại một số vùng trong huyện, đã gây sức ép nặng nề lên tài nguyên rừng – biển và xuất hiện những dấu hiệu, những nguy cơ đe dọa đối với hệ sinh thái rừng ngập mặn và cảnh quan thiên nhiên trên địa bàn Đặc biệt hiện tượng xâm nhập mặn do biến đổi khí hậu càng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và cuộc sống của người dân Tình trạng thiếu nước ngọt sử dụng cho nhu cầu hang ngày càng khan hiếm tác động xấu đến sức khỏe, ảnh hưởng chất lượng cuộc sống, thiệt hại về kinh tế - xã hội Do đó, việc tận dụng lọc được nguồn nước mặn thành nước ngọt phục vụ cho người dân đóng vai trò hết sức quan trọng

Chưng cất qua nhiều ngăn: Các nhà máy chưng cất có thể tạo ra nước có hàm

lượng TDS từ 1-50 mg/l Các chất làm sạch dạng kiềm loại bỏ được được các chất gây tắc nghẽn dạng hữu cơ, còn các chất làm sạch dạng axit loại bỏ được các cặn và muối Trong quá trình chưng cất, nước được đun nóng và bay hơi; hơi ngưng tụ chính là nước sạch có hàm lượng TDS rất thấp, nước muối cô đặc là sản phẩm dư lại

Các muối vô cơ và các chất hữu cơ tự nhiên có khối lượng phân tử lớn không dễ bay hơi và cũng không dễ phân tách Tuy nhiên, các hóa chất dễ bay hơi lại có thể dễ dàng xuất hiện trong quá trình khử trùng bằng clo trước đó, do bị tràn hoặc ô nhiễm khác

Chưng cất nhiều công đoạn: bao gồm các đường ống đặt dọc và ngang Hơi nước

được tạo ra từ một buồng sưởi ấm được chuyển giao cho buồng tiếp theo để đun sôi nước cấp bổ sung, trong đó sản xuất hơi nước trong một chuỗi các công đoạn Các năng lượng tái sinh cung cấp tiết kiệm năng lượng cho quá trình bốc hơi nhiều công đoạn Quá trình này đòi hỏi một loạt các buồng cho nước cấp chảy qua hoặc phun (thường là nước biển) Chảy qua một loạt các ống mang hơi tạo ra từ buồng trước Nhiệt trao đổi

từ hơi nước nước cấp làm hơi nước ngưng tụ, và thu thập như nước ngọt từ mỗi buồng Các buồng được duy trì ở mức độ giảm áp lực và tăng mức độ bằng nhiệt độ Khi nước bay hơi trong mỗi buồng (có hiệu lực), muối từ nước biển là thu thập như nước muối ở dưới cùng của hiệu ứng và cuối cùng thải ra

Chưng cất bằng nén hơi:Các hệ thống này nén hơi nước gây ra sự ngưng kết trên bề mặt truyền nhiệt (ống dẫn), cho phép nhiệt truyền vào dòng nước mặn và ngưng kết ở phía bên kia của ống dẫn Máy nén cần nguồn năng lượng lớn, làm tăng áp suất bên có hơi và làm giảm áp suất ở bên chứa nước mặn xuống dưới nhiệt độ sôi của chúng Chưng cất nén hơi là một quá trình khép kín ở đó nhiệt cần thiết cho lò hơi và bình ngưng được tái chế Nước đầu tiên thông qua một hệ thống các tấm làm nóng để đưa nó đến nhiệt độ sôi Điều này tạo ra hơi nước, sau đó được nén để tăng nhiệt độ của nó Hơi làm nóng được sử dụng để làm nóng nước hơn, nhiệt tiêu tán, tạo hơi nước Ngưng tụ

và được thu thập như nước ngọt Thông thường, quá trình này được bổ sung bởi một gia nhiệt thứ cấp để bù đắp cho bất kỳ sự khác biệt trong năng lượng nhiệt cần thiết từ năng lượng nhiệt thực tế của hơi nén Quá trình tiếp tục trong một vòng khép kín các hồ chứa nước trở nên ngày càng tập trung và cuối cùng thải ra khi nó đạt đến một mức độ tập trung cụ thể

b Công nghệ màng

 Điện phân đảo ngược (EDR):

