Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật 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

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

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

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

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

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

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.

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

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).

(B) (A)

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.

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.

Bảng 1. Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử

mặn nước biển [7].

Công nghệ khử mặn

ED

MD

MSF

MED

RO

90-110

50-70

25 30-90

Nhiệt độ làm việc (C)

Áp suất làm việc (bar)

60-80

1

1

3,5-5,0

1,5-2,5

4,0-8,0

17,0

0,13

Điện năng tiêu thụ (kWh/m3) 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.

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 <150 ppm). Tuy nhiên, để thu được nước ngọt từ dòng nước biển, cần phải áp dụng một áp suất thủy tĩnh rất cao bên phía dòng nước biển để vượt qua được áp suất thẩm thấu của nước biển (Hình 4). Công nghệ RO có những ưu điểm chính sau:

i) Có khả năng mô đun hóa rất cao và có kích thước nhỏ gọn, do đó các nhà máy khử mặn dùng công nghệ RO có diện tích và chi phi xây dựng ban đầu nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy sử dụng công nghệ chưng cất truyền thống. ii) Không đòi hỏi phải thực hiện quá trình chuyển pha để khử mặn nên năng lượng tiêu thụ của quá trình khử mặn RO nhỏ hơn rất nhiều so với quá trình khử mặn chưng cất truyền thống. iii) Cho phép thu được nước sạch có độ tinh khiết cao.

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

dân cư đông đúc. Ví dụ, ở Úc 6 nhà máy khử mặn nước biển dùng công nghệ RO đều có quy mô rất lớn và được xây dựng ở các thành phố trung tâm của các bang để cung cấp nước sạch phục vụ nhu cầu sinh hoạt trong các trường hợp khẩn cấp như hạn hán kéo dài.

1.1.3. Công nghệ điện thẩm tách ED

Công nghệ ED sử dụng các màng trao đổi ion để thực hiện quá trình khử mặn nước biển [12, 13]. Năng lượng tiêu thụ chính của quá trình ED là điện năng (Bảng 1) và nó phụ thuộc rất nhiều vào độ mặn của dòng nước biển. Điện năng tiêu thụ của quá trình ED cho khử mặn nước biển là khoảng 17 kWh/m3 trong khi với nước nhiễm mặn và nước nhiễm mặn điện năng tiêu thụ chỉ là 3  7 kWh/m3 [7]. Vì lý do này, công nghệ ED chỉ được chủ yếu áp dụng cho khử mặn nước nhiễm mặn để đảm bảo tính kinh tế của quá trình.

Nguy cơ bẩn màng cao cũng là một giới hạn của quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ ED [12, 13]. Do đó, tương tự như RO, quá trình khử mặn ED yêu cầu phải tiền xử lý dòng nước cấp rất kỹ càng và thường xuyên phải tiến hành rửa màng để phục hồi hiệu quả hoạt động của quá trình. Cải tiến đáng kể nhất gần đây trong công nghệ ED là ứng dụng đổi chiều điện cực trong quá trình ED để giảm thiểu hiện tượng bẩn màng. Quá trình cải tiến được gọi là điện thẩm tách đổi chiều (Electro Dialysis Reversal-EDR). Tuy nhiên, quá trình EDR mới đang ở giai đoạn nghiên cứu và cần thêm nhiều thời gian để được áp dụng cho khử mặn nước biển ở quy mô công nghiệp [4].

Hình 6. Nguyên lý hoạt động của quá trình ED [4].

1.2. Công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển

1.2.1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng

Chưng cất màng (membrane distillation, MD) là một công nghệ khử mặn có tiềm năng lớn để giải bài toán khan hiếm nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới [14, 15]. Chưng cất màng MD dựa trên sự bay hơi và ngưng tụ của hơi nước để khử mặn nước biển giống như công nghệ chưng cất truyền thống, nhưng nó sử dụng màng lọc để thúc đẩy quá trình bay hơi và ngưng tụ này. Màng lọc sử dụng trong công nghệ MD là màng kỵ nước, vi xốp với các lỗ xốp

có kích thước khoảng 0,2 m [16, 17]. Nhờ tính chất kỵ nước và kích thước lỗ

xốp nhỏ này, khi tiếp xúc với dòng nước biển, màng lọc MD sẽ tạo nên bề mặt phân cách pha lỏng-hơi tại miệng các lỗ màng, và nó chỉ cho hơi nước truyền qua trong khi ngăn không cho nước lỏng thấm qua các lỗ màng [18-20]. Trong quá trình MD, khi gia nhiệt dòng nước biển để tạo áp suất hơi nước chênh lệch giữa hai bề mặt màng, nước sẽ bay hơi từ bên dòng nước biển mặn nóng rồi

dịch chuyển qua các lỗ màng và ngưng tụ thành nước cất ở bên dòng nước cất mát (Hình 7).

Dựa trên nguyên lý hoạt động này, có thể coi MD là một công nghệ lai ghép giữa quá trình chưng cất và quá trình lọc màng, do đó nó thừa hưởng ưu điểm của cả hai quá trình trên. Dựa trên nguyên lý chưng cất, hoạt động của quá trình MD khử mặn nước biển ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn và chất lượng ban đầu của nước biển cấp vào giống như các công nghệ MSF và MED. Với đặc điểm này, MD có thể được áp dụng để khử mặn nước biển ở nhiều khu vực trên thế giới với độ mặn và các tính chất đặc trưng khác nhau mà vẫn đảm bảo thu được nước cất với độ tinh khiết rất cao. Quan trọng hơn, MD thực hiện quá trình chưng cất mà không yêu cầu phải đun nóng nước lên đến nhiệt độ sôi như quá trình MSF và MED: các nghiên cứu công bố đã chứng tỏ quá trình MD có thể

khử mặn nước biển hiệu quả khi vận hành ở nhiệt độ dòng cấp nóng là 40  80

C [18-20]. Với nhiệt độ vận hành này, các nguồn năng lượng tái tạo như là

nhiệt dư từ các quá trình công nghiệp khác và nhiệt mặt trời có thể tích hợp với quá trình MD để giảm chi phí năng lượng vận hành của nó. Thực tế là các nghiên cứu ứng dụng công nghệ MD cho khử mặn nước biển đều hướng đến việc sử dụng và tích hợp năng lượng tái tạo để giảm thiểu chi phí năng lượng và giá thành của nước ngọt thu được [21-23]. Là một quá trình màng, MD có ưu điểm là rất nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp với các hệ thống xử lý nước khác để nâng cao hiệu quả xử lý. Các màng lọc MD (giống như RO) được chế tạo thành các mô đun, cho phép dễ dàng lắp giáp, thay đổi công suất, vận hành, và duy tu bảo dưỡng. Khác với RO, MD không vận hành bằng áp suất, do đó mô đun màng lọc và các chi tiết khác của hệ thống MD có thể được chế tạo từ các vật liệu chi phí thấp mà vẫn có khả năng chống ăn mòn cao như là nhựa và nhôm [18-20, 24]. Nhờ điều này, chi phí xây dựng và lắp đặt các hệ thống MD khử mặn nước biển có thể được giảm thiểu và thấp hơn đáng kể so với các hệ thống RO. Một ưu điểm nổi bật nữa của công nghệ MD so với RO là nó ít bị ảnh hưởng bởi bẩn và cặn màng [17, 18]. Do hoạt động trên nguyên lý chưng cất, trong quá trình MD nước lỏng và các cặn bẩn không bám dính lên thành các lỗ màng như trong quá trình RO và áp suất thủy tĩnh của các dòng nước

trong quá trình MD cũng thấp hơn nhiều so với RO. Do vậy, hiện tượng bẩn cặn màng ít xảy ra với quá trình MD khử mặn nước biển khi vận hành ở chế độ thu hồi nước hợp lý (không quá 70% với nước biển) [18]. Điều này giúp quá trình MD khử mặn nước biển không đòi hỏi phải tiền xử lý dòng nước cấp kỹ càng như quá trình RO, do vậy giảm thiểu được chi phí năng lượng và hóa chất để vận hành quá trình MD.

Hình 7. Nguyên lý hoạt động của quá trình MD khử mặn nước biển [24].

1.2.2. Các cấu hình chưng cất màng

Trong thực tế, các hệ thống MD khử mặn nước biển được thiết kế và vận hành dựa trên bốn cấu hình cơ bản: chưng cất màng trực tiếp (direct contact membrane distillation, DCMD), chưng cất màng chân không (vacuum membrane distillation, VMD), chưng cất màng khí cuốn (sweep gas membrane distillation, SGMD) và chưng cất màng đệm khí (air gap membrane distillation, AGMD) [16, 17]. Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình cơ bản này được thể hiện trên Hình 8. Trong cả bốn cấu hình này, cấu trúc của khoang cấp là không thay đổi: dòng nước biển mặn nóng tiếp xúc trực tiếp với màng lọc và màng lọc ngăn không cho nước biển thấm qua màng. Song cấu trúc khoang thấm của bốn cấu

hình lại khác nhau tùy thuộc vào cách thức để tạo ra và duy trì sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa hai bên bề mặt màng.

Cấu hình DCMD có cấu trúc đơn giản nhất với dòng nước cất mát tiếp xúc trực tiếp với màng lọc ở bên khoang thấm (Hình 8a). Nhiệt độ chênh lệch giữa dòng nước biển nóng và dòng nước cất mát tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước, làm chuyển dịch nước (ở dạng hơi) từ dòng nước biển qua các lỗ màng sang dòng nước cất. Tuy nhiên, cấu trúc đơn giản này lại làm giảm hiệu suất nhiệt của cấu hình DCMD. Do dòng nước mặn nóng và dòng nước cất mát chỉ được ngăn cách bởi lớp màng mỏng, có một lượng nhiệt đáng kể truyền do dẫn nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh qua màng lọc. Lượng nhiệt truyền qua màng lọc này là nhiệt tổn thất do không liên quan đến sự dịch chuyển của hơi nước qua màng.

Để hạn chế tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt, trong cấu hình VMD và SGMD dòng nước cất mát được tách không cho tiếp xúc với màng lọc. Để tạo ra áp suất chênh lệch giữa 2 bên bề mặt màng, người ta áp dụng một áp suất chân không trong khoang cấp của cấu hình VMD, hay thổi một dòng khí qua khoang cấp của cấu hình SGMD (Hình 8b và c). Cấu hình VMD và SGMD có hiệu suất nhiệt và đạt được thông lượng cất nước cao hơn đáng kể so với cấu hình DCMD [6, 24]. Tuy nhiên, nhược điểm của cấu hình VMD và SGMD là phải sử dụng nhiều thiết bị phụ trợ như là bơm chân không, quạt khí và hệ thống ngưng tụ hơi nước tách rời bên ngoài mô đun màng lọc. Điều này làm cho các hệ thống MD sử dụng cấu hình VMD và SGMD có cấu tạo phức tạp, chi phí lắp đặt và vận hành cao hơn so với cấu hình DCMD. Do đó, cấu hình VMD và SGMD chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng khác không phải là khử mặn nước biển [17].

Hình 8. Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình MD cơ bản: (a) chưng cất màng trực tiếp DCMD, (b) chưng cất màng chân không VMD, (c) chưng cất màng khí cuốn SGMD, và (d) chưng cất màng đệm không khí AGMD [11].

Cấu hình AGMD (Hình 8d) vừa đảm bảo cấu trúc đơn giản của cấu hình DCMD, vừa có khả năng hạn chế tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt qua màng lọc như cấu hình VMD và SGMD. Trong khoang cấp của cấu hình AGMD, một tấm ngưng được chèn vào tạo lên một lớp đệm không khí giữa dòng nước làm mát và màng lọc, do đó làm giảm sự dẫn nhiệt qua màng nhờ tác dụng cách nhiệt của lớp không khí. Hơi nước bốc lên từ bên dòng nước biển nóng, dịch chuyển qua các lỗ màng và lớp không khí đến bề mặt tấm ngưng và ngưng tụ thành nước cất trên bề mặt tấm ngưng này. Với cấu trúc này, cấu hình AGMD cho

phép hơi nước ngưng tụ thành nước cất ngay bên trong mô đun màng lọc mà không cần đến các thiết bị bổ trợ như là bơm chân không, quạt gió và thiết bị ngưng tụ hơi nước bên ngoài như trong cấu hình VMD và SGMD. Đặc biệt, việc ngăn cách dòng làm mát và dòng nước cất trong cấu hình AGMD cho phép sử dụng dòng nước biển là dòng làm mát để tận dụng nhiệt tỏa ra từ quá trình ngưng tụ hơi nước gia nhiệt sơ bộ dòng nước biển trước khi đi vào khoang cấp. Cơ chế này giúp giảm đáng kể nhiệt năng cần để gia nhiệt dòng nước cấp. Với cấu trúc đơn giản và hiệu suất nhiệt cao, AGMD là cấu hình được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot và lớn hơn [25- 27].

