lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển ở Việt Nam
Hiện có nhiều công nghệ được sử dụng để thu hồi năng lượng mặt trời, song hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời của các công nghệ này còn khá thấp. Các tấm quang năng của pin mặt trời thương mại có hiệu suất hấp thụ chỉ trong khoảng 20%: ví dụ như SunPower (22,2%), Panasonic (21,6%), LG (21,1%), Hanwha Q CELLS (19,6%), Solaria (19,4%). Pin mặt trời được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam, tuy nhiên việc ứng dụng chúng cho chưng cất màng khử mặn nước biển không phải là giải pháp tối ưu vì: (1) Khi sử dụng pin năng lượng mặt trời để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, điện năng lại cần chuyển lại thành năng lượng nhiệt dẫn đến việc giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng; và (2) Tấm quang năng hấp thụ ánh sáng mặt trời trên cơ sở bán dẫn chỉ hấp thụ một phần năng lượng mặt trời trong vùng cấm của bán dẫn để chuyển thành điện năng. Pin mặt trời chỉ hấp thụ được trong vùng dải sóng từ 300 đến 1100nm, trong khi một phần đáng kể năng lượng mặt trời trong vùng gần hồng ngoại và hồng ngoại không được tận dụng.
Việc sử dụng thiết bị thu nhiệt từ mặt trời có ưu điểm hơn về hiệu suất so với sử dụng tấm pin quang năng, do tấm thu nhiệt có thể thu nhiệt trên toàn bộ phổ phát xạ năng lượng mặt trời từ vùng hồng ngoại tới vùng tử ngoại và chuyển năng lượng đó thành nhiệt. Với các hệ thống cần cấp nhiệt, năng lượng nhiệt được hấp thụ trực tiếp nên không cần qua bước chuyển đổi, từ đó dẫn đến việc tránh mất mát năng lượng trong hệ thống. Trong khi hiệu suất của pin mặt trời đã thương mại hóa chỉ khoảng 20 – 25% thì hiệu suất chuyển đổi nhiệt của các thiết bị thu nhiệt mặt trời cao hơn rất nhiều, khoảng trên 60% và có thể đạt trên
80% với ngày nắng mạnh. Bảng 2 cho thấy hiệu suất hấp thụ và hệ số thất thoát nhiệt của một số thiết bị thu nhiệt mặt trời hiện có trên thị trường
Bảng 2. Hiệu suất chuyển đổi và hệ số thất thoát nhiệt của các loại thiết bị thu nhiệt mặt trời [32].
Loại thiết bị thu nhiệt Hệ số chuyển đổi Hệ số thất thoát nhiệt (kW/m2 C) Nhiệt độ (C) Tấm phẳng 0,66 – 0,83 2,9 – 5,3 20 – 80 Tấm phẳng chân không 0,81 – 0,83 2,6 – 4,3 20 – 120 Hồ chứa nhiệt 0,55 2,4 20 – 70 Ống chân không 0,62 – 0,84 0,7 – 2,0 50 – 120
Các hệ thống thu nhiệt thông thường gồm có tấm thu nhiệt dạng phẳng, tấm thu nhiệt chân không, bể thu nhiệt và ống thu nhiệt chân không. Mỗi hệ thống thu nhiệt có một ưu điểm và nhược điểm riêng [33]. Các bể chứa nhiệt có công nghệ đơn giản nhất nhưng hiệu quả thấp, tốn diện tích sử dụng và nhiệt độ có thể đạt trong ngày thấp. Tấm phẳng chân không và ống chân không cho hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao, thất thoát nhiệt thấp và khoảng nhiệt độ có thể lên tới tối đa 120 C và thường xuyên duy trì mức 60 80 C, do đó tích hợp dễ dàng cho các ứng dụng khử mặn trên công nghệ MD. Về độ bền cơ học, tấm phẳng chân không có ưu thế hơn ống chân không và dễ lắp đặt.
Hình 9. Cấu tạo tấm phẳng chân không thu nhiệt.
