Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống lọc nước biển sử dụng màng lọc thẩm thấu chuyển tiếp (FO)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------

Phạm Thị Phƣơng Thảo

ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ

KHỬ MẶN NƢỚC BIỂN CỦA HỆ THỐNG LỌC NƢỚC

SỬ DỤNG MÀNG LỌC THẨM THẤU CHUYỂN TIẾP (FO)

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60520320

LỜI CẢM ƠN LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

PGS.TS. Nguyễn Quang Trung

TS. Lê Văn Chiều

Hà Nội - 2016

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài, em đã nhận được sư quan tâm

giúp đỡ nhiệt tình, sự đóng góp quý báu của nhiều cá nhân và tập thể đã tạo điều

kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản khóa luận này.

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn tới các thầy hướng dẫn là PGS.TS.

Nguyễn Quang Trung – Trung tâm Đào tạo, Tư vấn và Chuyển giao công nghệ,

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và TS. Lê Văn Chiều – Trường

Đại học Việt Nhật, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn em trong suốt

thời gian thực hiện đề tài.

Em xin cảm ơn sự tận tình dạy dỗ, chỉ bảo của các thầy côKhoa Môi

trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Em cũng gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ tại Phòng thi nghiệm trọng điểm

về An toàn thực phẩm và Môi trường đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành

khóa luận này.

Tuy có nhiều cố gắng nhưng thời gian và kiến thức có hạn nên không thể

tránh khỏi những thiếu sót, khiếm khuyết.Rất mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa

của quý thầy cô.

Và cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đã quan

tâm, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài của mình.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 28 tháng 12 năm 2016

Học viên

Phạm Thị Phương Thảo

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AB Amoni bicacbonat (AB)

A3C Amoni sắt (II) citrat (A3C)

A2S Amoni sắt (II) sunphat (A2S)

A3C Amoni sắt (III) sunphat (A3S)

CAc Axit citric

CTA Xenlulose triaxetat

DS Dung dịch lôi cuốn (Draw solution)

FO Thẩm thấu chuyển tiếp (Forward Osmonis)

GMH Dung dịch đầu vào (Feed solution) g/(m2.h)

Thông lượng nước (Water flux)

Jw Js

LMH Thông lượng chất tan thấm ngược (Reverse solute flux) L/(m2.h)

LPRO RO sử dụng năng lượng thấp (Low power RO)

MBR Thiết bị phản ứng màng sinh học (Membrane bioreactor)

MD Chưng cất màng (Membrane Distillation)

MED Chưng cất đa hiệu ứng (Multi Effection Distillation)

MF Vi lọc (Microfiltration)

MNPs Hạt nano từ tính (Magnetic nanoparticles)

MSFD Chưng cất bay hơi nhiều giai đoạn (Multistage

flash distillation)

NF Lọc nano (Nanofiltration)

OMBR Thiết bị phản ứng sinh học màng – màng lọc thẩm thấu (Osmosis membrane bioreactor)

PET Polyester

PPA Polyacrylic axit

PSf Polysylfone

RO Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis)

SRSF Tỉ số dòng thấm ngược chất tan (Specific Reverse Solute Flux)

TDS Tổng chất rắn hòa tan (Total disolved solid)

TFC Composit màng mỏng (Thin – film composite)

TrOCs Các hợp chất hữu cơ lượng vết trong môi trường (Trace Organic compounds)

UF Siêu lọc (Ultra-filtration)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. So sánh các công nghệ khử mặn nước biển[11]. ........................................ 12

Bảng 2. Bảng tổng hợp một số dung dịch lôi cuốn sử dụng đối với màng FO khử mặn [12,13,16,31,34-36]. .................................................................................................. 23

Bảng 3. Đặc tính của các phức chất sử dụng trong hệ thống lọc FO ..................... 29

Bảng 4. Điều kiện thí nghiệm của hệ thống FO. .................................................... 36

Bảng 5. Điều kiện thí nghiệm của hệ thống NF ..................................................... 37

Bảng 6. Giá trị thông lượng nước và thông lượng chất tan thấm ngược thu được

của các dung dịch lôi cuốn khác nhau với cùng một nồng độ ............................... 50

Bảng 7. Hiệu quả thu hồi dung dịch lôi cuốn sử dụng màng NF-90 ..................... 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Bản đồ xâm nhập mặn vùng Đồng bằng sông Cửu Long (Tháng 3/2016)[3].

.................................................................................................................................. 6

Hình 2. Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước biển. ................................... 8

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý vận hành công nghệ MSFD. ............................................ 9

Hình 4. Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ RO. ............................................... 10

Hình 5. Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ ED ................................................ 11 Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tách nước sử dụng màng FO [21] ........ 17 Hình 7. Màng TFC sử dụng trong công nghệ FO có cấu tạo bởi 3 lớp[7]. ............. 18

Hình 8. Cấu tạo của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển vi: (A) Mặt trên lớp Polyamide; (B) Mặt dưới lớp PSF [7]. ......................................... 19

Hình 9. Mặt cắt ngang của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển

vi: (A) Lớp vải PET không dệt; (B) Hình ảnh phóng to hình dạng dày, gần giống bọc, gần lớp hoạt động [7]. ...................................................................................... 20

Hình 10. Vị trí lấy mẫu nước biển tại xã Thạch Trị, huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh

ngày 16/11/2016. .................................................................................................... 32

Hình 11. Hệ thống lọc FO quy mô phòng thí nghiệm............................................ 36

Hình 12. Modun gắn màng lọc FO. ....................................................................... 37

Hình 13. Hệ thống loại bỏ dung dịch lôi cuốn để thu hồi nước sạch ..................... 38

Hình 14. Độ dẫn điện của các phức sắt khác nhau ở các nồng độ khác nhau được

sử dụng như các chất lôi cuốn trong thí nghiệm FO. ............................................. 42

Hình 15. Ảnh hưởng của các dung dịch lôi cuốn khác nhau đến pH: (a) dung dịch

Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat. .... 44

Hình 16. Ảnh hưởng của các dung dịch lôi cuốn khác nhau đến TDS: (a) dung

dịch Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat.

................................................................................................................................ 46

Hình 17. Sự thay đổi của thông lượng nước thấm qua màng (Jw) với các nồng độ

muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau. .......................................................... 47

Hình 18. Sự thay đổi của thông lượng chất tan thấm ngược (Js) thấm qua màng với

các nồng độ muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau (khi dung dịch đầu vào là

nước deion) ............................................................................................................. 48

Hình 19. Sự thay đổi của tỉ số dòng thấm ngược chất tan (SRSF) thấm qua màng

với các nồng độ muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau (khi dung dịch đầu vào

là nước deion) ......................................................................................................... 49

Hình 20. Biểu đồ thể hiện một số thông số vận hành của màng FO với các nồng độ

tối ưu của các dung dịch lôi cuốn khác nhau. ........................................................ 51

Hình 21. Giá trị thông lượng nước qua màng với mẫu nước đầu vào khác nhau .. 52

Hình 22. Giá trị thông lượng chất tan thấm ngược với mẫu nước đầu vào khác

nhau ........................................................................................................................ 53

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN .............................................................................................. 4

1.1. Tình trạng thiếu nƣớc ngọt trong sinh hoạt tại Việt Nam ................................... 4

1.2. Thành phần của nƣớc biển ...................................................................................... 7

1.3. Tổng quan các công nghệ khử mặn nƣớc biển ...................................................... 8

1.3.1. Các công nghệ khử mặn nước biển ............................................................ 8

1.3.2. So sánh các công nghệ khử mặn ............................................................... 12

1.4. Hệ thống lọc nƣớc sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO) ......................... 14

1.4.1. Cơ sở khoa học của hiện tượng thẩm thấu chuyển tiếp ............................ 14

1.4.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 16

1.4.3. Vật liệu màng ........................................................................................... 17

1.4.4. Chất lôi cuốn lý tưởng cho quá trình thẩm thấu chuyển tiếp ................... 20

1.4.5. Các nghiên cứu về dung dịch lôi cuốn và phương pháp thu hồi .............. 22

1.4.6. Ứng dụng của công nghệ FO trong xử lý nước ........................................ 24

1.5. Cơ sở khoa học lựa chọn các dung dịch lôi cuốn và phƣơng pháp thu hồi bằng

màng NF trong nghiên cứu ............................................................................................... 29

1.5.1. Cơ sở khoa học lựa chọn các dung dịch lôi cuốn trong nghiên cứu ........ 29

1.5.2. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp thu hồi bằng màng NF ............... 30

CHƢƠNG 2 – ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...... 32

2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 32

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 32

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 33

2.2. Giả thuyết nghiên cứu ................................................................................................ 33

2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 33

2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm ......................................................................................... 34

2.4.1. Vật liệu, hóa chất và thiết bị ..................................................................... 34

2.4.2. Mô hình thực nghiệm ............................................................................... 35

2.4.3. Tiến hành thí nghiệm ................................................................................ 38

2.4.4. Các thông số tính toán .............................................................................. 40

CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................... 42

3.1. Đặc tính và đặc điểm của các phức chất sắt ............................................................. 42

3.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của dung dịch lôi cuốn (về nồng độ và loại dung

dịch) đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO .............................................. 43

3.2.1. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến pH .............................................. 44

3.2.2. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến TDS ........................................... 45

3.2.3. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến thông lượng nước (Jw), thông

lượng chất tan thấm ngược (Js) và tỉ số dòng chất tan thấm ngược ......... 47

3.2.4. So sánh một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO với các dung dịch

khác nhau. ................................................................................................. 50

3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch đầu vào đến hiệu quả lọc qua màng FO ....... 52

3.4. Ảnh hƣởng của chất lôi cuốn khác nhau đến hiệu quả thu hồi nƣớc sạch qua

màng NF .............................................................................................................................. 54

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................................................... 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 57

PHỤ LỤC 1 - Định hƣớng thu hồi liti trong dịch cặn thải của hệ FO ......................... 61

PHỤ LỤC 2 - Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện nghiên cứu ......................... 63

PHỤ LỤC 3 - Một số kết quả nghiên cứu ........................................................................ 65

PHỤ LỤC 4 – Các công trình đã công bố có liên quan đến luận văn ........................... 68

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Nước ngọt là nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người. Việc

cung cấp đầy đủ nước sạch đảm bảo chất lượng và số lượng luôn là thách thức đối

với các quốc gia.

Trong báo cáo chung công bố ngày 14/4/2015, Tổ chức Nông Lương Liên

Hiệp quốc (FAO) và Hội đồng Nước thế giới (WWC) cùng cảnh báo, do tác động

của môi trường sống và hiện tượng biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia đang phát triển

có thể phải đối mặt với nguy cơ nước ngọt trên diện rộng trong những năm tới.

Theo hai tổ chức này, nếu không cải thiện, thế giới có thể phải đối đầu với cuộc

khủng hoảng nghiêm trọng về nước ngọt khi dân số thế giới đang tăng nhanh chóng

với dự báo sẽ đạt 9 tỷ người vào năm 2050. Một báo cáo gần đây của Ngân hàng

Thế giới ước tính, tới năm 2030, nhu cầu về nguồn nước của con người sẽ vượt

lượng cung tới 40%. Theo Liên hiệp quốc, hiện nay có hơn 2,6 triệu người trên toàn

cầu không được tiếp xúc với điều kiện vệ sinh cơ bản và 1 tỷ người không được

dùng nước sạch. Cứ 20 giây lại có một trẻ em tử vong vì các bệnh liên quan đến

tình trạng thiếu nước sạch và điều kiện vệ sinh phù hợp.

Tại Việt Nam, hiện có khoảng 41 triệu người dân nông thôn chưa có nước

sạch (theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt do Bộ Y tế

ban hành năm 2009). Chỉ có 8% dân số nông thôn có nước máy tại nhà hoặc có

đường ống dẫn nước vào sân, 82% có thể lấy nước từ các nguồn đãđược cải thiện ở

bên ngoài nhà, và 10% vẫn phải lấy nước từ các nguồn chưa được cải thiện (theo

báo cáo của ADB - Ngân hàng Phát triển châu Á).

Bên cạnh đó, mục tiêu trong Chiến lược Quốc gia về cấp nước sạch và vệ

sinh nông thôn đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định

104/2000/QĐ/TTg ngày 25/8/2000 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”, đồng thời cũng nêu rõ cần thử nghiệm và phát triển công nghệ xử

lý nước biển và nước lợ thành nước ngọt để cấp nước cho vùng bị nhiễm mặn trong

tương lai. Như vậy, tìm kiếm công nghệvà triển khai lắp đặt các công trình, thiết bị

xử lý nước biển và nước lợ để cung cấp cho các cụm dân cư, đô thị ven biển và hải

đảo là một nhiệm vụ cấp bách và cần thiết, đặc biệt trong tình hình biến đổi khí hậu

hiện nay.

Hiện nay, cùng với sự phát triển của các loại màng lọc nước như màng vi lọc

(microfiltration – MF), màng siêu lọc (ultrafiltration – UF), thẩm thấu ngược

(reverse osmosis – RO), điện thẩm tích (electrodialysis – ED)…, nước ngọt có thể

sản xuất ra từ nước mặn hay nước lợ thông qua quá trình khử mặn, giảm hàm lượng

chất rắn hòa tan (TDS) trong nước. Một số phương pháp khử mặn đã được nghiên

cứu triển khai và áp dụng thành công trong thực tế tại nhiều nước trên thế giới cũng

như tại nhiều địa phương ở Việt Nam như: Phương pháp thẩm thấu ngược (RO),

phương pháp chưng cất bằng năng lượng mặt trời, phương pháp điện thẩm

tách(ED).

Một công nghệ khử muối bằng màng đã được các nhà khoa học thế giới

nghiên cứu đó là công nghệ màng thẩm thấu chuyển tiếp (forward osmosis – FO).

So sánh với các công nghệ màng tách dựa trên áp lực hiện tại (MF, UF, NF, RO),

công nghệ tách nước sử dụng màng FO có ưu điểm lớn là có thể hoạt động không

cần áp lực hoặc áp lực rất thấp, nghĩa là không tiêu tốn hoặc tiêu tốn ít năng lượng.

Nó có thể loại bỏ khoảng rộng các chất ô nhiễm, vi sinh vật, … và có thể loại bỏ sự

cố tắc màng và dễ dàng rửa màng. Mặc dù vẫn còn phải nghiên cứu hoàn thiện và

phát triển công nghệ nhưng màng FO đã được ứng dụng vào thực tế để sản xuất

nước sinh hoạt từ nước biển. Nhà máy sản xuất nước sinh hoạt từ nước biển dựa

trên màng FO đầu tiên được xây dựng tại Al Khaluf, Oman do công ty Modern

Water (Anh) thực hiện đã đi vào hoạt động năm 2010. Tuy nhiên, tại Việt Nam hiện

chưa có một công bố nào liên quan đến việc nghiên cứu và ứng dụng màng FO

trong xử lý nước thải cũng như nước biển.

Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi xin chọn đề tài “Đánh giá một số yếu tố ảnh

hưởng đến hệ thống lọc nước biển sử dụng màng lọc thẩm thấu chuyển tiếp

(FO)”.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử mặn nước biển nhờ quá

trình thẩm thấu chuyển tiếp.

3. Nội dung nghiên cứu

(1) Khảo sát ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn (về nồng độ và loại dung dịch)

đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO.

(2) Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối đến một số thông số vận hành của hệ

thống lọc FO.

(3) Khảo sát ảnh hưởng của chất lôi cuốn đến hiệu quả thu hồi nước sạch qua

màng NF.

(4) Đánh giá hiệu quả thu nước ngọt (nước sạch) từ nước biển của hệ FO.

CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN

1.1. Tình trạng thiếu nƣớc ngọt trong sinh hoạt tại Việt Nam

Là một đất nước nhiệt đới ẩm quanh năm mưa nhiều, độ ẩm trung bình cao

trên 80%, cùng một lượng lớn mạng lưới sông ngòi chằng chịt nhưng Việt Nam vẫn

luôn được xếp hạng vào nhóm quốc gia thiếu nước theo đánh giá của Hội Tài

nguyên quốc tế. Thống kê cho thấy có đến 17.200.000 người tương đương khoảng

21,5% dân số sử dụng nước chưa qua xử lý và trung bình 9000 người tử vong mỗi

năm vì thiếu nước sạch, đặc biệt có đến 30% dân số chưa ý thức được hậu quả của cạn kiệt nguồn nước [2]. Con số này đáng báo động hơn ở những vùng biển đảo và

xâm nhập mặn ở các khu vực ven biển.

Biến đổi khí hậu, hạn hán và xâm nhập mặn hàng năm đang là một nguyên nhân chính khiến hơn 20% dân số nước ta vẫn thiếu nước sạch [1]. Hiện tượng này

xảy ra chủ yếu ở đồng bằng sông Hồng, đồng bằng số Cửu Long và một số tỉnh

Trung Bộ.Tại khu vực đồng bằng sông Hồng, dưới tác động đồng thời của dòng

chảy kiệt, điều tiết mực nước, địa hình, thủy triều và đặc biệt là nước biển dâng làm

ranh giới xâm nhập mặn tiến sâu hơn, làm giảm lượng nước lấy được từ sông theo

đó mà tình hình thiếu nước phục vụ nông nghiệp, nuôi trồng ngày một tăng. Hàng

năm, diện tích đất nông nghiệp vụ xuân thiếu nước tưới khoảng 3.061 đến 6.122 ha

(chiếm 10 đến 20% tổng diện tích). Đây là một con số đáng báo động khi vẫn còn

đến 21% dân số làm nông nghiệp. Vào mùa kiệt nước, nhiều tỉnh Hải Phòng, Thái

Bình, Ninh Bình, Nam Định, nước phục vụ nông nghiệp đều có nồng độ mặn vượt

quá cho phép, theo dự báo năm 2020, mực nước biển tăng cao 0,11 m, các tháng 3

đến tháng 5 nước mưa giảm 3 – 6%, tình hình thiếu nước ngọt sẽ càng nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến kinh tế, xã hội và đời sống người dân [1]. Khu vực miền

Trung trong những năm gần đây chu kỳ nắng hạn và bão lũ kéo dài thất thường

khiến đời sống nhân dân nhiều khu vực lâm vào khó khăn do thiếu nước ngọt. Vào

mùa khô, các tỉnh Hà Tĩnh, Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị các con

đập đều cạn kiệt, ruộng vườn nứt nẻ, người dân thiếu nước sinh hoạt trầm trọng.

Trong khi đó tại Bình Thuận, Khánh Hòa, Ninh Thuận, có khoảng 40.000 ha đất lúa

phải dừng sản xuất do thiếu hụt nước tưới và tình trạng thiếu nước sinh hoạt cho

người dân diễn ra phổ biến. Các khu vực đồng bằng Sông Cửu Long, dòng chảy

thượng nguồn sông Mê Kông bị thiếu hụt, mực nước thấp kỷ lục trong 90 năm qua,

mùa mưa đến muộn, lượng mưa thiếu hụt so với trung bình nhiều năm từ 30 – 60%, dòng chảy hệ thống sông thiếu hụt từ 30 – 50% [3]. Hiện tại, các vùng cách biển 45

km đã không thể lấy nước ngọt, các vùng cách biển 45 – 65 km chỉ xuất hiện nước

ngọt vào thời kì triều kém hoặc chân triều, cách biển 70 – 75 km xâm nhập mặn

nồng độ dưới 4 g/L, gây ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt. Tại sông Vàm Cỏ,

độ mặn lớn nhất từ 8,1 – 20,3 g/L, cửa sông Tiền, sông Hậu và ven biển Tây, độ mặn lớn nhất lần lượt là 14,6 – 31,5 g/L, 16,5 – 20,5 g/L và 11 – 23,8 g/L [4]. Xâm

nhập mặn gia tăng ảnh hưởng đến 10 tỉnh miền Tây, trong đó 8 tỉnh ven biển là

Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau và Kiên

Giang bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Bến Tre có hơn 70% diện tích lúa bị ảnh hưởng

nước mặn, Kiên Giang và Cà Mau bị ảnh hưởng mặn từ cuối năm 2015, khiến

85.000 ha lúa bị thiệt hại, 155.000 gia đình ở miền Tây với khoảng 575.000 người bị thiếu nước [4].