Sử dụng các nguyên tắc của phương pháp điện tích ion riêng biệt, sử dụng các điện tính phí Điện phân DC hiện tại được áp dụng cho hai điện cực, với các ion natri mang điện tích dương chảy về phía cực âm và tiêu cực clorua tính ion về phía anode Bằng cách áp dụng lớp màng chọn lọc ion giữa cathode và anode dòng nước có thể được tách thành khử muối và muối tập trung suối EDR hoạt động trong cùng một cách, nhưng dòng điện DC liên tục đảo ngược để xóa bề mặt màng Điều này có thể làm giảm các tác động của ô nhiễm và mở rộng quy mô để tăng tuổi thọ màng Trong một số trường hợp EDR có thể được so sánh với RO xử lý nước lợ

- EDR có khả năng xử lý nước silica cao thu hồi nước không bị giới hạn bởi silica, như trình tự nó không loại bỏ silica

- EDR màng là không nhạy như màng RO để loại đục, clo và silica

- EDR là không có hiệu quả trong việc loại bỏ các mầm bệnh (~ 5% loại bỏ), là khác nhau hiệu quả trong việc loại bỏ các chất phóng xạ (50% - 90%) và không

có hiệu quả trong loại bỏ thuốc trừ sâu và cacbon hữu cơ dễ bay hơi (~ 5%)

- EDR thường có một đơn vị chi phí thấp hơn cho nước hơn quá trình màng RO vì chi phí xây dựng và vận hành thấp hơn với các nguồn nước thô

- Phục hồi từ 80% đến 94% là có thể đạt được với EDR, sản xuất ít nước muối

- Thông thường, EDR là không cạnh tranh cho các nguồn nước có TDS lớn hơn

2000 mg/L

- Mở rộng quy mô trên đơn vị EDR permanen

 Màng RO hiệu suất cao

Cao hiệu quả thẩm thấu ngược (HERO ™) là một công nghệ cấp bằng sáng chế trong đó đặc biệt có tiền xử lý loại bỏ các chất gây ô nhiễm và các chất rắn nhất định và làm tăng độ pH của nước trước khi thực hiện RO Công nghệ này được phát triển bởi Deb Mukhopadhyay, có được bằng sáng chế cấp phép của một số nhà phân phối, bao gồm GE và Aquatech Các quá trình liên quan đến việc trao đổi cation để loại bỏ độ cứng, khử khí độc carbon dioxide (CO2) và loại bỏ kiềm do tăng pH trên 8,5 Việc tăng cường quá trình tiền xử lý làm cho HERO ™ thích hợp cho các ứng dụng thông thường

RO không thể thực hiện, ví dụ như nước ngầm có hàm lượng silica cao Các môi trường

pH cao làm giảm sự cần thiết phải làm sạch các module RO bằng cách giảm silica rộng, dầu, mỡ bẩn và các hạt ô nhiễm hữu cơ sinh học HERO ™ cũng có một tỷ lệ thu hồi nước trên 90% và đặc biệt phù hợp cho các hệ thống nước cấp công nghiệp Sự phục hồi cao cũng làm giảm đáng kể khối lượng muối cần điều trị thêm Các quá trình rất phức tạp hơn để hoạt động và phụ thuộc nhiều vào liều hóa chất Họ thường được coi là chỉ khi thông thường RO là không khả thi vì các yêu cầu phục hồi cao, chất lượng nước cấp nghèo

