Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÀNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC CẤP CHO DÂN CƯ VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI ĐẢO"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Halinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

86
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự cạn kiệt nhanh chóng nguồn nước ngọt trên hành tinh bắt nguồn từ sự tăng dân số, biến đổi khí hậu,… Đảm bảo cấp nước sinh hoạt ổn định và an toàn cho dân cư vùng ven biển và hải đảo là rất cần thiết, đặc biệt là các nước ven biển như Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÀNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC CẤP CHO DÂN CƯ VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI ĐẢO"

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÀNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC CẤP CHO DÂN CƯ VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI ĐẢO PGS. TS. TRẦN ĐỨC HẠ Viện Khoa học và k ỹ thuật môi trường (IESE) - Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Sự cạn kiệt nhanh chóng nguồn nước ngọt trên hành tinh bắt nguồn từ sự tăng dân số, biến đổi khí hậu,… Đảm bảo cấp nước sinh hoạt ổn định và an toàn cho dân cư vùng ven bi ển và hải đảo là rất cần thiết, đặc biệt l à các nước ven biển như Việt Nam. Bài báo giới thiệu một số công nghệ khử mặn để xử lý nước biển thành nước cấp ăn uống. Sự phát triển của công nghiệp vật liệu nano mở ra khả năng ứng dụng lọc màng nano (NF) để cấp nước cho dân cư vùng ven biển và hải đảo. Một số công nghệ xử lý nư ớc biển có sử dụng màng l ọc nano cũng được giới thiệu trong bài báo này. 1. Yêu cầu đảm bảo an toàn cấp nước sinh hoạt cho dân cư vùng ven biển và hải đảo Nư ớc ngọt là nhu c ầu không thể thiếu đư ợc trong đời sống con ng ư ời. Việc cung cấp đầy đủ nư ớc sạch đảm bảo chất lư ợng và số lư ợng luôn l à thách thức đối với các quốc gia. Nhu cầu d ùng nư ớc tron g quá trình phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đang tăng mạnh. Hiện nay, dân số n ư ớc ta đã vư ợt qua con số 80 triệu ngư ời. Theo ư ớc tính, l ư ợng nư ớc ngọt cần d ùng vào năm 2010 sẽ là 130 tỷ m3. Mức này gần tương đương v ới nguồn nư ớc v ào mùa khô trên các lưu vực sông của cả nư ớc. Như vậy, việc thiếu nư ớc ngọt đã rất rõ ràng. N ư ớc sử dụng trong sinh hoạt chiếm tỷ lệ khoảng 2% so với tổng nhu cầu. Nếu đối chiếu với ti êu chuẩn thiếu nư ớc của Tổ chức Khí tư ợng thế giới v à c ủa U NESCO, năm 2010 nhiều v ùng ở V iệt N am thi ếu nư ớc ở mức từ trung bình đến gay gắt, đặc biệt trong các tháng mùa khô. Bên cạnh đó, mục ti êu trong Chiến lư ợc Quốc gia về cấp nư ớc sạch và vệ sinh nông thôn theo Quy ết định số 104QĐ/TTG ng ày 25/08 /2000 c ủa Thủ tư ớng Chính phủ đặt ra đến 2020 l à “tất cả dân cư nông thôn sử dụng nư ớc sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lư ợng ít nhất 60 lít/ngư ời/ngày”. Đây là nhi ệm vụ nặng nề và khó khăn đ ối với một nư ớc đang phát triển nh ư Vi ệt N am. Tài nguyên nư ớc mặt phân bố không đều trong l ãnh thổ và biến đổi mạnh theo thời gian, do đó tình tr ạng thiếu nư ớc ngọt đã và đang xảy ra ở nhiều n ơi, nh ất là vùng núi cao và đồng bằng ven biển. Mặt khác khai thác, sử dụng nư ớc