Đề tài Nghiên cứu sử dụng màng lọc nano nhiều bậc để khử mặn nước ven biển cấp cho sinh hoạt

áp dụng lý thuyết vào thực tế, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Đức Hạ, Ks Phạm Duy Đông, Ks Trần Hoài Sơn nhóm nghiên cứu đã đạt được kết quả bước đầu khả quan ở quy mô phòng thí nghiệm. Có thể nói phương pháp “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MÀNG LỌC NANO NHIỀU BẬC ĐỂ KHỬ MẶN NƯỚC VEN BIỂN CẤP CHO SINH HOẠT” có những ưu điểm nổi bật. Từ những kết quả đạt được , nhóm nghiên cứu thấy rằng Phương pháp này hoàn toàn khả quan và nó sẽ vừa góp phần giải quyết nhu cầu chính đáng cho người dân vừa góp phần hiện thực hoá chủ trương chính sách của Đảng và Nhà nước. LỜI CẢM ƠN ab Phương pháp “nghiên cứu sử dụng màng lọc nano nhiều bậc để khử mặn nước ven biển cấp cho sinh hoạt” là phương pháp khá mới, chưa áp dụng, nghiên cứu rộng rãi ở nước ta. Đó là phương pháp có nhiều ưu điểm về phương diện kỹ thuật, quy mô sản xuất và giá thành hoạt động. Dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Trần Đức Hạ, Ks Phạm Duy Đông, Ks Trần Hoài Sơn nhóm nghiên cứu đã dần hoàn thành được khối lượng công việc đặt ra và thu được kết quả tốt đẹp. Chúng em xin gửi lời cảm ơn trân thành đến PGS.TS Trần Đức Hạ, Ks Phạm Duy Đông, Ks Trần Hoài Sơn đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài trên. Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trên phòng thí nghiệm,các thầy cô giáo bộ môn Cấp thoát nước – Viện khoa học và kỹ thuật môi trường đã tạo điều kiện, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Nhóm sinh viên NCKH PHẦN MỞ ĐẦU ab Tên đề tài : “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MÀNG LỌC NANO NHIỀU BẬC ĐỂ KHỬ MẶN NƯỚC VEN BIỂN CẤP CHO SINH HOẠT” Mục đích ngiên cứu: Thông qua nghiên cứu lý thuyết, thực tế, áp dụng thực nghiệm để áp dụng rộng rãi PP vào xử lý nước cấp cho sinh hoạt, phù hợp với các vùng ven biển nước ta. Nội dung nghiên cứu : Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình phục vụ thí nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm: Vận hành mô hình với các thông số khác nhau tìm ra thông số thiết kế, vận hành mô hình thực tế một cách tối ưu nhất. Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: từ tháng 9/2010 Nghiên cứu thực nghiệm: từ tháng 6/ 2011. Nhóm tham gia nghiên cứu : Thành viên lớp 53 MN1 – Viện khoa học và kỹ thuật môi trường : 1. Mai Thanh Quang 2. Nguyễn Quang Vinh 3. Ong Khắc Quý Giáo viên hướng dẫn : 1. PGS.TS Trần Đức Hạ 2. KS Phạm Duy Đông 3. KS Trần Hoài Sơn. CHƯƠNG I : ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC CẤP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC CỦA CÁC CỤM DÂN CƯ NÔNG THÔN VEN BIỂN HẢI ĐẢO VIỆT NAM ab 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH CẤP NƯỚC VÙNG VEN BIỂN VIỆT NAM 1.1. Lịch sử phát triển cung cấp nước vùng ven biển: Lịch sử phát triển cung cấp nước vùng ven biển cũng chính là lịch sử phát triển và cung cấp nước vùng nông thôn Việt Nam. Ngay sau ngày hòa bình lập lại ở miền Bắc (1954), Đảng và Chính phủ đã quan tâm đến đề sức khỏe và môi trường sống