Phát triển công nghệ chưng cất màng dạng ống trong xử lý nước mặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ THỊ TRÀ MY PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT MÀNG DẠNG ỐNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC MẶN DEVELOPMENT OF SUBMERGED - TUBULAR DIRECT CONTACT MEMBRANE DISTILLATION TECHNOLOGY IN SALTWATER DESALINATION Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Mã số : 60520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHl NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGÔ THỊ TRÀ MY MSHV: 1670377 Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1993 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số : 60520320 I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng Công nghệ Chưng cất màng dạng ống xử lý nước mặn - Application o Submerged Tubular Dữect Contact Membrane Distillation Technology in saltwater desalination II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phát hiển công nghệ chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp việc sử dụng màng dạng ống nhúng chìm nước, khảo sát điều kiện tối ưu, bao gồm : • • • • • • Nhiệt độ dòng vào - nóng ; Nhiệt độ dòng cất - mát; Chênh lệch nhiệt độ bề mặt màng ; Bề dày lớp đệm; Kích thước lỗ màng ; Nồng độ TDS đầu vào ; Ngoài ra, đánh giá hiệu khử mặn hệ thống hoạt động theo thời gian dài đánh giá bẩn màng thực luận vãn III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo ừong QĐ giao đề tài) 26/02/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) 02/12/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): CBHD1 : TS Nguyễn Công Nguyên, CBHD2 : PGS.TS Bùi Xuân Thành Tp HCM, ngày tháng năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN (Họ tên chữ ký) LVThS - 2018 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực luận văn, tơi nhận nhiều giúp đỡ thầy cô, bạn bè, sinh viên, gia đình người xung quanh Đầu tiên, tơi xin gửi lòi cảm ơn chân thành đến PGS.TS Bùi Xuân Thành, thầy tận tâm hướng dẫn tạo điều kiện tốt cho ừong suốt q trình thực luận văn Tơi xin gửi lòi cảm ơn đến thầy Nguyễn Cơng Ngun - chuyên gia lĩnh vực chưng cất màng trường đại học Đà Lạt Mặc dù khoảng cách xa thầy thường xuyên liên lạc hướng dẫn trực tuyến để tơi hồn thành tốt luận vãn Đồng thời, xin cảm ơn đến GS Shiao-Shing Chen, người cung cấp màng đưa lòi khun cho tơi cải thiện hướng nghiên cứu; đồng thời nhóm nghiên cứu thầy trường Đại học kỹ thuật Quốc gia Đài Bắc (Đài Loan) hỗ ừợ đo góc tiếp xúc số hình ảnh bề mặt màng Bên cạnh đó, xin cảm ơn q thầy Ương Khoa Mơi Trường Tài nguyên Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức để tơi sử dụng phục vụ cho luận vãn Tôi xin cảm ơn sinh viên Võ Thị Yen Nhi, Nguyễn Thị Diễm Ngọc, Lê Thị Hương, Lìu Sì Kín sinh viên quốc tế Aude Sagnimorte tơi vượt qua thời kì khó khăn hỗ ừợ nhiệt tình ừong suốt thời gian thực luận vãn Cuối cùng, xin cảm ơn đến bạn bè, sinh viên ừong nhóm BIOSEP nhiệt tình giúp đỡ suốt trình lấy nước làm thí nghiệm Tơi gửi lòi xin cảm ơn tới gia đình người thân quen, họ không động viên tinh thần giúp học tập làm việc tốt, mà bỏ thòi gian cơng sức để hồn thiện mơ hình nghiên cứu giúp luận vãn tơi hồn thành Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I i LVThS - 2018 TĨM TẮT Ngày nay, nhiều cơng nghệ khử mặn phát triển, nhiên tồn số thách thức, chẳng hạn lượng tiêu thụ, chi phí đầu tư khả xử lý nước có độ mặn cao Là phần hệ thống chưng cất màng (MD), công nghệ chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp (DCMD) hệ thống đơn giản hiệu trình MD Luận vãn nghiên cứu thiết kế hệ thống DCMD với màng dạng ống đơn giản đặt nhúng chìm nước đầu vào để giảm chi phí đầu tư vận hành Màng kỵ nước sử dụng nghiên cứu làm vật liệu Polytetrafluoroethylene - PTFE với diện tích hiệu dụng 0.02 m2 Toàn hệ thống màng đặt ngập nước Một số thông số theo dõi suốt thí nghiệm, chẳng hạn