3.2.1.1. Hiệu quả hoạt động của hệ thống với nước cấp là nước biển nhân tạo
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh lên thông lượng cất nước của quá trình AGMD. Tăng nhiệt độ dòng cấp trong khi duy trì nhiệt độ dòng làm mát không đổi ở 25 C làm tăng mạnh thông lượng cất nước (Hình 18). 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 truyền hơi nước qua các lỗ màng tăng lên, do đó làm tăng thông lượng cất nước. Kết quả thí nghiệm thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây.
Hình 18. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD với nước cấp là dung dịch NaCl 35 g/L ở các nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn khác nhau,
nhiệt độ dòng làm mát duy trì ở 25 oC. 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Thông lượng c ất nước (L /m 2 .h) Nhiệt độ (oC) Lưu lượng dòng nóng-lạnh: 0,1-0,1 L/ph 0,2-0,1 L/ph 0,3-0,1 L/ph 0,1-0,2 L/ph 0,1-0,3 L/ph
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng lưu lượng của dòng cấp và dòng làm mát có ảnh hưởng đến thông lượng cất nước của hệ thống AGMD ở mức độ khác nhau (Bảng 7 và Hình 19). Tăng lưu lượng của dòng cấp và dòng làm mát đều làm tăng thông lượng cất nước; tuy nhiên thông lượng cất nước tăng mạnh hơn khi tăng lưu lượng dòng cấp so với tăng lưu lượng dòng làm mát (Bảng 7 và Hình 19). Điều này có thể lý giải là do sự tồn tại của hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ. Có thể là hiệu ứng phân cực nhiệt độ bên khoang cấp cao hơn so với khoang làm mát (do bề mặt màng có độ nhám cao hơn so với bề mặt tấm ngưng tụ bằng nhôm). Bên cạnh đó, hiệu ứng phân cực nồng độ chỉ tồn tại bên khoang cấp trong cấu hình AGMD (do nước làm mát và nước cất thu được được tách bởi tấm ngưng tụ). Tăng lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát làm tăng sự chảy rối, do đó làm giảm hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ bên khoang cấp, và hiệu ứng phân cực nhiệt độ bên khoang làm mát.
Bảng 7. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD ở nhiệt độ dòng làm mát 25 oC, nhiệt độ dòng cấp 45 C và 60 C với tốc độ dòng khác nhau.
Nhiệt độ vận hành (oC) Lưu lượng dòng cấp-làm mát (L/ph) Thông lượng cất nước (L/m2.h) Lưu lượng dòng cấp-làm mát (L/ph) Thông lượng cất nước (L/m2.h) 45 0,1-0,1 1,63 0,1-0,1 1,63 0,1-0,2 1,65 0,2-0,1 1,88 0,1-0,3 1,75 0,3-0,1 1,95 60 0,1-0,2 3,72 0,1-0,1 3,72 0,1-0,2 4,09 0,2-0,1 4,31 0,1-0,3 4,56 0,3-0,1 4,74
Hình 19. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát đến thông lượng cất của quá trình AGMD với dòng cấp là dung dịch NaCl 35 g/L: (1) Nhiệt độ dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (2) Nhiệt độ dòng cấp
45 C, thay đổi lưu lượng dòng làm mát; (3) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (4) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng
làm mát.
Bên cạnh đó, kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra rằng lưu lượng của dòng cấp và dòng làm mát ảnh hưởng đến thông lượng cất nước của hệ thống ở mức độ mạnh hơn khi vận hành hệ thống ở nhiệt độ cao (Bảng 7 và Hình 19). Khi vận hành hệ thống ở nhiệt độ nước cấp 45 C, tăng lưu lượng dòng nước cấp và dòng làm mát từ 0,1 lên 0,3 L/ph, thông lượng cất nước chỉ tăng nhẹ từ 1,5 lên 1,8 L/m2.h. Trong khi đó đối với quá trình ở nhiệt độ nước cấp 60 C, tăng lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát như trên làm tăng đáng kể thông lượng cất nước từ 3,6 lên 4,5 L/m2.h. Sự khác nhau này được giải thích là do mức độ phân cực nhiệt độ và nồng độ khác nhau ở các nhiệt độ nước cấp khác nhau. Sự phân cực xảy ra mạnh hơn khi vận hành hệ thống ở nhiệt độ cao hơn. Sự phân cực nhiệt độ và nồng độ đều làm giảm thông lượng cất nước. Tăng lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát có tác dụng làm giảm hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ, do đó nó ảnh hưởng lên thông lượng cất nước mạnh hơn khi vận hành quá
(3) (1) (4) (2) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 Thông lượng c ất (L /m 2 .h) Lưu lượng (L/ph)
2.1.2. Hiệu quả hoạt động của hệ thống với nước cấp là nước biển tự nhiên
Trong quá trình AGMD với nước biển, cặn bẩn màng có thể hình thành từ hai nguồn gốc khác nhau: cặn bẩn do các chất bẩn hữu cơ và cặn do kết tủa của các muối ít tan khi nồng độ của chúng vượt quá nồng độ bão hòa. Ảnh hưởng của hai yếu tố này lên hoạt động của quá trình AGMD được đánh giá qua hai thí nghiệm: với nước cấp là nước biển đã qua sơ lọc bằng MF, và với nước cấp là nước biển tự nhiên không qua sơ lọc.
