Chuyên đề Tìm hiểu kinh nghiệm nước ngoài về ứng dụng màng lọc trong công nghệ khử mặn để cấp nước

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 : TS. TRẦN THỊ VIỆT NGA KS. PHẠM DUY ĐÔNG CHUYÊN ĐỀ TÌM HIỂU KINH NGHIỆM NƯỚC NGOÀI VỀ ỨNG DỤNG MÀNG LỌC TRONG CÔNG NGHỆ KHỬ MẶN ĐỂ CẤP NƯỚC HÀ NỘI, THÁNG 11 NĂM 2010 MỤC LỤC Trang 1. CÁC QUÁ TRÌNH KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN…………………………………...……2 1.1. Phương pháp màng vi lọc và siêu lọc………………………………………………...2 1.2. Phương pháp màng lọc nano và màng lọc RO..............................................................2 2.KINH NGHIỆM DÙNG MÀNG LỌC KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN ĐỂ CẤP NƯỚC CỦA CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI………………………………………………..…....6 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………...…………………………………9 1. CÁC QUÁ TRÌNH KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN . Tình trạng thiếu nước trầm trọng do gia tăng dân số, đô thị hóa và chất lượng cuộc sống trên thế giới ngày càng cao hơn đã khiến nhiều quốc gia (nhất là các vùng khô hạn và bán khô hạn) phải chấp nhận các công nghệ khử mặn, trước hết là để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Khử mặn (desalination) là quá trình loại bỏ các muối hòa tan và các chất khác có trong nước biển, nước lợ, hay nước ngầm hoặc nước mặt bị nhiễm mặn. Dựa vào mức độ công nghệ xử lý nước và mục đích xử lý, quá trình khử mặn có thể xử lý được nước đạt chất lượng dùng cho sinh hoạt hay trong công nghiệp hoặc tưới tiêu. Ngành công nghiệp khử nước mặn đã trở thành một ngành thương mại từ những năm 1950 và 1960. Do giảm được nhiều về giá thành và tăng hiệu quả, đặc biệt trong những năm 1970, công việc khử mặn, trong đó, màng lọc chiếm ưu thế trong các công nghệ xử lý nước biển, đã trở thành một chiến lược và là nguồn cung cấp nước đáng tin cậy để đáp ứng những nhu cầu sinh hoạt. Hiện nay ước tính toàn cầu có hơn 12,000 nhà máy xử lý nước biển và nước lợ trên 140 quốc gia trên khắp thể giới, với tổng công suất lên tới 40 triệu m3 trên ngày. Trong đó xử lý nước biển chiếm 57.4%. (WHO, 2008). Công suất khử mặn trên thế giới đạt gần 9,6 tỷ m3, trong đó các nước thuộc Hội đồng Hợp tác Vùng vịnh (GCC) như Ả Rập, Cô oét, Tiểu Vương quốc Ả Rập thống nhất, Bahrain, Qatar và Oman chiếm 47% tổng công suất. Các quốc gia thuộc GCC là một ví dụ điển hình về đô thị hóa nhanh và gia tăng dân số đã làm tăng mạnh nhu cầu nước sinh họat. Tỷ lệ gia tăng dân số trung bình của khu vực (hơn 3,4%) đã làm cho dân số tăng từ 14 triệu năm 1970 lên gần 30 triệu dân năm 2000. Nhu cầu nước sinh hoạt tăng từ 2,6 tỷ m3 lên gần 4 tỷ m3 trong giai đoạn 1990-2000. Nhu cầu này sẽ tăng lên tới 10,4 tỷ m3 vào năm 2030. Để khử mặn nước biển cấp cho sinh hoạt có rất nhiều phương pháp, theo đó cũng có rất nhiều công nghệ có thể áp dụng được, nhưng tùy theo điều kiện cụ thể của từng địa phương mà áp dụng phương pháp nào là hợp lý nhất.và sau đây là một vài quá trình khử mặn có sử dụng màng lọc để cấp cho sinh hoạt thường được sử dụng trong các sơ đồ công nghệ nhà máy khử mặn. -Phương pháp màng vi lọc -Phương pháp màng lọc nano -Phương pháp thẩm thấu ngược -Phương pháp điện thẩm tách… 1.1. Phương pháp màng vi lọc và siêu lọc a. Khái niêm màng vi lọc và siêu lọc Màng vi lọc là loại màng có các lỗ rỗng 0,1 – 1 micromet (μm), hoạt động dưới áp suất thông thường từ 10 – 100 psi ; nó có thể loại bỏ các phần tử lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử protein có trong sữa hay ngũ cốc, vi khuẩn hoặc chất rắn hoà tan có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng ; nó không làm thay đổi thành phần dung dịch (nước) lọc,chỉ có các phần tử nêu trên được lọc đi. Lọc chặn : Trong đó nước bị cưỡng bức chuyển qua màng lọc, các phần tử bị giữ lại tích tụ dưới dạng một bánh lọc; chiều dày của nó