TOC, cr, SO42, Ca2+, pH, độ mặn, độ dẫn điện tổng chất rắn hòa tan (TDS) Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ dòng vào - dòng mát, kích thước lỗ màng, độ dày màng nồng độ đầu vào ảnh hưởng đến thơng lượng dòng thấm; nhiên, chất lượng nước đầu không bị ảnh hưởng Sau hai tháng vận hành mơ hình với nước biển nhiệt độ dòng vào dòng mát 60 ± °C 28 ± °C, màng PTFE có kích thước lỗ rỗng 0.45pm, thơng lượng dòng thấm đạt 1.13 ± 0.21 L/m2h Thông lượng giảm không đáng kể chất lượng nước xử lý tốt, khả loại bỏ độ mặn, TDS, độ dẫn, TOC, Chloride, Sulfate, Calcium 100% 99.98, 99.97, 96.35, 99.98, 99.91 100% Góc tiếp xúc màng giảm từ 123.6 ± 0.8° xuống 78.5 ± 0.4° nguyên nhân màng bị bám bẩn Hình ảnh SEM-EDX chứng minh chất cặn bám bề mặt màng muối CaCO3 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I ii LVThS - 2018 ABSTRACT Nowadays, many desalination technologies have been developed, however some challenges exist, such as consumption energy, investment cost and ability of treating high salinity water Being part of the membrane distillation (MD) system, dữect contact membrane distillation (DCMD) is one of the simplest and most efficient systems This is the first study to design simple submerged tubular DCMD system to reduce investment and operation cost The hydrophobic membrane used in this study was made of Polytetrafluoroethylene - PTFE material with an active membrane area of 0.02 m2 The entire membrane system was submerged in water Several parameters were followed throughout the experiments, for instance TOC, Cl , SO42, Ca2+, pH, salinity, conductivity and Total dissolved solid (TDS) This study showed that some factors, such as feed - cool temperature, membrane pore size, membrane thickness and feed concentration affected to the permeate flux, but the removal efficiency was not significantly changed After 02 months of operation with seawater at feed temperature of 60 ± °C, cooling water of 28 ± °C and PTFE membrane with 0.45 pm as pore size, the flux reached 1.13 ± 0.21 L/m2h The permeate flux wasn't significantly reduced and distillate of high quality was obtained during MD operation process The removal efficiencies of salinity, TDS, conductivity, TOC, chloride, sulfate, calcium reached 100%, 99.98%, 99.97%, 96.35%, 99.98%, 99.91% and 100%, respectively The contact angle of membrane was reduced from 123.6 ± 0.8° to 78.5 ± 0.4° due to membrane fouling SEM-EDX analysis could demonstrate that the scale on the membrane surface was CaCO3 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I iii LVThS - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xỉn cam đoan luận vãn “Phát triển công nghệ chưng cất màng dạng ống xử lý nước mặn” sản phẩm nghiên cứu cá nhân thành viên Biosep, nội dung viết không chép số liệu ừong luận văn thực trung thực Tôi xin chịu ừách nhiệm nghiên cứu Tp.Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 07 năm 2018 Người cam đoan Ngô Thị Trà My Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I iv LVThS - 2018 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC .V DANH MỤC TỪ VIẾT TÁT ix DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC BẢNG BIẺU xiii Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa đề tài 1.5 Tính Chương 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan vấn đề xâm nhập mặn 2.1.1 Xâm nhập mặn yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập mặn 2.1.2 Tình hình xâm nhập mặn ĐBSCL 2.2 Đặc trưng nước mặn thông sổ đánh giá chất lượng nước nhiễm mặn 2.3 Những ảnh hưởng tượng xâm nhập mặn 13 2.4 Một số cơng nghệ xử lý nước nhiễm mặn điển hình 14 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I LVThS - 2018 2.4.1 Công nghệ chưng cất 14 2.4.2 Công nghệ màng 15 2.4.3 Công nghệ điện thẩm tách 16 2.5 Tổng quan công nghệ Chưng cất màng - MD 19 2.5.1 Khái niệm nguyên tắc MD 19 2.5.2 Ưu nhược điểm MD 19 2.5.3 Các