Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hoá học, Vật liệu, Luyện kim và Môi trường: Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô Pilot

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết kế, chế tạo, và khảo sát hoạt động của một hệ thống chưng cất màng MD ở quy mô pilot có sử dụng năng lượng mặt trời với công suất 1 m3 nước uống/ngày. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hoá học, Vật liệu, Luyện kim và Môi trường: Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô Pilot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Quách Tất Tùng ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MÔ PILOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 07/2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Quách Tất Tùng ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MÔ PILOT Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8 52 03 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Hướng dẫn 1: TS. Dương Công Hùng Hướng dẫn 2: TS. Trần Thị Thu Lan Hà Nội, 07/2021
Tôi xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Quách Tất Tùng
LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô pilot.” được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của TS. Dương Công Hùng và TS. Trần Thị Thu Lan. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, từ khi nhận đề tài cho đến khi kết thúc thực nghiệm, em luôn nhận được sự quan tâm, động viên, hỗ trợ từ các thầy cô hướng dẫn. Bằng tất cả sự kính trọng, lòng biết ơn, em xin phép được gửi tới TS. Dương Công Hùng và TS. Trần Thị Thu Lan lời cảm ơn chân thành nhất. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi trường, Ban lãnh đạo Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho em được hoàn thành tốt luận văn này. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Môi trường, đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện về cơ sở vật chất và hướng dẫn em hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận văn. Em xin cảm ơn gia đình em, dù không phải là cộng sự, không cùng làm việc, nhưng gia đình luôn ở bên, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cả tinh thần và vật chất cho em được nghiên cứu khoa học!
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .............................................................................. 3 1.1. Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới ...........................................3 1.1.1. Các công nghệ chưng cất ............................................................................5 1.1.2. Công nghệ thẩm thấu ngược RO ................................................................8 1.1.3. Công nghệ điện thẩm tách ED ..................................................................10 1.2. Công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển ..................................11 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng ..............................11 1.2.2. Các cấu hình chưng cất màng ...................................................................13 1.2.3. Màng lọc sử dụng cho quá trình chưng cất màng ....................................16 1.2.4. Hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển ..17 1.2.5. Bẩn và cặn màng trong quá trình chưng cất màng ...................................19 1.3. Các công nghệ thu hồi năng lượng mặt trời và tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển ở Việt Nam ............. 20 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............... 24 2.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................24 2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất .......................................................................27 2.3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................27 2.3.1. Phương pháp lấy mẫu và phân tích ..........................................................27 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................28 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 32 3.1. Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển quy mô pilot với công suất 1 m3/ngày....................................................................................32 3.1.1. Thiết kế mô đun màng MD ......................................................................33 3.1.2. Thiết kế hệ thống gia nhiệt và làm lạnh ...................................................35 3.2. Khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển ............................................................................................................................39
