1/
5.4. LỌC THẨM THẤU NGƯỢC( RO)
5.4.1. Tổng quan về thiết bị
- Thiết bị thẩm thấu là pha được ưu tiên chuyển qua dưới tác dụng của građien áp suất. Chúng được miêu tả như một màng lọc và được phân loại chức năng theo kích cỡ lỗ khoan. Dùng chính chất của màng bán thẩm thấu cho nước chãy qua, tất cả các chất hồ tan bị giữ lại trừ một vài phân tử hữu cơ rất gần nước ( khối lượng mol nhỏ, phân cực mạnh).
- Khi ta muốn tách một dung dịch muơi cơ đặc từ một dung dịch lỗng hơn bằng màng này, điện áp hĩa cĩ xu hướng làm nước chuyển từ buồng cĩ điện thế cao để pha lỗng ra ( thẩm thấu ra trực tiếp). Nếu muốn cản lại sự khuếch tán này, cần phải đặt lên một áp suất chất lỏng.
- Khi cần bằng, sự chênh lệch áp suất tạo ra được gọi là áp suất thẩm thấu của hệ thống. Thực vậy, để tạo ra nước “ lọc” từ một dung dịch cĩ muối, cần phải vượt qua áp suất thẩm thấu của dung dịch và cũng cĩ thể nĩi rằng: để nhận được lưu lượng kinh tế thích hợp, cần phải làm việc với áp suất ít nhất lớn gấp 2 lần áp suất thẩm thấu.
- Nước sau quá trình này đạt yêu cầu kỹ thuật nước tinh khiết cĩ thể sử dụng uống trực tiếp (về mặt lý hố)
5.4.2. Nhiệm vụ
Hệ thống này cĩ thể loại bỏ hồn tồn các chất ơ nhiễm trong nước như: TDS, kim loại nặng, muối, dư lượng thuốc trừ sâu, háo chất, vi khuẩn, màu, mùi, tia phĩng xạ …Đây là sản phẩm cơng nghệ cao lý tưởng nhất để tạo ra nước tinh khiết.
Khả năng loại bỏ các chất hào tan của màng RO theo một cách phức tạp và phụ thuộc vào các tương tác hĩa học của các chất hịa tan với màng.
Đối với các hợp chất vơ cơ hào tan
Khả năng loại bỏ các ion hịa tan đối với màng RO là theo dãy điện hĩa (lyotropic series): khả năng loại bỏ tăng khi bán kính thủy lực tăng. Và những ion hĩa trị cao thì dễ bị loại bỏ hơn những ion hĩa trị thấp.
Thứ tự loại bỏ các cation bởi màng RO:
Mg2+ > Ca2+ > Sr2+ >Ba2+ > Ra2+ >Li2+ >Na+ >K+
Thứ tự loại bỏ các anion bởi màng RO:
SO4 2-> Cl- >Br- >NO3- >I-
(Nguồn: Water treatment Membrane Processes)
Với chất hữu cơ hịa tan
Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ hịa tan đối với màng NF và RO cĩ vẻ như cịn phức tạp hơn trường hợp của các chất vơ cơ hịa tan. Trong khi đối với màng UF và NF thì khả năng loại bỏ phụ thuộc vào khối lượng phân tử, thì khối lượng nguyên tử lại là kém hiệu quả trong quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nguyên tử thấp đối với màng RO ( bởi màng RO chủ yếu được cấu tạo từ các hợp chất hữu cơ nhân tạo SOCs). Chính vì vậy mà thành phần cấu tạo màng giữ vai trị quan trọng trong việc xác định khả năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhân tạo cĩ khối lượng nguyên tử nhỏ hơn hoặc bằng 200. Tuy nhiên khối lượng nguyên tử của hợp chất cũng ảnh hưởng đến khả năng khuếch tán của nĩ. Những vật chất cĩ khối lượng phân tử lớn thì khuếch tán qua màng với tốc độ chậm, nồng độ của nĩ trong dịng thấm thấp. Bên cạnh đĩ cũng cĩ những yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ tạp chất của màng. Ví dụ như khả năng loại bỏ các acid hữu cơ sẽ cao hơn nếu pH cao.
