b) Sự nhiễm bẩn màng lọc (tắc màng):
II.7 MÀNG NANO XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM MẶN II.7.1 Tính chất của màng NF
II.7.1. Tính chất của màng NF
- Màng NF có thể được chế tạo từ vật liệu polyme hay vật liệu vô cơ. Màng bằng polyme hầu hết là màng đặc khít có cấu trúc dạng lưới và có sự xuất hiện của một số ion nhờ sự tương tác với nước nên màng trương nở và có một số tính chất đặc biệt. Màng bằng vật liệu vô cơ thường là màng có kích lỗ từ 0,5 – 2nm, chúng không bị trương nở trong môi trường nước và giữ nguyên được hình thái cả trong điều kiện khô hoặc ướt. Hầu hết màng NF là màng polyme chế tạo từ vật liệu com- posite với lớp màng mỏng polyamides phủ lên bề mặt polysulphone [12].
- Kích thước lỗ của màng NF tương ứng với khối lượng phân tử giới hạn MW = 200 – 500 g/mol nên màng có thể được ứng dụng để tách các phân tử có khối lượng lớn [13].
- Màng NF có bề mặt tích điện yếu. Nhờ kích thước lỗ của NF nhỏ hơn kích thước của các ion nên tương tác tích điện này đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tách bằng NF. Tính chất này dùng để tách các ion có hóa trị khác nhau.
- NF có thể loại trừ được khoảng 95% muối kim loại hóa trị II và 40% - 60% muối của kim loại hóa trị I nên NF được sử dụng để khử độ mặn của nước biển và nước lợ. Ngày nay với sự cải tiến trong công nghệ chế tạo, các sản phẩm màng NF ngày càng được nâng cao cả về tính năng lẫn hiệu suất xử lý [14].
II.7.2. Cơ chế tách trong quá trình lọc màng NF [32]
Cơ chế vận chuyển chất và quá trình tách của màng NF được cho là khá phức tạp. Tùy thuộc vào vật liệu chế tạo màng, tính chất bề mặt màng hay bản chất dung dịch cần tách mà cơ chế tách diễn ra khác nhau. Dựa vào bản chất của dung dịch cần tách thì quá trình tách bằng màng NF xảy ra các cơ chế sau:
Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST) - Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686 -30-
+ Đối với màng vô cơ: cơ chế sàng (rây lọc) đóng vai trò quan trọng. Khi đó các phần tử được phân tách khỏi nhau nhờ kích thước vật lý của lỗ màng. Cơ chế này xảy ra khi cần phân tách các cấu tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ màng.
+ Đối với màng polyme: cơ chế hòa tan-khuếch tán giữ vai trò chủ yếu. Dung môi sẽ thấm vào vật liệu màng và khuếch tán xuyên qua màng với sự giảm gradient nồng độ. Các cấu tử thấm qua màng và được phân tách nhờ vào sự khác nhau về độ hòa tan (ái lực với màng polyme) và vận tốc khuếch tán xuyên qua màng.
- Nếu dung dịch cần tách là dung dịch điện ly: khi đó cơ chế hòa tan - khuếch tán và cơ chế loại trừ Donnan được cho là hai cơ chế chính của quá trình phân tách.
Loại trừ Donnan: màng NF là màng tích điện tự nhiên, bề mặt màng thường chứa các nhóm mang điện tích khác nhau, trong đó phần lớn là các nhóm chức mang điện âm như nhóm cacboxyl ( COO-) của axit cacboxylic hay nhóm của axit sulphonic ( SO3-), ... Khi đó nếu chất tan tích điện trái dấu với màng sẽ bị hút và ngược lại nếu tích điện cùng dấu sẽ bị đẩy. Loại trừ Donnan hay khả năng tách các thành phần mang điện nhờ khả năng tích điện của màng chính là điểm khác biệt trong cơ chế lọc của màng NF so với màng RO [15].
II.7.3. Vệ sinh màng NF
Các chất gây nhiễm bẩn và tắc màng [16]:
Các chất gây nhiễm bẩn và tắc màng thường gặp là: − Cặn khoáng canxi cacbonat:
• Nguyên nhân: việc bổ sung chất chống cáu cặn vào nước nguồn chưa hiệu quả hoặc việc điều chỉnh pH của nước nguồn làm cho nước có độ pH cao dẫn tới CaCO3 dễ dàng lắng đọng tạo cặn;
• Tác hại: màng bị tắc, gây tác hại cho hoạt động của màng;
• Cách khắc phục: cặn CaCO3 cần được phát hiện sớm và xử lý để bảo vệ hoạt động của màng. Cặn CaCO3 có thể được loại bỏ bằng cách điều chỉnh nước đầu vào ở pH = 3 5 trong thời gian một hoặc 2 giờ hoặc được làm sạch bằng axít citric.
Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST) - Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686 -31-
• Nguyên nhân: việc bổ sung chất chống cáu cặn vào nước nguồn chưa hiệu quả hoặc việc sử dụng axít sunphuric trong điều chỉnh pH của nước nguồn;
• Tác hại: gây tắc màng;
• Cách khắc phục: cặn sunphat được xem là cặn “cứng” và khó loại bỏ hơn cặn canxi cacbonat. Đặc biệt là cặn bari và stronti sunphat rất khó loại bỏ vì chúng không tan trong hầu hết các dung dịch rửa màng, vì vậy cần quan tâm chú ý để ngăn chặn sự hình thành của chúng.