dư ới đất không hợp lý đã gây ra sụt lún đất, hạ thấp mực nư ớc ng ầm ở một số n ơi, nhiễm mặn khá phổ biến ở nhiều vùng ven bi ển, ảnh hư ởng tới tầng chứa nư ớc ng ọt. Lư ợng mưa có thể giảm đáng kể ở Việt Nam trong thập kỷ tới và hơn 12 tri ệu ng ư ời sẽ phải chịu tác động của tình trạng thiếu nư ớc ngày càng gia tăng. Với trên 3.260 km đư ờng biển, Việt N am có tiềm năng lớn về kinh tế biển. Dân số các tỉnh ven bi ển rất đông, chiếm khoảng 60% dân số cả nư ớc. V ùng ven bi ển v à hải đảo nư ớc ta có 115 huyện thị với gần 18 triệu ngư ời sinh sống. Trong những năm gần đây, với chiến lư ợc phát triển đất nư ớc theo hư ớng công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế, sự xây dựng công tr ình và khai thác tài nguyên ven bi ển rất sôi động. C hi ến lư ợc Biển Việt Nam đến năm 2020 nêu rõ: nư ớc ta phải phấn đấu trở thành m ột quốc gia mạnh về biển, giàu lên t ừ biển. Chúng t a phải xây dựng các trung tâm kinh tế lớn v ùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả n ư ớc. Biến đổi khí hậu sẽ mang lại nhiều rủi ro thiên tai cho Việt Nam. Mực nư ớc biển dâng cao là yếu tố liê n quan tr ực tiếp đến vấn đề nư ớc sạch và v ệ sinh môi tr ư ờng trong nông nghiệp và nông thôn ở nư ớc ta, l àm tăng r ủi ro lũ lụt cho các v ùng đất trũng ven biển. Biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ ảnh hư ởng r õ rệt đến cuộc sống của nhân dân v à hệ sinh thái ven biển. 70% dân cư sinh s ống gần vùng ven bờ hiện đang đối mặt với các đe dọa không dự báo đ ư ợc của mực nư ớc biển dâng cao v à các thiên tai khác. Biến đổi khí hậu v à mực nư ớc biển dâng cao có thể l àm tăng các vùng ngập lụt, làm cản trở hệ thống tiêu thoát nư ớc, làm tăng thêm cư ờng độ xói lở tại các vùng ven b ờ và nhiễm mặn, dẫn đến gây khó khăn cho hoạt động nông nghiệp và cung cấp nư ớc sinh hoạt... Theo báo cáo của Ngân h àng T hế giới (WB) và Ủ y ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), mực n ư ớc biển dâng cao 1 m sẽ có khả năng gây ra “khủng hoảng sinh thái”, ảnh h ư ởng tới gần 12% diện tích và 11% dân s ố Việt N am. Ngoài ra, một số cảng lớn, th ành phố và vùng dân cư ven bi ển có thể bị ngập một phần, việc cung c ấp n ư ớc sinh hoạt cho nhân dân, các hoạt động thương m ại, du lịch cũng sẽ bị ảnh h ư ởng. Báo cáo nghiên c ứu mới nhất về tác động của biến đổi khí hậu ở khu vực Đông Nam Á của Ngân h àng Phát triển Châu Á (ADB) công bố ngày 28/4/2009 tại H à N ội cho rằng sản xuất lúa gạo ở Việt Nam có thể giảm mạnh và mực n ư ớc biển tăng có thể nhấn chìm hàng chục ng àn hécta đ ất canh tác v ào cu ối thế kỷ này, đồng thời khiến cho hàng ngàn gia đình s ống ven biển phải tái định cư.
Để giải quyết tình trạng này, mục tiêu c ủa Chiến lư ợc Quốc gia về tài nguyên nư ớc định hư ớng ho ạt động phát triển v à quản lý tài nguyên nư ớc cho một giai đoạn theo quan điểm của Nh à nư ớc về phát triển kinh tế - xã hội v à bảo vệ môi tr ư ờng nhằm tạo bư ớc chuyển đổi c ơ bản cho hoạt động quản lý, bảo vệ v à phát triển t ài nguyên nư ớc. Từ những yếu tố tr ên, c ần t hiết phải t ìm m ột nguồn t ài nguyên nư ớc ổn định để cấp nư ớc sinh hoạt cho nhân dân vùng ven biển và hải đảo. Nguồn t ài nguyên ổ n định và phong phú nh ất vẫn là nư ớc bi ển. Tìm ki ếm công nghệ và triển khai lắp đặt các công tr ình, thiết bị xử lý nư ớc biển và nư ớc lợ để cung c ấp nư ớc cho các cụm dân c ư, đô thị,… ven biển và hải đảo l à m ột nhiệm vụ cấp bách và c ần thi ết, đặc biệt là trong tình hình biến đổi khí hậu nh ư hi ện nay. 2. Các công nghệ ngọt hóa nước biển để cấp nước cho sinh hoạt Trên trái đ ất, nư ớc biển ng ày càng đóng vai tr ò quan tr ọng trong việc cung cấp nư ớc uống do việc phát triển các nguồn nư ớc ngọt tự nhiên bị hạn chế. Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5% nư ớc trên trái đ ất là nư ớc biển và không hơn 2,5% là nư ớc ngọt. Ngoài ra, phần lớn nư ớc ngọt đư ợc dự trữ trong các sông băng, tảng băng v à dư ới l òng đất. N ư ớc m à con ngư ời có thể sử dụng dễ dàng như nư ớc trong sông, hồ,... chỉ chiếm khoảng 0,01% tổng l ư ợng n ư ớc ngọt. Trong khi đó, dân số to àn cầu tăng tới tám tỷ vào năm 2025. G ần 3,5 tỷ n gư ời trong số này sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nư ớc. Đ ộ mặn của nư ớc biển có không đồng đều tr ên toàn thế giới, mặc d ù ph ần lớn nằm trong khoảng từ 3,1% đến 3,8%. Nư ớc biển khi sự pha trộn với n ư ớc ngọt đổ ra từ các con sông hay gần các sông băng đang tan chảy thì nhạt đi một cách đáng kể. Th ành phần n ư ớc biển tr ên trái đ ất theo các nguyên t ố đư ợc nêu trong bảng 1. Bảng 1. Thành phần các nguyên t ố chính trong nước biển Nguyên tố Phần trăm Nguyên t ố Phần trăm Hiđrô Ôxy 85,84 10,82 Clo 1,94 Natri 1, 08 Lưu huỳnh Magiê 0,1292 0,091 Canxi 0,04 Kali 0,04 Brôm 0,0067 Cacbon 0,0028 (Nguồn: vi.wikipedia.org/wiki) Ở Việt Nam, theo các số liệu khảo sát năm 2002 của Trần Đức Hạ và các c ộng sự thuộc IESE, một s ố chỉ tiêu chính liên quan đến khả năng sử dụng nư ớc biển để cấp nư ớc cho sinh hoạt đ ư ợc n êu trong bảng 2. Bảng 2. Các chỉ ti êu pH, Cl - và SO42- t rong nước biển một số khu vực Biển Hòn Gai Biển Hải Phòng Biển Đà Nẵng Bi ển Bắc Mỹ pH 7,8-8,4 7,5-8,3 7,7 7,5 Cl-, g/L 6,5-18 9,0-17,8 0,4-12,1 18 SO42- , g/L 0,2-1,2 0,002-1,1 0,2-0,9 1,4 (Nguồn: Trung tâm Kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghi ệp CEETIA, 2002) Trong 40 năm qua, độ mặn ở các v ùng bi ển nhiệt đới đ ã gia t ăng đáng kể trong khi nư ớc biển ở các vùng c ực ng ày càng ít muối h ơn. Nhi ều kết quả nghiên cứu cho thấy v òng tuần ho àn nư ớc to àn cầu ng ày càng tr ở nên nhanh chóng và d ữ dội, các đại dư ơng t ại miền nhiệt đới ngày càng b ốc hơi nhi ều h ơn. Ngoài vi ệc làm thay đổi sự phân bố nư ớc ngọt v à s ự tạo thành bão trên toàn c ầu, vòng tu ần hoàn nư ớc quá nhanh v à mạnh như v ậy sẽ làm tr ầm trọng thêm sự nóng lên c ủa trái đất, vì b ản thân hơi nư ớc cũng l à một khí nh à kính. Tình trạng thiếu nư ớc trầm trọng do gia tăng dân số, đô thị hóa v à chất l ư ợng cuộc sống tr ên thế gi ới ngày càng cao hơn đã khi ến nhiều quốc gia (nhất l à các vùng khô h ạn và bán khô hạn) phải chấp nh ận các công nghệ khử mặn, tr ư ớc hết là để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Khử mặn ( desalination ) là quá trình loại bỏ các muối hòa tan và các ch ất khác có trong nư ớc biển, nư ớc lợ hay nư ớc ngầm ho ặc nư ớc mặt bị nhiễm mặn. Dựa v ào công ngh ệ và m ục đích xử lý nư ớc, quá tr ình khử mặn có thể đạt đ ư ợc nư ớc có chất lư ợng d ùng cho sinh hoạt, công