Thông lượng cất nước của quá trình AGMD với nước biển đã qua sơ lọc MF được xác định qua thí nghiệm và qua tính toán lý thuyết sử dụng hệ số chuyển khối Km được trình bày trong Hình 20. Có thể thấy rằng ở nồng độ muối thấp, thông lượng cất nước xác định qua thực nghiệm gần như trùng với giá trị tính toán, chứng tỏ sơ lọc MF đảm bảo hiệu quả trong việc loại bỏ các tạp chất và lắng cặn hữu cơ cho quá trình AGMD. Tuy nhiện, theo thời gian vận hành khi nồng độ muối của dung dịch cấp tăng lên, thông lượng cất nước đo được theo thực nghiệm giảm dần so với giá trị tính toán Hình 20. Điều này là do khi tính toán thông lượng cất nước sử dụng hệ số chuyển khối Km, khi đó ảnh hưởng của phân cực nồng độ được bỏ qua. Trong thực tế có tồn tại phân cực nồng độ trong quá trình AGMD với nước biển. Sự phân cực nồng độ tăng lên khi dung dịch cấp bị cô đặc, khi đó nồng độ muối tại bề mặt màng cao hơn nhiều so với bên trong dung dịch cấp dẫn đến thông lượng cất nước qua màng giảm. Do đó thông lượng cất nước đo bằng thực nghiệm nhỏ hơn đáng kể so với thông lượng cất tính toán theo lý thuyết khi vận hành ở hiệu suất thu hồi cao.
Bên cạnh phân cực nồng độ, sự hình thành cặn màng khi vận hành ở hiệu suất thu hồi nước cao cũng làm giảm mạnh thông lượng cất của quá trình AGMD với nước biển đã qua lọc. Khi hiệu suất thu hồi nước vượt quá 70% (có nghĩa là hơn 70% lượng nước biển đã được chuyển thành nước cất), dung dịch cấp bị cô đặc 3,3 lần. Khi đó, nồng độ các muối ít tan trong nước biển như là CaCO3, CaSO4, MgSO4 tăng lên và vượt quá giá trị bão hòa, dẫn đến hình thành các tinh thể muối trên bề mặt của màng. Sự kết tủa của các muối này làm giảm bề mặt
bay hơi của màng, gây tắc lỗ màng, làm tăng hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ, do đó làm giảm mạnh thông lượng cất nước.
Hình 20. Sự thay đổi của thông lượng cất nước đo được theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết theo khi tăng hiệu suất thu hồi nước. Điều kiện vận hành: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và
dòng làm mát 0,3 L/ph.
Kết quả trên Hình 20 cũng cho thấy, ở hiệu suất thu hồi 70% (nồng độ muối trong dung dịch cấp 110 g/L) thông lượng cất nước chỉ giảm khoảng 20% so với thời điểm mới bắt đầu vận hành. So sánh với quá trình khử mặn bằng phương pháp RO, khi hiệu suất thu hồi đạt 70%, thông lượng lọc của RO sẽ giảm mạnh bởi vì áp suất thẩm thấu của nước lúc này tăng lên gần 3,3 lần so với ban đầu.
Phân tích bề mặt màng bằng ảnh SEM khẳng định sự xuất hiện cặn màng trong quá trình AGMD với nước biển đậm đặc (hiệu suất thu hồi 73%). Ảnh SEM của màng mới chưa qua sử dụng thấy rõ cấu trúc lỗ xốp của màng và bề mặt màng hoàn toàn sạch (Hình 21). Sau quá trình AGMD với nước biển qua lọc ở tỷ lệ thu hồi nước cất trên 73%, bề mặt màng bị các tinh thể muối che phủ (Hình 21). Những nghiên cứu công bố trước đây xác định rằng các tinh thể muối này chủ yếu là CaSO4 và MgSO4. Kích thước của các tinh thể muối kết tủa này phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành của hệ thống. Cũng cần lưu ý
Th ông lư ợn g c ất nư ớc ( L/m 2 .h)
rắng sự có mặt của CaSO4 là nguyên nhân dẫn đến cặn màng dễ hình thành khi hệ thống vận hành ở nhiệt độ cao mặc dù nồng độ của CaSO4 trong nước biển rất thấp. Đó là do, khác với các muối khác, độ tan của CaSO4 giảm khi tăng nhiệt độ. Do vậy CaSO4 dễ kết tủa trong dung dịch ở nhiệt độ cao.
Hình 21. Hình ảnh phân tích SEM màng PTFE chưa sử dụng và màng sau khi vận hành hệ thống AGMD ở hiệu suất thu hồi nước 73%.