Hình 1.Bản đồ xâm nhập mặn vùng Đồng bằng sông Cửu Long (Tháng 3/2016)[3].

Cùng với đó, công nghệ xử lý nước còn chưa đáp ứng yêu cầu ở nhiều vùng

biển đảo cũng là nguyên nhân gây nên thiếu nước ngọt. Hơn 100 đảo chìm và đảo

nổi trong khu vực quần đảo Trường Sa là hơn 100 điểm nằm trong khu vực 8 tháng

không có lấy một giọt mưa, nước cung cấp cho các chiến sĩ chỉ khoảng 30 đến 40 lít

nước mỗi ngày cho mọi hoạt động (thấp hơn quy định tiêu chuẩn của Bộ Xây dựng,

2006). Phú Quốc đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt nước ngầm, khách du lịch ngày

một gia tăng nhưng lại chưa tìm đuợc giải pháp về nước. Trữ lượng nước ở Côn

Đảo ngày một suy kiệt khi hai hồ lớn là Quang Trung, An Hải dần cạn nước. Kết

quả nghiên cứu ở huyện đảo Kiên Hải, Kiên Giang cho thấy tại các vùng núi và hải

đảo này, vấn đề nguồn nước ngày càng khó khăn hơn vì thiếu nước đầu nguồn do

mưa ít hoặc giếng đào phải rất sâu mới có nước do mạch ngầm cạn kiệt vì mất rừng.

Nguồn nước sinh hoạt chủ yếu ở đây là nước mưa, nước lấy trong các mạch nước tự

nhiên.Vào mùa khô, nhiều suối, mạch nước ngầm trên đảo đã cạn nước. Nhiều

đường ống dẫn nước của người dân tự làm để lấy nước từ các khe đá trong núi cũng

không còn một giọt nước. Để có nước dùng, người dân phải đi khoảng 10 km để lấy nước hoặc phải mua nước với giá cao lên đến 120-150.000 đồng/m3 nước. Việc mất

nhiều thời gian đi xa để lấy nước sinh hoạt hay mua nước với giá cao tại các đảo ở

Kiên Hải, Kiên Giang vào mùa khô đã gây khó khăn không nhỏ đến đời sống người dân. Tình trạng này cũng phổ biến ở hầu hết các vùng biển, hải đảo ở nước ta[2].

Những khó khăn về thiếu nước ngọt tại các vùng biển đảo, các vùng có

nguồn nước bị xâm nhập mặn đặt ra nhu cầu về một giải pháp mới có tính đột phá.

Từ đó, việc tìm ra một công nghệ tiên tiến có khả năng xử lý nước biển để sản xuất

nước ngọt phục vụ cho sinh hoạt hiện đang là mối quan tâm rất lớn cho xã hội.

1.2. Thành phần của nƣớc biển

Nước biển là sản phẩm kết hợp giữa những khối lượng khổng lồ các axit và

bazo từ những giai đoạn đầu của sự hình thành trái đất. Các axit HCl, H2SO4 và

CO2 sinh ra từ trong lòng đất do sự hoạt động của núi lửa kết hợp với các bazo sinh

ra do quá trình phong hóa các đá thời nguyên thủy và tạo thành muối và nước.

2-, CO3

2- 2-, SiO3

Thành phần chủ yếu của nước biển là các anion như Cl-, SO4

,… và các cation như Na+, Ca+2,… Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn nước

ngọt 2000 lần.Vì biển và đại dương thông nhau nên thành phần các chất trong nước

biển tương đối đồng nhất.Hàm lượng muối (độ mặn) có thể khác biệt nhưng tỷ lệ

những thành phần chính thì hầu như không đổi.

-2) chiếm 7% tổng lượng các chất.

Trong nước biển ngoài H2 và O2 ra thì Na, Cl2, Mg chiếm 90%; K, Ca, S

(Dưới dạng SO4

Ở Đại Tây Dương tỷ lệ Na/Cl = 0,55 – 0,56.

Ở Thái Bình Dương và Địa Trung Hải tỷ lệ Mg/Cl = 0,06 –0,07 và K/Cl =

0,02.

Đại dương là nơi lắng đọng cuối cùng của nhiều vật thể, sản phẩm của nhiều

quá trình hóa địa cũng như các chất thải do hoạt động của con người thải vào. Đại

dương chấp nhận quá trình tuần hoàn lại từ các lục địa, sự hòa tan và bay hơi của

nhiều sinh vật trên trái đất.

Diễn đạt theo ngôn ngữ hóa học thì “Nước biển là dung dịch của 0,5 mol

NaCl, 0,05 mol MgSO4 và vi lượng của tất cả các nguyên tố có mặt trong toàn cầu”.

Hình 2.Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước biển.

1.3. Tổng quan các công nghệ khử mặn nƣớc biển

1.3.1. Các công nghệ khử mặn nước biển

1.3.1.1. Công nghệ nhiệt

a) Chưng cất nhanh nhiều bậc (Multistage Flash Distillation – MSFD)

Trong quá trình chưng cất nhanh nhiều bậc, nước biển được làm nóng lên và

bay hơi, sau đó hơi nước được cô đọng lại để sản xuất nước đã được khử muối.

Hơi nước được cô đặc này sẽ được sử dụng như là một nguồn năng lượng

nhiệt để làm nóng nước biển chảy vào. Sự bay hơi và phần cô đặc lại được phân

chia thành nhiều giai đoạn lặp đi lặp lại nhiều lần, do đó làm tăng thêm hiệu quả.

Một trong những ưu điểm của quá trình xử lý nước chưng cất nhanh nhiều

bậc là khả năng sản xuất ra số lượng lớn nước ở tại cùng một thời điểm. Bởi vì quá

trình này chỉ cần sử dụng máy làm bay hơi áp lực/nhiệt độ thấp như một nguồn

năng lượng nhiệt, thay vì các quá trình khử muối này mà phải gây tốn nhiệt từ nhà máy điện[11].

Hình 3.Sơ đồ nguyên lý vận hành công nghệ MSFD.

b) Chưng cất đa hiệu ứng (Multieffect Distillation – MED)

Lượng nước cung cấp bay hơi nhanh, tuy nhiên hầu hết nước biển này được

phân tán qua một số ống của máy bay hơi và được đun sôi.Hơi nước sau đó được

ngưng tụ lại để sản xuất ra nước sạch, quá trình này được lặp đi lặp lạiliên tục. Quá

trình bay hơi diễn ra trong một bơm chân không, nước biển tạo ra có thể đạt tới điểm sôi thậm chí kể cả ở nhiệt độ thấp[11].

1.3.1.2. Công nghệ màng

a) Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO)

Thẩm thấu ngược (RO) là một quá trình tách qua màng cho phép nước biển

thấm qua màng nhờ áp suất tác dụng vào lớn hơn áp suất thẩm thấu của nước biển.

Màng cho phép nước thấm qua nhưng giữ lại các muối tan. Với phương pháp này

này, ta tách được nước tinh khiết (sản phẩm) và phần cặn. Một nhà máy khử muối

bằng công nghệ RO điển hình bao gồm ba công đoạn, cụ thể là tiền xử lý, tạo áp và

phân tách bằng màng RO và xử lý bổ sung. Mức tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào

hàm lượng muối của nước biển đầu vào. Sự phát triển công nghệ cho phép màng

RO có tỉ lệ loại bỏ muối cao, trong khi vẫn duy trình tính thấm cao cũng như giảm năng lượng tiêu thụ[11].

Hình 4.Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ RO.

b) Điện thẩm tách (Electrodialysis – ED)

Nguyên tắc của quá trình ED là tách các ion ra khỏi nước bằng cách đẩy các

ion này qua màng thấm ion chọn lọc nhờ lực hút tích điện. Hệ thống ED bao gồm

tập hợp các màng đặt giữa đường đi của dòng điện một chiều phát ra từ hai điện cực

ở hai đầu. Nước muối đi qua giữa các màng đặt vuông góc với hướng dòng điện và

vận tốc dòng muối phải đủ lớn để xáo trộn hoàn toàn. Về cấu tạo, các màng cation

và anion đặt xen kẽ nhau giữa hai điện cực âm, dương ngăn cách bởi đệm plastic và

hình thành nên cụm ngăn. Cụm ngăn này có hàng trăm cặp ngăn, mỗi cặp gồm một

ngăn loãng và ngăn đậm đặc cạnh nhau. Dòng đậm đặc và loãng được thu qua ống

thu riêng.

Dòng một chiều khi qua nước muối sẽ kéo các anion về phía cực dương từ

một ngăn qua ngăn kế bên. Màng thấm chọn lọc anion chỉ cho phép các anion thấm 2-), tuy nhiên các anion sẽ bị giữ lại do màng cation. Tương tự với các qua (Cl-, SO4

màng cation theo hướng ngược lại. Màng thấm chọn lọc cation chỉ cho phép các cation thấm qua (Na+, Ca2+), tuy nhiên các cation sẽ giữa lại do màng anion.

Khoảng cách giữa các màng không quá lớn, khoảng 1mm. Do sự di chuyển của các

ion, nước trong một ngăn có hàm lượng ion giảm đi trong khi lượng ion trong ngăn

kế bên đậm đặc hơn, như vậy sẽ tạo ra hai dòng: dòng khử muối và dòng đậm đặc[11].

Hình 5.Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ ED

c) Màng lọc nano (Nanofiltration – NF)

Quá trình tách nước bằng màng NF là quá trình tách dựa trên áp lực, nước

vận chuyển qua màng bán thấm, có kích thước cỡ nano. Sự chênh lệch áp suất giữa

2 bên dung dịch đầu vào và dung dịch sau lọc ở 2 bên màng dẫn đến quá trình tách

muối khỏi nước. Áp suất vận hành thấp, thông lượng nước lớn và khả năng giữ lại các ion hóa trị cao là các ưu điểm của quá trình NF[11].

d) Màng thẩm thấu chuyển tiếp (Forward Osmosis – FO)

Trình bày trong phần 1.4.

1.3.2. So sánh các công nghệ khử mặn

Bảng 1.So sánh các công nghệ khử mặn nước biển[11].

MSF MED RO ED NF FO Công nghệ khử mặn

< 0,6 0,3 - 1 0,84

Điện: 3,5 – 4,5 Năng lượng tiêu thụ (kWh/m3) Điện: 4 – 6 Nhiệt: 55 - 120 Điện: 2 – 2,5 Nhiệt: 30 - 120

1 – 50 1 – 50 50 – 90 0 – 10 30 – 45 120 – 200

Chất lượng nước tạo ra (mg TDS/L)

Rất cao Cao Thấp Thấp Thấp – cao Chi phí đầu tư Thấp – trung bình

Cao Rất thấp Rất cao Rất thấp Rất thấp Trung bình – cao

Sự thay đổi thành phần nước biển

Thấp Cao Cao Thấp Trung bình Yêu cầu bảo dưỡng Cao nhưng thấp hơn so với RO

Nhỏ - vừa Nhỏ Lớn Rất nhỏ Ít hơn RO Quy mô ứng dụng Lớn nhưng ít hơn RO

Lớn Lớn Nhỏ Nhỏ Trung bình Trung bình Yêu cầu hóa chất

0,1 – 0,2 0,1 – 0,25 0,3 – 0,5 0,8 – 0,9 0,7 0,3 – 0,85

Tỉ lệ nước tạo ra/nước đầu vào

Cao Thấp Thấp Trung bình Trung bình Yêu cầu kỹ thuật Cao – trung bình

Cao Thấp Cao Thấp

Khả năng tắc màng

Có Có Không đáng kể Không có thông tin Không đáng kể Không đáng kể Phát thải khí nhà kính

Có thể Có thể Có thể Có thể Có thể Có thể

Hệ thống vận hành tự động hoàn toàn

Bơm Hạn chế Chất ô nhiễm vi khuẩn Bơm, van, hệ thống chân không Quá trình lắp đặt và xây dựng, độ ổn định của nhà máy

Tắc màng, vòng đời của màng bị giới hạn, dư lượng hóa chất còn lại Thiếu màng lọc tối ưu tạo ra thông lượng nước cao; thiếu dung dịch lôi cuốn lý tưởng

Bảng 1 thể hiện sự so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các phương pháp khử mặn. Có thể thấy rằng công nghệ FO yêu cầu ít năng lượng tiêu tốn hơn cho mỗi m3

nước so với các phương pháp nhiệt và màng khác. Màng lọc nano đã có những hứa

hẹn bước đầu, tuy nhiên vẫn cần thời gian trước khi ứng dụng hiệu quả lý thuyết

vào thực tế quá trình khử mặn. Công nghệ màng nano nếu chỉ sử dụng độc lập sẽ có

nhiều hạn chế, chẳng hạn như hiện tượng tắc màng, vì vậy cần kết hợp nó với công

nghệ khác thích hợp. Chi phí yêu cầu cho một nhà máy FO là thấp hơn rõ ràng so

với các công nghệ sử dụng nhiệt, thậm chí cả công nghệ RO. So với RO, FO ít tắc

màng hơn, phạm vi ứng dụng hẹp hơn và lượng nước cặn thải ít hơn. Mặc dù chất

lượng nước đầu ra dao động trong khoảng rộng hơn các phương pháp nhiệt, nhưng

điều đó không quá quan trọng vì thành phần chất rắn hòa tan vẫn dưới giới hạn cho

phép của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Phát thải khí nhà kính của các phương

pháp màng ít hơn đáng kể so với các công nghệ sử dụng nhiệt. Tuy nhiên, dung

dịch lôi cuốn và vật liệu màng FO vẫn đang cần nghiên cứu sâu hơn để cải tiến quá

trình công nghệ. Bên cạnh đó, so với các công nghệ màng khác, khả năng ít bị tắc màng cũng là ưu điểm của FO[11].

1.4. Hệ thống lọc nƣớc sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO)

1.4.1. Cơ sở khoa học của hiện tượng thẩm thấu chuyển tiếp

Thẩm thấu chuyển tiếp (forward osmosis – FO) là quá trình thẩm thấu, tương

tự như thẩm thấu ngược (reserve osmosis-RO) quá trình này sử dụng màng bán

thấm để tách nước từ các chất hòa tan. Việc tách nước được thực hiện dựa trên cơ

sở sự chênh lệch áp suất thẩm thấu, dung dịch lôi cuốn có nồng độ cao được sử

dụng để tạo ra dòng nước chảy thông qua màng lọc, đi vào dung dịch lôi cuốn, tách

nước trong dung dịch đầu vào khỏi các chất tan của nó. Ngược lại, quá trình thẩm

thấu ngược sử dụng áp suất thủy lực là sức mạnh để tách nước, điều này làm giảm

sự chênh lệch áp suất thẩm thấu, tạo ra thông lượng nước nhỏ hơn chuyển ngược

vào dung dịch đầu vào. Chính vì thế, quá trình thẩm thấu ngược yêu cầu nguồn năng lượng nhiều hơn khi so sánh với quá trình thẩm thấu chuyển tiếp[17].

Mối quan hệ giữa thẩm thấu, áp suất thủy lực và thông lượng nước được biểu

thị qua công thức sau:

Trong đó:

 Jw: Thông lượng nước (L/(m2.h))

 A: Thẩm thấu thủy lực của màng

: Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa hai mặt của màng lọc 

 : Sự chênh lệch về áp suất thủy lực.

Mối quan hệ của các đại lượng này trong thực tế phức tạp hơn so với công

thức này, với thông lượng nước phụ thuộc vào các đặc điểm của màng, dung dịch đầu vào và dung dịch lôi cuốn[10].

Trong quá trình thẩm thấu chuyển tiếp, có sự khuếch tán ở cả hai phía tùy

thuộc vào đặc tính của dung dịch lôi cuốn và dung dịch đầu vào. Điều này xảy ra

hai vấn đề: các chất trong dung dịch lôi cuốn có thể khuếch tán sang dung dịch đầu

vào và ngược lại, các chất trong dung dịch đầu vào có thể khuếch tán sang dung

dịch lôi cuốn thông qua màng lọc FO. Rõ ràng, hiện tượng này là kết quả của việc

lựa chọn dung dịch lôi cuốn cho các quá trình thẩm thấu đặc trưng. Đặc biệt, sự thất

thoát của dung dịch lôi cuốn có thể ảnh hưởng đến dung dịch đầu vào có thể liên

quan đến các vấn đề môi trường hoặc gây ô nhiễm của dòng đầu vào như là các phản ứng sinh học của màng thẩm thấu[17].

Thẩm thấu chuyển tiếp (FO) là một công nghệ màng mới với một loạt ứng

dụng trong xử lý nước.Hầu như không yêu cầu áp suất thủy lực để thực hiện quá

trình này. Tiềm năng ứng dụng FO phụ thuộc vàonước đầu vào và dung dịch lôi

cuốn được lựa chọn, và các mục tiêu chất lượng nước đề ra. Trong FO, nước được

tách từ dung dịch đầu vào (FS) có áp suất thẩm thấu thấp sang dung dịch lôi cuốn

(DS) có áp suất thẩm thấu cao; quá trình này được thực hiện bằng sự chênh lệch áp

suất thẩm thấu giữa hai chất lỏng ở hai mặt đối diện của màng bán thấm và kết quả

gia tăng nồng độ của dung dịch đầu vào và pha loãng dung dịch lôi cuốn. Sự gia

tăng thể tích nước của ở bên dung dịch sẽ tạo nên sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh và

được gọi là sự chênh lệch áp suất thẩm thấu π[17]. Áp suất thẩm thấu của dung dịch

có thể được tính theo phương trình Van Hoff:

π = iCRT (1)

Trong đó: i là hệ số Van Hoff

C là nồng độ của các chất tan trong dung dịch (mol.L-1)

R là hằng số khí (8,3145 J.K-1mol-1)

T là nhiệt độ (K)

Đối với màng FO, sự suy giảm thông lượng nước do tắc màng thấp hơn so

với các hệ thống RO, đặc biệt khi nước thải có khả năng tắc màng cao khi được sử

dụng như dung dịch đầu vào, bởi vì quá trình FO chính nó không sinh ra các chất lơ

lửng và các chất ô nhiễm hữu cơ khác vào trong màng (Hollway và cs, 2007) giảm chi phí cho việc tiền xử lý[17]. Lee và cs(2010) đã nghiên cứu so sánh sự tắc nghẽn

dưới cùng điều kiện vận hành áp suất thủy lực giống nhau (Thông lượng thẩm thấu

ban đầu và vận tốc dòng chảy) và các đặc điểm hóa học của dung dịch đầu vào (pH,

độ mạnh của ion, hàm lượng canxi) của các hệ thống FO và RO cho thấy rằng độ

dày và suốt quá trình bị tắc do các chất hữu cơ ở FO sau khi làm sạch thủy lực hầu

như được thu hồi toàn bộ, trong khi không có thay đổi nào được ghi nhận đối với hệ

thống RO. Trong một nghiên cứu khác, số liệu cho thấy rằng sự tắc màng FO bị chi

phối bởi ảnh hưởng kết hợp của thủy lực và hóa học. Nồng độ canxi, khả năng thấm

và lực cắt thủy lực là các yếu tố chính chi phối sự phát triển tầng lọc trên bề mặt màng FO (Mi và Elimelech, 2008)[10].