nghiệp hay tư ới tiêu. Ngành công nghiệp khử nư ớc mặn đã trở thành một ngành thương mại từ những năm 1960. Do giảm đư ợc nhiều về giá thành và tăng hiệu quả, đặc biệt trong những năm 1970 công việc khử mặn, trong đó m àng lọc chiếm ưu thế trong các công nghệ xử lý nư ớc biển đã trở thành m ột chiến l ược và là ngu ồn cung cấp nư ớc đáng tin cậy để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt. Hi ện nay ư ớc tính toàn cầu có h ơn 12.000 nhà máy xử lý nư ớc biển v à nư ớc lợ ở 140 quốc gia, với tổng công suất lên t ới 40 triệu m3/ngày. Trong đó xử lý nư ớc biển chiếm 57.4% (WHO, 2008). Công
s uất khử mặn tr ên thế giới đạt gần 9,6 tỷ m3, trong đó các nư ớc thuộc Hội đồng Hợp tác V ùng vịnh (GCC) như Ả Rập, Cô Oét, Tiểu Vương quốc Ả Rập thống nhất, Bahra in, Qatar và Oman chiếm 47% tổng công suất. Trong xử lý nư ớc cấp cho sinh hoạt từ nguồn n ư ớc tự nhi ên, những vật liệu lọc như cát, sỏi,… chỉ giúp ta kh ử bỏ những chất bẩn thô, những hạt huyền ph ù và một phần nhỏ các hợp chất đ ã kết tủa như sắt, mangan, c òn ch ất độc hại h òa tan trong n ư ớc thì hầu như không l ọc đư ợc. Sau n ày, những vật liệu khác như gốm, than hoạt tính, nhựa polypropylene, nhựa trao đổi ion,... xuất hiện đ ã giúp cho vi ệc lọc nư ớc đạt hiệu quả hơn nhi ều. Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng ở mức độ giữ lại các hạt chất bẩn có kích thư ớc nhỏ. Đối với vi khuẩn v à các chất rắn hòa tan, các loại vật liệu lọc truyền thống không thể giữ lại đ ư ợc. Do nh ững hạn chế của các vật liệu lọc tr ên đã xu ất hiện các ph ương pháp xử lý nư ớc bằng màng lọc. Lọc m àng là m ột trong nh ững kỹ thuật khá mới đ ư ợc phát triển và ứ ng dụng trong công nghệ xử lý nư ớc tự nhi ên và nư ớc thải trong gần 30 năm trở lại đây. Phương pháp l ọc màng có nhi ều ư u đi ểm về phương diện kỹ thuật, quy mô sản xuất và giá thành hoạt động. Phạm vi áp dụng c ủa kỹ thuật m àng khá r ộng, loại bỏ gần như tất cả tạp chất: chất huyền ph ù, chất keo, nhũ tương, hữu c ơ h òa tan, các ion có kích thư ớc nhỏ. Màng ho ạt động nh ư m ột hàng rào ch ắn đối với dòng chảy của một hỗn hợp gồm chất lỏng và các c ấu tử trong đó. Màng có tính thấm chọn lọc khác nhau đối với các cấu tử khác nhau. T hẩm thấu ngư ợc (reverse osmosis - R O) là quá trình đư ợc áp dụng r ộng rãi đ ể xử lý nư ớc biển thành nư ớc d ùng cho m ục đích sinh hoạt. Đây là quá trình ngư ợc lại với quá tr ình thẩm thấu tự nhi ên. T hẩm thấu xuất hiện các dung dịch có nồng độ khác nhau đư ợc ngăn cách bởi một màng bán thấm. K hi đó trên toàn b ộ m àng ngăn sẽ xuất hiện một áp suất thủy lực từ phía dung dịch có nồng độ cao sang phía có nồng độ thấp h ơn. Áp lực thẩm thấu sẽ tỷ lệ thuận với sự chênh lệch về nồng độ giữa hai dung d ịch. Để chuyển ngư ợc hư ớng của d òng thẩm thấu ng ư ợc thì phải d ùng những áp lực bên ngoài. Q uá trình thẩm thấu ng ư ợc cho phép loại bỏ các hạt chẳng hạn như ion kh ỏi dung dịch. Thẩm thấu ngư ợc đ ư ợc sử dụng để loại bỏ mu ối cũng nh ư các tạp chất khác nhằm cải thiện m àu, mùi vị hoặc các tính chất của dung dịch. M àng RO sẽ cho phép dung dịch đi qua đồng thời cản các ion v à ch ất ô nhi ễm khác. Công nghệ RO đư ợc sử dụng để lọc nư ớc, đáp ứng đư ợc các chỉ tiêu kh ắt khe nhất hiện nay. Với công