Luận văn Thạc sĩ Môi trường: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thẩm thấu ngược (RO) trong khử mặn phục vụ cấp nước cho các vùng Duyên hải và hải đảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------

N G U Y Ễ N C Ả N H D Ũ N G

NGUYỄN CẢNH DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC

RO TRONG KHỬ MẶN VÀ PHỤC VỤ CÂP NƯỚC CHO

CÁC VÙNG DUYÊN HẢI VÀ HẢI ĐẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔI TRƯỜNG

N G À N H K Ỹ T H U Ậ T M Ô I T R Ư Ờ N G

K H Ó A 2 0 0 5 - 2 0 0 7

HÀ NỘI 2008 00

à ộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------

NGUYỄN CẢNH DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC RO

TRONG KHỬ MẶN VÀ PHỤC VỤ CÂP NƯỚC CHO

CÁC VÙNG DUYÊN HẢI VÀ HẢI ĐẢO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS: ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội - 2008

SUMMARY OF THESIS

Warmer Global is the cause of sea-level rising, this is the main affection come to water supply in the world. Main due to which look for a solutions bump off face is a requests is necessary.

Base on the reverse osmosis principle, the Thesis concentrates to study for reverse osmosis membrane's desalination capability and namely "The desalination capability research of the reverse osmosis membrane's (RO) and Application puts forward the solution to supply water for salt’s polluted water regions”

It includes following contents:

Chapter 1: General, deliver to a generality look reader about the water resources of the world and Viet Nam, the challenges in sustain level of julep delivered to conditions of life and production of human being. Near that is potential provide juleps from well-spring to prepossess saltiness. In this chapter, a number of desalinated method tractate also approached, from sloyd to complexity

Chapter 2: the base theoretically of the osmotic process negative that this is Chapter provide basic knowledges, the reverse osmosis process

Chapter 4: Application puts forward the solution to supply water for salt’s polluted water regions, this chapter includes some desalination’s solution to suplly the water for island and salt-marsh region.

Chapter 3: The desalination capability research of the reverse osmosis membrane's, this chapter includes describing method collecting actual data and method converting them into input data. Analysing some resons that effection to the productivity of the desalination capability. In which we built the equation of the fitted model and the optimize response

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

MỞ ĐẦU

Chiến lược kinh tế - xã hội của công nghiệp đến năm 2010 cũng đã xác định

“Phát triển nhanh, hiệu quả và bền vững, tăng trưởng kinh tế đi đôi với bảo đảm

tiến bộ công bằng xã hội và bảo vệ môi trường’. Vấn đề phát triển bền vững cũng

được nêu trong nhiều văn kiện, chỉ thị, nghị quyết của Đảng, văn bản quy phạm

pháp luật do Quốc hội ban hành và thể hiện rõ trong chương trình hành động cụ thể

của Chính phủ nhằm thực hiện các chiến lược phát triển kinh tế - xã hội, chiến lược

tăng trưởng và xoá đói giảm nghèo, chiến lược bảo vệ môi trường… Do đó việc

chăm lo cho đời sống nhân dân, ổn định xã hội là một trọng tâm không thể thiếu

trong việc phát triển bền vững.

Nước sạch đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống và sản xuất của con

người, mọi hoạt động sinh tồn và phát triển của con người đều cần đến nước sạch.

Việc thiếu nước ngọt không những ảnh hưởng đến kinh tế, sức khỏe của con người

mà nó có thể ảnh hưởng đến tình hình xã hội của một cộng đồng dân cư sống trong

khu vực. Điều đó ảnh hưởng rất nhiều đến sự phát triển bền vững của bất kỳ một

quốc gia. Nhận thức được điều này, Đảng và nhà nước ta từ lâu đã coi nhu cầu

nước sạch là một nhu cầu thiết yếu đối với người dân, hàng trăm ngàn tỷ đồng đã

được chi ra nhằm mục đích đưa nước sạch đến với từng người dân, tuy nhiên đến

nay vấn đề này vẫn đang gặp phải những khó khăn rào cản về khoảng cách địa lý,

địa hình.

Công nghệ màng lọc thẩm thấu ngược RO đã được nghiên cứu và sử dụng

rộng rãi tại các nước tiên tiến trên thế giới trong việc tạo ngọt hóa nước biển và tạo

ra nước siêu sạch phục vụ nhiều ngành nghề khác nhau. Tại một số quốc gia ở vùng

Trung Đông như Arab Saudi, UAE, Kuwat… để có thể cung cấp đầy đủ nước cho

nhu cầu người dân nhiều nhà máy khử muối dùng công nghệ này đã được xây dựng

và đem lại hiệu quả to lớn về nhiều mặt.

Với mục đích đưa ra các giải pháp kỹ thuật góp phần cải thiện tình hình thiếu

hụt nước tại những vùng khó khăn về nước ngọt như vùng hải đảo và ven biển, đề

tài “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thẩm thấu ngược (RO) trong khử mặn phục

1 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ vụ cấp nước cho các vùng duyên hải và hải đảo” hy vọng đóng góp nhỏ bé của

mình trong việc cung cấp nước sạch cho vùng ven biển, hải đảo và vùng nước

nhiễm mặn.

Đề tại này sẽ đi sâu vào nghiên cứu tổng thể về công nghệ màng thẩm thấu

ngược RO, hiệu quả của sự khử muối bằng công nghệ màng thẩm thấu ngược (RO)

cũng như các yếu tố ảnh hưởng tới lưu lượng và hiệu suất của quá trình khử muối

của màng.

Các nội dung nghiên cứu sẽ được trình bày theo các chương mục trong Luận

văn này, cụ thể:

Chương 1: Tổng quan, cung cấp cho người đọc một cái nhìn tổng quát về tài

nguyên nước của thế giới và Việt Nam, những thách thức trong việc duy trì lượng

nước ngọt cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất của con người. Bên cạnh đó là tiềm

năng cung cấp nước ngọt từ các nguồn nước nhiễm mặn. Trong chương này, luận

văn cũng đề cập đến những phương pháp từ thủ công đến phức tạp trong việc khử

muối tạo nước ngọt.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình thẩm thấu ngược, đây là chương

cung cấp các kiến thức cơ bản của quá trình thẩm thấu ngược.

Chương 3: Nghiên cứu khả năng khử muối trong nước của màng thẩm thấu

ngược RO, ở chương này với các số liệu thí nghiệm, luận văn phân tích rõ những

yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất khử muối của màng bán thấm, từ đó

tìm ra được phương trình hồi quy, điều kiện tối ưu của công suất và hiệu suất dựa

theo nhiệt độ, áp suất và độ mặn đầu vào.

Chương 4: Đề xuất sơ đồ công nghệ khử muối tại các vùng ven biển, hải đảo

và vùng nước nhiễm mặn, sau đó chạy chương trình winflow2004 (một phần mềm

thiết kế hệ thống RO) với các thông số chọn lựa để kiểm nghiệm tính xác thực, ở

chương này luận văn đề xuất những công nghệ cung cấp nước ngọt cho các vùng

trên dựa trên các yếu tố đặc trưng của vùng.

2 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan tài nguyên nước của thế giới

1.1.1. Tổng quan về trữ lượng và phân bố nước trên trái đất

1.1.1.1 . Tổng trữ lượng nước trên trái đất

Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn

lại là nước ngọt. Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố

gây ô nhiễm môi trường, nó còn là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh

vật, chiếm từ 50%-97% trọng lượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm

70% trọng lượng cơ thể và ở Sứa biển nước chiếm tới 97%.

Trong 3% lượng nước ngọt có trên quả đất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước

mà con người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng đất, bị đóng băng,

ở dạng hơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục điạ... chỉ có 0, 5% nước ngọt

hiện diện trong sông, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên,

nếu ta trừ phần nước bị ô nhiễm ra thì chỉ có khoảng 0,003% là nước ngọt sạch mà

con người có thể sử dụng được và nếu tính ra trung bình mỗi người được cung cấp

879.000 lít nước ngọt để sử dụng (Miller, 1988).

Hình 1.1. Tỉ lệ giữa các loại nước trên thế giới (Liêm, 1990)

3 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hiện nay, nước trên hành tinh của chúng ta phát sinh từ 3 nguồn: bên trong

lòng đất, từ các thiên thạch ngoài quả đất mang vào và từ tầng trên của khí quyển;

trong đó thì nguồn gốc từ bên trong lòng đất là chủ yếu.

Theo sự tính toán thì khối lượng nước ở trạng thái tự do phủ lên trên trái đất khoảng 1,4 tỷ km3, nhưng so với trử lượng nước ở lớp vỏ giữa của qủa đất ( khoảng 200 tỷ km3) thì chẳng đáng kể vì nó chỉ chiếm không đến 1%. Tổng lượng nước tự

nhiên trên thế giới theo ước tính có khác nhau theo các tác giả và dao động từ

1.385.985.000 km3 (Lvovits, Xokolov - 1974) đến 1.457.802.450 km3 (F. Sargent -

1974).

Bảng 1.1. Trữ lượng nước trên thế giới (theo F. Sargent, 1974)

Loại nước Trữ lượng (km3)

Biển và đại dương Nước ngầm Băng và băng hà Hồ nước ngọt Hồ nước mặn Khí ẩm trong đất Hơi nước trong khí ẩm Nước sông Tuyết trên lục địa 1.370.322.000 60.000.000 26.660.000 125.000 105.000 75.000 14.000 1.000 250

1.1.1.2. Nước mặt

Sự bốc hơi nước trong đất, ao, hồ, sông, biển; sự thoát hơi nước ở thực vật và

động vật..., hơi nước vào trong không khí sau đó bị ngưng tụ lại trở về thể lỏng rơi

xuống mặt đất hình thành mưa, nước mưa chảy tràn trên mặt đất từ nơi cao đến nơi

thấp tạo nên các dòng chảy hình thành nên thác, ghềnh, suối, sông và được tích tụ

lại ở những nơi thấp trên lục địa hình thành hồ hoặc được đưa thẳng ra biển hình

thành nên lớp nước trên bề mặt của vỏ trái đất.

Trong quá trình chảy tràn, nước hòa tan các muối khoáng trong các nham

thạch nơi nó chảy qua, một số vật liệu nhẹ không hòa tan được cuốn theo dòng

chảy và bồi lắng ở nơi khác thấp hơn, sự tích tụ muối khoáng trong nước biển sau

4 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ một thời gian dài của quá trình lịch sử của quả đất dần dần làm cho nước biển càng

trở nên mặn.

Có hai loại nước mặt là nước ngọt hiện diện trong sông, ao, hồ trên các lục

địa và nước mặn hiện diện trong biển, các đại dương mênh mông, trong các hồ

nước mặn trên các lục địa.

1.1.1.3. Nước ngầm

Ðó là loại nước tích tụ trong các lớp đất đá dưới sâu trong lòng đất, nước

tíctụ làm đất ẩm ướt và lấp đầy những tế khổng trong đất. Phần lớn nước trong các

tế khổng của lớp đất mặt bị bốc hơi, được cây hấp thụ và phần còn lại dưới ảnh

hưởng của trọng lực, trực di xuống tới các lớp nham thạch nằm sâu bên dưới làm

bảo hòa hoàn toàn các lổ trống bên trong cho các lớp đá này ngậm nước tạo nên

nước ngầm. Quá trình hình thành nước ngầm diễn ra rất chậm từ vài chục đến hàng

trăm năm.

Có hai loại nước ngầm: nước ngầm không có áp lực và nước ngầm có áp lực.

Nước ngầm không có áp lực: là dạng nước được giữ lại trong các lớp đá

ngậm nước và lớp đá nầy nằm bên trên lớp đá không thấm như lớp diệp thạch hoặc

lớp sét nén chặt. Loại nước ngầm này có áp suất rất yếu, nên muốn khai thác nó

phải thì phải đào giếng xuyên qua lớp đá ngậm rồi dùng bơm hút nước lên. Nước

ngầm loại nầy thường ở không sâu dưới mặt đất, có nhiều trong mùa mưa và ít dần

trong mùa khô.

Nước ngầm có áp lực: là dạng nước được giữ lại trong các lớp đá ngậm nước

và lớp đá nầy bị kẹp giữa hai lớp sét hoặc diệp thạch không thấm. Do bị kẹp chặt

giữa hai lớp đá không thấm nên nước có một áp lực rất lớn vì thế khi khai thác

người ta dùng khoan xuyên qua lớp đá không thấm bên trên và chạm vào lớp nước

này nó sẽ tự phun lên mà không cần phải bơm. Loại nước ngầm nầy thường ở sâu

dưới mặt đất, có trữ lượng lớn và thời gian hình thành nó phải mất hàng trăm năm

thậm chí hàng nghìn năm.

5 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 1.1.2. Các vấn đề ảnh hưởng đến tài nguyên nước

1.1.2.1. Hạn hán

Theo các nhà nghiên cứu thì khả năng cung cấp nước ngọt hiện nay là một

vấn đề nghiêm trọng trên toàn thế giới. Có ít nhất 80 nước ở vùng sa mạc và bán sa

mạc (chiếm khoảng 40% dân số thế giới) thuộc hai lục điạ Á Châu và Phi Châu

thường xuyên bị hạn hán và thất mùa nên thường xuyên không cung cấp đủ lương

thực để nuôi sống dân của họ.

Trong những thập niên 1970 thảm họa hạn hán đe dọa trên khoảng 24, 4 triệu

người và hàng năm đã giết chết hơn 23.000 người, hậu quả này vẫn còn kéo dài đến

1980. Năm 1985 hơn 154 triệu người thuộc 21 quốc gia ở Phi Châu rơi vào nạn đói

do hạn hán, thêm vào đó sự gia tăng dân số quá mức và chiến tranh lan rộng, mặt

khác còn do việc quản lý và sử dụng nguồn tài nguyên và phát triển nông nghiệp

kém hiệu quả. Ở các nước này, người dân nghèo phải mất nhiều thời gian để đi tìm

nước thường là ở những dòng sông và suối đã bị ô nhiễm và để có được nước

những người phụ nữ và trẻ em phải đi bộ từ 16 km - 25 km một ngày và chỉ mang

được một bình đầy nước trên đường trở về( Miller, 1988 ).

1.1.2.2. Ngập lụt

Ngược lại, ở những quốc gia khác có vũ lượng mưa tương đối lớn thì một

lượng lớn nước mưa nhận được chỉ trong một thời gian ngắn trong năm. Chẳng hạn

như ở Ấn Ðộ, 90% lượng nước mưa tập trung vào giữa tháng 6 đến tháng 9 thường

gây nên ngập lụt.

Trong những thập niên 1970, thảm họa lụt lội đã đe dọa trên 15, 4 triệu

người và hằng năm giết chết trung bình 4.700 người, làm thiệt hại trung bình 15 tỉ

USD, hậu quả này vẫn còn kéo dài đến năm 1980. Nguyên nhân dẫn đến lụt lội là

do con người phá rừng, đốt rừng để lấy đất canh tác, khai thác quặng mỏ, mở rộng

đô thị ... Mặc dù lụt lội được xem là một thiên tai gây chết người và làm thiệt hại

hoa màu, tài sản của người dân nhưng sau các trận lụt, do sự lắng đọng của phù sa

làm tăng thêm độ màu mỡ cho đất ( Miller, 1988 ). Ðể ngăn ngừa và làm giảm sự

tàn phá của lụt lội ở những quốc gia nầy, nhiều biện pháp được thực hiện như xẻn

6 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ kinh thoát nước, xây đập và hồ chứa nước, trồng cây gây rừng trên các đồi trọc, giữ

lại rừng ở đầu nguồn.

1.1.2.3. Sự úng nước

Ở những vùng có địa hình thấp hoặc nơi có mực nước ngầm quá cao làm cho

mặt đất luôn bị phủ kín bởi một lớp nước tù đọng lâu ngày tạo nên trạng thái úng

nước, đất bị úng nước nên luôn yếm khí.

Trên những vùng đất bị úng nước thường có những thực vật thủy sinh đặc

trưng như một số các loài rong tảo, năn, lác rất phát triển vì thế nên đất nơi đó dồi

dào mùn , đạm và các acid hữu cơ vì thế làm cho đất và nước bị chua, đất nghèo lân nhưng lại giàu những chất độc như H2S, CH4, Fe2+. Do những tính chất vật lý và

hóa học của nước và đất của vùng bị úng nước đó không tốt cho sự trồng trọt cũng

như sử dụng nước cho công nghiệp và sinh hoạt

1.1.2.4. Nước ngọt bị ô nhiễm

Theo nhịp độ phát triển của nền công nghiệp, nông nghiệp và sự nâng cao

mức sống của con người thì nhu cầu về nước sử dụng ngày một tăng. Vấn đề về

nước ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt là nước mặt ngày càng thoái hóa và

mức độ ô nhiễm nước ngày càng tăng. Theo tổ chức y tế thế giới (WHO -1980) ước

tính rằng ở các quốc gia kém phát triển thì 70% dân chúng ở các vùng ven thành

phố và 25% dân cư ở các đô thị không có đủ nước sạch để sử dụng.

Ở Việt Nam, do nền công nghiệp mới phát triển, số đô thị và các khu công

nghiệp còn ít và các điểm tập trung dân cư chưa nhiều nên lượng nước dùng cho

công nghiệp và sinh hoạt còn quá ít so với trữ lượng trong tự nhiên. Tuy vậy, sự

nhiễm bẩn nguồn nước đã bắt đầu xuất hiện do việc sử dụng thuốc trừ sâu trong

nông nghiệp; lượng nước thải ra môi trường của các nhà máy luyện kim, nhiệt điện,

hóa chất, thực phẩm; cùng với lượng nước thải do sinh hoạt... đã trở thành một vấn

đề cấp bách cần phải được quan tâm.

7 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 1.2. Tổng quan về tài nguyên nước của Việt Nam

1.2.1. Tiềm năng tài nguyên nước của Việt Nam

Nước ngọt của nước ta được cung cấp bởi hai nguồn chính là nước mặt và

nước ngầm.

1.2.1.1. Tiềm năng về nguồn nước mặt

Với hệ thống sông ngòi chằng chịt, nguồn nước mặt tại Việt Nam là khá

phong phú, Ở Việt Nam hiện có trên 2.000 con sông có chiều dài hơn 10 km trong đó có 8 con sông có diện tích lưu vực lớn hơn 10.000 km2. Tổng lượng dòng chảy nằm trên các lưu vực sông Việt Nam khoảng 847 tỷ m3, trong đó có 327 m3 sản

sinh trên lĩnh vực Việt Nam.

Bảng 1.2: Tổng lượng dòng chẩy trung bình/năm của

các nguồn nước mặt tại Việt Nam

Phân loại dòng chảy Tỷ lệ Tổng lượng dòng chảy trung bình /năm

Tổng lượng dòng chảy 847 km3 100%

527 km3 60%

Tổng lượng nước từ bên ngoài chảy vào

Tổng lượng dòng chảy nội địa 327 km3 40%.

Với những số liệu phân tích ta có thể nhận thấy rằng tuy nguồn tài nguyên

nước mặt của Việt Nam là rất phong phú tuy nhiên tài nguyên này sẽ bị ảnh hưởng

rất nhiều không chỉ theo mùa mà còn thay đổi theo chiến lược sử dụng nước của

các nước trên thượng nguồn.

1.2.1.2. Tiềm năng về nguồn nước ngầm

Nước tàng trử trong lòng đất cũng là một bộ phận quan trọng của nguồn tài

nguyên nước ở Việt Nam. Mặc dù nước ngầm được khai thác để sử dụng cho sinh

hoạt đã có từ lâu đời nay; tuy nhiên việc điều tra nghiên cưú nguồn tài nguyên nầy

một cách toàn diện và có hệ thống chỉ mới được tiến hành trong chừng chục năm

gần đây. Hiện nay phong trào đào giếng để khai thác nước ngầm được thực hiện ở

8 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ nhiều nơi nhất là ở vùng nông thôn bằng các phương tiện thủ công, còn sự khai

thác bằng các phương tiện hiện đại cũng đã được tiến hành nhưng còn rất hạn chế

chỉ nhằm phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt ở các trung tâm công nghiệp và khu

dân cư lớn mà thôi.

1.2.2. Hiện trạng sử dụng tài nguyên nước và tiềm năng của các nguồn nước

ngọt tại Việt Nam

Hiện nay, trên toàn nước ta có trên 240 nhà máy nước với tổng công suất thiết kế là 3,22 triệu m3/ngàyđêm, phục vụ sinh hoạt và sản xuất của hơn 600 đô thị.

Đối với các đô thị là thị xã nhỏ, thị trấn mới chỉ có khoảng gần 25% (150/560) có hệ thống cấp nước tập trung với tổng công suất cấp nước đạt 433.000 m3/ngày. Tổng công suất cấp nước hiện nay ở đô thị đạt gần 1,8 triệu m3/ngày, trong đó 35%

cho nhu cầu đời sống, 30% cho sản xuất dịch vụ. Tính bình quân cho các nơi được

cấp nước đạt 54 lít/ngày/người. Trong đó, ở Hà Nội đạt 100 lít/ngày/người, TP Hồ

Chí Minh, Đà Lạt đạt 80 lít/ngày/người. So với tiêu chuẩn Nhà nước cho phép (200

- 250 l/ngày/người ở thành phố và 150 - 200 l/ngày/người ở thị xã - khu công

nghiệp) thì con số này còn kém xa và mới chỉ đạt 1/2 đến đến 1/4 tiêu chuẩn cấp

nước ở một số nước khu vực Đông - Nam Á. Theo định hướng phát triển cấp nước

đô thị, nhu cầu cấp nước ở các đô thị trên toàn quốc đến năm 2010 là 8,8 triệu m3/ngày; tới năm 2020 là 15,94 triệu m3/ngày.

1.2.3. Những thách thức về nhu cầu sử dụng nước

1.2.3.1. Nhu cầu dùng nước tăng lên mạnh mẽ

Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội và sự gia tăng dân số, nhu cầu dùng

nước cho sinh hoạt, sản xuất công nông nghiệp sẽ tăng lên mạnh mẽ trong tất cả

các vùng. Theo kết quả đánh giá năm 1999, tổng lượng nước cần dùng của cả nước

chiếm khoảng 8,8% tổng lượng dòng chảy năm tương ứng với tần suất 75%, tăng

lên tới 12,5% vào năm 2000 và 16,5% vào khoảng năm 2010. Tổng lượng nước

dùng để tưới cho cây trồng khá lớn, từ 41 km3 (chiếm 89,8%) năm 1985, tăng lên 46,9 km3 (năm 1990) và 60 km3 năm 2000 (chiếm 85%). Lượng nước cần dùng

trong mùa cạn rất lớn, nhất là lượng nước dùng cho nông nghiệp. Tổng lượng nước

9 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ cần dùng trong mùa cạn năm 2000 đạt tới 70,7 km3, chiếm khoảng 42,4% tổng

lượng nước có khả năng cung cấp trong mùa cạn (bao gồm nước sông, nước dưới

đất và nước do các hồ chứa điều tiết), hay 51% tổng lượng dòng chảy mùa cạn

tương ứng với tần suất 75%. Vào khoảng năm 2010, tổng lượng nước cần dùng

trong mùa cạn có thể tới 90 km3, chiếm khoảng 54% tổng lượng nước có thể cung

cấp hay 65% tổng lượng dòng chảy trong mùa cạn tương ứng với tần suất 75%.

Đặc biệt, ở không ít vùng và lưu vực sông, lượng nước cần dùng có thể gấp vài lần

tổng lượng nước có thể cung cấp, tức là chẳng những vượt quá xa ngưỡng lượng

nước cần có để duy trì sinh thái mà còn không có nguồn nước tại chỗ để cung cấp

cho sinh hoạt và sản xuất.

1.2.3.2. Cạn kiệt và ô nhiễm nguồn nước

Như trên đã nêu, sự gia tăng dân số và các hoạt động của con người sẽ ngày

càng tác động mạnh mẽ đến môi trường tự nhiên nói chung và môi trường nước nói

riêng. Những hoạt động tự phát, không có quy hoạch của con người như chặt phá

rừng bừa bãi, canh tác nông lâm nghiệp không hợp lý và thải chất thải bừa bãi vào

các thuỷ vực... đã và sẽ gây nên những hậu quả rất nghiêm trọng, làm cho nguồn

nước bị cạn kiệt, bị ô nhiễm, hạn hán có khả năng càng khốc liệt. Nguy cơ thiếu

nước sạch càng trầm trọng, nhất là vào mùa cạn ở các vùng mưa ít.Một minh chứng

cụ thể là việc phát triển ồ ạt các KCN trong thời gian qua, môi trường nói chung và

môi trường nước nói riêng đã bị những tác động ô nhiễm nghiêm trọng. Trong cả

nước hiện nay mới chỉ có 33 trên tổng số 135 KCN đang hoạt động có hệ thống xử lý nước thải tập trung, điều đó đồng nghĩa với việc có khoảng 223.750 m3 nước thải

chưa được qua xử lý đổ xuống các sông hồ mỗi ngày gây ảnh hưởng to lớn tới

nguồn tài nguyên nước mặt của nước ta. Những việc làm đó về lâu dài sẽ ảnh

hưởng trực tiếp tới nguồn cung cấp nước ngọt, hiện tại đã có rất nhiều con sông trở

thành sông chết và nước tại các con sông này không thể sử dụng được nữa.

1.2.3.3. Tác động của biến đối khí hậu toàn cầu

Sự biến đổi của khí hậu toàn cầu đã, đang và sẽ tác động mạnh mẽ đến tài

nguyên nước. Theo đánh giá bước đầu, vào khoảng năm 2070, với kịch bản nhiệt

10 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ độ không khí tăng thêm 2,5 - 4,50C, lượng dòng chảy sông ngòi cũng sẽ biến đổi

tuỳ theo mức độ biến đổi của lượng mưa, nếu lượng mưa giảm 10% thì dòng chảy

năm có thể giảm 17 - 53% đối với kịch bản nhiệt độ không khí tăng 2,50C và giảm

26 - 90% với kịch bản nhiệt độ không khí tăng 4,50C. Mức độ biến đổi mạnh nhất

xẩy ra ở Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ.