− Cặn canxi photphat: cặn này đặc biệt phổ biến trong nguồn nước cấp bị ô nhiễm hay nước thải đô thị. Cặn photphat canxi có thể được loại bỏ với tác nhân làm sạch có pH axít.
− Ôxit kim loại và hydroxit của chúng (sắt, mangan, đồng, niken, nhôm, …): có nguồn gốc từ sự ăn mòn đường ống, bể chứa; tác dụng giữa ion kim loại hòa tan với tác nhân oxy hóa như không khí, clo, ôzôn, kali pemanganat hay có nguồn gốc từ quá trình tiền xử lý do việc sử dụng chất keo tụ là phèn nhôm hay phèn sắt;
− Cặn silica polyme hóa: cặn này có kết quả từ quá trình quá bảo hòa và po- lyme hóa silica hòa tan, nó khác với cặn silica dạng keo có khả năng kết hợp với hydroxit kim loại và chất hữu cơ. Cặn silica polyme hóa rất khó loại bỏ bằng phương pháp làm sạch với hóa chất truyền thống, làm sạch bằng dung dịch amoni biflouride là biện pháp làm sạch mạnh đã thu được một số thành công nhưng lại dễ gây hư hại cho thiết bị;
− Cặn dạng keo: có thể là keo vô cơ hay hỗn hợp vô cơ và hữu cơ, các phần tử này sẽ lơ lửng trong nước và không bị lắng xuống dưới tác dụng của trọng lực, cặn dạng keo thường bao gồm một hay nhiều thành phần chính như: sắt, nhôm, sunphua hay chất hữu cơ, …;
− Chất hữu cơ tự nhiên (NOM): có nguồn gốc từ sự phân hủy của thực vật vào nước mặt hoặc giếng nước nông, cấu trúc hóa học của chất gây tắc màng dạng hữu cơ này rất phức tạp với thành phần hữu cơ chủ yếu là axit humic hoặc axit fulvic. NOM hòa tan có thể nhanh chóng làm tắc màng vì bị hấp phụ vào bề mặt màng,
Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST) - Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686 -32-
một khi sự hấp phụ đã xảy ra thì quá trình tạo ra các dạng gel hay lớp cặn sẽ bắt đầu hình thành;
− Vi sinh vật (vi khuẩn, vi rút, nấm, …): sự lắng đọng vi sinh vật có thể rất khó loại bỏ, đặc biệt là khi đường ống dẫn dòng vào bị bịt kín, khi đó rất khó để đưa dung dịch rửa vào màng và phân phối dung dịch, để ngăn chặn sự tăng trường của vi sinh vật thì không chỉ cần thiết phải vệ sinh hệ thống màng lọc mà còn vệ sinh cả quá trình tiền xử lý, đường ống, ...
Như vậy màng cần được vệ sinh để loại bỏ cặn bẩn làm tắc màng và khôi phục khả năng lọc của màng.
Xác định thời điểm cần vệ sinh màng NF [16]: căn cứ để tiến hành vệ sinh màng được xác định dựa vào một trong những thông số sau:
− Tốc độ dòng thấm giảm ∆ % 10%;
− Nồng độ muối trong dòng thu hồi tăng ∆ % 5 10%;
− Chênh lệch áp suất giảm ∆ % 10 15 % (∆ = áp suất đầu vào – áp suất dòng thải).
Quá trình vệ sinh màng cần được tiến hành trước khi các thông số này vượt quá các giá trị trên để đảm bảo phục hồi và duy trì “điều kiện sạch” của màng. Nếu quá trình làm sạch diễn ra chậm trễ thì sự bám cặn có thể làm ảnh hưởng làm hỏng màng ở mức độ không thể phục hồi từ đó làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của màng.
Tần số làm sạch màng thay đổi phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể, thông thường tần số là rửa một lần trong mỗi khoảng thời gian từ 3 đến 12 tháng.
Các bước vệ sinh màng NF [16], [17]:
Vệ sinh màng cần được tiến hành qua 3 bước cơ bản sau: • Rửa cơ học bằng nước sạch;
• Rửa và ngâm bằng hóa chất vệ sinh màng; • Rửa lại bằng nước sạch.
Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm mặn trên cơ sở công nghệ lọc Nano phục vụ cấp nước vùng duyên hải miền Trung Việt Nam – Nguyễn Thị Thanh Thủy – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (INEST) - Đại học Bách khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686 -33-
Lựa chọn hóa chất rửa màng theo dạng cặn tương ứng [16], [17]:
Hóa chất sử dụng cho quá trình vệ sinh màng phải được lựa chọn tương ứng với thành phần gây cáu cặn chính hoặc theo khuyến nghị của nhà sản xuất [Chi tiết tham khảo phụ lục 3]. Hệ thống màng NF thường không khôi phục được hoàn toàn khả năng làm việc như ban đầu sau khi vệ sinh màng nên việc vệ sinh màng NF cần được thực hiện đều đặn và chu đáo để duy trì hiệu suất làm việc và tuổi thọ của màng.
Việc tính toán hệ thống màng NF được thực hiện nhờ công cụ hỗ trợ là phần mềm ROSA.