Chuyên đề Nghiên cứu sự tích tụ cặn trên màng lọc nano và các biện pháp làm sạch

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------------------- ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHCN ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam MÃ SỐ: ĐTĐL.2010T/31 Cơ quan chủ trì : TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Chủ nhiệm đề tài : PGS.TS. TRẦN ĐỨC HẠ Thực hiện chuyên đề : ThS. NGUYỄN VIỆT ANH KS. PHẠM DUY ĐÔNG CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SỰ TÍCH TỤ CẶN TRÊN MÀNG LỌC NANO VÀ CÁC BIỆN PHÁP LÀM SẠCH HÀ NỘI, THÁNG 11 NĂM 2010 MỤC LỤC Trang 1.CÁC LOẠI CẶN BÁM HÌNH THÀNH TRÊN MÀNG LỌC NF………………..……2 2.CHỌN VÀ SỬ DỤNG HÓA CHẤT RỬA MÀNG………………………………..…...6 3.LỰA CHỌN GIẢI PHÁP RỬA MÀNG………………………………………..………7 4.ÁP DỤNG CHO ĐỀ TÀI…………………………………………….…………………9 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………...……………..………………11 CÁC LOẠI CẶN BÁM HÌNH THÀNH TRÊN MÀNG LỌC NF Trong quá trình hoạt động,màng NF có thể bị bít tắc do các yếu tố như chất lơ lửng hoặc các chất dư thừa có mặt trong nước cấp vào.c ác loại cặn bẩn thường gặp ở NF là: -Cacbonat canxi -Sulphat canxi,bari hoặc stonti -Ôxit kim loại (sắt,mangan,đồng,niken...) -Các polymer -Chất keo vô cơ lắng được -Hỗn hợp chất keo vô cơ và hữu cơ lắng được -Rắn hữu cơ tự nhiên -Rắn hữu cơ nhân tạo -Các loại vi sinh vật(tảo,nấm mốc..) Bản chất và vận tốc của sự đóng cặn phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như chất lượng của nước đầu vào và tỷ lện thu hồi nước. Thông thường, sự đóng cặn là tăng dần , và nếu không được kiểm soát sớm, sẽ làm giảm hiệu suất màng NF trong một thời gian tương đối ngắn. Rửa màng nên được tiến hành khi màng có biểu hiện của sự bít tắc giới hạn, ngay trước khi tắt máy dài hạn, hoặc là một vấn đề bảo dưỡng định kỳ theo lịch trình. Các yếu tố phải được duy trì trong một hoặc điều kiện sạch sẽ "gần như sạch" để ngăn chặn ô nhiễm quá mức bởi các foulants được liệt kê ở trên. Một số ô nhiễm được phép miễn là: -Lưu lượng thấm giảm xuống dưới 10% -Chất lượng dòng thấm giảm xuống nhỏ hơn 10% -Áp lực thông thường,đo ở dòng vào và dòng tập trung tăng ít hơn 15% Rửa màng cần được tiến hành trước khi các yếu tố trên vượt quá giới hạn để đảm bảo duy trì được các yếu tố trong điều kiện sạch hoặc gần như sạch,hiệu quả làm sạch được thể hiên bởi sự trở lại của các thông số ban đầu.Trong trường hợp bạn không chuẩn hóa dữ liệu thì các số liệu nói trên vẫn được sử dụng nếu không có sự thay đổi lớn của các thông số quan trọng.Các thông số phải được giữ ổn định là:Lưu lượng thấm,áp lực thấm ngược,tỷ lệ thu hồi,nhiệt độ và TDS đầu vào.Nếu các thông số trên biến đổi thì nên hiệu chỉnh các số liệu để xác quá trình bám cặn đang xảy ra hoặc để màng NF hoạt động bình thường khi có sự biến đổi của các thông số quan trọng. Tần suất rửa màng phụ rất đa dạng và phụ thuộc vào kích thước,thông thường tần suất rửa màng thường khoảng 3-12 tháng một lần,nếu phải rửa nhiều hơn một lần trong tháng thì sẽ phải tăng cường hiệu quả của tiền xử lý của NF hoặc thiết kế lại hệ thống RO. Điều quan trọng là phải rửa màng khi còn ở mức độ tắc nhẹ,không nên để đến mức độ tắc nghẽn nặng.Bít tắc nặng sẽ làm giảm hiệu quả của các hóa chất làm