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)

Chia sẻ: Cỏ Xanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận văn là 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. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO. Khảo sát ảnh hưởng của chất lôi cuốn đến hiệu quả thu hồi nước sạch qua màng NF.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: 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 LỜIVĂN LUẬN CẢM ƠN SĨ THẠC 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) FS Dung dịch đầu vào (Feed solution) GMH g/(m2.h) Jw Thông lượng nước (Water flux) Js Thông lượng chất tan thấm ngược (Reverse solute flux) LMH 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 1
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
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. 3
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 [2] cạn kiệt nguồn nước . 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 [1] nhân chính khiến hơn 20% dân số nước ta vẫn thiếu nước sạch . 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 [1] trọng, ảnh hưởng lớn đến kinh tế, xã hội và đời sống người dân . 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. 4
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]. 5
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 6
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. Thành phần chủ yếu của nước biển là các anion như Cl-, SO42-, CO32-, SiO32- ,… 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. Trong nước biển ngoài H2 và O2 ra thì Na, Cl2, Mg chiếm 90%; K, Ca, S (Dưới dạng SO4-2) chiếm 7% tổng lượng các chất. 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”. 7
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]. 8
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]. 9
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 qua (Cl-, SO42-), tuy nhiên các anion sẽ bị giữ lại do màng cation. Tương tự với các 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 10
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. 11