II. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
BÀI 4: PHÂN TÍCH CHẤT LƯƠṆG NƯỚC QUA HỆ THỐNG LOCC NƯỚC RO
NƯỚC RO
1. Mục đích
- Công nghệ lọc nước RO hiện đang là công nghệ tiên tiến và hiện được áp dụng nhiều ở các nước phát triển trên thế giới, sử dụng cho các máy công nghiệp, lọc nước biển, dân dụng, sử dụng trong y tế…
- Hệ thống RO được dịch nghĩa là hệ thống lọc ngược. Cách thức ngược lại so với dòng nước chảy trong tự nhiên. Trong hệ thống lọc nước tinh khiết, giải pháp không phải là pha loãng môi trường nước với muối khoáng mà là tách nước tinh khiết ra khỏi môi trường nước nhiễm muối khoáng hay các tạp chất ô nhiễm khác.
2. Cơ sở lý thuyết về hệ thống lọc nước RO
- Màng RO là một màng mỏng làm tử vật liệu cellulose acetate, polyamide hoặc màn TFC có kích thước khe lỗ tới 0.001 micron. Với tốc độ và áp lực lọc rất lớn, dòng nước chảy liên tục trên bề mặt màng RO. Các phân tử nước sẽ đi qua các lỗ lọc trên bề mặt màng, trong khi các tạp chất sẽ được dòng nước cuốn trôi – thải bỏ.
- Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên. Nước bao giớ cũng chuyển dịch qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ muối/chất bẩn thấp hơn đến nơi có nồng độ muối/chất bẩn cao hơn. Quá trình này diễn ra cho đến khi nồng độ ở hai bên màng là cân bằng.
- Để làm điều ngược lại, người ta dùng một áp lực đủ để đẩy ngược nước từ nơi có nồng độ muối/chất bẩn cao hơn “thấm” qua một loại màng đặc biệt để đến nơi không có hoặc có nồng độ muối/chất bẩn thấp hơn “lọc thẩm thấu ngược (RO)”.
- Màng lọc RO bao gồm nhiều lớp mỏng hoặc các tấm pin được gắn chặt, cuộn lại với nhau và trong một cấu hình dạng xoắn ốc quanh một bồn tắm bằng nhựa. Các vật liệu của màng lọc có cơ cấu “nửa thấm”, nó cho phép phân tử nước đi qua và giữ lại các chất rắn hoà tan. Khi các nguồn cấp vượ qua dòng nước trên bề mặt của các màng, phân tử nước xâm nhập ngang theo bề mặt lớp màng, xung quanh bề mặt xoắn ốc. Đồng thời dồn các chất ô nhiễm lại và tự rửa: từ bề mặt các lớp đẩy các chất ô nhiễm xuống mương, đẩy theo đường thải ra ngoài.
3. Nguyên lý hoạt động
3.1Vị trí
- Thường được bố trí phía sau trong quy trình công nghệ xử lý nước tinh khiết, dùng cho nước uống đóng chai, chế biến thực phẩm, sản xuất dược phẩm.
3.2Chức năng
- Khử khoáng nước cấp bằng việc loại hầu hết các ion trong nước bao gồm cả các ion hoá trị I. Ngoài ra, chúng còn loại được các cả hợp chất hữu cơ tự nhiên và tổng hợp cũng như hầu hết các vi sinh vật có trong nước mà các quá trình xử lý trước đó không xử lý
được. Nước cấp sau khi xử lý bằng RO có chất lượng rất cao, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe nhất trong sinh hoạt – công nghiệp.
3.3Cơ chế
- Trong tự nhiên thẩm thấu được định nghĩa là sự vận chuyển nước từ môi trường nhược trương sang môi trường ưu trương. Thẩm thấu là hiện tượng khi hai chất lỏng có nồng độ khác nhau được ngăn cách bởi một màng bán thấm, chất lỏng có xu hướng di chuyển từ nồng độ chất tan thấp đến nồng độ chất tan cao cho đến khi cân bằng hoá học hoàn toàn.
- Màng RO hoạt động ngược lại với hiện tượng này nên được gọi là màng thẩm thấu ngược, gọi tắt là RO. Thẩm thấu ngược là cách di chuyển dung môi từ nồng độ cao đến nồng độ thấp ngăn cách bởi một màng bán thấm để ngăn không cho các muối khoáng hoà tan cân bằng nồng độ. Màng bán thấm không cho phép các chất tan di chuyển qua màng, nhưng cho phép các dung môi đi qua. Xu hướng dung môi chảy qua màng tế bào có thể được diễn tả là “áp suất thẩm thấu”, vì nó tương tự như dòng chảy gây ra bởi chênh lệch áp lực. thẩm thấu nằm trong quá trình vận chuyển thụ động của khuếch tán bao gồm: thẩm thấu, thẩm tách và chọn lọc.