nghệ RO, để xử lý nư ớc biển với nồng độ muối 35.000 mg/L th ành nư ớc đạt yêu cầu dùng cho sinh hoat (nồng độ muối không vư ợt quá 250 mg/L) thì cần cung cấp áp lực tổng cộng là 60 -100 atm. Công ngh ệ RO do đó có chi phí đầu tư, v ận hành và qu ản l ý rất cao do cần phải có: - Vật liệu chế tạo chịu đ ư ợc áp suất cao; - B ơm t ạo đư ợc áp suất cao; - C hi phí điện năng cao; - Màng l ọc phải thay thế t hư ờng xuyên do tắc nghẽn. Do đó, nhu c ầu cấp thiết là phải giảm đư ợc áp lực cần cung cấp trong xử lý bằng R O. Phương pháp RO đ ầu ti ên đư ợc ứng dụng ở Mỹ để sản xuất n ư ớc tinh khiết. Các thử nghiệm cho th ấy các m àng l ọc RO có thể khử bỏ tới 99% tất cả các chất tan, vi tr ùng và virus, nhưng nồng độ các chất dinh dư ỡng cần thiết nh ư các ion canxi, magie,.. đã giả m xuống mức thấp hơn các tiêu chu ẩn kỹ thuật nư ớc uống của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO).V ì vậy để có thể cung cấp nguồn nư ớc uống đạt chất lư ợng theo yêu cầu, sản phẩm n ư ớc đã qua xử lý RO phải đư ợc bổ sung thêm các ch ất dinh dư ỡng cần thiết. Trong hơn 30 năm qua các nư ớc thuộc GCC đã ti ến hành xây dựng và m ở rộng các nh à máy kh ử m ặn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lên. Hi ện nay, có 6 quốc gia đã xây dựng đư ợc 36 nhà m áy l ớn để khử mặn n ư ớc biển và nư ớc lợ: 21 nhà máy nằm tr ên b ờ biển Đỏ và 15 nhà máy tr ên vùng vịnh. Sản l ư ợng chung của các nhà máy khử mặn ở các quốc gia thuộc GCC tăng từ 1,5 tỷ m 3 trong năm 1990 lên 2,7 t ỷ m3 n ăm 2000, do các nhà máy đã đư ợc bổ sung và m ở rộng. Năm 2001 chỉ riêng công suất của một nhà máy ở Ả Rập Saudi đ ã đạt hơn 1 t ỷ m3, đây là nhà máy khử mặn lớn nhất thế gi ới. H ơn 85% các nhà máy khử mặn thuộc GCC sử dụng các hệ thống ch ưng cất nhanh nhiều tầng ( MSF). Các h ệ thống này có hai tác d ụng, vừa có thể sản xuất nư ớc và điện. Phần lớn các nhà máy còn lại dựa tr ên công nghệ sử d ụng các m àng l ọc thẩm thấu ngư ợc (RO). Năm 2005, Singapore đ ã khánh thành nhà máy l ọc nư ớc biển thành nư ớc sinh hoạt trị giá 200 triệu USD, có thể cung cấp đến 10% nư ớc cho nhu cầu hà ng ngày c ủa ng ư ời dân Singapore (tương đương với 136 ngàn m3 nư ớc/ng ày). Giá nư ớc sản xuất từ nhà máy là 0,45 cent Mỹ/m3, bằng khoảng 1/2 giá nư ớc ở những nhà máy l ọc n ư ớc biển khác. Nhà máy v ừa khánh thành sẽ là nguồn cung cấp nư ớc thứ 4 cho Singapore, bên c ạnh sông hồ tự nhiên, nư ớc nhập khẩu v à nư ớc xử lý theo công nghệ NEW ater.
C ông nghệ m àng l ọc chiếm ư u thế trong các công nghệ xử lý nư ớc biển. Ở các khu vực như Bán đảo Ả Rập hay vùng Caribe, giá thành c ủa nư ớc sau xử lý bằng công nghệ m àng và công ngh ệ truyền th ống t ương đương nhau từ những năm 1980. Đối với phương pháp c hưng c ất, n ư ớc biển đư ợc đun nóng, áp l ực đư ợc hạ thấp để nư ớc biến thành hơi và t ách mu ối hoà tan. Ti ến trình chưng cất đa hiệu ứng li ên quan t ới một số máy bốc hơi nư ớc theo chuỗi. H ơi nư ớc từ một chuỗi đ ư ợc sử dụng l àm b ốc hơi nư ớc trong hiệu ứng tiếp t heo. M ột số nh à máy chưng c ất kết hợp cả ba dạng tr ên. Chất thải của các tiến tr ình này là dung dịch muối. L ợi thế của nhà máy chưng c ất l à không c ần phải đóng cửa một bộ phận lớn để l àm s ạch hoặc thay th ế thiết bị thư ờng