c Các công nghệ mới

 Màng chưng cất

Chưng cất màng sử dụng sự khác biệt về nhiệt độ để loại bỏ nước ngọt từ nước muối ăn qua màng kỵ nước Vì đây là một công nghệ mới nổi, vẫn còn có những chỉ một vài cài đặt thương mại Một lợi ích của công nghệ chưng cất màng là nó hoạt động ở áp suất khí quyển, sử dụng nhiệt là nguồn năng lượng Vì lý do này, nó là thích hợp nhất, nơi một nguồn nhiệt thải có sẵn Quá trình này được giới hạn bởi một tỷ lệ thông lượng thấp, đòi hỏi lớn hơn và nhiều hơn nữa cài đặt tốn kém hơn so với các công nghệ cạnh tranh Nghiên cứu công nghệ này là tiếp tục, trong đó ưu tiên để tăng tỷ lệ thông lượng để nâng cao hiệu quả năng lượng mặt trời cũng đang được nghiên cứu để sử dụng như một nguồn nhiệt, mà sẽ làm cho công nghệ phù hợp hơn cho các ứng dụng xử lý nước lợ ở các vùng nông thôn

 Tạo hơi nước bằng năng lượng mặt trời

Phương pháp này sử dụng các khái niệm đơn giản của truyền nhiệt từ trực tiếp từ ánh sáng mặt trời, sử dụng nguyên liệu năng lượng mặt trời hấp thụ để làm cho ẩm nước thô và nước ngưng tụ thành nước uống Thách thức là hệ thống thiết kế tối đa hóa nhiệt

và khối lượng trao đổi sử dụng hình học bề mặt tối ưu Nó cũng có lợi để giảm nhiệt độ khoảng cách để khai thác năng lượng nhất từ các nguồn nhiệt Nói chung, buồng ẩm và khử ẩm được tách ra Tuy nhiên, một số hệ thống di động thương mại sẵn có sử dụng một buồng duy nhất cho cả hai bốc hơi nước và ngưng tụ Như khử muối nhiệt là một quá trình tốn nhiều năng lượng, sản xuất khối lượng của các hệ thống dựa trên quyền lực năng lượng mặt trời là hạn chế và thường thích hợp cho di động quy mô nhỏ ứng dụng, trừ khi có quy mô lớn tập trung mảng phản xạ năng lượng mặt trời được sử dụng

d Ứng dụng khử muối sáng tạo

 Màng RO kết hợp năng lượng mặt trời

Thẩm thấu ngược lắp đặt pin mặt trời (Rosi) kết hợp các công nghệ màng vật lý lọc và RO khử muối bằng quang điện (PV) máy phát điện năng lượng mặt trời là năng lượng của nó nguồn Hệ thống này được thiết kế để sử dụng trong khu vực từ xa mà không có nguồn cung cấp điện lâu dài Phương pháp này là thích hợp cho việc triển khai nhanh chóng và cài đặt tạm thời Các hệ thống có khả năng sản xuất nước uống trong khoảng 100 lít/ngày đến 500 L/d từ lợ nguồn nước ngầm RO khử muối đòi hỏi một lượng lớn năng lượng để hoạt động vì bơm cao áp lực cần thiết Khi các hệ thống pin mặt trời nói chung là không thể cung cấp năng lượng cần thiết cho vận hành máy bơm

áp lực cao, một hệ thống pin riêng biệt là cần thiết để lưu trữ năng lượng và phát hành

nó ở theo yêu cầu Điều này cho biết thêm số lượng lớn và chi phí cho hệ thống Rosi vượt qua này thách thức bằng cách điều hành quá trình khử muối ở áp suất thấp với sự phục hồi thấp hơn nhiều hơn một cài đặt bình thường Phục hồi trong hệ thống là khoảng 10%, phần còn lại 90% bị thải bỏ

 Khử muối tại chỗ

Khử muối tại chỗ (In situ desalination - ISD) là một khái niệm độc quyền kết hợp một màng RO và một máy bơm giếng khoan Đây là chèn trực tiếp vào một lỗ khoan vào một tầng nước lợ ngầm Nước được bơm từ các tầng chứa nước qua màng, có thấm nhập được chuyển giao lên các lỗ khoan với bề mặt và chất thải nước muối còn lại ở lại trong tầng nước ngầm Các quá trình được cho là bắt chước các chu kỳ thủy văn tự nhiên của cây Công nghệ này có một số lợi ích Sự khác biệt lớn từ nước thông thường xử lý