Những điều kiện cần thiết để RO hoạt động đạt hiệu quả tối ưu: - Đảm bảo nước đầu vào cĩ [Fe] ≤ 0,3 mg/l
- Duy trì đúng áp lực vận hành
- Nhiệt độ của hệ thống: 250C
- Giữ cho hệ thống tiền xử lý hoạt động ở điều kiện tốt nhất
- Tránh để đĩng cặn trên màng RO
- Xả rửa RO khi áp lực dịng tăng (10% so với áp lực vận hành)
- Khơng cho phép sự hiện diện của Cl- dư (vì Cl- dư sẽ phá vỡ cấu trúc màng lọc.
5.4.3. Màng (Membrane)
- Màng là bất cứ vật liệu nào hình thành lớp mỏng va khả năng chịu được áp suất lớn để tách các thành phần trong dung dịch như chất lơ lửng, dung mơi, chất hịa tan.
- Màng thường được chế tạo từ cellulose acetate ( như màng thẩm thấu ngược), polymer hữu cơ (polymide), polymer vơ cơ.
- Màng cĩ cấu trúc khơng đối xứng.
5.4.4. Các dạng màng
• Màng đĩa (plate and fram membrane)
• Màng ống (tubular membrane): ống chế tạo từ sứ (cameric membrane), carbon plastic, Dống = 2,5 – 3,2 mm
Sợi rỗng được chế tạo bằng máy ép đùn qua khuơn hình. Sợi cĩ đường kính thay đổi từ vài chục micron tới vài mm. Sợi rỗng này tương tự dạng ống, màng đặt bên trong. Nhưng sợi rỗng cĩ đường kính nhỏ hơn nhiều và kết cấu đỡ địi hỏi rắn chắc hơn. Những sợi rỗng được thu gom lại thành bĩ cĩ thể đạt giá trị rất cao. Dịng chất lỏng qua xử lý sẽ chảy từ bên trong (lớp mặt trong) hay bên ngồi (lớp mặt ngồi).
• Module dạng tấm (Plate type module)
Kiểu này được cấu tạo từ việc xếp chồng các màng và các tấm đỡ. Chất lỏng cần xử lý lưu thơng giữa các màng của hai tấm kề nhau. Bề dày lớp chất lỏng từ 0,5 – 3mm. Đồng thời các tấm phẳng bảo đảm hỗ trựi cơ học của màng và máng thấm lọc. Sự sắp xếp chúng cho phếp dịch chuyển song song hoặc nối tiếp. Như vậy các tập hợp đơn cĩ thể cấu tạo cho đến 50m2 cho diện tích bề mặt.
Ưu điểm: với độ xiết chặt trung bình, các module cĩ ưu điểm là dễ tháo gỡ, cũng
như thay thế các màng và khi cần thiết cĩ thể làm sạch tồn bộ.
Nhược điểm: chiều dài và hình ngoằn nghoèo của máng vận chuyển làm cho tổn
thất tải tương đối lớn.
• Module dạng ống (Tubular module)
Ống được chế tạo từ sứ, cacbon hoặc plastic rỗ cĩ đường kính từ 0,49mm (1/8 inch) đến 2,45mm (1inch). Dịng thấm chảy qua thành ống và được thu ở phía ngồi ống. Các ống tiếp theo được đặt song song hoặc nối tiếp trong vỏ hình trụ tạo thành module đơn vị.
Ưu điểm: chế độ thủy động lực của dịng chảy được xác định là hồn hảo và tốc
độ lưu thong cso thể đạt tới 6m/s (khi cần một chế độ chảy rối mạnh). Kiểu này khơng cần thiết bị lọc bụi sơ bộ chất lỏng và cũng rất dễ làm sạch. Chúng đặc biệt phù hợp cho việc xử lý chất lỏng cĩ độ nhớt cao.
