Công nghệ chưng cất màng khử mặn nước biển để cung cấp nước uống cho người dân trên các đảo nhỏ của Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên một hệ thống khử mặn nước biển sử dụng công nghệ MD ở quy mô hiện trường (công suất 1 m3 /ngày) được thiết kế, lắp đặt và triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại Việt Nam. Hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ MD với nước cấp là nước biển được vận hành ở các điều kiện nhiệt độ và lưu lượng tuần hoàn khác nhau để khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ chưng cất màng khử mặn nước biển để cung cấp nước uống cho người dân trên các đảo nhỏ của Việt Nam

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THỬ NGHIỆM CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN ĐỂ CUNG CẤP NƯỚC UỐNG CHO NGƯỜI DÂN TRÊN CÁC ĐẢO NHỎ CỦA VIỆT NAM Dương Công Hùng1, Trịnh Văn Giáp2, Trần Thị Thu Lan2* TÓM TẮT Chưng cất màng (tên tiếng Anh là Membrane Distillation, viết tắt là MD) là công nghệ khử mặn rất hứa hẹn để đáp ứng nhu cầu nước uống cho các cộng đồng dân cư ở những khu vực duyên hải ven biển xa xôi và trên các đảo, hải đảo. MD là công nghệ lai ghép giữa một chưng cất truyền thống với một quá trình tách màng, do đó công nghệ này thừa hưởng những ưu điểm của cả hai quá trình trên. Trên thế giới, công nghệ MD đã được nghiên cứu và phát triển cho các hệ thống khử mặn nước biển để cung cấp nước uống với quy mô lên đến 100 m3/ngày. Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên một hệ thống khử mặn nước biển sử dụng công nghệ MD ở quy mô hiện trường (công suất 1 m3/ngày) được thiết kế, lắp đặt và triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại Việt Nam. Hệ thống khử mặn sử dụng công nghệ MD với nước cấp là nước biển được vận hành ở các điều kiện nhiệt độ và lưu lượng tuần hoàn khác nhau để khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ dòng nước cấp và lưu lượng tuần hoàn ảnh hưởng mạnh lên thông lượng cất nước và điện năng tiêu thụ của hệ thống MD. Khi vận hành ở nhiệt độ dòng cấp là 800C, lưu lượng tuần hoàn nước là 360 L/h, hệ thống có thể cung cấp 45 L/h nước cất đạt tiêu chuẩn nước uống với điện năng tiêu thụ riêng là 96 kWh/m3 nước cất. Với giá bán điện trên đảo An Bình là 2.200 đồng/kWh, chi phí vận hành (bao gồm tiền điện và nhân công lao động) để điều chế 1 m3 nước uống từ nước biển bằng công nghệ MD là 511.200 đồng. Từ khóa: Chưng cất màng, công nghệ màng, khử mặn nước biển. 1. GIỚI THIỆU3 hơi từ bên dòng nước biển mặn nóng, dịch chuyển qua các lỗ màng và sau đó ngưng tụ thành nước cất ở Công nghệ chưng cất màng (được gọi là công bên dòng nước cất mát. Hoạt động dựa trên nguyên nghệ MD, viết tắt của từ Membrane Distillation) là lý này, công nghệ MD có nhiều ưu điểm đáng kể: một công nghệ khử mặn rất tiềm năng để đáp ứng hoạt động ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn và chất lượng nhu cầu nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới ban đầu của nước biển cấp vào; có khả năng thu được (González et al., 2017; Alsebaeai, Ahmad, 2020; nước cất với độ tinh khiết rất cao; có thể tận dụng các Suwaileh et al., 2020). Công nghệ MD dựa trên sự nguồn nhiệt dư hay nhiệt mặt trời để cung cấp năng bay hơi và ngưng tụ của hơi nước để khử mặn giống lượng giúp giảm chi phí. Thực tế là trên thế