Luận văn Thạc sĩ Cấp thoát nước: Nghiên cứu khả năng sử dụng màng lọc nano trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặn và nước lợ thành nước cấp sinh hoạt cấp cho vùng ven biển

Chia sẻ: Lạc Táp | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu khả năng sử dụng màng lọc nano trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặn và nước lợ thành nước cấp sinh hoạt cấp cho vùng ven biển" trên cơ sở tìm hiểu lý thuyết màng lọc xử lý nước mặn và nước lợ thành nước cấp phục vụ sinh hoạt có sử dụng màng NF. Từ đó đưa ra dây chuyền thích hợp để xử lý nước mặn thành nước cấp nước sinh hoạt cho vùng ven biển. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Cấp thoát nước: Nghiên cứu khả năng sử dụng màng lọc nano trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặn và nước lợ thành nước cấp sinh hoạt cấp cho vùng ven biển

1 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, gia đình, bạn bè. Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học xây dựng., đặc biệt là các thầy cô bộ môn Cấp thoát nước-Đại học Xây dựng. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Đức Hạ đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu cũng như đã cho phép tôi được công bố số liệu thí nghiệm đề tài NCKH đọc lập cấp nhà nước do thầy làm chủ nhiệm để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn khoa Sau Đại học- trường Đại học Xây dựng đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Hà Nội, Ngày 16 tháng 01 năm 2013 Học viên Phạm Duy Đông
2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 8 1. Sự cần thiết của đề tài ....................................................................................................... 8 2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................................ 9 3. Đối tượng và phạm vi của đề tài ....................................................................................... 9 4. Nội dung chủ yếu của luận văn ......................................................................................... 9 5. Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................................... 10 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................ 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 11 1.1. Nhu cầu cấp nước và đặc điểm nước biển ven bờ Việt Nam.......................................... 11 1.1.1. Nhu cầu cấp nước ....................................................................................................... 11 1.1.2. Đặc điểm nước biển ven bờ Việt Nam. ...................................................................... 12 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước và ở Việt Nam. ......................................................... 15 1.2.1. Các phương pháp khử muối trong nước lợ và nước mặn. .......................................... 17 1.2.2. Khử muối bằng nhiệt .................................................................................................. 17 1.2.3. Khử muối bằng quá trình điện thẩm tách ................................................................... 17 1.2.4. Khử muối bằng quá trình trao đổi ion......................................................................... 19 1.2.5. Công nghệ màng lọc ................................................................................................... 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG................................ 24 2.1. Phương pháp xử lý nước mặn bằng màng lọc. ............................................................... 24 2.1.1. Khái niệm màng lọc. ................................................................................................... 24 2.1.2. Các loại màng lọc. ...................................................................................................... 25 2.1.3. Đặc tính màng. ............................................................................................................ 27 2.1.4. Vật liệu màng .............................................................................................................. 29 2.1.5. Môđun màng ............................................................................................................... 29 2.1.6. Cơ chế lọc màng. ........................................................................................................ 32 2.1.7. Các thông số thiết kế và vận hành các hệ thống lọc màng. ........................................ 33 2.2. Màng NF để xử lý nước lợ và nước mặn. ....................................................................... 34 2.2.1. Tính chất của lọc nano NF .......................................................................................... 34 2.2.2. Cơ chế tách trong quá trình lọc màng NF ................................................................... 35 CHƯƠNG 3:NGHIÊN CỨU TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ........................................... 36 3.1. Mục tiêu nghiên cứu. ...................................................................................................... 36 3.2. Phương pháp thực nghiệm. ............................................................................................. 37 3.2.1. Nước mẫu thí nghiệm: ................................................................................................ 37 3.2.2. Mô tả tóm tắt thực nghiệm:......................................................................................... 37 3.2.3. Phương pháp phân tích. .............................................................................................. 38 3.2.4. Mô hình thực nghiệm .................................................................................................. 38 3.3. Kết quả và thảo luận ....................................................................................................... 42
3 3.3.1. Đánh giá khả năng khử muối với các nồng độ khác nhau bằng NF 1 bậc. ................ 42 3.3.2. Đánh giá khả năng khử muối bậc 2 bằng trao đổi ion. ............................................... 48 3.3.3. Đánh giá khả năng khử muối bậc 2 bằng màng NF ................................................... 50 3.3.4. Đánh giá khả năng khử muối bậc 2 bằng màng RO ................................................... 51 3.4. Kết luận và đề xuất các dây chuyền công nghệ thích hợp cho các nồng độ muối khác nhau. ..................................................................................................................................... 53 KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 57 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 59