xuy ên như nhà máy RO. L ợi thế của các nhà máy RO là nư ớc đầu vào không c ần đun nóng, gi ảm mức năng l ư ợng ti êu thụ. Ngoài ra, các nhà máy RO chi ếm ít diện tích bề mặt hơn so với nhà máy chưng c ất. Mặc dù số lư ợng nh à máy thẩm thấu ngư ợc nhiều h ơn song hệ thống chưng cất hiện sản xuất tr ên 8 5% t ổng n ư ớc đ ư ợc khử mặn tr ên thế giới. Tại Việt Nam các công trình nghiên c ứu về khử mặn nư ớc biển cũng đ ã bắt đầu từ cuối những năm 1990. C ông ngh ệ cất nư ớc biển bằng năng lư ợng mặt trời đang đư ợc Viện Hoá học (Viện Khoa học và C ông ngh ệ Việt Nam) nghiên cứu ứng dụng, với giá thành kho ảng 1 triệu đồng/m3 công suất khi đ ưa vào sử dụng đại tr à. Hiện công nghệ này đang đư ợc lắp đặt ứng dụng thử nghiệm tại Bến Tre và Th ừa T hiên- Huế. Một hệ đư ợc đặt tại ngư trư ờng B ình Đ ại đã cung c ấp từ 120- 150 lít nư ớc sạch m ỗi ng ày cho đội công nhân 8 ngư ời. Hệ c òn l ại, nhỏ hơn đư ợc lắp đặt tại một hộ gia đình ở t hị x ã B ến Tre đã m ang l ại hiệu quả cao. Năm 2005, Vi ện Khoa học công nghệ nhiệt lạnh (Tr ư ờng Đại học Bách khoa Hà N ội) vừa nghiên cứu thành công quy trình chưng c ất nư ớc ngọt từ nư ớc biển bằng năng l ư ợng mặt trời. Theo hình th ức bay hơi cư ỡng bức mỗi mét vuông vật liệu hấp thụ nhiệt của máy có thể tạo r a đư ợc 15 – 20 L nư ớc ng ọt/ngày, tuy nhiên năng suất hiện ở mức 12 – 1 3 L/ngày. Năm 2003, Trung tâm tư vấn v à chuyển giao công nghệ nư ớc sạch và môi trư ờng (CTC) nghiên cứu thiết kế v à lắp đặt tại đảo Bạch Long Vĩ. Dây chuyền gồm 5 thiết bị xử lý n ư ớc biể n qua 5 công đo ạn khác nhau trong đó thiết bị cuối c ùng sử dụng m àng l ọc RO có kết cấu đặc biệt. Tỷ lệ nội địa hóa thi ết bị l à 70%. V ới dây chuyền n ư ớc ngọt sản xuất theo công nghệ RO n ày có giá khoảng 20.000 đồng/m3. Năm 2008, Viện Khoa học vật liệu ứng d ụng thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã bàn giao và đưa vào v ận hành thiết bị xử lý nư ớc biển thành nư ớc ngọt đáp ứng tiêu chuẩn của Bộ Y tế về nư ớc sinh hoạt công suất 300 lít n ư ớc ngọt/h cho ngư dân Đà Nẵng. T hiết bị l àm việc dựa tr ên nguyên lý R O với màng l ọc của Mỹ. Dư ới áp lực ph ù h ợp, nư ớc biển sẽ đ ư ợc tách thành ph ần nư ớc ng ọt sạch và hàm lư ợng hoà tan thấp thẩm thấu qua màng. Nư ớc có h àm lư ợng chất rắn ho à tan cao sẽ đư ợc dẫn ra ngo ài. Ti ếp đó, nư ớc ngọt sẽ đư ợc dẫn qua hệ thống tia cực tí m UV và vào bồn chứa sử dụng. Toàn b ộ thời gian xử lý trong vòng 2 phút. Mặc d ù đã có m ột số nghi ên cứu ứng dụng lọc màng để xử lý n ư ớc biển th ành nư ớc sinh hoạt, nhưng các nghiên c ứu n ày dừng ở mức thử nghiệm và quy mô nhỏ. Mặt khác các thiết bị ngọt hóa nư ớc biển hiện nay triển khai ở Việt Nam dựa tr ên nguyên tắc chưng cất hoặc m àng l ọc RO. Các phương pháp chưng cất khó triển khai vì thi ết bị cồng kềnh và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết; phương pháp RO t ốn kém về năng l ư ợng và tu ổi thọ m àng không cao. 3. Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano (NF) vào quá trình khử mặn nước biển để cấp nước sinh hoạt vùng ven biển và hải đảo V ới công nghệ RO như hiện nay, để xử lý nư ớc biển với nồng độ muối 35.000 mg/L thành nư ớc đạt yêu cầu d ùng cho sinh hoat (nồng độ muối không vư ợt quá 250 mg/L) thì cần cung cấp áp lực tổng cộng là 60 - 100 atm. Công ngh ệ RO do đó có chi phí đầu t ư, vận h ành và qu ản lý rất cao do cần phải có: - Vật liệu chế tạo chịu đ ư ợc áp suất cao; - B ơm t ạo đư ợc áp suất cao ; - C hi phí điện năng cao ; - M àng l ọc phải thay thế t hư ờng xuy ên do tắc nghẽn. D o đó, nhu c ầu cấp thiết là ph ải giảm đư ợc áp lực cần cung cấp trong xử lý bằng RO. Màng NF ( nanofilter) là loại màng có kích thư ớc lỗ nhỏ (10-7cm=10Ao). Phân tử lư ợng bị chặn từ 200- 500. Lo ại màng này thích hợp cho quá tr ình làm m ềm n ư ớc, loại bỏ một số chất hữu c ơ tan, áp s uất động lực thấp h ơn so v ới m àng thẩm thấu ngư ợc. Đây là lo ại màng bất đối xứng, tổ hợp composite. Độ dày màng gồm lớp đỡ 150 ỡm , lớp da m àng 1 ỡm. Đặc tính m àng là: kích thư ớc lỗ
xốp NF > UF > MF ; - Á p su ất động học: RO > NF > UF > MF . Bảng 3 . So sánh thông số thiết kế và làm vi ệc của RO và NF Thông số so sánh RO NF Kích c ỡ màng lọc (micron) 0.0001 đến 0.001 0.0008 đến 0.001 Kích c ỡ của virus 0.005-0.01 Kích c ỡ vi khuẩn 0.2-10 Loại bỏ được vi khuẩn và virus được được Mức TDS giảm (%) 99% 70% Mức giảm pH sau xử lý hơn 2 nhỏ hơn 1 N hư vậy, những ư u điểm của màng NF là: - C hí phí vận hành thấp; - C hi phí năng lư ợng thấp; - Lư ợng thải sau xử lý ít (so với RO) ; - Giảm l ư ợng t ổng chất rắn hòa tan (TDS), đ ặc biệt hiệu quả trong nư ớc lợ; - L o ại bỏ các chất bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, các hóa chất hữu c ơ ; - L oại bỏ kim l oại nặng, nit ơrat và sulphate; - L o ại bỏ mầu, độ đục, l àm m ềm nư ớc cứng; - K hông c ần bất cứ hóa chất nào trong quá trình xử lý. Các phương pháp siêu l ọc (UF) và vi l ọc (MF) không thể giữ lại đư ợc các phần tử ô nhiễm trong nư ớc cũng như các thành phần muối của n ư ớc biển. Nh ư vậy xử lý nư ớc biển bằng ph ương pháp NF để đư ợc nư ớc ăn uống theo quy định WHO hoặc theo Q CVN 01:2009/BYT có chi phí đầu tư cũng như vận hành thấp h ơn so v ới phương pháp RO. M ột ư u đi ểm của màng nano là có thể xả rửa chống
hi ện tư ợng tắc nghẽn nên có độ bền từ 3 đến 5 năm. Trong công nghệ ngọt hóa n ư ớc biển để cấp nư ớc sinh hoạt, trư ớc tiên màng NF đựợc nghi ên cứu áp dụng để xử lý s ơ bộ nư ớc biển nhằm giảm độ mặn, và sau đó đư ợc xử lý bằng công nghệ RO. Công nghệ kết hợp m àng NF và RO này đã bắt đầu đ ư ợc áp d ụng trong thực tế tại một số nư ớc tiên tiến. Ư u đi ểm của công nghệ kết hợp NF/RO như s au: - Sử dụng NF để xử lý s ơ b ộ nư ớc biển hạn chế việc tắc m àng l ọc RO; - Sử dụng NF để xử lý s ơ b ộ nư ớc biển, hạn chế việc bám cặn tr ên màng l ọc RO; - Sử dụng NF để xử lý sơ bộ nư ớc biển giúp loại bỏ 40 – 70% hàm lư ợng TDS, giúp giảm đáng kể áp lực cần cu ng cấp cho hệ thống màng RO sau đó. Vi ệc áp dụng màng NF đư ợc nghiên cứu rộng rãi v ới mục tiêu trên và đã đ ạt đư ợc nhiều thành tựu quan tr ọng tại các nư ớc như M ỹ, Nhật,.. Một số nghiên cứu đã thành công trong việc khử mặn nư ớc bi ển thành nư ớc ăn uống bằng h ệ thống lọc NF không có quá tr ình RO. Ti ến sĩ Kamalesh Sirkar, Viện C ông ngh ệ New Jersey (NJIT), nghiên cứu phát triển một phương pháp m ới khử mặn trong nư ớc biển bằng cách cho ch ưng bay hơi nư ớc biển từ nguồn nhiệt lư ợng thấp giá rẻ; sau đó h ơi nư ớc tinh khi ết đư ợc dẫn