Ngoài ra, trái đất nóng lên sẽ làm cho nước biển có thể dâng cao thêm 0,3 -

1,0 m và do đó nhiều vùng thấp ở đồng bằng sông Cửu Long, vùng đồng bằng châu

thổ Bắc Bộ và ven biển Trung Bộ sẽ bị ngập chìm trong nước biển. Nếu nước biển dâng 1 m, diện tích ngập lụt là 40.000 km2, chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu Long, 1700 km2 vùng đất ngập nước cũng bị đe doạ và 17 triệu người sẽ chịu hậu quả của

lũ lụt.

Cuối cùng, sự cạn kiệt, ô nhiễm nguồn nước cũng như sự khan hiếm nguồn

nước sẽ càng trầm trọng nếu không có các biện pháp quản lý tốt tài nguyên nước.

Cũng vì lẽ đó mà người ta cho rằng, khủng hoảng nước hiện nay không chỉ do nước

quá ít không đủ để thoả mãn nhu cầu của con người mà còn do sự quản lý nguồn

nước quá kém gây nên hàng tỷ người và môi trường gánh chịu hậu quả.

1.3. Vấn đề khử mặn từ nước biển đối với các vùng ven biển và hải đảo

1.3.1. Tầm quan trọng của việc khử muối trong nước biển đối với các vùng ven

biển và hải đảo

Với đặc thì về địa lý Việt Nam có ba mặt giáp biển. Đông và nam giáp biển

Đông (thuộc Thái Bình Dương) với bờ biển kéo dài khoảng 3.260km, kể từ Móng

Cái ở phía bắc đến Hà Tiên ở phía tây nam, và với hệ thống đảo ven bờ gồm có 2.773 hòn đảo lớn nhỏ diện tích từ 0,001 km2 đến 100 km2, diện tích tổng cộng lên đến 1.720 km2, kèm theo đó là một lượng lớn dân cư sống tại đây việc đảm bảo

những nhu cầu vật chất tối thiểu cho lượng dân cư sống tại đây là một yêu cầu cực

kỳ quan trọng, nó ảnh hưởng sâu sắc tới tình hình an ninh, chính trị và quân sự.

Với những phân tích ở trên, ta dễ dàng nhận thấy Việt Nam là một lượng có

tài nguyên nước thuộc loại khá trên thế giới tuy nhiên với đặc thù phân bố không

đều và không ổn định theo thời gian, đến nay gần 40 % dân số Việt Nam vẫn chưa

11 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ được sử dụng nước sạch (trong đó dân cư sống ở vùng ven biển và hải đảo chiếm

đa số), điều đó đặt ra thách thức cực kỳ to lớn đối với sự phát triển bền vững của

nước ta. Hiện nay nhà nước ta đã dùng nhiều phương pháp nhằm cung cấp nước

sạch đến các vùng này như đưa các xe nước sạch từ trong đất liền ra, xây dựng

đường ống cung cấp nước từ các vùng lân cận… Tuy nhiên các phương pháp này

rất tốn kém và không thể chủ động được cho người dân sống trong khu vực. Đó

không thể là một phương pháp dùng để duy trì lâu dài và đòi hỏi phải có những

phương pháp khác thay thế.

Một nghịch lý khi mà các vùng ven biển và hải đảo xung quan đều được bao

bọc bởi nước biển, với trữ lượng lớn từ đại dương nó gần như là vô tận. Nó sẽ là

nguồn nguyên liệu tuyệt vời cho sản xuất nước ngọt đối với người dân hải đảo và

ven biển nếu có thể tìm cách khử muối của nước biển.

1.3.2. Những phương thức khử muối trong nước đơn giản

Từ ngàn xưa vấn đề này đã được con người nghĩ đến và áp dụng với mức độ

thô sơ và đã mang được những kết quả nhất định, tuy nhiên chất lượng nước thu

được vẫn chưa ổn định. Ta có thể lấy ví dụ một vài phương pháp khử mặn thô sơ

sau đây:

1.3.2.1. Lọc nước mặn bằng than đước

Đây là cách lọc "chữa cháy" không hoàn toàn khử được muối, nước vẫn còn

lờ lợ, nhưng khá rẻ tiền, dễ làm.

Nguyên lý: Sử dụng than đước lọc, hấp thụ loại bỏ muối ra khỏi nước biển.

Cách thức thực hiện:

Đào một cái hố sâu khoảng 2 m, đuờng kính 2-3 m, như hình dưới. Chung

quanh đóng 2 hàng cừ thành hai vòng tròn có khoảng hở ở giữa chừng 0,5 - 0,8 m

(hoặc dày hơn thì càng tốt). Giữa 2 hàng cừ, đổ đầy than đước và lèn chặt cát ở

khoảng hở. Nước mặn thấm qua lớp than đước - cát sẽ làm giảm độ mặn.

12 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 1.2: Khử muối theo phương pháp lọc bằng than đước

Ưu điểm: Phương pháp vận hành đơn giản, không tiêu tốn năng lượng cho

việc loại bỏ muối.

Nhược điểm: Không loại bỏ được hoàn toàn muối trong nước, chất lượng

nước sau khi xử lý không được tốt vẫn còn vị lờ lợ.

1.3.2.2. Khử mặn bằng nhiệt mặt trời

Nguyên lý: nước bốc hơi sẽ để lại các chất hòa tan trong nó.

Cách thức thực hiện:

Làm một hộp nóng như hình dưới, hộp nóng làm việc theo hiệu ứng nhà kính.

Góc nghiêng của kính phải bằng hoặc trên 45 độ. Có thể thu khoảng 3- 6 lít

nước/ngày tùy theo kích thước hộp nóng và khả năng thu nhiệt. Cách này tuy tổn

phí ban đầu nhưng tận dụng được năng lượng mặt trời.

Ưu điểm của phương pháp này: đơn giản, tận dụng được năng lượng mặt trời

cho việc cung cấp năng lượng để đưa nước lên nhiệt độ bay hơi.

Nhược điểm: hiệu suất thấp, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu.

13 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 1.3. Khử muối bằng nhiệt mặt trời

1.3.2.3. Khử mặn bằng chưng cất đơn giản

Nguyên lý: sử dụng nhiệt để biến nước thành hơi, tách muối ra khỏi nước.

Làm một nồi hơi như hình dưới. Cách này thu được nhiều nước hơn nhưng

lại tốn nhiên liệu đốt, tốn công sức và thường xuyên phải cạo bỏ lớp muối cặn ở nồi.

Hình 1.4: Khử muối bằng chưng cất đơn giản

Ưu điểm của phương pháp: chủ động được trong việc khử muối ra khỏi nước.

14 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Nhược điểm: đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng cho việc cung cấp nhiệt để bay

hơi nước.

Các phương pháp trên chính là các tiền đề cho các phương pháp khử muối

trong hiện đại như: chưng cất nhiều giai đoạn, lọc màng.

1.3.3. Những phương pháp khử muối hiện đại

Hiện nay để khử muối người ta dựa vào ba phương pháp chính là:

- Phương pháp chưng cất

- Phương pháp màng lọc thẩm thấu ngược RO

- Phương pháp điện thẩm tách.

Đây là các phương pháp sử dụng các công nghệ phức tạp để loại bỏ muối ra

khỏi nước.

1.3.3.1. Phương pháp chưng cất

Đây là công nghệ cổ xưa nhất trong việc loại muối ra khỏi nước biển, công

nghệ này đã được các thủy thủ sử dụng để tạo ra nước ngọt từ nước biển. Công

nghệ này dựa trên sự bay hơi nước nhằm tách các chất hòa tan ra khỏi nước sau đó

ngưng tụ hơi. Đây cũng chính là cách thức mà tự nhiên tạo ra nước ngọt từ nước

biển, 90% lượng nước ngọt có được là do quá trình bay hơi của nước ngoài đại

dương, hơi nước sau khi bay hơi được ngưng tụ tạo thành các đám mây và tạo mưa

cung cấp nước ngọt.

Chưng cất: là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng bay hơi thành những cấu tử

riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau, ở những nhiệt độ sôi khác nhau của mỗi

cấu tử chứa trong hỗn hợp đó, bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần bay hơi và ngưng

tụ. Quá trình chưng cất dựa trên cơ sở là các cấu tử của hỗn hợp lỏng có áp suất hơi

khác nhau, khi đun nóng, những chất có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước và

được tách riêng ra khỏi hỗn hợp.

Thực tế để khử muối khỏi nước biển thì đòi hỏi phải có các phương pháp

chưng cất riêng biệt là phương pháp chưng cất đa ứng (MED, Multi Effect

15 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Distillation), phương pháp chưng cất phân đoạn (MSF, Multi Stage Flash

Distillation).

Phương pháp chưng cất đa ứng dùng nhiệt năng ở nhiệt độ dưới 100 C và

phương pháp chưng cất phân đoạn, có hiệu suất cao hơn, dùng nhiệt năng ở

120/125 C. Hai phương pháp này cần đến 200 nhiệt năng cho mỗi mét khối nhưng

thích ứng với những nhà máy có công suất lớn

Những ưu nhược điểm của phương pháp chưng cất:

+ Ưu điểm:

- Đơn giản, dễ vận hành

+ Nhược điểm:

Đòi hỏi năng lượng lớn để đưa nhiệt độ nước lên nhiệt độ bay hơi.

1.3.3.2. Công nghệ màng

Công nghệ màng được phát triển từ những năm 60, đây là công nghệ sử dụng

những màng bán thấm có kích thước lỗ khác nhau để tách loại các chất dựa và kích

thước phân tử. Ứng dụng của màng trong xử lý nước được phát triển trong nhiều

thập kỷ qua và cho đến nay nó vẫn không ngừng được nghiên cứu để hoàn thiện.

Dựa vào kích thước lỗ, khả năng loại bỏ các chất trong nước mà người ta có thể

chia ra bốn phương pháp lọc khác nhau đó là:

+ Thẩm thấu ngược (RO).

+ Lọc nanô (NF)

+ Siêu lọc (UF)

+ Vi lọc (MF).

Thẩm thấu ngược là phương pháp lọc tốt nhất trong tất cả các phương pháp

lọc màng. Quá trình lọc này chỉ cho nước đi qua màng còn tất cả các chất hòa tan,

chất rắn lơ lửng đều bị giữ lại.

Một loại lọc khác tương đương với lọc RO là lọc nano (NF). Trong thực tế 2-…) trong khi thì NF chỉ giữ lại các loại ion có hóa trị lớn hơn 1(Ca2+, Mg2+, SO4

16 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ những ion hóa trị 1 thì vẫn có thể đi qua màng. Khả năng giữ lại muối vì thế có

hiệu suất từ 0-50% tùy theo nồng độ muối của nước đầu vào.

Siêu lọc (UF) là quá trình lọc mà các hợp chất phân tử có phân tử lượng lớn

như là protein và các chất rắn lơ lửng bị loại bỏ trong khi những hợp chất có phân

tử lượng thấp thì có thể đi qua màng dễ dàng. Vì thế những axit hữu cơ, axit vô cơ,

saccarit, muối, kiềm…vẫn đi qua màng dễ dàng.

Vi lọc (MF) là quá trình chỉ loại bỏ những chất rắn lơ lửng trong khi thấm

chí protein vẫn đi qua màng.

Việc sử dụng loại màng nào tùy thuộc vào mục đích sử dụng và chúng ta

phải cân nhắc đến nhiều yếu tố khác nữa như công suất, giá thành, nhân lực…

Những ưu nhược điểm của công nghệ màng

+ Ưu điểm:

- Quy trình công nghệ đơn giản.

- Tốn ít diện tích, chi phí năng lượng thấp.

- Không ảnh hưởng tới môi trường.

- Có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng và tốn ít hóa chất.

- Phạm vi áp dụng lớn.

- Khả năng xử lý và loại bỏ các chất ô nhiễm cao.

+ Nhược điểm:

- Màng dễ bị hỏng nếu vận hành sai chế độ.

- Nước cấp vào phải đạt được đến một giá trị nhất định.

- Do tiến hành ở áp suất cao nên thiết bị phải đặc biệt.

- Vận hành đòi hỏi sự tuân thủ cao.

- Giá thành đầu tư cao.

17 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Bảng 1.3: So sánh 4 quá trình lọc màng [3]:

đối đối đối trúc

RO Không xứng NF Không xứng UF Không xứng đối đối Cấu màng

MF Không xứng, xứng 10-150 m 1-150 m 1-150 m 1-250 m

thước <0.002 m <0.002 m 0.2-0.02 m 0.02-4 m

Độ dày màng mỏng Kích lỗ Loại bỏ

Các mảnh nhỏ, vi khuẩn

Các phân tử lớn, protein, polysaccarit

Các loại hợp chất, nuối, glucose, amino axit

Các hợp chất tử có phân lượng lớn, mono-, di-và oligosaccarit, các iôn hóa nhiều hóa trị 5-35 bar 15-150 bar 1-10 bar <2 bar.

Áp suất làm việc Trong các hệ thống xử lý nước siêu sạch thì vai trò của RO là rất quan trọng

vì những ưu điểm vượt trội của nó (sẽ nói kĩ hơn ở phần tiếp theo của đồ án này).

Thông thường quá trình này có thể áp dụng cho quá trình làm sạch triệt để.

1.3.3.3. Quá trình điện thẩm tách (ED)

Điện thẩm tách (ED) là phương pháp tách điện hóa học, trong đó các ion

được vận chuyển qua màng trao đổi ion từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ

cao hơn, dưới tác dụng của dòng điện một chiều (DC). Mảng trao đổi ion cho phép những ion mang điện tích dương như là ion Na+, K+ đi qua, gọi là màng cation. Màng trao đổi ion cho phép những ion mang điện tích âm như ion Cl-, SO42- đi qua,

gọi là màng anion.

Trong phương pháp điện thẩm tách, tạp chất (các ion) được tách loại khỏi

nước bằng điện. Dòng điện 1 chiều chuyển các ion qua 1 màng để tạo ra dòng nước

khử khoáng và dòng nước có nồng độ cao hơn. Màng sẽ hình thành một rào cản

giữa nước thu ion (hay dòng nước có nồng độ ion cao hơn trước )và nước khử

khoáng. Phía màng có nồng độ ion cao hơn sẽ gây ra hiện tượng phân cực nồng độ,

nhiễm bẩn hữu cơ, tạo cặn khoáng chất đá vôi và các kết tủa khác.

18 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 1.5 dưới đây mô tả quá trình làm việc của một thiết bị điện thẩm tách

đơn giản để tách muối.

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý quá trình điện thẩm tích.

Khi cho dòng điện một chiều đi qua, khoang số 1 và 6 khác biệt với các

khoang khác vì chứa các điện cực kim loại. Dưới tác dụng của dòng điện, khí clo, khí oxy và ion H+ sinh ra ở anốt còn khí H2 và ion OH- sẽ được tạo ra ở catôt.

Trong khoang số 2, ion Cl- bị đẩy qua màng trao đổi anion (A) vào khoang số 3, trong khi ion Na+ bị đẩy qua màng trao đổi cation (C) vào khoang số 1. Như vậy

khoang 2 là khoang được tách muối.

Trong khoang số 3, ion Na+ không thể đi qua được màng trao đổi anion nên bị giữ lại trong khi đó anion Cl- cùng không thể đi qua được màng trao đổi cation

nên cũng bị giữ lại trong khoang 3. Khoang 3 trở thành khoang thu nhận muối.

Tương tự khoang 4 là khoang tách muối, khoang 5 là khoang thu muối. Như

vậy các khoang 2 và 4 hàm lượng ion giảm còn khoang 3 và 5 hàm lượng ion tăng

hình thành các ngăn dung dịch nhận muối và tách muối luân phiên nhau trong thiết

bị màng trao đổi ion dươí tác dụng của dòng điện một chiều.

Khi vận hành một thiết bị như trên sẽ tạo ra 2 dòng nước chính tách biệt

nhau: dòng nước đã tách muối và dòng nước thu muối và 2 dòng nước phụ từ các

khoang chứa các điện cực. Đó là cấu trúc đặc trưng và quan trọng nhất của một hệ

thống ED.

19 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Người ta thấy rằng sự đổi chiều màng sau khi làm vệ sinh thiết bị sẽ làm đổi

ngược lại tác dụng nhiễm bẩn hưũ cơ, kéo dài năng lực làm việc giữa các làn làm

vệ sinh thiết bị và giảm nhu cầu vệ sinh hoá học. Trong những năm 1950, người ta

cố gắng phát triển một hệ thống màng ED đối xứng và dòng địện xoay chiều để có

thể tự động thay đổi môi trường và bề mặt của màng, thay đổi điều kiện nồng độ

cách một cách thuận lợi cho việc tự làm sạch màng trong quá trình làm ngọt nước.

Thiết bị làm sạch nước dựa trên kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều (EDR) đã ra đời.

Sự thay đổi căn bản trong việc kiểm soát sự tạo cặn mà không cần phải thêm hoá

chất xuất hiện vào cuối những năm 1960 và được ứng dụng trong công nghệ dựa

trên kỹ thuật EDR. So với hoạt động của hệ ED trước đây, EDR ít bị ảnh hưởng bởi

sự tạo cặn rắn CaCO3 hay CaSO4 khi pH tăng hay trong nước có nhiều tạp chất hữu

cơ. Các nhà máy EDR có thể vận hành lâu hơn mà không cần tăng độ bền của

màng đối với các tạp bẩn và có thể khôi phục lại sự hoạt động ổn định mà không

cần thêm hoá chất

Sự phổ biến rộng rãi và nhanh chóng kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều đã

cho thấy ưu thế đặc biệt của nó so với các phương pháp tách muối có sử dụng màng

một cách chung chung. Sự phân cực ngược làm giảm sự nhiễm bẩn dài hạn và làm

giảm việc sử dụng thêm hoá chất như thế là kinh tế và thực tiễn hơn nhiều so với

quá trình ED. Tính chất vật lý tấm mỏng của khối màng cùng với tính chất chịu hóa

chất và không nhiễm bẩn màng làm cho EDR chiếm vị trí dẫn đầu trong công nghệ

tách muối của những nguồn nước khó xử lý hoặc xử lý tốn kém.

Trong khoảng 10 năm trở lại đây EDR đẵ trở thành một phương pháp kinh tế

để tách muối bằng màng cho nước ngầm, nước mặt và nước thải. Các hệ thống

EDR đã được thiết kế và vận hành để tách muối từ nước sông, nước hồ dùng cho

mục đích công nghiệp và dân dụng. Các thiết bị EDR cũng được sử dụng cho hệ

thống làm mát, XLNT công nghiệp và nước thải đô thị nhằm tái sử dụng.

* Những ưu nhược điểm của cụng nghệ điện thẩm tích.

+Ưu điểm: Hiệu suất xử lý cao, các màng trao đổi cation và anion có độ chọn

lọc tối thiểu 90%, được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng.

20 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

+Nhược điểm: Quá trình hình thành cặn làm cho chế độ vệ sinh, vận hành

phức tạp làm tăng giá thành sản phẩm. Thiết bị chế tạo đòi hỏi công nghệ cao do

chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chi phối do đó tương đối đắt tiền.

Trong hệ thống sản xuất nước siêu sạch thì phương pháp điện thẩm tách chủ

yếu được dùng để loại các ion trong nước ở công đoạn cuối cùng vì nó có khả năng

tách triệt để các ion. Tuy nhiên đối với các loại chất ô nhiễm không phải là ion thì

phương pháp này không hoặc ít có khả năng loại bỏ.

21 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Kết luận chương 1:

- Với những gì phân tích ở trên ta nhận thấy tài nguyên nước của Việt Nam là

ở mức khá nếu so sánh với mặt bằng chung của toàn thế giới nhưng với đặc tính

phân bố không đều và không ổn định, một bộ phận khá lớn dân cư trong nước ta

vẫn phải chịu cảnh thiếu nước sạch cho cuộc sống sinh hoạt và sản xuất.

- Nước biển là nguồn nguyên liệu gần như là vô tận cho sản xuất nước ngọt.

Nước biển chiếm 97% tổng lượng nước trên toàn thế giới, về cơ bản nước biển có

độ ô nhiễm thấp do đó không phải mất nhiều công trong việc xử lý (ngoại trừ xử lý

khử muối)

- Khử muối nước biển thành nước ngọt là hoàn toàn có khả năng với các

phương pháp hiện đại như lọc màng RO, điện thẩm tách, chưng cất.

- Với những phân tích ở trên ta nhận thấy rằng phương pháp màng thẩm thấu

ngược RO hoàn toàn thích hợp với việc khử muối trong nước biển để tạo thành

nước ngọt cho các vùng ven biển và hải đảo của Việt Nam.

22 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC RO

2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình thẩm thấu ngược

Sự thẩm thấu là: quá trình mà trong đó có sự di chuyển của dung dịch

xuyên qua màng phân chia từ dung dịch có nồng độ thấp hơn sang dung dịch có

nồng độ cao hơn. Những dung dịch xuyên qua màng có xu hướng làm giảm nồng

độ của dung dịch có nồng độ cao hơn. Sự di chuyển này có thể được quan sát bằng

sự tăng giảm thể tích của các dung dịch. Sự di chuyển này sẽ kết thúc khi sự chênh

lệch mực dung dịch cân bằng với áp suất thẩm thấu.

Hình 2.1. Mô tả hiện tượng thẩm thấu và thẩm thấu ngược

23 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Thẩm thấu ngược là: quá trình ngược lại với quá trình thẩm thấu, nghĩa là

hướng chuyển động của dòng chảy từ dung dịch đặc hơn qua màng sang dung dịch

loãng hơn. Hiện tượng thẩm thấu và thẩm thấu ngược được mô tả trong hình 2.1.

Trong thẩm thấu ngược, động lực của quá trình là sự chênh lệch áp suất giữa

2 bề mặt màng. Sự chênh áp này là nguyên nhân để nước chảy từ dung dịch có

nồng độ cao hơn sang dung dịch có nồng độ thấp hơn. Bởi vậy áp suất yêu cầu để

xảy ra sự thẩm thấu ngược phải cao hơn áp suất thẩm thấu.

Sự chênh áp (áp suất màng) thường lớn hơn 21kg/cm2 và phụ thuộc vào sự

cho 1000 mg/l chênh lệch nồng

chênh lệch nồng độ. Trung bình khoảng 0.7 kg/cm2

độ. Điều đó có nghĩa là một phần lớn chi phí dành cho năng lượng của bơm, các chi

phí khác là chi phí cho dòng thải bỏ (thông thường là khoảng 25% thể tích dòng

vào), chi phí khấu hao và chi phí cho sự thay thế màng. Có thể coi sự tránh giảm áp

suất đột ngột như một bước cất giữ thế năng, nhưng quan trọng là để duy trì áp suất

thiết kế bởi vì sự giảm giá trị trong quá trình này không chỉ giảm sản phẩm mà còn

cho phép nhiều chất ô nhiễm qua hơn (sự loại bỏ ít hơn). Vì thế, điều khiển áp suất

trong hệ thống chính là tối ưu hóa quá trình.

Các loại màng khác nhau thì áp suất màng cũng khác nhau. Trong thẩm thấu

ngược, sự vận chuyển nước qua màng không phải là kết quả của việc nước xuyên

qua các lỗ nhỏ, ít nhất là không phải các lỗ thông thường như ta vẫn nghĩ. Đó là kết

quả của khuyếch tán, một phân tử tại một thời điểm, xuyên qua khoảng trống trong

cấu trúc phân tử của màng. Những khoảng trống trong vật liệu plyme vô định hình

là một mạng dòng và không cố định trong khi trong các vật liệu cấu trúc tinh thể thì

những khoảng trống này là cố định trong cấu trúc về vị trí và số lượng. Màng RO là

màng polyme vô định hình nhưng thông thường có chứa một số vùng cấu trúc tinh

thể hoặc ít vô định hình hơn.

Đa số nguyên liệu màng được sử dụng rộng rãi là axêtat xenlulo, triacetate

và polyamide pôlime. Mỗi một loại màng đều có những thông số giới hạn khác

nhau như nhiệt độ, áp suất làm việc, pH, nồng độ clo giới hạn…

24 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hiệu ứng già hóa trên màng RO dẫn đến sự ép (nén) bề mặt và sự thắt luồng.

Hiệu ứng này khó xảy ra ở áp suất dưới 12 bar nhưng có thể mất tới 10% sản phẩm

ở 24bar và có thể tới 40% sau 1 năm hoạt động. Vì thế việc thiết kế hệ thống RO

làm việc hiệu quả theo thời gian là rất quan trọng.

Thẩm thấu ngược đã cũng được gọi là lọc cao áp, chỉ mối quan hệ của nó tới

một quá trình lọc ở áp suất cao. Tuy nhiên, nó không nên được nhầm lẫn với sự

siêu lọc, là quá trình mà sử dụng áp suất thấp hơn và những màng có cấu trúc khác,

vì thực chất sự loại bỏ trong siêu lọc là quá trình giữ lại những chất bẩn dựa vào sự

khác nhau của kích thước hạt. Vì thế RO giữ lại được những chất có phân tử lượng

bé hơn nhiều so với siêu lọc.

Sự loại bỏ đôi khi là một đặc trưng của màng bán thấm, một ion nào đó có

thể được loại bỏ nhiều hơn ion khác. Sự loại bỏ cũng bị ảnh hưởng bởi các ion có

mặt trong dung dịch. Nói chung với mỗi loại màng khác nhau thì chất lượng sản

phẩm cũng khác nhau.

2.2. Cấu trúc hóa học của màng RO

Hiện tượng thẩm thấu đã được quan sát từ giữa thế kỉ 18. Những thí nghiệm

đầu tiên được thực hiện trên màng động vật và nó đã bị lãng quên từ năm 1867 cho

đến khi màng nhân tạo được phát triển. Vào đầu những năm 50 của thế kỉ 20,

những nhân viên nghiên cứu ở trường đại học Florida đã thấy rằng, với những

màng dày làm từ cellulo axetat có những thuộc tính đặc biệt đối với quá trình vận

chuyển của muối và nước, ẩn chứa khả năng tiềm tàng để chế tạo những màng

thẩm thấu ngược để khử muối. Vào những năm 1960, Loeb và cộng sự ở trường đại

học Califonia ở Los Angeles phát triển kĩ thuật để sản xuất những màng cellulo

axetat có khả năng tách nước và muối tại áp suất vừa phải. Với sự phát triển này, kĩ

thuật thẩm thấu ngược đã có thể được ứng dụng thực tế.