sạch bằng cách cản trở sự thâm nhập của các hóa chất vào sâu bên trong cặn bẩn để hòa tan cặn bẩn.thông thường khi lưu lượng thấm còn khoảng 30-50% ban đầu thì nên tiến hành rửa màng và sau khi rửa màng thường không thể phục hồi hoàn hoàn các thông số như ban đầu. Khi hóa chất đông tụ vô cơ hoặc polymer được sử dụng trong quá trình tiền xử lý,nhưng người dùng cần đảm bảo rằng không còn hóa chất đông tụ đi cào hệ thống màng,vì nó có thể trở thành yếu tố gây tắc nghẽn màng.Cặn bám polyme thường rất khó làm sạch,lượng vượt quá của hóa chất đông tụ vô cơ có thể đo bằng thiết bị lọc SDI,với trường hợp của sắt,hàm lượng sắt trên màng lọc thường khoảng 3µg/hộp và không bao giờ vượt quá 5 µg/hộp.Liên quan đến hóa chất đông tụ cần thảo luận trước với nhà cung cấp hóa chất để đảm bảo hóa chất đông tụ không ảnh hưởng đến quá trình màng. Ngoài việc sử dụng độ đục và SDI,máy đếm hạt cũng rất hiệu quả trong việc xác định sự đảm bảo của nước cấp cho NF/RO,phép đo được với các hạt có kích thước lớn hơn 2 µm và số lượng chấp nhận được là < hạt/ml. Một thiết kế mô hình NF muốn giảm được tần số rửa màng thì phải thiết kế để lấy chính nước sạch sau lọc làm nước rửa màng.Ngâm màng trong thời gian chờ bằng nước sạch sau lọc có thể làm hòa tan các bánh cặn và giảm được lượng hóa chất rửa màng đáng kể. CHÚ Ý: Các môđun màng không được tiếp xúc với nước đầu vào có lẫn dầu,mỡ, hay các chất rắn bên ngoài vào mà gây nên những phá hủy về mặt vật lý,hóa học cho màng. Bảng 1.Các hiện tượng xuất hiện trên hệ thống màng lọc NF Nguyên nhân Vị trí Áp suất nhỏ giọt Áp suất đầu vào Lượng muối đầu ra Cặn bám Ôxít kim loại Màng đầu tiên Tăng nhanh Tăng nhanh Tăng nhanh Cặn bám Keo Màng đầu tiên Tăng chậm Tăng chậm Tăng nhẹ Cặn khoáng Màng cuối cùng Tăng bình thường Tăng nhẹ Tăng rất chậm Các siliccat trùng hợp Màng cuối cùng Thường tăng Tăng Thường tăng Cặn bám sinh học Nhiều vị trí,thường là màng đầu tiền Tăng rất chậm Tăng rất chậm Thường tăng Cặn bám hữu cơ Tất cả các môđun Tăng chậm Tăng Giảm Chất tẩy gỉ Môđun thứ hai Thường tăng Tăng Thường tăng Chất oxy hóa Màng đầu tiên Thường giảm Giảm Tăng Thủy phân Tất cả các môđun Thường giảm Giảm Tăng Sự mài mòn Môđun đầu tiên Thường giảm Giảm Tăng Rò rỉ chỗ nối Không cụ thể Thường giảm Thường giảm Tăng Rò rỉ do keo dán Môđun đầu tiên Thường giảm Thường giảm Tăng Rò rỉ do keo dán Cuối mỗi môđun Tăng Tăng Tăng -Mảng bám canxicacbonat. Cặn Canxicacbonat là một loại cặn dạng khoáng và thường có trong nước cấp vào nếu như không có quá trình làm mềm trước đó hoặc trong điều kiện nước cấp có pH cao.Phát hiện sớm về sự lắng cặn canxicacbonat có tác dụng ngăn chặn nguy cơ lan rộng quá trình tắc màng làm ảnh hưởng đến sự hoạt động của màng.Mảng bám canxicacbonat được phát hiện sớm ở mức độ nhẹ có thể được loại bỏ bằng cách hạ thấp độ pH xuống ở mức từ 3-5 trong vòng khoảng 2 giờ.Nếu tắc màng ở mức độ cao hơn thì có thể loại bỏ ở pH thấp hơn bằng dung dịch axit Citric. -Canxi, Bari, Stronti Sunphat Cặn Sunphat là dạng khoáng cứng hơn và khó loại bỏ hơn cặn Cacbonat,dạng khoáng này thường có trong nước cấp dư thừa axit sunfuric khi dùng axit sunfuric để điều chỉnh pH.Việc phát hiện và ngăn chặn sự hình thành và phát triển mảng bám loại khoáng này trên