là tối thiểu cơ sở hạ tầng trên mặt đất Một bơm duy nhất được sử dụng để xử lý và cung cấp nước, giảm được thiết bị và năng lượng yêu cầu Vì chỉ có những sản phẩm nước là đưa lên mặt đất, không có dòng nước muối thải bỏ, chi phí hoạt động sẽ thấp hơn Hạn chế lớn nhất là việc kiểm soát về chất lượng của sản phẩm nước ISD bao gồm một màng RO đơn và một máy bơm tốc độ cố định, trong đó cung cấp cho các nhà điều hành ít kiểm soát sự phục hồi của quá trình khử muối Khi chất lượng thấm nước là xác định bởi chất lượng nước ngầm ở tầng nước ngầm, nó sẽ thay đổi nếu độ mặn của thay đổi nước ngầm

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Hiện nay, cùng với sự phát triển của các loại màng lọc nước như màng MF, UF, thẩm thấu ngược RO, ED…, nước ngọt có thể được sản xuất ra từ nước mặn hay nước

lợ thông qua quá trình khử mặn, giảm hàm lượng TDS trong nước Một số phương pháp khử mặn đã được nghiên cứu triển khai và áp dụng thành công trong thực tế tại nhiều nước trên thế giới cũng như tại nhiều địa phương ở Việt Nam:

- Phương pháp thẩm thấu ngược RO

- Phương pháp chưng cất bằng năng lượng mặt trời SD

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống chưng cất SD

- Phương pháp điện thẩm tích (Electrodialysis -ED)

Hình 1.7 Màng lọc điện thẩm tích ED

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống ED

Công nghệ lọc nước biển thành nước ngọt bằng RO đã được lắp đặt thử nhiệm tại một số địa phương như: trên tàu đánh bắt xa bờ của ngư dân Đà Nẵng, xử lý nước biển thành nước ngọt cho giàn khoan dầu khí tại tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, xử lý nước mặn phục

vụ cho ăn uống và sinh hoạt tại Sư đoàn 4, tỉnh Kiên Giang (công suất 140 m3/ngđ),…

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống lọc nước biển bằng công nghệ RO

Giai đoạn 1: Tiền xử lý: Là giai đoạn lắng và lọc sơ bộ để loai bỏ rác, cặn lắng, các chất rắn lơ lửng, điều chỉnh pH

Giai đoạn 2: Điều áp: Sử dụng bơm tăng áp lực điều chỉnh áp lực nước phù hợp với các màng lọc và độ mặn của nước cấp

Giai đoạn 3: Tách màng: Đây là giai đoạn quan trọng nhất, tách muối ra khỏi nước Trên nguyên tắc dùng áp lực cao hơn áp lực thẩm thấu, nước được bơm qua hệ thống lọc RO dưới áp lực cao tạo thành dòng nước tinh khiết và dòng muối đậm đặc Qua kiểm nghiệm, nước ngọt thu được bảo đảm như nước tinh khiết, các chất bẩn nguy hại như nitrat, ion kim loại, sunfat, chất bẩn hữu cơ và vi khuẩn… hầu như bị loại bỏ

Giai đoạn 4: Ổn định: Nước sau khi được tách muối được ổn định pH, sau đó mang

đi khử trùng và đưa vào sử dụng Vì qua màng lọc có thể mất khoáng nên trước khi cấp nước người ta có thể bổ sung thêm một số khoáng chất cần thiết cho cơ thể

Ngoài ra, công nghệ lọc bằng màng RO đã được áp dụng rất nhiều tại Việt Nam như: lọc nước uống, áp dụng trong công nghiệp…