tăng dần theo thời gian lọc, còn tính xốp giảm dần làm giảm lưu lượng thành phẩm, hiện tượng này gọi là sự bịt kín màng lọc, đại lượng đặc trưng cho sự bịt kín là chỉ số bịt kín FI. Lọc chặn trong vi lọc được ứng dụng trong màng lọc phẳng trong phòng thí nghiệm dùng để đo chất huyền phù (MES), chỉ số bịt kín (FI)...; đối với lọc chặn trong vi lọc, ống lọc bọc bên ngoài màng lọc phẳng được bỏ đi khi màng lọc bị bịt kín lỗ, nó rất khó thực hiện bằng rửa ngược để tái sử dụng lại màng lọc. Lọc trượt : quá trình lọc được thực hiện sao cho mặt tiếp xúc được quét bằng một phần lưu lượng đưa vào để hạn chế việc tích tụ các bã lọc phát sinh trong quá trình lọc và dễ dàng đưa chúng ra ngoài hệ thống, tránh được hiện tượng bịt kín lố rỗng của màng lọc trước khi đến chu kỳ rửa lọc. Quá trình lọc dạng này có thể thay cho giai đoạn keo tụ, kết bông và tách loại được 2 pha rắn - lỏng. Công nghệ này được áp dụng phổ biến để lọc tinh các sản phẩm khác nhau trong công nghệ xử lý nước cấp, nước thải, nước uống đóng chai, công nghệ dược và xử lý vi sinh. b.Cơ chế lọc của MF Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Siêu lọc (UF) Vi lọc (MF) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Hình 1. Sự vận chuyển các chất qua màng vi lọc và siêu lọc Cơ chế lọc của MF là lọc tách, theo đó khi hỗn hợp nước biển đi qua màng lọc MF sẽ bị giữ lại những phần tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng màng. Theo hình 2 ta thấy rằng màng MF chỉ cho phép Nước, ion hóa trị 1, ion hóa trị cao và virus đi qua, vi khuẩn và chất lơ lửng bị giữ lại trên màng. Vì vậy, trong lọc nước biển thì màng MF chỉ có thể loại bỏ được các chất lơ lửng, các loại rong tảo, và vi khuẩn. Màng UF ngoài khả năng giữ những chất như MF thì còn có khả năng tách lọc được vi rus. Nước sau lọc hầu như không thay đổi về độ mặn, MF và UF chỉ có tác dụng như một quá trình tiền xử lý cho các bước sau như RO, trao đổi ion, để tránh xảy ra quá trình tắc màng NF, RO nhanh chóng 1.2. Phương pháp màng lọc nano và màng lọc RO a.Khái niệm Màng lọc nano có kích thước lỗ rỗng khoảng 0,001μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 100 – 600 psi; là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc màng là RO và UF. Nó có thể lọc được các phân tử muối hoá trị thấp và các chất khoáng ; được ứng dụng trọng lọc cặn các protein, gelatin, công nghệ chế biến nước hoa quả, phân ly chất rắn hoà tan trong dung dịch và sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt. Màng lọc RO có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0,001μm, chúng được hoạt động dưới áp suất cao, thông thường từ 400 – 1000 psi, cho phép loại bỏ hầu hết các thành phần có trong nước như cacbuahydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng, các ion, amino acid…, gần như chỉ còn nước nguyên chất chảy qua. b.Cơ chế tách lọc của NF và RO Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Lọc nano (NF) Thẩm thấu ngược (RO) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Hình 2. Sự vận chuyển các chất qua màng NF và RO Cả NF và RO đều hoạt động theo cơ chế sàng lọc + khuếch tán + chọn lọc Với màng NF lỗ rỗng màng bé nên để nước qua được màng thì cần áp suất lớn hơn rất nhiều so với lọc bằng màng MF và UF. Màng lọc NF tuy có nguyên tắc lọc giống như RO, nhưng vì kích thước màng lọc to hơn RO, nên thông thường chỉ giữ lại ion hóa trị hai, còn ion hóa trị một như Na+ hay Cl- thì đi qua được màng lọc. Với đặc tính thế, NF vốn không có hiệu quá cao trong khử mặn với nước biển. Màng NF có kích thước lỗ biểu kiến lớn hơn kích thước ion Na+ và Cl-. Để có thể ứng dụng NF vào quá trình xử lý nước biển thành nước ăn uống, Twardowski (U.S.Pat. No5,587,083) đã sử dụng màng NF tích điện âm tăng cường loại ion hoá trị 2 và Cl-. Lin sử dụng tổ hợp NF(250-350 psi) – RO (áp suất tương đương) để loại Cl- và Br-, lọc