Bình, Lý Sơn
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được ở quy mô phòng thí nghiệm, hệ thống AGMD ở quy mô pilot (công suất 1 m3/ngày) được tiến hành khảo sát tại thực địa trên Đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn. So với hệ thống AGMD trong phòng thí nghiệm, hệ thống pilot có diện tích bề mặt màng lớn hơn nhiều lần, lưu lượng tuần hoàn nước cũng cao hơn nhiều. Đặc biệt, với hệ thống AGMD ở quy mô pilot, nhiệt hóa hơi của nước được tận dụng để tiền gia nhiệt dòng nước biển cấp vào khoang làm mát trước khi cấp vào khoang cấp nóng. Do đó, sự phân bố nhiệt độ của các dòng nước trong hệ thống AGMD ở quy mô pilot khác với hệ ở quy mô phòng thí nghiệm. Do đó, việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố vận hành lên hiệu quả hoạt động của hệ AGMD ở quy mô pilot có ý nghĩa quan trọng.
2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nóng đến hiệu suất quá trình AGMD
Nhiệt độ dòng cấp nóng có ảnh hưởng quyết định tới hiệu suất cất nước (lưu lượng nước cất) của quá trình AGMD. Tăng nhiệt độ dòng cấp (60 85 °C) trong khi duy trì nhiệt độ dòng làm mát không đổi ở 20 C làm tăng mạnh lưu lượng nước cất (Hình 26). Điều này là do sự phụ thuộc theo hàm số mũ giữa áp suất hơi nước và nhiệt độ như thể hiện trong phương trình Antoine. Tăng nhiệt độ dòng cấp làm tăng áp suất hơi nước tại bề mặt pha lỏng-hơi tại các miệng lỗ màng bên khoang cấp, do đó làm tăng động lực của quá trình AGMD. Kết quả là tốc độ dịch chuyển hơi nước qua các lỗ màng tăng lên, do đó làm tăng thông lượng nước cất và hiệu suất cất nước của quá trình AGMD. Kết quả thí nghiệm thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây.
Bảng 8. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng nóng lên công suất cất nước ở các nhiệt độ khác nhau.
Các giá trị cụ thể của công suất cất nước và độ dẫn điện của nước cất thu được ở các nhiệt độ dòng cấp nóng khác nhau được cung cấp trong Bảng 8. Khi nhiệt độ dòng nóng là 60 °C sẽ thu được lưu lượng nước cất đạt 23 L/h, lưu lượng nước cất tăng 52% lên 35 L/h khi nhiệt độ đạt 70 °C và sẽ đạt 51 L/h khi nhiệt độ là 85 °C. Nguyên lý của màng MD là cho phép nước bay hơi đi qua các lỗ màng do vậy nhiệt độ càng cao quá trình bay hơi càng mạnh, giúp giảm độ nhớt dung dịch dẫn tới lượng nước thu hồi cao.
Nhiệt độ dòng nóng (°C)
Công suất cất nước (L/h)
Độ dẫn điện của nước cất thu được (µS/cm)
60 23 40
70 35 50
80 45 55
Hình 26. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng cấp nóng lên công suất cất nước (lưu lượng cất) và chất lượng của nước cất thu được.
Kết quả khảo sát thể hiện trên Hình 26 cho thấy rằng vận hành hệ thống AGMD ở quy mô pilot ở nhiệt độ dòng cấp nóng cao mang lại lợi thế về công suất cất nước trong khi ảnh hưởng không đáng kể lên chất lượng nước cất thu được. Tuy nhiên, trong thực tế, có một vấn đề khi vận hành ở nhiệt độ cao đó là nguy cơ tạo lắng cặn trên màng MD. Gryta và các cộng sự đã nghiên cứu và cho thấy, nhiệt độ dòng cấp càng cao thì khả năng gây cặn bẩn màng gây ra do các muối cacbonat càng lớn. Nguyên nhân là do độ tan của muối cacbonat tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch trong khoảng nhiệt độ vận hành của quá trình MD. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng khi vận hành hệ thống ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện các tinh thể CaSO4 nhiều hơn so với CaCO3 và silicate.