3.2.1. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm ..39 3.2.2. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD quy mô pilot tại Đảo An Bình, Lý Sơn .......................................................................................................................47 3.3. Đánh giá hiệu quả năng lượng và các trở ngại kỹ thuật cần khắc phục của hệ thống ..........................................................................................................................56 3.3.1. Đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống ............................................56 3.3.2. Các trở ngại kỹ thuật của hệ thống ...........................................................59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 61
1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AGMD Air gap membrane distillation - Chưng cất màng đệm không khí CAM Contact angle measurement - Đo góc tiếp xúc DCMD Direct contact membrane distillation - Chưng cất màng trực tiếp ED Electrodialysis - Điện thẩm tách LEP Liquid entry presssure - Áp suất ướt màng MED Multi Effect Distillation - Chưng cất đa phân đoạn MF Microfiltration - Vi lọc MSF Multi Stage Flash - Chưng cất nhanh đa bậc RO Reverse Osmosis - Thẩm thấu ngược SEC Specific energy consumption - Năng lượng tiêu thụ riêng SEM Scanning electron microscopy - Kính hiển vi điện tử quét SGMD Sweeping gas membrane distillation - Chưng cất màng khí cuốn VMD Vacuum Membrane Disitllation - Chưng cất màng chân không
2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử mặn nước biển [7]. .................................................................................................... 7 Bảng 2. Hiệu suất chuyển đổi và hệ số thất thoát nhiệt của các loại thiết bị thu nhiệt mặt trời [32]. .......................................................................................... 21 Bảng 3. Số giờ nắng và cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau tại Việt Nam ................................................................................................................. 23 Bảng 4. Đặc trưng của nước biển lấy tại Đảo Bé, huyện đảo Lý Sơn ............ 26 Bảng 5. Các đặc tính kỹ thuật của mô đun màng lọc AGMD thương mại sản xuất bởi Aquastill, Hà Lan .............................................................................. 34 Bảng 6. Các thông số tấm phẳng thu nhiệt mặt trời........................................ 35 Bảng 7. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD ở nhiệt độ dòng làm mát 25 oC, nhiệt độ dòng cấp 45 C và 60 C với tốc độ dòng khác nhau. ........... 40 Bảng 8. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng nóng lên công suất cất nước ở các nhiệt độ khác nhau ........................................................................ 48 Bảng 9. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng lạnh đối với công suất cất nước ........................................................................................................... 50 Bảng 10. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất và độ dẫn điện của nước cất thu được....................................................................... 51
i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B) công nghệ sử dụng [7]. ............................................................................................... 5 Hình 2. Quá trình khử mặn nước biển bằng công nghệ MSF [7]. .................... 6 Hình 3. Sơ đồ công nghệ quá trình MED khử mặn nước biển [7].................... 8 Hình 4. Nguyên lý hoạt động của một quá trình khử mặn dựa trên công nghệ RO [11]. ............................................................................................................. 9 Hình 5. Quy trình công nghệ của một quá trình khử mặn dùng công nghệ RO [6]. ..................................................................................................................... 9 Hình 6. Nguyên lý hoạt động của quá trình ED [4]. ....................................... 11 Hình 7. Nguyên lý hoạt động của quá trình MD khử mặn nước biển [24]. .... 13 Hình 8. Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình MD cơ bản [11]. ...................... 15 Hình 9. Cấu tạo tấm phẳng chân không thu nhiệt. .......................................... 22 Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mô 1 m3/ngày. ........................................................................................................... 24 Hình 11. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng trong luận văn. ........................................................................................ 29 Hình 12. Hình ảnh thực tế của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng trong luận văn. ........................................................................................ 29 Hình 13. Hình ảnh thực của (A) mô đun màng lọc AGMD và (B) mặt cắt ngang của mô đun màng lọc AGMD. ........................................................................ 34 Hình 14. Sơ đồ điều khiển của hệ thống gia nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời và các điện trở đốt để cấp nhiệt cho hệ thống MD ở quy mô pilot. ................ 36 Hình 15. Sơ đồ hệ thống tự động hóa của hệ khử mặn nước biển MD ở quy mô pilot lắp đặt tại Đảo Bé.................................................................................... 37 Hình 16. Hình ảnh thực tế của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày lắp đặt tại đảo Bé, Lý Sơn. ............................................ 38