1.4 Tổng quan về màng RO

1.4.1 Nguyên lý hoạt động màng RO

Nguyên lý hoạt động của màng lọc RO theo một cơ chế ngược lại với các cơ chế lọc thẩm thấu thông thường (nhờ lực hấp dẫn của trái đất để tạo ra sự thẩm thấu của các phân tử nước qua các mao mạch của lõi lọc) Màng lọc RO hoạt động trên cơ chế chuyển động của các phần tử nước nhờ áp lực nén của máy bơm cao áp tạo ra một dòng chảy mạnh (đây có thể gọi là quá trình phân ly trong chính dòng nước ở môi trường bình thường nhờ áp lực) đẩy các thành phần hóa học, các kim loại, tạp chất, có trong nước chuyển động mạnh, văng ra vùng có áp lực thấp hay trôi theo dòng nước ra ngoài theo đường thải (giống như nguyên lý hoạt động của thận người) Trong khí ấy các phân tử nước thì lọt qua các mắt lọc cỡ kích cỡ 0,0001 micromet (nhỏ hơn 500,000 lần so với đường kính một sợi tóc của con người) nhờ áp lực dư, với kích cỡ mắt lọc này thì hầu hết các thành phần hóa chất kim loại, các loại vi khuẩn đều không thể lọt qua

Dòng nước đi vào màng lọc được bơm tư máy bơm nên có áp lực rất lớn chảy theo hướng xoắn ốc đi qua bề mặt màng lọc, nước sẽ bị văng xuống các tầng dưới tập trung ở ống lọc nước thành phẩm hay còn gọi là nước thẩm thấu Nhờ có lớp thẩm thấu được gắn ở giữa tấm lọc giúp nước chảy đều trên màng lọc Sau quá trình tạo ra nước sạch các chất thải được giữ lại sẽ được hòa vào nước và đẩy ra ngoài

1.4.2 Cấu tạo màng RO

Hình 1.10 Cấu tạo lõi lọc RO

Màng RO được cấu tạo từ nhiều tấm lọc RO được cuộn tròn xung quanh ống lọc lại trung tâm Tấm lọc RO được cấu tạo từ 1 tấm màng phẳng bao gồm 3 lớp: lớp vải polyester, xốp polysulfone và lớp lọc polyamide dày chỉ 0,2 micromet Lớp xốp polysulfone có chức năng gia cố cho lớp lọc mỏng, chính lớp lọc này sẽ thực hiện chức năng chính loại bỏ các tạp chất: hóa chất, vi khuẩn và vi rút ra khỏi nước Giữa các tấm lọc đều có tấm đệm tạo khoảng trống cho nước chảy qua

Lõi lọc RO hiện tại được biết đến là lõi lọc được cấu thành bởi các cụm (module) màng lọc được cuộn tròn lại, mỗi một cụm (module) màng lọc bao gồm một màng dẫn nước sạch, một màng lọc thẩm thấu ngược và một màng dẫn nước cấp Những màng trên được xếp chồng lên nhau và quấn quanh ống thu hồi nước sạch trung tâm Màng thẩm thấu ngược được quấn tròn để hình thành kênh nước cấp ở giữa hai bề mặt ngoài liền kề của màng Kênh nước sạch được hình thành từ mặt trong liền kề của màng lọc thẩm thấu ngược Màng dẫn nước sạch nằm giữa kênh nước sạch này Lõi lọc thẩm thấu ngược RO loại này các mép được dán kín ở 2 mép bên của kênh nước sạch và 1 mép một ở cách xa ống thu hồi nước sạch trung tâm Do đó, nước sau khi thẩm thấu sẽ chảy tập trung về một bên mép còn lại và nối với ống dẫn nước sạch trung tâm Sau khi cụm (module) màng lọc được quấn quanh ống nước sạch trung tâm, toàn bộ mặt ngoài của lõi lọc sẽ được bọc bởi một màng nhựa mỏng bên ngoài được dán kín trừ 2 đầu của lõi lọc Các loại màng lọc này thường ở dạng lưới lọc với mao quản kích cỡ nhỏ, để ngăn chặn các chất bẩn một cách hiệu quả Tuy nhiên hạn chế của nó là không thể loại bỏ

được các thành phần độc hại, các chất ô nhiễm vì cấu trúc phân tử của chúng quá bé và không thể bị ngăn chặn được hoàn toàn nếu chỉ dùng nguyên lý lọc thông thường này