Quá trình AGMD với nước biển tự nhiên không qua lọc chứng kiến sự giảm hiệu suất cất từ rất sớm so với quá trình sử dụng nước biển đã qua sơ lọc bằng MF (Hình 22). Khi bắt đầu quá trình, thông lượng cất nước của hệ thống là như nhau khi sử dụng nước biển tự nhiên và nước biển qua lọc. Sau 3 giờ vận hành hệ thống với nước biển tự nhiên, thông lượng cất nước bắt đầu giảm từ từ so với quá trình sử dụng nước biển đã qua lọc (Hình 22). Sau 13 giờ vận hành, thông lượng cất nước của hệ thống với nước biển tự nhiên giảm chỉ còn 62% so với hệ thống với nước biển đã qua lọc. Sự sụt giảm thông lượng cất nước này chứng tỏ sự hình thành cặn màng hữu cơ trong quá trình vận hành. Với nước biển không qua lọc, hàm lượng các chất bẩn hữu cơ trong đó là đáng kể. Trong quá trình cất AGMD, các chất hữu cơ này bám vào bề mặt màng, làm giảm thông lượng cất nước của hệ thống. Ảnh SEM của màng sau khi kết thúc thí nghiệm có thể kiểm chứng sự hình thành cặn hữu cơ (Hình 23). Bề mặt màng bị bao phủ bởi một lớp cặn hữu cơ không có hình dạng xác định.
Hình 22. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD đối với nước biển tự nhiên và nước biển đã lọc theo thời gian. Thông số vận hành hệ thống: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng
làm mát 0,3 L/ph.
Hình 23. Hình ảnh phân tích SEM đối với màng đã qua sử dụng 13 giờ với nước biển tự nhiên. Hệ thống vận hành ở nhiệt độ 60 oC đối với dòng cấp, 25 oC
đối với dòng làm mát và lưu lượng của cả hai dòng cấp và làm mát là 0,3 L/ph.
2.1.3. Hiệu quả của việc rửa màng bằng giấm ăn
Việc nghiên cứu đánh giá hiệu quả rửa màng bằng giấm ăn có ý nghĩa thực tiễn rất lớn đối với đề tài. Kết quả nghiên cứu ở trên cho thấy, khi sơ lọc nước
biển bằng MF và vận hành hệ thống AGMD ở hiệu suất thu hồi nước giới hạn (<73%), hiện tượng cặn, bẩn màng có thể được ngăn chặn hiệu quả. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, trong trường hợp sơ xuất khi vận hành ở hiệu suất thu hồi nước cao, cặn bẩn màng do kết tủa có thể xảy ra. Khi ấy, việc rửa màng để khôi phục hiệu quả hoạt động của màng lọc và hệ thống AGMD là cần thiết. Giấm ăn được lựa chọn để nghiên cứu vì nó là nguyên liệu sẵn có và chi phí thấp, được dùng trong nấu ăn ở hầu hết các hộ gia đình ở Việt Nam.
Hiệu quả làm sạch cặn màng bằng rửa màng với dung dịch giấm ăn được đánh giá bằng cách xác định góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết và bề mặt màng (thể hiện độ kỵ nước của màng) và phân tích ảnh SEM chụp bề mặt màng. Kết quả phân tích cho thấy rửa màng bằng giấm ăn là một biện pháp hữu hiệu để khôi phục hoạt động của màng.
Màng PTFE chưa qua sử dụng có độ kỵ nước cao góc tiếp xúc () giữa nước tinh khiết và bề mặt màng chưa qua sử dụng được xác định là 146 (Hình 24A). Trong quá trình AGMD với nước biển tự nhiên, cặn bẩn hình thành trên bề mặt làm thay đổi tính kỵ nước của bề mặt màng. Điều này làm cho giọt nước trên bề mặt màng bị cặn không có hình dạng nhất định, và không thể xác định được . Rửa màng bằng giấm ăn loại bỏ cặn màng ra khỏi bề mặt màng, do đó giá trị của màng sau khi rửa được khôi phục đáng kể, đạt giá trị là 131 (Hình 24B).
Hình 24. Góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết với (A) màng chưa qua sử dụng và (B) màng bị cặn sau khi rửa màng.
Ảnh SEM của bề mặt màng sau khi rửa cũng cho thấy hiệu quả của việc rửa màng bằng giấm ăn. Sau khi rửa, trên bề mặt màng chỉ còn xót lại một lượng nhỏ cặn bẩn (Hình 25). Lượng cặn bẩn xót lại này (tuy ở lượng nhỏ), nhưng cũng ảnh hưởng đến giá trị góc tiếp xúc . Do đó giá trị góc của màng sau khi rửa nhỏ hơn so với màng chưa qua sử dụng một chút.
Hình 25. Hình ảnh phân tích SEM bề mặt màng sau khi rửa cặn màng.