ii Hình 17. Hệ thống tấm thu nhiệt mặt trời để bổ sung nhiệt năng cho hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày tại Lý Sơn. ... 38 Hình 18. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD với nước cấp là dung dịch NaCl 35 g/L ở các nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn khác nhau, nhiệt độ dòng làm mát duy trì ở 25 oC. .................................................................... 39 Hình 19. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát đến thông lượng cất của quá trình AGMD với dòng cấp là dung dịch NaCl 35 g/L: (1) Nhiệt độ dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (2) Nhiệt độ dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng làm mát; (3) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (4) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng làm mát. ......................................................................................................................... 41 Hình 20. Sự thay đổi của thông lượng cất nước đo được theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết theo khi tăng hiệu suất thu hồi nước. Điều kiện vận hành: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát 0,3 L/ph. ................................................................................... 43 Hình 21. Hình ảnh phân tích SEM màng PTFE chưa sử dụng và màng sau khi vận hành hệ thống AGMD ở hiệu suất thu hồi nước 73%. ............................. 44 Hình 22. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD đối với nước biển tự nhiên và nước biển đã lọc theo thời gian. Thông số vận hành hệ thống: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát 0,3 L/ph. ................................................................................................... 45 Hình 23. Hình ảnh phân tích SEM đối với màng đã qua sử dụng 13 giờ với nước biển tự nhiên. Hệ thống vận hành ở nhiệt độ 60 oC đối với dòng cấp, 25 oC đối với dòng làm mát và lưu lượng của cả hai dòng cấp và làm mát là 0,3 L/ph. .......... 45 Hình 24. Góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết với (A) màng chưa qua sử dụng và (B) màng bị cặn sau khi rửa bằng giấm ăn. .................................................... 46 Hình 25. Hình ảnh phân tích SEM bề mặt màng sau khi rửa cặn bằng giấm. 47
iii Hình 18. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng cấp nóng lên công suất cất nước (lưu lượng cất) và chất lượng của nước cất thu được. ............................................ 49 Hình 19. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng làm mát lên công suất cất nước và chất lượng nước cất thu được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot. ......................................................................................................................... 50 Hình 20. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước đến lưu lượng nước cất thu được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot. .......................... 52 Hình 21. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn đến độ dẫn điện dòng nước cất thu được từ quá trình MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot. ............................ 54 Hình 22. Công suất cất nước và độ mặn của nước cất của hệ MD khi vận hành trong thời gian kéo dài với nước cấp là nước biển thật. ................................. 55 Hình 23. Theo dõi điện năng tiêu thụ riêng và vận hành hệ thống sử dụng điện trở đốt nóng nước. ........................................................................................... 57 Hình 24. Công suất cất nước và năng lượng tiêu thụ riêng của hệ thống MD khử mặn nước biển quy mô pilot tại Đảo Bé, Lý Sơn trong 30 ngày vận hành sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở phụ.......................................... 58 Hình 25. Hình ảnh bà con trên Đảo Bé tập trung lấy nước uống từ hệ thống MD khử mặn nước biển lắp trên đảo. ..................................................................... 59 Hình 26. Tác động của môi trường biển đảo lên độ bền và tuổi thọ của các chi tiết, thiết bị của các hệ thống khử mặn nước biển trong môi trường biển đảo. ......................................................................................................................... 60