của nhân dân nói chung và ở nông thôn nói riêng. Từ năm 1960 ngành Y tế đã tuyên truyền vận động mạnh mẽ nhân dân xây dựng ba công trình Giếng nước – Nhà tắm – Hố xí. Hưởng ứng Thập kỷ Quốc tế cấp nước và vệ sinh môi trường của Liên Hợp Quốc 1981-1990, chương trình cung cấp nước sinh hoạt nông thôn được bắt đầu triển khai ở Việt Nam với sự tài trợ giúp mạnh mẽ của Quỹ nhi đồng Liên Hợp Quốc (UNICEF. Trong thời gian gần đây, lĩnh vực cung cấp nước và vệ sinh môi trường nông thôn nhất là vùng ven biển đang được Chính phủ Việt Nam và nhiều tổ chức quốc tế, quốc gia và phi chính phủ quan tâm. 1.2. Tình hình cung cấp nước sạch các vùng nông thôn ven biển. - Giai đoạn trước 1980 trước khi triển khai chương trình nước sinh hoạt nông thôn do UNICEF tài trợ: Trong giai đoạn này các công trình cấp nước là các công trình cấp nước cổ truyền như: hồ, lu chứa nước mưa, giếng khơi thu nước ngầm mạch nông, giếng khoan khơi thu nước mặt ven hồ và giếng công cộng. - Giai đoạn từ 1981 – 1994 (trước khi có chỉ thị 200TTg của Thủ tướng chính phủ) Trước ảnh hưởng to lớn của việc cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn, hưởng ứng chương trình hành động của Liên hợp quốc về thập niên cung cấp nước uống và vệ sinh môi trường thế giới (1981 – 1990). Năm 1982 Chính phủ Việt Nam đã thành lập ủy ban quốc gia về nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường. Năm 1982, chương trình đã triển khai các dự án đầu tiên có tính thử nghiệm về mô hình cấp nước với hộ nông dân. Sau một năm thực hiện với nguồn nước sinh hoạt hoặc sử dụng nguồn nước không đảm bảo vệ sinh. Từ kết quả này, năm 1984 được sự thỏa thuận của UNICEF, vùng dự án tiếp tục mở rộng ra 3 tỉnh phía Bắc: Thanh Hóa, Nghệ Tĩnh và Hà Nam Ninh. Trên cơ sở những mô hình cấp nước có hiệu quả, được sự đồng ý của chính Phủ và chấp thuận của tổ chức UNICEF, chương trình được mở rộng ra nhiều tỉnh. Năm 1987 chương trình được mở rộng ra 7 tỉnh đưa quy mô cấp nước lên 23 tỉnh, thành phố đồng thời vốn tài trợ của UNICEF cho chương trình được tăng nhanh qua mỗi năm. Năm 1990 có thêm 14 tỉnh tham gia chương trình.Từ năm 1987 được sự đồng ý của Chính phủ, ngân sách địa phương đã góp phần hỗ trợ cho hoạt động của Chương trình cấp tỉnh, thành phố, huy động thêm nguồn vốn của người sử dụng đồng thời chủ trương thay thế hàng nhập khẩu, góp phần giảm được giá thành . Đến hết năm 1990, sau hai tài khóa trợ giúp của UNICEF với tổng kinh phí tài trợ 15,095 triệu USD đã thực hiện được 33.487 giếng trên địa bàn 38 tỉnh, thành phố (tính theo tỉnh mới) đáp ứng cho khoảng 4 triệu nông dân nông thôn có nước sạch cho nhu cầu sinh hoạt. 2. ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC 2.1. Tình trạng hoạt động của các công trình Phát triển công trình cấp nước tập trung quy mô thôn, xã, cụm xã hiện nay đang được nhiều địa phương áp dụng và phát triển, nhất là ở những vùng người dân vùng ven biển sống tập trung có thu nhập tương đối ổn định. Người dân đã nhận thức được rằng mặc dù công trình cấp nước tập trung đòi hỏi đầu tư lớn, nhưng chúng có nhiều ưu điểm như hiệu quả kinh tế cao, có chất