Nhược điểm: là độ chặt nhỏ và giá thành cao. 5.4.5. Tính tốn thiết bị
Các bước tính tốn chọn lọc màng RO:
- Bước 1:Xem xét nguồn nước, chất lượng nguồn nước dịng vào, dịng ra và
yêu cầu đối với chất lượng nước.
- Bước 3: Xác định loại màng và loại element.
- Bước 4: Thiết kế dịng (xác định dịng chảy qua màng) - Bước 5: Tính tốn số lượng element cần dùng.
- Bước 6: Tính tốn số lượng vỏ áp suất (pressure vessel) cần sử dụng. - Bước 7: Lựa chon số lượng pha.
- Bước 8: Lựa chọn số lượng pha( hay cách mắc các vỏ màng). - Bước 9: Cân bằng tốc độ dịng.
Cụ thể:
Bước 1: Xem xét nguồn nước, chất lượng nguồn nước ,dịng vào ,dịng ra và yêu cầu đối với chất lượng nước.
- Nguồn nước sử dụng là nguồn nước phải đạt được tiêu chuẩn 1329/2002/BYT-QĐ
- SDI< 3,Chỉ số SDI của nguồn nước tiền xử lý cĩ mối liên quan chặc chẽ với các chất gây tắc nghẽn màng cĩ trong nguồn nước . Nồng độ các chất ơ nhiễm trên bề mặt màng gia tăng dịng thấm ( Tỉ lệ dịng thấm trên một đơn vị diện tích màng) Một hệ thống mà tốc độ dịng thấm nhanh thì tốc độ mau đĩng cặn càng cao và khả năng phải rửa hĩa chất càng nhiều.
- Tổng lưu lượng dịng thấm 48m3/ngày(3m3/h) vì ngày làm 16 giờ.
- Tổng chất rắn hịa tan là khoảng 120mg/l
- Tốc độ dịng trung bình của tồn hệ thống là thong số để thiết kế. Dịng của hệ thống là một con số cĩ ý nghiã để định lượng nhanh số lượng element cần thiết. Hệ thống vận hành với nguồn nước cĩ chất lượng cao được thiết kế xĩ giá trị dịng thấm cao , trong khi hệ thống vận hành ở nguồn nước cĩ chất lượng thấp thì được thiết kế với giá trị dịng thấm thấp . Tuy nhiên trong cùng một điều kiện dịng nước, hệ thống được thiết kế ở giá trị dịng thấm cao hay thấp phụ thuộc vào việc giảm thiểu chi phí đầu tuwcungx như chi phí vận hành hệ thống về mặt lâu dài.
Bước 2: xác định dạng dịng chảy và số dịng ra
Hình dạng dịng chảy chuẩn cho hệ thống màng lọc là dịng chảy ngang (flug flow), tức là lượng nước vào chảy ngang một lần suốt hệ thống. Loại hình tuần hồn
Rc giống như dịng chảy ngang. Một hệ thống RO thường được thiết kế vệ hành lien tục và điều kiện vận hành của từng màng là khơng đổi theo thời gian. Tuy nhiên, trong từng ứng dụng cụ thể, hệ thống vận hành gián đoạn theo mẻ (semi bacth mode) cũng được sử dụng thùng chứa được làm đầy bằng dịng nước vào trong suốt quá trình vân hành. Hệ thống hai dịng thấm (double pass) là sự kết hợp của hai hệ thống RO đơn giản. Dịng thấm thứ nhất (first pass) sẽ là dịng vào hệ thống thứ hai (second pass). Hệ thống RO cĩ thể ứng dụng cả 2 dạng: 1 dong thấm hoặc 2 dịng thấm với dạng chảy ngang hoặc tuần hồn dịng đậm đặc. Nước sử dụng trong cấp nước y học hoặc dược phẩm là ứng dụng điển hình của hệ thống 2 dong thấm. Tuy nhiên, ta cũng cĩ thể thay thế pass thứ 1 của hệ thống bằng cột trao đổi ion.