Kết quả đo độ dẫn của dòng nước cất trong suốt thời gian khảo sát cho thấy khi tăng nhiệt độ dòng cấp, độ mặn của nước cất thu được gần như không ảnh hưởng. Điều này là do bản chất quá trình AGMD là quá trình chưng cất: khi không có hiện tượng ướt màng, chỉ hơi nước dịch chuyển qua các lỗ màng còn nước lỏng và muối tan bị chặn lại bên dòng cấp. Do đó, khi màng lọc không bị ướt, về nguyên tắc nước cất thu được là nước tinh khiết có hàm lượng muối rất
thấp. Do vậy, nhiệt độ dòng cấp nóng không ảnh hưởng quyết định đến độ mặn của dòng nước cất thu được.
2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng làm mát đến hiệu suất quá trình AGMD
Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng làm mát được thực nghiệm ở 3 dải nhiệt độ 15, 20 và 30 °C trong khi duy trì nhiệt độ dòng cấp nóng tại 85 °C. Nhiệt độ dòng làm mát có ảnh hưởng không đáng kể đến thông lượng lọc và công suất cất nước của hệ thống MD ở quy mô pilot. Khi nhiệt độ dòng làm mát tăng từ 15 °C lên 30 °C thì lưu lượng nước cất giảm không đáng kể từ 53 L/h xuống 48 L/h (Bảng 9 và Hình 27).
Bảng 9. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng lạnh đối với công suất cất nước.
Nhiệt độ dòng lạnh (°C)
Công suất cất nước (L/h)
Độ dẫn điện của nước cất (µS/cm)
15 53 40
20 51 46
30 48 55
Hình 27. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng làm mát lên công suất cất nước và chất lượng nước cất thu được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mô
pilot. 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 15 20 25 30 Đ ộ dẫn đi ện nướ c cấ t ( µS/ cm ) C ông suấ t cấ t nướ c (L/h) Nhiệt độ dòng lạnh
Để giải thích cho kết quả này, Adbullah đã đưa ra lập luận khi tăng nhiệt độ dòng làm mát sẽ làm giảm áp suất chênh lệch hơi qua màng, do đó làm giảm thông lượng cất nước. Tuy nhiên sự giảm áp suất này xảy ra không đáng kể khi nhiệt độ dòng làm mát giảm. Điều này có thể thấy rõ trong mối liên hệ giữa áp suất hơi nước bão hòa và nhiệt độ của nước. Mối liên hệ này theo hàm số mũ: tăng nhiệt độ ảnh hưởng nhiều khi dòng nước ở nhiệt độ cao, ở nhiệt độ thấp khi tăng nhiệt độ của nước áp suất hơi nước tăng không đáng kể. Giảm nhiệt độ dòng làm mát cũng làm tăng năng lượng tiêu thu của máy lạnh vận hành để duy trì nhiệt độ dòng làm mát. Do đó, từ kết quả nghiên cứu này, hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot sẽ được vận hành ở nhiệt độ dòng làm mát là 20 °C.
2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng tuần hoàn nước đến hiệu suất quá trình AGMD
Để đưa ra lưu lượng tuần hoàn nước tối ưu cho hệ thống chưng cất màng AGMD, 4 dải lưu lượng được đưa vào vận hành 300, 360, 480, và 540 L/h. Nhiệt độ dòng cấp nóng được cố định ở 85 °C, nhiệt độ dòng làm mát là 20 °C. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng lưu lượng tuần hoàn nước có ảnh hưởng đến hiệu suất cất nước của hệ thống AGMD ở mức độ khác nhau (Bảng 10 và Hình 28). Tăng lưu lượng tuần hoàn nước làm tăng hiệu suất cất nước thu được.
Bảng 10. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất và độ dẫn điện của nước cất thu được.
Lưu lượng tuần hoàn nước (L/h)
Lưu lượng cất nước (L/h)
Độ dẫn điện của nước cât thu được (µS/cm)
300 40 40
360 51 50
480 69 65
Hình 28. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước đến lưu lượng nước cất thu được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot.
Kết quả trên Hình 28 cho thấy, lưu lượng nước cất có sự gia tăng khi tăng lưu lượng tuần hoàn. Khi vận hành tại lưu lượng tuần hoàn là 300 L/h sẽ thu được lưu lượng nước cất là 40 L/h. Lưu lượng nước cất tăng 12% lên 51 L/h khi lưu lượng tuần hoàn là 360 L/h. Lưu lượng nước cất thu được cũng tăng lần lượt lên 69 và 90 L/h khi lưu lượng tuần hoàn tăng lần lượt từ 480 lên 540 L/h. Với kết quả trên ta nhận thấy khi lưu lượng tuần hoàn tăng 1,8 lần (300→540 L/h) thì lưu lượng nước cất thu được tăng 2,3 lần (40→90 L/h).