Những màng cellulo axetat cổ điển này chỉ thích hợp cho việc khử muối với

nồng độ thấp. Chúng không chịu được áp suất lớn cần thiết cho việc khử muối

trong nước biển. Những màng đầu tiên được chế tạo từ cellulo axetat bị thủy phân

ở pH thấp hoặc cao, chúng chỉ làm việc được trong khoảng pH hẹp. Những màng

25 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ này cũng bị phá hoại bởi vi sinh vật, bị phân rã ở quá 40 độ C. Màng cellulo axetat

cũng bị nén ép ở áp suất trên 28bar. Tiền xử lý nước cấp vào thích hợp làm giảm

đáng kể những hiệu ứng xấu gây ra bởi nhiệt độ, độ pH và vi sinh vật tới màng sử

dụng trong thực tế.

Một số lượng đáng kể các nghiên cứu đã được phát triển để phát triển màng

cellulo triaxetat ổn định hơn đối với pH, nhiệt độ và chống chịu tốt hơn đối với sự

phá hoại của các chất hóa học và vi sinh vật. Trong khi màng cellulo triaxetat ổn

định hơn với những điều kiện trên thì nó lại bị nén ép ở áp suất hoạt động 28bar, đó

là nguyên nhân gây giảm dòng sản phẩm.

Việc chế tạo loại màng với hỗn hợp của cellulo diaxetat và cellulo traxetat

cho ta một loại màng với những đặc tính vượt trội hơn:

- Bền vững hơn màng cellulo diaxetat.

- Chất lượng dòng sản phẩm và dòng loại bỏ tốt hơn màng cellulo diaxetat.

- Chịu được áp suất lớn hơn so với màng cellulo diaxetat và cellulo triaxetat.

Tuy nhiên, màng axetat có giới hạn chịu được tác dụng của clo dư rất ít, mà

đây lại là hóa chất được dùng nhiều để khử trùng cho nước cấp.

Những màng cellulo axetat là màng không đối xứng và được chế tạo từ một

khối polyme đơn. Khi dung kính hiểm vi điện tử để nghiên cứu lớp màng cellulo

axetat vào những năm 1960, thì các nhà khoa học thấy rằng: lớp màng này gồm có

một lớp đặc, mỏng trên bề mặt và tiếp theo là lớp xốp dày hơn được cấu tạo từ cùng

vật liệu. Độ dày của màng khoảng 100 micromet thì lớp đặc trên bề mặt chỉ có 0.2

micromet và 99.8 micromet còn lại là của lớp xốp.

26 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Cellulo axetat

Luận văn thạc sỹ Lớp đặc

0,2 micromet

99,8 micromet

Lớp xốp

Hình 2.2. Màng không cân đối được cấu tạo từ một thành phần vật liệu.

Trong suốt những năm 1960, công ty Dupont đã tìm ra một số nguyên liệu khác tốt hơn cellulo axetat để chế tạo màng thẩm thấu ngược. Những nghiên cứu của họ chỉ ra rằng polyme vòng thơm là loại vật liệu tốt hơn để chế tạo màng bán thấm. Đa số các sản phẩm màng RO sợi ống mảnh của công ty này được chế tạo từ polyme vòng thơm và nó có sức cạnh tranh rất lớn với loại màng cellulo axetat trên thị trường.

Không lâu sau khái niệm về màng không đối xứng được thiết lập, những nghiên cứu về màng composit (màng phức) được bắt đầu. Màng phức cũng có cấu trúc không đối xứng nhưng nó bao gồm hai lớp polyme là lớp chắn trên bề mặt màng và lớp xốp đỡ ở phía dưới lớp chắn. (Hình 2.4). Lớp xốp đỡ phía dưới được hình thành riêng rẽ bằng kĩ thuật nén màng từ một loại polyme. Lớp xốp có bề dày khoảng từ 75-100 micromet và tính xốp của nó do những lỗ nhỏ xuyên qua tạo thành. Lớp chắn trên bề mặt màng là một lớp mỏng dày đặc được cấu tạo từ một loại polyme khác bằng cách lắng đọng sau quá trình hình thành lớp xốp. Độ dày của lớp chắn này chỉ khoảng từ 400 đến 1000 angstron.

27 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Lớp màng chắn

400-1000 Angstron

Luận văn thạc sỹ

Polysunfone

Polyamid e

75 micromet

Lớp xốp siêu lỗ

Hình 2.3. Màng kép.

Một vài loại polyme đã được sử dụng để hình thành lớp xốp. Một trong những loại màng kép được chế tạo sớm nhất là màng với lớp xốp được cấu tạo từ cellulo nitrat và lớp chắn được cấu tạo từ cellulo triaxetat. Loại màng này được ứng dụng thành công để tách muối khỏi nước biển nhưng nó dễ hỏng và đắt. Những màng thương mại ngày nay sử dụng polyme sunfua để chế tạo lớp xốp.

Lớp chắn được hình thành trên lớp xốp theo cách sau:

- Phân tán.

- Polyme hoá (trùng hợp) thành lớp màng mỏng

- Trùng ngưng giữa hai bề mặt.

Kĩ thuật bao phủ phân tán được sử dụng cho màng cellulo triaxetat đã đề cập ở trên. Phân tán cellulo triaxetat trong dung môi clorofom trên lớp xốp, sau đó làm bay hơi dung môi để được một màng mỏng trên lớp xốp. Trùng ngưng thành lớp mỏng là sử dụng lớp polyfuran làm nền trên polysulfua. Trong trường hợp này, mono furury alcohol bị trùng hợp ở gốc do sự điều chỉnh pH và nhiệt độ. Màng loại này dễ bị ảnh hưởng mạnh bởi các chất ôxy hóa. Kĩ thuật tốt nhất để hình thành lớp chắn là kĩ thuật trùng ngưng giữa hai bề mặt. Trong phương pháp này, một polyme được hình thành trên bề mặt lỗ xốp tại giao diện của bề mặt hai pha hữu cơ và pha nước bằng phản ứng của những phân tử hòa tan đặc biệt trong mỗi pha. Bằng cách

28 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ này mà một số lớp chắn polyamine và polyure đã được hình thành trên bề mặt polysunfua. Những màng thương mại được chế tạo theo cách này. Những tiến bộ trong việc hoàn thiện loại màng không đối xứng đơn vật liệu là không hiệu qủa so với màng kép. Màng kép cho sản phẩm tốt hơn, chịu được áp suất lớn hơn. Polyamin và polyure cho phép màng kép chịu được nhiệt độ cao hơn, làm việc trong dải pH lớn hơn, và chịu được tốt hơn sự tấn công của vi sinh vật. Nhưng trái lại, màng kép cũng vẫn bị phá hủy bởi clo dư và các chất oxy hóa khác. Vì thế nếu trong nước cấp có sử dụng phương pháp khử trùng hoặc clo hóa thì phải đi kèm theo phương pháp khử clo để bảo vệ màng trước khi nước đi vào hệ thống thẩm thấu ngược.

Trong khi màng cellulo axetat chịu được áp suất trung bình, phù hợp cho việc phân tách những dung dịch có nồng độ trung bình thì màng composit có thể chịu sức ép lớn hơn nhưng dòng thấm qua lại nhỏ. Khả năng loại bỏ của 2 loại màng nói trên đã được kiểm nghiệm với nhiều loại dung dịch khác nhau. Kết luận được đưa ra là khả năng loại bỏ của màng composit lớn hơn đáng kể so với màng cellulo axetat. Hiện nay có nhiều loại màng thương phẩm được bán trên thị trường. Tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm sau xử lý mà ta lựa chọn các loại khác nhau. Tuy nhiên với mỗi loại đều có các thông số kĩ thuật đi kèm và chúng ta cần phải hiểu được ý nghĩa của các thông số đó để lựa chọn.

2.3 . Các loại thiết bị màng RO dùng trong công nghiệp Những loại thiết bị màng thẩm thấu ngược thường được sử dụng bao gồm:

1- Dạng tấm. 2- Thiết bị dạng xoắn ốc. 3- Dạng ống. 4- Dạng ống sợi rỗng.

29 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 2.3.1. Dạng tấm

Hình 2.4: Mô tả dạng thiết bị dạng tấm.

30 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 2.3.2. Thiết bị dạng xoắn ốc Thiết bị dạng xoắn ốc được mô tả trong hình 2.6

Hình 2.5. Thiết bị dạng xoắn ốc

Về cơ bản thiết bị dạng này bao gồm hai tấm màng được phân tách bởi các

tấm polyme, tấm vải và các tấm lưới nằm xen kẽ. Cơ cấu này nhằm tăng khả năng

chịu áp lực của màng và tạo ra các rãnh dòng chảy.

Trong kiểu này, giữa hai màng bán thấm, bộ phận xốp làm bằng các sợi thuỷ

tinh,.. được gắn vào tạo thành một ống dẫn nước thấm. Trên mặt ngoài của mỗi

màng, một miếng đệm được gắn vào tạo thành ống dẫn nước chưa xử lý chảy vào.

Hệ thống này được gắn lần lượt trong nhiều nếp gấp và sau đó được uốn thành hình

thể xoắn. Ở vị trí trung tâm, một ống dẫn nước được luồng qua và đoạn cuối màng

được nâng lên tới ống dẫn để hứng nước tràn qua ống dẫn. Kết cấu này cho phép diện tích màng rộng thêm 1m3 modum (đơn vị của hệ thống), nhưng lại làm cho

việc rửa màng rất khó khăn, nên nó không thích hợp cho sự xử lý với nước có SDI

cao.

31 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Ưu điểm của loại màng dạng xoắn ốc là có thể sử dụng được nhiều thiết bị

và tốc độ dòng lớn. Nhưng nhược điểm của thiết bị này là cần phải xử lý nước cấp

vào thật tốt để ngăn ngừa sự đóng cặn của màng.

2.3.3. Dạng ống

Thiết bị này được mô tả trong hình 2.7.

Hình 2.6. Thiết bị màng dạng ống.

Mặt trong của bộ phận chống đỡ xốp dạng hình trụ, ví dụ như hình trụ làm

bằng các sợi thuỷ tinh, có một màng bán thấm được nâng lên, sử dụng một áp suất

để đưa nước vào trong hình trụ. Môdum này được kết hợp trong một số lượng lớn tạo thành hệ thống thẩm thấu ngược kiểu ống. Diện tích màng trên 1m3 modum

không rộng hơn so với kiểu lò xo.

Kiểu này có thuận lợi là nó có thể được dùng cho nước cấp vào có chất

lượng không cao lắm, kiểu màng này rất dễ rửa màng và nó cũng rất vững chắc.

Tuy nhiên nhược điểm của loại màng này là rất cồng kềnh, khả năng chịu áp suất

kém và giá thành cao.

32 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 2.3.4. Dạng ống sợi rỗng

Thiết bị này được mô tả trong hình 2.7.

Hình 2.7: Thiết bị màng dạng ống sợi rỗng

Nhiều sợi rỗng được bó thành gói, và nước chưa xử lý được thấm qua các sợi

này và thu được nước đã xử lý. Sợi rỗng được làm từ nylon bền,…với đường kính

mặt ngoài khoảng 85 micromet và đường kính mặt trong là khoảng 42 micromet,

và khoảng một triệu các sợi được bó gói và được đặt trong một bình hình trụ với áp

suất kháng cự lại. Bình này có đường kính khoảng 10cm. Nước chưa xử lý đi vào

bình dưới một áp suất và được nén về hướng ngoài của các sợi rỗng. Nước trong

nước thải được xuyên qua bộ phận rỗng và được dùng như nước thải đã xử lý. Sợi

rỗng này có kích cỡ nhỏ như một sợi tóc và để chống đỡ áp suất bên ngoài khoảng 28kgf/cm2. Bởi vậy, nếu không cần thiết bộ phận chống đỡ áp suất kháng cự thì có

nhiều sợi có được bó gói để làm tăng đáng kể diện tích màng trên mỗi mét khối

mođum. Thiết bị loại này có thể chịu áp suất vận hành từ 17 đến 70 bar. Ưu điểm

của thiết bị loại này là diện tích bề mặt sử dụng màng lớn, nhưng nhược điểm của

nó là chỉ làm việc được với nước có SDI nhỏ.

33 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình thẩm thấu ngược

2.4.1. Cấu trúc dung dịch

Dung dịch là một hỗn hợp đồng thể ít nhất là có hai cấu tử và có thành phần

thay đổi. Vì dung dịch gồm nhiều cấu tử nên đặc trưng chủ yếu của dung dịch là

nồng độ, rõ ràng sự phân bố chất tan, sự liên kết giữa các phân tử dung môi và phân

tử chất tan tạp thành một hệ đồng nhất sẽ quyết định tính chất đặc trưng của dung

dịch, tất cả các tính chất trên của dung dịch đều phụ thuộc vào cấu trúc dung dịch,

vào nồng độ dung dịch mà ít phụ thuộc vào bản chất dung dịch.

Để có thể hiểu rõ và giải thích được một cách đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng

đến quá trình làm việc của màng, chúng ta cần đề cập đến các đặc trưng “nhiệt

động và cấu trúc của dung dịch”.

2.4.2. Bản chất điện ly

Nhiều tác giả đã nghiên cứu quá trình tách các muối vô cơ từ dung dịch nước

bằng phương pháp thẩm thấu ngược đã chỉ ra rằng đối với các ion khác nhau được

tiến hành tách trong cùng một điều kiện như nhau trên cùng một màng thì các đặc

trưng của quá trình tách cũng khác nhau. Như vậy quá trình tách này còn phụ thuộc

vào bản chất chất điện ly ở dung dịch. Như đã nói ở trên, khả năng hydrat hóa khác

nhau của các ion có ảnh hưởng đến tính lựa chọn và thẩm thấu của màng. Qua thực

tế nghiên cứu nhiều tác giả đưa đến kết luận: độ lựa chọn tăng khi khả năng hydrat

hóa của ion tăng (tương ứng với bán kính ion giảm) và ngược lại khả năng hydrát

hóa tăng thì độ thẩm thấu giảm.

Khả năng hydrat hóa của các ion được sắp xếp như sau:

Ion hóa trị 1: Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+

->I->CNS-

Cl->Br->NO3

Ion hóa trị 2: Mg2+> Ca2+> Cr2+> Ba2+

Ion hóa trị 1 và 2: Sr2+> Ba2+>Li+>Na+>K+

2-> Cl->Br->NO3

->I-

SO4

34 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Độ bền của vỏ hydrat hóa được đánh giá như sau:

Trong đó ZA: điện tích anion.

rA: bán kính ion (A0)

0.25: Hằng số đặc trưng cho sự không đối xứng ở vị trí lưỡng cực của phân

tử nước.

Như vậy khi độ bền hydrát hóa tăng thì độ lựa chọn tăng và độ thẩm thấu

giảm.

2.4.3. Áp suất làm việc

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu ngược có tính

chất quan trọng là áp suất làm việc. Muốn quá trình thẩm thấu ngược xảy ra ta phải

tạo ra áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu để tạo ra động lực quá trình. Rõ ràng áp

suất càng tăng thì động lực quá trình ( - ) càng lớn, độ thẩm thấu và độ chọn

lọc càng tăng, tuy nhiên mức độ tăng của các thông số này trong từng vùng áp suất

không giống nhau

Nghiên cứu mối quan hệ giữa áp suất làm việc, độ thẩm thấu và độ chọn lọc

chỉ ra rằng: lúc đầu khi áp suất tăng thị cả độ thẩm thấu và độ chọn lọc càng tăng.

Nếu tiếp tục tăng áp suất thì độ thẩm thấu đạt tới giá trị cực đại rồi giảm xuống dần,

độ chọn lọc hầu như không thay đổi. Sở dĩ có hiện tượng như vậy là vì: trong giai

đoạn đầu khi áp suất tăng sẽ làm tăng động lực quá trình đồng thời màng bị biến

dạng dẫn đến đường kính lỗ mao quản thu hẹp lại cho nên độ chọn lọc sẽ tăng và

độ thẩm thấu cũng tăng. Nếu tiếp tục tăng áp suất thì những ống mao quản sẽ bị

khít dần lại bề mặt làm việc của màng giảm dần, giảm nhanh hơn sự tăng động lực

của quá trình vì vậy lượng nước qua màng giảm đi. Khi giảm dần áp suất ta thấy

quan hệ thuận nghịch không trùng nhau. Nguyên nhân là do màng có tính đàn hồi

nên khi thực hiện theo hai chiều màng có biến dạng dư.

35 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Qua phân tích trên ta thấy rằng không phải làm việc ở áp suất càng cao là

càng tốt vì không những độ thẩm thấu giảm, độ chọn lọc không tăng được bao

nhiêu mà còn do màng bị nén quá lớn dẫn tới màng bị biến dạng quá giới hạn đàn

hồi, làm phá huỷ màng. Thông thường với mỗi loại màng, các nhà sản xuất đều đưa

ra các thông số làm việc của màng.

2.4.4. Nồng độ dung dịch

Nồng độ dung dịch cũng là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình

làm việc của màng. Khi nồng độ thay đổi không những động lực của quá trình thẩm

thấu ngược thay đổi (do áp suất thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ) mà cấu trúc

dung dịch cũng thay đổi.

Trong dung dịch nguời ta thường chia làm ba vùng nồng độ sau:

Hình 2.8. Vùng nồng độ trong dung dịch

Vùng nồng độ loãng (vùng nước tự do): là vùng còn tồn tại các phân tử nước

ở trạng thái tự do trong dung dịch.

Vùng nồng độ giới hạn (vùng khuyếch tán): tại vùng này không còn tồn tại

các phân tử nước tự do mà nó đã ở trong lớp vở hydrat gần và xa.

36 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Vùng nồng độ cô đặc (vùng lực hút tĩnh điện): tại vùng này toàn bộ nước đã Luận văn thạc sỹ

chuyển vào vỏ hydrát hóa thứ nhất.

Theo một số tác giả khi chuyển từ vùng nồng độ này sang vùng nồng độ

khác thì cấu trúc dung dịch thay đổi đột ngột.

Với dung dịch loãng ảnh hưởng của nồng độ đến độ chọn lọc và độ thẩm

thấu của màng là không đáng kể vì trong dung dịch luôn tồn tại các phân tử nước tự

do tạo thành một lớp màng nước nguyên chất trên bề mặt màng. Nhưng khi nồng

độ dnng dịch tăng dần thì số phân tử nước tự do trong dung dịch giảm đi, chúng

chuyển dần vào lớp vỏ hydrát hóa thứ nhất và thứ hai. Khi đó lực tương tác giữa

các ion chất tan và dung môi rất lớn, mối liên kết này rất bền vững do đó bề mặt

màng không tạo thành lớp nước nguyên chất được và xảy ra hiện tượng bít kín các

mao quản do đó độ chọn lọc và độ thẩm thấu của màng giảm đi rất nhanh.

2.4.5. Màng bán thấm

Trong quá trình phân tách bằng thẩm thấu ngược, màng bán thấm có ảnh

hưởng quan trọng đến chất lượng quá trình. Các màng thường có độ chọn lọc và độ

thẩm thấu rất khác nhau, ngay trong cùng một loại màng sản xuất theo cùng một

điều kiện công nghệ thì cấu trúc màng cũng không phải là đồng nhất, các mao quản

có đường kính khác nhau, độ khuyết tật của mao quản trên từng vùng của màng

cũng khác nhau nên đường kính mao quản chỉ tính theo đường kính trung bình. Nói

chung màng có đường kính mang quản càng nhỏ thì khả năng giữ ion chất tan càng

tốt. Nhưng để đảm bảo quá trình làm việc tốt thì các màng phải thỏa mãn các yêu

cầu sau:

- Có độ thẩm thấu lớn với nước và nhỏ đối với chất tan;

- Có độ bền cơ học lớn, đồng đều về khích thước và cấu trúc;

- Các mao quản đồng nhất và ít khuyết tật.

- Có độ bền hóa cao;

- Dễ chế tạo, sản xuất hàng loạt, dễ bảo quản.

37 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 2.5. Lý thuyết về lọc màng RO

Thực chất có hai cách tiếp cận để mô tả sự chuyển khối trong những quá

trình màng. Đơn giản nhất sẽ là thêm trở lực dòng chảy của màng tới lớp tập trung

chất chất bẩn hay lớp đóng cặn để xác định mối quan hệ giữa dòng và áp suất thông

qua mối quan hệ được đưa ra bởi Darcian (thông qua thực nghiệm). Cách tiếp cận

này dựa trên kiến thức về trở lực của cả màng và lớp đóng cặn. Sự cản trở màng có

thể xác định trực tiếp thông qua phép đo thí nghiệm sử dụng nước tinh khiết hay

trong trường hợp của những màng xốp thì thông qua mối quan hệ của các thông số

hóa lý. Với điều kiện là lớp đóng cặn có thể được đo dựa vào kinh nghiệm và

những giả thiết có thể được đưa ra về hiệu ứng dựa vào sự hoạt động của màng

thấm qua với số lượng lớn, lý thuyết về sự cản trở có thế có thể được sử dụng để

xác định những mối quan hệ thủy lực mà không cần nhờ đến sự phát triển của lý

thuyết trong tương lai. Thực vậy, khi định nghĩa quá trình lọc thì quá trình thực

hành thông thường có liên quan đến màng và lớp đóng cặn gây cản trở. Những mô

hình thực nghiệm về lớp đóng cặn khác dựa trên sự lắng đọng của chất rắn giữa các

lỗ màng vì thế giải thích cho sự thay đổi lượng thấm qua theo thời gian và là công

cụ chuẩn đoán tốt hơn cho những mục đính dự đoán.

Sự phát triển của những mô hình dự báo cho sự chuyển khối màng từ những

nguyên lý đầu tiên là việc khó giải quyết hơn và dựa vào mô tả toán học của hệ

thống thủy lực, cấu trúc màng và ma trận dòng vào. Chính bởi những điều kiện giới

hạn đặc biệt mà những biểu thức giải tích đơn giản có thể được sử dụng được miễn

là có những điều kiện bổ sung đầy đủ (ví dụ về tính đồng nhất, mật độ, những màng

không xốp thì lượng nước chứa trong nó nhỏ, sự không hấp phụ của màng…). Vì lý

do đó, sự kết hợp của dung dịch và cơ chế sàng (hoặc dòng chảy mao quản đặc

biệt), như là những quá trình tồn tại trong quá trình lọc nano, làm phức tạp hóa

đáng kể đến sự mô tả toán học. Hơn nữa, không có biểu thức giải tích cơ bản nào

có thể tính toán cho sự đóng cặn, đặc biệt là sự đóng cặn lâu dài mà khi đó lực bám

dính trở nên quan trọng. Thay vào đó, những phép đo thí nghiệm đơn giản được sử

38 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ dụng để đánh giá xu hướng đóng cặn cho những quá trình màng đặc biệt và màng

dày trong một số trường hợp.

Mặc dầu có nhiều khó khăn liên quan, nhưng có mô hình đã được đưa ra để

làm cơ sở cho quá trình tính toán của các quá trình màng khác nhau. Mô tả chi tiết

sự phát triển của những mô hình đó là vượt ra ngoài khuôn khổ của bản đồ án này.

Những biểu thức cuối cùng được đưa ra để xem xét nội dung của những giả thiết đã

nêu ra. Điểm xuất phát cho sự phát triển các học thuyết về nước và những luồng

dung dịch xuyên qua màng dầy đặc thay đổi theo mối quan hệ tương đối giữa sự

khuyếch tán của dung dịch, sự thấm hút bề mặt, sự xắp xếp lỗ và sự phân cực. Hầu

hết xuất xứ toán học của thủy lực học hệ thống cho các dòng chảy đều dựa vào lý

thuyết màng (lý thuyết kết hợp với mô hình sự phân cực nồng độ). Lý thuyết màng

giả thuyết màng sự chuyển khối vùng bề mặt chung sẽ được xác định bởi độ phân

cực nồng độ, mà có thể tính toán từ các dòng chảy dọc theo bề mặt màng, xuyên

qua màng và sự kết hợp của chất tan.

2.5.1. Kiểm soát chuyển khối màng

Dưới những điều kiện hoạt động đơn giản nhất, màng gây trở lực hoàn toàn

cho dòng chảy. Đối với những hệ thống màng xốp, dòng chảy có thể được biểu thị

như sau: (2.5)

Trong đó J là dòng chảy (m/s), là áp suất tác dụng lên màng, là độ

nhớt của màng, Rm là trở lực của màng m/kg. Với những màng có lỗ nhỏ, phương

trình Hagen- Poiseuillc được ứng dụng cho màng thấm qua tương tự như dòng

xuyên qua những lỗ hình ống. Khi đó trở lực Rm được tính như sau:

Trong đó là tính xốp của màng, Sm là diện tích mặt lỗ với tỷ lệ thể tích và

lm, là bề dày màng. K là một hằng số bằng 2 cho những lỗ hình ống hoàn hảo nhưng

có giá trị khác cho những hình dạng khác. Theo phương trình (2.5) thì nhiệt độ có

39 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ tác động lớn đến dòng chảy thông qua độ nhớt của dung dịch. Dòng chảy biến thiên khoảng 3% cho mỗi một độ tăng, giảm xung quanh nhiệt độ 25oC.

Đối với những màng đặc thì một số biểu thức đã được phát triển từ sự đa

dạng trong cách tiếp cận để giải quyết vấn đề: ( Bảng 2.1)

- hòa tan - khuyếch tán,.

- mao dẫn - hút thấm bề mặt,.

- Cân bằng Donnan,

- phương trình mở rộng Nernst- Planck, và.

- nhiệt động lực học bất thuận nghịch

Bảng 2.1. Một số biểu thức về khả năng loại bỏ của màng dựa trên các mô hình tính toán khác nhau (Bhattacharyya và Williams, 1992)

Khả năng loại bỏ

Cách tiếp cận hòa tan - khuyếch tán Tác giả Lonsdale (1965)

Sherwood (1967)

Hòa tan- khuyếch tán không hoàn toàn

Lực bề mặt mao quản. 1-

Cân bằng Donnan

1- Matsuura và Sourirajan (1981); Sourirajan và Matsuura (1985) Bhattacharyya và Chen (1986)

Sự khuyếch tán- hòa tan đơn thuần được dựa trên giả thuyết mà cả chất tan và dung môi được hòa tan trong một màng xốp không đồng nhất và sau đó khuyếch tán ngang qua màng như là một vật chất riêng biệt. Tỉ lệ toàn bộ của quá trình vận chuyển của mỗi dòng, độ tinh khiết của sản phẩm thấm qua phụ thuộc vào những quan hệ về độ hoà tan và độ khuyếch tán trong dung dịch (Lonsdale 1965):

- Dòng dung môi (nước):

40 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

- Dòng chất tan :

Trong đó và là áp suất tác dụng lên màng và áp suất thẩm thấu,

sự chênh lệch nồng độ giữa hai bề mặt màng, là đậi diện cho khả năng thấm và

qua màng của nước và chất tan, là độ dày màng. Tỉ lệ và biểu thị khả

năng vận chuyển dung dịch mà không trực tiếp phụ thuộc vào áp suất tác dụng lên màng.