Trong một nghiên cứu được công bố gần đây, Hung Cong Duong và đồng tác giả [19] đã tiến hành khảo sát hoạt động và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của một quá trình MD khử mặn nước biển sử dụng cấu hình AGMD. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ việc tuần hoàn dòng nước biển cấp vào khoang làm mát để tận dụng nhiệt ngưng tụ của hơi nước giúp nâng nhiệt độ dòng cấp lên đáng kể. Ví dụ như, khi vận hành ở lưu lượng tuần hoàn là 150

L/h, nước biển cấp vào khoang làm mát có nhiệt độ ban đầu là 25 C sẽ được đun nóng đến nhiệt độ 67 C sau khi ra khỏi khoang làm mát. Sau đó, chỉ cần gia nhiệt bổ sung để nâng nhiệt độ dòng cấp từ 67 C đến 70 C để tạo một nhiệt độ chênh lệch T = 3 C, hệ thống AGMD đã có thể đạt được thông lượng cất nước là 1,3 L/m2h. Sử dụng một mô đun màng lọc AGMD hình trụ với kích

thước (đường kính  chiều cao) là 0,4  0,5 cm, hệ thống có thể điều chế 9,5

L/h nước cất với độ tinh khiết rất cao từ nước biển. Các kết quả nghiên cứu của Hung Cong Duong và đồng tác giả [19] cùng với nhiều nghiên cứu khác đã chứng tỏ sự phù hợp của cấu hình AGMD cho ứng dụng khử mặn nước biển cung cấp nước uống.

1.2.3. Màng lọc sử dụng cho quá trình chưng cất màng

Màng lọc là chi tiết quan trọng nhất trong hệ thống MD bởi nó ảnh hưởng trực tiếp đến trở lực của quá trình chuyển khối (truyền hơi nước) và truyền nhiệt qua màng và khả năng bị thấm ướt của các lỗ màng. Công nghệ chưng cất màng

MD sử dụng màng lọc vi xốp, kị nước ở dạng tấm phẳng hay mao quản bố trí bên trong các mô đun màng để thực hiện quá khử mặn [16, 17].

Các loại màng chế tạo từ polyme tổng hợp hay các vật liệu vô cơ có tính kị nước có thể được sử dụng trong quá trình MD [17]. Tuy nhiên, màng polyme được quan tâm nhiều hơn do những ưu việt của nó trong quá trình chế tạo so với màng lọc làm từ các vật liệu vô cơ. Những vật liệu polyme thường được sử dụng nhất là polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene (PP) và polyvinylidene difluoride (PVDF) bởi vì màng được chế tạo từ chúng có sức căng bề mặt thấp, có độ bền nhiệt và hóa học cao. Để chế tạo màng MD, người ta thường phủ lên bề mặt màng polyme một lớp vật liệu kị nước để tăng khả năng chống ướt màng. Các màng lọc có tính siêu kỵ nước được nghiên cứu và ứng dụng nhiều cho các quá trình MD xử lý các nguồn nước cấp có thành phần phức tạp với nguy cơ gây ướt màng cao như là nước thải mặn từ quá trình khai thác dầu khí [28, 29].

1.2.4. Hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước

biển

Mục đích của quá trình chưng cất màng MD khử mặn nước biển là thu được nước ngọt có độ tinh khiết cao để phục vụ nhu cầu của con người. Do vậy, hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng được đánh giá dựa trên các thông số cơ bản là thông lượng cất nước, độ tinh khiết của nước cất thu được, và năng lượng tiêu thụ của quá trình. Thông lượng nước cất phản ánh công suất của hệ thống chưng cất màng: hệ thống có thông lượng cất nước cao sẽ thu được nhiều nước ngọt trong cùng một thời gian vận hành hay với cùng một diện tích bề mặt màng. Vì nước cất thu được từ quá trình khử mặn nước biển, độ tinh khiết của nó thể hiện qua hàm lượng muối tan có trong nước cất: nước cất càng tinh khiết có hàm lượng muối tan càng nhỏ. Hàm lượng muối tan trong nước lại tỷ lệ thuận với độ dẫn điện của nước. Do đó, độ tinh khiết của nước cất thu được từ quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển thường được đánh giá bằng độ dẫn điện của nước cất thu được. Độ tinh khiết của nước cất cũng thể hiện hiệu quả khử muối của quá trình chưng cất màng, hiệu quả khử mặn càng lớn, nước

cất thu được có độ tinh khiết càng cao và ngược lại. Năng lượng tiêu thụ của quá trình chưng cất màng liên quan đến hiệu quả kinh tế và giá thành sản xuất của nước ngọt thu được từ quá trình khử mặn. Năng lượng tiêu thụ thấp sẽ giảm chi phí vận hành và giá thành của nước ngọt thu được.

Trong quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển, thông lượng cất nước, hiệu quả khử mặn, và năng lượng tiêu thụ được tính toán theo các công thức dưới đây [18-20]:

(3)

(4)

(5)

trong đó J là thông lượng cất nước: là thể tích nước cất thu được trong 1 giờ vận hành, trên 1 m2 màng lọc (L/m2.h); Rejection là hiệu quả khử mặn, và STEC là nhiệt năng tiêu thụ riêng phần: số kWh nhiệt năng cần tiêu tốn để thu được 1 m3 nước cất (kWh/m3). Cần lưu ý rằng với quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển, nhiệt năng là nguồn tiêu thụ chủ yếu do đó phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ quan tâm đến năng lượng nhiệt tiêu thụ và tính toán năng lượng tiêu thụ riêng phần chỉ dựa trên nhiệt năng tiêu tốn của quá trình.

Các thông số hoạt động của quá trình chưng cất màng MD khử mặn nước biển phụ thuộc rất nhiều vào đặc trưng màng lọc và điều kiện vận hành của quá trình. Các đặc trưng màng lọc như là kích thước lỗ màng, chiều dày màng, độ xốp của màng, độ khúc khuỷu của lỗ màng, và độ kị nước của bề mặt màng đều ảnh hưởng đến thông lượng cất nước, hiệu quả khử mặn, và năng lượng tiêu thụ của quá trình chưng cất màng [17, 24]. Bên cạnh đặc trưng của màng lọc, các điều kiện vận hành quá trình gồm: chất lượng và độ mặn của nước biển cấp vào hệ thống, nhiệt độ dòng nước cấp và dòng làm mát, lưu lượng tuần hoàn

của dòng cấp và dòng làm mát cũng ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển.

1.2.5. Bẩn và cặn màng trong quá trình chưng cất màng

Trong các công nghệ khử mặn nước biển sử dụng màng lọc, chưng cất màng MD khá an toàn khi xét về khía cạnh bẩn, cặn màng. Đặc biệt là khi so sánh với quá trình RO, nguy cơ bẩn màng trong chưng cất màng MD là thấp hơn đáng kể [30, 31]. Tuy nhiên, khi vận hành hệ thống MD ở hiệu suất thu hồi nước cao, hiện tượng bẩn màng sẽ xảy ra. Hiện tượng bẩn màng là sự lắng cặn của các chất rắn lơ lửng hoặc hòa tan, các chất hữu cơ, các hạt keo và vi sinh vật có trong nước biển lên bề mặt màng hoặc các lỗ mao quản. Bẩn màng làm giảm sự chuyển khối qua màng, do đó làm giảm thông lượng cất nước của quá trình chưng cất màng MD.

Trong các quá trình khử mặn sử dụng công nghệ màng lọc nói chung, có nhiều loại bẩn màng tồn tại trong hệ thống như: bẩn màng do chất rắn lơ lửng, bẩn màng do các chất bẩn hữu cơ, bẩn màng do vi sinh vật, và bẩn màng do hình thành kết tủa lắng cặn trên bề mặt màng [30, 31]. Với quá trình MD khử mặn nước biển, do độ mặn và nhiệt độ vận hành cao, hiện tưởng bẩn màng do vi sinh vật ít có nguy cơ xảy ra [6]. Bẩn màng do các chất rắn lơ lửng và các chất bẩn hữu cơ có thể xảy ra, song có thể hạn chế bằng các biện pháp sơ lọc tiền xử lý nước biển cấp vào hệ thống chưng cất màng. Các nghiên cứu công bố trước đây cho thấy chỉ cần sơ lọc nước biển bằng giấy lọc hay màng vi lọc là có thể đảm bảo ngăn chặn sự hình thành cặn bẩn hữu cơ và lơ lửng [18-20]. Bẩn màng do kết tủa lắng cặn xảy ra khi vận hành quá trình chưng cất màng ở hiệu suất thu hồi nước cao, khi ấy, dòng nước biển bị cô đặc dẫn đến nồng độ các muối ít tan trong nước biển vượt quá ngưỡng bão hòa, dẫn đến hình thành kết tủa trên bề mặt màng [18, 20, 30]. Các muối ít tan trong nước biển có thể kể đến như là muối cacbonat và sunfat của canxi và magie. Bẩn màng do kết tủa có thể được hạn chế bằng cách khống chế hiệu suất thu hồi nước của quá trình khử mặn nước biển. Ví dụ, các quá trình RO khử mặn nước biển thường được vận hành ở hiệu suất thu hồi nước không quá 50%, trong khi đó quá trình

chưng cất màng có thể vận hành ở hiệu suất thu hồi nước 70% mà vẫn không xảy ra hiện tượng bẩn màng do kết tủa lắng cặn [18]. Có thể nói, đây là một ưu điểm đáng kể của công nghệ chưng cất màng MD so với công nghệ RO cho ứng dụng khử mặn nước biển ở những khu vực xa xôi hẻo lánh trên các đảo và hải đảo.

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

Hiện có nhiều công nghệ được sử dụng để thu hồi năng lượng mặt trời, song hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời của các công nghệ này còn khá thấp. Các tấm quang năng của pin mặt trời thương mại có hiệu suất hấp thụ chỉ trong khoảng 20%: ví dụ như SunPower (22,2%), Panasonic (21,6%), LG (21,1%), Hanwha Q CELLS (19,6%), Solaria (19,4%). Pin mặt trời được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam, tuy nhiên việc ứng dụng chúng cho chưng cất màng khử mặn nước biển không phải là giải pháp tối ưu vì: (1) Khi sử dụng pin năng lượng mặt trời để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, điện năng lại cần chuyển lại thành năng lượng nhiệt dẫn đến việc giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng; và (2) Tấm quang năng hấp thụ ánh sáng mặt trời trên cơ sở bán dẫn chỉ hấp thụ một phần năng lượng mặt trời trong vùng cấm của bán dẫn để chuyển thành điện năng. Pin mặt trời chỉ hấp thụ được trong vùng dải sóng từ 300 đến 1100nm, trong khi một phần đáng kể năng lượng mặt trời trong vùng gần hồng ngoại và hồng ngoại không được tận dụng.

Việc sử dụng thiết bị thu nhiệt từ mặt trời có ưu điểm hơn về hiệu suất so với sử dụng tấm pin quang năng, do tấm thu nhiệt có thể thu nhiệt trên toàn bộ phổ phát xạ năng lượng mặt trời từ vùng hồng ngoại tới vùng tử ngoại và chuyển năng lượng đó thành nhiệt. Với các hệ thống cần cấp nhiệt, năng lượng nhiệt được hấp thụ trực tiếp nên không cần qua bước chuyển đổi, từ đó dẫn đến việc tránh mất mát năng lượng trong hệ thống. Trong khi hiệu suất của pin mặt trời đã thương mại hóa chỉ khoảng 20 – 25% thì hiệu suất chuyển đổi nhiệt của các thiết bị thu nhiệt mặt trời cao hơn rất nhiều, khoảng trên 60% và có thể đạt trên

80% với ngày nắng mạnh. Bảng 2 cho thấy hiệu suất hấp thụ và hệ số thất thoát nhiệt của một số thiết bị thu nhiệt mặt trời hiện có trên thị trường

Bảng 2. Hiệu suất chuyển đổi và hệ số thất thoát nhiệt của các loại thiết bị thu nhiệt mặt trời [32].