1.4.2. Nguyên lý hoạt động

Trong thập kỉ qua, công nghệ FO đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và đươ ̣c

. Trong xử lý nước,

đánh giá như một công nghệ màng lọc triển vọng. Do đó , trên thế giớ i đã có rất nhiều nghiên cứ u đươ ̣c tiến hành để phát triển công nghê ̣ này một quá trình xử lý bằng màng FO gồm hai bước chính (Hình 6): nước tinh khiết

được chiết bằng thẩm thấu từ dung dịch nước cần xử lý sang dung dịch lôi cuốn, khi

đó nồng độ dung dịch lôi cuốn bị pha loãng và sẽ được hoàn nguyên và tách nước

sạch bằng một quá trình khác sử dụng hoặc không sử dụng màng. Nhiều dung dịch

lôi cuốn và phương pháp hoàn nguyên khác nhau đã được nghiên cứu ví dụ như: các

dung dịch chứa các phân tử mang từ tính (hoàn nguyên bằng phương pháp điện từ);

các dung dịch chứa các phân tử lớn (hoàn nguyên bằng phương pháp UF, NF); dung

dịch chứa các muối phân hủy nhiệt (hoàn nguyên bằng phương pháp chưng cất);

hoặc kết hợp với phương pháp RO (dòng nước thải ra từ bộ lọc RO là dung dịch lôi

cuốn cho bộ lọc FO). Quá trình hoàn nguyên để tách nước khỏi dung dịch lôi cuốn sử dụng năng lượng nhiều hơn so với quá trình màng FO[18].

Hình 6.Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tách nước sử dụng màng FO[21]

Động lực trong FO đươ ̣c ta ̣o ra mô ̣t cách tự nhiên dựa vào sự chênh lê ̣ch áp suất thẩm thấu giữa dung di ̣ch đầu vào và dung dịch lôi cuốn. Chính điều này đã ta ̣o ra nhưng ưu điểm vươ ̣t trô ̣i cho công nghê ̣ FO so vớ i các công nghê ̣ lo ̣c sử du ̣ng thủy lực khác (ví dụ : RO, lọc nano,…) vì sự tiêu thụ năng lượng ít và giảm thiểu nguy cơ gây tắc nghẽn màng trong quá trình sử du ̣ng lâu dài[18].

1.4.3. Vật liệu màng

1.4.3.1. Các loại màng được nghiên cứu và ứng dụng cho công nghệ lọc nước FO

Màng thẩm thấu chuyển tiếp FO đóng vai trò thiết yếu trong việc đánh giá

tiềm năng và sự phát triển của công nghệ lọc nước này.Những nghiên cứu phục vụ

cho việc phát triển công nghệ lọc nước FO gần đây chủ yếu là những nghiên cứu và

phát minh về màng. Những loại màng thông thường được sử dụng trong hệ thống

RO được đánh giá là không phù hợp với FO vì nó làm gia tăng thêm các hiệu ứng phân cực nồng độ[17].

Màng sử dụng trong công nghệ FO phải đáp ứng được các tiêu chí sau:

- Có khả năng cho nước thấm qua cao từ đó dẫn đến thông lượng nước lớn.

- Có tính chọn lọc cao vì nếu sự chọn lọc của màng kém, muối của dung dịch

cấp dễ nghẽn ở màng dẫn đến tình trạng tắc màng. Ngoài ra chọn lọc hiệu

quả còn làm giảm thiếu sự vận chuyển và thấm ngược các phân tử muối của

dung dịch lôi cuốn sang nước đầu vào - nhân tố dẫn đến động lực của dòng

nước giảm.

- Có độ bền cơ học cao[19].

Hiện nay đã có một số phát minh nổi bật về màng được sử dụng trong công

nghệ FO, một trong số đó là màng Polyamit (polyamide-based), Composit màng

mỏng (TFC) và màng cellulose triaxetat (CTA). Màng TFC được đánh giá là có

hiệu quả vượt trội hơn hẳn so với 2 loại màng còn lại, với độ thấm nước gấp 3 lần

so với màng CTA; khả năng cho muối thấm qua chỉ bằng 0,5 lần so với CTA và 0,7

lần so với Polyamit; độ chọn lọc gấp 5 lần CTA và 2 lần so với Polyamit; độ bền cơ học gấp 1,4 lần so với CTA và gần 5 lần so với Polyamit [7].

1.4.3.2. Màng TFC (Thin-film Composite)

Màng TFC được cấu tạo bởi 3 lớp: Một lớp polyamide chủ động chọn lọc

(lớp hoạt động), hình thành bởi việc trùng hợp trên bề mặt của polysulfone (PSf).

Lớp polysulfone được chế tạo bằng việc tách pha trên một loại vải polyester (PET)

mỏng không dệt (khoảng 40-50µm).Độ dày của một màng TFC trung bình vào khoảng 95 µm [7].

Hình 7.Màng TFC sử dụng trong công nghệ FO có cấu tạo bởi 3 lớp[7].

Hình 8.Cấu tạo của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển vi: (A) Mặt trên lớp Polyamide;(B) Mặt dưới lớp PSF[7].

Lớp polysulfone có chức năng như một lớp xốp hỗ trợ, làm ranh giới khuếch

tán để giảm đi sự khác biệt quá lớn giữa áp suất thẩm thấu qua lớp polyamide.Vì

vậy lớp polysulfone phải thật mỏng, có độ xốp cao và phải cung cấp một đường dẫn

trực tiếp từ lôi cuốn đến bề mặt của màng.Polyester đóng vai trò như một lớp lót cho polysulfone, thường phải mỏng và có cấu trúc tương đối mở[7].

Hình 9.Mặt cắt ngang của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển

vi: (A) Lớp vải PET không dệt; (B) Hình ảnh phóng to hình dạng dày, gần giống bọc, gần lớp hoạt động[7].

1.4.4. Chất lôi cuốn lý tưởng cho quá trình thẩm thấu chuyển tiếp

Tính sẵn có, phổ biến của chất lôi cuốn là rất quan trọng đối với công nghệ

FO. Một dung dịch lôi cuốn thích hợp không chỉ thúc đẩy hiệu quả của quá trình FO

mà còn tiết kiệm chi phí cho các bước tiếp theo là tái tạo và bổ sung thêm chất lôi

cuốn. Bên cạnh độ độc thấp và chi phí thấp, một chất lôi cuốn lý tưởng cần đáp ứng

một số yêu cầu sau:

Một là, chất lôi cuốn có khả năng tạo ra áp suất thẩm thấu cao. Sự chênh

lệch áp suất thẩm thấu giữa dung dịch lôi cuốn và nước đầu vào tạo ra động lực cho

quá trình thẩm thấu. Áp suất thẩm thấu của dung dịch lôi cuốn phải lớn hơn áp suất

thẩm thấu của nước đầu vào để đảm bảo tạo ra dòng nước thấm qua màng. Theo

công thức Morse, biến đổi từ công thức Van‟t Hoff (công thức (1)), xem xét đối với

𝑛

dung dịch ion hòa tan, áp suất thẩm thấu của dung dịch, π, có thể biểu diễn như sau:

𝑉

)RT (2) π = iCRT = i(

Trong đó: n là số mol chất tan (mol), V là thể tích dung dịch (L). Vì vậy, để

đạt được áp suất thẩm thấu cao, yêu cầu cần có là khả năng tan tốt của chất tan

trong nước, điều này sẽ giúp đạt được giá trị n hoặc C(mol/L) lớn. Ngoài ra, một

hợp chất ion có khả năng phân ly hoàn toàn để tạo các ion thành phần được ưu tiên,

vì tạo ra i lớn. Điều này chỉ ra rằng các chất tan đa hóa trị là các chất phù hợp. Vì

vậy, các chất có khả năng tan tốt trong nước và khả năng phân ly cao sẽ là các chất lôi cuốn tiềm năng[27].

Hai là, thông lượng thấm ngược của chất lôi cuốn phải nhỏ. Khi màng FO

không phải là một màng bán thấm lý tưởng, chất lôi cuốn có thể khuyếch tán từ

dung dịch lôi cuốn sang nước đầu vào. Dòng thấm ngược chất tan xảy ra do có sự

chênh lệch lớn giữa nồng độ dung dịch lôi cuốn và nồng độ nước đầu vào. Thông lượng chất tan thấm ngược (g/m2h hay GMH) được xác định theo công thức:

Js = 𝐶𝑡 .𝑉𝑡 −𝐶𝑜 .𝑉0

𝐴𝑚 .∆𝑡

Trong đó: Co và Ct (mol/L) là nồng độ ban đầu và nồng độ của dung dịch

đầu vào lần lượt được xác định ở thời điểm ban đầu vàsau khoảng thời gian ∆t (h)

thực hiện thí nghiệm. Tương ứng, Vo và Vt (L) là thể tích ban đầu và thể tích của

dung dịch đầu vào lần lượt được xác định, tương ứng với nồng độ Co và Ct.Amlà diện tích màng (m2). Nồng độ chất tan trong nước đầu vào có thể tính toán thông

qua giá trị độ dẫn điện khi nước đầu vào là nước deion. Ngoài ra, cũng có thể tính toán nồng độ chất tan qua giá trị tổng cacbon hữu cơ[27].

Sự có mặt của dòng thấm ngược chất tan ảnh hưởng xấu đến hiệu quả của

quá trình FO. Nó không chỉ làm giảm động lực của quá trình và nhiễm bẩn nước

đầu vào mà còn làm gia tăng chi phí bổ sung chất lôi cuốn. Vì vậy, thông lượng thấm ngược chất tan nhỏ là yếu tố quan trọng của quá trình FO[20].

Ba là, yêu cầu khả năng dễ hoàn nguyên của dung dịch lôi cuốn sau quá

trình FO. Thông thường, FO được gắn với một quá trình khác để sản xuất nước

sạch. Ví dụ, đối với hệ thống khử muối nước biển bằng FO cần ít nhất hai giai đoạn:

(1) tách nước từ nước biển bằng dung dịch lôi cuốn, (2) tách nước thành phẩm khỏi

dung dịch lôi cuốn đã bị hòa loãng bằng công nghệ RO, NF, UF, MD hoặc các công

nghệ sử dụng nhiệt khác. Những quá trình này đều tiêu thụ năng lượng như là áp

suất nước hoặc nhiệt để cô đặc dung dịch lôi cuốn đã hòa loãng. Vì vậy, khả năng

hoàn nguyên đơn giản của dung dịch lôi cuốn là mục tiêu lớn để đạt được mức tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành thấp[5,27].

Cuối cùng là, chất lôi cuốn tiềm năng là có khối lượng phân tử nhỏ và độ

nhớt của dung dịch thấp. Sự phân cực nồng độ bên trong một phần là do hệ số

khuyếch tán thấp của chất tan. Hệ số khuyếch tán của chất tan tỉ lệ nghịch với khối

lượng phân tử và độ nhớt của dung dịch. Một chất lôi cuốn có khối lượng phân tử

và độ nhớt lớn sẽ có hệ số khuyếch tán nhỏ, do đó sự phân cực nồng độ bên trong là

đáng kể. Vì vậy, một chất có khối lượng phân tử và độ nhớt nhỏ được ưu tiên sử

dụng. Các yêu cầu khác bao gồm khả năng ổn định trong nhiệt độ môi trường và tính phù hợp với màng FO[27].

1.4.5. Các nghiên cứu về dung dịch lôi cuốn và phương pháp thu hồi

Trong vài thâ ̣p kỷ gần đây , các nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra các

dung di ̣ch lôi cuốn thích hơ ̣p cho hê ̣ thống FO . Các chất lôi cuốn , phương pháp thu hồ i và ha ̣n chế củ a nó đã đươ ̣c trình bày trong bảng 2.

Một cái nhìn tổng quan đại diện cho dung dịch lôi cuốn với phương pháp thu

hồi hoặc tách bằng các hình thức khác nhau khi sử dụng màng cellulose axetate

được liệt kê trong bảng 2: Batchelder (1965) là người tiên phong trong việc sử dụng

các chất hòa tan dễ bay hơi (SO2) làm dung dịch lôi cuốn. Frank đưa ra ý tưởng kết

tủa muối Al2SO4 bằng cách sử dụng Ca(OH)2 để tách CaSO4 và Al(OH)3 ra khỏi

nước. Lượng dư Ca(OH)2được xử lý bằng bổ sung axit sunfuric hoặc khí

Cacsbonic. Kravath, Davis và Stache sử dụng glucose và fructose làm dung dịch lôi

cuốn. Yaeli dùng công nghệ RO để thu hồi lại Glucose. Hầu hết các nghiên cứu từ

cuối năm 1990 đến đầu năm 2000 là sử dụng dung dịch muối NaCl và MgCl2. Glew

(1965) và McGinnis (2002) tạo hỗn hợp SO2,rượu với KNO3 là dung dịch lôi cuốn.

Cath dùng NaCl làm dung dịch lôi cuốn và sử dụng chưng cất để thu hồi lại dung

dich lôi cuốn. Elimelech, McCutcheon dùng hỗn hợp khí NH3, CO2, NH4HCO3 và [21].Ngoài ra còn có Adam sử dụng dùng nhiệt để tách NH4HCO3 thành NH3 và CO2

một số vật liệu như các hạt nano từ tính sử dụng lọc từ tính để thu hồi,với Albumin

thu hồi bằng cách làm biến tính và cố định chúng lại, Dendrimers sử dụng pH để

thu hồi lại. Tai Shung Chung cùng các đồng nghiệp (2009) đã nghiên cứu một loại

dung dịch lôi cuốn là nhóm các phân tử thuộc gốc imidazole cụ thể là 2 – methylimidazon[35].

Bảng 2.Bảng tổng hợp một số dung dịch lôi cuốn sử dụng đối với màng FO khử mặn [12,13,16,31,34-36].

Năm Nhóm nghiên cứu Dung dịch/chất lôi cuốn Phƣơng pháp thu hồi

1965 Batchelder Đuổi khí bằng nhiệt SO2

1965 Glew Nhiệt/chưng cất Hỗn hợp nước với SO2 hoặc rượu no

1972 Frank Amoni sunphat Kết tủa với Ca(OH)2

1975 Kravath và Davis Glucose Không yêu cầu

1976 Kessler và Moody Dung dịch dinh dưỡng Không yêu cầu

Không yêu cầu Fructose 1989 Stache

RO Glucose 1992 Yaeli

Làm mát và đun nóng 2002 McGinnis KNO3 và SO2

Đun nóng Elimelech NH4HCO3 2005- 2007

Hạt nano từ tính Sử dụng hộp tách nhỏ 2007 Adham

Dendrime UF 2007 Adham

Albumin Nhiệt 2007 Adham

FO-MD 2010 Chung Hợp chất hữu cơ gốc 2- Methylimidazol

Chung Hạt nano từ tính Sử dụng từ trường 2010- 2011

2011 Wang Vật liệu polyme dạng hydrogen Kích thích bằng áp suất và nhiệt

2011 Chung Hạt nano siêu ưu nước UF

2012 Chung UF Muối Natri axit polyacrylic (PAA-Na)

2012 Chung Hạt nano phân tách bề mặt Hệ thống kết hợp từ trường – NF

2013 Stewart Muối phosphazene hóa trị VI Không báo cáo

2013 Alnaizy Đồng sunphat Kết tủa kim loại

2013 Ou Chất đa điện phân nhạy nhiệt UF

2013 Cai Hydrogen bán IPN Nhiệt

2014 Na Không báo cáo Hạt nano phủ citrat (cit- MNPs)

2014 Zhao Màng chưng cất (MD) Poly (natri 4-styrensunfonat -co-n-isopropylacrylamide)

2014 Sato Dimethyl ete Khuyếch tán khí

2014 Ge Phức sắt và Coban hidro axit NF

2015 Tian UF áp lực thấp Poly (natri 4- styrensunfonat)

1.4.6.Ứng dụng của công nghệ FO trong xử lý nước

Ứng dụng và phát triển của công nghệ FO trong những năm gần đây chủ yếu

là việc sử dụng hệ thống FO hỗn hợp hoặc áp dụng công nghệ FO vào một trong

những giai đoa ̣n củ a quá trình xử lí nướ c thải.

Hê ̣ thống FO hỗn hơ ̣p là hê ̣ thống kết hơ ̣p công nghê ̣ thẩm t hấu chuyển tiếp , xử lý FO cù ng vớ i các công nghê ̣ khác trong các ứ ng du ̣ng sản xuất nướ c sa ̣ch

nướ c thải công nghiê ̣p, tướ i phân, làm giàu protein , khử nướ c,… nhằm tâ ̣n du ̣ng tất cả các ưu điểm của các công nghệ [10,29].

1.4.6.1. Ứng dụng lọc nướ c biển và nướ c lợ

Chủ yếu các ứng dụng của hệ thống FO hỗn hợp được sử dụng trong quá trì nh

này là để nghiên cứu về hi ệu quả và phương thức thu hồi dung dịch lôi cuốn để lấy

nước tinh khiết với FO đóng vai trò làm quá trình tiền xử lý, các công nghệ khác

tiến hành thu hồi nước từ dung dịch lôi cuốn.

a) Hê ̣ thống FO-RO

Hệ thống FO-RO dùng công nghệ FO làm quá trình tiền xử lý nước biển.Sau

đó, RO sẽ đóng vai trò tách nước ra khỏi dung dịch lôi cuốn.

Hê ̣ thống FO-RO lần đầu tiên đươ ̣c đề xuất bở i Yaeli – ngườ i đã phát triển hê ̣ thố ng kết hơ ̣p giữa quá trình FO và quá trì nh RO sử du ̣ng năng lươ ̣ng thấp (LPRO) nhằm thu hồi dung di ̣ch lôi cuốn glucose khỏi sản phẩm nước. Trong nghiên cứ u này, hê ̣ thống hỗn hơ ̣p FO -RO đươ ̣c dù ng để thay thế vớ i RO riêng rẽ vốn rất dễ có tiềm năng dẫn đ ến tắc nghẽn màng .Vì vậy, FO đươ ̣c sử du ̣ng làm quá trình tiền xử lí nhằm giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn của màng . Sau đó , dung di ̣ch Glucose loãng thu đươ ̣c từ quá trình FO đươ ̣c chuyển tiếp tớ i quá trình RO , ở đó, màng LPRO sẽ tiến hành tách nước sạch từ dung dịch glucose . Qúa trình thu hồi của hệ thống gặp nhiều ha ̣n chế vì hiê ̣u quả thẩm thấu củ a Glucose tương đối thấp và vì tro ̣ng lươ ̣ng phân tử lớ n nên dẫn đến chỉ số khuếch tán cao [30].

Sau đó , FO la ̣i tiếp tu ̣c đươ ̣c nghiên cứ u trong viê ̣c kết hơ ̣p vớ i LPRO trong quá trình khử muối của nước Biển Đỏ . Kết quả cho thấy năng lươ ̣ng tiêu thu ̣ trong hê ̣ thống FO -LPRO ướ c tính vào khoảng 1,3-1,5kWh/m3, chỉ bằng một nửa so với hê ̣ thống RO khi hoa ̣t đô ̣ng riêng biê ̣t (2,5-5kWh/m3)[20].Đứng trên phương diện về

mô ̣t công nghê ̣ tiết kiê ̣m năng lươ ̣ng , hê ̣ thống FO -LPRO hoàn toàn là mô ̣t công nghê ̣ đầy triển vo ̣ng và rất đáng quan tâm . Bên ca ̣nh đó , áp lực thủy lực cũ ng có thể đươ ̣c cung cấp trong quá trình lo ̣c FO (hay còn đươ ̣c go ̣i là áp lực hỗ trơ ̣ thẩm thấu chuyển tiếp ) nhằm nâng cao hiê ̣u quả và tiết kiê ̣m chi phí cho quá trình tiếp theo Ngoài ra, FO còn giú p cho quá trình lo ̣c nướ c trở nên hiê ̣u qua hơn khi loa ̣i bỏ đươ ̣c tố i đa các chất bẩn lơ lửng trong nước . Không chỉ vậy, có nhiều chất rắn hòa tan mà

RO không thể lọc bỏ hoàn toàn và đó có thể là những chất rắn có hại cho sức khỏe

dù là chỉ với hàm lượng rất nhỏ, ví dụ như một số hợp chất hữu cơ có trong môi trường nước (TrOCs) hoặc boron[20].