- Lọc tinh loại bỏ các hạt 1 micromet hoặc lớn hơn. Siêu lọc loại bỏ các hạt từ 0.2 micromet hoặc lớn hơn. Thẩm thấu ngược thuộc hạng mục cao cấp nhất của lọc màng, loại bỏ các hạt lớn hơn 0.0001 micromet. Quá trình này đòi hỏi phải có một áp suất cao tác dụng lên phía nồng độ cao của màng tế bào, áp suất để lọc nước ngọt là 2 – 17 bar (30 – 250 psi), nước lợ là 15.5 – 26 bar (1.5 – 2.6 MPa; 225 – 375 psi) và nước biển là 55 – 81.5 bar ( 6 – 8 MPa; 800 – 1180 psi) để xé tan sức căng của nước hay còn gọi là đảo ngược quá trình thẩm thấu. Màng RO được biết đến nhiều nhất trong khử muối (loại bỏ muối va khoáng chất khác từ nước biển để có được nước ngọt), nhưng kể từ đầu những năm 1970, nó cũng được sử dụng để làm sạch nước ngọt cho các ứng dụng y tế, công nghiệp và trong nước cấp.
3.4Yếu tố ảnh hưởng
- Bản chất của nước nguồn, bản chất của màng RO, giá trị pH, nhiệt độ nước, tiền xử lý, hình dáng thiết bị, khả năng rửa màng, mức độ đóng cặn,…
3.5Thông số kiểm soát
- Áp suất màng lọc RO. - Tỷ lệ thu hồi nước, %. - Chất lượng nước sạch.
- Thành một hệ thống lọc RO (cụm). 3.6Ưu, nhược điểm máy lọc nước RO
• Ưu điểm
- Công nghệ RO (thẩm thấu ngược) là công nghệ lọc nước tiên tiến và triệt để nhất hiện nay. Vì các khe hở màng lọc RO có kích cỡ 0.001 micromet, giống như cơ chế hoạt động của thận người, nên sẽ cho ra sản phẩm nước hoàn toàn tinh khiết.
- Nước sau qua lọc uống ngay, nước ngọt, tinh khiết, đun nấu không có cặn.
- Từ nước giếng khoan, nước máy, nước sông, nước lợ và nước nhiễm mặn qua máy lọc RO đều tạo ra nước tinh khiết. Vì đặc điểm này mà máy lọc nước RO ngày càng được sử dụng phổ biến hiện nay.
• Nhược điểm
- Nước tinh khiết từ máy lọc RO thường không giữ được vi lượng khoáng chất tự nhiên tốt cho cơ thể như canxi, magie, sắt,… Sử dụng nước tinh khiết lâu dài sẽ không tốt cho sức khoẻ.
- Mày sử dụng điện nên đôi khi xảy ra tình trạng chập điện, tiêu hao điện và không an toàn cho người sử dụng.
- Máy có nước thải, gây lãng phí nước, không bảo vệ môi trường.
- Với nguồn nước cứng thì máy lọc nước RO thường bị tắc vì gặp phải cặn vôi.
- Mày lọc nước RO được đựng trong tủ Inox, có bình chứa nên đôi khi rất cồng kềnh, thiếu thẩm mỹ.
- Với các hợp chất phức tạo như asen, amoni, nitrat,… máy RO không lọc được. 4. Một số ứng dụng của RO
4.1Trong công nghệ lọc nước đóng chai
- Bộ lọc trao đổi ion để loại bỏ các hạt lơ lửng, sắt và canxi, magie. - Lọc tinh.
- Bộ lọc than hoạt tính để giữ lại các tạp chất hữu cơ và clo, nếu không xử lý triệt để sẽ tấn công và làm suy giảm màng thẩm thấu ngược (TFC).
- Bộ lọc thẩm thấu ngược (RO), là một phim màng mỏn bán thấm cao phân tử (TFM hoặc TFC).
- Một bộ lọc carbon thứ hai để chụp những hợp chất không được gỡ bỏ bằng các màng RO.
- Một bộ đèn cực tím để khử vi khuẩn có thể thoát khỏi màng lọc thẩm thấu ngược. - Trong một số hệ thống, các bộ lọc trước carbon được bỏ qua, và được sử dụng màng cellulose triacetate (CTA). Màng CTA dễ bị thối rữa, trừ khi được bảo vệ bằng nước khử trùng bằng clo, trong khi màng TFC dễ bị phá vỡ dưới ảnh hưởng của chất clo. Trong hệ thống TFC, một bộ lọc carbon là cần thiết để loại bỏ clo.