Loại thiết bị thu nhiệt

Hệ số chuyển đổi

Hệ số thất thoát nhiệt (kW/m2 C)

Nhiệt độ (C)

Tấm phẳng

0,66 – 0,83

2,9 – 5,3

20 – 80

Tấm phẳng chân không

0,81 – 0,83

2,6 – 4,3

20 – 120

Hồ chứa nhiệt

0,55

2,4

20 – 70

Ống chân không

0,62 – 0,84

0,7 – 2,0

50 – 120

Các hệ thống thu nhiệt thông thường gồm có tấm thu nhiệt dạng phẳng, tấm thu nhiệt chân không, bể thu nhiệt và ống thu nhiệt chân không. Mỗi hệ thống thu nhiệt có một ưu điểm và nhược điểm riêng [33]. Các bể chứa nhiệt có công nghệ đơn giản nhất nhưng hiệu quả thấp, tốn diện tích sử dụng và nhiệt độ có thể đạt trong ngày thấp. Tấm phẳng chân không và ống chân không cho hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao, thất thoát nhiệt thấp và khoảng nhiệt độ có thể

lên tới tối đa 120 C và thường xuyên duy trì mức 60  80 C, do đó tích hợp

dễ dàng cho các ứng dụng khử mặn trên công nghệ MD. Về độ bền cơ học, tấm phẳng chân không có ưu thế hơn ống chân không và dễ lắp đặt.

Hình 9. Cấu tạo tấm phẳng chân không thu nhiệt.

Cấu tạo của một bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng được thể hiện trên Hình 9. Khi bức xạ mặt trời đi qua lớp kính trong suốt đến tấm hấp thụ, phần lớn năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi lớp hấp thụ hiệu quả, sau đó truyền nhiệt cho môi chất trong ống, qua bộ trao đổi nhiệt làm nước nóng lên. Phần dưới bộ thu và hai bên vỏ là các lớp các nhiệt để giảm tổn thất dẫn nhiệt. Tấm kính phía trên được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt đối lưu của lớp không khí và ngăn các tia bức xạ nhiệt sóng dài phát ra từ tấm hấp thụ (hiệu ứng nhà kính).

Do vị trí địa lý gần xích đạo, Việt Nam có tiềm năng năng lượng mặt trời to to lớn. Việt Nam có tổng số giờ nắng cao trên 2.500 giờ/năm, tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230  250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam (

Bảng 3), đây là những cơ sở tốt cho phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời. Thực tế ứng dụng và phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam cũng chứng tỏ tiềm năng to lớn này.

Bảng 3. Số giờ nắng và cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau tại Việt Nam

Vùng

Ứng dụng

Giờ nắng trong năm

Cường độ BXMT (kWh/m2, ngày)

Đông Bắc

1600 – 1750

3,3 – 4,1

Trung bình

Tây Bắc

1750 – 1800

4,1 – 4,9

Trung bình

4,6 – 5,2

Bắc Trung Bộ

1700 – 2000

Tốt

2000 – 2600

4,9 – 5,7

Rất tốt

Tây Nguyên và Nam Trung Bộ

Nam Bộ

2200 – 2500

4,3 – 4,9

Rất tốt

1700 – 2500

4,6

Tốt

Trung bình cả nước

Nguồn: http://solarpower.vn

Với phân bố số giờ nắng và cường độ bức xạ như trong

Bảng 3, Việt Nam có tiềm năng lớn để sử dụng năng lượng mặt trời cho các hệ thống khử mặn nước biển trong đó có MD. Hiện tại, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào được công bố về hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển có sử dụng năng lượng mặt trời.

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống chưng cất màng MD ứng dụng cho khử mặn nước biển ở quy mô pilot để cung cấp nước uống. Nước biển cấp vào hệ thống MD là nguồn nước biển tự nhiên tại đảo An Bình (xã An Bình), huyện

Lý Sơn, tỉnh Quãng Ngãi với độ mặn dao động 32.000  35.000 mg/L.

Hệ thống chưng cất màng MD được nghiên trong luận văn là hệ thống dựa trên cấu hình chưng cất màng đệm không khí (AGMD). Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống AGMD khử mặn nước biển được thể hiện trên Hình 10.

Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mô 1 m3/ngày.

Nước biển được tiền xử lý thông qua một hệ thống vi lọc (lọc MF) với màng lọc là màng dạng sợi chế tạo từ popypropilen (PP) kích thước lỗ màng 1 µm. Nước biển sau sơ lọc MF được giữ trong bể chứa 2, bố trí trên cao so với bể cấp của hệ thống chưng cất màng MD. Khi mực nước trong bể cấp thấp hơn mực yêu cầu, van mức sẽ mở, nước biển sẽ chảy từ bể chứa 2 vào bể cấp dưới tác dụng của trọng lực.

Nước biển trong bể cấp của hệ chưng cất màng MD được làm mát để duy trì nhiệt độ làm việc nhờ sử dụng máy lạnh (chiller). Nước biển mát từ bể cấp được bơm vào khoang làm mát của các mô đun màng AGMD. Khi dòng làm mát chạy qua khoang làm mát, nó sẽ làm mát tấm ngưng để ngưng tụ hơi nước bốc sang từ bên khoang cấp. Quá trình ngưng tụ hơi nước tỏa nhiệt, nhiệt truyền qua tấm ngưng, làm nóng dòng làm mát. Khi ra khỏi khoang làm mát, nhiệt độ

dòng làm mát có thể được nâng lên đến 60  70 C tùy thuộc vào điều kiện vận

hành và đặc điểm cấu tạo của mô đun màng AGMD.

Sau khi ra khỏi khoang làm mát, dòng nước biển được cho qua một hệ trao đổi nhiệt (bể nóng gia nhiệt bổ sung) để nâng nhiệt độ dòng cấp nóng đến nhiệt độ vận hành. Nhiệt độ chênh lệch giữa đầu ra của khoang làm mát và đầu vào của khoang cấp chính là nhiệt độ chênh lệch giữa dòng làm mát và dòng cấp nóng dọc theo chiều dài của màng lọc bên trong mô đun màng. Khi dòng nước biển nóng chạy dọc theo bề mặt màng bên trong khoang cấp, nước sẽ bay hơi tại bề mặt màng, dịch chuyển qua các lỗ màng và lớp đệm không khí trước khi ngưng tụ thành nước cất trên bề mặt tấm ngưng. Khi ra khỏi khoang cấp, độ mặn của dòng nước cấp tăng lên trong khi nhiệt độ của nó giảm xuống do nhiệt truyền qua màng. Dòng nước mặn ấm ra khỏi mô đun màng lọc ở bên khoang cấp được hồi lưu quay trở lại bể cấp mát để vận hành ở hiệu suất thu hồi nước cao.

Chế độ vận hành hệ thống AGMD khi hồi lưu dòng nước mặn ấm sau khi ra khỏi mô đun màng lọc về bể cấp mát để nâng cao hiệu suất thu hồi nước được gọi là chế độ tuần hoàn nước mặn (brine-recycling). Ở chế độ này, do dòng nước mặn ấm được tuần hoàn quay trở lại bể cấp, độ mặn của nước trong bể cấp mát sẽ tăng lên theo thời gian vận hành đồng thời với việc tăng hiệu suất thu hồi nước. Khi đạt hiệu suất thu hồi nước mong muốn, một phần nước mặn ấm sẽ được thải ra ngoài theo tỷ lệ nhất định với lưu lượng nước cất thu được. Khi đó, độ mặn của nước trong bể cấp mát sẽ ổn định không thay đổi theo thời gian vận hành, và hệ thống MD sẽ đạt được hiệu suất thu hồi nước cao. Ưu điểm chính của chế độ vận hành tuần hoàn nước mặn là có thể đạt được hiệu suất thu hồi nước cao. Song, vận hành theo cơ chế này cần tiêu tốn năng lượng

để làm mát dòng nước thải mặn ấm sau khi ra khỏi khoang cấp của mô đun màng lọc AGMD trước khi tuần hoàn về bể cấp mát của hệ thống. Để tiết kiệm năng lượng làm mát, hệ thống AGMD có thể được vận hành ở chế độ không tuần hoàn dòng nước thải mặn (single-pass). Khi ấy, dòng nước mặn nóng sau khi ra khỏi khoang cấp của mô đun màng AGMD sẽ được thải ra môi trường. Vận hành hệ thống AGMD ở chế độ không tuần hoàn giúp tiết kiệm được năng lượng làm mát, song hiệu suất thu hồi nước của hệ thống sẽ bị giới hạn không quá 10%. Do đó, việc lựa chọn chế độ vận hành của hệ thống AGMD có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Nước biển cấp vào hệ thống được lấy trực tiếp từ bể chứa nước biển của nhà máy nước RO tại đảo An Bình (xã An Bình) thuộc huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi). Các phân tích tiến hành tại Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cho thấy các đặc trưng của nước biển như trình bày trong Bảng 4.

Bảng 4. Đặc trưng của nước biển lấy tại đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn.

Tính chất Giá trị Đơn vị

Độ mặn mg/L 32.000  35.000

TSS 10 mg/L pH 7,8

COD 7 mg/L

mg/L Độ cứng (Ca2+) 400

N tổng 4 mg/L

P tổng 0,2 mg/L

Coliform 6 MPN/100 mL

Từ kết quả phân tích được trình bày trong Bảng 4, có thể nhận thấy nước biển tại xã An Bình – nơi được bao quanh bởi Biển Đông, có dòng hải lưu chảy liên tục – khá sạch với hàm lượng các cặn lơ lửng thấp (TSS = 10 mg/L). Độ

mặn của nước biển dao động trong khoảng 32.000  35.000 mg/L. Độ mặn này

thấp hơn một chút so với độ mặn trung bình của nước biển trên trái đất (35.000

mg/L). Điều này là do đảo An Bình nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lượng mưa quanh năm tương đối cao. Thời điểm lấy mẫu nước trùng vào thời điểm mùa mưa trong năm, do đó độ mặn của mẫu nước biển tương đối thấp một chút. Do đảo An Bình nằm khá xa đất liền, hàm lượng các chất hữu cơ trong nước là khá thấp (7 mg/L), độ cứng và hàm lượng nitơ và phốt pho trong nước cũng không đáng kể so với các nguồn nước mặt. Những chỉ tiêu này khá thuận lợi cho quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ MD. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho hệ thống MD khử mặn nước biển có thể hoạt động tin cậy trong thời gian dài, cần tiến hành lọc sơ bộ nước biển bằng quá trình vi lọc MF.

2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất

Các dụng cụ và thiết bị sử dụng trong đề tài gồm các thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm và các thiết bị thiết kế và chế tạo hệ thống chưng cất màng MD ở quy mô pilot. Các thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm gồm: thiết bị chuẩn độ lượng ion Cl- bằng bạc nitrat với chỉ thị kalicromat để xác định hàm lượng NaCl trong nước biển theo TCVN 4591:1988, thiết bị xác định pH của nước theo tiêu chuẩn TCVN 6492 - 2011 (ISO 10523-2008). Các thiết bị sử dụng cho thiết kế, chế tạo, và khảo sát hệ thống ở quy mô pilot bao gồm: máy tính và phần mềm thiết kế tính toán, các thiết bị gia công cơ khí, các thiết bị điều khiển tự động cho hệ thống chưng cất màng, đồng hồ đo điện năng, lưu lượng kế, nhiệt kế, và đồng hồ đo độ dẫn để xác định độ mặn tại hiện trường.

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Phương pháp lấy mẫu và phân tích

Trong quá trình khảo sát, các mẫu nước được lấy là nước biển cấp vào hệ thống MD (sử dụng hệ thống bơm lấy nước biển của nhà máy nước Doosan), nước biển sau tiền xử lý, nước mặn ở trong bể cấp của hệ thống MD, và nước cất thu được sau hệ thống MD. Thời gian lấy mẫu sau 30 phút khi hệ thống vận hành ổn định.

Mẫu sau khi được lấy sẽ được bảo quản trong tủ bảo quản mẫu nhằm hạn chế sự thay đổi tính chất của mẫu. Tùy vào chỉ tiêu phân tích, mẫu sẽ được phân tích trực tiếp tại hiện trường hoặc được gửi về phân tích tại:

Địa điểm phân tích: Phòng Công nghệ xử lý nước, Viện Công nghệ môi

trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Địa chỉ: Số 18 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà Nội

Phương pháp phân tích được sử dụng theo tiêu chuẩn hiện hành (TCVN)

cụ thể:

- Xác định NaCl theo TCVN 4591:1988 bằng cách chuẩn độ lượng ion Clo

bằng bạc nitrat với chỉ thị kalicromat.