Áp suất thẩm thấu được đưa ra bởi phương trình Van’t Hoff:

Trong đó R là hằng số khí, T là nhiệt độ, là tổng nồng độ của các chất

tan trong dung dịch, y là hệ số thẩm lọc cho ion không lý tưởng. Bình thường hệ số y lấy giá trị là 0.7 cho dung dịch đồng nhất và pha loãng vô hạn, cân bằng với hệ số là hiếm hoạt độ của ion và khả năng phân ly. Tuy nhiên, mối quan hệ của C và khi tuyến tính. Phương trình trên được đưa ra từ những dung dịch giả thuyết có nồng độ cao.

Mô hình khuyếch tán –hòa tan có thể mở rộng để tính toán cho màng mao quản bằng việc thêm một hệ số kinh nghiệm thêm vào biểu thức của nước và dòng chất tan. Tuy nhiên khi sử dụng mô hình này bị hạn chế bởi việc xác định hệ số này bằng thí nghiệm. Mô hình có thể cũng mở rộng để cho chấp nhận cho dòng chất tan và dòng dung môi, mặc dù nó cũng tồn tại kèm với những hằng số thực nghiệm.

Mô hình mao quản giả thiết rằng màng có những lỗ nhỏ hình trụ. Vật liệu chế tạo màng ưu tiên hấp thụ nước thành một lớp đơn choán đầy lỗ và bề mặt. Nước sau đó được di chuyển ngang qua màng với một tốc độ nhất định phụ thuộc vào lực tương tác hóa học, lực ma sát và lực khuyếch tán. Biểu thức có thể được sửa đổi để tính toán cho những hiệu ứng hóa học lập thể và tĩnh điện. Những mao quản mang điện tích có thể làm tăng độ nhớt của nuớc trong lỗ vì hiệu ứng tĩnh điện, nhưng những hiệu ứng đó một mình nó không được tính cho màng bị tích điện gián tiếp do có sự thay đổi với ion mạnh và pH. 2.5.2. Kiểm soát chuyển khối lớp đóng cặn Mô hình trở lực: Lọc bánh Cách tính toán đơn giản nhất cho trở lực của quá trình chính là việc coi như có một lớp vật chất tích lũy trên bề mặt màng làm cản trở quá trình, và lớp trở lực đó (lớp đóng cặn) gọi là Rc. Khi đó phương trình (2.5) trở thành:

41 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

(2.6)

Trong đó, đối với quá trình lọc hoàn toàn (lượng dung dịch vào bằng lượng là hàm của dung dịch thấm qua và giữ lại toàn bộ chất tan trên bề mặt màng) thì thời gian. Tuy nhiên, mô hình này chỉ sử dụng được khi biết trước các thông số thủy lực học của lớp đóng cặn. Trong trường hợp lớp đóng cặn không bị nén và có các hạt (hình tròn) phân tán đều thì có thể tính theo phương trình tương tự với phương trình 2.6:

Những công thức trên có thể sử dụng để tính toán trở lực lọc, nhưng việc sử

Các tham biến tương tự như phương trình (2.6). Tuy nhiên trong trường hợp này giá trị K’ bằng 5 cho dạng hình cấu (hoặc tương đương) (Grace,1956) và thông thường được tính theo phương trình Kozeny-Carman. dụng chúng bị hạn chế bởi một số giả thuyết đơn giản hóa:

-

-

- - -

-

Dòng chảy chỉ được xem xét trong phương hướng vuông góc tới màng: sự chuyển động tiếp tuyến được bỏ qua. Những hạt vật chất lơ lửng được coi là phân tán đều và đồng nhất (vd: cùng kích thước, hình dạng) và trung lập nổi (lắng đông thời). Những hạt đó coi như không nén được, Lớp đóng cặn cũng được coi là không nén được. Tính xốp của lớp đóng cặn, tức là tính thấm được, được giả thiết độc lập của thời gian. Sự di chuyển của các hạt khác qua lớp đóng cặn cũng không được tính đến.

Thật ra, các cách lọc được đặc trưng trên cơ sở nhiều hơn so với lọc bánh. Bốn mô hình lọc trước đây được phát triển cho quá trình lọc hoàn toàn (Grace, 1956) đã được đề xuất để mô tả sự biến thiên của dòng ban đầu. Mọi mô hình ngụ ý rằng sự phụ thuộc của dòng giảm với tỉ lệ kích thước hạt và đường kính mao quản (bảng 2.1). Các mô hình kết khối tiêu chuẩn và mô hình lọc bánh xuất hiện để thỏa mãn dự đoán sự giảm dòng lọc trong suốt quá trình lọc keo (Visvannathan và Ben Aim,1989) hay lọc protein (Bowen, 1995). Theo Bowen và cộng sự, có bốn bước liên tiếp đã được định nghĩa: (1) Sự tắc nghẽn của những mao quản nhỏ nhất, (2) Sự bao phủ của những lỗ có đường kính lớn hơn trên bề mặt, (3) Sự thêm vào và dần làm tắc những lỗ lớn hơn và bao phủ bề mặt, (4) Tạo lớp đóng cặn. Tất cả các

42 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ mô hình đều chứa đựng những tham số kinh nghiệm (A và B trong bảng 2.2 mặc dầu một số một số đã được chọn lọc để kết hợp các yếu tố quyết định khác (bảng 2.3). Mặt khác, một số biểu thức được theo dõi và tìm hiểu trên quy mô lớn cho những ứng dụng đặc biệt (ví dụ như lọc bùn đã hoạt hóa bằng màng lọc sinh học). Những mô hình cổ điển cho quá trình lọc hoàn toàn có thể được cải biên để áp dụng cho quá trình lọc dòng tiếp tuyến (quá trình lọc mà dòng sau lọc là 2 dòng: dòng thấm qua và dòng loại bỏ chứa nồng độ chất ô nhiễm cao) nếu tỉ lệ dòng chất tan không giữ lại có thể tính toán được. Lý thuyết lọc hoàn toàn bị giới hạn rất lớn bởi sự chính xác của kết quả tương tác giữa chất rắn và vật liệu màng. Điều tương tự cũng diễn ra với quá trình lọc dòng tiếp tuyến. Tuy nhiên, đối với những quá trình diễn ra đối với màng đặc thì nước nước có thể coi như là liên tục với sự tương tác rắn-lỏng không phức tạp, mô hình hóa từ những nguồn gốc đầu tiên về trở lực được đưa ra bởi bề mặt chung màng-dung dịch là nguyên nhân phân cực nồng độ được chấp nhận.

Bảng 2.2. Công thức thực nghiệm về quá trình lọc hoàn toàn (Chang, 2002)

Cách tiếp cận Mô tả Công thức

Lọc bánh t/V=A.V-B Nguyên nhân vật lý Cản trở lớp biên

Ln(J/Jo)=At-B

Đóng khối hoàn toàn Đóng khối mao quản

Hấp phụ kéo dài t/J=At+B

Đóng khối trung bình

Lắng đọng các chất có kích thước lớn hơn đường kính lỗ trên bề mặt màng Bịt kín lỗ bởi các hạt mà không có các hạt chồng lên nhau Bịt kín lỗ bởi các hạt bởi các hạt chồng lên nhau

t/V=At+B tiêu

Đóng khối chuẩn

Hấp phụ chọn lọc Lắng đọng các chât có khích thước nhỏ hơn kích thước lỗ vách màng, trên giảm kích thước lỗ.

(Trong đó: A, B là hằng số (phụ thuộc vào đặc tính hệ thống và lớp đóng cặn), V là thể tích chất tích lũy của phần thấm qua tại thời gian t, Jo và J là dòng ban đầu và tại thời điểm t.)

43 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Bảng 2.3. Biểu thức phát triển để mô tả cho động lực quá trình lọc hoàn

Luận văn thạc sỹ toàn và lọc dòng tiếp tuyến

Công thức Tham khảo

Hermia (1982)

Mô hình Quá trình lọc hoàn toàn hình Mô khối đóng mao quản Mô hình mao quản co lại Hermia (1982)

Hermia (1982)

Mô hình tạo thành lớp cặn

Romero và Davis (1988)

Cho t>tss

Quá trình lọc dòng tiếp tuyến Khuyếch tán do biến dạng từ lớp đặc Khuyếch tán Brow từ lớp đặc.

Song (1998), Song và Elimelech (1995).

cho t

44 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Mô hình phân cực nồng độ cổ điển:

Sự phân cực nồng độ mô tả xu hướng của chất tan tập trung trên vùng bề mặt

màng và xu hướng xảy ra hiện tượng này phụ thuộc vào:

Xu hướng của chất tan bị loại bỏ đối với sự khuyếch tán (tính -

khuyếch tán).

Bề dày lý thuyết của vùng tập trung, -

Tốc độ tại thời điểm chất tan được thêm vào vùng tập trung. -

Trước hết tất cả những yếu tố đó liên quan đến tính tan và kích cỡ của hạt.

Sau đó phụ thuộc vào các thông số trong quá trình vận hành. Bề dầy của

vùng tập trung có thể được tính từ:

Tính chất vật lý của dung dịch, mà đa số các quá trình xử lý nước chỉ -

quan tâm đến chỉ số hóa học của chất lượng nước và thông thường có

thể biểu thị theo hàm của nhiệt độ.

Hình dạng và kích cỡ của các rãnh dòng chảy trong mỗi modun. -

Tốc độ trung bình của chất lỏng chảy xuyên qua các rãnh trên. -

Tốc độ của các ion tích lũy trong lớp màng tập trung thì được xác định đơn

giản bằng dòng dòng vào và dòng ra. Vì thế, với điều kiện hệ thống được xác định

rõ các tính chất thì độ phân cực nồng độ có thể được tính toán dựa trên những đánh

giá về quá trình hoạt động của màng. Việc mô tả toán học được xuất phát từ các

điều kiện cân bằng vật chất trong màng, nơi mà sự tích lũy của chất tan trên bề mặt

là đối lập với dòng khuyếch tán của dung dịch ra khỏi màng. Về bản chất quá trình

này là sự cân bằng của bốn dòng:

Khuyếch tán sau của chất tan ra khỏi màng tuân theo định luật 1 Fick, -

phát biểu rằng tốc độ khuyếch tán cân bằng với građien nồng độ.

Vận chuyển đối lưu của chất tan tới màng. -

Khuyếch tán đối lưu của chất tan xuyên qua màng. -

Khuyếch tán đối lưu của dung dịch thấm qua xuyên qua màng. -

45 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Với giả thuyết rằng hệ thống một chiều (không có sự chuyển khối) và giá trị

không đổi cho bề dày lớp biên màng , sự phân cực nồng độ dưới những chế độ ổn

định dựa vào định lý màng mỏng có thể được định nghĩa là: (2.7)

Trong đó; D là hệ số khuyếch tán (m2/s) và C*, C là nồng độ tập trung tại bề mặt

màng và trong khối dung dịch. Tỉ lệ là số hạng giới hạn, đôi khi biểu thị là

hay và được coi như là thông số hay chỉ số nồng độ phân cực. Chú ý rằng

phương trình 2.7 bao gồm thông số áp suất, mặc dù áp suất màng được suy luận ra từ giá trị dòng. Trong trường hợp thông tin về lớp đặc, số hạng C* cân bằng với

nồng độ của chất tan trong lớp đặc, thì một vài giá trị thực nghiệm đã được đưa ra

cho những thành phần riêng (Cheryen, 1998).

Xác định dòng từ phương trình (2.7) dựa trên kiến thức về quá trình khuyếch

tán của chất tan, bề dày lớp biên màng và nồng độ chất tan trên bề mặt màng. Nếu

chất tan bao gồm các ion hoàn tan và những phân tử nhỏ như trong trường hợp quá

trình màng dày thì D được tính bằng phương trình Stock-Einstein:

Trong đó kB là hằng số Boltzman. T là nhiệt độ tuyệt đối và rp là bán kính tan.

Thông thường, tỉ lệ D/ được gán là hệ số chuyển đổi k là có thể được biểu thị bằng

các chuẩn số Sh, Re, Sc:

k= Sh D/d

Sh=aRebSc(d/L)n (2.8)

(2.9)

46 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Trong đó là mật độ dòng, U là vận tốc dòng, d và L là đường kính và

chiều dài thủy lực của màng, a, b,c và n là những hằng số. Gía trị của a, b, c và n

dựa trên thuyết Newton được đưa ra trong bảng 2.8. Dung dịch chảy tầng và vận

chuyển khuyếch tán Brown thì được tính theo Lévêque ( Lévêquê, 1928; Porter,

1972). Lévêquê giả thiết dòng chảy trong những biên không thấm nước và vì thế

cách tính này chỉ chính xác đối với các loại màng có vận tốc dòng thấm qua nhỏ

hơn nhiều so với dòng tiếp tuyến. Tuy nhiên, tất cả những loại màng đều bao gồm

những khoảng vùng đệm mà thúc đẩy mức độ sự xáo trộn dung dịch, và có thể

được tính thông qua những tham số được thêm vào phương trình (2.8), chứa đựng

thông số về đặc tính của vùng đệm. Trong bảng 2.4 có đưa ra một ví dụ có tính

thông số m, là thông số có tính cả đặc tính về vùng đệm.

Những biểu thức cũng có thể tồn tại thông số tốc độ trượt (trong bảng 2.5.).

Thông số này được tính theo tỷ lệ của vận tốc dòng tiếp tuyến với đường kính thủy

lực và phụ thuộc vào hình dạng. Đối với những dòng song song có chiều cao thủy

lực h thì giá trị max được tính theo phương trình:

(2.10)

Và cho những ống có đường kính d thì được tính theo phương trình:

Tác động của sự phân cực nồng độ trong quá trình phụ thuộc vào qúa trình

hoạt động. Đối với những qúa trình mà áp suất là động lực thì tác động trên gây ra

bởi tính chất dòng vào và do đó sẽ tăng thêm hệ số . Hiệu ứng áp suất thẩm

thấu làm tăng áp suất thực tế cung cấp để duy trì dòng ra ổn định (theo phương

trình 2.7). Điều này làm tăng mức độ phức tạp trong quá trình thiết kế và vận hành

hệ thống.

47 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Bảng 2.4. Ví dụ về giá trị thực nghiệm và bán thực nghiệm của hằng số trong trong công thức (2.8). Hằng số Dòng

b 0.875 c 0.25 n 0 Nhóm thêm

Kênh hở Chảy rối

0.75 0.33 0.33 0.33 0 0.33

a 0.023 hoặc 0.065 0.04 1.62 hay 1.86 1.065 0.5 0.33 0.5 (1/6m)0.5

Chảy tầng (Lêvêque) Dòng đệm Mô hình phân cực nồng độ cải tiến:

Những phức tạp xuất hiện trong mô hình phân cực nồng độ khi nó ứng dụng

cho hệ thống có chất keo và những chất rắn lơ lửng tích lũy trong lớp biên thủy lực.

Trong những trường hợp như vậy thì thuyết Newton không thể giải thích được quá

trình xảy ra ở giữa hay tại ranh giới phía ngoài của lớp đóng cặn, và sự sai lệch của

thuyết màng mỏng cổ điển tăng lên với sự tăng lên của nồng độ chất tan trong lớp

biên. Điều đó có nghĩa là việc thay đổi để phù hợp cho quá trình tính toán phụ

thuộc vào:

- Độ nhớt của dung dịch.

- Khả năng khuyếch tán của chất tan.

- Tính thấm của lớp cặn.

Một vài biểu thức phát triển cho dòng cân bằng được đưa ra trong bảng 2.5..

Sự thay đổi của dung dịch trong quá trình hoạt động là gần giống với qúa trình dự

đoán, nhưng xu hướng chung của quá trình vận chuyển dung dịch ra khỏi màng là

cao hơn so với dự đoán của thuyết Brown. Giá trị chênh lệch này phụ thuộc vào cả

vận tốc dòng tiếp tuyến (và tốc độ trượt, được thể hiện trong phương trình 2.9 và

2.10) và kích cỡ của các hạt thay đổi một cách đáng kể so với mô hình Lévêquê

khuyếch tán Brow nếu một trong hai khả năng là khuyếch tán gây ra do trượt hoặc

do tăng quán tính. Romero và Davis (1998) đã đưa ra một mô hình toàn diện và

48 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ phức tạp hơn cho cân bằng vật chất. Mô hình này tính toán cả tác động của sự

khuyếch tán gây ra do trượt trên lớp cặn lọc không đồng dạng mà có bề dày tăng

thêm theo khoảng cách với màng. Điều này làm cho mô hình này phức tạp hơn mô

hình lắng đọng lớp cặn mỏng (Zydney và Colton, 1986), mô hình miêu tả lớp đóng

cặn đồng dạng trong toàn bộ vùng màng hoạt động, và giả thiết nồng độ chất tan

phụ thuộc vào độ nhớt và khả năng khuyếch tán đã được xác định rõ. Không lâu

sau, phương trình Kozeny-Carman (Ould-Dris, 2000) đã xác định được rõ lớp trở

lực lớp đóng cặn trong mô hình Romero và Davis.

Bảng 2.5. Những công thức chủ yếu: Biểu thức dòng trong trạng thái ổn định

Biểu thức

Tham khảo Lévêquê (1928) Porter (1972)

Mô hình Dung dịch Lévêquê: dòng chảy tầng, vận chuyển khuyếch tán Brown,

và

Dung dịch tương tự chảy tầng, vận chuyển khuyếch tán Brown

Davis Sherwood (1990), Romero và Davis (1988) Porter (1972)

Dòng chảy rối được phát triển đầy đủ.

dịch

o

Ecstein (1977), Zydney và Colton (1986) Lévêquê Dung khuyếch tán do biến dạng (dựa trên Ds=0.03 r2

và

Dung dịch tương tự chảy tầng, khuyếch tán do trượt (dựa trên C*~0.6 và C<0.1) Davis Sherwood (1990)

và

Romero Davis (1988)

Mô hình đầy đủ cho khuyếch tán do trượt từ lớp dầy (dựa trên Ds(C))

Drew (1991)

Tăng quán tính vận tốc (dựa trên lớp mỏng J=vL

49 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Vận chuyển bề mặt và

Song Elimelech (1995)

Tính chính xác của những mô hình đã được chỉnh sửa: Những thí nghiệm dựa trên các hệ dung dịch keo hoặc hệ thống các chất khác nhau chỉ ra rằng có sự tương đồng giữa những thí nhiệm đo được và những dự đoán từ lý thuyết cho hệ thống lý tưởng (Zydney và Colton, 1986). Các mô hình có thêm các hệ số thực nghiệm đã tịnh tiến gần sát với thực nghiệm. Một vài mô hình ứng dụng trong từng trường hợp cụ thể để dự đoán quá trình xảy ra là tương đối chính xác. Tuy nhiên việc một mô hình dự đoán đúng cho tất cả các trường hợp là chưa đủ cơ sở và cần có sự phát triển tiếp dựa trên các dữ liệu hoạt động của các hệ thống đã thu được.

2.6. Ưu nhược điểm của công nghệ thẩm thấu ngược RO Cũng như tất cả các quá trình khác, quá trình thẩm thấu ngược cũng có cả ưu điểm và nhược điểm. Những vấn đề đó phải được chú ý khi quyết định thiết kế và sử dụng hệ thống thẩm thấu ngược. 2.6.1. Những ưu điểm của hệ thống

1- Có khả năng loại bỏ những chất tan có kích thước phân tử nhỏ. Nếu so về kích thước phân tử có thể loại bỏ thì đây là quá trình loại bỏ tốt nhất trong tất cả các quá trình lọc khác.

Hình 2.10 chỉ ra khả năng loại trừ khác nhau của RO và những phương pháp phân tách bằng màng khác như siêu lọc và các cách lọc truyền thống khác.

2- RO có khả năng loại bỏ những chất tan lên tới 99.9% mà không sử dụng

bất kì một loại hoá chất nào.

50 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 2.9. Đồ thị về khả năng xử lý của màng

2.6.2. Những nhược điểm của của hệ thống RO

1- Cần rất nhiều năng lượng cung cấp cho bơm để tăng áp cho hệ thống.

2- Quá trình hoạt động phức tạp và đầu tư lớn.

Hình 2.11. So sánh các quá trình phân tách dựa trên kích thước phân tử và

những cơ chế chính trong quá trình phân tách.

51 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 2.10. So sánh các quá trình phân tách

2.7. Quá trình tính toán cơ bản

Các hệ thống RO công nghiệp thường được thiết kế theo 3 cấp như hình 2.12.

Quá trình tiền xử lý để xử lý nước cấp ban đầu đạt tiêu chuẩn nhất định trước

khi cấp cho hệ thống xử lý bằng thẩm thấu ngược (RO). Sau đó nước đi vào hệ

52 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ thống thẩm thấu ngược, dưới tác dụng của áp suất, nước qua hệ thống RO được

tách làm 2 phần: phần thấm qua màng và phần loại bỏ. Phần nước thấm qua màng

tiếp tục đi vào quá trình tinh xử lý. Tại đây nước được xử lý loại bỏ CO2 và có thể

thêm một số hóa chất cần thiết cho qúa trình sử dụng sau đó.

Tiền xử lý

Hệ thống RO

Sản phẩm

Nước cấp

Tinh xử lý

Dung dịch loại bỏ

Sử dụng

Hình 2.11. Các cấp của quá trình xử lý bằng công nghệ thẩm thấu ngược

Mặc dù hoạt động của hệ thống thẩm thấu ngược đã có từ lâu nhưng chủ đề

về cơ chế vận chuyển của nước và dung dịch vẫn còn gây nhiều tranh cãi. Một vài

mô hình vận chuyển đã được đề xuất và sẽ được nêu ra trong phần dưới đây.

Cơ chế sàng là mô hình cơ chế đơn giản nhất và đễ hiểu nhất. Mô hình này

mô tả rằng chất tan và nước được phân tách bởi kích thước vật lý của các lỗ màng.

Lý thuyết này chỉ phù hợp với những chất có kích thước phân tử lớn hơn đường

kính mao quản, còn đối với các chất có kích thước phân tử nhỏ hơn đường kính lỗ

thì không đúng vì trong thực tế có những chất có kích thước nhở hơn đường kính lỗ

nhưng vẫn bị giữ lại.

Mô hình khác được đưa ra là cơ chế thấm ướt bề mặt hay sự tập hợp của

nước là cơ sở của sự vận chuyển (khả năng hydrat hóa của nước). Có thể nhận ra

rằng chất cấu tạo nên màng thẩm thấu ngược là thấm ướt và nước có xu hướng bị

hấp thụ trên màng nhờ các liên kết hydro. Trong khái niệm này thì có thể hiển rằng

53 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ lớp nước mỏng trên bề mặt màng choán đầy các lỗ màng và ngăn cản muối xâm

nhập vào các lỗ màng. Nước xuyên qua bề mặt màng bằng cách: nước ở bề mặt bên

này của màng choán chỗ làm nước bên phần dưới bị đẩy ra khỏi bề mặt bên kia của

màng. Năng lượng cần thiết cho sự di chuyển của dung môi ít hơn của chất tan, vì

thế chất tan bị phân tách khỏi dung môi (nước).

Mô hình khác về sự di chuyển của nước và chất tan trong màng thẩm thấu

ngược là cơ chế mao dẫn hay sự thấm hút ưu tiên. Trong mô hình này, cấu trúc bề

mặt màng là các lỗ vô cùng nhỏ và không đồng nhất đối với tất cả các chất tan cần

phân tách. Giả thuyết rằng do bản chất hóa học của lớp màng tiếp xúc với dung

dịch ưu tiên thấm hút nước là nguyên nhân lớp nước bị thấm hút hình thành trên

trong màng. Lớp nước tinh kiết này sau đó xuyên qua các lỗ mao quản bởi áp suất

tác dụng.

Mô hình hòa tan- khuyếch tán cho rằng trên bề mặt màng hình thành một lớp

không có lỗ xốp và đồng nhất. Mỗi phần cấu thành trong dung dịch hòa tan vị nén

ép trong màng và sau đó khuyếch tán qua màng. Sự khuyếch tán của dòng nước và

dòng chất tan là không đồng nhất, nó phụ thuộc vào bản chất của chất tan và sự vận

chuyển nước qua màng có tốc độ nhanh hơn chất tan.

Lượng nước qua màng được tính theo công thức:

Trong đó là lượng nước qua màng,

A là hệ số vận chyển của nước.

là chênh lệch áp suất qua màng

là chênh lệch áp suất thẩm thấu qua màng.

Lượng nước qua màng thẩm thấu ngược phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất

qua màng và sự chênh lệch áp suất thẩm thấu qua màng. Áp suất thẩm thấu phụ

thuộc vào nồng độ dung dịch. Xét một cách tương đối, mỗi 100mg/l dung dịch

tương đương với 1psi áp suất thẩm thấu. Vì thế đối với những dung dịch có nồng

độ rất nhỏ thì áp suất thẩm thấu coi như không đáng kể. Hơn nữa, dung dịch đi ra

54 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ khỏi hệ thống thẩm thấu ngược thường có áp suất gần với áp suất khỉ quyển vì thế

chênh lệch áp suất tác dụng chính là áp suất cung cấp. Vì thế, “áp suất tác dụng

thuần” (NAP) có nhĩa là hiệu của áp suất cung cấp và áp suất thẩm thấu của dung

dịch vào.

Lượng chất tan xuyên qua màng được tính theo công thức:

Trong đó là lượng chất tan

B là hệ số vận chyển muối.

là gradien nồng độ chất tan qua màng.

Sự vận chuyển chất tan qua màng phụ thuộc vào nồng độ chất hòa tan trên

mỗi bề mặt màng.