Sự tăng lưu lượng cất nước khi tăng lưu lượng tuần hoàn của hệ thống AGMD có thể được giải thích theo 2 cơ chế sau. Thứ nhất, khi tăng lưu lượng tuần hoàn trong khi cố định nhiệt độ dòng làm mát và dòng cấp nóng không đổi sẽ làm tăng nhiệt độ chênh lệch giữa hai bên bề mặt màng dọc theo các kênh màng bên trong mô đun màng AGMD. Cần nhấn mạnh rằng, trong các quá trình MD, nhiệt độ chênh lệch giữa hai bên bề mặt màng là động lực cho sự dịch chuyển hơi nước qua màng lọc, và do đó là động lực ảnh hưởng đển lưu lượng cất nước của quá trình. Khi tăng lưu lượng tuần hoàn, thời gian lưu của dòng nước mát và dòng nước nóng bên trong mô đun màng sẽ giảm xuống, quá trình trao đổi nhiệt từ dòng nóng lần lượt qua màng lọc, lớp đệm không khí, tấm ngưng, và dòng nước mát sẽ giảm xuống. Do vậy, nhiệt độ chênh lệch giữa hai bên bề mặt màng sẽ cao hơn khi lưu lượng tuần hoàn nước tăng. Điều này
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 300 360 420 480 540 L ưu lượng nước c ất (L /h)
làm tăng động lực của quá trình MD, và do đó tăng lưu lượng cất nước. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng lên lưu lượng cất nước khi tăng lưu lượng tuần hoàn là hiện tượng phân cực nhiệt độ và nồng độ. Với quá trình MD, phân cực nhiệt độ và nồng độ đều làm giảm động lực của quá trình, và làm giảm lưu lượng cất nước. Tăng lưu lượng tuần hoàn sẽ làm tăng mức độ chảy rối của các dòng nước sát bề mặt màng, do đó làm giảm hiện tượng phân cực nhiệt độ và nồng độ.
Tăng lưu lượng tuần hoàn giúp tăng lưu lượng cất nước. Song, trong vận hành quá trình AGMD, cần tối ưu lưu lượng tuần hoàn để tránh nguy cơ ướt màng và giảm năng lượng tiêu thụ của quá trình. Tăng lưu lượng tuần hoàn sẽ làm tăng áp suất thủy tĩnh của các dòng nước trên bề mặt màng, tăng nguy cơ ướt màng. Trong các quá trình MD, có một thông số để đánh giá nguy cơ ướt màng gọi là áp suất thấm ướt của chất lỏng (LEP). Khi áp suất thủy tĩnh của các dòng, đặc biệt là dòng cấp, vượt qua giá trị LEP của màng, nước lỏng sẽ thắng được lực cản tạo ra do sức căng bề mặt và thâm nhập vào các lỗ màng lọc. Khi các lỗ màng bị chất lỏng thấm qua, muối tan sẽ đi qua các lỗ màng cùng với chất lỏng, làm giảm chất lượng nước cất thu được. Việc ướt màng cũng làm giảm lưu lượng cất nước của quá trình AGMD do diện tích mặt thoáng dành cho nước bốc hơi bị giảm xuống. Do đó, cần khống chế lưu lượng tuần hoàn nước không quá cao để tránh nguy cơ ướt màng. Tăng lưu lượng tuần hoàn nước cũng làm tăng điện năng tiêu thụ của hệ thống. Tăng lưu lượng tuần hoàn làm cho nhiệt độ chênh lệch giữa đầu ra của dòng làm mát và đầu vào của dòng cấp nóng tăng lên. Nhiệt độ chênh lệch này tăng lên có nghĩa là hệ thống phải cung cấp nhiều nhiệt hơn để duy trì nhiệt độ của dòng cấp nóng ở 85 °C. Nhiệt độ chênh lệch giữa đầu ra của dòng cấp và đầu vào của dòng nước mát cũng tăng lên, do vậy tải lạnh để làm mát dòng nước mát cấp vào cũng tăng lên khi tăng lưu lượng tuần hoàn.