Tóm lại, công nghê ̣ FO đươ ̣c sử du ̣ng trong hê ̣ thống FO -RO đóng vai trò vô

cùng quan trọng trong việc giảm thiếu tối đa tình trạng tắc nghẽn màng , nâng cao

quá trình xử lý nước biển thông thường và tiết kiệm năng lượng.

b) Hê ̣ thống FO-MSF/MED

MSF và MSD là hai công nghê ̣ khử muối thườ ng đươ ̣c sử du ̣ng ta ̣i các nướ c

Trung Đông, nơi nướ c biển thườ ng có đô ̣ mă ̣n cao , nhiê ̣t đô ̣ cao và thành p hần ta ̣p chất lớ n. Vì vậy, viê ̣c tiền xử lý cho nướ c cấp trướ c khi đưa vào quá trình lo ̣c là vô cùng quan trọng để giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽn màng bằng cách loại bỏ các chất

hữu cơ tự nhiê n và các chất rắn lơ lử ng . Do đó, FO gần đây đã đươ ̣c thử nghiê ̣m

làm phương pháp tiền xử lý thay thế để loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ h òa tan

trong nướ c cấp. Altae thực hiê ̣n mô hình FO-MSF và FO-MED để khử nướ c biển và quá trình mô phỏng cho thấy FO đươ ̣c sử du ̣ng mô ̣t cách rất hiê ̣u quả cho viê ̣c tiền xử lý để giảm thiểu nồng đô ̣ củ a các ion đa hóa tri ̣ trong nướ c cấp [20]. c) Hệ thống FO - NF

Công nghệ màng FO bước đầu được ứng dụng để thay thế cho quá trình

khử muối trong nước biển khi kết hợp cùng với màng NF (màng nano).Màng lọc

nano là loại màng tách dùng động lực áp suất, lọc nano là quá trình trung gian giữa

siêu lọc và thẩm thấu ngược. Màng NF có khả năng tách các phân tử trong khoảng

100 – 1000 Da, cũng như khả năng loại bỏ muối cao nhờ hiệu ứng điện. Hiệu ứng

điện cho phép loại bỏ các ion (phần lớn là các ion đa hóa trị), trong khi các thành

phần hữu cơ không mang điện có thể được tách nhờ kích thước lỗ màng. Hiện nay,

ứng dụng của NF càng trở nên phổ biến, nhờ có những ưu điểm như áp suất vận

hành thấp, chi phí đầu tư và vận hành nhỏ và khả năng loại bỏ muối đa hóa trị cao. Ví dụ, khả năng loại bỏ muối hóa trị 2 của màng NF có thể đến 99%[25].

Tan và Ng (2010) đã tiến hành nghiên cứu mức độ phù hợp của NF để thu hồi

các dung dịch lôi cuốn khác nhau (MgCl2, MgSO4, Na2SO4, C6H12O6) đối với hệ

thống FO. Thông lượng nước thu được xấp xỉ 10 LMH đối với cả hai quá trình FO

và NF. Tỉ lệ loại bỏ muối lớn nhất là 97,9% đối với các dung dịch lựa chọn. Sản

phẩm nước thu được có TDS là 113,6 mg/L và đáp ứng tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới về nước uống (TDS < 500 mg/L)[33]. Zhao và cộng sự (2012) đã sử dụng

NF để hoàn nguyên các dung dịch lôi cuốn hóa trị hai sau hệ thống FO. Kết quả thu

được của hệ thống FO – NF thu được có nhiều ưu điểm hơn so với sử dụng hệ

thống RO đơn để khử mặn nước lợ như là áp suất vận hành thấp, hiện tượng tắc

màng ít xảy ra, thông lượng dòng cao sau khi làm sạch, hiệu quả thấm nước cao

hơn, yêu cầu quá trình tiền xử lý thấp hơn[37]. Su và cộng sự (2012) đã sử dụng

màng NF để thu hồi dung dịch sucrose có kích thước phân tử lớn để sản xuất nước

sạch từ nước thải bằng quá trình FO, kết quả loại bỏ sucrose đạt 99,6%. Đáng kể hơn, tỉ lệ sản phẩm của FO và NF có thể đạt cân bằng[26]. Hau và cộng sự (2014) chỉ ra rằng khả năng thu hồi muối natri EDTA bằng màng NF đạt 93%[22]. Ge và Chung

(2013) cũng sử dụng NF để hoàn nguyên các phức hydro axit citrat sau quá trình FO[15,28]. Áp suất vận hành là 10 bar và tỉ lệ loại bỏ hơn 90% đã được ghi nhận[15,28].

Nhìn chung, quá trình NF là một sự lựa chọn phù hợp để thu hồi các ion đa hóa trị

nhờ áp suất vận hành thấp và tỉ lệ loại muối cao.

d) Một số hệ thống khác[8,18,20]:

+ FO-nhiê ̣t

+ FO- màng chưng cất (MD)

(PPA-MNPs) làm + FO - màng siêu lọc (UF) vớ i ha ̣t nano biến đổi từ tính

chất lôi cuốn

+ FO-từ trườ ng vớ i hạt nano từ tính(MNPs) làm chất lôi cuốn

+ FO-điê ̣n trườ ng- màng nano (NF) vớ i polyelectrolytes làm chất lôi cuốn

+ FO- NF vớ i axit citric(CAc) làm chất lôi cuốn

+ FO-RO vớ i Glucose làm chất lôi cuốn

+ FO-UF vớ i PAA -MNPs làm dung di ̣ch lôi cuốn : Hiê ̣u quả hơn so vớ i RO - UF, lưu lươ ̣ng nướ c cao , năng lươ ̣ng tiêu tốn ít nhưng cần cải thiê ̣n về sự thấm ngươ ̣c củ a muối trong dung di ̣ch lôi cuốn.

+ FO-NF vớ i tổng hơ ̣p nhiều loa ̣i muối hữu cơ và vô cơ làm chất lôi cuốn

: Lưu lươ ̣ng nướ c cao, khả năng lọc muối tốt , chất lươ ̣ng củ a sản phẩm nướ c tốt.

1.4.6.2. Ứng dụngmàng FO trong xử lý nước thải

a) Hệ thống UF-OMBR-FO

Màng lọc sinh học MBR là một sản phẩm công nghệ xử lý nước thải tiên tiến sử dụng hai loại màng áp suất thấp là màng vi lọc MF và màng siêu lọc UF[6]. Tuy

nhiên, hạn chế lớn nhất của MF và UF là khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ

lượng vết như TrOCs, một số ion, virut,…[6]Bên cạnh đó MBRs đòi hỏi nhiều năng

lượng để vận hành và khả năng màng bị bám bẩn cao do các chất hữu cơ tự nhiên.

Vì thế, màng FO đã được nghiên cứu để thay thế cho màng MF và UF trong công

nghệ MBR với những ưu điểm: sự tiêu thụ năng lượng thấp, nguy cơ tắc nghẽn

màng ít, khả năng loại bỏ cao các đại phân tử, ion và các chất hữu cơ tự nhiên có

trong nước thải. Từ đó hệ thống OMBRs được phát triển với màng FO được nhúng

chìm trong một hệ thống phản ứng sinh học sử dụng bùn hoạt tính vận hành theo

chế độ liên tục. Đồng thời, màng RO cũng được kết hợp cùng để xử lý dung dịch DS sau khi bị pha loãng[6].

Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của công nghệ này là sự tích tụ các chất hòa tan

bên trong bình phản ứng do hoạt động của màng FO và còn do sự khuếch tán ngược

của các chất tan trong dung dịch lôi cuốn. Để giải quyết vấn đề này Wang và

Holloway (2012) đã đề xuất một giải pháp đó là đưa một trong hai màng MF/UF kết

hợp song song cùng màng FO và đưa vào lò phản ứng sinh. Do đó các chất hòa tan

bị loại khỏi lò phản ứng và các hợp chất dinh dưỡng có lợi như nitơ và photpho

được giữ lại trong lò từ đó cải thiện hoạt động của các vi sinh vật. Trong vòng 4

tháng nghiên cứu hệ thống UF-OMBR-RO, kết quả nhận được là thông lượng nước

nằm trong khoảng từ 3,8 đến 5,7 LMH ở 3 tuần đầu và đạt mức 4,8 LMH trong hơn

80 ngày. Điều đặc biệt là hệ thống không cần phải trải qua quá trình vệ sinh màng trong suốt 120 ngày đó[20].

Ngoài ra các hệ thống như FO-NF và FO-MD sử dụng các muối vô cơ như

NaCl, MgCl2 làm chất lôi cuốn cũng được áp dụng trong quá trình xử lý nước thải[20].

1.4.6.3. Ứng dụng xử lý đồng thời nướ c thải và lọc nướ c biển

Mô ̣t trong những cách giảm thiểu năng lươ ̣ng cần tiêu tốn trong quá trình lo ̣c nướ c biển đó là tâ ̣n dụng nguyên lý thẩm thấu chuyển tiếp của công nghệ FO .Trong công nghê ̣ này , bướ c đầu tiên là sử du ̣ng nướ c bẩn làm dung di ̣ch FS và sử du ̣ng nướ c biển đã qua tiền xử lý làm dung di ̣ch DS . Nướ c cấp từ FS dướ i sự chênh lê ̣ch áp suất thẩm thấu sẽ đi qua màng bán thấm đến dung di ̣ch nướ c biển có nồng đô ̣ cao hơn nó . Sau đó , dung di ̣ch nướ c biển trở nên loãng hơn và đươ ̣c chuyển vào xử lý

tiếp ở hê ̣ thống RO để sản xuất nướ c sa ̣ch . Ở giai đoạn xử lý thứ 2, dung di ̣ch nướ c bẩn đâ ̣m đă ̣c củ a hê ̣ thống FO ở giai đoa ̣n đầu sẽ tiếp tu ̣c đươ ̣c dù ng làm FS ở giai đoa ̣n FO này , còn dung dịch muối đậm đặc sau quá trình RO lúc trước sẽ tiếp tục

đươ ̣c sử du ̣ng làm dung di ̣ch lôi cuốn. Dung dịch nước muối được pha loãng lúc này

có thể tiếp tục được cho vào lọc bởi công nghệ RO hoặc có thể đổ trở lại môi trường

vì lúc này nồng độ của dung dịch không còn gây tác động xấu đến môi trường. Còn

dung dịch nước bẩn đậm đặc có thể tiếp tục được tách nước để thu hồi các chất bổ dưỡng phục vụ cho bón phân cây trồng [20].

1.5. Cơ sở khoa học lựa chọn các dung dịch lôi cuốn và phƣơng pháp thu hồi

bằng màng NF trong nghiên cứu

1.5.1. Cơ sở khoa học lựa chọn các dung dịch lôi cuốn trong nghiên cứu

Mặc dù có rất nhiều nghiên cứu về các loại chất lôi cuốn khác nhau cho quá

trình FO, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào sử dụng amoni sắt II sunphat, amoni sắt

III sunphat và amoni sắt II citrat với vai trò là chất lôi cuốn.

Amoni sắt II sunphat hay còn gọi là muối Mohr, là muối kép của amoni

sunphat và sắt sunphat, có công thức là (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O; là những tinh thể đơn tà, trong suốt, màu xanh lục; tan tốt trong nước, tạo ra phức sắt [Fe(H2O)6]2+.

Amoni sắt III sunphat hay còn gọi là phèn sắt, có công thức

NH4Fe(SO4)2·12 H2O; là những tinh thể có màu tím nhạt, tan tốt trong nước.

.yNH3, có màu vàng nâu,

Amoni sắt III citrat có công thức là C6H8O7.xFe3+

tan vô hạn trong nước; được sử dụng như một chất phụ gia thực phẩm.

Một số đặc tính hóa lý của ba muối sắt được trình bày trong bảng 3.

Bảng 3.Đặc tính của các phức chất sử dụng trong hệ thống lọc FO

CTPT

(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O

NH4Fe(SO4)2·12 H2O

(NH4)5Fe(C6H4O7)2

CTHH

(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O

FeNH4(SO4)2

C6H8O7.xFe3+

.yNH3

392,14 g

482,19 g

262,97g

Khối lượng mol

Phức chất Amoni sắt (II) sunphat (A2S) Amoni sắt (III) sunphat (A3S) Amoni sắt (III) citrat (A3C)

Cation

Fe2+ và NH4

Fe3+và NH4

482,2 g/L(20°C)

Tan rất tốt trong nước

269 g/L (hexahydrat) (20°C)

Độ hòa tan trong nước

1,86 g/cm3

1,71 g/cm3

Khối lượng riêng

Với những đặc tính hóa lý trên, cả ba muối sắt này có thể xem xét để sử

dụng là lôi cuốn.

Theo Qingchun Ge (2013), so với các muối hữu cơ, các muối vô cơ có xu

hướng tạo thông lượng nước lớn hơn. Điều này có thể là do kích thước phân tử lớn

của các muối hữu cơ tạo ra hệ số khuyếch tán thấp và sẽ có ảnh hưởng lớn hơn đối

sự phân cực nồng độ bên trong, dẫn đến ảnh hưởng xấu đến hiệu quả của quá trình FO[16].

Cả ba muối vô cơ đang được xem xét đều có khả năng tan tốt trong nước và

là các chất đa hóa trị. Như nhận định ở trên, các chất đa hóa trị và có khả năng phân

ly hoàn toàn trong nước sẽ có hệ số khuyếch tán i lớn, có khả năng tạo ra áp suất

thẩm thấu lớn và do đó thông lượng dòng lớn.

Từ những cơ sở lý thuyết đó, cả ba muối sắt trên được nhóm nghiên cứu kỳ

vọng sẽ là các chất lôi cuốn phù hợp cho quá trình FO. Tuy nhiên, cần các thí

nghiệm thực tế để xác định các giá trị như thông lượng nước, thông lượng chất tan

thấm ngược, ... giúp đưa ra đánh giá chính xác nhất về khả năng sử dụng các muối

sắt này là chất lôi cuốn cho hệ thống FO.

1.5.2. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp thu hồi bằng màng NF

Với cả ba chất lôi cuốn là amoni sắt II sunphat, amoni sắt III sunphat và

+. Qua các kết quả và nhận định của các nhóm nghiên

amoni sắt III citrat đều có khả năng tan tốt trong nước và phân ly tạo thành các ion

đa hóa trị là Fe2+,Fe3+và NH4

cứu trước đây cho thấy rằng NF là sự lựa chọn phù hợp để thu hồi các ion đa hóa trị

nhiều ưu điểm như áp suất vận hành thấp, chi phí đầu tư và vận hành nhỏ và khả

năng loại bỏ muối đa hóa trị lớn hơn 90%. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu của Tan

và Ng (2010) đã sử dụng hệ thống FO – NF để sản xuất nước ngọt từ nước mặn.

Sản phẩm nước thu được có TDS là 113,6 mg/L và đáp ứng tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới về nước uống (TDS < 500 mg/L)[33].

Vì vậy, nhóm nghiên cứu kỳ vọng với việc sử dụng NF để thu hồi dung

dịch lôi cuốn là các muối sắt trên sau quá trình xử lý qua hệ thống FO sẽ đạt tỉ lệ

loại bỏ muối lớn hơn 90% và ứng dụng hệ thống FO - NF để sản xuất nước sinh

hoạt nước biển.

CHƢƠNG 2 – ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG

VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tƣợng và phạm vinghiên cứu

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu

 Hệ thống lọc nước biển sử dụng màng FO

 Nước đầu vào:

(1) Mẫu nước tự chế: được pha từ dung dịch natri clorua (hóa chất tinh khiết)

trên nền nước deion với các nồng độ khác nhau.

(2) Mẫu nước biển:Lấy tại vùng bờ biển thuộc xã Thạch Trị, huyện Thạch Hà,

tỉnh Hà Tĩnh vào ngày 16/11/2016.

Hình 10.Vị trí lấy mẫu nước biển tại xã Thạch Trị, huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh

ngày 16/11/2016.

 Chất lôi cuốn:

+ Amoni sắt II sunphat

+ Amoni sắt III sunphat

+ Amoni sắt III citrat

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình hệ thống lọc nước sử dụng màng

FO (quy mô sẽ được mô tả ở mục 2.2.2) tại phòng thí nghiệm trọng điểm về An

toàn thực phẩm và Môi trường, thuộc Trung tâm Đào tạo, Tư vấn và Chuyển giao

công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

2.2. Giả thuyết nghiên cứu

 Hệ thống lọc nước sử dụng màng FO có khả năng khử mặn nước biển bằng

cơ chế nước tinh khiết được chiết bằng thẩm thấu từ nước đầu vào cần xử lý sang

dung dịch lôi cuốn và muối được giữ lại ở phía trước màng.Khi đó nồng độ dung

dịch lôi cuốn bị pha loãng và sẽ được hoàn nguyên và tách nước sạch bằng màng

NF.

 Với mỗi dung dịch lôi cuốn khác nhau sẽ có những tác động khác nhau đối

với màng FO do đó sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả lọc của hệ thống. Trong nghiên cứu

này sử dụng ba dung dịch lôi cuốn là amoni sắt II sunphat, amoni sắt III sunphat và

amoni sắt III citrat để đánh giá hiệu quả lọc qua màng FO.

 Sự thay đổi nồng độ muối trong mẫu nước đầu vào sẽ ảnh hưởng đến hiệu

quả lọc qua màng FO.

 Hiệu quả loại bỏ muối bằng màng NF với các dung dịch lôi cuốn khác nhau

(đã bị hòa loãng qua quá trình lọc FO) sẽ khác nhau do sự khác nhau về đặc tính

hóa lý của chất lôi cuốn.

2.3. Nội dung nghiên cứu

(1) Khảo sát ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn (về nồng độ và loại dung dịch)

đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO.

(2) Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối đến một số thông số vận hành của hệ

thống lọc FO.

(3) Khảo sát ảnh hưởng của chất lôi cuốn đến hiệu quả thu hồi nước sạch qua

màng NF.

(4) Đánh giá hiệu quả thu nước đã được khử muối từ nước biển của hệ FO.

2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm

2.4.1. Vật liệu, hóa chất và thiết bị

2.4.1.1. Vật liệu

Màng lọc FO được sử dụng trong nghiên cứu này được cung cấp bởi

Hydration Technology Innovations (Albany, Oregon, Hoa Kỳ). Màng FO là màng

bán thấm, có bản chất là màng mỏng composit (TFC), được cấu tạo bởi 3 lớp: lớp

polyamide chủ động chọn lọc (lớp hoạt động), lớp polysulfone (PSf) và lớp

polyester mỏng không dệt (PET). Độ dày màng khoảng 95 µm.Đặc tính của màng

FO là tầng hoạt động có mật độ cao để nâng cao khả năng loại bỏ muối, tỷ lệ độ xốp

trong tầng hỗ trợ thấp để giảm thiểu sự phân cực của nồng độ. Vì thế, thông lượng

nước lớn, gia tăng hiệu quả lọc đồng thời giảm tắc nghẽn màng.