lượng nước đảm bảo, nước được đưa đến từng hộ gia đình, chi phí sử dụng nước được thanh toán qua đồng hồ theo giá được duyệt của cấp có thẩm quyền, tuổi thọ công trình cao. Tuy nhiên tình trạng hoạt động của các công trình cấp nước tập trung còn có rất nhiều vấn đề cần phải quan tâm xem xét và khắc phục. Nguyên nhân chủ yếu để các công trình xử lý trong hệ thống cấp nước tập trung hỏng hoặc xuống cấp là do chế độ vận hành và bảo dưỡng công trình không đúng theo quy định và trình độ của người quản lý còn thấp không phù hợp. 2.2. Hình thức quản lý vận hành các công trình: Việc quản lý các công trình cấp nước tập trung hiện nay vẫn còn nhiều bất cập và lúng túng, chưa có một mô hình quản lý, vận hành thống nhất cho các địa phương trong cả nước. Tuỳ thuộc vào nguồn vốn đầu tư mà chủ sở hữu các công trình ở các địa phương đưa ra mô hình quản lý vận hành khác nhau. Trong các mô hình quản lý trên chỉ có mô hình do các công ty cấp nước hoặc Trung tâm nước SH và VSMT nông thôn quản lý thì các cán bộ quản lý có chuyên môn và được đào tạo cơ bản. Còn các mô hình quản lý khác thì các cán bộ quản lý đều không có trình độ chuyên môn và chỉ được tập huấn sơ qua. 2.3. Chất lượng nước: Hầu như các hệ thống cấp nước tập trung đang hoạt động cung cấp nước cho nhân dân không được kiểm tra chất lượng nước thường xuyên mà chỉ phân tích chất lượng khi công trình xây dựng xong đưa vào sử dụng. Theo báo cáo của các địa phương và trên cơ sở tổng hợp của Văn phòng Chương trình mục tiêu quốc gia Nước sạch và VSMT nông thôn, thì đến hết năm 2003 có 54,3% dân số ven biển Việt Nam được hưởng nước sạch. Tuy nhiên, chất lượng nước đảm bảo tiêu chuẩn quốc gia (Tiêu chuẩn 1329 của Bộ Y tế) chỉ đạt dưới 20%. 2.4. Công nghệ xử lý nước Thực tế hiện nay công nghệ xử lý cấp nước sinh hoạt cho các vùng ven biển rất đa dạng, từ công nghệ xử lý đơn giản cho các công trình cấp nước nhỏ lẻ đến các công nghệ xử lý hiện đại cho các hệ thống cấp nước tập trung quy mô lớn. Các công nghệ xử lý thường áp dụng bao gồm: - Xử lý nước mặt bằng phương pháp đánh phèn (ở vùng ven biển đồng bằng sông Cửu long). Phương pháp này chỉ có tác dụng làm trong nước, các chỉ tiêu hoá học hoặc vi sinh không xử lý được do vậy chất lượng nước rất kém. - Xử lý nước mặt bằng công nghệ giếng thấm (áp dụng cho hộ hoặc nhóm hộ gia đình). - Xử lý nước mặt bằng bể lọc chậm cho cụm dân cư nhỏ * Một số dây chuyền công nghệ xử lý nước tập trung: - Dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt bằng bể lọc chậm Nguồn nước Bể lọc chậm Bể chứa nước sạch Mạng phân phối - Dây chuyển công nghệ xử lý nước mặt. TB cấp I Nguồn nước Tháp hoà trộn Bể lọc nổi Phèn Khử trùng TB cấp II BCNS Bể lọc cát - Dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm. TB giếng Giếng khoan Làm thoáng Bể lắng đứng Khử trùng Mạng lưới đường ống Trạm bơm cấp II BCNS Bể lọc nhanh Được xây dựng tại vùng ven biển các tỉnh khu vực đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng. - Dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm sử dụng Katox. TB giếng Giếng khoan Thiết bị trộn khí - nước Khử trùng Mạng