Cấu tạo của một bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng được thể hiện trên Hình 9. Khi bức xạ mặt trời đi qua lớp kính trong suốt đến tấm hấp thụ, phần lớn năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi lớp hấp thụ hiệu quả, sau đó truyền nhiệt cho môi chất trong ống, qua bộ trao đổi nhiệt làm nước nóng lên. Phần dưới bộ thu và hai bên vỏ là các lớp các nhiệt để giảm tổn thất dẫn nhiệt. Tấm kính phía trên được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt đối lưu của lớp không khí và ngăn các tia bức xạ nhiệt sóng dài phát ra từ tấm hấp thụ (hiệu ứng nhà kính).
Do vị trí địa lý gần xích đạo, Việt Nam có tiềm năng năng lượng mặt trời to to lớn. Việt Nam có tổng số giờ nắng cao trên 2.500 giờ/năm, tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230 250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam (
Bảng 3), đây là những cơ sở tốt cho phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời. Thực tế ứng dụng và phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam cũng chứng tỏ tiềm năng to lớn này.
Bảng 3. Số giờ nắng và cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau tại Việt Nam Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT (kWh/m2, ngày) Ứng dụng Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt Tây Nguyên và Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt Nguồn: http://solarpower.vn
Bảng 3, Việt Nam có tiềm năng lớn để sử dụng năng lượng mặt trời cho các hệ thống khử mặn nước biển trong đó có MD. Hiện tại, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào được công bố về hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển có sử dụng năng lượng mặt trời.
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống chưng cất màng MD ứng dụng cho khử mặn nước biển ở quy mô pilot để cung cấp nước uống. Nước biển cấp vào hệ thống MD là nguồn nước biển tự nhiên tại đảo An Bình (xã An Bình), huyện Lý Sơn, tỉnh Quãng Ngãi với độ mặn dao động 32.000 35.000 mg/L.
Hệ thống chưng cất màng MD được nghiên trong luận văn là hệ thống dựa trên cấu hình chưng cất màng đệm không khí (AGMD). Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống AGMD khử mặn nước biển được thể hiện trên Hình 10.
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mô 1 m3/ngày.
Nước biển được tiền xử lý thông qua một hệ thống vi lọc (lọc MF) với màng lọc là màng dạng sợi chế tạo từ popypropilen (PP) kích thước lỗ màng 1 µm. Nước biển sau sơ lọc MF được giữ trong bể chứa 2, bố trí trên cao so với bể cấp của hệ thống chưng cất màng MD. Khi mực nước trong bể cấp thấp hơn mực yêu cầu, van mức sẽ mở, nước biển sẽ chảy từ bể chứa 2 vào bể cấp dưới tác dụng của trọng lực.
Nước biển trong bể cấp của hệ chưng cất màng MD được làm mát để duy trì nhiệt độ làm việc nhờ sử dụng máy lạnh (chiller). Nước biển mát từ bể cấp được bơm vào khoang làm mát của các mô đun màng AGMD. Khi dòng làm mát chạy qua khoang làm mát, nó sẽ làm mát tấm ngưng để ngưng tụ hơi nước bốc sang từ bên khoang cấp. Quá trình ngưng tụ hơi nước tỏa nhiệt, nhiệt truyền qua tấm ngưng, làm nóng dòng làm mát. Khi ra khỏi khoang làm mát, nhiệt độ dòng làm mát có thể được nâng lên đến 60 70 C tùy thuộc vào điều kiện vận hành và đặc điểm cấu tạo của mô đun màng AGMD.
Sau khi ra khỏi khoang làm mát, dòng nước biển được cho qua một hệ trao đổi nhiệt (bể nóng gia nhiệt bổ sung) để nâng nhiệt độ dòng cấp nóng đến nhiệt độ vận hành. Nhiệt độ chênh lệch giữa đầu ra của khoang làm mát và đầu vào của khoang cấp chính là nhiệt độ chênh lệch giữa dòng làm mát và dòng cấp nóng dọc theo chiều dài của màng lọc bên trong mô đun màng. Khi dòng nước biển nóng chạy dọc theo bề mặt màng bên trong khoang cấp, nước sẽ bay hơi tại bề mặt màng, dịch chuyển qua các lỗ màng và lớp đệm không khí trước khi ngưng tụ thành nước cất trên bề mặt tấm ngưng. Khi ra khỏi khoang cấp, độ mặn của dòng nước cấp tăng lên trong khi nhiệt độ của nó giảm xuống do nhiệt truyền qua màng. Dòng nước mặn ấm ra khỏi mô đun màng lọc ở bên khoang cấp được hồi lưu quay trở lại bể cấp mát để vận hành ở hiệu suất thu hồi nước cao.