2.4.1.2. Hóa chất

Các hóa chất sử dụng bao gồm natri clorua (NaCl), Amoni sắt (II) sunphat

((NH4)2Fe(SO4)2.6H2O), Amoni sắt (III) sunphat (NH4Fe(SO4)2.12H2O), Amoni sắt

(III) citrat ((NH4)5Fe(C6H4O7)2) đều là hóa chất tinh khiết phòng thí nghiệm, do

hãng Merck (Đức) sản xuất. Nước deion được tạo ra từ hệ thống lọc nước siêu sạch

Purelabflex-3 (ELGA, Anh).

2.4.1.3. Thiết bị

 Hệ thống FO gồm hai hệ thống chính, gồm:

+ Hệ thống lọc nước sử dụng màng FO

+ Hệ thống loại bỏ dung dịch lôi cuốn dể thu hồi nước sạch

 Thiết bị đo đa chỉ tiêu LAQUA F-74B (HORIBA, Nhật Bản)

 Cân kỹ thuật 2 số lẻ Practum 612-1S (Satorius, Đức)

2.4.2. Mô hình thực nghiệm

2.4.2.1. Hệ thống 1: Lọc nước biển sử dụng màng FO (giai đoạn 1)

 Nguyên tắc vận hành

Ở bộ phận lọc nước bằng màng FO, nước sạch từ dung dịch nước muối đầu

vào sẽ thẩm thấu qua màng FO sang bên dung dịch lôi cuốn mà không cần bất cứ sự

tác động áp suất nào lên màng, đây làm điểm lợi thế giúp tiết kiệm năng lượng của

quá trình lọc bằng màng FO. Sau quá trình lọc, ta thu được phần dung dịch lôi cuốn

đã hòa loãng ở tại bể chứa dung dịch lôi cuốn và phần dung dịch cặn ở bể chứa

dung dịch đầu vào.

 Mô hình hệ thống

Hệ thống lọc nước bằng màng FO gồm ba phần chính gồm modun lọc gắn

màng FO, bể chứa dung dịch đầu vào và dung dịch lôi cuốn.

Modun gắn màng lọc FO là sản phẩm của công ty Sterlitech (Mỹ) được thiết

kế giúp kiểm soát được một số yếu tố ảnh hưởng đến động lực của quá trình thẩm

thấu. Modun này có thiết kế dạng tấm và khung vuông với mỗi kênh vuông trên mỗi mặt của màng, cho phép tiếp xúc với một diện tích màng là 32 cm2. Vận tốc dòng

vào ở hai bên màng được kiểm soát bằng hai bơm. Mặt hoạt động của màng FO

được tiếp xúc với nước đầu vào (nước biển hoặc mẫu tự chế hoặc nước deion) và

mặt hỗ trợ tiếp xúc với dòng dung dịch lôi cuốn.

Nước đầu vào được bơm tuần hoàn từ bể chứa đến modun gắn màng lọc. Bể

chứa được đặt trên một cân điện tử để xác định sự thay đổi thể tích nước đầu vào.

Dung dịch lôi cuốn cũng được bơm tuần hoàn từ bể chứa dung dịch tới

modun lọc màng FO.

Các mẫu nước đầu vào và dung dịch lôi cuốn được xác định các thông số

TDS, độ dẫn điện bằng thiết bị đo đa chỉ tiêu LAQUA F-74BW.

Tốc độ dòng chảy 1,2L/phút, hệ thống lọc được vận hành ở điều kiện phòng thí nghiệm (20 – 25oC). Thí nghiệm được hiện trong vòng 1 giờ. Định kỳ 15

phút/lần đo các thông số pH, TDS, độ dẫn, nhiệt độ và xác định sự thay đổi khối

lượng nước của dung dịch đầu vào.

Bảng 4.Điều kiện thí nghiệm của hệ thống FO.

Loại màng

Diện tích màng FO – TFC 4 cm x 8 cm (32 cm2)

pH cho phép 2 – 11

Tầng hoạt động của màng Nước đầu vào

Tầng hỗ trợ của màng Dung dịch lôi cuốn

0 Áp suất thủy lực (áp suất tác động bên ngoài)

Tốc độ dòng

Điều kiện thí nghiệm 1,2 L/phút 20 – 25oC

Hình 11.Hệ thống lọc FO quy mô phòng thí nghiệm.

Màng FO

Hình 12.Modun gắn màng lọc FO.

2.4.2.2. Hệ thống 2: Loại bỏ dung dịch lôi cuốn để thu hồi nước sạch (giai đoạn 2)

 Nguyên tắc vận hành

Dung dịch lôi cuốn đã bị hòa loãng là dung dịch đầu vào của quá trình tiếp

theo là lọc qua màng NF. Qua quá trình lọc qua màng NF, nước sạch thẩm thấu qua

màng NF được dẫn ra và thu lại ở bể chứa nước thành phẩm, phần cặn dung dịch lôi

cuốn được thu hồi tại bể chứa dung dịch lôi cuốn.

 Mô hình hệ thống

Trong nghiên cứu sử dụng màng NF-90 (DOW) có bản chất là màng TFC

polyamit, thiết kế dạng bản mỏngcó thể vận hành trong khoảng pH từ 2 đến 11 với

tốc độ thấm nước qua là 108,3 L/h, khả năng loại bỏ muối là trên 97%.

Dung dịch lôi cuốn bị hòa loãng được bơm vào modun màng lọc NF với tốc

độ 1,2L/phút. Nước sạch được thu lại ở đầu bên kia của modun. Nước cặn thu lại

vào bể chứa dung dịch lôi cuốn.

Bảng 5.Điều kiện thí nghiệm của hệ thống NF

Loại màng NF – 90 (DOW)

pH cho phép 2 – 11

Tốc độ dòng 1,2 L/phút

Áp suất thủy lực

Điều kiện thí nghiệm 5 bar 20 – 25oC

Hình 13.Hệ thống loại bỏ dung dịch lôi cuốn để thu hồi nước sạch.

2.4.3. Tiến hành thí nghiệm

2.4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn (về nồng độ và loại dung dịch)

đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc màng FO

Trong đề tài này, các dung dịch lôi cuốn được nghiên cứu là các phức sắt

amoni với các ảnh hưởng của nó đến quá trình thẩm thấu chuyển tiếp thông qua các

thông số thông lượng nước, dòng thấm ngược, sự loại bỏ chất tan và kết quả của

quá trình thẩm thấu chuyển tiếp sau 1h thí nghiệm. Sự tìm ra các chất lôi cuốn phù

hợp đóng vai trò quan trọng để phát triển những ưu thế xa hơn nữa của quá trình

thẩm thấu ngược và thậm chí là sự thương mại hóa màng FO (Ren và cs, 2014;

Shaffer và cs, 2015).

Dòng dịch chuyển của nước đối với quá trình thẩm thấu chuyển tiếp phụ

thuộc vào áp suất thẩm thấu, trong khi đó áp suất thẩm thấu π = icRT, nghĩa là áp

suất thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ chất tan. Vì vậy sự thay đổi nồng độ dung

dịch sẽ ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu qua màng FO.

Trong khuôn khổ đề tài, các thí nghiệm được thực hiện với các dung dịch lôi

cuốn là ba phức sắt amoni khác nhau (amoni sắt (II) sunphat, amoni sắt (III)

sunphat và amoni sắt (III) citrat) và sử dụng amoni bicacbonat như là chất lôi cuốn

đối chứng.

Bố trí thí nghiệm

 Thí nghiệm được tiến hành trên Hệ thống 1.

 Nước đầu vào: Nước deion

 Dung dịch lôi cuốn:

+ Dãy 1: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20Amoni sắt (II) sunphat;

+ Dãy 2: 0,05;0,10; 0,50M; 1M Amoni sắt (III) sunphat;

+ Dãy 3: 0,05; 0,10; 0,20; 0,40M Amoni sắt (III) citrat;

Các dung dịch đều được pha trong nước de-ionized ở nhiệt độ phòng.

Với các điều kiện: tốc độ dòng chảy 1,2L/phút, hệ thống lọc được vận hành ở điều kiện phòng thí nghiệm(20 – 25oC). Mỗi nghiệm thức bố trí lặp lại 3 lần. Thí

nghiệm được hiện trong vòng 1 giờ. Định kỳ 15 phút/lần đo các thông số pH, TDS,

độ dẫn, nhiệt độ và xác định sự thay đổi khối lượng nước của dung dịch đầu vào.

2.4.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đầu vào đến hiệu quả lọc qua

màng FO

 Thí nghiệm được tiến hành trên Hệ thống 1.

 Nước đầu vào:Mẫu nước tự chế có hàm lượng NaCl lần lượt 10, 20, 30%

 Dung dịch lôi cuốn:Amoni sắt (II) sunphat 0,15M.

Tất cả các dung dịch được pha trong nước de-ion.

Với các điều kiện: tốc độ dòng chảy 1,2L/phút, hệ thống lọc được vận hành ở điều kiện phòng thí nghiệm (20 – 25oC). Mỗi nghiệm thức bố trí lặp lại 3 lần. Thí

nghiệm được hiện trong vòng 1 giờ. Định kỳ 15 phút/lần đo các thông số pH, TDS,

độ dẫn, nhiệt độ và xác định sự thay đổi khối lượng nước của dung dịch đầu vào.

2.4.3.3. Ảnh hưởng của chất lôi cuốn khác nhau đến hiệu quả thu hồi nước sạch

qua màng NF

 Thí nghiệm được tiến hành trên hệ thống 2.

 Dung dịch đầu vào:

+ Amoni sắt (II) sunphat 0,5M

+ Amoni sắt (III) sunphat 0,5M

+ Amoni sắt (III) citrat 0,5M.

Các dung dịch được đưa qua hệ thống lọc màng NF trong 1h thí nghiệm. Mỗi

công thức thí nghiệm được tiến hành 3 lần lặp lại và tính toán giá trị trung bình.

Dung dịch đầu vào trước khi thực hiện thí nghiệm và dung dịch tại bể chứa

nước thành phẩm sau thời gian 1h thí nghiệm được tiến hành đo TDS để tính hiệu

suất loại bỏ.

2.4.3.4. Đánh giá hiệu quả lọc nước biển thực bằng hệ thống FO

 Thí nghiệm được tiến hành trên hệ thống 1 và 2.

 Nước đầu vào: Mẫu nước biển lấy tại vùng biển Hà Tĩnh. Sau khi lấy về và trước khi thực nghiệm, mẫu nước được xác định hàm lượng Cl- là 14,5 g/L,

như vậy nồng độ muối lớn hơn 14,5 %0

 Dung dịch lôi cuốn:Amoni sắt (II) sunphat 0,15M.

2.4.4. Các thông số tính toán

2.4.4.1.Thông lượng nước (Jw)

Thông lượng nước qua màng FO được xác định theo các nghiên cứu của Hau

và cs (2015) và Enling và cs (2015), là tỷ lệ thay đổi thể tích của dung dịch đầu vào

trong một khoảng thời gian và diện tích màng nhất định:

∆𝑉 𝐴𝑚 ∆𝑡

Jw =

Trong đó: Jw (L/(m2.h) hay LMH) là thông lượng nước qua màng;

∆𝑉 (L) là thể tích nước thấm qua màng lọc FO từ dung dịch đầu vào sang

dung dịch lôi cuốn trong một khoảng thời gian nhất định;

∆t (h) là khoảng thời gian thực hiện lưu chuyển ∆𝑉(L) nước; Am (m2) là diện tích của màng lọc sử dụng trong thí nghiệm.

2.4.4.2. Thông lượng chất tan thấm ngược (Js)

Màng FO là màng bán thấm, tức là hệ số thấm nướcσ = 1 nếu là màng lý

tưởng. Tuy nhiên vẫn có sự thấm ngược của dung dịch lôi cuốn qua màng.Độ dẫn

điện của dung dịch đầu vào được xác định ở thời điểm nhất định, liên quan tới nồng

độ của dung dịch lôi cuốn và được xem như thông lượng muối thẩm thấu ngược dựa

trên phương trình đường chuẩn của độ dẫn điện và nồng độ chuẩn. Thông lượng chất tan thấm ngược (g/(m2h) hay GMH) được xác định theo công thức:

Js = 𝐶𝑡 .𝑉𝑡 −𝐶𝑜 .𝑉0

𝐴𝑚 .∆𝑡

Trong đó: Co và Ct (mol/L) là nồng độ ban đầu và nồng độ của dung dịch đầu

vào lần lượt được xác định ở thời điểm ban đầu vàsau khoảng thời gian ∆t(h) thực

hiện thí nghiệm. Tương ứng, Vo và Vt (L) là thể tích ban đầu và thể tích của dung

dịch đầu vào lần lượt được xác định, tương ứng với nồng độ Co và Ct.Amlà diện tích màng (m2).

Dung dịch đường chuẩn biểu diễn mối quan hệ giữa độ dẫn điện và nồng độ

được chuẩn bị hàng ngày theo điều kiện thực hiện thí nghiệm.

2.4.4.3. Tỉ số dòng thấm ngược chất tan

Tỉ số dòng thấm ngược chất tanlà lượng chất lôi cuốn thấm ngược mất đi trên

1 đơn vị thể tích nước lọc được qua màng FO, được tính theo công thức:

𝐽𝑠 𝐽𝑤

SRFS = (g/L)

2.4.4.4. Hiệu quả loại bỏ

Hiệu quả lọc được tính theo công thức:

H = 1 −

𝑥 100%

𝑇𝐷𝑆đầ𝑢 𝑟𝑎 𝑇𝐷𝑆đầ𝑢 𝑣à𝑜

CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

A2S

A3S

A3C

3.1. Đặc tính và đặc điểm của các phức chất sắt

)

m c /

S m

( n ẫ d ộ Đ

0.2

0.4

0.6

0.8

Nồng độ dung dịch lôi cuốn (M)

Hình 14.Độ dẫn điện của các phức sắt khác nhau ở các nồng độ khác nhau được sử

dụng như các chất lôi cuốn trong thí nghiệm FO.

Hình 14 biểu thị độ dẫn điện của các phức sắt ở các nồng độ khác nhau, cái

này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các phức chất của sắt có thể sử

dụng như chất lôi cuốn không.Nồng độ ảnh hưởng không đáng kể lên giá trị pH của

các phức sắt khác nhau.pH của phức sắt A3S ở các nồng độ khác nhau dao động

trong khoảng từ 1,96-2,53, tiếp đến là pH của A2S dao động từ 3,79-3,88 và cao

nhất là pH của A3C dao động từ 7,26-7,56. Theo đề xuất của nhà sản xuất, giá trị

pH phù hợp cho hoạt động của màng lọc thẩm thấu FO dao động trong khoảng 4,0-

8,0. Do đó, màng lọc FO sẽ không trải qua quá trình thủy phân và biến đổi cấu trúc

khi nó được sử dụng để kiểm tra trong các dung dịch lôi cuốn là các phức chất của

sắt, đảm bảo sự ổn định của hệ thống FO. Theo Hình 14, độ dẫn điện gia tăng cùng

với sự gia tăng của nồng độ của tất cả các phức sắt khác nhau. Trái ngược với

nghiên cứu của Yuntao Zhao và cs (2016), độ dẫn điện của 4 phức chất EDTA

không trực tiếp tỷ lệ với sự gia tăng nồng độ, và xuất hiện ở mức độ tương đồng hoặc giảm nhẹ sau khi tăng lần đầu tiên[44]. Hơn thế nữa, sự khác biệt về độ dẫn

giữa các phức sắt nghiên cứu được ghi nhận theo thứ tự A2S > A3C > A3S. Theo

Ge và cs. (2012), độ dẫn điện cao có thể là nguyên nhân tạo ra áp suất thẩm thấu

cao hơn. Độ dẫn điện trong các phức sắt chủ yếu được tao ra từ hai nguồn: sự phân

ly của ion sắt và phối tử, cái ảnh hưởng bởi đặc tính của ion sắt và các điều kiện

ngoại cảnh. Vì thế, độ dẫn điện của các muối sắt đo được là kết quả của các tác

động liên kết.

3.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của dung dịch lôi cuốn (về nồng độ và loại

dung dịch) đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO

Trong thời gian gần đây, có rất nhiều nghiên cứu phát triển các dung dịch lôi

cuốn đối với quá trình lọc qua màng FO. Dung dịch lôi cuốn có thể được phân loại

bao gồm: chất bay hơi, chất hữu cơ, chất vô cơ và các hợp chất mới được tổng hợp

bao gồm MNPs và hydrogen polyme. Một số dung dịch lôi cuốn cho thấy thông

lượng nước khả quan ví dụ như: chất hữu cơ gốc 2-methylimidazole (Yen và cs,

2010), dung môi có khả năng thay đổi độ phân cực (Stone và cs, 2013), phức axit

của sắt và Coban (Ge và cs, 2014) và poly (Natri 4-styrensunfonat) (Tian và cs,

2015). Tuy nhiên, dòng muối thấm ngược cao và tương đối tốn kém năng lượng

khiến chúng không khả thi đối với ứng dụng loại muối của màng FO. Vì vậy, việc

tìm ra những chất lôi cuốn mới có các đặc điểm là thông lượng nước cao, dòng

muối thấm ngược thấp và dễ dàng thu hồi là rất cần thiết đối với quá trình thẩm thấu

chuyển tiếp.

Trong nghiên cứu này, ba phưc sắt amoni được lựa chọn để nghiên cứu với

vai trò là chất lôi cuốn với các dãy nồng độ khác nhau, cụ thể

Dãy 1: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20Amoni sắt (II) sunphat;

Dãy 2: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,40; 0,50M; 1M Amoni sắt (III) sunphat;

Dãy 3: 0,05; 0,10; 0,20; 0,40M Amoni sắt (III) sunphat.

4.2

0,05

0,1

0,2

0,4

0,05

0,1

0,15

0,2

7.8

7.6

3.8

7.4

3.6

3.2.1. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến pH

H p

7.2 H p 6.8

3.4

6.6

3.2

6.4

6.2

Thời gian (phút)

30 Thời gian (phút)

0,05

0,1

0,5

2.5

1.5

H p

0.5

0 c

45 Thời gian (phút)

Hình 15.Ảnh hưởng của các dung dịch lôi cuốn khác nhau đến pH: (a) dung dịch

Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat.

Hình 15 cho thấy sự ảnh hưởng của các dung dịch lôi cuốn khác nhau với các

nồng độ khác nhau tới sự thay đổi giá trị pH của dung dịch lôi cuốn trong 1h thí

nghiệm.

Giá trị pH ở các thời điểm xác định khác nhau của cùng một nồng độ và giữa

các nồng độ khác nhau của dung dịch Amoni sắt (II) sunphat không có sự dao động

quá lớn trong suốt thời gian thí nghiệm. Giá trị pH dao động từ 3,77 đến 4,03. Điều

này chứng tỏ dung dịch khá ổn định trong điều kiện vận hành của hệ thống FO.

Về giá trị pH của dung dịch Amoni sắt (III) citrat ở các nồng độ 0,1, 0,2 và

0,4M,pH gia tăng rõ rệt ở 15 phút đầu, sau đó tăng nhẹ cùng với sự gia tăng thời

gian thí nghiệm cho đến cuối thí nghiệm. Ngược lại, tại nồng độ 0,05M, giá trị pH

giảm trong 30 phút đầu tiên từ 7,83 xuống 7,63 và ổn định trong 30 phút tiếp theo

thí nghiệm (pH 7,6).

Đối với dung dịch Amoni sắt (III) sunphat, pH của các nồng độ khác nhau

của amoni sắt (III) sunphat tăng nhẹ ở 15 phút đầu tiên sau đó ổn định cho đến cuối

thí nghiệm. Theo sự tăng của nồng độ dung dịch lôi cuốn thì pH giảm dần, tuy

nhiên không có sự khác biệt lớn và dao động trong khoảng pH 2,0 đến 2,7.

3.2.2. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến TDS

Sự thay đổi của giá trị TDS đối với các dung dịch lôi cuốn khác nhau và tại

các nồng độ khác nhau được trình bày trong hình 16.