4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự loại bỏ ion trong quá trình điện thẩm tách.......................................................... 18 Hình 1.2 Sự di chuyển các ion trong quá trình điện thẩm tách............................................... 19 Hình 1.3 Cơ chế trao đổi ion của các hạt trao đổi ion ............................................................ 20 Hình 2.1 Mô tả màng lọc ........................................................................................................ 25 Hình 2.2 Kích thước lỗ rỗng của một số loại màng ................................................................ 26 Hình 2.3. Hình dạng lỗ rỗng màng đồng chất ......................................................................... 28 Hình 2.4. Hình dạng màng bất đối xứng ................................................................................. 28 Hình 2.5. Các mô đun màng dạng khung tấm và dạng ống .................................................... 30 Hình 2.6. Các mô đun màng dạng quấn xoắn và dạng sợi rỗng ............................................. 31 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý phần tử chuyển dịch qua màng ..................................................... 32 Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm khử mặn có sử dụng màng NF ............................................... 39 Hình 3.2. Sơ đồ bộ lọc cát áp lực ............................................................................................ 39 Hình 3.3. Sơ đồ bộ lọc UF ...................................................................................................... 40 Hình 3.4. Sơ đồ bộ lọc NF ...................................................................................................... 41 Hình 3.5. Sơ đồ cột trao đổi ion .............................................................................................. 41 Hình 3.6. Sơ đồ bộ lọc RO ...................................................................................................... 42 Hình 3.7. Kết quả chạy mô hình với nồng độ muối đầu vào là 7,5‰ với điều kiện thay đổi áp suất làm việc của màng NF (Thứ tự P = 8bar, P = 9 bar và P= 10 bar) ................ 43 Hình 3.8. Kết quả chạy mô hình với nồng độ muối đầu vào là 12,5‰ với điều kiện thay đổi áp suất làm việc của màng NF(Thứ tự P = 8bar, P = 9 bar và P= 10 bar) ............ 44 Hình 3.9. Kết quả chạy mô hình với nồng độ muối đầu vào là 17,5‰ với điều kiện thay đổi áp suất làm việc của màng NF (Thứ tự P = 8bar, P = 9 bar và P= 10 bar) ........... 45 Hình 3.10. Kết quả chạy mô hình với nồng độ muối đầu vào là 22,5‰ với điều kiện thay đổi áp suất làm việc của màng NF (Thứ tự P = 8bar, P = 9 bar và P= 10 bar) ........... 46 Hình 3.11. Kết quả chạy mô hình với nồng độ muối đầu vào là 27,5‰ với điều kiện thay đổi áp suất làm việc của màng NF (Thứ tự P = 8bar, P = 9 bar và P= 10 bar) ........... 47 Hình 3.12. Kết quả chạy mô hình với nồng độ muối đầu vào là 32,5‰ với điều kiện thay đổi áp suất làm việc của màng NF(Thứ tự P = 8bar, P = 9 bar và P= 10 bar) ............ 48 Hình 3.13. Khả năng khử muối bằng trao đổi ion với nồng độ muối Co = 7,5‰, CNF1-out = 1,0‰ ...................................................................................................................... 49 Hình 3.14. Khả năng khử muối bằng trao đổi ion với nồng độ muối Co = 12,5‰, CNF1-out = 2,5‰ ................................................................................................................... 49 Hình 3.15. Khả năng khử muối bằng trao đổi ion với nồng độ muối Co = 17,5‰, CNF1-out = 7,5‰ ................................................................................................................... 50 Hình 3.16. Khả năng khử muối bậc 2 bằng màng NF với nồng độ muối Co = 12,5‰, CNF1- out = 2,5‰ ............................................................................................................. 50
5 Hình 3.17. Khả năng khử muối bậc 2 bằng màng NF với nồng độ muối Co = 17,5‰, CNF1- out = 7,5‰ ............................................................................................................. 51 Hình 3.18. Khả năng khử muối bậc 2 bằng màng RO với nồng độ muối Co = 12,5‰, CNF1- out = 2,5‰ ............................................................................................................. 51 Hình 3.19. Khả năng khử muối bậc 2 bằng màng RO với nồng độ muối Co = 17,5‰, CNF1- out = 7,5‰ ............................................................................................................. 52 Hình 3.20. Khả năng khử muối bậc 2 bằng màng RO với nồng độ muối Co = 22,5‰, CNF1- out = 11.9‰ ........................................................................................................... 52 Hình 3.21. Khả năng khử muối bậc 2 bằng màng RO với nồng độ muối Co = 27,5‰, CNF1- out = 17.5‰ ........................................................................................................... 52 Hình 3.22. Khả năng khử muối bậc 2 bằng màng RO với nồng độ muối Co = 32,5‰, CNF1- out = 21.9‰ ........................................................................................................... 53 Hình 3.23. Sơ đồ tổng quát các quá trình xử lý nước lợ và nước mặn vùng ven biển, cửa sông để cấp nước sinh hoạt ............................................................................................ 55
6 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thành phần tiêu chuẩn của nước biển (theo ASTM) ............................................. 12 Bảng 1.2. Thành phần các Ion chính có trong nước biển tại Hải Hậu và Đồ Sơn .................. 13 Bảng 1.3. Một số chỉ tiêu chính về chất lượng nước ở một số vùng ven biển ....................... 13 Bảng 3.1. Các bước lọc có thể áp dụng trong sơ đồ xử lý nước lợ và nước mặn vùng ven biển, cửa sông để cấp nước sinh hoạt .................................................................... 55
7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADB Ngân hàng phát triển châu Á. BXD Bộ Xây dựng. ED Điện thẩm tách. GCC Hội đồng hợp tác vùng Vinh. IPCC Ủy Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu. NCKH Nghiên cứu khoa học. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN Quy chuẩn Việt Nam WB Ngân hàng thế giới. MF Vi lọc. UF Siêu lọc. NF Lọc nanô. RO Thẩm thấu ngược.