Do đó, không tạo ra được một nguồn nước sạch tuyệt đối Ngoài ra do kênh nước cấp rộng và đường đi của nước ngắn thì tốc độ dòng chảy của nước cấp dọc theo kênh nước cấp là tương đối thấp và dẫn đến hiện tượng phân cực nồng độ rất dễ xảy ra trên bề mặt của màng lọc Điều này dẫn đến làm tăng tốc độ bám bẩn màng lọc, giảm tỉ lệ loại bỏ tạp chất, năng suất lọc thấp và tuổi thọ lõi lọc ngắn Để giảm thiểu điều này, trong mô hình thí nghiệm còn lắp thêm bộ phận phát điện từ

1.4.3 Từ trường

a Cuộn cảm

Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm) là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo từ một dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Cuộn cảm có một độ tự cảm (hay từ dung) L đo bằng đơn vị Henry (H) Đối với dòng điện một chiều (DC), dòng điện có cường độ và chiều không đổi (tần số bằng 0), cuộn dây hoạt động như một điện trở có điện kháng gần bằng không hay nói khác hơn cuộn dây nối đoản mạch Dòng điện trên cuộn dây sinh ra một từ trường, B, có cường độ và chiều không đổi Khi mắc điện xoay chiều (AC) với cuộn dây, dòng điện trên cuộn dây sinh

ra một từ trường, B, biến thiên và một điện trường, E, biến thiên nhưng luôn vuông góc với từ trường Độ tự cảm của cuộn từ lệ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều Cuộn cảm L có đặc tính lọc nhiễu tốt cho các mạch nguồn DC có lẫn tạp nhiễu ở các tần số khác nhau tùy vào đặc tính cụ thể của từng cuộn cảm, giúp ổn định dòng, ứng dụng trong các mạch lọc tần số Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh từ trường và trở thành nam châm điện Khi không có dòng điện chạy qua, cuộn day không có từ Từ trường sản sinh tỉ lệ với dòng điện:

B.A=IL

Hệ số tỷ lệ L là từ dung hay độ tự cảm, là tính chất vật lý của cuộn dây, đo bằng đơn vị Henry - H, thể hiện khả năng sản sinh từ của cuộn dây bởi một dòng điện, A là diện tích bề mặt cuộn dây B.A ứng với từ thông Từ dung càng lớn thì từ thông sinh ra càng lớn (ứng với cùng một dòng điện), và cũng ứng với dự trữ năng lượng từ trường (từ năng) trong cuộn dây càng lớn

b Công nghệ từ trường

Từ trường giúp sắp xếp và làm nhiễm điện các ion trong nước, từ đó các ion nước

có tính phân cực yếu dễ dàng qua màng, trong khi các ion nhiễm điện khác bám dính hoặc đẩy nhau, giúp dễ dàng hòa cùng nước không bị thẩm thấu đi ra nguồn thải

Phương pháp từ trường gồm: một cuộn dây cuộn cảm tạo điện trong nước; các tín hiệu điều khiển được phát ra tạo nên các tần số sao cho tần số đến cuộn cảm luôn khác nhau Các tần số của tín hiệu điều khiển cho cuộn cảm có thể được thay đổi, vì vậy tạo nên hiện tượng cảm ứng điện từ với hai hay nhiều dòng điện trong nước

Trường điện từ có thể có sự phân cực khác nhau Hai hoặc nhiều hiệu quả xử lý có thể liên quan đến một hoặc một phần: hình thành quy mô kiểm soát, kiểm soát vi khuẩn phát triển và hình thành magnetit để ngăn chặn sự ăn mòn Phương pháp này có thể bao gồm đồng thời một hoặc nhiều kỹ thuật xử lý vào nước Các dải tần số được phát ra có thể từ 1 kHz và 500 kHz Các cuộn dây cuộn cảm có thể có trường điện từ có tần số khác nhau như vậy là hai hoặc nhiều tác dụng điều trị điện từ cảm Cuộn cảm được sử dụng trong mô hình có điện trở 8Ω, cường độ dòng điện 10 kHz, dòng điện phát ra là 10V - 2A Công nghệ từ trường: sử dụng dây đồng tạo thành cuộn cảm, vị trí thiết kế cho hệ thống từ trường là các dây đồng quấn dày đặt ngoài thành ống dẫn nước nhựa PVC nối với chip điều khiển bằng dây điện, nhằm hạn chế tổn thất cường độ từ theo thời gian sử dụng Dòng từ trường được tạo ra bởi chip điều khiển được chế tạo riêng biệt