Đối với dung dịch amoni sắt (II) sunphat, ở cùng một nồng độ nghiên cứu,

giá trị TDS giảm dần theo thời gian thí nghiệm. Tuy nhiên, TDS tăng dần với sự gia

tăng nồng độ thí nghiệm của dung dịch lôi cuốn trong hệ thống FO. Giá trị TDS tối

đa của dung dịch lôi cuốn được ghi nhận ở tất cả các nồng độ thí nghiệm tại thời

điểm ban đầu của quá trình FO, sau đó giảm dần theo thời gian thí nghiệm. Điều

này cho thấy rằng nước từ dung dịch đầu vào dịch chuyển sang dung dịch lôi cuốn

và gia tăng theo thời gian lọc, đây là nguyên nhân làm giảm giá trị TDS của dung

dịch lôi cuốn.

Giá trị TDS giảm đột ngột ở 15 phút đầu tiên ở tất cả các nồng độ thí

nghiệm của dung dịch amoni sắt (III) citrat, đặc biệt ở nồng độ thí nghiệm 0,4M

amoni sắt (III) citrat, sau đó giảm nhẹ cùng với sự gia tăng thời gian thí nghiệm.

Điều này cho thấy rằng nước từ nước đầu vào đã chuyển dịch sang dung dịch lôi

cuốn và làm giảm giá trị TDS; và quá trình dịch chuyển nước qua màng diễn ra

mạnh nhất tại 15 phút đầu tiên của quá trình thí nghiệm, khi nồng độ chất lôi cuốn

là lớn nhất. Thêm vào đó, TDS của dung dịch lôi cuốn gia tăng cùng với sự gia tăng

nồng độ của amoni sắt (III) citrat.

0,05

0,1

0,2

0,4

0,05

0,1

0,15

0,2

.

) 1 - L g ( S D T

Thời gian (phút)

30 Thời gian (phút)

0,05

0,1

0,5

)

L / g ( S D T

45 30 15 Thời gian (phút)

Hình 16.Ảnh hưởng của các dung dịch lôi cuốn khác nhau đến TDS: (a) dung dịch

Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat.

Đối với dung dịch lôi cuốn là amoni sắt (III) sunphat, sự thay đổi TDS diễn

biến tương tự như đối với hai muối sắt trên. TDS của dung dịch lôi cuốn giảm rõ rệt

ở 15 phút đầu, sau đó giảm dần cho đến cuối thí nghiệm. Điều này chứng tỏ, cũng

xảy ra quá trình dịch chuyển nước từ phía nước đầu vào sang dung dịch lôi cuốn,

làm giảm giá trị TDS của dung dịch lôi cuốn. Ngoài ra, TDS gia tăng rõ rệt cùng

với sự gia tăng nồng độ amoni sắt (III) sunphat.

3.2.3. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến thông lượng nước (Jw), thông

lượng chất tan thấm ngược (Js) và tỉ số dòngchất tan thấm ngược

Trong các nghiên cứu trước đây, các muối vô cơ đã được sử dụng là chất lôi

cuốn trong hệ thống lọc FO vì chi phí thấp và áp suất thẩm thấu cao, giúp tạo ra

dòng thẩm thấu nước lớn (Achili và cs, 2010; Alnaizy và cs, 2013). Theo Kiriukhin

và Collins (2002), điện thế thấp và bán kính hydrat hóa nhỏ của các ion hóa trị một

và hai trong dung dịch lôi cuốn có thể là nguyên nhân dẫn đến dòng muối thấm

ngược cao, ví dụ như dung dịch NaCl 0,6M (7,2 GMH), NH4HCO3 0,6M (18,2

12.00

GMH) khi nước deion được sử dụng là dung dịch đầu vào.

)

10.00

H M L

8.00

A2S

6.00

( c ớ ƣ n g n ợ ƣ

A3S

l

4.00

A3C

g n ô h T

2.00

0.00

0.5

1.5

Nồng độ dung dịch lôi cuốn (M)

Hình 17.Sự thay đổi của thông lượng nước thấm qua màng (Jw) với các nồng độ

muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau.

3.0

2.5

2.0

)

1.5

H M G

(

A2S

c ợ ƣ g n m ấ h t n a t t ấ h c

1.0

g n ợ ƣ

A3S

l

0.5

A3C

g n ô h T

0.0

0.5

1.5

Nồng độ dung dịch lôi cuốn (M)

Hình 18.Sự thay đổi của thông lượng chất tan thấm ngược (Js) thấm qua màng với

các nồng độ muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau (khi dung dịch đầu vào là

nước deion)

Hình 17 và 18 biểu thị thông lượng nước và thông lượng muối của các phức

chất sắt ở các nồng độ tối ưu được sử dụng như là chất lôi cuốn trong hệ thống lọc

FO.

Theo chiều tăng của nồng độ dung dịch amoni sắt (II) sunphat từ 0,05M đến

0,15M, giá trị thông lượng nước tăng dần từ 7,48 đến 8,68 LMH và giảm nhẹ xuống

8,32 LMH tại nồng độ 0,2M sau 1h thí nghiệm.

Đối với dung dịch amoni sắt (III) sunphat và amoni sắt (III) citrat, thông

lượng nước tăng theo chiều tăng của nồng độ dung dịch lôi cuốn, lần lượt là 1,39 –

11,24 LMH (tương ứng 0,05M – 1M) và 3,18 – 8,88 LMH (tương ứng 0,05M –

0,4M).

Sự thay đổi giá trị thông lượng chất tan thấm ngược tỉ lệ thuận với sự tăng

nồng độ dung dịch lôi cuốn. Ở cả ba dung dịch amoni sắt (II) sunphat, amoni sắt

(III) sunphat và amoni sắt (III) citrat, giá trị thông lượng chất tan thấm ngược lần

lượt là 0,007 - 0,020 GMH; 0,29 – 2,63 GMH; 0,52 – 1,44 GMH.

0.25

)

0.20

0.15

A2S

0.10

A3S

L / g ( n a t t ấ h c c ợ ƣ g n m ấ h t

0.05

A3C

g n ò d ố s ỉ

T

0.00

0.5

1.5

Nồng độ dung dịch lôi cuốn (M)

Hình 19.Sự thay đổi của tỉ số dòng thấm ngược chất tan (SRSF) thấm qua màng với

các nồng độ muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau (khi dung dịch đầu vào là

nước deion).

Giá trị tỉ số dòng thấm ngược chất tan cùng diễn biến với dòng thấm sự thay

đổi của giá trị thông lượng chất tan thấm ngược. Lần lượt đối với ba dung dịch

amoni sắt (II) sunphat, amoni sắt (III) sunphat và amoni sắt (III) citrat, giá trị thông

lượng chất tan thấm ngược là 0,001 - 0,0024 g/L; 0,21 – 0,23 g/L; 0,07 – 0,16 g/L.

Qua so sánh các kết quả thu được, ta chọn được các nồng độ tối ưu cho từng

dung dịch như sau:

 Đối với dung dịch Amoni sắt (II) sunphat, nồng độ tối ưu là 0,15M vì tại

nồng độ này giá trị thông lượng nước đạt cao nhất và giá trị tỉ số dòng

thấm ngược chất tan nhỏ thứ hai sau giá trị thông số đó tại nồng độ

0,05M.

 Đối với dung dịch Amoni sắt (III) sunphat, nồng độ tối ưu là 1M vì tại

nồng độ này, giá trị thông lượng nước được ghi nhận là lớn nhất và tỉ số

dòng thấm ngược chất tan bằng giá trị đó tại nồng độ 0,5M.

 Đối với dung dịch Amoni sắt (III) citrat, nồng độ tối ưu là 0,4M vì tại

nồng độ này, giá trị thông lượng nướclà lớn nhất và gấp 2,14 lần so với

thông lượng nước tại 0,2M, tuy nhiên tỉ số thấm ngược chất tan tại 0,4M

cũng lớn nhất nhưng chỉ gấp 1,17 lần so với giá trị đó tại 0,2M.

3.2.4. So sánh một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO với các dung dịch

khác nhau.

Bảng 6.Giá trị thông lượng nước và thông lượng chất tan thấm ngược thu được của

các dung dịch lôi cuốn khác nhau với cùng một nồng độ.

A2S 0,05M A3S 0,05M A3C 0,05M

7,48 1,39 3,18 Thông lượng nước (LMH)

0,007 0,29 0,52

Thông lượng chất tan thấm ngược (GMH)

Ở cùng nồng độ 0,05M, giá trị thông lượng nước và thông lượng chất tan

thấm ngược của các phức sắt có sự khác nhau rõ rệt. Theo chiều giảm dần giá trị

thông lượng nước, thứ tự sắp xếp: A2S > A3C > A3S, còn theo chiều tăng dần giá

trị thông lượng chất tan thấm ngược, thứ tự sắp xếp: A2S < A3S < A3C. Theo

Kiriukhin và Collins (2002), bán kính hydrat nhỏ có thể là nguyên nhân dẫn đến

dòng thấm ngược cao. Như vậy ta có thể sắp xếp bán kính hydrat hóa của các chất

theo thứ tự: A2S > A3C > A3S

Từ kết quả phần trên, ta đã chọn được nồng độ tối ưu cho 3 phức sắt là:

Amoni sắt (II) sunphat 0,15M, Amoni sắt (III) sunphat 1M và Amoni sắt (III) citrat

0,4M.

0.25

)

à v

)

H M G

0.2

H M L

( c ợ ƣ g n

0.15

0.1

( c ớ ƣ n g n ợ ƣ

i ố u m g n ợ ƣ

L / g ( c ợ ƣ g n m ấ h t n a t t ấ h c

l

0.05

l g n ô h T

g n ô h T

g n ò d ố s ỉ

T

A3S

A3C

A2S Thông lượng chất tan thấm ngược (Js) Thông lượng nước (Jw) Tỉ số dòng chất tan thấm ngược (g/L)

Hình 20.Biểu đồ thể hiện một số thông số vận hành của màng FO với các nồng độ

tối ưu của các dung dịch lôi cuốn khác nhau.

Kết quả chỉ ra rằng, thông lượng nước của dung dịch A3S (11,24 LMH) cao

hơn rõ rệt so với dung dịch A2S (8,68 LMH), A3C (8,88 LMH) và nhóm dung dịch

đối chứng (NH4HCO3) (8,62 LMH) (kế thừa kết quả [23]). Điều này liên quan trực

tiếp với thực tế thông lượng nước cao tạo ra áp suất thẩm thấu nước qua màng cao

hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy thể tích của dung dịch A3S thu được 36,0 mL cao

hơn các dung dịch A2S (27,8 mL), A3C (28,4 mL) và dung dịch đối chứng - AB (27,6 mL)[23]. Tuy nhiên, thông lượng muối thẩm thấu ngược qua màng cao nhất ở

dung dịch A3S là 2,63 GMH, sau đó là dung dịch A3C (1,45 GMH) và dung dịch đối chứng (1,31 GMH)[29], thấp nhất ở dung dịch A2S (0,007 GMH). Cả thông

lượng nước và thể tích nước của hai dung dịch A2S và A3C cao hơn so với dung

dịch đuối chứng. Mặt khác, thông lượng muối của dung dịch A2S thấp hơn các

dung dịch A3C và AB một cách rõ ràng. Điều này cho thấy rằng, amoni sắt II

sunphat (A2S) có thể là một chất lôi cuốn tiềm năng trong hệ thống lọc FO.

3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch đầu vào đến hiệu quả lọc qua màng FO

Hình 21 và 22 mô tả giá trị của thông lượng nước vàthông lượng chất tan

thấm ngược của quá trình thẩm thấu qua màng FO khi nồng độ muối trong dung

dịch đầu vào thay đổi từ 10%o, 20%o và 30%o NaCl và dung dịch nước biển thật

Nước biển thật

30%o NaCl

20%o NaCl

10%o NaCl

có độ muối 14,5%o khi sử dụng dung dịch lôi cuốn là amoni sắt (II) sunphat 0,15M.

Thông lƣợng nƣớc (LMH)

10%o NaCl

20%o NaCl

30%o NaCl

Nước biển thật

Thông lượng nước (LMH)

8.68

6.86

5.81

3.72

5.53

Hình 21.Giá trị thông lượng nước qua màng với mẫu nước đầu vào khác nhau.

Từ hình 21 ta thấy, khi nồng độ dung dịch đầu vào tăng thì thông lượng nước

qua màng FO lại giảm dần. Theo ghi nhận, giá trị Jw lớn nhất là 8,68 LMH khi

dung dịch đầu vào là nước deion và giá trị đó giảm dần xuống 6,86, 5,81 và 3,72 tại

nồng độ dung dịch NaCl 10%o, 20%o và 30%o. Có thể lý giải hiện tượng này là do

khi nồng độ muối tăng trong dung dịch lôi cuốn, các lỗ trống trên màng sẽ mau

chóng bị lấp đầy hơn và hiện tượng tắc màng nhanh chóng xảy ra hơn,ảnh hưởng

đến tốc độ nước thấm qua màng.Trong khi đó, giá trị thông lượng nước thu được

đối với mẫu nước biển thật là 5,53 LMH với độ mặn trên 14,5%o, giá trị này thấp

hơn giá trị Jw thu được với mẫu nước tự chế 10%o. Điều này cho thấy, các ion

trong nước biển đa dạng hơn sẽ làm giảm hiệu quả lọc nước của hệ thống FO.

Nước biển thật

30%o NaCl

20%o NaCl

10%o NaCl

0.006

0.007

0.008

0.009

Thông lƣợng chất tan thấm ngƣợc (GMH)

10%o NaCl 20%o NaCl 30%o NaCl

Nước biển thật

0.0074

0.00845

0.00828

0.00812

0.0083

Thông lượng chất tan thấm ngược (GMH)

Hình 22.Giá trị thông lượng chất tan thấm ngược với mẫu nước đầu vào khác

nhau

Từ hình 22 ta thấy, giá trị dòng thẩm thấu ngược nhỏ nhất khi dung dịch đầu

vào là nước deion. Ngược lại với xu thế diễn ra với giá trị dòng thẩm thấu nước qua

màng FO, giá trị dòng muối ngược Js giảm dần khi nồng độ muối tăng dần, lớn nhất

là 0,00845 GMH với NaCl 10%o và giảm dần xuống 0,0828 GMH với NaCl 20%o

và 0,00812 GMH với NaCl 30%o. Xu thế này có thể lý giải là do sự có mặt của các

phân tử NaCl trong dung dịch đầu vào có thể gây nên sự cản trở trên bề mặt màng,

dẫn đến dòng muối ngược thấm ngược lại màng FO nhỏ hơn, nghĩa là giá trị Js nhỏ

đi. Giá trị Js thu được đối với mẫu nước biển thật là 0,083 GMH, thấp hơn giá trị Jw

của dung dịch NaCl 10%o, nhưng cao hơn giá trị Jw của dung dịch NaCl 20%o.

Điều này khá đúng với xu thế dòng muối ngược tăng khi nồng độ NaCl giảm. Như

vậy sự có mặt của các ion khác nhau trong nước biển thật gây nên sự cản trở trên bề

mặt màng FO.

3.4. Ảnh hƣởng của chất lôi cuốn khác nhau đến hiệu quả thu hồi nƣớc sạch

qua màng NF

Bảng 7.Hiệu quả thu hồi dung dịch lôi cuốn sử dụng màng NF-90

Dung dịch lôi cuốn TDS đầu vào (mg/L) TDS đầu ra (mg/L) Hiệu quả loại bỏ (%)

A2S 12700 1148 90,96

A3S 44600 1998 95,52

A3C 31300 2147 93,14

Dung dịch lôi cuốn bị pha loãng sau giai đoạn lọc thông qua hệ thống FO,

điều đó cho thấy việc thu hồi dung dịch lôi cuốn là cần thiết và được xem như là

một trong những thách thức trong việc vận hành hệ thống lọc FO (Zhao và cs,

2014). Khối lượng và kích thước lớn của các phức sắt liên quan đến kích thước lỗ

màng lọc, nên đây là vấn đề được xem xét trong việc tách chất lôi cuốn khỏi nước

thay thế cho màng RO. Việc thu hồi dung dịch lôi cuốn (các phức sắt) được nghiên

cứu thông qua hệ thống màng lọc NF-90.

Bảng 7 cho thấy sự biến đổi về TDS và hiệu quả chuyển dịch bao gồm việc

sử dụng các dung dịch lôi cuốn khác nhau như A2S, A3S và A3C kết hợp so sánh

với dung dịch AB. Hơn 90% chất lôi cuốn không thấm qua màng lọc NF-90, cụ thể

hiệu quả loại bỏ lên tới 90,96% amoni sắt II sunphat (A2S) và 93,14% amoni sắt III

citrat (A3C), đặc biệt 95,52% amoni sắt II sunphat(A3S) được loại bỏ thông qua

màng lọc NF-90. Theo Hau và cs (2015), độ thu hồi của 0,05M EDTA-2Na kết hợp

với 15 mM NP7 xấp xỉ 95%, cái này cao hơn so với dung dịch A2S và A3S nhưng

lại thấp hơn chất lôi cuốn A3C một ít. Những kết quả này giải thích rằng, một loạt

các chất lôi cuốn phức sắt có thể thu hồi một cách dễ dàng bằng màng lọc NF-90.

Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất nước ngọt bằng hệ thống

màng lọc FO sử dụng chất các phức sắt thay thế cho chất lôi cuốn Amoni

bicacbonat (AB).

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

Kết luận

1) Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của ba dung dịch lôi cuốn là amoni sắt II

sunphat, amoni sắt III sunphat và amoni sắt III citrat đối với quá trình FO, ta

thấy rằng:

 Thông lượng nước thu được khi sử dụng ba muối amoni sắt với vai trò là

dung dịch lôi cuốn là 8,68 – 11,24 LMH, cao hơn so với thông lượng

nước thu được khi sử dụng muối amoni bicacbonat là dung dịch lôi cuốn.

 Trong ba muối sắt được nghiên cứu, amoni sắt II sunphat là chất lôi cuốn

có hiệu quả nhất đối với hệ thống FO.

2) Về ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ nước đầu vào đối với hiệu quả lọc

qua hệ thống FO, ta thấy rằng:

 Thông lượng nước giảm 58,1% khi nồng độ muối tăng từ 0 đến 30%o

 Thông lượng chất tan thấm ngượctăng 4% khi nồng độ muối tăng từ 10

đến 30%o

 Đối với mẫu nước biển thật, giá trị thông lượng nước thu được là 5,53

LMH và dòng muối ngược là 0,0083 GMH.

3) Về hiệu quả loại bỏ chất lôi cuốn bằng màng NF: hiệu suất loại bỏ của cả 3

chất lôi cuốn đều trên 90%.

Đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo

 Thử nghiệm hiệu quả lọc nước của hệ FO-NF quy mô phòng thí nghiệm với

mẫu nước biển thật. Đánh giá chất lượng nước ngọt (nước sạch) thu được

theo QCVN 01:2009/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước

ăn uống) và QCVN 02:2009/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất

lượng nước sinh hoạt).

 Nghiên cứu chế tạo hệ thống FO-NF qui mô nhỏ (vài chục lít nước

sạch/ngày) để cung cấp cho các vùng biển đảo khó tiếp cận với hệ thông cấp

nước sạch và đáp ứng nhu cầu thiếu nước cho những người đi trên biển dài

ngày có thể sử dụng nguồn nước biển sẵn có tại chỗ.