giới đã như công nghệ chưng cất truyền thống, nhưng sử có rất nhiều nghiên cứu phát triển các hệ thống MD dụng màng lọc để thúc đẩy quá trình bay hơi và khử mặn nước biển sử dụng các nguồn nhiệt dư từ ngưng tụ này. Màng lọc sử dụng trong công nghệ các quá trình công nghiệp khác hay năng lượng mặt MD là màng kỵ nước, vi xốp với các lỗ xốp có kích trời với công suất lên đến 100 m3 /ngày (Shim et al., thước khoảng 0,2 m (Wang, Chung, 2015; Ghaffour 2015; Dow et al., 2016; Andrés - Mañas et al., 2018; et al., 2019). Nhờ tính chất kỵ nước, màng lọc MD Andrés - Mañas et al., 2020). chỉ cho hơi nước truyền qua nhưng ngăn không cho nước lỏng thấm qua các lỗ màng. Trong quá trình Nghiên cứu này đã tiến hành phân tích nguyên MD, khi gia nhiệt dòng nước biển để tạo áp suất hơi lý hoạt động, quá trình truyền nhiệt và chuyển khối, nước chênh lệch giữa hai bề mặt màng, nước sẽ bốc ưu và nhược điểm của bốn cấu hình hệ thống MD cơ bản để chỉ ra cấu hình phù hợp cho ứng dụng khử mặn nước biển để cung cấp nước uống cho các hộ 1 Bộ môn Kỹ thuật Môi trường, Khoa Hóa - Lý kỹ thuật, dân trên một đảo nhỏ. Trên cơ sở phân tích cấu hình, Học viện Kỹ thuật Quân sự một hệ thống MD ở quy mô hiện trường với công 2 Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam suất 1 m3/ngày đã được thiết kế, lắp đặt và triển khai *Email: thulan180679.vn@gmail.com khảo sát thực nghiệm để khử mặn nước biển cung 90 N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1- TH¸NG 11/2020
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ cấp nước uống trên đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn. SGMD) và chưng cất màng đệm khí (air gap Hệ thống MD được khảo sát ở các chế độ vận hành membrane distillation, AGMD) (Wang, Chung, khác nhau để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ 2015). Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình cơ bản thống, đặc biệt là công suất cất nước, điện năng tiêu này được thể hiện trên hình 1. Trong cả bốn cấu hình thụ, và chất lượng nước cất thu được. Đảo An Bình có này, cấu trúc của khoang cấp là không thay đổi: dòng diện tích 0,69 km2, nằm cách đảo Lý Sơn 7 km và nước biển mặn nóng tiếp xúc trực tiếp với màng lọc cách đất liền khoảng 34 km và có khoảng 120 hộ dân và màng lọc ngăn không cho nước biển thấm qua sinh sống. Do điều kiện địa chất rất đặc biệt, đảo An màng. Song cấu trúc khoang thấm của bốn cấu hình Bình không có hệ thống nước ngầm và phải phụ lại khác nhau tùy thuộc vào cách thức để tạo ra và thuộc hoàn toàn vào nguồn nước mưa và nước vận duy trì sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa hai bên chuyển ra từ đảo Lý Sơn để đáp ứng nhu cầu nước bề mặt màng. uống của người dân trên đảo. Trong những năm gần Cấu hình DCMD có cấu trúc đơn giản nhất với đây, đảo An Bình nói riêng và huyện đảo Lý Sơn nói dòng nước cất mát tiếp xúc trực tiếp với màng lọc ở chung đang trở thành một điểm đến hấp dẫn của bên khoang thấm (hình 1a). Nhiệt độ chênh lệch khách du lịch, cùng với đó là nhu cầu nước uống giữa dòng nước biển nóng và dòng nước cất mát tạo ngày càng cao. Do đó, việc nghiên cứu và triển khai ra sự chênh lệch áp suất hơi nước, tạo động lực cho hệ thống khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ để đáp sự chuyển dịch của nước (ở dạng hơi) từ dòng nước ứng nhu cầu nước uống