8 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài - Biến đổi khí hậu sẽ mang lại nhiều rủi ro thiên tai cho Việt Nam, chủ yếu là thay đổi về lượng mưa và giông bão. Mực nước biển dâng cao là yếu tố liên quan trực tiếp đến vấn đề nước sạch và vệ sinh môi trường ở nước ta, làm tăng rủi ro lũ lụt cho các vùng đất trũng ven biển. Biến đổi khí hậu được xem là một vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến tất cả các chính sách, kế hoạch và hành động của nước ta trong những năm tới. 70% dân cư sinh sống gần vùng ven bờ hiện đang đối mặt với các đe dọa không dự báo được của mực nước biển dâng cao và các thiên tai khác. Biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng cao có thể làm tăng các vùng ngập lụt,nhiễm mặn, dẫn đến gây khó khăn cho hoạt động nông nghiệp và cung cấp nước sinh hoạt... Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới (WB) và ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), mực nước biển dâng cao 1m sẽ có khả năng gây ra “khủng hoảng sinh thái”, ảnh hưởng tới gần 12% diện tích và 11% dân số Việt Nam. Báo cáo nghiên cứu mới nhất về tác động của biến đổi khí hậu ở khu vực Đông Nam Á của Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB) công bố ngày 28/4/2009 tại Hà Nội cho rằng sản xuất lúa gạo ở Việt Nam có thể giảm mạnh và mực nước biển tăng có thể nhấn chìm hàng chục ngàn hécta đất canh tác vào cuối thế kỷ này, đồng thời khiến cho hàng ngàn gia đình sống ven biển phải tái định cư. - Trong những năm gần đây, với chiến lược phát triển đất nước theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế, sự xây dựng công trình và khai thác tài nguyên ven biển rất sôi động. Trong Chiến lược Biển Việt Nam đến năm 2020, phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế - xã hội với đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả nước. Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án tổng thể về điều tra cơ bản và quản lý tài nguyên môi trường biển đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020” (số 47/2006/QĐ-TTg, ngày 1-3-2006) nhằm đạt những mục tiêu cơ bản như: đẩy mạnh công tác điều tra cơ bản các điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường biển Việt Nam, xác lập luận cứ khoa học, cơ sở pháp lý để tăng cường quản lý nhà nước, phát huy tiềm năng, mặni thế và phục vụ cho việc phát triển bền vững các vùng biển, ven biển. của nước ta..