Chế độ vận hành hệ thống AGMD khi hồi lưu dòng nước mặn ấm sau khi ra khỏi mô đun màng lọc về bể cấp mát để nâng cao hiệu suất thu hồi nước được gọi là chế độ tuần hoàn nước mặn (brine-recycling). Ở chế độ này, do dòng nước mặn ấm được tuần hoàn quay trở lại bể cấp, độ mặn của nước trong bể cấp mát sẽ tăng lên theo thời gian vận hành đồng thời với việc tăng hiệu suất thu hồi nước. Khi đạt hiệu suất thu hồi nước mong muốn, một phần nước mặn ấm sẽ được thải ra ngoài theo tỷ lệ nhất định với lưu lượng nước cất thu được. Khi đó, độ mặn của nước trong bể cấp mát sẽ ổn định không thay đổi theo thời gian vận hành, và hệ thống MD sẽ đạt được hiệu suất thu hồi nước cao. Ưu điểm chính của chế độ vận hành tuần hoàn nước mặn là có thể đạt được hiệu
để làm mát dòng nước thải mặn ấm sau khi ra khỏi khoang cấp của mô đun màng lọc AGMD trước khi tuần hoàn về bể cấp mát của hệ thống. Để tiết kiệm năng lượng làm mát, hệ thống AGMD có thể được vận hành ở chế độ không tuần hoàn dòng nước thải mặn (single-pass). Khi ấy, dòng nước mặn nóng sau khi ra khỏi khoang cấp của mô đun màng AGMD sẽ được thải ra môi trường. Vận hành hệ thống AGMD ở chế độ không tuần hoàn giúp tiết kiệm được năng lượng làm mát, song hiệu suất thu hồi nước của hệ thống sẽ bị giới hạn không quá 10%. Do đó, việc lựa chọn chế độ vận hành của hệ thống AGMD có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Nước biển cấp vào hệ thống được lấy trực tiếp từ bể chứa nước biển của nhà máy nước RO tại đảo An Bình (xã An Bình) thuộc huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi). Các phân tích tiến hành tại Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cho thấy các đặc trưng của nước biển như trình bày trong Bảng 4.
Bảng 4. Đặc trưng của nước biển lấy tại đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn.
Tính chất Giá trị Đơn vị Độ mặn 32.000 35.000 mg/L TSS 10 mg/L pH 7,8 COD 7 mg/L Độ cứng (Ca2+) 400 mg/L N tổng 4 mg/L P tổng 0,2 mg/L Coliform 6 MPN/100 mL
Từ kết quả phân tích được trình bày trong Bảng 4, có thể nhận thấy nước biển tại xã An Bình – nơi được bao quanh bởi Biển Đông, có dòng hải lưu chảy liên tục – khá sạch với hàm lượng các cặn lơ lửng thấp (TSS = 10 mg/L). Độ mặn của nước biển dao động trong khoảng 32.000 35.000 mg/L. Độ mặn này thấp hơn một chút so với độ mặn trung bình của nước biển trên trái đất (35.000
mg/L). Điều này là do đảo An Bình nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lượng mưa quanh năm tương đối cao. Thời điểm lấy mẫu nước trùng vào thời điểm mùa mưa trong năm, do đó độ mặn của mẫu nước biển tương đối thấp một chút. Do đảo An Bình nằm khá xa đất liền, hàm lượng các chất hữu cơ trong nước là khá thấp (7 mg/L), độ cứng và hàm lượng nitơ và phốt pho trong nước cũng không đáng kể so với các nguồn nước mặt. Những chỉ tiêu này khá thuận lợi cho quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ MD. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho hệ thống MD khử mặn nước biển có thể hoạt động tin cậy trong thời gian dài, cần tiến hành lọc sơ bộ nước biển bằng quá trình vi lọc MF.