1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nhu cầu khử mặn nước biển để cung cấp nước ngọt đang ngày càng trở nên cấp thiết ở nhiều khu vực trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các công nghệ khử mặn đã được hoàn thiện và phát triển rất nhiều, góp phần cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm chi phí sản xuất nước ngọt. Do vậy, khử mặn nước biển đã và đang là một giải pháp chiến lược để đáp ứng nhu cầu nước ngọt của con người. Hiện tại, các công nghệ khử mặn nước biển được chia thành hai nhóm chính: các công nghệ chưng cất truyền thống và các công nghệ lọc màng. Hai nhóm công nghệ này đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó chúng được lựa chọn áp dụng ở những điều kiện khác nhau. Tuy nhiên, nhìn chung công nghệ lọc màng (đặc biệt là công nghệ thẩm thấu ngược, RO) đang ngày càng chiếm ưu thế và được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nhà máy khử mặn nước biển mới được xây dựng. Công nghệ RO đã chứng minh được sự hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật cho ứng dụng khử mặn nước biển ở quy môn lớn, song lại gặp nhất nhiều hạn chế công nghệ cho các ứng dụng khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ trên các đảo và hải đảo. Công nghệ chưng cất màng (tên tiếng Anh là Membrane Distillation, viết tắt là MD) đang nổi lên là một công nghệ khử mặn chiến lược rất phù hợp cho các ứng dụng khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ để cung cấp nước ngọt tại các khu vực xa xôi, hẻo lánh. Công nghệ chưng cất màng là một công nghệ lai ghép giữa công nghệ chưng cất truyền thống và công nghệ lọc màng. Do là công nghệ lai ghép, chưng cất màng kế thừa những ưu điểm và tránh được những hạn chế của cả hai nhóm công nghệ. Do đó, công nghệ chưng cất màng hiện đang được tập trung nghiên cứu và phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu và các tổ chức khoa học công nghệ trên thế giới. Gần đây, trên thế giới đã có rất nhiều công bố khoa học về ứng dụng công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển ở trong phòng thí nghiệm, cũng như ở quy mô bán công nghiệp (pilot). Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ chưng cất màng còn khá hạn chế. Chỉ có một số ít công trình nghiên cứu khoa học về ứng dụng
2 công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển ở quy mô phòng thí nghiệm. Các nghiên cứu này đã chứng tỏ tính khả thi về mặt kỹ thuật và chỉ ra những trở ngại của công nghệ chưng cất màng khử mặn nước biển. Song, ở Việt Nam hiện chưa có một nghiên cứu, khảo sát hoạt động của hệ thống chưng cất màng cho khử mặn nước biển ở quy mô pilot, đặc biệt là khi kết hợp với năng lượng mặt trời. Từ thực tế này, tôi đã lựa chọn luận văn: “Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô pilot.” Đây là một nghiên cứu có tính thực tiễn cao. Công nghệ chưng cất màng là một công nghệ mới, nhiều tiềm năng, và hứa hẹn phát triển không chỉ đối cộng đồng khoa học của Việt Nam mà còn của toàn thế giới. Chỉ tính riêng năm 2020, đã có hàng trăm công bố khoa học liên quan đến công nghệ chưng cất màng và ứng dụng công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển. Ở Việt Nam, Bộ Khoa học và Công nghệ trong các chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp quốc gia đã đặt nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ chưng cất màng để khử mặn nước biển, cung cấp nước sinh hoạt cho các cộng đồng dân cư trên đảo, hải đảo, và các vùng xa xôi hẻo lánh. Đề tài của luận văn là một nội dung trong nhiệm vụ nghiên cứu quan trọng này. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết kế, chế tạo, và khảo sát hoạt động của một hệ thống chưng cất màng MD ở quy mô pilot có sử dụng năng lượng mặt trời với công suất 1 m3 nước uống/ngày.
3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới Khử mặn nước biển đã và đang là một giải pháp hiệu quả để giải quyết bài toán khan hiếm nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới. Có thể nói, biển sẽ là nguồn nước ngọt vô tận cho loài người khi có các công nghệ khử mặn nước biển hiệu quả và kinh tế. Trên hành tinh xanh của chúng ta, biển và đại dương chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất và nước ngọt chỉ chiếm 3% lượng nước trên trái đất, 97% lượng nước còn lại là nước biển. Trong 3% nhỏ bé của tổng lượng nước ngọt trên trái đất, phần lớn nước ngọt nằm trong băng đá ở các cực và sâu trong lòng đất rất khó để khai thác. Con người chỉ có thể khai thác một phần nhỏ nước ngọt trên bề mặt trái đất nằm trong mạch nước ngầm và trong các ao hồ, sông suối. Song, nguồn nước ngọt nhỏ bé này lại đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do các hoạt động phát triển kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh này, khử mặn nước biển được các nhà khoa học và