9 - Ngoài ra lượng mưa có thể giảm đáng kể ở Việt Nam trong thập kỷ tới và hơn 12 triệu người sẽ phải chịu tác động của tình trạng thiếu nước ngày càng gia tăng. - Ngoài ra đối với các khu dân cư ven biển, hải đảo … thuộc vùng nước bị nhiễm mặn chưa có điều kiện cấp nước tập trung thì việc nghiên cứu các phương pháp xử lý nước nhiễm mặn để xây dựng các hệ thống cấp nước nhỏ là hết sức cần thiết. - Trong khi nguồn nước ngầm bị cạn kiệt, việc ưu tiên sử dụng nguồn nước mặt đang là giải pháp đảm bảo mục tiêu cấp nước đến năm 2020 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt. phát từ thực trạng và cơ sở khoa học nêu trên, vấn đề nghiên cứu xử lý nước nhiễm - Xuất mặn là hết sức cần thiết và trên thế giới hiện đã áp dụng rộng dãi phương pháp màng lọc để xử lý nước mặn. - Bản thân tác giả cũng đang tham gia đề tài nghiên cứu khoa học độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam” do PGS.TS Trần Đức Hạ làm chủ nhiệm. - Trên cơ sở đó tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng sử dụng màng lọc nano trong dây chuyền công nghệ xử lý nước mặn và nước lợ thành nước cấp sinh hoạt cấp cho vùng ven biển”. - Đề tài phát huy tính kế thừa các nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng màng lọc trong xử lý nước nhiễm mặn. Từ đó, lựa chọn mô hình phù hợp cho khu vực đang nghiên cứu đề xuất. 2. Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu lý thuyết màng lọc xử lý nước mặn và nước lợ thành nước cấp phục vụ sinh hoạt có sử dụng màng NF. Từ đó đưa ra dây chuyền thích hợp để xử lý nước mặn thành nước cấp nước sinh hoạt cho vùng ven biển. 3. Đối tượng và phạm vi của đề tài - Đối tượng: Quá trình khử mặn bằng màng lọc NF. - Phạm vi:- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình khử mặn nước mặn bằng màng NF. - Nghiên cứu để lựa chọn công nghệ xử lý nước mặn thành nước sinh hoạt cho khu vực các hộ dân ven biển. 4. Nội dung chủ yếu của luận văn - Tìm hiểu tình hình ứng dụng màng NF để xử lý nước cấp hiện nay trên thế giới và Việt Nam. - Nghiên cứu lý thuyết quá trình khử muối bằng lọc màng NF để cấp nước sinh hoạt.
10 - Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước mặn thành nước sinh hoạt cho vùng ven biển. - Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ, kiến nghị và đề xuất. 5. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp tổng hợp lý thuyết. - Phương pháp nghiên cứu mang tính kế thừa. - Phương pháp chuyên gia. - Phương pháp thự nghiệm. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Xây dựng phương pháp luận phát triển một công nghệ xử lý nước mặn với chi phí thấp, hiệu suất cao và thân thiện với môi trường góp phần giải quyết vấn đề khan hiếm nước cho các vùng ven biển. - Ý nghĩa thực tiễn: Từ dây chuyền công nghệ tinh toán thiết kế củ thể xử lý nước mặn bằng công nghệ lọc màng NF thành nước sinh hoạt của đề tài có thể phát triển cho các khu dân cư ven biển (đă ̣c biê ̣t nhấ t là cá c tra ̣m nhỏ dưới 100 m3/ngày).
11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Nhu cầu cấp nước và đặc điểm nước biển ven bờ Việt Nam. 1.1.1. Nhu cầu cấp nước - Nước ngọt là một nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người. Việc cung cấp đầy đủ nước sạch đảm bảo yêu cầu về chất lượng và số lượng luôn luôn là thách thức đối với các nước đang phát triển. - Theo Ban chỉ đạo Quốc gia về cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường: Nhu cầu dùng nước trong quá trình phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đang tăng mạnh. Theo ước tính năm 1990, lượng nước cần dùng khoảng 65 tỷ m3, tăng lên hơn 92 tỷ m3 vào năm 2000, dự báo đến năm 2010 tăng lên đến 130 tỷ m3. Mức 130 tỷ m3 này gần tương đương với nguồn nước vào mùa khô trên các lưu vực sông của cả nước. Như vậy, việc thiếu nước ngọt đã rất rõ ràng. Nước sử dụng trong sinh hoạt chiếm tỷ lệ khoảng 2% so với tổng nhu cầu. Nếu đối chiếu với tiêu chuẩn thiếu nước của Tổ chức Khí tượng thế giới và của UNESCO, đến năm 2010, nhiều vùng ở Việt Nam thiếu nước ở mức từ trung bình đến gay gắt, đặc biệt trong các tháng mùa khô. Bên cạnh đó chiến lược quốc gia về