Mô hình hòa tan- khuyếch tán có vẻ như mô tả được sự hoạt động của quá

trình thẩm thấu ngược. Hình 2.13 chỉ ra rằng tỷ lệ loại bỏ và dòng thu được là hàm

của áp suất tác dụng. Thí nghiệm với màng hoạt động với dung dịch 5.000 mg/l NaCl ở 250C. Ở dưới 50psi thì không có sản phẩm thấm qua màng. Tăng áp suất

lớn hơn thì ta thấy rằng đường dòng sản phẩm tăng tuyến tính với áp suất. Tỉ lệ loại

bỏ muối ở dưới 150psi tăng nhanh và đạt giá trị thấp và trên 150psi thì tỉ lệ này

tăng chậm và tịnh tiến đến giá trị gần như không đổi. Điều này có nghĩa là với dòng

muối cung cấp không đổi, khi tăng áp suất thì dòng thấm qua nhanh chóng pha

loãng sản phẩm trước đó, do đó tăng tỉ lệ loại bỏ muối. Dữ liệu này có xu hướng ổn

định chứng tỏ rằng mô hình khuyếch tán-hòa tan khẳng định dòng qua màng là

không đồng nhất đã được xác định.

55 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 2.12. Quan hệ của tỉ lệ loại bỏ, dòng sản phẩm với

áp suất tác dụng lên màng.

Chú ý răng dữ liệu trong ví dụ trên được thí nghiệm với loại màng tế bào có

tính chất gần với loại màng hoàn hảo theo lý thuyết. Trong thực tế màng có cấu 1 1 9 T T 9 3 9 2 D 8 1 0 1 4 3 2 0 0 Á 7 ỉ ỉ 5 0 0 0 ò 5 0 0 0 0 0 0 0 p . 0 0 0 0 n 0 0 0 0 0 5 l l g s ệ ệ u s ấ l l ả t o o n ạ ạ t i i p á h c b b ẩ ỏ ỏ m d ụ ( n % ) ( p s i g )

trúc không hoàn hảo và do đó lượng chất tan xuyên qua các mao quản và làm tăng

lượng chất tan tổng. Vì thế, mô hình vận chuyển chất tan thực tế phải bổ sung thêm

lượng đóng góp của chất tan qua màng do sự không hòan hảo của màng.

Hệ số vận chuyển của nước A không phải là hằng số và nó thay đổi theo nhiệt độ.

Lượng sản phẩm do đó thay đổi theo nhiệt độ. Lượng sản phẩm do đó là hàm của

nhiệt độ và có thể ước lượng theo công thức sau:

Q25/Qt=ex

Trong đó Q25 là lượng sản phẩm ở 250C

Qt là lượng sản phẩm ở T0C

e = 2.71828

56 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

x = U[1/(T+273)-1/298]

T là nhiệt độ 0C

U = 2723 (cho màng cellulo axetat)

Tỉ lệ

hiệu

chỉnh Q25/

Hình 2.13. chỉ ra tỉ lệ hiệu chỉnh của dòng ở 25oC và ở nhiệt độ khác.

Qt

0 10 40 50 30 2. 2. 4 2. 2 1. 0 1. 8 1. 6 1. 4 1. 2 0. 0 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0

20 Nhiệt độ (oC)

Hình 2.13. Tỉ lệ hiệu chỉnh dòng ở các nhiệt độ khác nhau

Điều đó chỉ ra rằng ở áp suất làm việc không đổi, cứ tăng lên 1oC thì lượng

sản phẩm tăng 3%. Lượng chất tan qua màng cũng có xu hướng cân đối với nhiệt

độ và tỉ lệ lượng muối so với lượng nước thực chất gần như không đổi ở các nhiêt

độ khác nhau.

Vì thế lượng chất loại bỏ ít hay nhiều là hàm của nhiệt độ. Đối với một số

loại màng, hệ số lượng nước và muối thấm qua màng cũng khác nhau và là hàm

của pH.

Thẩm thấu ngược là quá trình phân tách màng mà kết quả phân tách là 2

dòng sản phẩm và dòng loại bỏ. Sự tuần hoàn trong hệ thống RO đuợc định nghĩa

là phần trăm nước sản phẩm được tuần hoàn lại thành nước cung cấp.

57 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Tất cả nước cấp cho hệ thống RO đều phải được tiền xử lý và tăng áp. Việc

tuần hoàn nhằm tiết kiệm chi phỉ, giảm năng lượng và kích cỡ của thiết bị. Khi hầu

hết chất tan tồn tại trong dòng thải bỏ thì nồng độ chất tan tăng khi tăng tuần hoàn.

Ví dụ, khi tuần hoàn 50%, nồng độ chất tan trong dòng thải gấp 2 lần nồng

độ trong dòng cấp ban đầu. Nếu khi tuần hòan 90% thì nồng độ trên là gấp 10 lần.

Trong trường hợp với chất kém tan như CaSO4 thì giới hạn hòa tan có thể bị vượt

quá với mức độ tuần hoàn cao. Đấy là nguyên nhân của việc kết tủa chất tan trên bề

mặt màng làm cho giảm dòng thấm qua và tuần hoàn tăng lượng chất tan thấm qua.

Hơn nữa, tăng tuần hoàn sẽ tăng nồng độ muối trung bình trong dòng cấp vào, dòng

thải bỏ và sản phẩm (nước) sẽ tăng lượng muối. Bởi vậy tuần hoàn trong thiết bị

RO phải được thiết lập sau khi xem xét cẩn thận chất lượng sản phẩm mong muốn,

khả năng hòa tan giới hạn của các chất tan trong dung dịch cấp vào và yêu cầu

dòng thải bỏ.

Mức độ loại bỏ được tính theo công thức:

R=(1- CP/CF).100

R= Khả năng lọai bỏ %

CP= nồng độ nước sản phẩm (mg/l).

CF= nồng độ nước cấp (mg/l).

Khả năng loại bỏ với NaCl khác với các chất vô cơ và hữu cơ hoà tan khác.

Nhà sản xuất sẽ cung cấp những thông tin và thông số về khả năng loại bỏ có thể

của loại màng họ sản xuất.

Bảng 2.6 chỉ ra kết quả thông thường cho loại màng composite khi kiểm tra

với dung dịch nhiều thành phần chất hòa tan khác nhau. Khả năng loại bỏ của các 2- là tốt hơn so với những ion hóa trị 1 như Na+, Cl-. Có ion hóa trị 2 như Ca2+, SO4

thể thấy rằng lượng ion hóa trị 2 qua màng chỉ bằng 1/5 so với lượng ion hóa trị 1

thấm qua màng.

58 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Bảng 2.6. Khả năng loại bỏ với các ion khác nhau của màng thẩm thẩu ngược

Ion

2- 2-

Nồng độ cấp vào (mg/l) Nồng độ sản phẩm (mg/l) Khả năng loại bỏ

Ca2+ Na+ K+ CO3 SO4 Cl- - NO3 TDS 61 150 12 19 189 162 97 693 0.2 3.0 0.3 0.7 0.4 2.9 3.5 11.0 99.6 98.0 97.4 96.2 99.8 98.2 96.4 98.4

Những thí nghiệm mô tả trên được kiểm soát tại tốc độ tuần hoàn thấp để

giảm ảnh hưởng của phân cực nồng độ xuống thấp nhất. Ví dụ, thí nghiệm ở điều

kiện tuần hoàn 1% với màng tấm và khoảng 5-10% với loại màng cuộn xoắn ốc.

Thẩm thấu ngược là quá trình lọc tiếp tuyến giống như một quá trình thủy động lực,

dòng chảy song song gần màng chảy chậm hơn dòng chính. Trong khi dòng chính

có thể bị xáo trộn thì dòng trên bề mặt màng lại chảy thành lớp. Dòng chảy thành

lớp này rất mỏng và gọi là lớp biên.

Khi nước thấm qua màng, gần như tất cả các chất hòa tan còn lại nằm sau

màng đều nằm trong lớp biên. Chất tan sau đó khuyếch tán xuyên qua lớp biên và

trở lại dòng chính. Đây là lý do trong lớp biên thì nồng độ chất tan cao hơn trong

lớp dòng chính. Hiệu ứng đó được gọi là hiện tượng phân cực nồng độ và được

định nghĩa bằng phương trình:

Trong đó là sự phân cực nồng độ.

CM là nồng độ trong dòng chính.

CB là nồng độ trong lớp biên.

Sự phân cực nồng độ làm tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng và đây là

lý do làm tăng áp suất thẩm thấu trên bề mặt màng. Khi đó lượng nước xuyên qua

màng được tính theo công thức:

59 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Trong đó: là lượng nước thấm qua.

A là hệ số vận chuyển nước.

P là áp suất thực tế.

là phân cực nồng độ.

là áp suất thẩm thấu trong dòng chính.

Việc nồng độ chất tan trên bề mặt màng tăng cũng làm tăng xu kết tủa chất ít

tan trên màng.

Lượng chất tan qua màng cũng tăng và có thể được tính theo phương trình:

Trong đó là lượng muối.

B là hệ số vận chuyển muối.

là phân cực nồng độ.

C1 là nồng độ muối trong dòng chính.

C2 là nồng độ muối trong sản phẩm

Trong màng lý thuyết (hoàn hảo) với những lỗ nhỏ, thì việc tăng lượng chất

tan trên bề mặt màng cũng dẫn đến tăng lượng chất tan qua lỗ màng là tỉ lệ thuận

với sự phân cực nồng độ. Thông tin đưa ra trong bảng 2.7 bên dưới cho màng hoạt

động với TDS ở 2000, 5000, 35000 mg/l. Số liệu chỉ ra rằng nếu màng hoạt động với công suất 20 gallon/ft2 ở 27,5bar áp suất áp dụng thì loại bỏ được 99% chất ô

nhiễm khi không có hiện tượng phân cực nồng độ =1.0

60 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Bảng 2.7. Hiệu ứng phân cực nồng độ

5000 35000

TDS (mg/l) Lưu lượng, gfd

20.0 19.8 18.8 17.5 20.0 18.3 11.3 2.5 =1.0 =1.1 =1.5 =2.0

Khả năng loại bỏ (%)

2000 20.0 19.9 19.5 19.0 99.0 98.9 98.5 97.9 99.0 98.8 97.3 84.0 99.0 98.9 98.4 97.7

=1.0 =1.1 =1.5 =2.0 Ảnh hưởng của sự phân cực nồng độ của dung dịch đầu vào có TDS cao là

cao hơn so với dung dịch có TDS thấp. Mỗi nhà sản xuất màng đều đưa ra những

khuyến cáo về nồng độ TDS tối đa được phép cho mỗi loại màng, đặc biệt khi ứng

dụng cho những loại màng để xử lý nước đầu vào có nồng độ cao. Sự phân cực

nồng độ không thể bị loại bỏ, nhưng nó có thể được hạn chế bởi việc giảm bề dày

lớp biên. Việc này được tiến hành bằng cách tăng tốc độ dòng chảy ngang qua bề

mặt màng hoặc thêm vào những chất hoạt động trong dòng cấp vào. Để đạt được

quá trình hoạt động tối ưu, đa số các nhà sản xuất màng cũng giới thiệu tốc độ tối

thiểu hoặc tối ưu cho nước cấp vào để giảm thiểu tốt nhất ảnh hưởng của hiệu ứng

phân cực nồng độ.

2.8. Thiết kế hệ thống

Bước đầu tiên trong thiết kế hệ thống thẩm thấu ngược công nghiệp là xác

định lượng nước cần xử lý, nhu cầu, chất lượng nước sản phẩm và nguồn nước cấp.

Bước tiếp theo là phân tích đặc tính tiêu biểu của nước cấp. Việc phân tích này cần

bao gồm sự xác định nồng độ của một số chất tiêu biểu được chỉ ra trong bảng 2.8.

Những thông tin cung cấp của những thành phần trong bảng 2.8 là những thông tin

61 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ cần thiết để một nhà thiết kế hệ thống thẩm thấu ngược thiết kế cho bất kì một ứng

dụng nào.

Bảng 2.8. Các thông số phân tích nước cấp cho màng

-

Anion 2- CO3 Các chất khác Silic

TDS

HCO3 2- TSS

2-

Độ đục

3-

SO4 Cl- NO3 SDI

Dải nhiệt độ và pH

Cation Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Fe3+ Mg2+ + NH4 PO4 F- TOC

Những thông số trên phải được xác định dựa theo các phương pháp tiêu

chuẩn. Thông số SDI (chỉ số mật độ bùn) là thông số rất quan trọng trong thiết kế

hệ thống thẩm thấu ngược. SDI được xác định theo các bước sau:

1- Đo thời gian yêu cầu cho 500 ml nước cấp qua màng lọc 0.45

micromet (đường kính màng lọc là 47mm) tại áp suất 30psig (2bar).

2- Cho 500ml nước cấp tiếp tục chảy ở áp suất 30psig và đo thời gian cần

thiết cho 500ml chảy xuyên qua lọc sau 5,10, 15 phút.

3- Sau khi hoàn thành hai quá trình thử trên, tính SDI dự theo công thức

sau:

Trong đó:

Tt là tổng thời gian thử trôi qua (5, 10 hoặc 15 phút).

Ti là gian ban đầu cần để thu được 500ml mẫu.

Tf là thời gian cần để thu 500ml mẫu tương tự sau thời gian Tt.(thông

thường là sau 15 phút).

62 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ

Nước vào

Van đóng, mở

Điều chỉnh áp suất

Phễu lọc với giấy lọc 0.45 micromet- đường kính 47mm.

Đo áp suất

Ống đong định lượng.

Hình 2.15. Mô tả thiết bị đo SDI.

Các nhà sản xuất thiết bị màng ống sợi thường yêu cầu nước cấp vào phải có

SDI < 3 để đảm bảo cho quá trình hoạt động hiệu quả. Một vài thiết bị dạng cuộn

xoắn ốc yêu cầu nước cấp phải có độ đục nhỏ hơn 1 đơn vị để đảm bảo cho thiết bị

và SDI<5. Thông thường trong quá trình hoạt động thì nước cấp phải đảm bảo

SDI<3. Tuy nhiên những thiết bị màng dạng cuộn xoắn ốc thường để tuần hoàn

nước có SDI<5 sau khi tiền xử lý.

2.8.1. Quá trình tiền xử lý

Quá trình tiền xử lý được thiết kế cho hệ thống RO nhằm:

1- Loại bỏ hoàn toàn chất rắn lơ lửng có kích thước lớn hơn 1micromet

và để giảm tối đa ảnh hưởng của những chất keo làm đóng cặn trên màng.

2- Điều chỉnh nhiệt độ và pH của nước cấp.

63 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

3- Thêm một số chất chống đóng cặn trong nước (tùy từng trường hợp).

4- Lọai bỏ những hợp chất ôxi hóa trong nước nếu cần thiết.

Trong một số ứng dụng như là việc khử muối hay làm sạch nước, chất rắn lơ

lửng và các chất keo có thể không đáng kể và qúa trình tiền xử lý có thể chỉ gồm

điều chỉnh pH.

Những kỹ thuật sau có thể được sử dụng để loại bỏ chất lơ lửng và giảm nhẹ

tác động của những chất keo:

Nếu nước cấp cho quá trình là nước cấp của mạng nước cấp hoặc nước giếng

có SDI<6 thì chỉ cần thiết xử lý qua lọc thông thường.

Qúa trình đông keo tụ có thể được sử dụng để loại bỏ các chất keo gây đóng

cặn màng. Trong kỹ thuật này, những chất đông keo tụ được thêm vào dòng chảy

trước vách lọc. Nếu cần thiết ta có thể phải xác định chất keo tụ, lượng chất keo tụ

thích hợp cho quá trình bằng thí nghiệm.

Trong trường hợp nước có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao, độ đục hay SDI

cao thì có thể sử dụng lọc kết hợp cả quá trình đông keo tụ.

pH của nước cấp cho quá trình thông thường được điều chỉnh trong giá trị từ

4 đến 6 bởi các lý do sau:

1- Đây là pH thông thường để giảm tốc độ thủy phân của màng cellulo

axetat. Quá trình thủy phân làm giảm tuổi thọ của màng và giảm khả năng

chọn lọc của màng.

2- Dòng ra và khả năng loại bỏ đối với một số màng có giá trị tối ưu ở pH từ

4 đến 6.

3- Nhiều nước tự nhiên bão hòa canxi cacbonat và trong quá trình hoạt động

nó kết tủa trên bề mặt màng làm giảm dòng ra và khả năng loại bỏ của

màng. Việc giảm pH từ 4 đến 6 chuyển một phần ion cácbonat hoặc

bicacbonat thành CO2 và ngăn cản sự kết tủa cacbonat.

Nước cấp vào có thể chứa những hợp chất có khả năng hòa tan nhỏ như

canxicacbonat và khi đó nó có thể kết tủa trong quá trình hoạt động của màng làm

64 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ giảm hiệu suất của màng. Một vài hợp chất tiêu biểu thường thấy là: Canxi sunfat,

bari sunfat, canxi phốtphát, canxi florua, Silicdiôxit, stronti sunfat.

Phương pháp ngăn cản sự kết tủa trong quá trình họat động của màng thẩm

thấu ngược là đảm bảo quá trình hoạt động sao cho dòng loại bỏ (dòng cô đặc) có

nồng độ các chất gây kết tủa trên nhỏ hơn độ bão hòa. Một phương pháp khác nữa

là bổ sung một lượng nhất định những chất chống kết tủa như natri

hexametaphotphat, plyacrylat vào nước cấp. Bổ sung các chất chống kết tủa từ 1

đến 5 mg/l nước cấp sẽ phá vỡ các mầm kết tinh của các chất kết tủa suất quá trình

hoạt động của màng. Việc làm này mở rộng giới hạn hòa tan của những chất gây

kết tủa.

Đáng chú ý ở trên là màng polyamin và polyure bị phá hủy bởi những chất

ôxy hóa mạnh và clo dư trong nước. Vì vậy nếu trong nước cấp có những chất này

thì cần thiết phải xử lý loại bỏ nó. Thông thường ta thêm một lượng dư natri

bisunfit hoặc natri thiosunfat theo khuyến cáo của nhà sản xuất màng.

Thậm chí với quá trình tiền xử lý tốt nhất thì màng vẫn bị đóng cặn trong quá

trình hoạt động dài và chúng cần phải được làm sạch. Mỗi một loại thiết bị màng

khác nhau thì khác nhau về khả năng đóng cặn và khả năng làm sạch thiết bị.

2.8.2. Quá trình thẩm thấu ngược

Khi quá trình tiền xử lý được hoàn thành thì nó sẽ quyết định việc lựa chọn

loại màng sẽ được dùng trong quá trình thẩm thấu ngược. Nếu SDI của nước sau

tiền xử lý nhỏ hơn 3 thì tất cả các loại thiết bị màng đều có thể sử dụng được. Sự

lựa chọn sẽ phụ thuộc vào kinh tế và đặc trưng của nước sau xử lý (yêu cầu chất

lượng dòng thấm qua và dòng loại bỏ). Nếu SDI lớn hơn 3 thì thông thường thiết bị

dạng xoắn ốc hay được sử dụng. Sau khi đã lựa chọn loại thiết bị màng đã được sử

dụng thì sau đó ta phải lựa chọn số lượng thiết bị, số cấp xử lý, tỉ lệ thu hồi, giá

thành và chất lượng nước.

Hình 2.16 đưa ra sơ đồ sắp xếp cho một đơn vị thẩm thấu ngược với tỉ lệ thu

hồi là 75%. Nước cấp vào được bơm cao áp tăng áp suất đến áp suất yêu cầu. Nước

đã được gia áp sau đó đi qua cấp xử lý thứ nhất. Tại đây 50% nước cấp vào được

65 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ thấm qua màng được lấy làm sảm phẩm, 50% lượng nước còn lại sau đó được đưa

tiếp qua cấp xử lý thứ hai. Tại cấp xử lý này, 50% nước đi vào được thấm qua

chính là sản phẩm nước cuối cùng. 50% lượng nước được cô đặc sau cấp xử lý thứ

hai được thải bỏ. Như vậy, toàn bộ quá trình ta thu được 75% sản phẩm. Ta gọi

75% là khả năng thu hồi của hệ thống. Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà ta lựa

Nước sản phẩm

Cấp 1

Cấp 2

Nước cấp

chọn số cấp xử lý, cách thức tuần hoàn và khả năng thu hồi của hệ thống.

Loại bỏ

Hình 2.16. Xắp xếp cho màng thẩm thấu ngược

Chất lượng nước sản phẩm là hàm của khả năng loại bỏ:

Cp=Cf.(1-R)

Trong đó Cp là nồng độ nước sản phẩm.

Cf là nồng độ nước cấp vào.

R là khả năng loại bỏ.

Phương trình trên đúng cho những màng đơn hoặc hệ thống màng có khả

năng thu hồi thấp. Một hệ thống màng thông thường được thiết kế để tỉ lệ thu hồi từ

25 đến 95% nước cấp vào. Điều đó có nghĩa là nồng độ biến thiên trong toàn bộ hệ

thống. Nếu tỉ lệ thu hồi là 90% thì ban đầu ban đầu màng hoạt động với dung dịch

có nồng độ ít hơn 10 lần so với nồng độ cuối cùng của quá trình và như vậy chất

66 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ lượng sản phẩm cũng biến thiên trong suốt cả hệ thống. Nước sản phẩm giai đoạn

đầu sẽ có nồng độ thấp hơn so với nước ở giai đoạn cuối. Thông thường nước của

cả quá trình sẽ được thu lại trong một bình chứa và nước sử dụng là nước có nồng

độ trung bình của cả quá trình. Nồng độ nước trung bình được tính theo công thức

sau:

Trong đó là nồng độ trung bình của nước sản phẩm cho cả quá trình.

là nồng độ trung bình của nước cấp vào và dòng lọai bỏ.

(nồng độ nước cấp vào + nồng độ dòng loại bỏ)/2

Công thức tính nồng độ trung bình được tính theo công thức sau:

Trong đó Y là tỉ lệ thu hồi của hệ thống.

Khi đó nồng độ sản phẩm cuối cùng của cả quá trình được tính theo công thức sau:

Như vậy, chất lượng nước sản phẩm phụ thuộc vào chất lượng nước cấp cho

quá trình, khả năng loại bỏ của màng và khả năng thu hồi của hệ thống.

67 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Kết luận chương 2:

Chương 2 đã khái quát lý thuyết công nghệ thẩm thấu ngược bao gồm từ

nguyên lý thẩm thấu ngược, cấu trúc hóa học của màng thẩm thấu ngược, các loại

thiết bị màng dùng trong công nghiệp, các yếu tố ảnh hưởng đến thẩm thấu ngược,

sơ lược lý thuyết về công nghệ màng, ưu nhược điểm của công nghệ thẩm thấu

ngược, cho đến các quá trình tính toán cơ bản cho màng và hệ thống màng. Tuy

chưa bao quát chi tiết tất cả lý thuyết của công nghệ thẩm thấu ngược, nhưng trong

chương 2 này đã giúp cho chúng ta hiểu được tất cả các khái niệm cơ bản nhất của

công nghệ thẩm thấu ngược và cung cấp đủ các kiến thức cơ bản để có thể nắm rõ

hơn tất cả các lý thuyết khác có liên quan đến công nghệ thẩm thấu ngược. Chương

2 cũng giúp chúng ta có thể giải thích các hiện tượng và kết quả của quá trình thực

nghiệm trong chương tiếp theo.

68 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ MUỐI TRONG NƯỚC CỦA

CÔNG NGHỆ THẨM THẤU NGƯỢC (RO)

3.1. Mục đích nghiên cứu

 Xác định khả năng khử muối của màng thẩm thấu ngược (RO) trong nước

 Xác định các ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, độ mặn nước đầu vào đến

lưu lượng nước sản phẩm, độ mặn của nước sau xử lý, hiệu suất xử lý của

màng.

 Xác định các thông số tối ưu cho thiết bị màng trên cơ sở phương pháp

mô hình hóa thực nghiệm.

 Tìm phương trình hồi quy cho các hàm mục tiêu (bao gồm lưu lượng sản

phẩm, độ mặn của nước sau xử lý, hiệu suất của màng)

 Đánh giá khả năng ứng dụng của màng RO trong việc khử mặn nước ở

quy mô công nghiệp.

 Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp phục vụ cho dân cư

vùng ven biển và hải đảo.

3.2. Đối tượng nghiên cứu

 Nước cấp cho quá trình là nước cấp từ mạng cấp nước của Trường Đại

học Bách Khoa Hà Nội có bổ sung muối để đạt độ mặn tương đương với

thực tế nhiễm mặn của một số vùng duyên hải và hải đảo.

 Màng thẩm thấu ngược nghiên cứu là màng FT -30.

 Phân tích các chỉ số và đặc tính của nước sau xử lý của quá trình thẩm

thấu ngược qua màng thẩm thấu ngược FT – 30.

3.3. Các phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp kế thừa: dựa vào những nghiên cứu đã công bố của các nhà

khoa học để tìm hiểu, giải thích…những vấn đề cần quan tâm

69 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

 Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

bằng các máy móc thiết bị sẵn có trong phòng thí nghiệm.

 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm:

Phân tích các số liệu thu được dựa vào việc tiến hành những thí nghiệm

dựa trên những điều kiện sẵn có của phòng thí nghiệm.

Với mục tiêu là khử muối trong nước do đó các thông số cần phân tích là

độ mặn của nước trước và sau xử lý, pH, nhiệt độ, lưu lượng các dòng. Do

nồng độ các chất khác trong nước cấp cho màng thẩm thấu ngược là nhỏ nên

ta chỉ xét ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, pH, độ mặn dòng vào đến khả

năng hoạt động của màng thẩm thấu ngược.

Độ mặn đặc trưng cho sự tồn tại của của các loại muối khác nhau trong

dung dịch. Do khả năng và thời gian có hạn, luận văn này chỉ đưa ra thông số

độ mặn đại diện cho tổng lượng muối tồn tại trong dung dịch. Nếu chi tiết

hơn thì chúng ta cần phải phân tích từng loại loại muối tồn tại trong dung

dịch để khảo sát khả năng xử lý của màng tới từng loại muối trong dung dịch.

Dựa vào sự thay đổi của các thông số thu được để đánh giá ảnh hưởng

của các yếu tố đến khả năng xử lý của màng thẩm thấu ngược và chất lượng

sản phẩm mong muốn.

 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: dựa vào lý thuyết toán học về tối

ưu hóa và phần mềm ứng dụng để đánh giá các số liệu thu được. Tìm các

dải thông số hoạt động tối ưu cho quá trình.