Hệ thống xử lý nước tinh khiết RO để cấp cho nhà máy dược phẩm trong luận văn cĩ qui mơ nhỏ và chất lượng nước đầu vào tốt nên ta lựa chọn hệ thống một dịng thấm vì vừa đạt yêu cầu về chất lượng, vừa tiết kiệm chi phí.
Bước 3: Chọn loại màng
Màng được chọn dựa theo khả năng xử lý TDS, khả năng gây bẩn màng, tỉ lệ thải muối cũng như năng lượng vận hành cần thiết. Màng chuẩn cho hệ thống lớn
nhỏ hơn đáp ứng nhu cầu của hệ thống nhỏ hơn theo hướng dẫn chọn màng FM của hãng Osmonic.
Nước tinh khiết cấp cho dược phẩm.
• Nguồn: TDS = 120 < 2000 ppm
• Số màng (Element) n>2
• Áp suất vận hành cao (high, pressure) Suy ra chọn màng AG4040CF
Bảng 5.11. Thơng số kỹ thuật màng FILMTEC>BW30LE
Tên màng Diện tích bề mặt hoạt động ft2(m2) Tốc độ dịng thấm gpd (m3/d) Tỉ lệ loại muối ổn định % AG – 4040CF 82 (7,6) 2400 (9,1) 99,5 Bảng 5.12. Kích thướt màng FILMTEC>BW30LE
Loại màng Kích thước inch (mm)
AG – 4040CF A B C D
40 (1016) 1,05 (26,7) 0,75 (19) 3,9 (99) 1 inch = 25,4 mm
Bảng 5.13. Các thống số giới hạn hoạt động của màng
Thơng số Giá trị
Loại màng Màng Poliamide cĩ lớp composite
mỏng
Nhiệt độ vận hành tối đa 1130C (450C) Áp suất vận hành tối đa 600 psig (41 bar) Tốc độ dịng chảy tối đa 14 gpm (3,2 m3/hr) Độ giảm áp suất cực đại 13 psig (0,9 bar)
pH vận hành 2 – 11
pH rửa dung dịch (trong 30 phút) 1 - 13
Clo dư tối đa < 0,1 ppm
SDI 5
Tỉ lệ nước sạch qua element 15% Tỉ lệ thu hồi nước sạch qua cả hệ thống 60%
- Chọn loại module: Như ta đã biết cĩ nhiều dạng module lọc . Tuy nhiên trên thị trường Việt Nam phổ biến nhất hiện nay lafdangj module cuộn . Nên ta chọn dạng này ta thiết kế cho hệ thống RO của mình.
Chế tạo module bằng cách, đặt tấm xốp mềm giữa 2 tấm màng phẳng, gắn kín 3 viền mép, viền thứ 4 cịn lại gắn với ống gĩp. Nhiều cặp như vậy xép chồng lên nhau qua tấm đệm mềm , sau đĩ cuộn lai thành ống.Nước đem đi lọc vào khe của tấm đệm với tốc độ đủ lớn , từ khe thấm qua màng lọc tập trung vào tấm rỗng và thu gom về ống gĩp. Đường kính mỗi cuộn đến 105mm chiều dài 1060mm.module này gắn chặc và cĩ tổn thất áp lực tháp hơn dạng module tấm.
Bước 4:Thiết kế dịng và chọn cường độ dịng thấm qua màng.
Hệ thống RO thường được thiết kế cho một vận tĩc dịng thấm xác định (gdp hoặc l/m2.h và khả năng thu hồi nhất định. Những thong số này cùng với nguồn nước cụ thể là những thơng tin cần thiết cho việc xác định số lượng màng lọc ,vỏ lọc áp lực và số lượng dãy lọc hay nĩi cách khác hơn là cách lắp ghép các module màng lọc.