Một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình khử mặn sử dụng công nghệ MD là hiệu suất loại muối. Chúng tôi đã kiểm tra độ dẫn điện của nước sau quá trình lọc qua màng và cho kết quả thể hiện trên Hình 29. Tăng lưu lượng tuần hoàn nước có làm thay đổi độ dẫn điện của nước cất thu được, nhưng
cất thu được có độ dẫn điện dao động từ 40 – 60 µS/cm. Độ dẫn điện này tương đương với nồng độ muối không quá 25 mg/L, đạt tiêu chuẩn về độ mặn đối với nước sinh hoạt hay nước uống của Bộ Y tế (QCVN 01-1:2018/BYT).
Hình 29. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn đến độ dẫn điện dòng nước cất thu được từ quá trình MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot.
Từ kết quả khảo sát này, chúng tôi thấy rằng tăng lưu lượng tuần hoàn có lợi cho hệ thống AGMD khi xét về khía cạnh lưu lượng cất nước. Chất lượng nước cất thu được không phụ thuộc nhiều vào lưu lượng tuần hoàn trong dải khảo sát. Tuy nhiên, khi tăng lưu lượng tuần hoàn, nguy cơ ướt màng sẽ cao hơn do áp suất thủy tĩnh của các dòng nước bên trong mô đun màng tăng lên. Do đó, để hạn chế nguy cơ ướt màng đồng thời vẫn đảm bảo lưu lượng cất nước cao, chúng tôi lựa chọn lưu lượng tuần hoàn 540 L/h để vận hành hệ thống khi hoạt động lâu dài với nước thải mặn.
2.2.4. Kiểm nghiệm các thông số vận hành tối ưu hệ thống AGMD quy mô pilot
Sau khi đã đánh giá được ảnh hưởng của các thông số vận hành chính lên hiệu quả hoạt động, hệ MD được vận hành với nước cấp là nước biển được lấy tại đảo An Bình Lý Sơn. Trong mỗi ngày, hệ MD được khởi động vào buổi sáng và được vận hành ở các điều kiện không đổi là nhiệt độ dòng cấp 85 C, nhiệt độ đầu vào dòng làm mát 20 C, lưu lượng tuần hoàn nước là 540 L/h.
0 10 20 30 40 50 60 70 300 360 420 480 540 Độ dẫ n điện nư ớc c ất (µS /cm)
Như đã phân tích ở trên, lưu lượng tuần hoàn 540 L/h được lựa chọn để đảm bảo tránh được nguy cơ ướt màng lọc của quá trình MD khi vận hành trong thời gian dài, dù lưu lượng tuần hoàn lớn sẽ giúp tăng thông lượng cất nước. Tại cuối ngày vận hành, hệ MD được chuyển sang trạng thái ngừng tạm thời (Standby), nguồn điện và nước cấp và hệ MD được ngắt, nhưng nước vẫn được giữ trong các mô đun màng để tránh hiện tượng màng bị khô và bị kết tủa.Trong quá trình thử nghiệm, quá trình MD được vận hành liên tục trong 12 tiếng. Từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 60 của đợt vận hành thử nghiệm, tốc độ nước cất hầu như không đổi ở mức 90 L/h (1,08 m3/ngày) (Hình 30).
Hình 30. Công suất cất nước và độ mặn của nước cất của hệ MD khi vận hành trong thời gian kéo dài với nước cấp là nước biển thật.
Độ dẫn điện của nước cất được cũng dao động giữa 50 µS/cm và 80 µS/cm. Độ dẫn điện của dòng nước cất này khá thấp cho thấy rằng việc bám bẩn và làm ướt màng đã được tránh một cách hiệu quả trong quá trình vận hành MD thí điểm kéo dài. Thật vậy, các nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm trước đây đã chứng minh rằng sự bám bẩn và thấm ướt màng trong quá trình khử mặn nước biển bằng hệ thống MD có thể được ngăn chặn một cách hiệu quả bằng cách xử lý trước lọc đối với nguồn cấp nước biển và kiểm soát thông lượng cất
nước để giảm thiểu tác động tiêu cực của hiệu ứng phân cực đối với việc đóng cặn màng.
Kết quả thu được từ quá trình khảo sát thực nghiệm hệ thống MD ở quy mô pilot trong thời gian 60 ngày chứng tỏ tính khả thi của công nghệ MD cho khử mặn nước biển về phương diện kỹ thuật. Quan trọng hơn, hệ thống đã bước đầu cung cấp được đủ nguồn nước uống cho bà con trên đảo An Bình, Lý Sơn. Để đánh giá hiệu quả, hệ thống sẽ tiếp tục được vận hành và kiểm tra trong thời