- Xác định các thông số pH được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 6492 -

2011 (ISO 10523-2008).

Tại thực địa nghiên cứu, nhiệt độ của nước được đo trực tiếp nhờ sử dụng các cảm biến nhiệt PT100 tích hợp trên hệ thống MD. Độ dẫn điện và pH của nước được đo sử dụng máy đo độ dẫn/pH tích hợp. Độ mặn của các mẫu nước được xác định nhanh bằng cách đo độ dẫn điện của nước.

2.3.2. Phương pháp thực nghiệm

Hoạt động của hệ thống chưng cất màng AGMD được khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot tại thực địa. Nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm là cơ sở cho khảo sát, nghiên cứu ở quy mô pilot tại thực địa. Hệ thống chưng cất màng sử dụng cấu hình AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm (Hình 11 và Hình 12) được sử dụng để khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của các yếu tố vận hành và đặc trưng của nước biển cấp vào hệ thống lên hiệu quả hoạt động (thông lượng cất, hiệu suất khử mặn và chất lượng nước cất thu được), và nguy cơ hình thành cặn, bẩn màng cũng như hiệu quả rửa màng khi sử dụng giấm ăn.

Hình 11. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí

nghiệm.

Hình 12. Hình ảnh thực tế của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí

nghiệm.

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được từ phòng thí nghiệm, các thông số vận hành của hệ thống AGMD ở quy mô pilot sẽ được lựa chọn để khảo sát đảm bảo tránh không xảy ra hiện tượng ướt màng.

Trong nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm, ảnh hưởng của các thông số vận hành lên hoạt động của hệ AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sẽ được khảo sát khi nguồn nước cấp vào hệ thống là nước biển nhân tạo pha từ muối ăn và nước sạch có độ mặn 35.000 mg/L. Các thông số vận hành hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm bao gồm: nhiệt độ dòng cấp nóng, nhiệt độ dòng làm mát, lưu lượng tuần hoàn của dòng cấp nóng, và lưu lượng tuần hoàn của dòng làm mát. Hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm được đánh giá dựa trên 2 thông số quan trọng là thông lượng cất nước và hiệu quả khử mặn.

Nước biển tự nhiên cũng được sử dụng để đánh giá hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm. Trong quá trình vận hành hệ thống AGMD với nước cấp là nước biển, các thông số vận hành của hệ thống gồm: nhiệt độ dòng cấp nóng, nhiệt độ dòng làm mát, lưu lượng tuần hoàn dòng cấp nóng và dòng làm mát được cố định không đổi. Dòng nước cấp sau khi đi qua mô đun màng lọc AGMD được hồi lưu quay trở lại bình cấp để tiếp tục quá trình khử mặn. Với sự hồi lưu của dòng nước mặn sau mô đun AGMD về bình cấp, độ mặn của dòng cấp tăng dần theo thời gian vận hành, đồng nghĩa với hiệu suất thu hồi nước của quá trình AGMD cũng tăng. Mục đích của nghiên cứu này là để đánh giá hoạt động của hệ thống AGMD khi tăng hiệu suất thu hồi nước với dòng cấp là nước biển tự nhiên đã qua sơ lọc và không qua sơ lọc.

Với nước biển tự nhiên đã qua sơ lọc MF, hàm lượng cặn lơ lửng trong nước cấp là không đáng kể. Do đó, hiện tượng cặn bẩn màng có thể không quan ngại ở hiệu suất thu hồi nước thấp. Tuy nhiên, khi vận hành quá trình AGMD ở hiệu suất thu hồi nước cao, các muối ít tan trong nước biển có thể vượt quá nồng độ bão hòa, dẫn đến hình thành kết tủa và lắng cặn trên bề mặt màng.

Trong trường hợp hình thành cặn, bẩn trên bề mặt màng, để phục hồi thông lượng lọc, luận văn cũng tiến hành nghiên cứu hiệu quả rửa màng bằng dung dịch giấm ăn. Trong quá trình rửa màng, giấm ăn được cấp vào bình chứa nước cấp và tuần hoàn qua khoang cấp của mô đun màng. Quá trình rửa màng được tiến hành ở nhiệt độ thường (không bật hệ gia nhiệt và làm mát). Lưu lượng

tuần hoàn giấm ăn qua khoang cấp của màng được thiết lập bằng van điều chỉnh lưu lượng. Thời gian rửa màng là 5 phút. Sau khi rửa màng bằng giấm ăn, nước sạch được cấp vào bình cấp và tuần hoàn qua khoang cấp của mô đun màng để rửa sạch giấm ăn. Thiết bị đo pH được sử dụng để đo nước rửa. Quá trình rửa màng kết thúc khi nước rửa có pH trung tính. Màng lọc sau khi rửa được khảo sát bề mặt bằng chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM và đo góc tiếp xúc của chất lỏng để đánh giá độ phục hồi màng.

Đối với hệ thống chưng cất màng AGMD ở quy mô pilot tại thực địa, nước cấp vào hệ thống là nước biển lấy tại đảo An Bình sau khi qua sơ lọc MF. Trong quá trình khảo sát hệ thống AGMD ở quy mô pilot, hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng được đánh giá bằng công suất cất nước (L/h), độ mặn của nước cất thu được, và năng lượng tiêu thụ riêng của hệ thống. Công suất cất nước được xác định bằng cách đo thể tích nước cất thu được từ hệ thống trong một đơn vị thời gian (là tích của thông lượng cất nước và diện tích bề mặt màng). Để tiến hành, ống đong có vạch chia và đồng hồ bấm giây được sử dụng. Độ mặn của nước cất thu được từ hệ thống được xác bằng độ dẫn điện. Năng lượng tiêu thụ riêng được đo bằng đồng hồ đo điện tích hợp trên hệ thống chưng cất màng MD ở quy mô pilot.

Khi khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố vận hành lên hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng AGMD ở quy mô pilot, một yếu tố vận hành được thay đổi trong các dải tham khảo từ các nghiên cứu công bố trước đó trong khi các yếu tố vận hành khác được cố định không thay đổi. Điều này giúp việc khảo sát được dễ dàng hơn. Sau khi đã tìm được các thông số vận hành trong dải tối ưu hay hợp lý, quá trình khử mặn nước biển tự nhiên thực tế trên Đảo An Bình sẽ được khảo sát trong thời gian vận hành kéo dài. Trong quá trình khảo sát kéo dài, hệ thống AGMD được vận hành vào ban ngày để tận dụng năng lượng mặt trời, và được dừng vào ban đêm. Khi dừng hệ thống AGMD, bơm tuần hoàn và thiết bị gia nhiệt, thiết bị làm mát ngừng hoạt động và nước biển được giữ trong mô đun màng để tránh hiện tượng khô màng.

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

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

Trên cơ sở các kết quả tính toán ở quy mô phòng thí nghiệm và nghiên cứu thiết kế của các hệ MD ở quy mô pilot đã được công bố trên thế giới, đặc biệt là hệ thống MD tại Đại học Công nghệ Xitni, hệ thống MD khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày được thiết kế và lắp đặt theo sơ đồ thể hiện trên Hình 10. Hệ thống MD ở quy mô pilot này dựa trên cấu hình chưng cất màng đệm không khí (AGMD) và được lắp đặt tại nhà máy nước Doosan trên Đảo An Bình, xã An Bình, huyện đảo Lý Sơn.

Các khối thiết bị chính trong hệ thống chưng cất màng AGMD ở quy mô

pilot bao gồm:

- Hệ tiền xử lý: bao gồm màng vi lọc MF, thùng chứa và van điện từ. Hệ

tiền xử lý có chức năng loại bỏ các tạp chất có thể làm bẩn, tắc màng.

- Các mô đun màng lọc AGMD: hệ thống sử dụng 03 mô đun màng lọc có cấu hình chưng cất màng đệm không khí (AGMD). Cấu hình AGMD được lựa chọn cho hệ thống ở quy mô pilot là vì hiệu suất nhiệt ưu việt của nó so với các cấu hình cơ bản khác của MD.

- Hệ thu năng lượng mặt trời: bao gồm các tấm hấp thụ nhiệt và bơm tuần hoàn. Hệ thống có nhiệm vụ làm nóng môi chất (dầu glyxerin) để trao đổi nhiệt với nước biển.

- Hệ thống gia nhiệt: bao gồm hệ năng lượng mặt trời và các điện trở đốt

có nhiệm vụ bổ sung thêm nhiệt cho môi chất làm nóng.

- Hệ thống làm lạnh bao gồm tấm trao đổi nhiệt và máy lạnh (chiller) có

nhiệm vụ làm lạnh nước biển đầu vào và nước biển sau quá trình hồi lưu.

- Hệ thống tự động hóa: bao gồm bộ điều khiển trung tâm, biến tần và các cảm biến. Hệ thống tự động hóa có nhiệm vụ đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và giảm thiểu tác động của con người trong quá trình hoạt động giúp tăng

tuổi thọ hệ thống. Đặc biệt trong nghiên cứu này, công nghệ thông minh 4.0 được tích hợp vào hệ thống MD qua các thiết bị tự động hóa và theo dõi thông minh. Các thiết bị này cho phép ghi lại dữ liệu, truyền dữ liệu lên đám mây (cloud), và cho phép người vận hành có thể truy suất dữ liệu khi sử dụng Internet.

3.1.1. Thiết kế mô đun màng MD

Trong khuôn khổ của đề tài, việc thiết kế mô đun màng lọc được thực hiện trên cơ sở tính toán diện tích bề mặt màng yêu cầu để hệ thống MD đạt công suất cất nước theo thiết kế. Do công nghệ MD còn khá mới và hiện đại, trên thế giới có rất ít thông tin liên quan đến công nghệ chế tạo mô đun màng MD. Đề tài này tiếp cận theo hướng tính toán diện tích bề mặt màng yêu cầu, từ đó lựa chọn mô đun màng lọc với yêu cầu kỹ thuật phù hợp, sau đó thiết kế và lắp đặt hệ thống chưng cất màng MD trên cơ sở các mô đun màng lọc AGMD thương mại. Đề tài cũng tiến hành nghiên cứu nguyên lý cấu tạo của các mô đun màng lọc AGMD thương mại qua việc cắt bổ và nghiên cứu cấu tạo bên trong của mô đun màng (Hình 13).

𝑄

Diện tích màng (A, m2) được tính toán qua công thức (1):

𝐽

(1) 𝐴 =

Trong đó:

- Q là công suất lọc (L/h), với công suất thiết kế 1 m3 nước uống/ngày và

vận hành trong 12 giờ, vậy Q = 1000/12 = 83,3 (L/h).

- J là thông lượng lọc (L/m2.h). Trong quá trình vận hành hệ thống MD

thông lượng lọc thường được sử dụng là 1,5 L/m2.h.

Theo công thức (1) ta tính toán được diện tích màng MD cần thiết để thu

được công suất lọc nước 83,3 L/h là:

𝐴 = = = 55,5 𝑚2 𝑄 𝐽 83,3 1,5

Hiện nay, trên thị trường chỉ có tập đoàn Aquastill (Hà Lan) đang cung cấp các mô đun màng AGMD thương mại với diện tích 25,9 m2. Do vậy, số lượng mô đun màng lọc cần sử dụng cho hệ thống MD để đạt được công suất thiết kế là: n = 55,5/25,9 = 2,15 ≈ 3 mô đun.

Vậy để thu được 1 m3/ngày cần phải sử dụng 3 mô đun màng lọc AGMD. Chỉ tiêu và các đặc tính kỹ thuật của mô đun màng lọc AGMD do Aquastill cung cấp được trình bày trong Bảng 5.

(A) (B)

Hình 13. Hình ảnh thực của (A) mô đun màng lọc AGMD và (B) mặt cắt ngang của mô đun màng lọc AGMD.