- Tỷ lệ nước sạch (%dịng thấm ) cho tồn hệ thống Rc =50-70 %
- Đối với hệ thống xử lý nước nhiễm mặn khả năng thu hồi của hệ thống là 20- 30%; nước lợ 40-60%; nước ngọt từ 60-80% hệ thống này cĩ nguồn nước
vào là nguồn nước đạt tiêu chuẩn 1329/2002/BYT. Nên ta chọn % dịng thấm cho cả hệ thống là 60%.
- Lưu lượng dịng thấm qua hệ thống : Q=5m3/h x 60%=3m3/h.
Bước 5: Tính tốn số lượng màng( element) cần dùng.
Tổng số lượng màng cần thiết = (lưu lượng dịng thấm cần thiết kế /diện tích bề mặt hoạt động của màng ).
N=S qQ.
Trong đĩ :
• Q: Lưu lượng dịng thấm qua tồn bộ hệ thống RO, Q=3m3/h.
• S: Diện tích bề mặt màng, S=7,6 (bảng 5.4)
• q: cường độ dịng thấm qua một màng Nguồn nước thủy cục làm mềm : q=23l/m2.h
n= 3 3 2 3 3 / 1000 / 17.16 àng 7, 6 23 / , m h l m m m l m h × = × Chọn n=18 màng Bước 6 : Tính tốn số lượng vỏ áp lực cần dùng: - Tổng số vỏ áp lực cần dùng = Tổng số màng /cố màng trong một vỏ áp lực
- Lấy giá trị số nguyên gần nhất.
- Đối với những hệ số nhỏ : ta lấy vỏ một element
- Tổng số vỏ màng cần dùng là = 18 màng/(2màng/1vỏ) =9 vỏ màng
ĐATN: Thiết kế hệ thống xử lý nước tinh khiết cấp cho nhà máy dược phẩm trung ương Vidipha
Tuy nhiên, lưu lượng dịng thấm đi qua từng màng là khác nhau do nồng độ muối trong mỗi dịng khi đi qua từng dịng là khác nhau.Lưu lượng dịng thấm đi qua màng đầu tiên là nhiều nhất khi nồng độ muối khi đi qua màng đầu tiên là thấp nhất.
Bước 7: Chọn số lượng pha ( hay cách mắc các vỏ màng áp lực vào hệ thống )
Số lượng pha (stage) được định nghĩa là cĩ bao nhiêu vỏ màng trong một dãy mà dịng vào sẽ chảy qua đến khi ra khỏi hệ thống và được thải ra ngồi như một dịng đậm đặc. Mối pha (stage) bao gồm một số lượng xác định vỏ màng được lắp song song với nhau. Số lượng pha là một hàm tỉ lệ theo Rc của hệ thống, số lượng màng trong một vỏ và chất lượng nước đầu ra. Những hệ thống cĩ khả năng thu hồi cao và chất lượng nước nguồn thấp thì hệ thống phải dài hơn và số lượng các màng trong mỗi dãy cũng phải nhiều hơn. Thơng thường tỉ lệ dãy các vỏ áp lực cĩ mối quan hệ với tỉ lệ thu hồi của hệ thống và số lượng pha (stage) được minh họa như bảng dưới đây:
Hệ thống hai pha (stage) là hệ thống mà trong đĩ dịng đậm đặc của stage thứ nhất là nguồn của Stage thứ 2, hệ thống này thường được sủ dụng trong các trường hợp lưu lượng dịng vào là rất lớn và cần tuần hồn để tiết kiệm nguồn nước, ví dụn như khử mặn của nước lợ.
Trong hệ thống đang thiết kế, chất lượng nươc đầu vào là tương đối khá sạch (từ nguồn nước thủy cục) và lưu lượng thiết kế nhỏ (dịng vào là 5m3/h) nên ta chọn hệ thống stage.
Bước 8: Lựa chọn tỉ lệ hàng dãy (staging ratio)
Đối với hệ thống cĩ 4 vỏ màng ở stage thứ nhất và 2 stage ở pha thứ 2 thì tỉ lệ staging là 2:1. Hệ thống 3 stage (4:3:2) là 4 vỏ màng ở stage thứ nhất là 4, ở stage