màng là rất cần thiết.Loại bỏ cặn này đặc biệt khó vì chúng không tan trong hầu hết giải pháp làm sạch. -Canxi Phosphat Canxi phosphat đặc biệt có nhiều trong nước thải thành phố và nước cấp có hàm lượng phosphat cao.Loại cặn này có thể được loại bỏ bằng chất tẩy rửa có tính axit, pH thấp.Tại thời điểm này, tính toán NF không được dựa trên phần mềm thiết kế mà phải liên hệ với bộ phận kỹ thuật nếu hàm lượng phosphat ttrong nước cấp lớn hơn hoặc bằng 5 ppm. -Oxit và hydroxit kim loại Oxit và hydroxit kim loại điển hình là của sắt, kẽm, mangan, đồng, nhôm…, chúng có thể là sản phẩm của sự ăn mòn đường ống ngầm và bể chứa hoặc là kết quả của quá trình oxy hóa sắt hòa tan với không khí, clo, ozon hoặc thuốc tím, hoặc có thể là sự dư thừa của các kim loại khi sử dụng phèn cho quá trình đông tụ trong giai đoạn tiền xử lý màng. -Lớp phủ silic dioxyt Lớp keo phủ silic dioxyt là kết quả lắng đọng của silic dioxyt hòa tan trong nước và loại này rất khó loại bỏ.Cần lưu ý rằng loại cặn bám này khác với các loại keo silic khác,loại mà có thể kết hợp với cả hydroxit kim loại và chất rắn hữu cơ.Cặn silic rất khó có thể loại bỏ bởi các hóa chất rửa màng truyền thống, nếu sử dụng hóa chất thông thường không loại bỏ được thì liên hệ với bộ phận kỹ thuật cung cấp màng để sử dụng loại hóa chất khác mạnh hơn, giống như amoni biflo đã có tác dụng với một số vị trí khác, nhưng lưu ý có thể nó sẽ phá hủy một số thiết bị do ăn mòn. -Chất bẩn dạng keo Keo là dạng chất vô cơ hoặc hỗn hợp vô cơ/hữu cơ lơ lửng trong nước và không lắng bởi lực trọng trường, keo điển hình thường bao gồm một hoặc nhiều các thành phần sau đây: sắt, nhôm, silic, lưu huỳnh hoặc chất hữu cơ. -Các cặn bẩn hữu cơ tự nhiên (NOM ) Các chất NOM hòa tan có nguồn gốc từ sự phân hủy và hòa tan các vật liệu dạng thực vật vào nước mặt hoặc các mạch nước ngầm nông hoặc các cửa sổ địa tầng. Tính chất hóa học của cặn bẩn dạng hữu cơ rất phức tạp, với các thành phần hữu cơ chủ yếu là axit humic hoặc axit fulvic. NOM hòa tan có thể làm tắc màng nhanh chóng do bị hấp phụ lên bề mặt màng.Quá trình hấp phụ xảy ra, sau đó diễn ra quá trình hình thành chậm lớp keo hoặc lớp bánh bắt đầu được hình thành.Cần lưu ý để tránh nhầm lẫn giữa tắc màng do NOM hòa tan và tắc màng do vật chất dạng keo. -Lớp vi sinh vật Lớp vi sinh vật là các loại: vi khuẩn, nấm, mốc…,loại cặn này rất khó loại bỏ,đặc biệt là khi bộ phận đầu vào vẫn đang được kết nối với bộ phận khác,sự kết nối này làm cho khó nhận đưa ra giải pháp rửa màng.Để hạn chế sự tăng trưởng của chúng thì không những chỉ rửa màng NF mà còn phải vệ sinh cả các hệ thống tiền xử lý, đường ống…,và cần phải thống nhất sử dụng một loại hóa chất để rửa màng và vệ sinh các bộ phận khác để tránh phá hủy hay ảnh hưởng không tốt đến cấu trúc cũng như quá trình màng. CHỌN VÀ SỬ DỤNG HÓA CHẤT RỬA MÀNG Có nhiều yếu tố liên quan đến việc lựa chọn hóa chất rửa màng và cách thức rửa màng.Trước hết phải xác định được cách thức rửa màng, phải liên hệ với nhà cung cấp màng, thiết bị để lựa chọn cách rửa màng.xác định được loại cặn bẩn thì xác định được có thể dùng một hay nhiều loại hóa chất kết hợp để rửa cho phù hợp với tính chất màng loại cặn bẩn. Thường phải sử dụng nhiều hóa chất rửa theo nhiều bước để đạt được kết quả tối ưu.