trên đảo An Bình có ý nghĩa biển qua các lỗ màng sang dòng nước cất. Tuy nhiên, kinh tế, xã hội rất lớn. Ứng dụng và triển khai công cấu trúc đơn giản này lại làm giảm hiệu suất nhiệt nghệ MD để khử mặn nước biển sẽ giúp đảo An Bình của cấu hình DCMD. Do dòng nước mặn nóng và có thể chủ động trong việc đáp ứng nhu cầu nước dòng nước cất mát chỉ được ngăn cách bởi lớp màng uống của người dân và khách du lịch trên đảo. mỏng, có một lượng nhiệt đáng kể truyền do dẫn 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh qua màng lọc. 2.1. Các cấu hình cơ bản của hệ thống MD Lượng nhiệt truyền qua màng lọc này là nhiệt tổn thất do không liên quan đến sự dịch chuyển của hơi Trong thực tế, các hệ thống MD được thiết kế và nước qua màng. Các nghiên cứu thực nghiệm công vận hành dựa trên bốn cấu hình cơ bản gồm: chưng bố trước đã chỉ ra rằng lượng nhiệt tổn thất có thể cất màng trực tiếp (direct contact membrane chiếm > 50% tổng lượng nhiệt tiêu thụ của cấu hình distillation, DCMD), chưng cất màng chân không DCMD. (vacuum membrane distillation, VMD), chưng cất màng khí cuốn (sweep gas membrane distillation, Hình 1. Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình hệ thống MD cơ bản N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1 - TH¸NG 11/2020 91
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Để hạn chế tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt, trong Trong một nghiên cứu được công bố gần đây, cấu hình VMD và SGMD dòng nước cất mát được Hung Cong Duong và đồng tác giả (2016) đã tiến tách không cho tiếp xúc với màng lọc. Để tạo ra áp hành khảo sát hoạt động và tối ưu hóa năng lượng suất chênh lệch giữa 2 bên bề mặt màng, người ta áp tiêu thụ của một quá trình MD khử mặn nước biển sử dụng một áp suất chân không trong khoang cấp cấu dụng cấu hình AGMD. Kết quả nghiên cứu thực hình VMD, hay thổi một dòng khí qua khoang cấp nghiệm đã chứng tỏ việc tuần hoàn dòng nước biển của cấu hình SGMD (Hình 1b và c). Nhờ cấu trúc cấp vào khoang làm mát để tận dụng nhiệt ngưng tụ này, nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua màng được hạn của hơi nước giúp nâng nhiệt độ dòng cấp lên đáng chế, trong khi động lực cho sự dịch chuyển của hơi kể. Ví dụ như, khi vận hành ở lưu lượng tuần hoàn là nước qua các lỗ màng vẫn được đảm bảo. Do đó, cấu 150 L/h, nước biển cấp vào khoang làm mát có nhiệt hình VMD và SGMD có hiệu suất nhiệt và đạt được độ ban đầu là 250 C sẽ được đun nóng đến nhiệt độ thông lượng cất nước cao hơn đáng kể so với cấu 670C sau khi ra khỏi khoang làm mát. Sau đó, chỉ cần hình DCMD (Wang, Chung, 2015). Tuy nhiên, gia nhiệt bổ sung để nâng nhiệt độ dòng cấp từ 670C nhược điểm của cấu hình VMD và SGMD là phải sử đến 700C để tạo một nhiệt độ chênh lệch T = 30C, dụng nhiều thiết bị phụ trợ như là bơm chân không, hệ thống AGMD đã có thể đạt được thông lượng cất quạt khí và hệ thống ngưng tụ hơi nước tách rời bên nước là 1,3 L/m2h. Sử dụng một mô đun màng lọc ngoài mô đun màng lọc. Điều này làm cho các hệ AGMD hình trụ với kích thước (đường kính  chiều thống MD sử dụng cấu hình VMD và SGMD có cấu cao) là 0,4  0,5 cm, hệ thống có thể điều chế 9,5 L/h tạo phức tạp, chi phí lắp đặt và vận hành cao hơn so nước cất với độ tinh khiết rất cao từ nước biển. Các với cấu hình DCMD. Do đó, cấu hình VMD và kết