Bảng 5. Các đặc tính kỹ thuật của mô đun màng lọc AGMD thương mại sản xuất bởi Aquastill, Hà Lan

Diện tích bề mặt màng (m2) Đường kính mô đun màng (m) Chiều cao của mô đun màng (m) Chiều dài của kênh màng (m) Chiều rộng của kênh màng (m) Độ sâu của các khoang cấp (mm) Độ sâu của các khoang làm mát (mm) Độ sâu của các khoang ngưng tụ (mm) 25,9 0,6 0,5 2,7 0,4 2,0 2,0 1,0

Số lượng khoang cấp Số lượng khoang làm mát Số lượng khoang ngưng tụ 12 12 24

3.1.2. Thiết kế hệ thống gia nhiệt và làm lạnh

3.1.2.1. Hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng 12 tấm phẳng thu nhiệt mặt trời của hãng MEGASUN với hiệu suất hấp phụ nhiệt lên tới 95%. Các thông số tấm phẳng thu nhiệt mặt trời được trình bày ở Bảng 6. Các tấm thu năng lượng mặt trời được sử dụng để cung cấp nhiệt cho hệ thống MD khi vận hành ở điều kiện bức xạ mặt trời tốt. Bên cạnh các tấm thu năng lượng mặt trời, các điện trở đốt cũng được sử dụng để bổ sung nhiệt cho hệ thống MD. Công suất của các điện trở phụ được sử dụng trong hệ thống MD pilot là 3 kW. Việc tích hợp các tấm thu năng lượng mặt trời để bổ sung năng lượng cho hệ thống MD ở quy mô pilot được thể hiện trên Hình 14.

Bảng 6. Các thông số tấm phẳng thu nhiệt mặt trời.

Kích thước tấm thu (mm) 2000125080

Diện tích hấp phụ (m2) 2,35

Áp suất làm việc tối đa (bar) 6

Vật liệu chống thấm EPDM

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.

3.1.2.2. Tính toán công suất hệ làm lạnh (chiller)

Công suất hệ làm lạnh (chiller) được tính toán theo công thức:

P = Cp x ΔT x Q/3600 (6)

Trong đó: Cp là nhiệt dung riêng của nước Cp = 4,2 kJ/Kg.K

ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nước sau khi vào mô đun và

nước ra mô đun, lấy giá trị cao nhất là ΔT = 5 °C.

Q: lưu lượng tuần hoàn cao nhất là Q = 540 L/h

Công suất hệ làm lạnh cao nhất của hệ thống là:

P = Cp x ΔT x Q/3600 = 4200 x 5 x 540/3600 = 3.150 J/s = 3,15 kW

Quá trình vận hành hệ thống MD cần chú ý theo dõi 2 thông số thường trực là nhiệt độ và lưu lượng tuần hoàn nước để tránh tình trạng giảm lưu lượng cất nước hoặc hết nước đầu vào dẫn đến cháy phốt motor. Ngoài ra có rất nhiều dữ liệu cần được kiểm soát và theo dõi trong quá trình vận hành nên việc truy xuất dữ liệu online trực tiếp từ hệ thống là điều cần thiết.

Thiết bị điều khiển trung tâm còn bao gồm một hệ thống truyền thông. Hệ thống này gồm 16 cảm biến và 4 biến tần được được khiển với thuật toán với tham số đầu vào là nhiệt độ và áp suất. Mạng truyền dữ liệu cảm biến theo tiêu chuẩn MODBUS RTU 19200, 8 BIT, NON PARITY, STOP BIT 1. MODBUS RTU với tốc độ 19200 bps/s đến một đơn vị điều khiển trung tâm là PLC, tốc

độ xử lý lệnh 0,12 s. Hoạt động của thiết bị điều khiển trung tâm được thể

hiện trên màn hình tích hợp trên hệ thống MD ở quy mô pilot như thể hiện trên Hình 15.

Hình 15. Sơ đồ hệ thống tự động hóa của hệ khử mặn nước biển MD ở quy mô pilot lắp đặt tại Đảo An Bình.

Hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày sau khi được thiết kế, chế tạo, và lắp đặt được triển khai tại đảo An Bình (đảo An Bình) huyện đảo Lý Sơn. Hình 16 và Hình 17 thể hiện hình ảnh thực tế của hệ thống sau khi được triển khai tại đảo An Bình.

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 An Bình, Lý Sơn.

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.

3.2. Khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng khử mặn

nước biển

3.2.1. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm

3.2.1.1. Hiệu quả hoạt động của hệ thống với nước cấp là nước biển nhân tạo

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh lên thông lượng cất nước của quá trình AGMD. Tăng nhiệt độ dòng cấp trong khi duy trì nhiệt độ dòng làm mát không

đổi ở 25 C làm tăng mạnh thông lượng cất nước (Hình 18). Điều này là do sự

Lưu lượng dòng nóng-lạnh:

9,00

0,1-0,1 L/ph

0,2-0,1 L/ph

0,3-0,1 L/ph

8,00

) h

0,1-0,2 L/ph

0,1-0,3 L/ph

. 2

7,00

6,00

m L ( c ớ ư n

5,00

t ấ c

4,00

3,00

2,00

g n ợ ư l g n ô h T

1,00

0,00

55 Nhiệt độ (oC)

phụ thuộc theo hàm số mũ giữa áp suất hơi nước và nhiệt độ như thể hiện trong phương trình Antoine. Tăng nhiệt độ dòng cấp làm tăng áp suất hơi nước tại bề mặt pha lỏng-hơi tại các miệng lỗ màng bên khoang cấp, do đó làm tăng động lực của quá trình AGMD. Kết quả là tốc độ truyền hơi nước qua các lỗ màng tăng lên, do đó làm tăng thông lượng cất nước. Kết quả thí nghiệm thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây.

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.

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng lưu lượng của dòng cấp và dòng làm mát có ảnh hưởng đến thông lượng cất nước của hệ thống AGMD ở mức độ khác nhau (Bảng 7 và Hình 19). Tăng lưu lượng của dòng cấp và dòng làm mát đều làm tăng thông lượng cất nước; tuy nhiên thông lượng cất nước tăng mạnh hơn khi tăng lưu lượng dòng cấp so với tăng lưu lượng dòng làm mát (Bảng 7 và Hình 19). Điều này có thể lý giải là do sự tồn tại của hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ. Có thể là hiệu ứng phân cực nhiệt độ bên khoang cấp cao hơn so với khoang làm mát (do bề mặt màng có độ nhám cao hơn so với bề mặt tấm ngưng tụ bằng nhôm). Bên cạnh đó, hiệu ứng phân cực nồng độ chỉ tồn tại bên khoang cấp trong cấu hình AGMD (do nước làm mát và nước cất thu được được tách bởi tấm ngưng tụ). Tăng lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát làm tăng sự chảy rối, do đó làm giảm hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ bên khoang cấp, và hiệu ứng phân cực nhiệt độ bên khoang làm mát.

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.

Nhiệt độ vận hành (oC)

Lưu lượng dòng cấp-làm mát (L/ph)

Thông lượng cất nước (L/m2.h)

0,1-0,1 1,63 0,1-0,1 1,63

45 0,1-0,2 1,65 0,2-0,1 1,88

0,1-0,3 1,75 0,3-0,1 1,95

0,1-0,2 3,72 0,1-0,1 3,72

60 0,1-0,2 4,09 0,2-0,1 4,31

0,1-0,3 4,56 0,3-0,1 4,74

5,00

(3)

4,50

(4)

4,00

) h

. 2

3,50

3,00

m L ( t ấ c

2,50

(1)

2,00

(2)

1,50

g n ợ ư l g n ô h T

1,00

0,50

0,00

0,10

0,30

0,40

0,20 Lưu lượng (L/ph)

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.

Bên cạnh đó, kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra rằng lưu lượng của dòng cấp và dòng làm mát ảnh hưởng đến thông lượng cất nước của hệ thống ở mức độ mạnh hơn khi vận hành hệ thống ở nhiệt độ cao (Bảng 7 và Hình 19). Khi vận

hành hệ thống ở nhiệt độ nước cấp 45 C, tăng lưu lượng dòng nước cấp và

dòng làm mát từ 0,1 lên 0,3 L/ph, thông lượng cất nước chỉ tăng nhẹ từ 1,5 lên 1,8 L/m2.h. Trong khi đó đối với quá trình ở nhiệt độ nước cấp 60 C, tăng lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát như trên làm tăng đáng kể thông lượng cất nước từ 3,6 lên 4,5 L/m2.h. Sự khác nhau này được giải thích là do mức độ phân cực nhiệt độ và nồng độ khác nhau ở các nhiệt độ nước cấp khác nhau. Sự phân cực xảy ra mạnh hơn khi vận hành hệ thống ở nhiệt độ cao hơn. Sự phân cực nhiệt độ và nồng độ đều làm giảm thông lượng cất nước. Tăng lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát có tác dụng làm giảm hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ, do đó nó ảnh hưởng lên thông lượng cất nước mạnh hơn khi vận hành quá trình ở nhiệt độ cao.

2.1.2. Hiệu quả hoạt động của hệ thống với nước cấp là nước biển tự nhiên

Trong quá trình AGMD với nước biển, cặn bẩn màng có thể hình thành từ hai nguồn gốc khác nhau: cặn bẩn do các chất bẩn hữu cơ và cặn do kết tủa của các muối ít tan khi nồng độ của chúng vượt quá nồng độ bão hòa. Ảnh hưởng của hai yếu tố này lên hoạt động của quá trình AGMD được đánh giá qua hai thí nghiệm: với nước cấp là nước biển đã qua sơ lọc bằng MF, và với nước cấp là nước biển tự nhiên không qua sơ lọc.

Thông lượng cất nước của quá trình AGMD với nước biển đã qua sơ lọc MF được xác định qua thí nghiệm và qua tính toán lý thuyết sử dụng hệ số chuyển khối Km được trình bày trong Hình 20. Có thể thấy rằng ở nồng độ muối thấp, thông lượng cất nước xác định qua thực nghiệm gần như trùng với giá trị tính toán, chứng tỏ sơ lọc MF đảm bảo hiệu quả trong việc loại bỏ các tạp chất và lắng cặn hữu cơ cho quá trình AGMD. Tuy nhiện, theo thời gian vận hành khi nồng độ muối của dung dịch cấp tăng lên, thông lượng cất nước đo được theo thực nghiệm giảm dần so với giá trị tính toán Hình 20. Điều này là do khi tính toán thông lượng cất nước sử dụng hệ số chuyển khối Km, khi đó ảnh hưởng của phân cực nồng độ được bỏ qua. Trong thực tế có tồn tại phân cực nồng độ trong quá trình AGMD với nước biển. Sự phân cực nồng độ tăng lên khi dung dịch cấp bị cô đặc, khi đó nồng độ muối tại bề mặt màng cao hơn nhiều so với bên trong dung dịch cấp dẫn đến thông lượng cất nước qua màng giảm. Do đó thông lượng cất nước đo bằng thực nghiệm nhỏ hơn đáng kể so với thông lượng cất tính toán theo lý thuyết khi vận hành ở hiệu suất thu hồi cao.

Bên cạnh phân cực nồng độ, sự hình thành cặn màng khi vận hành ở hiệu suất thu hồi nước cao cũng làm giảm mạnh thông lượng cất của quá trình AGMD với nước biển đã qua lọc. Khi hiệu suất thu hồi nước vượt quá 70% (có nghĩa là hơn 70% lượng nước biển đã được chuyển thành nước cất), dung dịch cấp bị cô đặc 3,3 lần. Khi đó, nồng độ các muối ít tan trong nước biển như là CaCO3, CaSO4, MgSO4 tăng lên và vượt quá giá trị bão hòa, dẫn đến hình thành các tinh thể muối trên bề mặt của màng. Sự kết tủa của các muối này làm giảm bề mặt

) h

. 2

m L ( c ớ ư n

t ấ c g n ợ ư l g n ô h T

bay hơi của màng, gây tắc lỗ màng, làm tăng hiệu ứng phân cực nhiệt độ và nồng độ, do đó làm giảm mạnh thông lượng cất nước.

Kết quả trên Hình 20 cũng cho thấy, ở hiệu suất thu hồi 70% (nồng độ muối trong dung dịch cấp 110 g/L) thông lượng cất nước chỉ giảm khoảng 20% so với thời điểm mới bắt đầu vận hành. So sánh với quá trình khử mặn bằng phương pháp RO, khi hiệu suất thu hồi đạt 70%, thông lượng lọc của RO sẽ giảm mạnh bởi vì áp suất thẩm thấu của nước lúc này tăng lên gần 3,3 lần so với ban đầu.