3.4. Thiết bị thí nghiệm

3.4.1. Thiết bị thẩm thấu ngược OIA/EV của hãng ElettronicaVenneta

a) Mô tả thiết bị

Trong phần phụ lục mô tả thiết bị thẩm thấu ngược OIA/EV, làm việc ở dải

áp suất hơn từ 0-60 bar.

70 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

b) Các thông số cần chú ý của màng được sử dụng

Màng được sử dụng là màng FT-30 có những thông số như sau:

Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của màng FT-30

Các thông số Loại màng Áp suất hoạt động tối đa Tốc độ dòng cung cấp tối đa Dải pH hoạt động được Dải pH hoạt động dưới 30 phút Nhiệt độ hoạt động tối đa Độ đục tối đa của nước cấp vào Chỉ số mật độ bùn tối đa của nước cấp vào SDI Tổng gốc Clo tự do Lưu lượng hoạt động Dải áp suất làm việc dải áp pH chịu được Giá trị Thin-Film Composite 60 bar 6gpm (1,4 m3) 2-11 1-12 400 C 1 NTU < 5,00 < 0.1ppm 3,8 m3/ngày 0 – 60 bar 2-11

3.4.2. Máy đo độ mặn và máy đo pH

Máy đo độ dẫn điện và máy đo pH tự động dùng để đo độ dẫn điện của nước

vào và ra khỏi thiết bị. Sau khi đưa đầu thử vào mẫu, quá trình đo diễn ra tự động

và kết quả được hiển thị trên màn hình.

3.5. Xác định các thông số tối ưu cho thiết bị màng trên cơ sở phương pháp mô

hình hóa thực nghiệm

Có nhiều phương pháp để đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đến kết quả

của một quá trình. Phổ biến nhất là thực nghiệm đơn biến. Theo phương pháp này,

ảnh hưởng của một yếu tố nào đó đến kết qủa thí nghiệm được xét độc lập, có

nghĩa là thay đổi thông số ảnh hưởng này và cố định các thông số ảnh hưởng khác.

Thực nghiệm đơn biến chính là phương pháp được áp dụng ở phần trên để đánh giá

các yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của màng. Tuy nhiên cách làm này bị hạn

chế rất nhiều do không đánh giá được sự ảnh hưởng tương hỗ của các yếu tố đến

kết quả của quá trình. Ngoài ra cũng rất khó đánh giá mức độ ảnh hưởng của các

71 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ yếu tố. Do đó việc tìm các điều kiện tối ưu của quá trình có mức độ chính xác

không cao và không thể thể hiện một cách trực quan. Bên cạnh đó, việc đánh giá

sai số tổng cộng của tất cả các quá trình là thiếu chính xác. Chính vì thế việc khảo

sát và đánh giá kết quả thí nghiệm theo một mô hình toán học phù hợp là cần thiết.

Mô hình hai bậc tâm xoay được ứng dụng trong việc phân tích và tối ưu hóa đã

được kiểm chứng bằng thực nghiệm và có độ chính xác khá tin cậy. Trong khuôn

khổ đồ án này chỉ đề cập đến việc ứng dụng mô hình này để khảo sát các điều kiện

ảnh hưởng đến quá trình mà không đi sâu phân tích rõ bản chất của mô hình này.

Việc tính toán dựa vào phần mềm Stagraphics Centurion XV, là một phần mềm tin

cậy đã được ứng dụng nhiều, tính toán được nhanh chóng và có độ tin cậy cao. Các

số liệu thu được trong thí nghiệm được dùng để cung cấp cho phần mềm. Hàm mục

tiêu được lựa chọn là lưu lượng dòng ra, độ dẫn điện của nước sau xử lý (do độ

mặn của nước sau xử lý có một khoảng sai số rất lớn do đó sử dụng số liệu độ dẫn

điện để đảm bảo tính chính xác của quá trình xử lý) , hiệu suất xử lý. Các yếu tố

ảnh hưởng bao gồm áp suất, nhiệt độ, nồng độ muối dòng vào.

a) Nguyên tắc chung của mô hình hóa thực nghiệm

Về nguyên tắc mọi sự kiện đề có thể quy về một quy luật, quy luật đó phải

được mô tả bằng những công cụ khác nhau, chính xác nhất là sử dụng công cụ toán

học. Mô hình hóa thực nghiệm là một đa thức tổng quát (phương trình hồi quy) mô

tả đúng quy luật.

Phương trình hồi quy có sạng tổng quát sau:

Trong đó:

y: hàm mục tiêu biểu thị đại lượng đo.

x: các yếu tố ảnh hưởng.

b: hệ số hồi quy mô tả ảnh hưởng của các yếu tố.

Hệ số hồi quy bi cho biết mức độ và chiều hướng ảnh hưởng của yếu tố xi lên

hàm mục tiêu, hệ số bij cho biết ảnh hưởng đồng thời của hai yếu tố xi, xj còn bii cho

72 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ biết ảnh bậc hai của yếu tố xi Phương pháp mô hình hóa thực nghiệm được tiến

hành theo các bước sau:

Bước 1: Lập ma trận thực nghiệm

Trong ma trận thực nghiệm, người ta dùng giá trị mã hóa cho mỗi yếu tố ảnh

hưởng và chỉ chọn 2 mức để làm thực nghiệm (mức cao +1 và mức thấp -1) với

khoảng biến thiên ban đầu được chọn sao cho đủ lớn đối với khoảng biến đổi

của mô hình để vượt quá sai số bình phương trung bình ít nhất 3 hoặc 4 lần. Giả sử

mô hình thí nghiệm bị ảnh hưởng bởi các yếu tố x1, x2, x3…..xn; mức cơ sở để tiến

hành thí nghiệm tương ứng với các yếu tố này là q1, q2, q3, …qn thì bảng mức thí

nghiệm của các yếu tố như sau:

Bảng 3.2. Bảng mức thí nghiệm của các yếu tố

X2 q2

…………. Xn …………. qn …………. Yếu tố Mức gốc (0) Khoảng biến thiên ( ) X1 q1

Mức cao (+1) q1 + q2 +

Mức thấp (-1) q1 - q2 - …………. qn + …………. qn -

Một ma trận thực nghiệm phải thỏa mãn 3 điều kiện:

Tính chuẩn hóa: Tổng bình phương các giá trị trong một cột bằng số thí

nghiệm

Tính chất đối xứng: số mức cao và mức thấp trong một cột bằng nhau:

Tính chất trực giao: ma trận không có thí nghiệm trùng nhau:

73 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Với xi là yếu tố ảnh hưởng thứ i, u là thí nghiệm thứ u.

Bước 2: Làm thí nghiệm theo ma trận thực nghiệm.

Làm thực nghiệm lặp để lấy giá trị trung bình, thứ tự thí nghiệm phải ngẫu nhiên để

tránh sai số hệ thống.

Bước 3: Đánh giá sự lặp lại của thí nghiệm theo chuẩn Couchran

Gbảng (p, f1, f2): f1= m-1, f2= N.(m-1)

Với u là thực nghiệm thứ u, m là số thực nghiệm lặp lại.

2(max) là sai số lớn nhất của thực nghiệm không

Nếu Gtính< Gbảng có nghĩa Su

lớn hơn tổng sai số toàn bộ thực nghiệm. Vậy thực nghiệm lặp lại.

Bước 4:Tính các hệ số quy hồi từ ma trận

Trong đó B là ma trận dọc gồm các hệ số quy hồi, XT là ma trận chuyển vị của

ma trận thực nghiệm X, Y là ma trận dọc gồm các giá trị y thu được từ thực nghiệm.

Bước 5:Đánh giá tính có nghĩa của hệ số hồi quy

Tính có nghĩa của hệ số hồi quy được đánh gía qua chuẩn t.

Nếu ttính>tbảng tức bi > sai số của thực nghiệm, khi đó giá trị của hệ số bi mới

có nghĩa.

Nếu ttính

Bước 6:Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy tìm được

Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy là đánh giá mô hình thu được

mô tả đứng thực nghiệm hay chưa.

Sử dụng bất đẳng thức Ftính

74 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Nếu Ftính

cậy nên mô hình mô tả đúng thực nghiệm.

b) Mô hình hóa thực nghiệm bậc hai tâm xoay

Mô hình hóa thực nghiệm bậc hai tâm xoay được tiến hành trên cơ sở xây

dựng ma trận quy hoạch hóa thực nghiệm bậc hai tâm xoay.

Phương trình hồi quy bậc hai tâm xoay có dạng tổng quát:

Số thí nghiệm của mô hình này được tính như sau: N=Ngốc+ N*+ No

Ngốc= 2n-q

N* = số thực nghiệm ở điểm sao =2n

No = số thực nghiệm ở điểm tâm N0>1 đối với trường hợp ma trận bậc hai

tâm xoay.

n: số nhân tố khảo sát

khoảng cách từ tâm đến điểm sao được tính theo công thức:

Bảng 3.3. Các giá trị N và d trong ma trận tâm xoay bậc hai:

Ngốc

N* No

D

N

n

4

4

5

1,414

13

2

8

6

6

1,628

20

3

16

8

7

2,000

31

4

32

10

10

2,378

52

5

16

10

6

2,000

32

5

Các bước tiến hành xây dựng mô hình như đã trình bày ở trên.

Tính phù hợp của mô hình được đánh giá qua chuẩn F

75 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Nếu Ftính< Fbảng thì cho phép kết luận mô hình tìm được hoàn toàn mô tả

đúng thực nghiệm

3.6. Kết quả thí nghiệm và giải thích kết quả

3.6.1. Mô tả thí nghiệm và số liệu thí nghiệm

a. Mô tả thí nghiệm

Để có được nước cấp tương đối giống với điều kiện thực tế, người thực hiện

đã tiến hành pha nước từ hệ thống cấp nước của Trường Đại học Bách Khoa Hà

Nội với muối NaCl tinh khiết, dựa trên số liệu thu được từ thiết bị đô độ muối,

điều chỉnh nồng độ muối trong nước theo mục đích từng thí nghiệm. Để xét khả

năng khử muối của thiết bị, nghiên cứu được tiến hành với các mẫu nước đầu vào

có độ mặn khác nhau, từ 1%o đến 32%O.

Thí nghiệm được tiến hành trên thiết bị thẩm thấu ngược Electroveneta. Sau

khi điều chỉnh áp suất lần lượt ở 5, 10, 15, 20, 25, 30, 45, 50, 55 bar. Ở mỗi áp suất

ta tiến hành đo độ mặn, nhiệt độ và lưu lượng nước thấm qua màng. Do quá trình di

chuyển của nước theo vòng khép kín nên hiệu ứng ma sát sẽ làm tăng nhiệt độ của

nước theo thời gian, do đó ta khảo sát được sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá

trình..

b. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm được trình bày trong các bảng 3.4:

76 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Mẫu Ngày 14/9

Độ dẫn điện (µS/cm)

Độ mặn %o

TDS mg/l)

Nhiệt độ

đưa lên

áp suất dt

độ dẫn đt

Qr (l/h)

Hiệu suất khử mặn

7.15

41.5 25

áp suất Nước chuẩn 10 10

1 2

352 1888 55.8 42.1

0.2 1.1 0 0

188.7 1055 29.2 21.9

32.1 32.1 32.2 32.2

100 100

chỉnh xuống

17 17

2 3

3.1 3.02 3.01

73.1 87.7 89.2

77.8 87.7 96.7

0 0 0

40.9 46.3 51

32.3 32.4 32.4

100 100 100

5 5 5 5

Thay đổi nước đầu vào 1 2 3 4

3.14 8.1 5.49 9.97

735 185 329 244

6880 787 190.8 380 172.9

4.2 0.4 0.1 0.2 0.1

20 30 18 26

4080 428 101.5 204 91.9

32.4 32.4 32 33.1 32.6

90.76 97.62 95.23 97.62

Ngày 17/9 Đầu vào

18 19

8.07 8.3

389 453

7240 9970 382 461 482

4.4 6.3 2 0.2 0.3

4310 6070 205 248 260

30 39.4 28.5 29.2 29.3

68.25 96.83 95.24

1 2 3

Đầu vào

7.8

775

18

11500 744 686

7.3 0.4 0.4

7070 404 372

29 28.9 29.3

94.52 94.52

1 2

Ngày 18/9 Đầu vào

17 16

8.05 7.8

1105 1072

24 26

14.12 14.17

349 342

32 29

18.37 18.26

288 298

59 51 78

23.32 23.35 29.03

282 316 371

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

12840 1087 1092 1171 336 331 334 282 291 301 276 307 328 344 372

8.2 0.6 0.6 0.6 0.2 0.2 0.2 0.1 0.2 0.2 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2

7960 596 599 643 186.1 177.4 178.9 150.6 155.3 161.1 147.7 169.4 175.8 184 199.2

28.4 28.6 28.7 28.7 29 29.4 29.4 29.7 30.3 30 30.8 31.3 30.4 31.5 31.6

92.68 92.68 92.68 97.56 97.56 97.56 98.78 97.56 97.56 98.78 97.56 97.56 97.56 97.56

Ngày 19/9 Đầu vào

15570 448 648 632

10.1 0.2 0.3 0.3

16 20 20

9790 241 351 342

29.3 29.3 29.3 29.4

98.02 97.03 97.03

5 10 7 15 11 12.5 10 10 15 15 15 20 20 20 25 25 30 10 15 15

1 2 3

7.3 12.53 12.53

Bảng 3.4. Bảng kết quả số liệu thí nghiệm

453 705 750 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

77

18.5

391

28

4 5

25.63

329

60

6 7

8 9

30 30 39.4

318 347 373

94 85 120

34.9

448

102

385 388 397 322 330 330 314 340 368 386 441 450

0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

206 208 263 172.5 176.8 176.8 168.2 182.2 197.1 202 238.2 242

29.9 30.1 30.3 30.6 30.7 30.7 30.9 31.4 31.8 32.1 32.4 32.5

98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02

Ngày 20/9 Đầu vào

20 20 26 32 32 40 40 36 36

21700

14.5

13990

29.4

gần như không ra nước

7.56 14.05

554 750

16 19

20.04

638

30

24

572

36

30.1

62

39.45

566

100

34.47

671

62

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

728 1379 1453 617 622 614 552 557 491 505 528 550 567 578 659 757 798

0.7 0.8 0.8 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4

319 761 804 334 336 332 298 300 266 272 285 297 306 312 359 411 434

29.3 29.2 29.4 29.9 30.1 30.2 30.4 30.3 30.3 30.8 30 31.6 31 31.7 31.8 32 32.1

95.17 94.48 94.48 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.24 97.24 97.24

Ngày 21/9

đầu vào

28.8 29.3

358 32100

0.2 22.4

191.7 21600

10 15 15 15 22 22 22 25 25 32 32 32 40 40 40 35 35 Nước cấp của trường 15

12

1

839

15

19

19

0 hiện số

2 3 4

28.15

1088

33

33

844

60

38

1059

55

20 20 30 30 30 30 35 35 35 40 40

2180 2210 1052 1072 1099 1093 1093 854 882 1043 1062

1.2 1.3 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 0.6 0.6

1225 1244 576 588 603 600 600 465 481 571 579

30.1 30.1 30.4 30.5 30.8 30.8 30.8 31.2 31.2 31 31

94.64 94.2 97.32 97.32 97.32 97.32 97.32 97.77 97.77 97.32 97.32

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

78 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

50 50 53.43

1233 1233 1386

66 66 60

1114 1256 1298 1416 1492 1578

0.6 0.7 0.7 0.8 0.8 0.9

610 692 715 783 827 876

31.2 32 32.4 32.7 33 33.2

97.32 96.88 96.88 96.43 96.43 95.98

18.4

821

17

23.7

712

40

49.2

592

137

56.72

152

663 718

25500 1444 1519 750 796 831 583 583 600 658 695 729 758

17.4 0.8 0.8 0.4 0.4 0.5 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4

16720 799 842 407 433 452 315 319 324 356 377 396 411

30 29.7 29.6 30.3 30.8 30.9 31 31.5 31.5 31.6 32.4 32.5 32.6

95.4 95.4 97.7 97.7 97.13 98.28 98.28 98.28 97.7 97.7 97.7 97.7

48.82

627

110

28600 740 634

19.7 0.4 0.4

18950 420 343

30.4 30.8 31.2

97.97 97.97

48.82

852

82

98 98

48.82

1232

53

97.44 97.76 97.44

110

49.52 49 46.17 53.47

542 565 596 663

62 99

98.19 98.19 99.19 96.38 96.38 96.38

53.28

2069

36

28

40 52 52 55 20 25 50 57 50 50 50 52 48 55 55 46

36600 923 921 43100 1382 1333 1387 24500 616 565 594 661 692 735 36000 2610 2140 2330 2290

25.9 0.5 0.5 31.2 0.8 0.7 0.8 16.6 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 25.4 1.5 1.2 1.3 1.3

24900 504 502 29900 762 735 766 16030 334 305 321 358 375 398 24400 1482 1203 1313 1292

30.9 31.5 31.5 31 31.7 31.9 32 27.9 28.5 28.8 29 29.2 29.7 29.7 27.7 28.7 28.4 29.1 29.4

94 95.27 94.88 94.88

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Ngày 24/9 Đầu vào Ngày 25/9 đầu vào đầu vào đầu vào đầu vào đầu vào

79 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

3.6.2. Phân tích số liệu thí nghiệm 3.6.2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng nước được khử mặn

3.6.2.1.1. Ảnh hưởng định lượng của các yếu tố thông qua đồ thị Pareto

Hình 3.1. Đồ thị Pareto cho lưu lượng

Từ đồ thị ta có thể nhận thấy ảnh hưởng của các hệ số hồi quy BB và nhiệt

độ đối với lưu lượng nước qua màng thẩm thấu là không đáng kể nên ta chỉ xem

xét ảnh hưởng của các yếu tố chính: áp suất tác dụng và độ mặn đầu vào của nước

ảnh hưởng đến lưu lượng của nước sau khi được xử lý.

80 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 3.6.2.1.2. Phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố đối với lưu lượng nước đầu ra

Hình 3.2. Biểu đồ biểu thị các yếu tố ảnh hưởng chính

đến lưu lượng nước được khử

Đồ thị trên biểu hiện sự ảnh hưởng chính của các yếu tố như áp suất, độ mặn

đầu vào và nhiệt độ đến với lưu lượng nước sạch được xử lý qua màng RO.

 Sự ảnh hưởng của áp suất đến với lưu lượng đầu ra.

Qua đồ thị ta dễ dàng nhận thấy công suất lọc có quan hệ tuyến tính với áp

suất, áp suất càng lớn thì lưu lượng nước ra càng cao. Điều này hoàn toàn phù hợp

với lý thuyết về lọc màng thẩm thấu ngược, quan sát với những thí nghiệm đã làm

tại phòng thí nghiệm, thì ở dải áp suất thấp nhất định (kết hợp với độ mặn của nước

cần xử lý cao) thậm chí nước không thể đi qua được màng thẩm thấu RO.

 Sự ảnh hưởng của độ mặn đầu vào đến lưu lượng nước sạch đầu ra:

Qua đồ thị nhận thấy rằng với độ mặn càng nhỏ thì công suất lọc của thiết bị

thẩm thấu ngược là càng cao. Điều này hoàn toàn hợp lý bởi vì với nồng độ muối

81 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ cao của nước đầu vào khi lọc, các phân tử muối sẽ bám vào tạo thành lớp vỏ hydrat,

mối liên kết này khá bền vững do đó bề mặt màng không tạo thành lớp nước

nguyên chất được và xảy ra hiện tượng bịt kín các mao quản, do đó độ thẩm thấu

của màng giảm dần và lượng nước đi qua màng cũng giảm theo.

 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với lưu lượng nước sạch tạo ra

Với những gì phân tích qua đồ thị Pareto, ảnh hưởng của nhiệt độ đối với

công suất lọc là không đáng kể, tuy nhiên dựa vào đồ thị trên ta vẫn có thể nhận

thấy rằng quan hệ của nhiệt độ và lưu lượng nước được lọc là quan hệ bậc hai. Khi nhiệt độ dao động từ 28oC – 31oC, nó tỷ lệ thuận với lưu lượng nước được lọc, tuy

nhiên khi tăng nhiệt độ lên thì lưu lượng nước được lọc lại tỷ lệ thuận với nhiệt độ.

3.6.2.1.3. Khảo sát các mặt mục tiêu

Do đã phân tích ở trên ảnh hưởng của nhiệt độ với lưu lượng đầu ra là nhỏ

nếu so với ảnh hưởng của các yếu tố như áp suất đầu vào và nhiệt nên ta khảo sát mặt mục tiêu khi cố định nhiệt độ ở nhiệt độ = 310C. Mặt mục tiêu chỉ rõ sự ảnh

hưởng của các yếu tố đến lưu lượng nước sạch tạo ra. Ta cũng nhận thấy rằng để

tạo lưu lượng nước thải ra lớn nhất thì cần phải giảm nồng độ đầu vào và tăng áp

suất nước đầu vào.

82 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 3.3. Mặt mục tiêu cho lưu lượng.

Dạng mặt cắt mặt mục tiêu biểu thị theo hình sau

Hình 3.4. Mặt cắt mục tiêu cho lưu lượng.

Trên mặt cắt của hàm mục tiêu ta có thể nhận thấy có một điểm mà tại đó lưu

lượng nước sạch tạo ra là lớn nhất. Điểm đó được đánh dấu (+) trên mặt cắt mục

tiêu.

Dựa vào phần mềm statgraphic, tác giả đã xác định điểm đó đạt được khi vận

hành với những thông số sau.

Mục tiêu: Lưu lượng lớn nhất

Giá trị tối ưu đạt được là = 354,807 l/h

Các yếu tố Thấp Cao Tối ưu 5,0 ap suat do man vao 1,1 28,4 nhiet do 57,0 57,0 31,2 1,33295 33,2 32,5924

83 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ

3.6.2.1.4. Xây dựng phương trình hồi quy chỉ ra mối quan hệ của các yếu tố trên

đối với lưu lượng nước được xử lý.

Dựa trên các số liệu thí nghiệm sau khi cho chạy qua chương trình

statgraphic, tác giả đã thu được một phương trình hồi quy nói lên mối quan hệ của

các thông số đầu vào và lưu lượng nước sau xử lý.

2 - 2

Phương trình đó là:

Q = - 6449,37 – 13,6126X1 + 24,5278X2 + 422,295X3 + 0,0432342X1 2 – 0,885372X2X3 – 6,88151X3 0,119007X1X2 + 0,503023X1X3 + 0,0988489X1

Trong đó

Q : Lưu lượng, l/h

X1: Áp suất, bar

X2: Độ mặn, phần nghìn

X3: Nhiệt độ, độ C.

3.6.2.1.5. Đánh giá sai số và độ chính xác của phương trình hồi quy.

bình bình F-Ratio P-Value

Nguồn phương sai Tổng phương Trung bình phương

Bậc tự do Df 1 1 1 1 1 1 1 1 1 96 105 26000,5 14964,9 534,261 2255,26 1394,2 2665,27 490,578 1384,58 5744,21 167,569 155,16 89,31 3,19 13,46 8,32 15,91 2,93 8,26 34,28 0,0000 0,0000 0,0773 0,0004 0,0048 0,0001 0,0903 0,0050 0,0000

A:ap suat 26000,5 B:do man vao 14964,9 534,261 C:nhiet do 2255,26 AA 1394,2 AB 2665,27 AC 490,578 BB 1384,58 BC 5744,21 CC 16086,6 Total error 143006 Total (corr.) R-squared = 88,7511 percent R-squared (adjusted for d.f.) = 87,6965 percent

84 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Ta nhận thấy rằng độ chính xác của phương trình hồi quy cũng như mô hình

đã tìm được ở trên là 88,75%

3.6.2.2. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất xử lý

3.6.2.2.1. Ảnh hưởng định lượng của các yếu tố đối với hiệu suất xử lý thông qua

đồ thị Pareto

Hình 3.5. Đồ thị Pareto cho hiệu suất

Từ đồ thị ta có thể nhân thấy rằng ảnh hưởng của các thông số hồi quy AA,

BC, BB, AB, AC, nhiệt độ là không đáng kể nên bị loại bỏ khỏi phương trình hồi

quy. Các yếu tố lớn nhất ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý khử mặn là áp suất và độ

mặn của nước đưa vào xử lý.

85 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 3.6.2.2.2. Phân tích ảnh hưởng và mối quan hệ của từng yếu tố đến hiệu suất xử lý

100

97

hieu suat 95

93

91

89

5.0

60.0

28

33.5

ap suat

nhiet do

34.0 1.0 do man vao

Hình 3.6. Hình biểu hiện tác động của các yếu tố chính đến hiệu suất xử lý. Main Effects Plot for hieu suat

Đồ thị trên đã biểu hiện sự liên quan của các yếu tố chính như áp suất, độ

mặn nước đầu vào, nhiệt độ và pH đến với hiệu xuất xử lý.

 Phân tích ảnh hưởng của yếu tố áp suất đến hiệu suất xử lý

Có thể thấy được mối quan hệ giữa các yếu tố này là khi áp suất càng tăng

thì hiệu suất xử lý càng tăng, điều này có thể được lý giải như sau: khi áp suất tăng,

lượng nước đi qua hệ thống thẩm thấu ngược tăng, trong lượng nước này có chứa

một phần các chất không đi qua lọt qua mao quản của màng thẩm thấu ngược dẫn

đến hình thành nên một lớp màng lọc khiến cho khả năng lọc của màng bán thấm

cũng tăng lên.

 Phân tích ảnh hưởng của yếu tố độ mặn đầu vào và hiệu suất

Dựa trên đồ thị nhận thấy rằng quan hệ giữa hiệu suất và độ mặn quan hệ

theo một đường cong tuyến tính. Khi độ mặn càng cao thì khả năng khủ mặn của

màng thẩm thấu càng giảm, điều này là hoàn toàn dễ hiểu, do theo lý thuyết với

86 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ dung dịch loãng ảnh hưởng của nồng độ đến độ chọn lọc và độ thẩm thấu của màng

là không đáng kể vì trong dung dịch luôn tồn tại các phân tử nước tự do tạo thành

một lớp màng nước nguyên chất trên bề mặt màng. Nhưng khi nồng độ dung dịch

tăng dần thì số phân tử nước tự do trong dung dịch giảm đi, chúng chuyển dần vào

lớp vỏ hydrát hóa thứ nhất và thứ hai. Khi đó lực tương tác giữa các ion chất tan và

dung môi rất lớn, mối liên kết này rất bền vững do đó bề mặt màng không tạo thành

lớp nước nguyên chất được và xảy ra hiện tượng bít kín các mao quản, do đó độ

chọn lọc và độ thẩm thấu của màng giảm đi rất nhanh.