Hình 1.11 Hệ thống từ trường bằng cuộn cảm

c Mục đích kết hợp màng RO và từ trường

Một số màng lọc nước biển đã gặp phải hiện tượng bộ màng lọc RO trong máy bị nghẽn hoàn toàn chỉ sau 6 tháng hoạt động, một số khác phải thay màng lọc ngay sau khi thời gian bảo hành hết hạn bảo hành Với những máy lọc kém chất lượng này thì chi phí mua máy ban đầu có thể thấp nhưng chi phí thay màng sau năm đầu tiên hoặc thậm trí sau 6 tháng có thể chiếm 20% đến 30% giá thành mua máy ban đầu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Sơ đồ nghiên cứu

Các bước nghiên cứu được tiến hành theo sơ đồ sau:

Thực hiện thí nghiệm Thiết lập mô hình thí nghiệm

Thu mẫu phân tích

Phân tích số liệu và viết báo cáo

Chạy 3 giờ đầu Nghiên cứu tài liệu

 Vị trí lấy mẫu:

ứng dụng nhiều trong xử lý nước Cho đến nay rất nhiều thiết bị từ trường sử dụng trong

xử lý nước, chống kết dính các chất hóa học vào thành ống và lò hơi đã được sản xuất

và thương mại hóa Các nhà khoa học đã phát hiện rằng một dây dẫn điện sinh ra một lực mà lực này có tác dụng làm di chuyển các hạt mang điện từ thế kỷ 19 Lực này là lực từ trường Đơn vị đo lường cường độ từ trường là A/m (Ampe/mét) hoặc V/m (Volt/mét) Thông thường, độ mạnh của từ trường được dùng để chỉ số lượng đường liên quan đến từ trường hay còn gọi là mật độ dòng từ trường Mật độ dòng từ trường là

số đường từ đi qua một đơn vị diện tích bề mặt, tính là Gauss (G) Thỉnh thoảng mật độ dòng từ trường được tính bằng Tesla (T), với 1 T = 10000 G Cường độ từ trường giảm nhanh với khoảng cách từ vị trí thiết bị phát ra từ trường Ví dụ, cường độ từ trường của các thiết bị gia dụng thì từ trường bị triệt tiêu trong vòng 2 - 7 m; Cường độ từ trường của các thiết bị phân phối điện (10 – 100 V/m) bị biến mất trong khoảng từ 50 – 300 m (U.S congress, 1989) Do đó, công nghệ từ trường trong xử lý nước chỉ áp dụng trực tiếp lên các đối tượng cần xử lý, không thể áp dụng ở những vị trí quá xa từ tính Công nghệ từ trường được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý cáu cặn bám trong lò hơi kể từ sau khi bằng sáng chế cấp cho hay như đã đề cập ở trên Khi nước đi qua khu vực từ trường, các phân tử có cực tự sắp xếp theo trật tự, chính vì thế đặc tính hóa lý của nước

sẽ thay đổi như thay đổi độ hòa tan của muối, thay đổi độ nhớt, độ dẫn điện, pH, sự lắng của các hạt (Carbonell et al., 2002)

Ngày nay, từ trường đã được áp dụng đa dạng trong ngành liên quan nước Việc chống đóng cáu cặn trong hệ thống nước đã được công bố trên cơ sở thay đổi dòng chảy hoặc thay đổi độ xáo trộn của nước trong đường ống với hệ từ trường lắp đặt một góc

90o, kết hợp với cường độ từ trường là 1.250 G và 1.500 G (Busch và Busch, 1997) Phương pháp từ trường đã được áp dụng trong xử lý nước thải và có hiệu quả trong việc giảm nhu cầu oxy hóa học (COD), độ cứng và chất rắn lơ lửng tại cường độ từ trường