cấp nước sạnh và vệ sinh nông thôn theo quyết định của thủ tướng chính phủ 104 QĐ/TTG ngày 25/08 năm 2000 đặt ra mục tiêu đến 2020 là “tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất 60 lít/người/ngày”. Đây là nhiệm vụ nặng nề và khó khăn đối với một nước đang phát triển như Việt nam. - Hiện nay, dân số nước ta đã vượt qua con số 80 triệu người. Mức bảo đảm nước cho mỗi người dân trong một năm đã từ 12.500 m3/người vào năm 1990 giảm còn 10.160 m3/người vào năm 2000. Tổng lượng nước cần dùng trong cả nước năm 1990 bằng khoảng 64,8 tỷ m3. Dự tính lên tới 121,5 tỷ m3 vào năm 2010. Tài nguyên nước mặt phân bố không đều trong lãnh thổ và biến đổi mạnh theo thời gian, do đó tình trạng thiếu nước ngọt đã và đang xảy ra ở nhiều nơi, nhất là vùng núi cao phía Bắc và đồng bằng ven biển. Tình trạng này sẽ trầm trọng hơn vào thế kỷ tới khi lượng nước cần dùng tăng lên mạnh mẽ. Khai thác, sử dụng nước dưới đất không hợp lý đã gây ra sụt lún đất, hạ thấp mực nước ngầm ở một số nơi, nhiễm mặn khá phổ biến ở nhiều vùng ven biển, ảnh hưởng tới tầng chứa nước ngọt. - Ðể giải quyết tình trạng này, Mục tiêu của Chiến lược Quốc gia về tài nguyên nước định hướng hoạt động phát triển và quản lý tài nguyên nước cho một giai đoạn theo quan điểm của Nhà nước về phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường nhằm tạo bước chuyển đổi
12 cơ bản cho hoạt động quản lý, bảo vệ và phát triển tài nguyên nước. - Trong những năm gần đây, với chiến lược phát triển đất nước theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế, sự xây dựng công trình và khai thác tài nguyên ven biển rất sôi động. Trong Chiến lược Biển Việt Nam đến năm 2020, phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế - xã hội với đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả nước. Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án tổng thể về điều tra cơ bản và quản lý tài nguyên môi trường biển đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020” (số 47/2006/QĐ-TTg, ngày 1-3-2006) nhằm đạt những mục tiêu cơ bản như: đẩy mạnh công tác điều tra cơ bản các điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường biển Việt Nam, xác lập luận cứ khoa học, cơ sở pháp lý để tăng cường quản lý nhà nước, phát huy tiềm năng, lợi thế và phục vụ cho việc phát triển bền vững các vùng biển, ven biển và hải đảo của nước ta... 1.1.2. Đặc điểm nước biển ven bờ Việt Nam. - Nước biển nói chung có thành phần định tính rất phong phú, cùng với tiến trình lịch sử của trái đất, biển đã tích luỹ được hầu hết các nguyên tố hoá học đã biết trong tự nhiên. Trong nước biển có 13 nguyên tố có mặt với hàm lượng đáng kể và được coi là những nguyên tố cơ bản của nước biển. Các nguyên tố nhiều nhất (kể cả O và H) là Na, Cl, Mg chiếm đến 90% các chất có mặt trong nước biển. K, Ca và S (dạng SO42-, trong nước biển [Cl-] > [SO42-]) là 3%, còn lại là tổng các nguyên tố khác chiếm 7% với tổng hàm lượng kim loại
13 Tổng 22.871 Tổng 13.186,3 Độ muối tổng cộng: 36,4 g/l - Với trên 3.260 km đường biển, thành phần tính chất của nước biển ở các vùng ở Việt Nam không giống nhau và được thể hiện ở các bảng sau: Bảng 1.2. Thành phần các Ion chính có trong nước biển tại Hải Hậu và Đồ Sơn (theo Hiện trạng môi trường biển Việt Nam, 2003); Đơn vị tính: g/l Na+ Mg2+ Ca2+ K+ Cl- SO42- HCO32- Br- H3BO3 Hải Hậu 8,76 1,16 0,33 0,35 15,6 2,7 0,14 0,05 0,07 Đồ Sơn 9,17 1,08 0,34 0,12 16,4 2,1 0,12 0,04 0,06 - Năm 2002, Trung tâm Kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp đã tiến hành khảo sát và phân tích chất lượng nước biển ở một số khu vực miền Bắc và miền Trung. Một số chỉ tiêu chính liên quan đến khả năng sử dụng nước biển để cấp nước cho sinh hoạt được nêu trong Bảng 2.2 Bảng 1.3. Một số chỉ tiêu chính về chất lượng nước ở một số vùng ven biển Biển Hòn Gai Biển Hải Phòng Biển Đà Nẵng pH 7,8-8,4 7,5-8,3 7,7 Cl-, g/L 6,5-18 9,0-17,8 0,4-12,1 SO42-, g/L 0,2-1,2 0,002-1,1 0,2-0,9 - Độ mặn nước biển vùng ven bờ theo số liệu quan trắc của các trạm quan trắc môi trường biển năm 2009 theo số liệu của Tổng cục Môi trường được tổng hợp nêu trên Hình 1.1.