quả nghiên cứu của Hung Cong Duong và đồng SGMD chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng tác giả (2016) cùng với nhiều nghiên cứu khác đã khác không phải là khử mặn nước biển. chứng tỏ sự phù hợp của cấu hình AGMD cho ứng dụng khử mặn nước biển cung cấp nước uống. Cấu hình AGMD (Hình 1d) vừa đảm bảo cấu trúc đơn giản của cấu hình DCMD, vừa có khả năng 2.2. Thiết kế hệ thống MD ở quy mô hiện trường hạn chế tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt qua màng lọc Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các cấu như cấu hình VMD và SGMD. Trong khoang cấp của hình cơ bản và tham khảo các nghiên cứu công bố cấu hình AGMD, một tấm ngưng được chèn vào tạo trước đây, đã lựa chọn cấu hình AGMD cho hệ thống lên một lớp đệm không khí giữa dòng nước làm mát MD ở quy hiện trường công suất 1 m3/ngày. Hệ và màng lọc, do đó làm giảm sự dẫn nhiệt qua màng thống MD triển khai trên đảo An Bình bao gồm 3 mô nhờ tác dụng cách nhiệt của lớp không khí. Hơi nước đun màng lọc AGMD (cung cấp bởi Aquastill, Hà bốc lên từ bên dòng nước biển nóng, dịch chuyển Lan) được bố trí song song, 1 bể chứa nước cấp, 1 bể qua các lỗ màng và lớp không khí đến bề mặt tấm nước nóng và 1 bình thu nước cất (Hình 2). Mỗi mô ngưng và ngưng tụ thành nước cất trên bề mặt tấm đun màng lọc có kích thước (đường kính  chiều ngưng này. Với cấu trúc này, cấu hình AGMD cho cao) là 0,6  0,5 m, với diện tích bề mặt màng là 25,9 phép hơi nước ngưng tụ thành nước cất ngay bên m2. Hệ thống MD được tích hợp một trở và một máy trong mô đun màng lọc mà không cần đến các thiết lạnh (mỗi thiết bị có công suất là 3 kW) để cung cấp bị bổ trợ như là bơm chân không, quạt gió và thiết bị nhiệt cho bể nóng và lạnh cho bể chứa nước cấp. ngưng tụ hơi nước bên ngoài như trong cấu hình Nhiệt độ của nước trong bể nước nóng và trong bể VMD và SGMD. Đặc biệt, việc ngăn cách dòng làm nước cấp mát được đo bằng nhiệt kế PT100 gắn với mát và dòng nước cất trong cấu hình AGMD cho bộ điều khiển và hiển thị. Điện năng tiêu thụ của hệ phép sử dụng dòng nước biển là dòng làm mát để tận thống MD được ghi nhờ sử dụng một đồng hồ đo dụng nhiệt tỏa ra từ quá trình ngưng tụ hơi nước gia điện tích hợp trên hệ thống điều khiển và hiển thị. nhiệt sơ bộ dòng nước biển trước khi đi vào khoang Trong nghiên cứu này, hệ thống MD được vận hành cấp. Cơ chế này giúp giảm đáng kể nhiệt năng cần để hoàn toàn bằng điện: điện cấp cho bơm tuần hoàn gia nhiệt dòng nước cấp. Với cấu trúc đơn giản và nước, điện vận hành trở và máy lạnh và điện cho hệ hiệu suất nhiệt cao, AGMD là cấu hình được sử dụng thống điều khiển và hiển thị. Nước biển trước khi cấp phổ biến nhất trong các hệ thống MD khử mặn nước vào hệ thống MD được bơm từ một giếng đào trên biển ở quy mô hiện trường và lớn hơn. bãi biển An Bình qua một lõi lọc thô (sử dụng các sợi 92 N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1- TH¸NG 11/2020