qua ống lọc có màng nano đ ể tạo thành nư ớc ngọt. Quy tr ình trên đạt hiệu quả cao đối với nư ớc biển có nồng độ muối tr ên 5,5%. Nước biển Xử lý sơ bộ Chưng bay hơi Nướ c ăn uống Thiết bị lọc NF Hình 2. Sơ đồ nguyên t ắc ngọt hóa nước biển theo phương pháp K. Sirkar Tiến sĩ V ươ ng D.X. (Mỹ), 2 002, đã đề xuất công nghệ ngọt hóa nư ớc biển bằng hệ thống lọc NF hai bậc (hình 3). Theo s ơ đồ này, bậc một của hệ thống xử lý có ít nhất l à m ột bộ NF hiệu suất cao (3) đư ợc bơm áp lực (2) cung cấp nư ớc biển từ bể chứa (1). N ư ớc lọc đ ư ợc b ơm áp lực đợt hai (4) b ơm tiếp lên NF bậc 2 (5). Đây cũng là các bộ lọc NF hiệu suất cao. Áp suất hoạt động của các bộ NF nằm trong khoảng 200 đến 300psi. 3 Cặn đợt 1 2 1 4 5 Cặn đợt 2 Nư ớc ăn uống Hình 3. Sơ đồ ngọt hóa nước biển bằng NF hai bậc T ổ hợp các m àng NF và UF c ũng đư ợc sử dụng, sau khi xử lý s ơ bộ để loại bỏ tạp chất ngăn ngừa nh ững thiệt hại cho máy móc, để xử lý n ư ớc biển thành nư ớc ngọt. Màng NF đư ợc ứng dụng để xử lý n ư ớc lợ, làm m ềm n ư ớc, loại bỏ chất hữu c ơ, sản xuất nư ớc siêu tinh khi ết… C ông ngh ệ nano đư ợc đưa vào ứ ng dụng ở nhiều loại màng l ọc v à bộ lọc dựa tr ên cơ s ở ống nano cacbon, gốm xốp nano, các hạt nano từ tính v à các v ật liệu nano khác. Các loại m àng tách r ời với cấu trúc ở phạm vi nano cũng có thể đư ợc ứng dụng ở các phương pháp c hi phí th ấp nhằm cung cấp nư ớc
uống. Gần đây ở Nam Phi, nhiều loại màng NF polime và màng RO đã đư ợc thử nghiệm để xử lý nư ớc lợ và nư ớc biển. Hi ện nay, công nghệ nano phát triển mạnh ở các nư ớc như M ỹ, Nhật Bản,… Ở Việt Nam, Viện N ghiên c ứu Khoa học Vật liệu đã chế tạo thành công và chào bán v ật liệu nano (nano carbon tube - N CT) v ới giá bằng 50% s o v ới giá c ủa nư ớc ngoài (0,6USD/g). K hu công ngh ệ cao TP. H CM cũng s ản xuất 2,4 tấn NCT t rong năm 2008. Nghiên cứu vật liệu ống nano carbon (CNT) có nhiều triển vọng cả trong nghiên cứu c ơ b ản và nghiên c ứu ứng dụng. Màng l ọc NF thị tr ư ờng cũng đã đư ợc nh ập vào Vi ệt Nam. Các thiết bị xử lý nư ớc bằng m àng NF c ũng đ ã bắt đầu có thể chế tạo tại Việt N am. C ông nghệ nano phục vụ cho xử lý nư ớc đã có m ặt tr ên thị trư ờng, với các loại m àng NF khác nhau. M ặc dù thế hệ thiết bị NF hiện nay có thể c òn tương đối đơn gi ản, nhiều nhà nghiên cứu tin tư ởng rằng trong t ương lai sẽ lợi dụng đ ư ợc nhiều đặc tính mới của vật liệu nano cho các thế hệ thiết bị xử lý nư ớc. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. NICHOLAS P. CHEREMISINOF. Membrane seperation technology. I n: H andbook of Water and Wastewater Treatment Technology. Boston: Butterworth and Heinemann, 2002. 2. T AYLOR J.S., and E.P. JACOBS. Nanofiltration and reverse osmosis. In: Water Treat ment Membrane Process. New York: McGraw - Hill, 1996. 3. JOHANNES M.K. TIMMER. Properties of nanofiltration membranes: model development and industrial application. E indhoven: Techsche Universiteit Eindhoven, 2001. 4. N. HILAL, H. AL-ZOUBI,... A c omprehensive revew of nanofiltration membranes: Treatment, pretreatment, modelling, and atomic force microscopy. I n: D esalination 170 (2004), pp. 281 - 308,,2004. 5. NACESTI ( Nature Nanotechnology, 21/11/2007 ). 6. W ww.t hiennhien.net, 08/11/2007.