879 G (Rao và Sahu, 2013) Bên cạnh đó phương pháp từ trường có hiệu quả trong việc hạn chế sự bốc hơi nước thông qua nghiên cứu sự bốc hơi nước của nước cất, nước cấp

và dung dịch muối 0,026 M (Carbonell et al., 2002)

Điện trở cuộn cảm: 8 Ω

Cường độ: 10 kHz

Dòng điện ra: 12V – 2A

Hình 2.3 Bộ tạo từ trường

Bộ tạo từ trường tạo ra một môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động, do sự biến thiên của điện trường nhờ vào cuộn cảm Khi mắc điện xoay chiều (AC) với cuộn dây, dòng điện trên cuộn dây sinh ra một từ trường, B, biến thiên và một điện trường, E, biến thiên nhưng luôn vuông góc với từ trường Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh từ trường và trở thành nam châm điện

Khi nước đi qua một từ trường, cực của từ trường làm cho các phân tử tự sắp xếp theo một cách mà làm các tính chất hóa lý của nước bị thay đổi; tăng lượng muối hòa tan (Carbonell et al., 1996), sự thay đổi của độ nhớt (Ramos, 1994), pH (Srivastava et al., 1978), độ dẫn điện (Díaz et al., 2001), hình dạng tinh thể (Coey et al., 2000), kích thước hạt và kết tủa hợp chất (Barnothy, 1964) là hệ quả của xử từ trường của nước đã được báo cáo

2.2.3 Lọc thô

Lõi được cấu tạo bởi sợi bông xốp của nhựa polyproplene, sau đó được nén chặt

lại, tạo ra các khe lọc khác nhau Với máy gia đình, máy thường sử dụng lõi lọc nước với

khe lọc 5 micron Chức năng: lõi chủ yếu có chức năng lọc các chất huyền phù, các dạng rỉ xét, bùn đất hay các vật chất lơ lửng trong nước, đồng thời cũng ngăn cản bớt các yếu

tố vi sinh tràn vào bên trong hệ thống

Thay thế: về bản chất, sợi PP này không bị hỏng, tuy nhiên, khi sử dụng lâu ngày, các chất ô nhiễm tích lũy, gây ra nguy cơ giữ các chất bẩn trong hệ thống, khó có thể làm sạch bằng phương pháp rửa Các chuyên gia khuyến cáo không nên sử dụng lõi PPF quá 6 tháng

Hình 2.4 Lộc thô

Nguyên liệu Màng thẩm thấu ngược RO

Chức năng Màng thẩm thấu ngược RO sử dụng chất liệu đặc biệt

tạo khe hở 0,0001 Micron Loại bỏ hoàn toàn các loại chất rắn, khí hòa tan trong nước Loại bỏ các ion kim loại, kim loại nặng Loại bỏ hoàn toàn các vi sinh vật, vi khuẩn Loại

bỏ hoàn toàn các chất hữu cơ làm cho nước hoàn toàn tinh khiết nhưng không làm thay đổi yếu tố hóa lý của nước

Khi bố trí van xả tay bên cạnh van hạn chế nước thải nhằm tự vệ sinh màng RO định kì Khoảng 2 - 5 ngày, mở van này khi máy bơm đang hoạt động Lúc này, thay vì nước chảy qua màng RO, nước sẽ xả mạnh ra ngoài cuốn đi lưọng bám bẩn tích tụ trên

bề mặt màng RO

2.2.6 Máy đo độ dẫn điện

Máy SCM-902A dùng đo dung dịch có độ dẫn cao đến 200 mS/cm như nước

Điện cực graphit loại siêu sạch, trơ đối với các

hóa chất ăn mòn

Tự động báo nguồn điện yếu mặt hiển thị LCD hiện chữ "LOBAT"

Độ dẫn điện là phân tích theo phương pháp điện hóa, dựa trên khả năng dẫn dòng điện của nước, từ đó có thể ước tính được tổng chất rắn hòa tan trong nước

- Độ dẫn điện là khả năng để tạo thành dòng điện tích của dung dịch Nồng độ các ion trong nước càng cao (từ các muối) thì khả năng dẫn điện càng tốt