Điển hình, một mức pH cao được sử dụng để loại bỏ các cặn bám như dầu hoặc cặn sinh học, tiếp theo đó là chế độ rửa ở pH thấp để loại bỏ các loại cặn bám dạng khoáng như oxit, hydroxit kim loại, có thể đảo ngược thứ tự của chế độ pH cao và pH thấp hoặc chỉ cần áp dụng một chế độ pH trong một số trường hợp rửa màng. Sử dụng một hay nhiều loại hóa chất để rửa màng cũng cần phải đảm bào rằng hóa chất đó không tác dụng xấu đến màng, không làm tổn hại và giảm tuổi thọ màng. Khi dùng hóa chất đó cũng phải đảm bào rằng các thông số như nhiệt độ, pH cũng được đảm bảo trong khuyến cáo về dùng hóa chất của nhà cung cấp màng. Để việc rửa màng đạt được hiệu quả tối ưu với chi phí thấp nhất thì việc chọn hóa chất rửa, nhiệt độ, pH và thời gian tiếp xúc của màng với hóa chất rửa cũng cần được lưu ý. Vì nếu thời gian tiếp xúc quá ngắn khiến hóa chất chưa hòa tan các loại cặn bẩn, màng chưa được rửa sạch kỹ, nếu để thời gian tiếp xúc quá lâu khiến màng có thể bị tổn hại,hóa chất có thể ăn mòn đến các thiết bị, linh kiện khác trong hệ thống màng. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP RỬA MÀNG Bảng 2 sau sẽ đưa ra một số giải pháp rửa màng tùy thuộc vào loại cặn bẩn hình thành trên màng Bảng 2. Các giải pháp rửa màng NF Loại cặn bẩn Rửa ở mức độ nhẹ Rửa ở mức độ nặng Canxicacbonat Phương pháp 1 Phương pháp 4 Canxi, Bari, Stronti sunphat Phương pháp 2 Phương pháp 4 Oxit, hydroxit kim loại Phương pháp 1 Phương pháp 5 Keo vô cơ Phương pháp 1 Phương pháp 4 Hỗn hợp keo vô cơ/ hữu cơ Phương pháp 2 Phương pháp 6 Polyme không Phương pháp 7 Sinh khối vi sinh vật Phương pháp 2 hoặc 3 Phương pháp 6 NOM Phương pháp 2 hoặc 3 Phương pháp 6 Sau đây là các phương pháp rửa màng tùy thuộc vào đặc tính của cặn bám trên màng. Phương pháp 1: Rửa cở chế độ pH thấp với axit Citric loãng 2% (V) (C6H8O7), nó có tác dụng loại bỏ những loại cặn bám vô cơ như Canxicacbonat; Canxi, Bari, Stronti sunphat; Oxit, hydroxit kim loại; keo vô cơ Phương pháp 2: Rửa ở chế độ pH cao ( pH~10 ) của hỗn hợp Na5P3O10 2% (V) và Na_EDTA 0,8 % (V), nó đặc biệt rất có hiệu quả trong việc loại bỏ các cặn như Canxi sunphat, chất hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên. Phương pháp 3: Rửa ở chế độ pH cao ( pH~10 ) với Na5P3O10 2% (V) và Na-DDBS ( C6H5(CH2)12-SO3Na.Nó có tác dụng đặc biệt tốt trong loại bỏ các loại cặn bám ở mức độ nặng của chất hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên Phương pháp 4: Ở chế độ pH thấp (pH~2,5 ) với hóa sử dụng là HCl 0,5% (V).Nó có tác dụng đặc biệt với các loại cặn bám vô cơ như canxicacbonat; canxi, bari, stronti sunphat; oxit, hydroxit kim loại và keo vô cơ. Phương pháp này mạnh hơn phương pháp 1 ở trên. Phương pháp 5: Ở mức pH=4-6 của Na2S2O4 1% (V). nó có tác dụng loại bỏ các cặn bám oxit, hydroxit kim loại (đặc biệt là của sắt ), sau đó là với canxi, bari, stronti sunphat. Na2S2O4 có mùi rất mạnh nên việc thông gió là cần thiết trong quá trình rửa màng bằng hóa chất này. Phương pháp 6: Ở mức pH cao ( pH~11.5 ) với hóa chất sử dụng là NaOH 0,1% (V) và SDS (sodium dodecylsulfate) 0.03% (V).Nó có tác hữu hiệu với việc loại bỏ các loại cặn bẩn như hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên, keo