2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất
Các dụng cụ và thiết bị sử dụng trong đề tài gồm các thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm và các thiết bị thiết kế và chế tạo hệ thống chưng cất màng MD ở quy mô pilot. Các thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm gồm: thiết bị chuẩn độ lượng ion Cl- bằng bạc nitrat với chỉ thị kalicromat để xác định hàm lượng NaCl trong nước biển theo TCVN 4591:1988, thiết bị xác định pH của nước theo tiêu chuẩn TCVN 6492 - 2011 (ISO 10523-2008). Các thiết bị sử dụng cho thiết kế, chế tạo, và khảo sát hệ thống ở quy mô pilot bao gồm: máy tính và phần mềm thiết kế tính toán, các thiết bị gia công cơ khí, các thiết bị điều khiển tự động cho hệ thống chưng cất màng, đồng hồ đo điện năng, lưu lượng kế, nhiệt kế, và đồng hồ đo độ dẫn để xác định độ mặn tại hiện trường.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
Trong quá trình khảo sát, các mẫu nước được lấy là nước biển cấp vào hệ thống MD (sử dụng hệ thống bơm lấy nước biển của nhà máy nước Doosan), nước biển sau tiền xử lý, nước mặn ở trong bể cấp của hệ thống MD, và nước cất thu được sau hệ thống MD. Thời gian lấy mẫu sau 30 phút khi hệ thống vận hành ổn định.
Mẫu sau khi được lấy sẽ được bảo quản trong tủ bảo quản mẫu nhằm hạn chế sự thay đổi tính chất của mẫu. Tùy vào chỉ tiêu phân tích, mẫu sẽ được phân tích trực tiếp tại hiện trường hoặc được gửi về phân tích tại:
Địa điểm phân tích: Phòng Công nghệ xử lý nước, Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: Số 18 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà Nội
Phương pháp phân tích được sử dụng theo tiêu chuẩn hiện hành (TCVN) cụ thể:
- Xác định NaCl theo TCVN 4591:1988 bằng cách chuẩn độ lượng ion Clo bằng bạc nitrat với chỉ thị kalicromat.
- Xác định các thông số pH được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 6492 - 2011 (ISO 10523-2008).
Tại thực địa nghiên cứu, nhiệt độ của nước được đo trực tiếp nhờ sử dụng các cảm biến nhiệt PT100 tích hợp trên hệ thống MD. Độ dẫn điện và pH của nước được đo sử dụng máy đo độ dẫn/pH tích hợp. Độ mặn của các mẫu nước được xác định nhanh bằng cách đo độ dẫn điện của nước.
2.3.2. Phương pháp thực nghiệm
Hoạt động của hệ thống chưng cất màng AGMD được khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot tại thực địa. Nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm là cơ sở cho khảo sát, nghiên cứu ở quy mô pilot tại thực địa. Hệ thống chưng cất màng sử dụng cấu hình AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm (Hình 11 và Hình 12) được sử dụng để khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của các yếu tố vận hành và đặc trưng của nước biển cấp vào hệ thống lên hiệu quả hoạt động (thông lượng cất, hiệu suất khử mặn và chất lượng nước cất thu được), và nguy cơ hình thành cặn, bẩn màng cũng như hiệu quả rửa màng khi sử dụng giấm ăn.
Hình 11. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm.
Hình 12. Hình ảnh thực tế của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được từ phòng thí nghiệm, các thông số vận hành của hệ thống AGMD ở quy mô pilot sẽ được lựa chọn để khảo sát đảm bảo tránh không xảy ra hiện tượng ướt màng.
Trong nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm, ảnh hưởng của các thông số vận hành lên hoạt động của hệ AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sẽ được khảo sát khi nguồn nước cấp vào hệ thống là nước biển nhân tạo pha từ muối ăn và nước sạch có độ mặn 35.000 mg/L. Các thông số vận hành hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm bao gồm: nhiệt độ dòng cấp nóng, nhiệt độ dòng làm mát, lưu lượng tuần hoàn của dòng cấp nóng, và lưu lượng tuần hoàn của dòng làm mát. Hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm được đánh giá dựa trên 2 thông số quan trọng là thông lượng cất nước và hiệu