lưới đường ống Trạm bơm cấp II BCNS Thiết bị lọc Thiết bị hấp phụ Đã được xây dựng ở Nam Định và một số tỉnh miền Nam. - Dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm. TB giếng Giếng khoan Tháp làm thoáng cao tải Khử trùng Mạng lưới đường ống Trạm bơm cấp II BCNS Bể lọc cát Bể lọc cát Xây dựng tại một số địa phương có hàm lượng sắt trong nước ngầm thấp như Nghĩa Hưng - Nam Định, Cần Thơ, Sóc Trăng... - Dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt sử dụng bể lọc tự rửa. Suối Hồ chứa Bể lọc tự rửa Bể chứa Mạng tiêu thụ Dây chuyền xử lý này đã được xây dựng và sử dụng tại bán đảo Sơn Trà - Đà Nẵng CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG ab 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG LỌC 1.1. Khái niệm màng lọc Màng lọc là một lớp màng vật liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khi chịu một áp lực nhất định. Màng lọc ngăn cách giữa hai pha, có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phần tử có trong nước như cặn lơ lửng, ion, vi sinh vật…khi cho dung dịch đi qua màng. Màng lọc có thể được phân loại theo: i)Kích thước của vật chất ii) Áp lực trên màng. Thông qua quá trình làm việc của màng lọc, dòng hỗn hợp đầu vào được phân tách làm hai phần: một phần là dung dich sau lọc và phần những vật chất bị giữ lại trước màng lọc. Màng lọc có thể áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dung dịch hay phân tách một hỗn hợp. Các ưu điểm của màng lọc: Quá trình màng lọc xảy ra ở điều kiện nhiệt độ bình thường và các dung dịch tham gia không có sự thay đổi về pha, đây là ưu điểm lớn so với phương pháp tách bằng chưng chất. Quá trình phân tách vật chất qua màng không cần có hóa chất phụ gia như một số các quá trình khác trong xử lý nước, ví dụ lắng và lọc. 1.2. Các loại màng lọc Màng lọc có thể được phân loại theo kích cỡ lọc và mức độ áp lực. Ngoài ra màng lọc có thể phân loại theo vật liệu cấu tạo màng, hình dáng hình học... a. Vi lọc (Microfiltration – MF) Các màng lọc loại này 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. b. Siêu lọc (Ultrafiltration – UF) Các màng siêu lọc có cấu trúc mềm không đối xứng, kích thước lỗ rỗng từ 0,001 – 0,1 μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 70 - 200 psi ; cho phép lọc được các chất keo, chất rắn hoà tan có kích thước nhỏ và các phần tử như vi khuẩn, vi rút, proteins có khối lượng mol nhỏ, carbohydrates, enzymes.... c. Lọc nano (Nanofiltration – NF) 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. Bảng tổng kết các công nghệ lọc màng TT Tên Kích thước lỗ rỗng (µm) Áp suất làm việc (bar) Khả năng xử lý Chi phí sản xuất 1 MF 0,1- 1,0 1 - 8,6 Độ đục, chất lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử, vi khuẩn hoặc chất rắn hoà tan có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng ; Thấp 2 UF 0,01- 0,1 4,8- 13,8 Như MF, ngoài ra còn giữ được vi rút, proteins có khối lượng mol nhỏ, enzymes, carbohydrates, Trung bình 3 NF 0,01- 0,001 6,9- 41,4 Như UF, ngoài ra còn giữ được phân tử muối hoá trị thấp, các chất khoáng, protein, gelatin Cao 1.3. Đặc tính màng Màng lọc có thể