Phân tích bề mặt màng bằng ảnh SEM khẳng định sự xuất hiện cặn màng trong quá trình AGMD với nước biển đậm đặc (hiệu suất thu hồi 73%). Ảnh SEM của màng mới chưa qua sử dụng thấy rõ cấu trúc lỗ xốp của màng và bề mặt màng hoàn toàn sạch (Hình 21). Sau quá trình AGMD với nước biển qua lọc ở tỷ lệ thu hồi nước cất trên 73%, bề mặt màng bị các tinh thể muối che phủ (Hình 21). Những nghiên cứu công bố trước đây xác định rằng các tinh thể muối này chủ yếu là CaSO4 và MgSO4. Kích thước của các tinh thể muối kết tủa này phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành của hệ thống. Cũng cần lưu ý

rắng sự có mặt của CaSO4 là nguyên nhân dẫn đến cặn màng dễ hình thành khi hệ thống vận hành ở nhiệt độ cao mặc dù nồng độ của CaSO4 trong nước biển rất thấp. Đó là do, khác với các muối khác, độ tan của CaSO4 giảm khi tăng nhiệt độ. Do vậy CaSO4 dễ kết tủa trong dung dịch ở nhiệt độ cao.

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%.

Quá trình AGMD với nước biển tự nhiên không qua lọc chứng kiến sự giảm hiệu suất cất từ rất sớm so với quá trình sử dụng nước biển đã qua sơ lọc bằng MF (Hình 22). Khi bắt đầu quá trình, thông lượng cất nước của hệ thống là như nhau khi sử dụng nước biển tự nhiên và nước biển qua lọc. Sau 3 giờ vận hành hệ thống với nước biển tự nhiên, thông lượng cất nước bắt đầu giảm từ từ so với quá trình sử dụng nước biển đã qua lọc (Hình 22). Sau 13 giờ vận hành, thông lượng cất nước của hệ thống với nước biển tự nhiên giảm chỉ còn 62% so với hệ thống với nước biển đã qua lọc. Sự sụt giảm thông lượng cất nước này chứng tỏ sự hình thành cặn màng hữu cơ trong quá trình vận hành. Với nước biển không qua lọc, hàm lượng các chất bẩn hữu cơ trong đó là đáng kể. Trong quá trình cất AGMD, các chất hữu cơ này bám vào bề mặt màng, làm giảm thông lượng cất nước của hệ thống. Ảnh SEM của màng sau khi kết thúc thí nghiệm có thể kiểm chứng sự hình thành cặn hữu cơ (Hình 23). Bề mặt màng bị bao phủ bởi một lớp cặn hữu cơ không có hình dạng xác định.

2.1.3. Hiệu quả của việc rửa màng bằng giấm ăn

Việc nghiên cứu đánh giá hiệu quả rửa màng bằng giấm ăn có ý nghĩa thực tiễn rất lớn đối với đề tài. Kết quả nghiên cứu ở trên cho thấy, khi sơ lọc nước

biển bằng MF và vận hành hệ thống AGMD ở hiệu suất thu hồi nước giới hạn (<73%), hiện tượng cặn, bẩn màng có thể được ngăn chặn hiệu quả. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, trong trường hợp sơ xuất khi vận hành ở hiệu suất thu hồi nước cao, cặn bẩn màng do kết tủa có thể xảy ra. Khi ấy, việc rửa màng để khôi phục hiệu quả hoạt động của màng lọc và hệ thống AGMD là cần thiết. Giấm ăn được lựa chọn để nghiên cứu vì nó là nguyên liệu sẵn có và chi phí thấp, được dùng trong nấu ăn ở hầu hết các hộ gia đình ở Việt Nam.

Hiệu quả làm sạch cặn màng bằng rửa màng với dung dịch giấm ăn được đánh giá bằng cách xác định góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết và bề mặt màng (thể hiện độ kỵ nước của màng) và phân tích ảnh SEM chụp bề mặt màng. Kết quả phân tích cho thấy rửa màng bằng giấm ăn là một biện pháp hữu hiệu để khôi phục hoạt động của màng.

Màng PTFE chưa qua sử dụng có độ kỵ nước cao  góc tiếp xúc () giữa

nước tinh khiết và bề mặt màng chưa qua sử dụng được xác định là 146 (Hình

24A). Trong quá trình AGMD với nước biển tự nhiên, cặn bẩn hình thành trên bề mặt làm thay đổi tính kỵ nước của bề mặt màng. Điều này làm cho giọt nước trên bề mặt màng bị cặn không có hình dạng nhất định, và không thể xác định

được . Rửa màng bằng giấm ăn loại bỏ cặn màng ra khỏi bề mặt màng, do đó

giá trị  của màng sau khi rửa được khôi phục đáng kể, đạt giá trị là 131 (Hình

24B).

(A) (B)

Hình 24. Góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết với (A) màng chưa qua sử dụng và (B) màng bị cặn sau khi rửa màng.

Ảnh SEM của bề mặt màng sau khi rửa cũng cho thấy hiệu quả của việc rửa màng bằng giấm ăn. Sau khi rửa, trên bề mặt màng chỉ còn xót lại một lượng nhỏ cặn bẩn (Hình 25). Lượng cặn bẩn xót lại này (tuy ở lượng nhỏ),

nhưng cũng ảnh hưởng đến giá trị góc tiếp xúc . Do đó giá trị góc  của màng

sau khi rửa nhỏ hơn so với màng chưa qua sử dụng một chút.

Hình 25. Hình ảnh phân tích SEM bề mặt màng sau khi rửa cặn màng.

3.2.2. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD quy mô pilot tại Đảo An Bình, Lý Sơn

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được ở quy mô phòng thí nghiệm, hệ thống AGMD ở quy mô pilot (công suất 1 m3/ngày) được tiến hành khảo sát tại thực địa trên Đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn. So với hệ thống AGMD trong phòng thí nghiệm, hệ thống pilot có diện tích bề mặt màng lớn hơn nhiều lần, lưu lượng tuần hoàn nước cũng cao hơn nhiều. Đặc biệt, với hệ thống AGMD ở quy mô pilot, nhiệt hóa hơi của nước được tận dụng để tiền gia nhiệt dòng nước biển cấp vào khoang làm mát trước khi cấp vào khoang cấp nóng. Do đó, sự phân bố nhiệt độ của các dòng nước trong hệ thống AGMD ở quy mô pilot khác với hệ ở quy mô phòng thí nghiệm. Do đó, việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố vận hành lên hiệu quả hoạt động của hệ AGMD ở quy mô pilot có ý nghĩa quan trọng.

2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nóng đến hiệu suất quá trình AGMD

Nhiệt độ dòng cấp nóng có ảnh hưởng quyết định tới hiệu suất cất nước

(lưu lượng nước cất) của quá trình AGMD. Tăng nhiệt độ dòng cấp (60  85

°C) trong khi duy trì nhiệt độ dòng làm mát không đổi ở 20 C làm tăng mạnh

lưu lượng nước cất (Hình 26). Điều này là do sự phụ thuộc theo hàm số mũ giữa áp suất hơi nước và nhiệt độ như thể hiện trong phương trình Antoine. Tăng nhiệt độ dòng cấp làm tăng áp suất hơi nước tại bề mặt pha lỏng-hơi tại các miệng lỗ màng bên khoang cấp, do đó làm tăng động lực của quá trình AGMD. Kết quả là tốc độ dịch chuyển hơi nước qua các lỗ màng tăng lên, do đó làm tăng thông lượng nước cất và hiệu suất cất nước của quá trình AGMD. Kết quả thí nghiệm thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây.

Bảng 8. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng nóng lên công suất cất nước ở các nhiệt độ khác nhau.

Nhiệt độ dòng nóng (°C) Công suất cất nước (L/h) Độ dẫn điện của nước cất thu được (µS/cm)

60 23 40

70 35 50

80 45 55

85 51 57

Các giá trị cụ thể của công suất cất nước và độ dẫn điện của nước cất thu được ở các nhiệt độ dòng cấp nóng khác nhau được cung cấp trong Bảng 8. Khi nhiệt độ dòng nóng là 60 °C sẽ thu được lưu lượng nước cất đạt 23 L/h, lưu lượng nước cất tăng 52% lên 35 L/h khi nhiệt độ đạt 70 °C và sẽ đạt 51 L/h khi nhiệt độ là 85 °C. Nguyên lý của màng MD là cho phép nước bay hơi đi qua các lỗ màng do vậy nhiệt độ càng cao quá trình bay hơi càng mạnh, giúp giảm độ nhớt dung dịch dẫn tới lượng nước thu hồi cao.

Hình 26. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng cấp nóng lên công suất cất nước (lưu lượng cất) và chất lượng của nước cất thu được.

Kết quả khảo sát thể hiện trên Hình 26 cho thấy rằng vận hành hệ thống AGMD ở quy mô pilot ở nhiệt độ dòng cấp nóng cao mang lại lợi thế về công suất cất nước trong khi ảnh hưởng không đáng kể lên chất lượng nước cất thu được. Tuy nhiên, trong thực tế, có một vấn đề khi vận hành ở nhiệt độ cao đó là nguy cơ tạo lắng cặn trên màng MD. Gryta và các cộng sự đã nghiên cứu và cho thấy, nhiệt độ dòng cấp càng cao thì khả năng gây cặn bẩn màng gây ra do các muối cacbonat càng lớn. Nguyên nhân là do độ tan của muối cacbonat tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch trong khoảng nhiệt độ vận hành của quá trình MD. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng khi vận hành hệ thống ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện các tinh thể CaSO4 nhiều hơn so với CaCO3 và silicate.

Kết quả đo độ dẫn của dòng nước cất trong suốt thời gian khảo sát cho thấy khi tăng nhiệt độ dòng cấp, độ mặn của nước cất thu được gần như không ảnh hưởng. Điều này là do bản chất quá trình AGMD là quá trình chưng cất: khi không có hiện tượng ướt màng, chỉ hơi nước dịch chuyển qua các lỗ màng còn nước lỏng và muối tan bị chặn lại bên dòng cấp. Do đó, khi màng lọc không bị ướt, về nguyên tắc nước cất thu được là nước tinh khiết có hàm lượng muối rất

thấp. Do vậy, nhiệt độ dòng cấp nóng không ảnh hưởng quyết định đến độ mặn của dòng nước cất thu được.

2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng làm mát đến hiệu suất quá trình AGMD

Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng làm mát được thực nghiệm ở 3 dải nhiệt độ 15, 20 và 30 °C trong khi duy trì nhiệt độ dòng cấp nóng tại 85 °C. Nhiệt độ dòng làm mát có ảnh hưởng không đáng kể đến thông lượng lọc và công suất cất nước của hệ thống MD ở quy mô pilot. Khi nhiệt độ dòng làm mát tăng từ 15 °C lên 30 °C thì lưu lượng nước cất giảm không đáng kể từ 53 L/h xuống 48 L/h (Bảng 9 và Hình 27).

Bảng 9. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng lạnh đối với công suất cất nước.

Nhiệt độ dòng lạnh (°C) Công suất cất nước (L/h) Độ dẫn điện của nước cất (µS/cm)

53 15 40

51 20 46

)

m c /

) h / L ( c ớ ư n t ấ c t ấ u s g n ô C

S µ ( t ấ c c ớ ư n n ệ i đ n ẫ d

ộ Đ

20 Nhiệt độ dòng lạnh

Công suấ cất nước (l/h)

Độ dẫn điện nước cất (uS/cm)

48 30 55

Hình 27. 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.

Để giải thích cho kết quả này, Adbullah đã đưa ra lập luận khi tăng nhiệt độ dòng làm mát sẽ làm giảm áp suất chênh lệch hơi qua màng, do đó làm giảm thông lượng cất nước. Tuy nhiên sự giảm áp suất này xảy ra không đáng kể khi nhiệt độ dòng làm mát giảm. Điều này có thể thấy rõ trong mối liên hệ giữa áp suất hơi nước bão hòa và nhiệt độ của nước. Mối liên hệ này theo hàm số mũ: tăng nhiệt độ ảnh hưởng nhiều khi dòng nước ở nhiệt độ cao, ở nhiệt độ thấp khi tăng nhiệt độ của nước áp suất hơi nước tăng không đáng kể. Giảm nhiệt độ dòng làm mát cũng làm tăng năng lượng tiêu thu của máy lạnh vận hành để duy trì nhiệt độ dòng làm mát. Do đó, từ kết quả nghiên cứu này, hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot sẽ được vận hành ở nhiệt độ dòng làm mát là 20 °C.