 Phân tích ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đối với hiệu suất xử lý

Ta nhận thấy rằng cũng giống như đối với lưu lượng đầu ra, hiệu suất lọc

cũng quan hệ với nhiệt độ theo đường bậc hai. Tuy nhiên cũng phải thừa nhận rằng

những yếu tố này chưa thể khẳng định được tính chính xác cao ảnh hưởng của nhiệt

độ đến hiệu xuất xử lý do khoảng nhiệt độ trong các thí nghiệm được đưa ra là quá

nhỏ chưa thể cho thấy được rõ nét các ảnh hưởng này.

3.6.2.2.3. Khảo sát mặt mục tiêu

Do khoảng nhiệt độ thay đổi quá nhỏ trong các thí nghiệm do đó khi nghiên

cứu khảo sát mặt mục tiêu ta vẫn cố định nhiệt độ. Khảo sát hàm mục tiêu ta cố định nhiệt độ = 30oC

87 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Estimated Response Surface nhiet do=30.75

hieu suat

40

30

100 98 96 94 92 90 88

20

10

do man vao

0

0 10 20 30 40 50 60 ap suat

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 3. Mặt mục tiêu cho tỉ lệ loại bỏ

88 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Contours of Estimated Response Surface

nhiet do=30.75

40

30

do man vao

20

10

hieu suat 85.0 86.5 88.0 89.5 91.0 92.5 94.0 95.5 97.0 98.5 100.0

0

0

10

20

40

50

60

30 ap suat

Luận văn thạc sỹ Dạng cắt mặt mục tiêu cho tỉ lệ loại bỏ

Trong dạng cắt của mặt mục tiêu, phần mềm statgraphics cho ta một điểm

mà ở đấy hiệu suất xử lý là tối ưu, điểm đó trên hình được đánh dấu bằng điểm (+).

Tại điểm đó các thông số của các yếu tố đầu vào sẽ như sau:

Mục tiêu: hiệu suất lớn nhất

Giá trị đạt được = 99,4333 giá trị này đạt được khi hệ thống vận hành với thông số

sau:

Các yếu tố Thấp cao Tối ưu

ap suat 5,0 57,0 57,0

do man vao 1,1 31,2 1,1

nhiet do 28,4 33,2 30,4284

89 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 3.6.2.2.4. Phương trình hồi quy biểu thị mối quan hệ giữa các yếu tố với hiệu suất

xử lý

Dựa vào phần mềm statgraphics, tác giả đã tìm ra được Phương trình hồi quy

cho dải giá trị thí nghiệm:

Phương trình đó là:

N = - 339,946 + 0,568252X1 - 1,19973X2 + 28,3096X3 - 0,000701672X1

2 + 2 + 0,028289X2X3 –

2

0,000637195X1X2 - 0,0149598X1X3 + 0,00448008X1

0,456676X3

Trong đó

N : Hiệu suất, %

X1: Áp suất, bar

X2: Độ mặn, phần nghìn

X3: Nhiệt độ, độ C.

3.6.2.2.5. Đánh giá sai số và độ chính xác của phương trình hồi quy

Bảng phân tích phương sai của phương trình hệ số hồi quy (Anova) khi đã

loại bỏ hệ số không có nghĩa.

F-Ratio P-Value

Nguồn phương sai Tổng bình phương Trung bình bình phương

26,8719 26,8719 20,17 0,0000 Bậc tự do Df 1

A:ap suat B:do man vao 41,1818 41,1818 30,91 0,0000 1

1 1 1 1 1 1 1 2,64118 0,594032 0,0399688 2,35731 1,00771 1,41351 25,2976 1,98 0,45 0,03 1,77 0,76 1,06 18,99 0,1624 0,5059 0,8629 0,1866 0,3866 0,3056 0,0000 2,64118 0,594032 0,0399688 2,35731 1,00771 1,41351 25,2976

C:nhiet do AA AB AC BB BC CC Total error 127,901 96 1,3323

Total (corr.) 261,325 105

90 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ R-squared = 81,7831 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 75,3878 percent

Qua đây nhận thấy rằng độ chính xác của phương trình này vẫn chưa được cao, chỉ

đạt được 75,39%. Rất có thể do dải nhiệt độ được khảo sát còn ít, chưa đáp ứng đủ.

Kết luận chương 3:

Trong chương này, với các số liệu thí nghiệm ta đã tìm ra được những mối

quan hệ của các yếu tố ban đầu với lưu lượng và hiệu suất xử lý, đây là hai yếu tố

quan trọng trong việc nghiên cứu khả năng khử muối của màng thẩm thấu ngược

(RO), nó trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng và công suất của các trạm sau này.

Thông qua việc nghiên cứu, chúng ta đã xác định được phương trình hồi quy

2 - Q = - 6449,37 – 13,6126X1 + 24,5278X2 + 422,295X3 + 0,0432342X1 2 2 – 0,885372X2X3 – 6,88151X3

liên quan đến công suất và hiệu suất.

0,119007X1X2 + 0,503023X1X3 + 0,0988489X1

N = - 339,946 + 0,568252X1 - 1,19973X2 + 28,3096X3 - 0,000701672X1

2 + 2 + 0,028289X2X3 –

0,000637195X1X2 - 0,0149598X1X3 + 0,00448008X1

2

0,456676X3

Thông qua đó ta cũng xác định được thông số tối ưu cho công suất xử lý (lưu

lượng nước ra) và hiệu xuất xử lý là:

Giá trị tối ưu của lưu lượng 288.157 đạt được khi các giá trị là

Thấp Cao Tối ưu Các yếu tố ap suat 5,0 do man vao 1,1 28,4 nhiet do 57,0 57,0 31,2 1,33295 33,2 32,5924

91 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Và :

Giá trị tối ưu của hiệu suất là 99,4333 giá trị này đạt được khi hệ thống vận hành

với thông số sau:

Các yếu tố Thấp Cao Tối ưu

ap suat 5,0 57,0 57,0

do man vao 1,1 31,2 1,1

nhiet do 28,4 33,2 30,4284

92 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 4

ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ KHỬ MẶN CẤP NƯỚC CHO

CÁC VÙNG DUYÊN HẢI VÀ HẢI ĐẢO

4.1. Đề xuất công nghệ xử lý nước nhiễm mặn cấp cho các vùng hải đảo và ven

biển ở Việt Nam

4.1.1. Đặc trưng của nguồn nước

Đặc trưng của nguồn nước tại các hải đảo và ven biển là mức độ ô nhiễm

thấp, tuy nhiên độ mặn cao. để xử lý nguồn nước này đến độ mặn cho phép đáp

ứng tiêu chuẩn nước sinh hoạt đòi hỏi phải có quá trình khử muối. Nước cung cấp

cho quá trình khử mặn thường lấy từ các giếng thấp, do nguồn nước này đã được

lọc sơ bộ qua lớp đất cát nên độ mặn cũng như các tạp chất trong nước đã được

giảm đi khá nhiều.

4.1.2. Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý

93 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Nước giếng

Lọc đa lớp cấp 1

Chất điện ly cao phân tử Acid Clo

Chất điện ly cao phân tử

Lọc đa lớp cấp 2

Khử Cl2 bằng than hoạt tính

Acid NaHSO3

Lọc MF

Nước thải

Lọc thẩm thấu ngược RO

Nước sau xử lý

Luận văn thạc sỹ a. Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước cho vùng hải đảo và ven biển

Hình 4.1: Sơ đồ công nghệ đề xuất cho khử mặn của các vùng ven biển và hải đảo

94 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ b. Thuyết minh sơ đồ dây chuyền:

Giai đoạn tiền xử lý: Tại các cơ sở lấy nước, nước biển được bơm từ giếng

thấm vào bể lọc đa lớp cấp 1, tại đây để các sinh vật, tảo trong nước không sinh sôi

cần bổ sung thêm clo, acid và các chất điện ly. Sau đó, nước được qua thiết bị lọc

đa lớp 2 để loại bỏ các chất rắn lơ lửng có kích thước lớn ra khỏi nước nhằm tránh

ảnh hưởng tiêu cực đến với hệ thống màng lọc ở những giai đoạn sau. Do Clo là

một chất oxi hóa mạnh có khả năng gây hư hại cho bề mặt màng ở các giai đoạn xử

lý tinh do đó trước khi tiến hành xử lý tinh nước được đi qua hệ thống lọc bằng

than hoạt tính để khử Clo.

Giai đoạn xử lý chính: gồm hai giai đoạn: để nhằm giảm bớt những hạt có

kích thước lớn vào màng thẩm thấu ngược, nước được đi qua thiết bị lọc màng MF

loại bỏ những tạp chất có kích thước lớn hơn 1micromet trước khi đi vào thiết bị

lọc màng thẩm thấu ngược RO. Sau khi qua màng thẩm thấu ngược RO, nước sẽ

được tách muốn để trở thành nước ngọt.

Giai đoạn ổn định nước : Nước sau khi được xử lý sẽ được điều chỉnh thành

chất nước như nước máy, người ta tiến hành điều chỉnh nồng độ pH, kiềm, đưa

thuốc diệt khuẩn thích hợp như clo vào để đảm bảo khi nước đến với các hộ tiêu

dùng vẫn đảm bảo chất lượng theo TCVN.

95 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Phân tích những ưu nhược điểm của sơ đồ công nghệ trên:

- Ưu điểm:

+ Nước sau khi xử lý có chất lượng đảm bảo, hoàn toàn đáp ứng được những

tiêu chuẩn nước cấp phục vụ cho sinh hoạt theo TCVN.

- Nhược điểm:

+ Sơ đồ dây chuyền phức tạp, do đó người vận hành đòi hỏi phải có những

kiến thức nhất định về kỹ thuật.

+ Việc vận hành hệ thống sẽ tiêu tốn một lượng lớn năng lượng (đặc biệt cho

việc tạo áp suất lớn đẩy nước qua màng lọc) do đó dẫn đến giá thành xử lý

nước cấp sẽ lớn.

+ Giá thành hệ thống thiết bị đắt do đó khó khăn cho việc đầu tư ban đầu.

Một số ý tưởng nhằm hạn chế những nhược điểm của sơ đồ dây chuyền công

nghệ trên:

Tiết kiệm năng lượng: Đối với thiết bị cỡ lớn, có trường hợp cần lắp thêm

thiết bị thu hồi năng lượng để thu hồi lại năng lượng (áp suất dư) còn sót lại trong

nước biển cô đặc để sử dụng làm nguồn năng lượng, nhằm giảm chi phí về điện

năng. Nhờ đó có thể giảm tới 15-25% lượng điện tiêu thụ.

Bên cạnh đó có thể dùng cối xay gió thay cho bơm tạo nên áp lực để lọc nước qua

thiết bị thẩm thấu ngược RO. Theo những nghiên cứu của các nhà khoa học Hà Lan

thì cối xay gió truyền thống của Hà Lan có thể tạo ra một áp suất lên tới 60 bar, đủ

lớn để đẩy nước biển qua hệ thống thẩm thấu ngược.

4.1.3. Thiết kế công nghệ hệ thống thẩm thấu ngược trên cơ sở phần mềm

winflow 2004

a. Giới thiệu về phần mềm Winflow2004

Phần mềm winflow2004 là phần mềm được sử dụng trong thiết kế giả định

hệ thống lọc thẩm thấu ngược. Phần mềm này cho phép người sử dụng dự đoán

được kết quả xử lý của hệ thống trong. Với những thông số đầu vào theo lựa chọn

96 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ (chất lượng nước vào, bố trí cấu hình hệ thống, lưu lượng dòng), phần mềm

Winflow2004 sẽ tính toán chất lượng nước đầu ra.

b. Kết quả chạy thử nghiệm với phần mềm winflow2004

Bố trí hệ thống theo sơ đồ dây chuyền công nghệ theo sơ dồ dưới đây, trong

đó hệ thống lọc thẩm thấu ngược được bố trí hai màng lọc đấu nối tiếp nhau (nước

thải ra của màng thẩm thấu thứ nhất sẽ được sử dụng làm nước đầu vào của màng

thẩm thấu ngược thứ hai), với cách làm này thì giảm đáng kể lượng nước thải ra

môi trường bên ngoài và tận dụng được áp suất dư của nước thải từ màng thẩm

thấu ngược thứ nhất.

Hình 4.2 : Sơ đồ hệ thống lọc thẩm thấu ngược RO (Cho xử lý nước biển)

Đầu

Đầu vào

vào

-

Ca2+

408.00 HCO3

143

2-

Mg2+

1,298.00 CO3

2.6

Na+

10,768.20 Cl-

19,361.30

2-

K+

396 SO4

2,702.00

Ba2+

0 F-

0

-

Sr

0 NO3

0

Bảng 4.1 : Các thông số đầu của nước đầu vào nếu lấy là nước biển.

97 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

-

NH4

0 PO4

-

0

Fe3+

0 SiO2

5.2

Mn4+

0 CO2

2.2

TDS

35,151.10 pH

7.8

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Chạy chương trình Winflow2004 với mục tiêu là lưu lượng nước đầu ra là

200l/h, kiểm soát các thông số kỹ thuật của bơm tăng áp để đảm bảo là nước sau

khi chỉnh các thông số sao cho lưu lượng của nước thành phẩm là 200l/h ta thu

được kết quả nước đầu ra như bảng sau:

Đầu ra

Đầu ra

-

5.1 HCO3

1

Ca2+

2-

11.9 CO3

0

Mg2+

134.1 Cl-

241.4

Na+

2-

4.9 SO4

16.9

K+

0 F-

0

Ba2+

-

0 NO3

0

Sr

-

0 PO4

-

0

NH4

0 SiO2

0

Fe3+

0 CO2

32.1

Mn4+

416.2 pH

6.6

TDS

Bảng 4.2 : Chất lượng nước đầu ra

So sánh với TCVN 5502:2003 (tiêu chuẩn về nước cấp sinh hoạt) ta nhận

thấy rằng gần như tất cả các thông số trên hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu làm

nước cấp phục vụ đời sống sinh hoạt và sản xuất của người dân. Hiệu suất xử lý

của hệ thống khi tính theo TDS đạt 98,82%

Tuy nhiên một vấn đề môi trường mà khi vận hành hệ thống này cần phải

chú ý là lượng nước thải ra khá lớn và có độ nhiễm mặt rất cao, do đó cần phải có

biện pháp xử lý thích hợp (có thể pha loãng hoặc dùng nước thải của hệ thống làm

nguyên liệu cấp cho các vựa muối).

98 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Nước thải

Nước thải

-

Ca2+

593.10 HCO3

151.4

2-

Mg2+

1,888.80 CO3

0.2

Na+

15,651.90 Cl-

28,143.90

2-

K+

575.6 SO4

3,985.90

Ba2+

0 F-

0

-

Sr

0 NO3

0

-

NH4

0 PO4

-

0

Fe3+

0 SiO2

7.3

Mn4+

0 CO2

32.1

TDS

51,096.20 pH

6.6

Bảng 4.3: Chất lượng nước thải ra (đối với xử lý nước biển)

c. Tính toán giá thành xử lý của hệ thống

Theo kết quả chạy được thì để thu được với chất lượng nước như vậy và để chạy cho công suất 200 l/h thì cần phải vận hành hai bơm áp lực với áp suất làm việc lần lượt là 43,38 bar và 46,23 bar. Với áp suất làm việc như vậy theo tính toán của máy tính thì năng lượng tiêu thụ cho vận hành các bơm là 2,4 kWh. Như vậy với 1 m3 nước thành phẩm thì riêng năng lượng dùng để vận hành hệ thống bơm đã là 12 kWh. Đây là một mức năng lượng rất lớn tuy nhiên nếu so với ý nghĩa xã hội thì nó có ý nghĩa rất to lớn.

Tuy nhiên năng lượng tiêu tốn sẽ thay đổi nếu chất lượng nước đầu vào thay đổi. Đặc biệt trong quá trình xử lý sơ bộ nếu giảm thiểu được lượng muối trong nước biển thì sẽ giảm được năng lượng bỏ ra.

99 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 4.2. Đề xuất công nghệ xử lý nước cấp cho các vùng nước lợ

4.2.1. Đặc trưng của nguồn nước

Nguồn nước đầu vào có biến động về độ mặn tùy theo mùa vụ do đó ở một

số mùa độ mặn của nước đầu vào là đáp ứng được tiêu chuẩn độ mặn của nước cấp

cho sinh hoạt và sản xuất do đó không cần phải có thiết bị xử lý khử mặn thẩm thấu

ngược (RO)thường xuyên mà phải hiện diện trong dây chuyền công nghệ. Nó chỉ

được sử dụng ở những thời gian nhất định trong năm khi nước đầu vào bị nhiễm

mặn. Do đặc tính này nên hầu hết các nguồn nước cung cấp đều được lấy từ nước

mặt (nước sông như ở các khu vực phía Nam).

Đặc trưng của nước mặt là có lượng phù sa rất lớn, cũng như có hàm lượng

hữu cơ cao do đó việc xử lý trong giai đoạn sơ bộ trước khi đưa vào thiết bị khử

mặn thẩm thấu ngược phải đặc biệt chú tâm.

100 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Nước cấp

Keo tụ

Cặn lơ lửng

Bể lắng

Lọc cát

Bể điều hòa

Cl2 Điều trỉnh pH

Khử Clo bằng than hoạt tính

Lọc bằng lõi MF

Nước thải

Thẩm thấu ngược RO

Bể chứa

Phân phối

Luận văn thạc sỹ 4.2.2. Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý

Hình 4.3 : Sơ đồ dây chuyền công nghệ đề xuất xử lý khử mặn của vùng nước lợ

101 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Thuyết minh sơ đồ dây chuyền:

Nước thô được đưa vào và đi bể lắng với mục đích loại bỏ những hợp chất lơ

lửng và các rác thải có kích thước lớn. Sau đó được lọc cát trước khi đưa vào bể

điều hòa Tại bể điều hòa nước được oxy hóa sơ bộ bằng Clo và cũng như điều

chỉnh pH

Trước khi đưa vào giai đoạn xử lý chính, nước được qua giai đoạn khử Clo

bằng than hoạt tính nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của Clo đối với màng

thẩm thấu ngược.

Giai đoạn xử lý chính: Nước sau khi được khử Clo cho đi qua hệ thống màng

vi lọcMF nhằm loại bỏ những hạt có kích thước lớn hơn 0,1 Micromet, tạo điều

kiện thuận lợi cho giai đoạn xử lý màng thẩm thấu ngược RO. Sau khi qua màng

thẩm thấu ngược RO, nước sẽ được phân tách muối để trở thành nước ngọt.

Nước sau khi được khử mặn sẽ được ổn định bằng hóa chất Ca(OH)2 hoặc

HCl để đảm bảo nước đến được cơ sở sản xuất vẫn đảm bảo chất lượng theo TCVN.

4.2.3. Thiết kế công nghệ hệ thống thẩm thấu ngược trên cơ sở phần mềm

winflow 2004

a. Kết quả chạy thử nghiệm với phần mềm winflow2004

Bố trí hệ thống theo sơ đồ dây chuyền công nghệ theo sơ đồ sau, trong đó hệ

thống lọc thẩm thấu ngược được bố trí hai màng lọc đấu nối tiếp nhau (nước thải

của ra của màng thẩm thấu thứ nhất sẽ được sử dụng làm nước đầu vào của màng

thẩm thấu ngược thứ hai), với cách làm này thì giảm đáng kể lượng nước thải ra

môi trường bên ngoài và tận dụng được áp suất dư của nước thải từ màng thẩm

thấu ngược thứ nhất.

102 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống lọc thẩm thấu ngược RO (Cho xử lý nước lợ)

Chạy chương trình Winflow2004 với mục tiêu là lưu lượng nước đầu ra là

200l/h, kiểm soát các thông số kỹ thuật của bơm tăng áp để đảm bảo là nước sau

khi

Chỉnh các thông số sao cho lưu lượng của nước thành phẩm là 200l/h ta thu

được kết quả nước đầu ra là như bảng sau:

Bảng 4.4: Chất lượng nước đầu ra và đầu vào (cho xử lý nước lợ)

So sánh với TCVN 5502:2003 (tiêu chuẩn về nước cấp sinh hoạt) ta nhận

thấy rằng hầu hết các thông số trên hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu làm nước cấp

phục vụ đời sống sinh hoạt và sản xuất của người dân. Hiệu suất xử lý của hệ thống

khi tính theo TDS đạt 99,53% (nếu so sánh với hiệu suất xử lý hệ thống khi áp

dụng với xử lý khử mặn từ nước biển thì hiệu suất xử lý này cao hơn rất nhiều)

103 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ

b. Tính toán giá thành xử lý của hệ thống

Theo kết quả chạy được thì để thu được với chất lượng nước như vậy và để chạy cho công suất 200 l/h thì cần phải vận hành hai bơm áp lực với áp suất làm việc lần lượt là 26.76 bar và 37,79 bar. Với áp suất làm việc như vậy theo tính toán của máy tính thì năng lượng tiêu thụ cho vận hành các bơm xấp xỉ 1 kWh. Như vậy với 1 m3 nước thành phẩm thì riêng năng lượng dùng để vận hành hệ thống bơm đã là 5 kWh. Đây là môt vấn đề cần phải khắc phục và tìm những phương cách để giảm năng lượng cũng như giá thành.

Tuy nhiên năng lượng tiêu tốn sẽ thay đổi nếu chất lượng nước đầu vào thay đổi. Đặc biệt trong quá trình xử lý sơ bộ nếu giảm thiểu được lượng muối và các tạp chất trong nước biển thì sẽ giảm được năng lượng bỏ ra.

104 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ Kết luận chương 4:

Trong chương này, luận văn đã đề xuất hai sơ đồ dây chuyền công nghệ khử

mặn sử dụng hệ thống thẩm thấu ngược RO cho hai vùng đặc trưng là ven biển (hải

đảo) và vùng nước nhiễm mặn.

Cả hai công nghệ đều đã tính đến những yếu tố nguồn nước cung cấp do đó

các sơ đồ công nghệ này đều có thể triển khai trên thực tế (có tính khả thi cao về

mặt kỹ thuật), bên cạnh đó các sơ đồ dây chuyền công nghệ trên đều có tính đến

các yếu tố tiết kiệm năng lượng để đảm bảo tính khả thi về kinh tế phù hợp với

hoàn cảnh , điều kiện đặc trưng của các vùng nước nhiễm mặn tại Việt Nam.

Với những thông số đặc trưng của nguồn nước cấp đầu vào, tác giả đã cho

chạy giả định trên phần mềm winflow2004 để kiểm nghiệm khả năng xử lý khử

mặn và kết quả thu được là khả quan.

105 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

KẾT LUẬN

Qua quá trình nghiên cứu, luận văn này đã làm rõ được một số vấn đề sau:

1. Thực trạng khan hiếm nguồn nước ngọt, nguyên nhân gây ra hiện tượng khan

hiếm này và nhận thức được rằng nguồn nước mặn (chiếm 97% tổng lượng nước

trên toàn cầu) có khả năng là nguồn nguyên liệu vô tận cho việc cung cấp nước

ngọt. Đã nghiên cứu tổng quan một số phương pháp chính cho việc khử mặn của

nước mặn.

2. Tổng hợp những kiến thức cơ bản về lý thuyết thẩm thấu ngược RO, lấy đó làm

cơ sở tiền đề cho việc nghiên cứu thực nghiệm.

3. Từ những kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống thiết bị OIV/EV của

hãng Elettronica Venneta (tại phòng RD- Viện Khoa học và công nghệ Môi trường

– Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội) để tìm hiểu các ảnh hưởng của yếu tố đầu vào

như độ muối đầu vào, áp suất, nhiệt độ đến đến hiệu suất và công suất lọc của

màng thẩm thấu RO, Cho phép kết luận.

a. Áp suất tăng sẽ làm tăng hiệu suất và công suất lọc của màng thẩm thấu

ngược RO.

b. Độ muối của nước đầu vào tỷ lệ nghịch với công suất lọc của màng thẩm

thấu ngược RO tuy nhiên lại làm thay đổi hiệu suất lọc của màng, mỗi màng có

một dải độ muối của nước đầu vào khác nhau.

c. Nhiệt độ tỷ lệ thuận với hiệu suất và công suất lọc của màng bán thấm ngược

RO.

4. Trong khoảng nhiệt độ, áp suất và độ mặn của nước đầu vào đã khảo sát, luận

văn đã tìm được các phương trình hàm mục tiêu cho công suất lọc và hiệu suất lọc.

Từ đó tìm ra những điều kiện vận hành tối ưu để có lưu lượng và hiệu suất xử lý tốt

nhất, gồm các phương trình sau:

106 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

2 - Q = - 6449,37 – 13,6126X1 + 24,5278X2 + 422,295X3 + 0,0432342X1 2 2 – 0,885372X2X3 – 6,88151X3

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

0,119007X1X2 + 0,503023X1X3 + 0,0988489X1

N = - 339,946 + 0,568252X1 - 1,19973X2 + 28,3096X3 - 0,000701672X1

2 + 2 + 0,028289X2X3 –

0,000637195X1X2 - 0,0149598X1X3 + 0,00448008X1

2

0,456676X3

5. Luận văn đã tìm ra được điều kiên tối ưu cho công suất và hiệu suất lọc của màng

bán thấm (RO) trên hệ thống thiết bị OIV/EV của hãng Elettronica Venneta (tại

phòng RD- Viện Khoa học và công nghệ Môi trường – Trường ĐH Bách Khoa Hà

Nội)

Giá trị tối ưu của lưu lượng 288.157 đạt được khi các vận hành với các thông số:

Thấp Cao Tối ưu Các yếu tố ap suat 5,0 do man vao 1,1 28,4 nhiet do 57,0 57,0 31,2 1,33295 33,2 32,5924

Và :

Giá trị tối ưu của hiệu suất là 99,4333 được khi hệ thống vận hành với thông số :

Các yếu tố Thấp Cao Tối ưu

ap suat 5,0 57,0 57,0

do man vao 1,1 31,2 1,1

nhiet do 28,4 33,2 30,4284

6. Từ những kết quả của lý thuyết và thực tế, luận văn đã đề xuất được hai sơ đồ

dây chuyền công nghệ khử muối để áp dụng cho các vùng ven biển (hải đảo) và

vùng nước nhiễm mặn tại Việt Nam có khả năng giải quyết được phần nào nhu cầu

khan hiếm nước ngọt tại những vùng này.