được chia ra màng đối xứng và không đối xứng. Màng đối xứng là màng đồng chất có các lỗ rỗng được tạo thành do kỹ thuật bắn phá bằng chùm tia, sau đó cho hoá chất tác dụng cố định lại. Màng không đối xứng là màng hỗn hợp, thường làm từ vật liệu là polyme, composite gồm nhiều lớp mỏng có kích thước lỗ rỗng khác nhau theo thứ tự giảm dần độ rỗng xếp chồng lên nhau, giữa các lớp là các sợi đỡ; mục đích nhằm ngăn cản các phần tử có kích thước khác nhau và chúng được phân bố đồng đều trên tất cả các lớp. Loại màng này thường có độ bền cơ học cao và được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ lọc màng hiện nay. Màng lọc đối xứngcó thành phần cấu tạo và bản chất vật lý đồng nhất theo mặt cắt ngang của màng. Ngược lại, màng không đối xứng không đồng nhất và thường gồm nhiều lớp khác nhau về cấu trúc và thành phần hóa học. Cả hai loại màng đối xứng và không đối xứng đều có thể được chế tạo theo dạng tấm màng mỏng, hoặc dạng ống nhỏ. Màng lọc dạng ống rỗng có thể có kích thước khe lỗ dày hay thưa như dạng tấm lọc. Loại màng ống được dùng phổ biến hiện nay là màng không đối xứng, cấu tạo gồm một ống rỗng có kích thước lỗ lớn và bên ngoài là lớp màng lọc dày hơn. Ưu điểm của loại màng lọc dạng sống là diện tích lọc (diện tích bề mặt) trên một đơn vị thể tích lớn hơn màng lọc dạng tấm. 1.4. Vật liệu màng Màng có thể là đồng chất, nhiều thành phần khác nhau hợp thành, màng lọc được chế tạo từ các vật liệu có nguồn gốc vô cơ như gốm nung chảy, các hợp chất cacbon, silic, zicron; hoặc từ nguồn gốc hữu cơ như cao su, vải amiăng, axetat xellulo, polyethylen, polypropylen. Bề dày màng từ 0,05mm - 2mm. Các lỗ nhỏ trên màng được chế tạo bằng cách chiếu tia phóng xạ, lazer, các phản ứng hóa học... Hầu hết màng lọc MF, UF, RO và NF được làm từ vật liệu polime hữu cơ. Thường vật liệu chế tạo màng MF và màng UF thường giống nhau, tuy nhiên quá trình sản xuất ở các điều kiện khác nhau tạo nên kích thước lỗ rỗng khác nhau. Màng còn có thể được chế tạo từ vật liệu vô cơ như gốm và kim loại. Màng gốm là loại màng có lỗ rỗng, chịu nhiệt và trơ với hóa chất và thường dùng cho màng lọ MF. Tuy nhiên các màng này có chi phí cao và dễ gãy vỡ nên chưa được ứng dụng rộng rãi. Màng kim loại thường làm từ sắt không gỉ và có thể có kích thước lỗ rỗng rất bé. Chúng dùng chủ yếu trong quá trình phân tách khí, và một số quá trình lọc nước ở nhiệt độ cao.. 1.5. Môđun màng Các thiết bị tách đơn (gọi là các mô đun) sử dụng các màng ngăn được thiết kế cần đạt hai mục đích cơ bản: - Bảo đảm ở ngay bề mặt của màng ngăn có sự lưu thông chất lỏng đủ lớn để hạn chế hiện tượng phân cực nồng độ và các hạt kết tủa. - Các môdun được chế tạo gọn, chắc, có bề mặt trao đổi cực đại cho một đơn vị thể tích. Hai mục đích này nhằm giảm giá thành trong sản xuất một thể tích chất lỏng cần xử lý đã cho, giúp quá trình rửa lọc, tháo lắp được thực hiện dễ dàng; nhưng các môdun cũng đồng thời gây lên tổn thất áp lực lớn do vận tốc dòng chảy cao do đó tiêu tốn nhiều năng lượng (điện năng). Có 4 loại môdun thông dụng: môdun dạng tấm, môdun dạng cuốn xoáy ốc, môdun dạng ống và