quản lý coi là giải pháp khả thi và bền vững để giải quyết bài toán khan hiếm nước ngọt [1-3]. Với các công nghệ khử mặn nước biển, độ mặn đầu vào của nước biển là đặc trưng quan trọng nhất quyết định sự lựa chọn và tính khả thi của công nghệ [4, 5]. Tùy vào vị trí địa lý, mùa, vào đặc điểm thời tiết, độ mặn của nước biển trên thế giới tại các khu vực khác nhau dao động trong dải rộng từ 15.000 mg/L đến 42.000 mg/L [4]. Với độ mặn cao này, nước biển không thể được sử dụng cho các nhu cầu của con người, mà nó cần phải khử mặn để giảm độ mặn thành nước ngọt. Theo quy ước, nước ngọt là nước có độ mặn (tổng hàm lượng muối tan) nhỏ hơn 500 mg/L [4]. Do đó, các công nghệ khử mặn nước biển, có thể dựa trên các nguyên lý khác nhau, đều có chung mục đích là giảm độ mặn của nước biển để thu được nước ngọt. Để khử mặn nước biển (giảm độ mặn xuống ngưỡng tiêu chuẩn của nước ngọt), các công nghệ khử mặn tiếp cận theo hai hướng khác nhau: (1) tách nước ngọt ra khỏi nước biển và (2) tách muối ra khỏi nước biển [6]. Trong 2 cách tiếp cận này, tách muối ra khỏi nước biển để khử mặn về logic có vẻ hiệu quả
4 hơn. Điều này là do trong nước biển, hàm lượng muối dù cao (15.000  42.000 mg/L), nhưng nó cũng là không đáng kể so với nước (chiếm phần lớn còn lại của nước biển). Do đó, việc tách muối ra khỏi nước biển sẽ tốn ít công hơn so với việc tách nước ra khỏi nước biển. Tuy nhiên, trong thực tế, dù hàm lượng của nó trong nước biển nhỏ hơn, việc tách muối ra khỏi nước biển phức tạp hơn nhiều so với việc tách nước. Do vậy, các công nghệ khử mặn nước biển chủ yếu tiếp cận theo cách thứ 2, tách nước sạch ra khỏi nước biển. Các công nghệ khử mặn nước biển đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới có thể được chia thành hai nhóm chính: công nghệ chưng cất và công nghệ màng [5, 7]. Các công nghệ khử mặn nước biển bằng chưng cất hoạt động dựa trên sự chuyển pha của nước: nước biển được gia nhiệt để bay hơi nước, sau đó hơi nước được ngưng tụ để thu được nước cất (nước sạch). Khác với các quá trình chưng cất, các quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ màng không thực hiện quá trình chuyển pha của nước mà thay vào đó chúng sử dụng một màng có tính chọn lọc cao để tách nước sạch ra khỏi dòng nước biển [4, 5, 7]. Nhờ đặc điểm này, các công nghệ khử mặn nước biển dùng màng lọc tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với các quá trình chưng cất; vì vậy chúng được lựa chọn cho hầu hết các nhà máy khử mặn nước biển đang và sắp được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới trừ khu vực Trung Đông [4, 5]. Tuy nhiên, chất lượng nước sạch thu được từ quá trình khử mặn dùng công nghệ màng lọc phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nguồn nước biển cấp vào, đặc biệt là độ mặn của nước biển. Do đó, các công nghệ khử mặn này yêu cầu phải tiền xử lý nguồn nước biển đầu vào rất kỹ để hạn chế việc bẩn màng lọc và quá trình vận hành các công nghệ này cũng phức tạp hơn do thường xuyên phải tiến hành rửa màng lọc. Ngược lại, các công nghệ chưng cất khử mặn tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, nhưng chúng có thể thu được nước sạch có độ tinh khiết cao hơn và chất lượng nước sạch thu được ít bị ảnh hưởng bởi nguồn nước biển cấp vào. Vì điều này, các công nghệ chưng cất khử mặn nước biển vẫn được ưu tiên lựa chọn ở các nước trong khu vực Trung Đông (Hình 1).
5 (A) (B) Hình 1. Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B) công nghệ sử dụng [7]. 1.1.1. Các công nghệ chưng cất Các công nghệ chưng cất ứng dụng cho khử mặn nước biển chủ yếu dựa trên hai quá trình: chưng cất nhanh đa bậc (multi stage flash, MSF) và chưng cất đa phân đoạn (multi effect distillation, MED). Các nhà máy khử mặn nước biển sử dụng 2 công nghệ này chiếm đến 28% thị phần khử mặn nước biển trên thế giới (Hình 1). Nguồn năng lượng chính của quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ chưng cất là nhiệt năng để đun nóng nước biển. Nguyên lý hoạt động của quá trình MSF được thể hiện trên Hình 2. Nước biển đã qua tiền xử lý chạy qua các ruột gà có vai trò như nước làm mát để ngưng tụ hơi nước trong các buồng bay hơi và được gia nhiệt sơ bộ nhờ nhiệt ngưng tụ của hơi nước. Nước biển đã gia nhiệt sơ bộ sau đó được tuần hoàn qua một thiết bị trao đổi nhiệt: trong thiết bị này, nước biển được đun nóng (90 – 100 oC) bằng hơi nóng. Nước biển đã được đun nóng sau đó được bơm vào các buồng bay hơi để bốc hơi nước. Sau khi đi qua các buồng bay hơi (các giai đoạn), nhiệt độ của nước biển giảm xuống trong khi độ mặn của nước biển tăng lên. Nước biển mặn ấm sau buồng bay hơi cuối cùng sẽ được bơm thải ra ngoài hệ thống. Để thúc đẩy quá trình bốc hơi nước, áp suất trong các buồng bay hơi được giảm xuống theo thứ tự từ buồng thứ nhất cho đến buồng cuối cùng sử dụng bơm hút chân không.