- Các bộ xử lý nước RO di động có thể được sử dụng bởi những người sống ở các vùng nông thôn không có nước sạch, cách xa các đường ống nước của thành phố. RO là thiết bị dễ sử dụng để lọc nước sông, nước mưa và nước lợ (nước mặn cần màng đặc biệt). Một số khách du lịch trên du thuyền dài, câu cá hoặc các chuyến đi cắm trại đảo hoặc ở
các nước nơi cung cấp nước địa phương bị ô nhiễm hoặc không đạt tiêu chuẩn, sử dụng bộ vi xử lý nước RO kết hợp với một hoặc nhiều tia cực tím tiệt trùng.
- Trong sản xuất nước khoáng đóng chai, nước đi qua một xử lý nước RO để loại bỏ các chất ô nhiễm và vi sinh vật. Ở các nước châu Âu, chế biến nước khoáng tự nhiên không được phép sử dụng hệ thống RO do họ lo ngại RO sẽ loại bỏ mất các khoáng chất có lợi trong nước.
- Trong thực tế, một phần nhỏ các vi khuẩn còn sống và có thể đi qua màng RO thông qua các khiếm khuyết nhỏ hoặc đi qua màng thông qua các rò rỉ nhỏ. Vì vậy, hệ thống RO thường sử dụng ánh sáng tia cực tím hoặc ozon để ngăn chặn ô nhiễm vi sinh.
- RO được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như xử lý nước mưa, nước phục vụ nồi hơi công nghiệp, nước cho nhà máy nhiệt điện, xử lý nước thải, nước khử ion cho sản xuất dược phẩm…
4.2Trong công nghệ thực phẩm
- Ngoài mục đích khử muối, thẩm thấu ngược còn ứng dụng để lọc chất lỏng thực phẩm (chẳng hạn như nước ép trái cây) so với quá trình xử lý thông thường. Nghiên cứu đã được thực hiện trên nồng độ của nước cam và nước ép cà chua. Lợi thế bao gồm chi phí vận hành thấp hơn và khả năng tránh các quá trình xử lý nhiệt, phù hợp với các chất nhạy cảm với nhiệt như các protein và enzyme được tìm thấy trong hầu hết các sản phẩm thực phẩm.
- Thẩm thấu ngược được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sữa để sản xuất bột whey protein (chất lỏng còn lại sau khi sản xuất phomat) và nồng độ của sữa được cô đặc bởi RO có tổng chất rắn từ 5% thành 18 – 22% để làm giảm kết tinh và chi phí làm khô bột lactose.
- Tron ngành công nghiệp rượu vang, RO được sử dụng rộng rãi. Khoảng sáu mươi máy thẩm thấu ngược được sử dụng tại Bordeaux, Pháp vào năm 2002.
4.3Trong xử lý nước biển (khử muối)
- Các khu vực không có nước mặt, nước ngầm có thể khử muối trong nước biển hoặc nước lợ để có được nước ngọt. Thẩm thấu ngược là phương pháp phổ biến nhất của khử muối, mặc dùng 85% nước khử muối được sản xuất ở nhiều nhà máy chung cất. Thẩm thấu ngược và nhà máy khử muối chưng cất được sử dụng trong các khu vực Trung Đông, đặc biệt là Saudi Arabia. Yêu cầu năng lượng của các nhà máy khử muối rất lớn, nhưng điện được sản xuất tương đối rẻ với trữ lượng dầu khí dồi dào trong khu vực. Các nhà máy khử muối thường nằm liền kề với các nhà máy điện, nhằm giảm tổn thất năng lượng trong truyền tải và tận dụng lượng nhiệt thải trong sản xuất điện vào quá trình khử muối chưng cất, làm giảm lượng năng lượng cần thiết để khử muối trong nước và cung cấp nước giải nhiệt máy.
- Khử muối trong nước biển là một quá trình khử muối bằng màng thẩm thấu ngược đã được sử dụng rộng rãi kể từ đầu những năm 1970. Ứng dụng thực tế của nó đã được chứng minh bởi Sidney Loeb và Srinivasa Sourirajan từ UCLA tại Coalinga, California. Bởi không sử dụng nhiệt, nên yêu cầu năng lượng thấp hơn khi so sánh với các phương pháp khác của khử muối, nhưng vẫn cao hơn nhiều so với các hình thức cung cấp nước khác nếu nước không nhiễm mặn.
- Hệ thống khử muối điển hình bao gồm các thành phần sau:
Tiền xử lý Bơm áp lực cao Lắp ráp màng Hoá chất bảo quản màng và điều chỉnh pH Khử trùng Bảng điều khiển
+ Tiền xử lý rất quan trọng để bảo vệ màng RO và lọc nano (NF), siêu lọc (UF). - Loại bỏ chất rắn: các chất rắn trong nước phải được loại bỏ nhằm làm giảm nguy cơ
thiệt hại cho các thành phần máy bơm áp lực cao.