hỗn hợp vô cơ/ hữu cơ và vi sinh vật. Phương pháp 7: Ở pH cao (pH ~11,5 ) với hóa chất là NaOH 0,1% (V), nó rất tốt trong việc loại bỏ các loại polyme silic, vì loại cặn bám này rất khó loại bỏ ÁP DỤNG CHO ĐỀ TÀI Đối với trường hợp màng NF sử dụng cho đề tài là loại màng của NITTO DENKO nhãn hiệu ESNA1- 4040 Theo khuyến cáo của nhà cung cấp màng thì chúng tiến hành rửa màng NF với sơ đồ và quy trình như sau: -Mô hình Tận dụng luôn bồn nhựa đựng nước trước NF để pha và chuẩn bị hóa chất, cả nước thải tập trung và dịch thấm đều được đưa tuần hoàn trở lại bể chứa hóa chất để đảm bảo rửa được liên tục và nồng độ hóa chất không đổi Dịch thấm Dòng tập trung Bể đựng hóa chất Màng NF Bơm hóa chất Hình 1. Sơ đồ bố trí rửa màng NF bằng hóa chất -Hóa chất Hóa chất được sử dụng để rửa màng là HCL 36%.tiến hành pha 200 lít nước với 1 lít HCl nồng độ 36% để đảm bảo nồng độ hỗn hợp nước rửa ~0,2% hóa chất, và pH =1-2 -Trình tự tiến hành +Rửa màng đơn thuần bằng nước: mục đích để loại bỏ bớt những loại cặn bẩn dễ loại bỏ bằng cơ học do lực của nước. Trong bước này mở van xả ở dòng tập trung tối đa để dòng nước cuốn đi một số loại cặn bám bằng cơ học, rửa trong vòng khoảng 15 phút. Chú ý:trong giai đoạn này chưa nối đường ống để đưa dòng thải tập trung và dòng thấm tuần hoàn về bể đựng nước rửa. +Rửa màng bằng hóa chất:sau khi nối ống để tuần hoàn lại toàn bộ nước bơm vào màng, pha xong hóa chất, tiến hành bơm hóa chất vào màng. Van trên đường ống dòng thải tập trung mở tối đa..tiến hành rửa trong vòng 60 phút đến khi nhiệt độ màng lên khá cao thì ngừng. Ngâm màng trong hóa chất trong vòng 12 giờ để hóa chất hòa tan các loại cặn bẩn bám trên màng. +Rửa lại bằng nước sạch: Sau khi ngam màng trong hóa chất 12 giờ, tiến hành rửa lại bằng nước sạch để đẩy hết cặn bẩn và hóa chất ra khỏi màng. Kết thúc quá trình rửa màng. TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Cát, 1999. Cơ sở hóa học và kỹ thuật xử lý nước. NXB Thanh niên,. Trần Đức Hạ, Đỗ Văn Hải, 2002. Cơ sở hóa học quá trình xử lý nước cấp và nước thải. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Trần Đức Hạ, 2003. Báo cáo đề tài NCKH cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo và Bộ Tài nguyên và Môi trường “Nghiên cứu đề xuất các biện pháp xử lý chất thải một số cảng biển khu vực phía Bắc nhằm đáp ứng công ước quốc tế về bảo vệ môi trường biển”. Trịnh Xuân Lai, 2002. Cấp nước. Tập 2: Xử lý nước thiên nhiên cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Applegate, L. 1984. Membrane separation process. Chem. Eng. June 11, 1984, pp.64-69. Nicholas P. Cheremisinof, 2002. Membrane seperation technology. In: Handbook of Water and Wastewater Treatment Technology. Boston: Butterworth and Heinemann. Taylor J.S., and E.P. Jacobs,1996. Nanofiltration and reverse osmosis. In: Water Treatment Membrane Process. New York: McGraw- Hill. Johannes M.K. Timmer, 2001. Properties of nanofiltration membranes: model development and industrial application. Eindhoven: Techsche Universiteit Eindhoven, N. Hilal, H. Al-Zoubi,..,2004. A comprehensive revew of nanofiltration membranes: Treatment, pretreatment, modelling, and atomic force microscopy. In: Desalination 170 (2004), pp. 281-308.