2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng tuần hoàn nước đến hiệu suất quá trình AGMD

Để đưa ra lưu lượng tuần hoàn nước tối ưu cho hệ thống chưng cất màng AGMD, 4 dải lưu lượng được đưa vào vận hành 300, 360, 480, và 540 L/h. Nhiệt độ dòng cấp nóng được cố định ở 85 °C, nhiệt độ dòng làm mát là 20 °C. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng lưu lượng tuần hoàn nước có ảnh hưởng đến hiệu suất cất nước của hệ thống AGMD ở mức độ khác nhau (Bảng 10 và Hình 28). Tăng lưu lượng tuần hoàn nước làm tăng hiệu suất cất nước thu được.

Bảng 10. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất và độ dẫn điện của nước cất thu được.

Lưu lượng tuần hoàn nước (L/h) Lưu lượng cất nước (L/h) Độ dẫn điện của nước cât thu được (µS/cm)

300 40 40

360 51 50

480 69 65

540 90 62

) h / L ( t ấ c c ớ ư n

g n ợ ư l

u ư L

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

300

360

420

480

540 Lưu lượng tuần hoàn (L/h)

Hình 28. 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.

Kết quả trên Hình 28 cho thấy, lưu lượng nước cất có sự gia tăng khi tăng lưu lượng tuần hoàn. Khi vận hành tại lưu lượng tuần hoàn là 300 L/h sẽ thu được lưu lượng nước cất là 40 L/h. Lưu lượng nước cất tăng 12% lên 51 L/h khi lưu lượng tuần hoàn là 360 L/h. Lưu lượng nước cất thu được cũng tăng lần lượt lên 69 và 90 L/h khi lưu lượng tuần hoàn tăng lần lượt từ 480 lên 540 L/h. Với kết quả trên ta nhận thấy khi lưu lượng tuần hoàn tăng 1,8 lần (300→540 L/h) thì lưu lượng nước cất thu được tăng 2,3 lần (40→90 L/h).

Sự tăng lưu lượng cất nước khi tăng lưu lượng tuần hoàn của hệ thống AGMD có thể được giải thích theo 2 cơ chế sau. Thứ nhất, khi tăng lưu lượng tuần hoàn trong khi cố định nhiệt độ dòng làm mát và dòng cấp nóng không đổi sẽ làm tăng nhiệt độ chênh lệch giữa hai bên bề mặt màng dọc theo các kênh màng bên trong mô đun màng AGMD. Cần nhấn mạnh rằng, trong các quá trình MD, nhiệt độ chênh lệch giữa hai bên bề mặt màng là động lực cho sự dịch chuyển hơi nước qua màng lọc, và do đó là động lực ảnh hưởng đển lưu lượng cất nước của quá trình. Khi tăng lưu lượng tuần hoàn, thời gian lưu của dòng nước mát và dòng nước nóng bên trong mô đun màng sẽ giảm xuống, quá trình trao đổi nhiệt từ dòng nóng lần lượt qua màng lọc, lớp đệm không khí, tấm ngưng, và dòng nước mát sẽ giảm xuống. Do vậy, nhiệt độ chênh lệch giữa hai bên bề mặt màng sẽ cao hơn khi lưu lượng tuần hoàn nước tăng. Điều này

làm tăng động lực của quá trình MD, và do đó tăng lưu lượng cất nước. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng lên lưu lượng cất nước khi tăng lưu lượng tuần hoàn là hiện tượng phân cực nhiệt độ và nồng độ. Với quá trình MD, phân cực nhiệt độ và nồng độ đều làm giảm động lực của quá trình, và làm giảm lưu lượng cất nước. Tăng lưu lượng tuần hoàn sẽ làm tăng mức độ chảy rối của các dòng nước sát bề mặt màng, do đó làm giảm hiện tượng phân cực nhiệt độ và nồng độ.

Tăng lưu lượng tuần hoàn giúp tăng lưu lượng cất nước. Song, trong vận hành quá trình AGMD, cần tối ưu lưu lượng tuần hoàn để tránh nguy cơ ướt màng và giảm năng lượng tiêu thụ của quá trình. Tăng lưu lượng tuần hoàn sẽ làm tăng áp suất thủy tĩnh của các dòng nước trên bề mặt màng, tăng nguy cơ ướt màng. Trong các quá trình MD, có một thông số để đánh giá nguy cơ ướt màng gọi là áp suất thấm ướt của chất lỏng (LEP). Khi áp suất thủy tĩnh của các dòng, đặc biệt là dòng cấp, vượt qua giá trị LEP của màng, nước lỏng sẽ thắng được lực cản tạo ra do sức căng bề mặt và thâm nhập vào các lỗ màng lọc. Khi các lỗ màng bị chất lỏng thấm qua, muối tan sẽ đi qua các lỗ màng cùng với chất lỏng, làm giảm chất lượng nước cất thu được. Việc ướt màng cũng làm giảm lưu lượng cất nước của quá trình AGMD do diện tích mặt thoáng dành cho nước bốc hơi bị giảm xuống. Do đó, cần khống chế lưu lượng tuần hoàn nước không quá cao để tránh nguy cơ ướt màng. Tăng lưu lượng tuần hoàn nước cũng làm tăng điện năng tiêu thụ của hệ thống. Tăng lưu lượng tuần hoàn làm cho nhiệt độ chênh lệch giữa đầu ra của dòng làm mát và đầu vào của dòng cấp nóng tăng lên. Nhiệt độ chênh lệch này tăng lên có nghĩa là hệ thống phải cung cấp nhiều nhiệt hơn để duy trì nhiệt độ của dòng cấp nóng ở 85 °C. Nhiệt độ chênh lệch giữa đầu ra của dòng cấp và đầu vào của dòng nước mát cũng tăng lên, do vậy tải lạnh để làm mát dòng nước mát cấp vào cũng tăng lên khi tăng lưu lượng tuần hoàn.

Một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình khử mặn sử dụng công nghệ MD là hiệu suất loại muối. Chúng tôi đã kiểm tra độ dẫn điện của nước sau quá trình lọc qua màng và cho kết quả thể hiện trên Hình 29. Tăng lưu lượng tuần hoàn nước có làm thay đổi độ dẫn điện của nước cất thu được, nhưng sự thay đổi này là không đáng kể. Hiệu suất loại muối đạt trên 99,9%, và nước

)

cất thu được có độ dẫn điện dao động từ 40 – 60 µS/cm. Độ dẫn điện này tương đương với nồng độ muối không quá 25 mg/L, đạt tiêu chuẩn về độ mặn đối với nước sinh hoạt hay nước uống của Bộ Y tế (QCVN 01-1:2018/BYT).

70

m c /

60

50

40

S µ ( t ấ c c ớ ư n

30

20

n ệ i đ

10

n ẫ d

0

ộ Đ

300

360

420

480

540 Lưu lượng dòng vào (L/h)

Hình 29. 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.

Từ kết quả khảo sát này, chúng tôi thấy rằng tăng lưu lượng tuần hoàn có lợi cho hệ thống AGMD khi xét về khía cạnh lưu lượng cất nước. Chất lượng nước cất thu được không phụ thuộc nhiều vào lưu lượng tuần hoàn trong dải khảo sát. Tuy nhiên, khi tăng lưu lượng tuần hoàn, nguy cơ ướt màng sẽ cao hơn do áp suất thủy tĩnh của các dòng nước bên trong mô đun màng tăng lên. Do đó, để hạn chế nguy cơ ướt màng đồng thời vẫn đảm bảo lưu lượng cất nước cao, chúng tôi lựa chọn lưu lượng tuần hoàn 540 L/h để vận hành hệ thống khi hoạt động lâu dài với nước thải mặn.

2.2.4. Kiểm nghiệm các thông số vận hành tối ưu hệ thống AGMD quy mô pilot

Sau khi đã đánh giá được ảnh hưởng của các thông số vận hành chính lên hiệu quả hoạt động, hệ MD được vận hành với nước cấp là nước biển được lấy tại đảo An Bình Lý Sơn. Trong mỗi ngày, hệ MD được khởi động vào buổi

sáng và được vận hành ở các điều kiện không đổi là nhiệt độ dòng cấp 85 C,

nhiệt độ đầu vào dòng làm mát 20 C, lưu lượng tuần hoàn nước là 540 L/h.

Như đã phân tích ở trên, lưu lượng tuần hoàn 540 L/h được lựa chọn để đảm bảo tránh được nguy cơ ướt màng lọc của quá trình MD khi vận hành trong thời gian dài, dù lưu lượng tuần hoàn lớn sẽ giúp tăng thông lượng cất nước. Tại cuối ngày vận hành, hệ MD được chuyển sang trạng thái ngừng tạm thời (Standby), nguồn điện và nước cấp và hệ MD được ngắt, nhưng nước vẫn được giữ trong các mô đun màng để tránh hiện tượng màng bị khô và bị kết tủa.Trong quá trình thử nghiệm, quá trình MD được vận hành liên tục trong 12 tiếng. Từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 60 của đợt vận hành thử nghiệm, tốc độ nước cất hầu như không đổi ở mức 90 L/h (1,08 m3/ngày) (Hình 30).

Hình 30. 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.

Độ dẫn điện của nước cất được cũng dao động giữa 50 µS/cm và 80 µS/cm. Độ dẫn điện của dòng nước cất này khá thấp cho thấy rằng việc bám bẩn và làm ướt màng đã được tránh một cách hiệu quả trong quá trình vận hành MD thí điểm kéo dài. Thật vậy, các nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm trước đây đã chứng minh rằng sự bám bẩn và thấm ướt màng trong quá trình khử mặn nước biển bằng hệ thống MD có thể được ngăn chặn một cách hiệu quả bằng cách xử lý trước lọc đối với nguồn cấp nước biển và kiểm soát thông lượng cất

nước để giảm thiểu tác động tiêu cực của hiệu ứng phân cực đối với việc đóng cặn màng.

Kết quả thu được từ quá trình khảo sát thực nghiệm hệ thống MD ở quy mô pilot trong thời gian 60 ngày chứng tỏ tính khả thi của công nghệ MD cho khử mặn nước biển về phương diện kỹ thuật. Quan trọng hơn, hệ thống đã bước đầu cung cấp được đủ nguồn nước uống cho bà con trên đảo An Bình, Lý Sơn. Để đánh giá hiệu quả, hệ thống sẽ tiếp tục được vận hành và kiểm tra trong thời gian tiếp theo.

3.3. Đánh giá hiệu quả năng lượng và các trở ngại kỹ thuật cần khắc phục

của hệ thống

3.3.1. Đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống

Năng lượng tiêu thụ của hệ thống chưng cất màng AGMD bao gồm: nhiệt năng để làm nóng dòng nước cấp vào khoang cấp nóng và làm mát dòng nước mát cấp vào khoang làm mát và điện năng để vận hành các bơm tuần hoàn và hệ thống điều khiển. Trong tổng năng lượng tiêu thụ này, nhiệt năng là phần năng lượng chủ yếu. Trong luận văn, hiệu quả năng lượng được đánh giá theo hai chế độ vận hành: hoàn toàn sử dụng điện năng (sử dụng điện trở để đun nóng nước) và sử dụng điện năng kết hợp với năng lượng mặt trời (điện trở phụ kết hợp với các tấm thu nhiệt mặt trời) để gia nhiệt.

Hình 31 thể hiện điện năng tiêu thụ riêng và lưu lượng nước cất thu được khi vận hành hệ thống MD khử mặn nước biển trong thời gian 30 ngày sử dụng nguồn điện trở trực tiếp để đốt nóng nguồn nước. Với chế độ vận hành ở lưu lượng dòng vào 540 L/h, nhiệt độ dòng nóng 85 °C, nhiệt độ dòng lạnh 20 °C, lưu lượng dòng nước cất thu được dao động 90 L/h. Với lưu lượng nước cất thu được này, điện năng tiêu thụ toàn bộ hệ thống là 108  110 kWh/m3. Với chi phí cho mỗi kWh là 2.000 VND, chi phí cho điện năng của hệ thống để thu được 1 m3 nước cất là 220.000 VND.

120

100

) h / L ( a r c ớ ư n

) 3 m / h W k ( ụ h t u ê i t

g n ợ ư l

g n ă n

u ư L

n ệ i Đ

10 15 Thời gian chạy (ngày)

Công suất cất nước

Điện năng tiêu thụ

Hình 31. Theo dõi điện năng tiêu thụ riêng và vận hành hệ thống sử dụng điện trở đốt nóng nước.