 Nghiên cứu thu hồi Li trong dịch cặn thải từ hệ FO nhằm tiết kiệm tài

nguyên và nâng cao giá trị kinh tế vì Li là một kim loại quý có tính ứng dụng

cao trong đời sống đặc biệt trong ngành công nghệ cao, công nghiệp điện tử

(xem phần Phụ lục 1).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Vũ Thế Hải, Đặng Thị Hà Giang (2016),“Thực trạng hạn hán, xâm nhập mặn vùng ven biển đồng bằng sông Hồng và kiến nghị giải pháp khắc phục”, Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường.

2. Đào Minh Hương (2011),Báo cáo tổng hợp đề tài cấp Bộ: Một số vấn đề môi trường cơ bản trong phát triển con người Việt Nam 2011-2020, Hà Nội.

3. Tổng cục Thủy lợi (2016), “Tình hình xâm nhập mặn năm 2015-2016 vùng Đồng bằng sông Cửu Long, hạn hán ở Miền Trung, Tây Nguyên và đề xuất các giải pháp khắc phục”.

4. Viện khoa học thủy lợi Việt Nam (2016),“Dự báo xâm nhập mặn tại các cửa sông, vùng ven biển, đồng bằng sông Cửu Long và đề xuất các giải pháp chống hạn”.

Tiếng Anh

5. Achilli, A., Cath, T.Y., Childress, A.E. (2010),“Selection of inorganic-based draw solutions for forward osmosis applications”, Journal of Membrane Sciences, 364, pp. 233–241.

6. Achilli, A., Cath, T.Y., Marchand, E.A., Childress, A.E. (2009),“The forward osmosis membrane bioreactor: a low fouling alternative to MBR processes”,Desalination, 239, pp 10–21.

7. Alberto Tiraferri, William A Phillip, Jessica D Schiffman, Menachem Elimelech (2010), “High Performance Thim-Film Composite Forward Osmosis Membrane”, Environmental Science and Technology.

8. Alnaizy, R., Aidan, A., Qasim, M. (2013),“Copper sulfate as draw solute in forward osmosis desalination”,Journal of Environmental and Chemical Engineering, 1, pp. 424–430.

9. Ayuko Kitajou, Takuya Suzuki, Syouhei Nishihama and Kazuharu Yoshizuka (2004), “Selective recovery of lithium from seawater using a novel MnO2 type adsorbent II – enhancement of lithium ion selectivity of the adsorbent”, Ars Separatoria Acta, 2, pp. 97-106.

10. Chekli, L., Phuntsho, S., Shon, H. K., Vigneswaran, S., Kandasamy, J., and Chanan, A. (2012), "A review of draw solutes in forward osmosis process and their use in modern applications",Desalination and Water Treatment, 43(1-3), pp. 167-184.

11. Dhruv Mehta, Lovleen Gupta, Rijul Dhingra (2014), “Forward Osmosis in India: Status and Comparison withOther Desalination Technologies”, International Scholarly Research Notices, 2014.

12. Dieling Zhao, Peng Wang, Qipeng Zhao, Ningping Chen, Xianmao Lu (2014), “Thermo responsive copolymer-based draw solution for seawater desalination in a combined process of forward osmosis and membrane distillation”, Desalination, 384, pp. 26 – 32.

13. Enling Tian , Chengbo Hu, Yan Qin, Yiwei Ren, Xingzu Wang, Xiao Wang, Ping Xiao, Xin Yang(2015),“A study of poly (sodium 4-styrenesulfonate) as draw solute in forward osmosis”,Desalination, 360,pp. 130–137.

14. Garcia-Castello, E.M., McCutcheon, J.R., Elimelech, M.(2009),“Performance evaluation of sucrose concentration using forward osmosis”,J. Membr. Sci., 338, pp. 61–66.

15. Ge, Q., Fu, F., Chung, T.-S. (2014),“Ferric and cobaltous hydroacid complexes for forward osmosis (FO) processes”,Water Resources, 58, pp. 230–238.

16. Ge, Q., Ling, M., and Chung, T.-S. (2013), "Draw Solutions for Forward Osmosis Processes: Developments, Challenges, and Prospects for the Future",Journal of Membrane Science, 447, pp. 1-11.

17. How Y. Ng , Wanling Tang , and Wei S. Wong (2006),“Performance of Forward (Direct) Osmosis Process: Membrane Structure and Transport Phenomenon”,Environmental Sciences and Technology, 40 (7), pp. 2408– 2413.

18. Huayong Lou, Qin Wang, Tian C.Zang, Tao Tao and et. (2014), “A review on the recovery methods of draw solutes in forward osmosis”, Journal of Water Process Engineering, 4, pp. 212 – 223.

19. J. Ren, J.R. McCutcheon(2014), “A new commercial thin film composite membrane for forward osmosis”, Desalination, 343,pp. 187–193.

20. Laura Chekli, Sherub Phuntsho, Jung Eun Kim, Jihye Kim, Joon Young Choi, June-Seok Choi, Suhan Kim, Joon Ha Kim, Seungkwan Hong, Jinsik Sohn, H.K. Shon (2015), “A comprehensive review of hybrid forward osmosis systems: Performance, applications and future prospects”, Jounal of Membrane Science, 497, pp.430-449.

21. McCutcheon, J.R., McGinnis, R.L., Elimelech, M.(2006),“Desalination by ammonia-carbon dioxide forward osmosis: influence of draw and feed solution concentrations on process performance”,Journal of Membrane Sciences, 278, pp. 114–123.

22. Nguyen Thi Hau, Chen S., N.C. Nguyen, K.Z. Huang, H.H. Ngo, W. Guo(2014), “Exploration of EDTA sodium salt as novel draw solution in forward osmosis process for dewatering of high nutrient sludge”, Journal of Membrane Sciences, 455, pp. 305–311.

23. Nguyen Quang Trung, Le Van Nhan, Pham Thi Phuong Thao, Le Truong Giang (2016), “Novel draw solutes of iron complexs easier recovery for foward osmosis process”, Journal of Water Reuse and Desalation. (Bài báo đã được chấp nhận đăng và sẽ đăng trong năm 2017).

reverse salt improve to

24. Nguyen Thi Hau, Nguyen Cong Nguyen, Shiao-Shing Chen, Huu Hao Ngo,Wenshan Guo, Chi-Wang Li(2015),“A new class of draw solutions for minimizing forward osmosis flux desalination”,Science of the Total Environment, 538, pp. 129–136.

25. Peter G. Nicoll (2013), “Forward Osmosis – A brief introduction”, The International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse, Tianjin, China.

26. Q.C. Ge, J.C. Su, G.L. Amy, T.S. Chung(2012), “Exploration of polyelectrolytes as draw solutes in forward osmosis processes”, Water Resources, 46, pp. 1318–1326.

27. Q.C. Ge, M.M. Ling, T.S. Chung(2013), “Draw solutions for forward osmosis processes: developments, challenges, and prospects for the future”,Journal of Membrane Sciences, 442,pp. 225–237.

28. Q. Ge, T.S. Chung(2013), “Hydroacid complexes: a new class of draw solutes to promote forward osmosis (FO) processes”, Chem. Commun., 49,pp. 8471–8473.

29. Qian Yang, Kai Yu Wang, Tai-Shung Chung (2009), “A novel dual-layer forward osmosis membrane for protein enrichment and concentration”, Seperation and Purification Technology, 69, pp. 269-274.

30. Sherub Phuntsho, Soleyman Sahebi, Tahir Majeed, Fezeh Lotfi, Jung Eun Kim, Ho Kyong Shon(2013),“Assessing the major factors affecting the performances of forward osmosis and its implications on the desalination process”,Chemical Engineering Journal, 231, pp. 484–496.

31. Stone, M.L., Rae, C., Stewart, F.F.,Wilson, A.D. (2013),“Switchable polarity solvents as draw solutes for forward osmosis”,Desalination,312, pp. 124– 129.

32. Takehiko Tsuruta (2005), “Removal and Recovery of Lithium Using Various Microorganisms”, Journal of Bioscience and Bioengineering, 5, pp. 562- 566.

33. Tan C.H., H.Y. Ng (2010), “A novel hybrid forward osmosis - nanofiltration (FO – NF) process for seawater desalination: draw solution selection and system configuration”, Journal of Desalination and Water Treatment, 13, pp. 356 – 361.

34. Tian, E., Hu, C., Qin, Y., Ren, Y., Wang, X., Wang, X., et al. (2015),“A study in forward of poly (sodium 4-styrenesulfonate) as draw solute osmosis”,Desalination, 360, pp. 130–137.

35. Yen, S.K., Mehnas Haja, N.F., Su, M., Wang, K.Y., Chung, T.-S. (2010),“Study of draw solutes using 2-methylimidazole-based compounds in forward osmosis”,Journal of Membrane Sciences,364, pp. 242–252.

36. Yuntao Zhao, Yiwei Ren, Xingzu Wang, Ping Xiao, Enling Tian, Xiao Wang, Jing Li. (2016), “An initial study of EDTA complex based draw solutes in forward osmosis process”,Desalination, 378,pp. 28–36.

37. Zhao, S., Zou, L., Mulcahy, D. (2012),“Brackish water desalination by a hybrid divalent nanofiltration osmosis– system using forward drawsolute”,Desalination, 284, pp. 175–181.

PHỤ LỤC 1 - Định hƣớng thu hồi liti trong dịch cặn thải của hệ FO

Nước biển chứa nhiều chất tan có giá trị cao như Au, U, Li ,mặc dù với hàm

lượng không lớn nhưng với nguồn nước biển được coi là vô hạn thì thu hồi các

thành phần trong nước đang là một hướng đi mới được nghiên cứu để phát triển trên

toàn thế giới. Nhằm tận dụng dung dịch cặn thải của hệ thống lọc FO, nhóm nghiên

cứu sẽ tiếp tục đưa ra phương pháp thu hồi liti trong dịch cặn thải, lí do bởi Li có

nồng độ khá cao (trung bình 0,18ppm) trong nước biển và có tính ứng dụng cao

trong đời sống như:

- Kết hợp cùng Al tạo hợp kim nhẹ là nguyên liệu hàng không

- Nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân

- Chế tạo xe điện xanh không khí thải (xe sử dụng pin ắc quy)

- Làm pin cho các thiết bị điện tử hiện đại (điện thoai, laptop,…)

Hình PL1 - Các ứng dụng của liti trong cuộc sống

Hiện nay đã có một số phương pháp dùng để tách liti như sử dụng vi sinh vật, chất lỏng ion, nhựa tổng hợp ngâm tẩm,...[9,32]Trong đó phương pháp được

nhóm nghiên cứu dự định cho hướng nghiên cứu tiếp theo là sử dụng MnO2 làm

chất hấp phụ nhằm tách liti ra khỏi dịch cặn thải.

PHỤ LỤC 2 - Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Hình PL2 – Mođun gắn màng lọc FO

Hình PL2 – Máy đo đa chỉ tiêu LAQUA

Hình PL2 – Dãy dung dịch đường chuẩn muối amoni sắt (III) sunphat

Hình PL2 – Hình ảnh mô hình thí nghiệm hệ thống lọc FO (Hệ thống 1)

PHỤ LỤC 3 - Một số kết quả nghiên cứu

Kết quả pH, TDS trong thí nghiệm sử dụng các dung dịch lôi cuốn khác nhau

Amoni sắt (II) sunphat

0 15’ 30’ 45’ 60’

Nồng độ (M) 0,05 3,88 3,88 3,9 3,9 3,86

pH 3,79 4,03 3,79 3,98 3,78 3,93 3,78 3,88 3,77 3,84 0,1 0,15

3,81 3,77 3,79 3,78 3,78 0,2

7,51 6,76 6,58 6,38 6,34 0,05

TDS 13,8 17,97 12,83 16,63 12,63 16,6 12,73 16,5 12,7 16,06 0,1 0,15

23,43 22,27 21,73 21,7 21,33 0,2

Amoni sắt (III) sunphat

0 15’ 30’ 45’ 60’

Nồng độ (M) 0,05 2,53 2,67 2,7 2,72 2,73

2,47 2,58 2,59 2,59 2,61 0,1 pH 2,03 2,24 2,3 2,28 2,37 0,5

1,96 1,94 2,04 2,06 2,08 1

4,61 4,08 3,92 3,87 3,81 0,05

9,08 8,43 8,34 8,3 8,23 0,1 TDS 33 29 28,4 28,3 28,1 0,5

49,95 44,8 44,85 44,7 44,6 1

Amoni sắt (III) citrat 0 15’ 30’ 45’ 60’

7,86 7,37 7,66 7,51 7,55 7,49 7,55 7,56 7,6 7,56 Nồng độ (M) 0,05 0,1 pH

TDS

7,26 7,43 5,84 11,2 19,7 7,29 7,53 5,59 10,3 17,7 7,34 7,5 5,57 10,4 17,7 7,46 7,56 5,57 10,2 17,6 7,53 7,58 5,55 9,98 17,3 0,5 1 0,05 0,1 0,5

1 36,6 32,45 32,55 32,1 31,3

Kết quả Jw, Js trong thí nghiệm sử dụng các dung dịch lôi cuốn khác nhau

Js SRSF Jw Chất lôi cuốn

0,007 0,0010 7,48 Nồng độ (M) 0,05

0,014 0,0017 8,32 A2S 0,015 0,0017 8,68 0,1 0,15

0,2

0,020 0,29 0,0024 0,21 8,32 1,39 0,05

0,65 0,22 3,04 A3S 1,45 0,23 6,32 0,1 0,5

2,63 0,23 11,2 1

0,52 0,07 3,18 0,05

0,55 0,09 3,36 0,1 A3C 0,67 0,14 4,14 0,2

1,44 0,16 8,88 0,4

PHỤ LỤC 4 – Các công trình đã công bố có liên quan đến luận văn

1. Le Van Nhan, Nguyen Quang Trung, Pham Thi Phuong Thao, Le Truong Giang (2016), “Effects of feed concentration on the ability of freshwater – filter using FO membrane in laboratory scale”,Scientific workshop on “Progress and trends in science and technology” commemorating 10 year of partnership between the Vietnam Academy of Science and Technology and The Russian Foundation for basic research, pp. 233-239.

2. Nguyen Quang Trung, Le Van Nhan, Pham Thi Phuong Thao, Le Truong Giang (2016), “Novel draw solutes of iron complexs easier recovery for foward osmosis process”, Journal of Water Reuse and Desalation. (Bài báo đã được chấp nhận đăng và sẽ đăng trong đầu năm 2017).

Novel draw solutes of iron complexes easier recovery for

forward osmosis process

Nguyen Quang Trung, Le Van Nhan, Pham Thi Phuong Thao, Le Truong Giang

Center for Training, Consultancy and Technology Transfer (CTCTT), Vietnam Academy of

Science and Technology (VAST), 18 Hoang Quoc Viet Street, Cau Giay District, Hanoi

City, Vietnam.

Corresponding Author: Dr. Nguyen Quang Trung. Center for Training, Consultancy and

Technology Transfer

(CTCTT),Vietnam Academy of Science and Technology

(VAST).No.18 Hoang Quoc Viet Street, Cau Giay District, Hanoi City, Vietnam.Tel:

0084-948109977; E-mail: nqt79@yahoo.com

Abstract

Forward osmotic membrane is a new process for produce fresh water from salty

water. The study of draw solute is one of essentials in the development and application of

FO technology, draw solution should be good at drawing water and easy at recovery. In

this paper, three complex draw solutes such as ammonium iron (II) sulfate, ammonium

iron (III) sulfate and ammonium iron (III) citrate with different concentrations were

studied. The physical properties such as pH, conductivity and TDS have simultaneously

been investigated. pH of most ammonium complexes were decreased whereas TDS

increased with increasing of draw solution concentrations. We found that high water flux

of these iron complexes were reported in ranged from 8.88 to 11.24 LMH which higher

than ammonium bicarbonate draw solution. In addition, more than 90% iron complexes

draw solutions were recovered by NF-90 membrane, which plays an important role in FO

process to produce fresh water substitute ammonium bicarbonate. This study provides

direct evidences for the ability of permeate water from feed solution to draw solution,

which shows the potential applications of iron complexes in FO process.

Key words: iron complex, FO membrane, NF, water flux, reserve salt flux.

1. Introduction

Along with the rise of sea level, the status of salinity is happening in many countries in the world including Vietnam, which is seriously impacted on agricultural production and living life in these areas. Results, many people will be lacked clean water to use in their daily life in the world. To cope with these issues, technologies of seawater treatment were found by scientists in the world. Desalination can be defined as any processes that remove salts from water. At present, two types of technologies that are widely used around the world for desalination could be broadly classified as either thermal technology or membrane technology. These technologies need energy to operate and produce fresh water. According to Xiang Zheng et al. (2015), membrane technology was popular applied for industrial wastewater treatment in China with around 6.7 million m3 of wastewater per day (2.4 billion m3 per year) treatment capacity applies membrane technology. Xianbin (2013) used RO membrane filtering system for seawater desalination in the first phase of the Hongyanhe Nuclear Power Plant in China. The system has maximum capacity of 16,000m3/day and purifies some 5.8 million m3 of seawater per annum for power generation and domestic water. Forward osmosis (FO) membrane is valuable technology, which driven clean water permeates from feed solution to draw solution by the osmotic pressure difference across a semi-permeable membrane. With the low operation cost, the FO membrane technology was widely applied in wastewater treatment (Achilli et al. 2009), brackish water and seawater desalination (Mc Cutcheon et

al. 2006), food processing (Garcia et al. 2009, Petrotos et al. 2001), and power generation (Achilli et al. 2009, Seppala et al. 1999). According to Sherub et al. (2013), the major factors affecting the performances of forward osmosis includes membrane properties, draw solution properties, feed solution properties and the operation conditions. To find out the suitable draw solutes becomes particularly crucial for FO process. Klaysom et al. (2013) and Ge et al. (2013) indicated that the ideal draw solute should be taken the principal traits such as: high solubility, minimal reverse draw solute leakage, easy regeneration, non- toxicity, low cost, and compatibility with membrane.

The inorganic salts were investigated as draw solutions in the FO process in the previous studies due to their low cost and hight osmotic pressure potential, which creats a high flux (Achilli et al., 2010; Alnaizy et al., 2013). According to Kiriukhin and Collins (2002), the low charge and small hydrated radius of monovalent and divalent ions in the draw solution can result in a high reverse flux of salts, such as 0.6M NaCl (7.2 GMH), 0.6M NH4HCO3 (18.2 GMH) when deionized (DI) water was used as the feed solution. On the other hand, a high mount of energy as the pressure-driven, which was required by the reverse osmosis (RO) membrane to produce freshwater and recover these draw solutions (Zhao et al., 2012). In the past few decades, many studies were reported in the development of suitable draw solutions for FO process; and a few reviews on draw solutions have been published to date (Chekli et al. 2012; Ge et al. 2013). Draw solutions can be generally classified as volatile compounds, organic compounds, inorganic compounds and novel synthetic compounds including MNPs and polymer hydrogel. Some of draw solutions showed justifiable water flux such as: 2-methylimidazole-based organic compounds (Yen et al., 2010), switchable polarity solvents (Stone et al., 2013), ferric and cobaltous hydro acid complexes (Ge et al., 2014) and poly (sodium 4-styrenesulfonate) (Tian et al., 2015). However, high reverse salt flux and relatively energy-intensive regeneration make them impractical in FO desalination. Therefore, identifying novel draw solutes with characteristics of high water flux, low reverse salt flux, and easy recovery is necessary in FO process.

Thus, in this study, a series of Ammonium complexes were investigated as draw solutes in FO process on the parameters such as water flux, reserve flux, solute rejection, and the results of FO process after 1 hour experiment. Exploration of suitable draw solutes plays an important role to develop the further advancement of FO process and even commercialization of FO membrane (Ren et al., 2014; Shaffer et al., 2015).