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ màng lọc có đường kính lỗ 1 m) để giảm các chất giữ nguyên nhiệt độ đầu vào của dòng làm mát, nhiệt cặn bẩn lơ lửng trong nước biển. độ chênh lệch giữa 2 bên bề mặt màng tăng lên, áp suất hơi nước bão hòa chênh lệch giữa 2 bề mặt màng lớn hơn. Hơi nước dịch chuyển qua các lỗ màng với tốc độ nhanh hơn, do đó thông lượng cất nước lớn hơn. Nâng nhiệt độ dòng cấp cũng làm tăng điện năng tiêu thụ của hệ thống (điện năng dùng cho gia nhiệt và làm lạnh), nhưng tốc độ tăng của điện năng tiêu thụ thấp hơn so với tốc độ tăng của thông lượng cất nước. Nhờ vậy, điện năng tiêu thụ riêng của hệ thống (điện năng tiêu thụ/thể tích nước cất Hình 2. Hệ thống MD ở quy mô hiện trường được lắp thu được) lại giảm xuống khi tăng nhiệt độ dòng cấp. đặt và khảo sát trên đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn, Quảng Ngãi 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hoạt động của hệ thống MD ở các điều kiện vận hành khác nhau Trong quá trình MD khử mặn nói chung, các thông số vận hành có nhiều ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống MD bao gồm: nhiệt độ dòng cấp, lưu lượng tuần hoàn nước và độ mặn của nước cấp. Độ mặn của nước biển lấy tại đảo An Bình trong thời gian khảo sát ổn định trong khoảng 32.000  2.000 mg/L. Do đó, hoạt động của hệ thống MD trên đảo Hình 3. Thông lượng cất nước và năng lượng tiêu thụ An Bình được khảo sát khi vận hành ở các điều kiện của hệ thống MD khi thay đổi nhiệt độ đầu vào của nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn nước khác dòng nước cấp nóng nhau. Hiệu quả hoạt động của hệ thống được đánh Cùng với nhiệt độ đầu vào của dòng cấp, lưu giá dựa trên 3 tiêu chí: thông lượng cất nước (thể tích lượng tuần hoàn nước cũng là một thông số ảnh nước cất thu được trên một đơn vị diện tích bề mặt hưởng mạnh đến hiệu quả hoạt động của hệ thống màng trong một đơn vị thời gian, L/m2h), điện năng MD ở quy mô hiện trường. Tăng lưu lượng tuần hoàn tiêu thụ riêng (điện năng tiêu thụ để thu được 1 m3 nước cũng làm tăng thông lượng cất nước và giảm nước cất, kWh/m3 ) và độ tinh khiết của nước cất thu điện năng tiêu thụ của hệ thống MD (Hình 4). Có 2 được (đánh giá bằng độ dẫn điện của nước cất, cơ chế giải thích cho ảnh hưởng tích cực của lưu S/cm). lượng tuần hoàn nước lên thông lượng cất nước và Kết quả vận hành thực nghiệm cho thấy nhiệt độ điện năng tiêu thụ riêng của hệ thống. Thứ nhất, khi dòng cấp ảnh hưởng mạnh đến thông lượng cất nước tăng lưu lượng cất nước trong điều kiện nhiệt độ đầu và điện năng tiêu thụ của hệ thống MD khử mặn vào của dòng cấp và dòng làm mát được giữ nguyên nước biển (Hình 3). Tăng nhiệt độ dòng cấp từ 600C ở 800C và 250C, nhiệt độ chênh lệch giữa 2 bên bề lên 800C giúp tăng thông lượng cất nước gần như gấp mặt màng (giữa khoang cấp và khoang làm mát) sẽ đôi, từ 0,3 L/m2h lên 0,6 L/m2h. Tương ứng với sự tăng lên do thời gian lưu ở bên trong khoang làm mát tăng lên của thông lượng cất nước, điện năng tiêu thụ của dòng làm mát ngắn hơn. Nhiệt độ chênh lệch riêng của hệ thống MD giảm từ 140 kWh/m3 tại giữa hai bên bề mặt màng tạo ra sự chênh lệch áp nhiệt độ dòng cấp là 600C xuống khoảng 87 kWh/m3 suất hơi nước giữa hai phía của các lỗ màng, chính là ở nhiệt độ dòng cấp là 800C. Kết quả thực nghiệm động lực cho sự dịch chuyển hơi nước từ dòng cấp thu được phù hợp với các kết quả nghiên cứu công sang bề mặt tấm ngưng để ngưng tụ thành nước cất. bố trước đây về quá trình MD trong đó năng lượng Thứ hai, trong quá trình MD khử mặn nước biển, tiêu thụ chủ yếu là năng lượng dành cho việc gia luôn xảy ra hiện tượng phân cực nhiệt độ và phân cực nhiệt dòng cấp. Khi tăng nhiệt độ dòng cấp mà vẫn nồng độ. Phân cực nhiệt độ làm cho nhiệt độ của N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1 - TH¸NG 11/2020 93