môdun sợi rỗng. Mô đun màng có 4 loại chính: dạng khung tấm, dạng ống, dạng dây cuốn xoắn, và dạng sợi rỗng. 2. CƠ CHẾ QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG 2.1. Nguyên tắc tách giữ các các chất của màng lọc Nguyên tắc cơ bản của màng lọc nano là việc sử dụng áp lực để tách các chất hòa tan trong nước bằng cách sử dụng một màng bán thấm. Theo đó màng sẽ tách loại theo cơ chế giữ lại những phần tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng màng.Như vậy dòng chất lỏng dẫn vào màng sẽ được phân ra hai dòng khác nhau: - Dòng thải bao gồm nước và các phần tử vật chất có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng, hàm lượng chất bẩn trong dòng này lớn hơn trong dòng chất lỏng đầu vào. - Dòng sản phẩm thu được sau lọc bao gồm nước và những phần tử vật chất có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ rỗng, hàm lượng chất bẩn trong dòng này sẽ nhỏ hơn trong so với dòng chất lỏng đầu vào. Tùy theo nhu cầu xử lý để lựa chọn quá trình màng cho phù hợp. Các quá trình màng có thể bố trí hoặc theo cách lọc trượt hoặc theo cách lọc chặn. a. Lọc chặn Trong lọc chặn, toàn bộ nước đưa vào bề mặt màng được ép qua màng. Trong khi nước được chảy qua màng thì một số chất rắn và thành phần khác sẽ bị giữ lại trên màng, phụ thuộc vào kích thước lỗ xốp của màng. Do vậy, nước phải chịu một sức cản lớn để đi qua màng. Khi trở lực của màng tăng lên, tốc độ dòng chảy sẽ giảm xuống, và sau thời gian nhất định, tốc độ dòng chảy thấp đến mức cần phải làm sạch màng. Trong quá trình rửa màng, các chất bẩn được loại bỏ bằng rửa với nước, hóa chất hoặc bằng biện pháp cơ học. Màng được khôi phục khả năng làm việc sau quá trình rửa. Như vậy lọc chặn là quá trình không liên tục và việc vận hành được chia thành thời gian lọc và thời gian rửa màng. b. Lọc trượt Trong kỹ thuật lọc trượt luôn có một lượng nước nạp được hồi lưu. Nước nạp trong vòng tuần hoàn chảy song song với màng, chỉ một phần nhỏ nước nạp được chảy qua màng và phần lớn thoát ra khỏi modun. Do vậy lọc trượt gây tổn hao năng lượng lớn do phải tạo áp lực cho toàn bộ nước nạp. Lọc trượt được áp dụng cho thẩm thấu ngược, lọc nanô, siêu lọc và vi lọc, dựa trên kích thước lỗ xốp của màng. 2.2. Cơ chế chuyển khối qua màng Sự chia tách được thực hiện bằng cơ chế dòng chất lỏng được chuyển qua màng một cách có chọn lọc, các thành phần khác của chất lỏng được giữ lại ít nhiều trên mặt môi trường xốp tuỳ theo kích thước của chúng. Trường hợp lý tưởng ta mong muốn có một màng chỉ thẩm thấu nước (thẩm thấu lý tưởng). Trường hợp khác, các màng sử dụng cho phép chuyển dịch có chọn lọc các ion hay không, các màng này có thể trung hoà hay tích điện, khi tích điện chúng sẽ vận chuyển các ion cùng dấu đi ngược lại, vì thế có thể cấu tạo các màng chỉ cản các cation hoặc anion. CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC BẰNG MÀNG LỌC. 1.Tổng quan chung: Mô hình được thiết kế thành 5 bộ nhỏ gồm có: Bộ lọc cát thạch anh. Bộ siêu lọc UF. Bộ lọc màng Nano. Bộ lọc màng RO. Bộ lọc trao đổi ion. Mục đích của việc chia mô hình thành các bộ nhỏ là : Tiện cho việc