- Cột lọc tinh: các bộ lọc polypropylene được sử dụng để loại bỏ các hạt có đường kính từ 1 – 5 micromet.
+ Các chất oxy hoá diệt vi sinh vật, chẳng hạn như Clo, Javen có thể phá huỷ màng RO, NF, UF. Sử dụng các chất bảo vệ màng như chất ức chế biofouling, không tiêu diệt vi khuẩn, nhưng chỉ đơn giản là ngăn không cho chúng phát triển thành các mảng trên bề mặt thành màng.
+ Điều chỉnh pH: điều chỉnh pH ở giới hạn thích hợp theo tiêu chuẩn của nhà san xuất màng.
+ Máy bơm cung cấp áp lực cần thiết để đây nước qua màng RO, áp lực bơm cần thiết thể hiện qua tổng lượng muối khoáng hoà tan. Áp lực tiêu biểu cho nước ngọt là 2 – 17 bar (30 – 250 psi), nước lợ là 15.5 – 26 bar (1.5 – 2.6 MPa; 225 – 375 psi) và cho nước biển là 55 – 81.5 bar ( 6 – 8 MPa; 800 – 1180 psi). Điều này đòi hỏi các loại bơm chuyên dụng có áp lực cao. Các vách màng phải đủ vững để chịu được áp lực của máy bơm. Màng RO là một loạt các kết cấu màng, với hai cấu tạo phổ biến nhất là xoắn ốc và sợi rỗng.
4.4Trong khử trùng
- Thẩm thấu ngược là một rào cản có hiệu quả để ngăn các vi khuẩn gây bệnh. Tuy nhiên trong quá trình xử lý nước, màng có thể bị tổn hại và các vấn đề tái nhiễm vi khuẩn. Khử trùng bằng đèn tia cực tím (còn gọi là diệt khuẩn hay tiệt khuẩn) được sử dụng để đảm bảo nước hoàn toàn tiệt trùng.
II. THỰC HÀNH
1. Các bước xác định nồng độ các chỉ tiêu:
• Độ cứng tổng
• SO42-
+ Lập phương trình đường chuẩn + Các bước phân tích mẫu
• NO2-
+ Lập phương trình đường chuẩn + Các bước phân tích mẫu
• Cl-
+ Các bước phân tích mẫu
• COD theo KMnO4
+ Các bước phân tích mẫu
• NH4+
2. Kết quả thí nghiệm
* Lập phương trình đường chuẩn
• SO42- V dd chuẩn (ml) 0 2 4 6 8 10 Nồng độ C (mg/l) 0 8 16 24 32 40 ABS 0 0.055 0.114 0.167 0.253 0.34 • NO2- Thể tích V (ml) 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 Nồng độ C (mg/l) 0 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 ABS 0 0.077 0.204 0.332 0.454 0.593
• NH4+
Thể tích V (ml) 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Nồng độ C (mg/l) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
* Một số công thức tính
• Độ cứng
• Nồng độ Cl-
• COD theo KMnO4
3. Kết quả tính toán
Mẫu trắngMẫu Đầuvào Đầu ra
QCVN01:2009/BYT 01:2009/BYT Quy định Đạt QCVN Thể tích (ml) 25 25 25 - - pH - 7 6.7 6.5 – 8.5 x Độ cứng tổng - 0.7 0.5 - -
Độ cứng tổng
(mg CaCO3/l) - 28 20 300 x Chỉ tiêu Cl- 0.38 0.9 0.6 - - - 6 4 250 x Chỉ tiêu SO42- ABS - 0.035 0.011 - - C (mg/l) - 5.690 2.833 250 x
Mẫu trắngMẫu Đầuvào Đầu ra QCVN 01:2009/BYT Quy định QCVNĐạt Nồng độ NO2- ABS - 0.108 0.07 - - C (mg/l) - 0.015 0.01 3 x Chỉ tiêu NH4+ ABS - 0.689 0.112 - - C (mg/l) - 1.09 0.163 3 x Chỉ tiêu Pemanganat Thể tích (ml) 100 100 100 - - 0.04 0.2 0.1 - - COD (mg/L) - 1.28 0.48 2 x TDS TDS (mg/l) - 212 102.6 1000 x EC EC ( - 320 152.8 - - III. NHẬN XÉT
- Với nguồn nước đầu vào là nước cấp sinh hoạt khi đi qua các lõi 1, lõi 2, lõi 3, lõi 4 hoạt động theo phương pháp hấp phụ và lọc qua khe hở loại bỏ các vi khuẩn, vi rút, bụi bẩn, rong rêu, rỉ sắt, hấp phụ nùi, vị lạ của nước, các khoáng chất nước nên sẽ không có sự chênh lệch nhiều. Có thể sẽ giảm đi một chút do các khoáng chất tự nhiên trong nước bị