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ dòng cấp tại bề mặt màng thấp hơn so với ở bên Các kết quả đo công suất cất nước, điện năng trong dung dịch, trong khi phân cực nồng độ làm tiêu thụ và độ dẫn điện của nước cất thu được đã làm tăng nồng độ muối tại bề mặt màng. Cả hai hiệu chứng tỏ hệ thống MD ở quy mô hiện trường có thể ứng này đều làm giảm thông lượng cất nước của quá hoạt động ổn định trong thời gian kéo dài 30 ngày trình MD. Tăng lưu lượng tuần hoàn giúp tăng mức (Hình 5). Công suất cất nước của hệ thống MD ở quy độ chảy rối của các dòng chất lỏng gần bề mặt màng, mô hiện trường dao động quanh giá trị 45 L/h, tương làm giảm hiện tượng phân cực nhiệt độ và phân cực ứng với công suất 1 m3/ngày khi hệ thống này được nồng độ, do đó làm tăng thông lượng cất nước của vận hành liên tục 24 giờ trong ngày. Điện năng tiêu quá trình MD. thụ riêng của hệ thống duy trì ổn định ở mức 96 kWh/m3, trong khi độ dẫn điện của nước cất thu được từ hệ thống MD luôn thấp hơn 80 S/cm. Độ dẫn điện này tương đương với hàm lượng muối tan trong nước cất không quá 35 mg/L, chứng tỏ nước cất thu được có độ tinh khiết rất cao. Bên cạnh độ dẫn điện và hàm lượng muối thấp, kết quả phân tích mẫu nước tiến hành tại Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng chứng tỏ nước cất thu được từ hệ thống MD trên đảo An Bình hoàn toàn đáp ứng được các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn nước uống (QCVN 01: Hình 4. Thông lượng cất nước và năng lượng tiêu thụ 2009/BYT). Tuy nhiên, để đảm bảo vị ngon của nước của hệ thống MD khi thay đổi lưu lượng tuần hoàn uống, nước cất thu được từ hệ thống MD được cho nước qua lõi tạo khoáng đá (lõi lọc số 6 trong hệ thống lõi 3.2. Hoạt động của hệ thống MD với nước biển lọc của thiết bị lọc nước Karofi Việt Nam). trong thời gian thực nghiệm kéo dài Sau khi đã đánh giá được ảnh hưởng của các thông số vận hành chính lên hiệu quả hoạt động, hệ thống MD được vận hành với nước cấp là nước biển (đã được sơ lọc bằng lõi lọc kích thước lỗ 1 m) trong thời gian kéo dài 30 ngày. Trong mỗi ngày, hệ thống MD được khởi động vào buổi sáng và được vận hành ở các điều kiện không đổi là nhiệt độ dòng cấp 800C, nhiệt độ đầu vào dòng làm mát 250C, lưu lượng tuần hoàn nước là 360 L/h. Lưu lượng tuần hoàn 360 L/h được lựa chọn để đảm bảo tránh được nguy cơ ướt màng lọc của quá trình MD khi vận hành trong thời gian dài, dù lưu lượng tuần hoàn lớn sẽ giúp tăng Hình 5. Công suất cất nước, điện năng tiêu thụ riêng thông lượng cất nước và giảm điện năng tiêu thụ như và độ dẫn điện của nước cất thu được từ hệ thống đã khảo sát ở trên. Tại cuối ngày vận hành, hệ thống MD khi vận hành trong thời gian kéo dài với nước MD được chuyển sang trạng thái ngừng tạm thời cấp là nước biển (Standby), nguồn điện và nước cấp và hệ thống MD Kết quả thu được từ quá trình khảo sát thực được ngắt, nhưng nước vẫn được giữ trong các mô nghiệm hệ thống MD trong thời gian kéo dài chứng đun màng để tránh hiện tượng màng bị khô và bị kết tỏ tính khả thi của công nghệ MD cho khử mặn nước tủa. Các nghiên cứu công bố trước đây đã cho thấy biển cả về phương diện kỹ thuật và kinh tế. Với mức thời gian sử dụng của màng lọc MD kéo dài đến 5 điện năng tiêu thụ riêng là 96 kWh/m3 và giá điện năm mà không ảnh hưởng nhiều lên hiệu quả lọc khi sinh hoạt trên đảo An Bình là 2.200 đồng/kWh, chi màng lọc không bị khô và lắng cặn kết tủa trong quá phí vận hành để thu được 1 m3 nước uống trực tiếp từ trình vận hành. nước biển bằng hệ thống MD là 511.200 đồng/m3 94 N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1- TH¸NG 11/2020