cấu hình ừong MD 21 2.5.3.1 Chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp (Dữect contact membrane distillation -DCMD) 21 2.5.3.2 Chưng cất màng có khoảng ttống khí (Aừ gap membrane distillation - AGMD) 22 2.5.3.3 Chưng cất màng sử dụng áp suất chân không (Vacuum membrane distillation - VMD) 22 2.5.3.4 Chưng cất màng sử dụng khí quét (Sweeping gas membrane distillation - SGMD) 23 2.5.4 MàngMD .23 2.6 Các dạng màng sử dụng DCMD 25 2.7 Nghiên cứu DCMD vấn đề màng ảnh hưởng đến trình 27 2.7.1 Những nghiên cứu DCMD 27 2.7.2 Những vấn đề màng ảnh hưởng đến trình DCMD 30 2.7.2.1 Ẩm màng 30 2.7.2.2 Bẩn màng 31 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I LVThS - 2018 3.1 Nội dung nghiên cứu 33 3.2 Vật liệu đối tượng nghiên cứu 34 3.2.1 Màng 34 3.2.2 Dung dịch đầu vào ừong nghiên cứu 37 3.3 Thiết kế mơ hình DCMD thực nghiêm 39 3.4 Khảo sát yếu tổ ảnh hưởng đến khả xử lý hệ thống DCMD 41 3.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ dòng nước nóng .41 3.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ dòng mát 42 3.4.3 Ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ hai bên bề mặt màng 42 3.4.4 Ảnh hưởng độ dày lớp vật liệu đỡ 43 3.4.5 Ảnh hưởng kích thước lỗ màng PTFE 43 3.4.6 Ảnh hưởng nồng độ dòng vào 44 3.5 Khảo sát bẩn màng khả xử lý hệ thống DCMD thòi gian dài 44 3.6 Phương pháp lấy mẫu, phân tích xử lý số liệu .45 3.6.1 Phương pháp lấy mẫu 45 3.6.2 Phương pháp phân tích 46 3.6.3 Phương pháp tính tốn xử lý số liệu 47 Chương 4: KẾT QUẢ 50 4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ dòng nước nóng 50 4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ dòng mát 54 4.3 Ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ hai bên bề mặt màng 57 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I LVThS - 2018 4.4 Ảnh hưửng độ dày lớp vật liệu đỡ 59 4.5 Ảnh hưởng kích thước lỗ rỗng màng 62 4.6 Ảnh hưởng nồng độ đầu vào 65 4.7 Ảnh hưởng đến khả xử lý hệ thống DCMD thòi gian dài 69 4.7.1 Độ mặn 69 4.7.2 TDS 71 4.7.3 TOC 73 4.7.4 Độ dẫn 75 4.7.5 Chloride, Sulfate, Calcium 76 4.7.6 Đánh giá khả khử mặn hệ thốngso với công nghệ RO MSF - công nghệ khử mặn ứng dụng phổ biến 78 4.8 Đánh giá ẩm màng bẩn màng 80 4.8.1 Ẩm màng 80 4.8.2 Bẩn màng 81 Chưong 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 5.1 Kết luận 87 5.2 Kiến nghị 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC i LÝ LỊCH TRÍCH NGANG XXX vi Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 55 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 56 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 57 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 58 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 59 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 60 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 61 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 62 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 63 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 64 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 65 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 66 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 67 LVThS - 2018 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 68 LVThS - 2018 123 Ngô Thị Trà My - 1670377 Trang I 69 ... nhược điểm công nghệ chưng cất lọc màng thông thường, đồng thời đưa kết hợp hiệu ttong trình xử lý nước nhiễm mặn cơng nghệ chưng cất màng sử dụng màng kỵ nước dạng ống đặt ngập nước mặn Bên cạnh... nhiều công nghệ khử mặn phát triển, nhiên tồn số thách thức, chẳng hạn lượng tiêu thụ, chi phí đầu tư khả xử lý nước có độ mặn cao Là phần hệ thống chưng cất màng (MD), công nghệ chưng cất màng. .. khuyết điểm mà ảnh hưởng đến khả xử lý nước nhiễm mặn Vì vậy, nghiên cứu thực nhằm khảo sát đánh giá đề tài Phát triển công nghệ chưng cất màng dạng ống xử lỷ nước mặn , đồng thời tìm điều kiện