14 40 35 Độ muối, ‰ 30 25 20 15 10 5 Deo Ngang 0 Dung Quat Phan Thiet Nha Trang Quy Nhon Vung Tau Sa Huynh Thuan An Dong Hoi Rach Gia Da Nang Phu Quy Dinh An Con Co Hình 1.1. Độ mặn của nước biển ven bờ - Như vậy, độ mặn nước biển ven bờ nước ta nằm ở mức từ 12‰ đến 35‰. Tại khu vực Sa Huỳnh (Quảng Ngãi), nước biển có độ mặn cao nhất, xấp xỉ 35‰. Ở gần bờ, hàm lượng muối có thể cao tuỳ thuộc vào sự xáo trộn mạnh do gió, thuỷ triều và độ sâu của nước. Khi sự pha trộn với nước ngọt đổ ra từ các con sông thì nước biển nhạt hơn một cách đáng kể. - Nước lợ với độ mặn có thể từ 1 đến 15‰ là kết quả pha trộn nước biển với nước ngọt. Nước lợ thường xuất hiện ở các vùng cửa sông, ven biển hoặc xuất hiện trong các tầng ngậm nước hóa thạch. Tại vùng cửa sông Thu Bồn khu vực thành phố Hội An độ mặn có sự dao động đáng kể theo mùa, độ sâu lớp nước và vị trí lấy mẫu. Tại xã Cẩm Thanh (vĩ độ:15052’22’’, kinh độ: 108023’20”) và xã Cẩm Châu khu vực Cửa Đại - Hội An, sự dao động độ mặn trong thời gian quan trắc năm 2010 và 2011 được thể hiện trên Hình 2.2 30 25 Độ muối, phần nghìn 20 15 10 Cẩm Châu Cẩm Thanh 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 10 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 . . . . . . . . . . . . . . 4. 3. .2 .3 .3 .4 .5 .5 .6 .6 .7 .7 .8 .8 .2 .3 5. 7. 22 10 24 26 14 27 10 20 10 20 10 25 18 23 Hình 1.2. Độ mặn hạ lưu sông Thu Bồn tại Hội an năm 2010 và 2011 /Nguồn: Xí nghiệp Cấp nước Hội An, 2011/
15 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước và ở Việt Nam. - Cuối thế kỷ 20, công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, giúp tạo ra các vật liệu có các hạt hay màng có kích thước vài nanô. Dựa vào khả năng lọc nước của các vật liệu nano, người ta đã chế tạo các máy lọc tinh, lọc được các hạt bẩn nhỏ vài nano, trong đó có các vi khuẩn nhỏ. Ngoài ra trong nước vẫn giữ nguyên những chất khoáng và các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể. Đây là một trong những ưu việt do bản chất của vật liệu nano mới có mà các chất liệu lọc khác không có được. - Ứng dụng màng lọc để sản xuất nước ăn uống bắt đầu từ Mỹ và các nước Trung Đông. Hiện nay sử dụng màng lọc để làm ngọt hóa nước biển đã phát triển rộng khắp ở nhiều nơi trên Thế giới. Theo J.C. Schipers, 2000, trên toàn thế giới có 9.106 m3 nước ăn uống/ngày được xử lý bằng phương pháp RO và 106 m3 nước ăn uống/ngày bằng phương pháp NF và UF, tương đương công suất màng 2.107, 2.106 và 4.105 m2. - Năm 2006-2009, PGS.TS Nguyễn Văn Tín chủ trì đề tài NCKH trọng điểm cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo “Nghiên cứu mô hình cấp nước cho các khu dân cư ven biển và hải đảo” (mã số B2006-03-12TĐ). Tuy nhiên nguồn nước thô là nước ngầm, nước mặt và nước mưa vùng ven biển ít bị nhiễm mặn nên các mô hình đề xuất có công nghệ xử lý nước truyền thống. Việt nam các công trình nghiên cứu về khử mặn nước biển, chế tạo vật liệu nano và - Tại thiết bị xử lý nước có màng lọc nano cũng đã bắt đầu từ cuối những năm 1990. - Công nghệ cất nước biển bằng năng lượng mặt trời đang được Viện Hoá học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam) nghiên cứu ứng dụng, với giá thành khoảng 1 triệu đồng/m3 công suất khi đưa vào sử dụng đại trà. Hiện công nghệ này đang được lắp đặt ứng dụng thử nghiệm tại Bến Tre và Thừa Thiên-Huế. Một hệ được đặt tại ngư trường Bình Đại đã cung cấp từ 120-150 lít nước sạch mỗi ngày cho đội công nhân 8 người. Hệ còn lại, nhỏ hơn, được lắp đắt tại một hộ gia đình ở thị xã Bến Tre đã mang lại hiệu quả cao. - Năm 2003, Trung tâm tư vấn và chuyển giao công nghệ nước sạch và môi trường (CTC) nghiên cứu thiết kế và lắp đặt tại đảo Bạch Long Vĩ. Dây chuyền gồm 5 thiết bị xử lý nước biển qua 5 công đoạn khác nhau với tỷ lệ nội địa hóa 70%. Nước biển được bơm qua thiết bị đầu tiên sẽ được lọc sạch rong, rêu, tảo bằng một màng lọc có kích thước lỗ 50 micromet. Sau đó, thiết bị lọc đa năng (multimedia) sẽ lọc sạch các chất có kích thước lớn hơn 20 micromet. Sang thiết bị thứ ba, Ca, Mg, Br... được loại ra khỏi nước biển dưới dạng muối carbonat bằng phương pháp trao đổi cation. Thiết bị lọc thứ tư tiếp tục loại các chất có kích thước lớn hơn 5 micrometres ra khỏi nước biển. Và đến thiết bị cuối cùng sử dụng màng lọc RO có kết cấu đặc biệt. Quá trình thẩm thấu ngược diễn ra tại đây khi nước biển (sau khi đã