107 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

PHẦN PHỤ LỤC

108 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

60 32 32

Low High Units 5 1 28

Continuous bar Yes phan nghin Yes Yes do C

Units %

Stnd. Error V.I.F. 0.548208 1.76769 2.45983 1.77947 3.84924 7.58878 2.99232 5.99361 4.12473 2.03585

Estimate 97.4033 3.85352 -1.92744 7.39106 -0.820388 4.3861 -2.02391 -3.1245 -1.60186 -6.89644

3.57718 4.26978 4.20748 4.17883 13.5774 7.6119 8.14949 9.8874 4.82142

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Estimate -765.442 0.572403 0.760293 54.5953 -0.000542405 0.00514499 -0.0183992 -0.00650261

Luận văn thạc sỹ 1. File chạy của phần mềm STATGRAPHICS Centurion XV a) File chạy của phần mô hình hóa thực nghiệm bậc hai tâm xoay ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất xử lý Response Surface Design Attributes Design class: Response Surface Design name: Box-Behnken design File name: Base Design Number of experimental factors: 3 Number of blocks: 3 Number of responses: 1 Number of runs: 15, including 3 centerpoints per block Error degrees of freedom: 5 Randomized: Yes Factors ap suat do man vao nhiet do Responses hieu suat The StatAdvisor You have created a Box-Behnken design design which will study the effects of 3 factors in 15 runs. The design is to be run in 3 blocks. The order of the experiments has been fully randomized. This will provide protection against the effects of lurking variables. Analyze Experiment - hieu suat File name: Estimated effects for hieu suat (%) Effect average A:ap suat B:do man vao C:nhiet do AA AB AC BB BC CC Standard errors are based on total error with 96 d.f. The StatAdvisor This table shows each of the estimated effects and interactions. Also shown is the standard error of each of the effects, which measures their sampling error. Note also that the largest variance inflation factor (V.I.F.) equals 13.5774. For a perfectly orthogonal design, all of the factors would equal 1. Factors of 10 or larger are usually interpreted as indicating serious confounding amongst the effects. Regression coeffs. for hieu suat Coefficient constant A:ap suat B:do man vao C:nhiet do AA AB AC BB

109 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

-0.0258365 -0.862054

Sum of Squares Df Mean Square 1 26.8719 1 41.1818 1 2.64118 1 0.594032 1 0.0399688 1 2.35731 1 1.00771 1 1.41351 1 25.2976 96 127.901 105 261.325

F-Ratio P-Value 20.17 30.91 1.98 0.45 0.03 1.77 0.76 1.06 18.99

26.8719 41.1818 2.64118 0.594032 0.0399688 2.35731 1.00771 1.41351 25.2976 1.3323

0.0000 0.0000 0.1624 0.5059 0.8629 0.1866 0.3866 0.3056 0.0000

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

R-squared (adjusted for d.f.) = 75.3878 percent

Standard Error of Est. = 2.7923 Mean absolute error = 1.25365

Luận văn thạc sỹ BC CC The StatAdvisor This pane displays the regression equation which has been fitted to the data. The equation of the fitted model is hieu suat = -339.946 + 0.568252*ap suat - 1.19973*do man vao + 28.3096*nhiet do - 0.000701672*ap suat^2 + 0.000637195*ap suat*do man vao - 0.0149598*ap suat*nhiet do + 0.00448008*do man vao^2 + 0.028289*do man vao*nhiet do - 0.456676*nhiet do^2 where the values of the variables are specified in their original units. To have STATGRAPHICS evaluate this function, select Predictions from the list of Tabular Options. To plot the function, select Response Plots from the list of Graphical Options. Analysis of Variance for hieu suat Source A:ap suat B:do man vao C:nhiet do AA AB AC BB BC CC Total error Total (corr.) R-squared = 81.7831 percent

110 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Main Effects Plot for hieu suat

100

97

hieu suat 95

93

91

89

5.0

60.0

28

33.5

ap suat

34.0 1.0 do man vao

nhiet do

Contours of Estimated Response Surface

nhiet do=30.75

40

30

do man vao

20

10

hieu suat 85.0 86.5 88.0 89.5 91.0 92.5 94.0 95.5 97.0 98.5 100.0

0

0

10

20

40

50

60

30 ap suat

Luận văn thạc sỹ

111 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Estimated Response Surface nhiet do=30.75

hieu suat

40

30

100 98 96 94 92 90 88

20

10

do man vao

0

0 10 20 30 40 50 60 ap suat

(9) -0.1878 0.1280 -0.5949 0.3191 0.2170 -0.2597 -0.8912 0.0306 1.0000 0.2370

(7) 0.0623 -0.1162 0.4324 -0.2887 -0.2083 0.2030 1.0000 0.0896 -0.8912 -0.2610

(5) -0.6264 -0.2965 0.0314 0.3786 1.0000 -0.6720 -0.2083 0.3944 0.2170 -0.2895

(1) 1.0000 0.1288 0.1127 -0.1381 -0.6264 0.5392 0.0623 -0.5244 -0.1878 -0.0310

(2) 0.1288 1.0000 -0.6438 -0.1139 -0.2965 0.2270 -0.1162 -0.0004 0.1280 -0.0944

(6) 0.5392 0.2270 0.1017 0.0586 -0.6720 1.0000 0.2030 -0.8310 -0.2597 -0.1745

(3) 0.1127 -0.6438 1.0000 -0.1168 0.0314 0.1017 0.4324 -0.0952 -0.5949 -0.0435

(8) -0.5244 -0.0004 -0.0952 -0.2367 0.3944 -0.8310 0.0896 1.0000 0.0306 0.0768

(4) -0.1381 -0.1139 -0.1168 1.0000 0.3786 0.0586 -0.2887 -0.2367 0.3191 -0.6445

(10) -0.0310 -0.0944 -0.0435 -0.6445 -0.2895 -0.1745 -0.2610 0.0768 0.2370 1.0000

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

Correlation Matrix for Estimated Effects average (1) A:ap suat (2) B:do man vao (3) C:nhiet do (4) AA (5) AB (6) AC (7) BB (8) (9) BC (10) CC (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) The StatAdvisor The correlation matrix shows the extent of the confounding amongst the effects. A perfectly orthogonal design will show a diagonal matrix with 1's on the diagonal and 0's off the diagonal. Any non-zero terms off the diagonal imply that the estimates of the effects corresponding to that row and column will be correlated. In this case, there are 36 pairs of effects with non-zero correlations. Since one or more of the pairs is greater than or equal to 0.5, you may have some difficulty separating the effects from each other when analyzing the data. You should consider adding additional runs to the design to reduce the correlations. Estimation Results for hieu suat

112 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Observed Value 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 90.76 97.62 95.23 97.62 68.25 96.83 95.24 94.52 94.52 92.68 92.68 92.68 97.56 97.56 97.56 98.78 97.56 97.56 98.78 97.56 97.56 97.56 97.56 98.02 97.03 97.03 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 98.02 95.17 94.48 94.48 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.93 97.24

Fitted Value 98.4291 98.4291 98.429 98.299 98.299 98.0338 98.4679 96.5419 97.5396 91.0322 94.23 94.6081 92.8464 94.4668 91.4248 91.9052 91.9052 93.5802 95.0856 95.0856 96.2793 97.6547 97.0446 98.4441 98.639 98.1049 98.6222 98.5658 94.3033 94.6619 95.0074 96.7529 97.2016 97.5812 98.2398 98.341 98.341 98.6379 98.6577 98.365 97.9189 97.3697 97.1421 94.312 93.9606 94.6462 96.5963 97.0148 97.1982 97.6998 97.5564 97.9666 98.4468 97.4716 98.5308 98.8188 98.4225 98.1908

Lower 95.0% CL for Mean 96.4069 96.4069 96.3003 96.1695 96.1695 95.5411 96.9446 93.5045 95.7474 88.8889 92.7629 93.1779 91.3019 93.0441 89.6359 90.2332 90.2332 92.2163 93.9797 93.9797 95.1351 96.5947 95.9642 97.288 97.5605 96.5089 97.2038 97.136 92.8047 93.6139 93.9831 95.8283 96.2541 96.5979 97.2275 97.3347 97.3347 97.4647 97.5177 96.5521 95.9562 95.4349 95.0786 92.8279 92.426 93.1954 95.61 95.9923 96.1469 96.6467 96.5283 96.9251 97.3738 96.4213 97.5391 97.8344 97.404 96.9427

Upper 95.0% CL for Mean 100.451 100.451 100.558 100.429 100.429 100.526 99.9913 99.5793 99.3317 93.1754 95.6971 96.0384 94.3909 95.8896 93.2138 93.5772 93.5772 94.944 96.1914 96.1914 97.4235 98.7146 98.125 99.6001 99.7175 99.7009 100.041 99.9956 95.8018 95.7098 96.0317 97.6776 98.149 98.5646 99.2521 99.3474 99.3474 99.8112 99.7978 100.178 99.8817 99.3044 99.2056 95.7962 95.4952 96.0971 97.5825 98.0373 98.2495 98.7529 98.5846 99.0081 99.5197 98.5218 99.5226 99.8031 99.441 99.4389

Luận văn thạc sỹ Row 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58

113 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

97.24 97.24 94.64 94.2 97.32 97.32 97.32 97.32 97.32 97.77 97.77 97.32 97.32 97.32 96.88 96.88 96.43 96.43 95.98 95.4 95.4 97.7 97.7 97.13 98.28 98.28 98.28 97.7 97.7 97.7 97.7 97.97 97.97 98.0 98.0 97.44 97.76 97.44 98.19 98.19 99.19 96.38 96.38 96.38 94.0 95.27 94.88 94.88

99.3082 99.2376 98.3609 98.3609 98.4136 98.5035 98.7625 98.7625 98.9081 99.0402 99.0402 99.3239 99.3239 99.276 99.2128 98.3648 97.8178 97.1191 96.6685 96.9986 96.77 98.3474 99.0632 100.488 100.459 100.019 100.019 101.005 99.274 99.0214 98.7666 100.538 100.344 99.6713 99.6713 99.5651 99.2663 99.1168 97.3169 97.9511 97.7447 99.4021 100.354 100.354 98.4015 97.6147 98.4385 98.9533

96.5044 96.2388 92.9471 92.9471 95.8148 95.9181 96.0314 96.0314 96.7428 96.5509 96.5509 97.1321 97.1321 97.0442 96.3609 95.2437 94.1225 92.6418 91.467 94.2607 93.9577 96.1775 96.476 97.7865 97.7881 97.5752 97.5752 96.6705 95.082 94.7645 94.4148 97.6396 97.6083 96.5994 96.5994 94.2839 93.7998 93.506 91.4787 93.1329 94.1325 94.6254 96.0526 96.0526 92.8887 91.4532 93.3 94.3827

97.9063 97.7382 95.654 95.654 97.1142 97.2108 97.397 97.397 97.8255 97.7956 97.7956 98.228 98.228 98.1601 97.7869 96.8043 95.9702 94.8805 94.0678 95.6297 95.3639 97.2625 97.7696 99.1371 99.1235 98.7972 98.7972 98.8376 97.178 96.893 96.5907 99.0886 98.9762 98.1353 98.1353 96.9245 96.533 96.3114 94.3978 95.542 95.9386 97.0137 98.2034 98.2034 95.6451 94.534 95.8692 96.668

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 The StatAdvisor This table contains information about values of hieu suat generated using the fitted model. The table includes: (1) the observed value of hieu suat (if any) (2) the predicted value of hieu suat using the fitted model (3) 95.0% confidence limits for the mean response Each item corresponds to the values of the experimental factors in a specific row of your data file. To generate forecasts for additional combinations of the factors, add additional rows to the bottom of your data file. In each new row, enter values for the experimental factors but leave the cell for the response empty. When you return to this pane, forecasts will be added to the table for the new rows, but the model will be unaffected. Path of Steepest Ascent for hieu suat

114 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

nhiet do (do C) 30.0 30.135 30.2606 30.3764 30.4819 30.5765

Predicted hieu suat (%) 97.4033 97.7205 97.9852 98.2032 98.3803 98.522

do man vao (phan nghin) 16.5 16.2198 15.9449 15.6782 15.4229 15.1832

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Optimum value = 99.4333

Factor

Low

High

Optimum

ap suat

5.0

57.0

57.0

do man vao

1.1

31.2

1.1

nhiet do

28.4

33.2

30.4284

Stnd. Error V.I.F. 3.71569 12.2747 16.4596 12.4205 23.7546 48.096 19.5317 39.0112 27.6498 14.0552

Estimate 48.5353 114.152 -94.2542 61.3592 109.93 -195.305 2.33087 112.305 12.237 -84.3018

4.04837 4.25439 4.30068 4.27542 12.38 7.69604 7.81111 9.71053 4.82142

Luận văn thạc sỹ ap suat (bar) 32.5 33.5 34.5 35.5 36.5 37.5 The StatAdvisor This pane displays the path of steepest ascent (or descent). This is the path from the center of the current experimental region along which the estimated response changes most quickly for the smallest change in the experimental factors. It indicates good locations to run additional experiments if your goal is to increase or decrease hieu suat. Currently, 6 points have been generated by changing ap suat in increments of 1.0 bar. You can specify the amount to change any one factor by pressing the alternate mouse button and selecting Pane Options. STATGRAPHICS will then determine how much all the other factors have to change to stay on the path of steepest ascent. The program also computes the estimated hieu suat at each of the points along the path, which you can compare to your results if you run those points. Optimize Response Goal: maximize hieu suat

The StatAdvisor This table shows the combination of factor levels which maximizes hieu suat over the indicated region. Use the Analysis Options dialog box to indicate the region over which the optimization is to be performed. You may set the value of one or more factors to a constant by setting the low and high limits to that value. b) File chạy của phần mô hình hóa thực nghiệm bậc hai tâm xoay ảnh hưởng của các yếu tố đến lưu lượng dòng ra Analyze Experiment - luu luong File name: Estimated effects for luu luong (l/h) Effect average A:ap suat B:do man vao C:nhiet do AA AB AC BB BC CC Standard errors are based on total error with 96 d.f. The StatAdvisor This table shows each of the estimated effects and interactions. Also shown is the standard error of each of the effects, which measures their sampling error. Note also that the largest variance inflation factor (V.I.F.) equals 12.38. For a perfectly orthogonal design, all of the factors would equal 1. Factors of 10 or larger are usually interpreted as indicating serious confounding amongst the effects. To plot the estimates in decreasing order of importance, select Pareto Charts from the list of Graphical Options. To test the statistical significance of the effects, select ANOVA Table from the list of Tabular Options. You can then remove insignificant effects by pressing the alternate mouse button, selecting Analysis Options, and pressing the Exclude button.

115 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

0.0000 0.0000 0.0773 0.0004 0.0048 0.0001 0.0903 0.0050 0.0000

26000.5 14964.9 534.261 2255.26 1394.2 2665.27 490.578 1384.58 5744.21 167.569

F-Ratio P-Value 155.16 89.31 3.19 13.46 8.32 15.91 2.93 8.26 34.28

Sum of Squares Df Mean Square 1 26000.5 1 14964.9 1 534.261 1 2255.26 1 1394.2 1 2665.27 1 490.578 1 1384.58 1 5744.21 96 16086.6 105 143006.

Estimate -9775.91 0.512049 -9.50077 643.626 0.0813094 -0.249559 0.0224122 0.247912 0.203272 -10.5377

(4) -0.1151 -0.1923 -0.1062 1.0000 0.3822 0.0530 -0.3301 -0.2438 0.3447 -0.6261

(8) -0.5294 -0.0127 -0.0656 -0.2438 0.3944 -0.8310 0.0896 1.0000 0.0306 0.0768

(3) 0.0923 -0.6671 1.0000 -0.1062 0.1013 0.0249 0.3891 -0.0656 -0.5555 -0.0226

(6) 0.5228 0.2723 0.0249 0.0530 -0.6720 1.0000 0.2030 -0.8310 -0.2597 -0.1745

(2) 0.1572 1.0000 -0.6671 -0.1923 -0.4408 0.2723 -0.0812 -0.0127 0.0955 -0.0081

(1) 1.0000 0.1572 0.0923 -0.1151 -0.6072 0.5228 0.0513 -0.5294 -0.1719 -0.0253

(5) -0.6072 -0.4408 0.1013 0.3822 1.0000 -0.6720 -0.2083 0.3944 0.2170 -0.2895

(7) 0.0513 -0.0812 0.3891 -0.3301 -0.2083 0.2030 1.0000 0.0896 -0.8912 -0.2610

(9) -0.1719 0.0955 -0.5555 0.3447 0.2170 -0.2597 -0.8912 0.0306 1.0000 0.2370

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

(10) -0.0253 -0.0081 -0.0226 -0.6261 -0.2895 -0.1745 -0.2610

Luận văn thạc sỹ Analysis of Variance for luu luong Source A:ap suat B:do man vao C:nhiet do AA AB AC BB BC CC Total error Total (corr.) R-squared = 88.7511 percent R-squared (adjusted for d.f.) = 87.6965 percent Regression coeffs. for luu luong Coefficient constant A:ap suat B:do man vao C:nhiet do AA AB AC BB BC CC The StatAdvisor This pane displays the regression equation which has been fitted to the data. The equation of the fitted model is luu luong = -6449.37 - 13.6216*ap suat + 24.5278*do man vao + 422.295*nhiet do + 0.0432342*ap suat^2 - 0.119007*ap suat*do man vao + 0.503023*ap suat*nhiet do + 0.0988489*do man vao^2 - 0.885373*do man vao*nhiet do - 6.88151*nhiet do^2 where the values of the variables are specified in their original units. To have STATGRAPHICS evaluate this function, select Predictions from the list of Tabular Options. To plot the function, select Response Plots from the list of Graphical Options. Correlation Matrix for Estimated Effects average (1) A:ap suat (2) B:do man vao (3) C:nhiet do (4) AA (5) AB (6) AC (7) BB (8) (9) BC (10) CC (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

116 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

0.0768 0.2370 1.0000

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Upper 95.0% CL for Mean 51.6402 51.6402 37.9084 34.1315 34.1315 27.8078 41.7346 1.99084 33.1069 14.6414 37.4258 40.0433 22.5775 34.5521 10.3346 13.6976 13.6976 28.5589 38.8681 38.8681 55.8732 63.3778 60.4244 79.0585 74.2534 99.8137 91.6355 89.8172 30.2403 30.5342 33.1157 50.5289 53.4593 55.6366 71.6558 71.6445 71.6445 92.6241 87.3428 120.621 113.619 83.9052 81.0527 28.3109 25.6141 30.9156

Lower 95.0% CL for Mean 23.7175 23.7175 8.51642 4.72743 4.72743 -6.61025 20.7008 -39.9488 8.36102 -14.9523 17.1686 20.2948 1.25113 14.907 -14.3669 -9.3889 -9.3889 9.72732 23.5985 23.5985 40.0743 48.7424 45.5063 63.0963 59.3615 77.7761 72.0496 70.0748 9.54867 16.0639 18.9725 37.7618 40.3768 42.0588 57.678 57.7491 57.7491 76.4243 71.6013 95.5883 86.5187 57.1906 52.5606 7.81838 4.42468 10.8827

Fitted Value 37.6789 37.6789 23.2124 19.4295 19.4295 10.5988 31.2177 -18.979 20.7339 -0.155438 27.2972 30.1691 11.9143 24.7295 -2.01617 2.15433 2.15433 19.1431 31.2333 31.2333 47.9738 56.0601 52.9653 71.0774 66.8075 88.7949 81.8426 79.946 19.8945 23.2991 26.0441 44.1453 46.918 48.8477 64.6669 64.6968 64.6968 84.5242 79.472 108.105 100.069 70.5479 66.8066 18.0646 15.0194 20.8991

Observed Value 25.0 28.0 17.0 17.0 17.0 20.0 30.0 18.0 26.0 18.0 19.0 19.0 18.0 18.0 17.0 16.0 16.0 24.0 26.0 26.0 32.0 29.0 29.0 59.0 51.0 78.0 78.0 78.0 20.0 20.0 28.0 28.0 28.0 60.0 60.0 60.0 94.0 85.0 120.0 120.0 102.0 102.0 19.0 19.0 19.0 30.0

Luận văn thạc sỹ (8) (9) (10) The StatAdvisor The correlation matrix shows the extent of the confounding amongst the effects. A perfectly orthogonal design will show a diagonal matrix with 1's on the diagonal and 0's off the diagonal. Any non-zero terms off the diagonal imply that the estimates of the effects corresponding to that row and column will be correlated. In this case, there are 36 pairs of effects with non-zero correlations. Since one or more of the pairs is greater than or equal to 0.5, you may have some difficulty separating the effects from each other when analyzing the data. You should consider adding additional runs to the design to reduce the correlations. Estimation Results for luu luong Row 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46

117 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

30.0 30.0 36.0 36.0 62.0 62.0 62.0 100.0 100.0 100.0 62.0 62.0 62.0 19.0 19.0 33.0 33.0 33.0 33.0 60.0 60.0 55.0 55.0 55.0 55.0 66.0 66.0 60.0 30.0 30.0 17.0 17.0 40.0 40.0 40.0 137.0 137.0 137.0 152.0 152.0 152.0 152.0 110.0 110.0 82.0 82.0 53.0 53.0 53.0 110.0 110.0 62.0 99.0 99.0 99.0 136.0 36.0 36.0 28.0 28.0

35.9144 38.8749 40.0391 45.9241 45.1747 60.6249 62.3426 57.0653 81.7792 89.0944 79.8224 59.133 54.1431 51.332 43.0274 43.0274 43.0432 43.7536 44.6202 44.6202 49.107 47.3567 47.3567 57.228 57.228 55.9538 79.8619 68.1478 70.2141 57.3391 47.7019 28.5782 26.3058 40.3253 42.2593 116.026 115.625 110.463 110.463 147.845 127.065 123.52 119.763 101.218 99.3829 69.3143 69.3143 58.8099 54.9877 52.7604 79.2125 92.5186 79.7345 124.481 138.262 138.262 44.0057 29.5104 33.0427 43.0515

29.1055 31.8159 32.7808 38.6535 38.0764 53.4347 54.9353 49.8144 74.9323 82.2987 72.7909 50.5162 44.4648 40.9802 24.3395 24.3395 34.0723 34.8289 35.1929 35.1929 41.6326 38.7636 38.7636 49.6619 49.6619 48.2497 70.0175 57.3738 57.4581 41.8836 29.7466 19.1274 16.598 32.8351 33.3284 106.701 106.406 102.026 102.026 132.884 112.595 108.825 104.741 91.2142 89.9393 58.7106 58.7106 40.5794 36.1178 33.3923 59.0594 75.8866 67.2653 107.992 123.413 123.413 24.9761 8.24163 15.3046 27.2744

42.7233 45.934 47.2974 53.1946 52.273 67.8152 69.7499 64.3162 88.6262 95.8902 86.8539 67.7497 63.8214 61.6839 61.7152 61.7152 52.0141 52.6783 54.0476 54.0476 56.5813 55.9499 55.9499 64.794 64.794 63.6578 89.7062 78.9219 82.9702 72.7946 65.6572 38.029 36.0137 47.8155 51.1902 125.35 124.845 118.9 118.9 162.806 141.536 138.214 134.785 111.222 108.827 79.918 79.918 77.0403 73.8575 72.1285 99.3656 109.151 92.2037 140.97 153.111 153.111 63.0352 50.7792 50.7807 58.8287

Luận văn thạc sỹ 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106

118 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

do man vao (phan nghin) 16.15 15.6671 15.1749 14.6748 14.1681 13.6558

Predicted luu luong (l/h) 48.5353 53.0637 58.0328 63.4804 69.433 75.9096

nhiet do (do C) 30.0 30.0378 30.0696 30.0969 30.1205 30.1413

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Optimum value = 288.157

Factor ap suat do man vao nhiet do

Low 5.0 1.1 28.4

High 57.0 31.2 33.2

Optimum 57.0 1.33295 32.5924

Luận văn thạc sỹ The StatAdvisor This table contains information about values of luu luong generated using the fitted model. The table includes: (1) the observed value of luu luong (if any) (2) the predicted value of luu luong using the fitted model (3) 95.0% confidence limits for the mean response Each item corresponds to the values of the experimental factors in a specific row of your data file. To generate forecasts for additional combinations of the factors, add additional rows to the bottom of your data file. In each new row, enter values for the experimental factors but leave the cell for the response empty. When you return to this pane, forecasts will be added to the table for the new rows, but the model will be unaffected. Path of Steepest Ascent for luu luong ap suat (bar) 31.0 32.0 33.0 34.0 35.0 36.0 The StatAdvisor This pane displays the path of steepest ascent (or descent). This is the path from the center of the current experimental region along which the estimated response changes most quickly for the smallest change in the experimental factors. It indicates good locations to run additional experiments if your goal is to increase or decrease luu luong. Currently, 6 points have been generated by changing ap suat in increments of 1.0 bar. You can specify the amount to change any one factor by pressing the alternate mouse button and selecting Pane Options. STATGRAPHICS will then determine how much all the other factors have to change to stay on the path of steepest ascent. The program also computes the estimated luu luong at each of the points along the path, which you can compare to your results if you run those points. Optimize Response Goal: maximize luu luong

The StatAdvisor This table shows the combination of factor levels which maximizes luu luong over the indicated region. Use the Analysis Options dialog box to indicate the region over which the optimization is to be performed. You may set the value of one or more factors to a constant by setting the low and high limits to that value.

119 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

120 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

121 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luận văn thạc sỹ

2. Một số hình ảnh thiết bị thẩm thấu ngược OIA/EV của hãng

ElettronicaVenneta

Sơ đồ dây dây chuyền công nghệ của thiết bị thẩm thấu ngược OIA/EV của hãng ElettronicaVenneta

122 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Luận văn thạc sỹ

Thiết bị thẩm thấu ngược OIA/EV của hãng ElettronicaVenneta

123 Nguyễn Cảnh Dũng, CHMT 05-07