được chủ yếu ion hoá trị 2; nước sau NF còn 10-15 g/L muối (U.S. Pat. No.5,458,781). Diem Xuan vuong, 2006, (U.S. Pat. No.7,144,511) dùng NF hai bậc: lọc NF1 (màng FSM135) ở 500-550 psi (hiệu suất khoảng 35%) và lọc NF2 (màng SSM 160) ở áp suất 200-300 psi (hiệu suất khoảng 79%) để xử lý nước biển; tổng hiệu suất của hai giai đoạn là 28%, sản phẩm có hàm lượng muối là 200-1.000 mg/L. Cơ chế hoạt động của lọc RO sử dụng tính chất của màng bán thấm, tất cả các chất hoà tan bị giữ lại, trừ một vài phần tử hữu cơ rất gần với nước có khối lượng mol nhỏ, phân cực mạnh. Khi có sự chênh lệch về thế năng hoá học thì xu hướng làm nước chuyển từ ngăn có thế năng hoá học thấp sang ngăn có thể năng hoá học cao để pha loãng, đó là hiện tượng thẩm thấu tự nhiên. Nêu muốn cản lại sự khuyếch tán này, cần phải đạt một áp suất lên mặt dung dịch có thế năng hoá học thấp, sự chênh lệch áp suất được tạo ra gọi là áp suất thẩm thấu ngược của hệ thống. Nước lọc thu được sau RO hầu như chỉ có nước tinh khiết,có thể còn tồn tại các ion hóa trị I và rất gần với nước. Ion hóa trị cao, chất lơ lửng, chất keo, vi sinh vật được khử sạch hoàn toàn. 2.KINH NGHIỆM DÙNG MÀNG LỌC KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN ĐỂ CẤP NƯỚC CỦA CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI. Trong những thập kỷ 1960-1970, một trong những giải pháp cho tình trạng thiếu nước là quy hoạch các hồ chứa nước, tuy nhiên với những nơi khan hiếm nguồn nước ngọt vẫn không đủ dự trữ cho nhu cầu dùng nước. Nước lợ được áp dụng khử muối lần đầu tiên trên quy mô nhà máy lớn vào năm 1960. Năm 1973 lần đầu tiên áp dụng thành công khử muối nước biển bằng công nghệ RO. Công nghệ khử muối được áp dụng rộng rãi từ những năm 1980 của thế kỷ trước. Tình trạng thiếu nước ngọt trầm trọng do gia tăng dân số, đô thị hóa và chất lượng cuộc sống trên thế giới ngày càng cao hơn đã khiến nhiều quốc gia phải chấp nhận các công nghệ khử mặn, trước hết là để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Với công nghệ và trình độ ngày càng cao, công suất ngày càng được nâng lên để đáp ứng nhu cầu dùng nước trong điều kiện nguồn tài nguyên nước ngọt ngày càng cạn kiệt, giá thành ngày càng hạ ngành công nghiệp khử nước mặn đã trở thành một ngành thương mại, chiến lược và là nguồn cung cấp nước đáng tin cậy để đáp ứng những nhu cầu sinh hoạt. Đã có nhiều nhà máy biến nước lợ, nước biển thành nước ngọt tại Trung Đông, Địa Trung Hải, châu Mỹ, Nam Âu, Caribbean, Nhật Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Canaria - nơi nguồn nước ngọt tự nhiên rất hiếm. Năm 2004 với hơn 11.000 nhà máy khử muối hoạt động, sản xuất ra hơn 20.000.000 m3/ngđ với 60% công xuất tại Tây Á, 11% Bắc Mỹ, 7% tại Châu Âu và Bắc Phi, và 4% tại trung tâm Nam Mỹ. (T. Witham, Reusing nature's most precious resource, WAVE/USFilter 2 (1) (2003), 34-36.). Với tình trạng khan hiếm nguồn nước ngọt việc xây dựng các nhà máy xử lý nước mặn, nhiễm mặn đang được phát triển mạnh ở các nước trên thế giới và là nguồn cung cấp nước an toàn cho nhu cầu dùng nước trong tương lai. Bảng 2.1: Một số nhà máy lớn sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược RO xử lý nước nhiễm mặn Địa điểm Công suất 103m3/ngày Chất lượng nước nguồn % thu hồi Áp suất vận hành (Mpa) Yuma, Arizona Mỹ 274 Nước lợ 3000 mg/l TDS 70 Daesan, Hàn Quốc 95 Nước lợ Irac 64 Nước lợ Riyadh, Arập sê út 60 Nước lợ 90 2.8 Salboukh, Arập sê út 60 Nước lợ 1610 mg/l TDS 90 Unayzah, Arập sê út 52 Nước lợ 1500 mg/l TDS 90 Ras Abu Jarur, Ba Gianh 46 Nước lợ 1900 mg/l TDS 61 5.8 Cape Coral, Florida Mỹ 46 Nước lợ 1600 mg/l TDS 75 85 1.4 1.7 Bayswater, Úc 36 Nước lợ 2500 mg/l TDS 82 3.0 Nguồn: Công nghệ chia cắt màng, nguyên lý và áp dụng (tác giả Richard D. Noble và S. Alexander Stern, xuất bản năm 2003). TÀI LIỆU THAM KHẢO 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,