6 Hình 2. Quá trình khử mặn nước biển bằng công nghệ MSF [7]. Ưu điểm chính của công nghệ MSF khử mặn nước biển là nó thu được nước sạch (nước cất) có độ tinh khiết rất cao và quá trình vận hành tương đối đơn giản [8, 9]. Là một quá trình chưng cất, hoạt động của quá trình MSF ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn của nước biển như là quá trình RO (bị ảnh hưởng bởi áp suất thẩm thấu của nước biển). Quá trình MSF có thể hoạt động hiệu quả với nước biển có độ mặn cao (như ở khu vực Trung Đông), không yêu cầu quá trình tiền xử lý kỹ càng và có thể đạt được hiệu suất thu hồi nước cao [8, 9]. Tuy nhiên, quá trình MSF tiêu tốn rất nhiều năng lượng để làm bay hơi nước biển và ngưng tụ hơi nước để thu được nước sạch (Bảng 1). Do đặc điểm này, công nghệ MSF thường được sử dụng cho các nhà máy khử mặn nước biển có độ mặn cao và chất lượng đầu vào thường bị biến đổi.
7 Bảng 1. Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử mặn nước biển [7]. Công nghệ khử mặn MSF MED RO ED MD Nhiệt độ làm việc (C) 90-110 50-70 25 25 30-90 Áp suất làm việc (bar) 1 1 60-80 1 1 Điện năng tiêu thụ (kWh/m3) 3,5-5,0 1,5-2,5 4,0-8,0 17,0 0,13 Nhiệt năng tiêu thụ (kWh/m3) 69,4-88,3 41,7-61,1   90,0 Một công nghệ khử mặn nước biển dựa trên nguyên lý chưng cất khác là công nghệ MED (Hình 3). Có thể nói, MED là một trong những công nghệ chưng cất lâu đời nhất trên thế giới, song nó lại không thể cạnh tranh được với công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển. Hiện nay trên toàn thế giới, chỉ có khoảng 7% lượng nước ngọt sản xuất từ nước biển được thực hiện bởi quá trình MED (trong khi sản lượng của quá trình MSF là 21%) (Hình 1) [7]. So với quá trình MSF, quá trình MED có thiết kế tin cậy, công nghệ hoàn thiện, chất lượng sản phẩm cao hơn và năng lượng tiêu thụ ít hơn. Năng lượng nhiệt tiêu thụ trung bình của quá trình khử mặn MED nằm trong khoảng từ 41,7  61,1 kWh/m3 (Bảng 1). Song, công nghệ MED hiện tại chưa thể cạnh tranh với công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển vì nó có chi phí xây dựng và vận hành cao hơn. Quá trình MED khử mặn nước biển có nguy cơ xảy ra cặn kết tủa cao hơn nhiều so với quá trình MSF, dẫn đến quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ MED yêu cầu phải tiền xử lý nước biển kỹ càng hơn, vận hành ở nhiệt độ thấp hơn, và phải thường xuyên phải tiến hành vệ sinh và rửa các dàn trao đổi nhiệt.
8 Hình 3. Sơ đồ công nghệ quá trình MED khử mặn nước biển [7]. 1.1.2. Công nghệ thẩm thấu ngược RO Công nghệ RO hiện đang dẫn đầu thị trường khử mặn nước biển trên thế giới [3, 10]. RO sử dụng một màng lọc bán thấm để tách nước ngọt từ dòng nước biển. Do tính chọn lọc của nó, màng RO chỉ cho phép nước sạch thẩm thấu qua màng trong khi chặn lại toàn bộ các tạp chất (cặn lơ lửng, các chất hữu cơ, vi khuẩn, và virus) và muối tan. Do đó, quá trình khử mặn RO cho phép thu được nước ngọt có độ tinh khiết cao (với tổng lượng hòa tan TDS
9 Hình 4. Nguyên lý hoạt động của một quá trình khử mặn dựa trên công nghệ RO [11]. Tuy nhiên, khi áp dụng cho khử mặn nước biển, công nghệ RO cũng tồn tại một số nhược điểm cơ bản như sau: i) Đòi hỏi phải tiền xử lý rất kỹ lưỡng dòng nước biển cấp vào hệ thống (Hình 5) . Hình 5. Quy trình công nghệ của một quá trình khử mặn dùng công nghệ RO [6]. ii) Thường xuyên phải thực hiện rửa màng khi vận hành quá trình RO. ii) Có chi phí lắp đặt ban đầu tương đối cao do đòi hỏi sử dụng các vật liệu chịu được áp lực cao và có khả năng chống ăn mòn. Với những nhược điểm này, công nghệ RO chỉ phù hợp cho các nhà máy khử mặn nước biển có quy mô lớn ở những thành phố trung tâm với những khu