16 qua các công đoạn tiền xử lý trước đó) được bơm áp suất cao tới 70 atm qua hệ thống màng lọc này. Kết thúc quá trình thẩm thấu ngược, sẽ thu được một lượng nước ngọt bằng 36% lượng nước biển lọc qua dây chuyền. Với dây chuyền này, nước ngọt sản xuất theo công nghệ RO có giá khoảng 20.000 đồng/m3. - Nguyễn Bá Thắng, năm 2005, trong đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu mô hình quy hoạch và quản lý hiệu quả hệ thống cấp nước đô thị Việt Nam đến năm 2020” đã sử dụng bộ lọc màng UF lắp đặt sau các công đoạn xử lý nước ngầm truyền thống của trạm cấp nước trường Cao đẳng xây dựng công trình đô thị để nghiên cứu cấp nước uống trực tiếp. - Năm 2005, Viện Khoa học công nghệ nhiệt lạnh (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) vừa nghiên cứu thành công quy trình chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời. Theo hình thức bay hơi cưỡng bức mỗi mét vuông vật liệu hấp thụ nhiệt của máy có thể tạo ra được 15 – 20 L nước ngọt/ngày, tuy nhiên, năng suất hiện ở mức 12 – 13 L/ngày. - Ngày 02/6 /2009, Viện Khoa học vật liệu ứng dụng, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã bàn giao và đưa vào vận hành thiết bị xử lý nước biển thành nước ngọt đáp ứng tiêu chuẩn Bộ Y tế về nước sinh hoạt công suất 300 lít nước ngọt/h cho ngư dân Đà Nẵng. Thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý thẩm thấu ngược RO, với màng lọc của Mỹ. Dưới áp lực phù hợp, nước biển sẽ được tách thành phần nước ngọt sạch và hàm lượng hoà tan thấp thẩm thấu qua màng. Nước có hàm lượng hoà tan cao (nước mặn) sẽ được dẫn ra ngoài. Tiếp đó, nước ngọt sẽ được dẫn qua hệ thống lọc, tia cực tím UV...dưới áp lực cao, nước ngọt sẽ được đưa qua màng vào bồn chứa và sử dụng. Toàn bộ thời gian xử lý trong vòng 2 phút. - Đề tài "Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu lọc nanô từ axetat xenlulo và ứng dụng lọc nanô trong quy trình xử lý nước sinh hoạt bị ô nhiễm" do Tiến sỹ Nguyễn Hoài Châu và tập thể các nhà khoa học Viện Công nghệ môi trường (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam) thực hiện trong năm 2007. Đề tài thiết kế chế tạo một thiết bị lọc nanô công suất 100 lít nước/h, có khả năng xử lý các nguồn nước sinh hoạt, nước thải bị ô nhiễm asen có độ cứng cao hơn mức cho phép 4 - 5 lần và xử lý nước thải có COD lớn hơn 5000 mg/L. Kết quả nghiên cứu cho thấy, màng lọc nanô có khả năng tách Albumin và khả năng bắt giữ chọn lọc đối với các chất điện ly có hóa trị khác nhau như NaCl, Na2SO4 và MgCl2...tương đương với màng Osmonics của Mỹ. Vật liệu màng được chọn sử dụng ở đây là Axentat xenlulo, một sản phẩm có thể dễ dàng đặt mua trong nước. Đáng chú ý, với khả năng tách muối ăn nồng độ cao trở thành nước sinh hoạt bình thường của màng lọc nanô có thể ứng
17 dụng để lọc nước biển làm nước ăn tại những nơi thiếu nước ngọt. Ưu điểm lớn nhất của lọc nanô là, với công nghệ này người ta không phải đưa thêm một loại hóa chất nào, vi sinh nào vào nước mà vẫn lấy đi được những tạp chất bẩn. Công nghệ này có thể xử lý các nguồn nước có độ cứng toàn phần và COD cao cũng như đối với nước có màu và nước nhiễm phèn chua mặn. - Hiện nay, thâm nhập vào thị trường Việt Nam là hai dòng sản phẩm máy lọc nước nanô công nghệ của Nga và sản suất tại Nga. Máy lọc nước Magistr dùng chất liệu hạt nanô USVR không những lọc các chất kim loại nặng, khử khuẩn, mà có các máy chuyên dụng khử asen (thạch tín) rất tốt ngay cả khi nguồn nước sinh hoạt nhiễm asen ở nồng độ đạt tới 0,2-0,25 mg một lít. Dòng máy lọc nước Duet, Solo sử dụng loại chất liệu nanô màng AquaVallis với tốc độ lọc 120-500 lít mỗi giờ. Các máy lọc nước này không chỉ lọc các chất bẩn vô cơ, hữu cơ mà nó còn có khả năng lọc nước bị nhiễm bẩn vi sinh ở mức cao đạt sạch 100% vô trùng. Những dòng máy này do Công ty Sunny-Eco (Công nghệ Sinh thái Ánh Dương) ở Hà Nội nhập khẩu. - 1.3. Các phương pháp khử muối