kiểm soát chất lượng đầu ra các quá trình. Tiện cho việc vận hành cũng như di chuyển mô hình. Tiện cho việc lắp giáp, tổ hợp các bộ nhỏ theo các phương án khác nhau. 2.Chi tiết các bộ lọc của mô hình: 2.1.Bộ lọc cát thạch anh: 1. Mục đích: Lọc cát thạch anh là giai đoạn tiền xử lý đầu tiên nhằm loại bỏ các cặn, rác lơ lửng, hạt lơ lửng kích thước lớn có trong nước biển ven bờ và ngoài xa, đảm bảo nước ra sau quá trình lọc cát đáp ứng yêu cầu nước đầu vào các quá trình xử lý tiếp theo. 2. Sơ đồ vận hành: Bồn chứa nước biển Bơm áp lực thấp Cột lọc cát thạch anh Bồn chứa 1 3. Nguyên tắc vận hành: Nước biển chứa trong bồn được bơm với áp lực từ 2-3 bar, lưu lượng 700-1000l/h vào cột lọc cát thạch anh. Tại cột lọc cát thạch anh diễn ra qúa trình lọc áp lực, các hạt cặn, rác, cặn lơ lửng được giữ lại trong lớp cát thạch anh. Đảm bảo nước ra đạt yêu cầu đầu vào quá trình xử lý tiếp theo. Nước ra sau cột lọc thạch anh theo ống dẫn đi vào bồn chứa. 4. Chi tiết thiết kế: - Bồn chứa nước biển và nước ra là loại bồn nhựa 500l của hãng Tân Á Đại Thành, đảm bảo bền chắc, không bị phá hủy bởi ăn mòn hóa học. - Bơm sử dụng là loại bơm chịu được ăn mòn, do phải bơm nước biển. Bơm có Q = 700- 1000l/h , H = 2-3 bar. - Ống sử dụng HDPE D21. - Cột lọc cát thạch anh được làm bằng vật liệu composit, không bị ăn mòn , phá hủy hóa học, bền chắc, chịu áp lực và thuận lợi cho gia công chế tạo. Để đảm bảo vận tốc lọc trong cột lọc là V= 10m/h, lưu lượng đầu ra yêu cầu Q = 500-700 l/h ta xác định kích thước cơ bản cột lọc như sau: + Đường kính cột lọc D = 250 mm. + Chiều cao cột lọc H = 1400 mm. + Chiều cao lớp cát thạnh anh Hta = 800 mm. + Chiều cao lớp sỏi đỡ Hs = 200 mm. + Bố trí van 3 cửa phía trên giúp thuận lợi cho quá trình rửa cột lọc. 2.2.Bộ siêu lọc UF: 1. Mục đích: Bộ siêu lọc UF là giai đoạn tiền xử lý tiếp theo nhằm lọai bỏ các cặn nhỏ, rong tảo, vi khuẩn... có kích thước > 0.03 . Đảm bảo nước ra đạt yêu cầu và bảo vệ màng NF ở giai đoạn xử lý phía sau. 2. Sơ đồ vận hành: Bồn chứa 2 Bơm áp lực thấp Cột lọc UF Bồn chứa 3 Cột lọc 10 3. Nguyên tắc vận hành: Nước từ bồn chứa 2 được bơm với áp lực 2-3 bar, lưu lượng Q = 500-700l/h tới cột lọc 10, tại đây các hạt cặn, rong tảo... có kích thước > 10 bị giữ lại nhằm mục đích bảo vệ, tăng tuổi thọ màng UF. Nước ra sau cột lọc 10 đảm bảo đủ áp lực và yêu cầu chất lượng theo ống dẫn đến cột lọc UF, tại cột lọc UF các hạt cặn, vi khuẩn, vi sinh vật có kích thước > 0.03 bị giữ lại. Nước ra sau cột lọc UF được dẫn vào bồn chứa 3. 4. Chi tiết thiết kế: - Bồn chứa nước là loại bồn nhựa 500l của hãng Tân Á Đại Thành, đảm bảo bền chắc, không bị phá hủy bởi ăn mòn hóa học. - Bơm sử dụng là loại bơm chịu được ăn mòn, do phải bơm nước biển. Bơm có Q = 500-700 l/h , H = 2-3 bar. - Ống sử dụng là ống HDPE D21. - Cột lọc 10 có vỏ làm bằng nhựa tổng hợp. Lõi lọc 10 - Cột lọc UF: Là loại OUF-4 của Trung Quốc. + Màng UF có dạng lọc trượt, kích thước lỗ trên màng là 0.2. + Màng được làm bằng chất liệu PVDF, chịu được ăn mòn do nước biển. + Vỏ màng làm bằng nhựa tổng hợp, đảm bảo bền chắc, chịu được ăn mòn. + Kích thước cụ thể của cột UF: D = 160 mm, H= 1730 mm. + Màng được cung cấp bởi hãng Motimo –Trung Quốc. + Lưu lượng dòng ra từ 5000-7000 l/h 2.3.Bộ lọc Nano: 1. Mục đích: Tham gia trực tiếp vào quá trình khử mặn một phần nước biển, giữ lại hầu hết các ion hóa trị 2, một phần ion Na+ và ion Cl-. Hiệu suất khử muối từ 80-95%, tỉ lệ thu hồi nước với mỗi màng riêng lẻ khoảng 15-25 %. 