Điện năng tiêu thụ của hệ thống được giảm xuống rõ rệt khi kết hợp sử dụng điện trở phụ với các tấm thu nhiệt mặt trời (Hình 32). Với chế độ vận hành ở lưu lượng dòng vào 540 L/h, nhiệt độ dòng nóng sau hệ thống năng

lượng mặt trời đạt 60  65 °C và được gia nhiệt lên 85 °C nhờ cụm điện trở

phụ, nhiệt độ dòng lạnh 20 °C được duy trì, thời gian vận hành hệ thống trong

vòng 16h. Lưu lượng dòng nước cất thu được dao động 85  90 L/h. Điện năng tiêu thụ toàn bộ hệ thống đã giảm 50% xuống là 20  21 kWh/m3. Vậy chi phí cho điện năng nếu sử dụng kết hợp nguồn năng lượng mặt trời và điện trở phụ là 40.000  42.000 VND/m3 nước cất.

100

) ³

m / h W k (

) h / L ( c ớ ư n

g n ê i r ụ h t

u ê i t

g n ă n

t ấ c t ấ u s g n ô C

n ệ i Đ

Công suất cất nước(L/h)

Điện năng tiêu thụ riêng (kWh/m³)

Hình 32. Công suất cất nước và năng lượng tiêu thụ riêng của hệ thống MD khử mặn nước biển quy mô pilot tại Đảo An Bình, Lý Sơn trong 30 ngày vận hành sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở phụ.

Cần nhần mạnh rằng chi phí năng lượng để cung cấp 1 m3 nước uống/ngày của hệ thống MD là lớn khi so với chi phí sản xuất nước ngọt sử dụng các công nghệ khử mặn khác như là RO và NF, song chi phí này hoàn toàn phù hợp với thực trạng và nhu cầu nước uống của bà con trên đảo. Hiện nay bà con trên đảo An Bình (xã An Bình, nơi lắp đặt hệ thống) đang phải mua nước uống với giá trung bình vào khoảng 1.250.000 VND/m3. Rõ ràng, hiệu quả năng lượng và kinh tế của hệ thống chưng cất màng MD với công suất 1 m3/ngày là phù hợp với điều kiện địa lý và kinh tế của Đảo An Bình. Hình 33 thể hiện hình ảnh bà con nhân dân trên đảo An Bình nhận nước uống từ hệ thống chưng cất màng MD được nghiên cứu trong đề tài này.

Hình 33. Hình ảnh bà con trên đảo An Bình tập trung lấy nước uống từ hệ thống MD khử mặn nước biển lắp trên đảo (chụp ngày 06/08/2020).

3.3.2. Các trở ngại kỹ thuật của hệ thống

Các kết quả thực nghiệm thu được trong thời gian khảo sát hệ thống chưng cất màng đã chứng tỏ tính khả thi của công nghệ này cho ứng dụng khử mặn nước biển cung cấp nước uống cho các cộng đồng dân cư trên các đảo và hải đảo của Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy hệ thống chưng cất màng MD thu được nước ngọt đạt tiêu chuẩn nước uống (về độ mặn và các chỉ số đặc trưng quan trọng), có mức tiêu thụ năng lượng hợp lý với điều kiện địa lý và kỹ thuật trên đảo. Song, để có thể phát triển nhân rộng và thương mại hóa công nghệ chưng cất màng, có một số trở ngại kỹ thuật đối với các hệ thống chưng cất màng MD mà cần phải tập trung giải quyết. Trở ngại lớn nhất là tác động của môi trường biển lên độ bền và tuổi thọ của các hệ thống khử mặn nước biển. Thực tế nghiên cứu khảo sát trên đảo cho thấy ảnh hưởng của hơi mặn và nhiệt độ lên các linh kiện, chi tiết của hệ thống chưng cất màng là rất lớn. Dù phần lớn các chi tiết của hệ thống MD có thể được chế tạo bằng nhựa để chống ăn mòn, việc phải làm việc với dòng nước nóng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến các đặc tính cơ lý của vật liệu nhựa, dẫn đến hiện tượng bị lão hóa nhanh. Hình 34 thể hiện tác động rất mạnh của môi trường biển lên độ bền của các chi tiết, thiết bị sử dụng trong các hệ thống khử mặn nước biển ở trên các đảo và hải đảo. Với thực trạng này, rõ ràng cần nghiên cứu nhiệt đới hóa và nâng cao khả năng chống chọi với điều kiện môi trường biển đảo của các hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển là rất cần thiết.

Hình 34. 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.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Sau một thời gian nghiên cứu, khảo sát, tiến hành thực hiện, luận văn đã

đạt mục đích, yêu cầu đề cương đăng ký:

1. Nghiên cứu phân tích, đánh giá nguyên lý hoạt động, điều kiện vận

hành, và ưu nhược điểm của các công nghệ khử mặn nước biển trong đó có

công nghệ chưng cất màng.

2. Phân tích nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của các cấu hình chưng

cất màng, từ đó lựa chọn cấu hình chưng cất màng đệm không khí (AGMD)

cho hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển quy mô pilot.

3. Thiết kế và chế tạo hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển

có sử dụng năng lượng mặt trời với công suất 1 m3/ngày: hệ thống gồm 03 mô

đun màng lọc có cấu hình AGMD với diện tích bề mặt màng là 77,7 m2.

4. Khảo sát và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống ở các điều kiện

vận hành khác nhau, từ đó đánh giá tính khả thi của công nghệ trong thời gian

vận hành kéo dài.

Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế trong bối cảnh dịch bệnh Covid-19

diễn biến phức tạp và khó lường, luận văn không tránh khỏi còn tồn tại hạn chế

và sai sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến góp ý của các phản biện và bạn

đọc để khắc phục và sửa chữa.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Ahmed F.E., Hashaikeh R., and Hilal N. - Solar powered desalination –

Technology, energy and future outlook, Desalination 453 (2019) 54-76.

2. Bundschuh J., Kaczmarczyk M., Ghaffour N., and Tomaszewska B. - State-of-the-art of renewable energy sources used in water desalination: Present and future prospects, Desalination 508 (2021) 115035.

3. Lim Y.J., Goh K., Kurihara M., and Wang R. - Seawater desalination by reverse osmosis: Current development and future challenges in membrane fabrication – A review, Journal of Membrane Science 629 (2021) 119292.

4. Duong H.C., Tran T.L., Ansari A.J., Cao H.T., Vu T.D., and Do K.-U. - Advances in Membrane Materials and Processes for Desalination of Brackish Water, Current Pollution Reports 5 (2019) 319-336.

5. Duong H.C., Ansari A.J., Nghiem L.D., Pham T.M., and Pham T.D. - Low Carbon Desalination by Innovative Membrane Materials and Processes, Current Pollution Reports 4 (2018) 251-264.

6. Duong H.C., Membrane distillation for strategic desalination, Doctor of Philosophy Thesis, School of Civil, Mining and Environmental Engineering (2017), University of Wollongong. p. 155.

7. Mezher T., Fath H., Abbas Z., and Khaled A. - Techno-economic assessment and environmental impacts of desalination technologies, Desalination 266 (2011) 263-273.

8. Kayvani Fard A., Rhadfi T., Khraisheh M., Atieh M.A., Khraisheh M., and Hilal N. - Reducing flux decline and fouling of direct contact membrane distillation by utilizing thermal brine from MSF desalination plant, Desalination 379 (2016) 172-181.

9. Adham S., Hussain A., Matar J.M., Dores R., and Janson A. - Application of Membrane Distillation for desalting brines from thermal desalination plants, Desalination 314 (2013) 101-108.

10. Qasim M., Badrelzaman M., Darwish N.N., Darwish N.A., and Hilal N. - Reverse osmosis desalination: A state-of-the-art review, Desalination 459 (2019) 59-104.

11. Duong H.C., Nguyen N.C., Do K.-U., and Le S.T. - Membrane processes and their potential applications for fresh water provision in Vietnam, Vietnam Journal of Chemistry 55 (2017) 533-544.

12. Liu L. and Cheng Q. - Mass transfer characteristic research on electrodialysis for desalination and regeneration of solution: A comprehensive review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 134 (2020) 110115.

13. Al-Amshawee S., Yunus M.Y.B.M., Azoddein A.A.M., Hassell D.G., Dakhil I.H., and Hasan H.A. - Electrodialysis desalination for water and wastewater: A review, Chemical Engineering Journal 380 (2020) 122231.

14. Suwaileh W., Johnson D., and Hilal N. - Membrane desalination and water re-use for agriculture: State of the art and future outlook, Desalination 491 (2020) 114559.

15. Naidu G., Tijing L., Johir M.A.H., Shon H., and Vigneswaran S. - Hybrid membrane distillation: Resource, nutrient and energy recovery, Journal of Membrane Science 599 (2020) 117832.

16. Drioli E., Ali A., and Macedonio F. - Membrane distillation: Recent

developments and perspectives, Desalination 356 (2015) 56-84.

17. Alkhudhiri A., Darwish N., and Hilal N. - Membrane distillation: A

comprehensive review, Desalination 287 (2012) 2-18.

18. Duong H.C., Duke M., Gray S., Cooper P., and Nghiem L.D. - Membrane scaling and prevention techniques during seawater desalination by air gap membrane distillation, Desalination 397 (2016) 92-100.

19. Duong H.C., Cooper P., Nelemans B., Cath T.Y., and Nghiem L.D. - Evaluating energy consumption of air gap membrane distillation for seawater desalination at pilot scale level, Separation and Purification Technology 166 (2016) 55-62.

20. Duong H.C., Cooper P., Nelemans B., Cath T.Y., and Nghiem L.D. - Optimising thermal efficiency of direct contact membrane distillation by brine recycling for small-scale seawater desalination, Desalination 374 (2015) 1-9.

21. Ma Q., Xu Z., and Wang R. - Distributed solar desalination by membrane distillation: current status and future perspectives, Water Research 198 (2021) 117154.

22. Andrés-Mañas J.A., Roca L., Ruiz-Aguirre A., Acién F.G., Gil J.D., and Zaragoza G. - Application of solar energy to seawater desalination in a pilot system based on vacuum multi-effect membrane distillation, Applied Energy 258 (2020) 114068.

23. Blanco Gálvez J., García-Rodríguez L., and Martín-Mateos I. - Seawater desalination by an innovative solar-powered membrane distillation system: the MEDESOL project, Desalination 246 (2009) 567-576.

24. Duong H.C., Phan N.D., Nguyen T.V., Pham T.M., and Nguyen N.C. - Membrane distillation for seawater desalination applications in Vietnam: potential and challenges, Vietnam Journal of Science and Technology 55 (2017) 659-682.

25. Alawad S.M. and Khalifa A.E. - Performance and energy evaluation of compact multistage air gap membrane distillation system: An experimental investigation, Separation and Purification Technology 268 (2021) 118594.

26. Bindels M., Carvalho J., Gonzalez C.B., Brand N., and Nelemans B. - Techno-economic assessment of seawater reverse osmosis (SWRO) brine treatment with air gap membrane distillation (AGMD), Desalination 489 (2020) 114532.

27. El Amali A., Bouguecha S., and Maalej M. - Experimental study of air gap and direct contact membrane distillation configurations: application to geothermal and seawater desalination, Desalination 168 (2004) 357.

28. Kalla S. - Use of membrane distillation for oily wastewater treatment – A review, Journal of Environmental Chemical Engineering 9 (2021) 104641.

29. Li C., Deng W., Gao C., Xiang X., Feng X., Batchelor B., and Li Y. - Membrane distillation coupled with a novel two-stage pretreatment process for petrochemical wastewater treatment and reuse, Separation and Purification Technology 224 (2019) 23-32.

30. Warsinger D.M., Swaminathan J., Guillen-Burrieza E., Arafat H.A., and Lienhard V J.H. - Scaling and fouling in membrane distillation for desalination applications: A review, Desalination 356 (2015) 294-313.

31. Tijing L.D., Woo Y.C., Choi J.-S., Lee S., Kim S.-H., and Shon H.K. - Fouling and its control in membrane distillation—A review, Journal of Membrane Science 475 (2015) 215-244.

32. J. L. - Review of Materials for Solar Thermal Collectors, Advanced

Materials Research 171 (2011) 486-489.

33. P. V., S.S. K., S. S., and R. P. - Comparison of evacuated tube and flat plate solar collector - A review, World Wide Journal of Multidisciplinary Research and Development 2017) 32-36.