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ (bao gồm tiền điện và tiền công vận hành là 300.000 2. Andrés-Mañas, J. A., Roca, L., Ruiz-Aguirre, đồng/ngày). Hiện tại, chi phí để mua 1 m3 nước uống A., Acién, F. G., Gil, J. D. and Zaragoza, G., 2020. được vận chuyển từ đảo Lý Sơn ra đảo An Bình là Application of solar energy to seawater desalination 1.250.000 đồng. Từ sự so sánh này, có thể thấy được in a pilot system based on vacuum multi-effect tính khả thi về hiệu quả kinh tế của công nghệ MD membrane distillation. Appl Energy 258, 114068. cho khử mặn nước biển ở trên các đảo nhỏ như đảo 3. Andrés-Mañas, J. A., Ruiz-Aguirre, A., Acién, An Bình. Cũng cần lưu ý là chi phí tính toán ở trên F. G. and Zaragoza, G., 2018. Assessment of a pilot chỉ bao gồm chi phí năng lượng và nhân công vận system for seawater desalination based on vacuum hành, chưa tính đến chi phí đầu tư hệ thống do đây multi-effect membrane distillation with enhanced mới chỉ là nghiên cứu bước đầu ở quy mô hiện heat recovery. Desalination 443, 110 -121. trường. 4. Dow, N., Gray, S., Li, J.-d., Zhang, J., 4. KẾT LUẬN Ostarcevic, E., Liubinas, A., Atherton, P., Roeszler, Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu khảo G., Gibbs, A. and Duke, M., 2016. Pilot trial of sát của hệ thống MD ở quy mô hiện trường công membrane distillation driven by low grade waste suất 1 m3/ngày đầu tiên ở Việt Nam. Hệ thống MD heat: Membrane fouling and energy assessment. được thiết kế, lắp đặt và sau đó khảo sát thực nghiệm Desalination 319, 30 - 42. trong thời gian kéo dài 1 tháng tại đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn với mục đích cung cấp nước uống 5. Duong, H. C., Cooper, P., Nelemans, B., Cath, cho người dân trên đảo. Kết quả khảo sát thực T. Y. and Nghiem, L. D., 2016. Evaluating energy nghiệm cho thấy rằng nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng consumption of air gap membrane distillation for tuần hoàn nước là hai thông số vận hành ảnh hưởng seawater desalination at pilot scale level. Sep Purif lớn đến hiệu quả hoạt động của hệ thống MD; tăng Technol 166, 55 - 62. nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn nước đều 6. Ghaffour, N., Soukane, S., Lee, J. G., Kim, Y. giúp tăng thông lượng cất nước và giảm điện năng and Alpatova, A., 2019. Membrane distillation tiêu thụ riêng của hệ thống. Trong thời gian khảo sát hybrids for water production and energy efficiency kéo dài 1 tháng, hệ thống MD khi vận hành ở nhiệt enhancement: A critical review. Appl Energy 254, độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn nước là 800C và 113698. 360 L/h đạt công suất cất nước ổn định là 45 L/h với 7. González, D., Amigo, J. and Suárez, F., 2017. điện năng tiêu thụ riêng là 96 kWh/m3 nước cất. Membrane distillation: Perspectives for sustainable Nước cất thu được có độ tinh khiết rất cao, có độ and improved desalination. Renew Sust Energ Rev mặn dưới 35 mg/L, đạt tiêu chuẩn nước uống theo 80, 238-259. quy định của Bộ Y tế. Với mức điện năng tiêu thụ trên, chi phí vận hành (gồm tiền điện và tiền công lao 8. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 01: động) để thu được 1 m3 nước cất từ hệ thống MD 2009/BYT về chất lượng nước ăn uống do Bộ Y tế khử mặn nước biển trên đảo An Bình là 511.200 ban hành. đồng. 9. Shim, W. G., He, K., Gray, S. and Moon, I. S., LỜI CẢM ƠN 2015. Solar energy assisted direct contact membrane distillation (DCMD) process for seawater Công trình này được hoàn thành với sự hỗ trợ desalination. Sep Purif Technol 143, 94-104. kinh phí của đề tài cấp Bộ Khoa học và Công nghệ, 10. Suwaileh, W., Johnson, D. and Hilal, N., mã số KC.09.39/16-20. 2020. Membrane desalination and water re-use for TÀI LIỆU THAM KHẢO agriculture: State of the art and future outlook. 1. Alsebaeai, M. K. and Ahmad, A. L., 2020. Desalination 491, 114559. Membrane distillation: Progress in the improvement 10. Wang, P. and Chung, T.-S., 2015. Recent of dedicated membranes for enhanced advances in membrane distillation processes: hydrophobicity and desalination performance. J Ind Membrane development, configuration design and Eng Chem 86, 13 - 34. application exploring, J Membr Sci 474, 39 - 56. N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1 - TH¸NG 11/2020 95
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MEMBRANE DISTILLATION SEAWATER DESALINATION FOR DRINKING WATER PROVISION ON ISLANDS IN VIETNAM Duong Cong Hung1 , Trinh Van Giap2, Tran Thi Thu Lan2* 1 School of Environmental Engineerging, Le Quy Don Technical University 2 Institute of Envrionmental Engineering, Vietnam Academy of Science and Technology Email: thulan180679.vn@gmail.com Summary Membrane distillation (MD) has been considered a promising desalination technology to provide drinking water to people living in remote coastal areas and on islands. MD is hybrid process that combines traditional thermal distillation and membrane filtration; thus, it inherits the advantages of these both separation technologies. In the world, MD has been developed and deployed for drinking water provision with capacity up to 100 m3/day. In this study, for the first time, a pilot seawater MD desalination system was designed, built, and trialed on an island in Vietnam. The pilot MD system was operated with real seawater at different water temperatures and water circulation rates to examine the performance of the system. The experimental results demonstrate strong influences of the feed inlet temperature and water circulation rates on the water flux and specific energy consumption of the system. When operated under the feed inlet temperature of 800C, water circulation rate of 360 L/h, the system could produce 45 L/h of high quality distillate with the specific energy consumption of 96 kWh/m3. The estimated production cost (i.e. for electricity and labor) of the pilot MD system for 1 m3 of drinking water was 511,200 VND. Keywords: Membrane distillation, membrane process, desalination, seawater desalination. Người phản biện: GS.TS. Nguyễn Xuân Cự Ngày nhận bài: 17/8/2020 Ngày thông qua phản biện: 18/9/2020 Ngày duyệt đăng: 25/9/2020 96 N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n - KỲ 1- TH¸NG 11/2020