trong nước lợ và nước mặn. 1.3.1. Khử muối bằng nhiệt - phương pháp dựa trên nguyên lý bay hơi của chất lỏng khi đạt đến áp suất bảo hoà. Cho dòng chất lỏng chứa hỗn hợp muối đi qua thiết bị bay hơi bằng nhiệt, tại đây dòng chất lỏng được cung cấp 1 lượng nhiệt để đun nóng. Khi chất lỏng đạt đến điểm sôi hơi nước sẽ bay hơi và được thu lại còn muối được giữ lại trong hỗn hợp dòng vào được đưa ra ngoài loại bỏ . Phương pháp xử lý nước bằng nhiệt bao gồm các phương pháp: bay hơi nhanh nhiều bậc tuần hoàn dung dịch muối thải, phương pháp chưng đa bậc hơi nén bằng nhiệt, và phương pháp chưng đa bậc hơi nén cơ học là các phương pháp được sử dụng rộng rãi. - Hiện nay ngoài việc sử dung năng lượng truyền thống cho các biện pháp khử muối sử dụng nhiệt thì ngày nay người ta phát triển thêm một số phương pháp mới sử dụng năng sạch như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng hay tận hay tận dụng quá trình bay hơi tự nhiên. 1.3.2. Khử muối bằng quá trình điện thẩm tách - Điện thẩm tách là một quá trình màng lọc được điều khiển bởi lớp điện thế cho loại bỏ các ion tích điện từ dòng nước. Điện thẩm tách là quá trình điện hoá học chia cắt với ion truyền qua ion trao đổi màng lọc bởi một điện thế trực tiếp.Một pin ED cơ bản bao gồm anion qua
18 lại thấm được và màng cation thấm được, nó cung cấp chia cắt cơ bản của ion dưới điện thế trực tiếp. Quá trình oxy hoá và khử xẩy ra trong ED. - Theo công nghệ này nước biển hoặc nước lợ được bơm vào khoảng giữa các màng trao đổi ion với áp suất thấp, số lượng các màng có thể lên đến hàng trăm màng đặt song song và xen kẽ nhau. - Màng trao đổi cation là những màng chỉ cho phép các ion dương chuyển qua. Màng trao đổi anion chỉ cho phép các ion âm đi qua. Hình 1.1 Sự loại bỏ ion trong quá trình điện thẩm tách (Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001) - Trong quá trình màng điện thẩm tách, tạp chất được tách loại khỏi nước nhờ dòng điện. Dòng điện một chiều chuyển các ion qua màng để tạo ra dòng nước ngọt và dòng nước muối có nồng độ cao hơn. Màng hình thành một rào cản giữa dung dịch muối và “nước ngọt”. Phía màng có nồng độ muối cao hơn sẽ gây ra hiện tượng phân cực nồng độ, nhiễm bẩn hữu cơ, tạo cặn khoáng chất đá vôi và các kết tủa khác.
19 Hình 1.2 Sự di chuyển các ion trong quá trình điện thẩm tách 1.3.3. Khử muối bằng quá trình trao đổi ion. a. Giới thiệu - Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thải cũng như nước cấp - Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước - Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thuỷ ngân, cadimi, vanadi, mangan,…),các hợp chất của asen, photpho, xianua và các chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao - Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành khá cao nên ít được sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao. - Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng. b. Cơ sở của phương pháp
20 Hình 1.3 Cơ chế trao đổi ion của các hạt trao đổi ion - Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn .Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi). Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau . - Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vận hành và tái sinh liên tục ; và trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành và tái sinh gián đoạn. Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến. c. Nhựa trao đổi ion - Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit ,các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit. Còn các ionit vừa có khả năng hấp thu cation ,vừa có khả năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡng tính . - Về cấu tạo : trong cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phần .Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính ). Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử. - Dùng phương pháp tổng hợp hoá học ,người ta chế tạo được chất trao đổi ion hữu cơ gọi là nhựa trao đổi ion (resin) .Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styren vàdivinylbenzen(DVB). Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin. DVB là những