2. Sơ đồ vận hành: Bồn chứa 3 Bơm áp lực Cột lọc NF Bồn chứa 4 Bồn thu nước thải 3. Nguyên tắc vận hành: Nước từ bồn chứa được bơm với áp lực khoảng 4,8 bar theo ống dẫn tới cột lọc NF, tại đây các ion hóa trị 2 và một phần các ion hóa trị 1 bị giữ lại thành dòng dịch đặc theo ống dẫn thoát vào hệ thống thoát nước sàn. Nước trong thu được theo ống dẫn về bồn chứa 4. Toàn bộ các mối nối, đường ống cần chịu được áp lực và ăn mòn hóa học. Áp lực vận hành luôn ổn định, khoảng dao động tối đa cho phép là 0.03 bar, áp lực khởi động tăng đều trong khoảng 30-60 s. 4. Chi tiết thiết kế: - Bồn chứa nước là loại bồn nhựa 500l của hãng Tân Á Đại Thành, đảm bảo bền chắc, không bị phá hủy bởi ăn mòn hóa học. - Bơm sử dụng là loại bơm chịu được ăn mòn, do phải bơm nước biển. Bơm có Q = 1500 l/h , H = 9 bar. - Ống sử dụng là ống HDPE D21. - Cột lọc NF: + Màng NF có dạng lọc trượt, ống thu nước đặt ở trung tâm. + Màng được làm bằng chất liệu PVDF, chịu được ăn mòn do nước biển. + Vỏ màng làm bằng nhựa tổng hợp, đảm bảo bền chắc, chịu được ăn mòn. + Màng sử dụng là màng ESPA1- 4040 , Hydranautics. + Kích thước: D= 99 mm, L = 1016 mm. 3. Sơ đồ dây chuyền khử mặn nước biển. 1. Sơ đồ 1 Bộ lọc cát Bộ siêu lọc UF Bộ lọc NF Bộ lọc RO Nước ra Nước biển 2. Sơ đồ 2 Bộ lọc cát Bộ siêu lọc UF Bộ lọc NF Bộ lọc trao đổi ion Nước ra Nước biển 3. Sơ đồ 3 Bộ lọc cát Bộ siêu lọc UF Bộ lọc NF 1 Bộ lọc NF 2 Nước ra Nước biển 4. Sơ đồ 4 Bộ siêu lọc UF Bộ lọc Nano NF Bộ lọc RO Nước ra Nước biển 5.Sơ đồ 5 Bộ siêu lọc UF Bộ lọc NF Bộ lọc trao đổi ion Nước ra Nước biển 6. Sơ đồ 6 Bộ siêu lọc UF Bộ lọc NF 1 Bộ lọc NF 2 Nước ra Nước biển 4. Cách tiến hành và lấy mẫu thí nghiệm Nước sau quá trình xử lý sẽ được lấy mẫu, đem đi phân tích cụ thể. Nhưng trong mô hình cũng được bố trí các vị trí lấy mẫu sau mỗi quá trình xử lý,sau đó tiến hành đo mẫu trực tiếp, kết quả đo mẫu được ghi lại và nhận xét. Cụ thể bố trí các vị trí lấy mẫu sau mỗi quá trình xử lý : trên mô hình bố trí 3 vị trí lấy mẫu. Trên đường ống vào bồn chứa nước sau lọc cát bố trí 1 vị trí lấy mẫu, trước khi nước vào bồn sau UF và NF cũng bố trí vị trí lấy mẫu nước. Các vị trí này giúp lấy mẫu ngay trong quá trình hoạt động của các quá trình xử lý, việc này có ý nghĩa quan trọng trong các quá trình xử lý sau đó. Cách đo mẫu : Sử dụng máy đo độ muối, TDS, độ dẫn điện Ec…Mẫu được lấy trực tiếp, sau những khỏang thời gian nhất định vào các bình thí nghiệm sau đó tiến hành đo. CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - THẢO LUẬN ab Vì điều kiện và tính chất phòng thí nghiệm không thể lấy trực tiếp và sử dụng nước biển nên nhóm nghiên cứu sử dụng nước đầu vào là nước pha muối.Nước đầu vào vẫn đảm bảo nồng độ muối theo yêu cầu.