2. Methods

2.1. Materials

Laboratory-grade chemical

reagents were purchased

from Sigma-Aldrich Corporation, Germany. The properties of these complexes were showed in the Table 1. De- ionized water was produced by an ultrapure water system (Purelabflex-3, ELGA, UK). The pressure of these iron complexes were calculated as the most suitable concentration of each complex following the formular: P = R.T.C (bar)

Where: P: pressure (bar), R = 0.082, T = 273 + t(oC), C (M) is the concentration of complex as 0.1M, 0.4M, 1.0M and 1.5M were the most suitable concentrations of Ammonium Iron (II) Sulfate, Ammonium Iron (III) Citrate, Ammonium Iron (III) Sulfate and Ammonium bicarbonate complexes in forward osmosis and NF processes, respectively.

Table 1. The properties of complexes used in FO process

Complex Ammonium Iron

Ammonium Iron

Ammonium

(II) Sulfate (A2S)

(III) Sulfate (A3S)

(III) Citrate (A3C)

Bicarbonate (AB)

Formula (NH4)2Fe(SO4)2·6H

NH4Fe(SO4)2·12

(NH4)5Fe(C6H4O7)2

NH4HCO3

H2O, or

NH4[Fe(H2O)6](SO4

)2·6 H2O

Chemical

(NH4)2Fe(SO4)2·6H

FeNH4(SO4)2

C6H8O7.xFe3+

.yNH3

NH4HCO3

formula

284.05 g/mol

482.25 g/mol

262.97

79.056 g/mol

Molar

(anhydrous)

(dodecahydrate)

mass

392.13 g/mol

(hexahydrous)

Fe3+

Cations

Fe2+ and NH4

Fe3+ and NH4

NH4

269 g/L

1240 g/L

Very soluble in water 11.9 g/100 mL (0°C)

Solubility

(hexahydrate)

21.6 g/100 mL (20°C)

in water

36.6 g/100 mL (40°C)

1.86 g/cm3

1.71 g/cm3

n.i

1.586 g/cm3

Density

2.44 (bar)

9.77 (bar)

24.44 (bar)

36.65 (bar)

Pressure

2.2. Characterizations of iron complexes

The pH values, TDS and electrical conductivity of the iron complexes solutions were determined by pH, TDS and conductivity sensors (LAQUA pH/Ion/Cond Meter F- 74BW, HORIBA, Japan)at different concentrations as 0.05, 0.10, 0.15 and 0.20 M (A2S), as 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.40, 0.50 and 1.00 M (A3S) and 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 and 0.40 M (A3C), respectively.

2.3. Experimental setup

The experimental setup was showed in Fig.1. The active layer of FO membrane was oriented to face the feed solution in order to reduce internal concentration polarization (CP) and thus obtain high water flux, and the support layer facing the draw solution. The total membrane surface area was 32 cm2. During experiments, the feed and draw solutions on both sides of the FO membranes were re-circulated by using two separate pumps with the same flow rate of 1.2 L/min, respectively. The system was operated at laboratory conditions. Each treatment was repeated three times during 1 hour at room temperature

(around 25 ± 5oC). pH, TDS and conductivity sensors (LAQUA pH/Ion/Cond Meter F- 74BW, HORIBA, Japan) were used to monitor any changes in the containers of feed and draw solutions period 15 min per time during experiments. The initial volume of draw solution was 0.2 L, and a 0.2 L feed solution glass was placed on digital scale balance (Sartorius, Goettingen, Germany) to monitor the weight and volume changes at specified time intervals (Figure 1a). After FO test, the diluted draw solution was recovered for reuse through NF-90 membrane by using a cross flow module as Fig.1b at room temperature. NF-90 (DOWN) membrane was made from polyamide materials which can used in pH ranged from 2-11 with 6.68 LMH/bar of pure water permeability. The filtration experiments were repeated three times using fresh membranes. The selection of the most appropriate experimental concentration for each complex is made before comparing test results between complexes.

H2O

Draw solution Feed solution

„v

Pump Pump FO Membrane

a

NF membrane

Pump

Diluted

Valve

draw solution

Valve

H2O

Draw Solution

H2O

b

Fig.1 Re-cycle system using Forward Osmosis membrane in desalination

Water flux, reserve flux and solute rejection were determined according to the

studies of Hau et al. (2015) and Enling et al. (2015) as methods below:

The water flux (Jw) across the FO membrane was calculated from the volume

∆V

change of feed solution using Equation: Jw =

A∆t

Where: ∆V (L) is the volume of water permeated from feed solution to draw solution over a predetermined time ∆t (h) during FO tests, A (m2) is the effective FO

membrane area.

Iron complexes salts dissociated and conductive in their draw solution, some ions

from draw solutions will permeate to feed solution through FO membrane. The

conductivities measured from the feed solution at certain time, which relative to

concentration of draw solution and were considered as the reserve salt flux base on a

standard concentration – conductivities curve. The reserve salt flux (GMH) was

determined by the Equation:

Ct .Vt −Co .Vo

Js =

Am .∆t

Where: Co and Ct (mol.L-1) are the initial concentration and the concentration of

feed solution measured at the time of t, respectively.

Vo and Vt (L) are the initial volume and the volume of feed solution measured at

the time of t, respectively.

3. Results and discussion

3.1. Properties and Characterization of iron complexes

+ were found in all of various iron

Two different cations such as Fe+2 and NH4

complexes. A2S is classified as a double salt of ferrous sulfate and ammonium sulfate. It

form monoclinic crystals, solubility in water around 269 (g/L). About 1240 (g/L) of

solubility in water and the weakly violet and octahedrical crystals were noted in A3S

complex whereas A3C was appeared in yellow crystals and very soluble in water.

A2S

)

y = 21.4x R² = 1

y = 27x R² = 1

A3S

m c /

S m

A3C

(

Linear (A2S)

Linear (A3S)

y = 19x R² = 1

Linear (A3C)

y t i v i t c u d n o C

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

Concentration (M)

Fig.2 Conductivity of different concentrations of various iron complexes as draw

solutes in FO process

The solution properties of various iron complexes with different concentrations

were characterized and recorded in Fig.2, which played an important role to further check

whether iron complexes could act as draw solutes. There is a little effect of concentrations

on the pH of various iron complexes. pH of different concentrations of A3S was ranged

from 1.96 to 2.53, then was higher in A2S (3.79-3.88) and was 7.26-7.56 as maximum in

A3C. The recommended operational pH ranges of the current commercial thin film

composite (TFC) FO membrane is from 2.0 to 12.0. Therefore, the FO membrane will not

undergo hydrolysis and structure change when it is tested in the draw solutions of the iron

complexes, which can ensure the consistent FO performance. As show as Figure 2, the

solution conductivity was increased with increasing concentrations of various iron

complexes. This is in contrast with the studies of Yuntao Zhao and et al. (2016), the

solution conductivity of four EDTA complexes is not directly proportional to that of the

increment concentration, and appears to approach plateaus or even decrease slightly after

an initial increase. In addition, the difference was existed in conductivity for the studied

iron complexes following the order of A2S > A3C > A3S. According to Ge et al. (2012),

the higher conductivity may lead to higher osmotic pressure. The electrical conductivity in

the iron complexes solution mainly derives from two sources including: the dissociation of

iron ion and ligand which is affected by the property of iron ion and external conditions.

Therefore, the measured conductivity of ion complexes solution results from the joint

effects.

3.2. Effect of iron complexes on reserve salt flux and water flux in FO process

The results showed that 0.1M, 0.4M and 1.0M were the most suitable concentrations of Ammonium Iron (II) Sulfate, Ammonium Iron (III) Citrate and Ammonium Iron (III) Sulfate complexes in forward osmosis process, respectively. The comparing between these concentrations of these complexes was performed to select the potential draw solute for forward osmosis process. The iron complexes as draw solutes were evaluated by quantifying reserve salt flux and water flux in FO tests, which was showed in Fig.3. In addition, NH4HCO3 was chosen as a benchmark for comparison with iron complexes group. Results in Fig.3 shows that the experimental water flux and reserve salt flux as a function of molar concentration in FO mode where de-ionized water is employed as the feed solution. We found that the water flux of A3S (11.24 LMH) was obviously higher than A2S (8.88 LMH), A3C (8.88 LMH) and the control group (NH4HCO3) (8.62 LMH). This is directly related to the fact that high water flux can generate greater osmotic driving force for water transport through the membrane. Result reported that 36.0 mL of water volume was found in A3S which was obviously higher than A2S (28.4 mL), A3C (28.4 mL) and control group - AB (27.6 mL). However, the reserve salt flux was 2.62700 (GMH) as the highest in A3S solution then was A3C (1.44450 GMH) and control group (1.31415 GMH), and lowest at A2S (0.00143 GMH). This indicated that, the molecular sizes of complexes were ranged in order: A3S < A3C < AB < A2S. Hence, molecular size lead to draw solutes permeated back to feed solution through FO membrane, which might be affected to the next stages of fresh water production. Both water flux and water volume of both A2S and A3C were higher than AB. In the other hand, the reserve salt flux of A2S was obviously lower than A3C and AB. According to Kiriukhin and Collins (2002), the resereve fluxs of salts were 7.2 GMH in 0.6M NaCl, 18.2 GMH in 0.6M NH4HCO3, 5.6 GMH in 0.5M MgCl2 when deionized (DI) water was used as the feed solution. In the studies of Hau et al. (2015), the results showed that lowest reverse salt flux of 0.067 GMH was observed when 0.1 M EDTA-2Na coupled with 15 mM NP7 was used as a draw solution and deionized water was used as a feed solution in FO mode (active layer facing with the feed solution). These results were much higher in comparision with the reserve

flux of Ammonium Iron (II) Sulfate in this study. This dimonstrated that just only a few of Ammonium Iron (II) Sulfate salts were permeated back to feed solution from draw solution through FO membrane. This indicated that A2S might be the potential draw solute in FO process.

Water flux (LMH)

Reserve salt flux (GMH)

)

2.5

H M G

H M L

(

x u

( x u

1.5

l f r e t a

W

l f t l a s e v r e s e R

0.5

A2S

A3S

A3C

Complexes

Fig.3 The comparison of reserve salt flux, water flux and water volume between iron

complexes and NH4HCO3

3.3. Recovery test of iron complexes draw solution via NF membrane

Table 1. Recovery efficient of draw solution using NF-90 membrane

Draw

TDS input (mg/L) TDS output (mg/L) Removal efficiency

(%)

solution

90.96

A2S

12700

1148

95.52

A3S

44600

1998

93.14

A3C

31300

2147

The draw solution is diluted after FO process, thus the recovery of draw solution is

necessary and represents as one of challenges in FO process (Zhao et al., 2014). The large

molecular weight and size of iron complexes can be considered to separate from water

with a relatively larger pore size membrane than that of RO. The recovery convenience of

iron complex draw solution was studied through a pressure-driven NF-90 process. Table 1

showed the variation in the total dissolved solids (TDS) permeate and removal efficiencies

obtained using various draw solutions as A2S, A3S and A3C in comparison with AB at

operation of 8 bars. Over than 90% of draw solutes was not permeated through NF-90

membrane, in which 90.96% and 93.14% removal efficiencies were reported in A2S and

A3C draw solution, respectively; and 95.52% of A3S as maximum of removal efficiency.

In the previous studies of Hau et al. (2014) indicated that the NF recovery (pressure of 5.5

bar) of EDTA sodium salts exhibiting high charged compounds performed well, and had a

high salt rejection of 93%. NF membrane was used by Ge and Chung (2013) to regenerate

hydroacid complexes after FO, which had expanded configurations and charged groups.

According to Hau et al. (2015), the recovery of 0.05M EDTA-2Na coupled with 15 mM

NP7 was approximately 95%, which significantly higher than A2S and A3S draw

solutions, but a little less than A3C draw solution. These results demonstrated that a series

of iron complex draw solutions can be easily recovered using NF-90 membrane, which

plays an important role in FO process to produce fresh water using iron complexes as draw

solutes substitute AB.

4. Conclusion

In summary, various iron complexes were investigated as draw solutes in FO

process. Results showed that high water flux of these iron complexes were reported in

ranged from 8.88 to 11.24 LMH which higher than AB draw solution. In addition, more

than 90% iron complexes draw solutions were recovered by NF-90 membrane, which plays

an important role in FO process to produce fresh water substitute AB.

Abbreviations

TDS: Total Dissolved Solids, FO: Forward Osmosis, NF: nanofiltration, RO: Reserve Osmosis, DI: Deionized, A2S: Ammonium Iron (II) Sulfate, A3S: Ammonium Iron (III) Sulfate, A3C: Ammonium Iron (III) Citrate, AB: Ammonium Bicarbonate, V: Volume and TFC: thin film composite.

Acknowledgement: The project was supported by Vietnam Academy of Science and Technology (No. VAST.CTG.08/14-16).

References

1. Achilli, A., Cath, T.Y., Childress, A.E., 2010. Selection of inorganic-based draw

solutions for forward osmosis applications. J. Membr. Sci. 364, 233–241.

2. Achilli, A., Cath, T.Y., Marchand, E.A., Childress, A.E. The forward osmosis membrane bioreactor: a low fouling alternative to MBR processes. Desalination. 239 (2009), 10–21.

3. Alnaizy, R., Aidan, A., Qasim, M., 2013. Copper sulfate as draw solute in forward

osmosis desalination. J. Environ. Chem. Eng. 1, 424–430.

4. C. Klaysom, T.Y. Cath, T. Depuydt, I.F.J. Vankelecom, Forward and pressure retarded osmosis: potential solutions for global challenges in energy andwater supply, Chem. Soc. Rev. 42 (2013) 6959–6989.

5. Chekli, L., Phuntsho, S., Shon, H. K., Vigneswaran, S., Kandasamy, J., and Chanan, A. (2012). "A review of draw solutes in forward osmosis process and their use in modern applications." Desalination and Water Treatment, 43(1-3), 167-184.

6. Chinnawat Traisupachok, Sutha Khaodhiar , Jirachote Phattaranawik and Vasimon Ruanglek. Ammonium bicarbonate draw solution reuse in forward osmosis process. Proc. of the Intl. Conf. on Advances in Civil, Structural, Environmental & Bio- Technology -- CSEB 2014.

7. D.L. Shaffer, J.R. Werber, H. Jaramillo, S.H. Lin,M. Elimelech, Forward osmosis:

where are we now? Desalination 356 (2015) 271–284.

8. Dieling Zhao, Peng Wang, Qipeng Zhao, Ningping Chen, Xianmao Lu. Thermoresponsive copolymer-based draw solution for seawater desalination a combined process of forward osmosis and membrane distillation. Desalination 348 (2014) 26–32.

9. Enling Tian , Chengbo Hu, Yan Qin, Yiwei Ren, Xingzu Wang, Xiao Wang, Ping Xiao, Xin Yang. A study of poly (sodium 4-styrenesulfonate) as draw solute in forward osmosis. Desalination 360 (2015) 130–137.

10. Garcia-Castello, E.M., McCutcheon, J.R., Elimelech, M. Performance evaluation of sucrose concentration using forward osmosis. J. Membr. Sci. 338 (2009), 61–66.

11. Ge, Q., Fu, F., Chung, T.-S., 2014. Ferric and cobaltous hydroacid complexes for

forward osmosis (FO) processes. Water Res. 58, 230–238.

12. Ge, Q., Ling, M., and Chung, T.-S. (2013). "Draw Solutions for Forward Osmosis Processes: Developments, Challenges, and Prospects for the Future." Journal of Membrane Science, 447, 1-11.

13. Hau Thi Nguyen, Nguyen Cong Nguyen, Shiao-Shing Chen , Huu Hao Ngo,Wenshan Guo, Chi-Wang Li. A new class of draw solutions for minimizing reverse salt flux to improve forward osmosis desalination. Science of the Total Environment 538 (2015) 129–136.

14. How Y. Ng ,* Wanling Tang , and Wei S. Wong. Performance of Forward (Direct) Osmosis Process: Membrane Structure and Transport Phenomenon. Environ. Sci. Technol., 2006, 40 (7), 2408–2413. DOI: 10.1021/es0519177.

15. J. Ren, J.R. McCutcheon, A new commercial thin film composite membrane for

forward osmosis, Desalination 343 (2014) 187–193.

16. Jeffrey R. Mc Cutcheon, Robert L. Mc Ginnisb, Menachem Elimelech. A novel ammonia-carbon dioxide forward (direct) osmosis desalination process. Desalination 174 (2005) 1–11.

17. Kiriukhin, M.Y., Collins, K.D., 2002. Dynamic hydration numbers for biologically

important ions. Biophys. Chem. 99, 155–168.

18. McCutcheon, J.R., McGinnis, R.L., Elimelech, M. Desalination by ammonia-carbon dioxide forward osmosis: influence of draw and feed solution concentrations on process performance. J. Membr. Sci. 278 (2006), 114–123.

19. Petrotos, K.B., Lazarides, H.N. Osmotic concentration of liquid foods. J. Food Eng.

49 (2001), 201–206.

20. Q.C. Ge, J.C. Su, G.L. Amy, T.S. Chung, Exploration of polyelectrolytes as draw

solutes in forward osmosis processes, Water Res. 46 (2012) 1318–1326.

21. Q.C. Ge, M.M. Ling, T.S. Chung, Draw solutions for forward osmosis processes: developments, challenges, and prospects for the future. J. Membr. Sci. 442 (2013) 225–237.

22. Seppala, A., Lampinen, M.J. Thermodynamic optimizing of pressure-retarded osmosis

power generation systems. J. Membr. Sci. 161 (1999), 115–138.

23. Sherub Phuntsho, Soleyman Sahebi, Tahir Majeed, Fezeh Lotfi, Jung Eun Kim, Ho Kyong Shon. Assessing the major factors affecting the performances of forward osmosis and its implications on the desalination process. Chemical Engineering Journal 231 (2013), 484–496.

24. Stone, M.L., Rae, C., Stewart, F.F.,Wilson, A.D., 2013. Switchable polarity solvents

as draw solutes for forward osmosis. Desalination 312, 124–129.

25. Tian, E., Hu, C., Qin, Y., Ren, Y., Wang, X., Wang, X., et al., 2015. A study of poly (sodium 4-styrenesulfonate) as draw solute in forward osmosis. Desalination 360, 130–137.

26. Xianbin Han. First application of multibore membrane in seawater desalination project for nuclear power plant in China. The International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse/ Tianjin, China. (2013)

27. Xiang Zheng, Zhenxing Zhang, Dawei Yu, Xiaofen Chen, Rong Cheng, Shang Min, Jiangquan Wang, Qingcong Xiao, Jihua Wang. Review: Overview of membrane technology applications for industrial wastewater treatment in China to increase water supply. Resources, Conservation and Recycling. 105 (2015), 1–10.

28. Yen, S.K., Mehnas Haja, N.F., Su, M., Wang, K.Y., Chung, T.-S., 2010. Study of draw solutes using 2-methylimidazole-based compounds in forward osmosis. J. Membr. Sci. 364, 242–252.

29. Yuntao Zhao, Yiwei Ren, Xingzu Wang, Ping Xiao, Enling Tian, Xiao Wang, Jing Li. An initial study of EDTA complex based draw solutes in forward osmosis process. Desalination 378 (2016) 28–36.

30. Zhao, S., Zou, L., Mulcahy, D., 2012. Brackish water desalination by a hybrid forward osmosis– nanofiltration system using divalent drawsolute. Desalination 284, 175–181.

31. N.T. Hau, S.-S. Chen, N.C. Nguyen, K.Z. Huang, H.H. Ngo, W. Guo, Exploration of EDTA sodium salt as novel draw solution in forward osmosis process for dewatering of high nutrient sludge, J. Membr. Sci. 455 (2014) 305–311.

32. Q. Ge, T.S. Chung, Hydroacid complexes: a new class of draw solutes to promote

forward osmosis (FO) processes, Chem. Commun. 49 (2013) 8471–8473.