Luận văn Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử mặn nước biển của hệ thống lọc nước sử dụng màng lọc thẩm thấu chuyển tiếp (fo)

á cao lên đến 120-150.000 đồng/m3 nước. Việc mất nhiều thời gian đi xa để lấy nước sinh hoạt hay mua nước với giá cao tại các đảo ở Kiên Hải, Kiên Giang vào mùa khô đã gây khó khăn không nhỏ đến đời sống người dân. Tình trạng này cũng phổ biến ở hầu hết các vùng biển, hải đảo ở nước ta[2]. Những khó khăn về thiếu nước ngọt tại các vùng biển đảo, các vùng có nguồn nước bị xâm nhập mặn đặt ra nhu cầu về một giải pháp mới có tính đột phá. Từ đó, việc tìm ra một công nghệ tiên tiến có khả năng xử lý nước biển để sản xuất nước ngọt phục vụ cho sinh hoạt hiện đang là mối quan tâm rất lớn cho xã hội. 1.2. Thành phần của nƣớc biển Nước biển là sản phẩm kết hợp giữa những khối lượng khổng lồ các axit và bazo từ những giai đoạn đầu của sự hình thành trái đất. Các axit HCl, H2SO4 và CO2 sinh ra từ trong lòng đất do sự hoạt động của núi lửa kết hợp với các bazo sinh ra do quá trình phong hóa các đá thời nguyên thủy và tạo thành muối và nước. Thành phần chủ yếu của nước biển là các anion như Cl-, SO4 2- , CO3 2- , SiO3 2- , và các cation như Na+, Ca+2, Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn nước ngọt 2000 lần.Vì biển và đại dương thông nhau nên thành phần các chất trong nước biển tương đối đồng nhất.Hàm lượng muối (độ mặn) có thể khác biệt nhưng tỷ lệ những thành phần chính thì hầu như không đổi. Trong nước biển ngoài H2 và O2 ra thì Na, Cl2, Mg chiếm 90%; K, Ca, S (Dưới dạng SO4 -2 ) chiếm 7% tổng lượng các chất. Ở Đại Tây Dương tỷ lệ Na/Cl = 0,55 – 0,56. Ở Thái Bình Dương và Địa Trung Hải tỷ lệ Mg/Cl = 0,06 –0,07 và K/Cl = 0,02. Đại dương là nơi lắng đọng cuối cùng của nhiều vật thể, sản phẩm của nhiều quá trình hóa địa cũng như các chất thải do hoạt động của con người thải vào. Đại dương chấp nhận quá trình tuần hoàn lại từ các lục địa, sự hòa tan và bay hơi của nhiều sinh vật trên trái đất. Diễn đạt theo ngôn ngữ hóa học thì “Nước biển là dung dịch của 0,5 mol NaCl, 0,05 mol MgSO4 và vi lượng của tất cả các nguyên tố có mặt trong toàn cầu”. 8 Hình 2.Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước biển. 1.3. Tổng quan các công nghệ khử mặn nƣớc biển 1.3.1. Các công nghệ khử mặn nước biển 1.3.1.1. Công nghệ nhiệt a) Chưng cất nhanh nhiều bậc (Multistage Flash Distillation – MSFD) Trong quá trình chưng cất nhanh nhiều bậc, nước biển được làm nóng lên và bay hơi, sau đó hơi nước được cô đọng lại để sản xuất nước đã được khử muối. Hơi nước được cô đặc này sẽ được sử dụng như là một nguồn năng lượng nhiệt để làm nóng nước biển chảy vào. Sự bay hơi và phần cô đặc lại được phân chia thành nhiều giai đoạn lặp đi lặp lại nhiều lần, do đó làm tăng thêm hiệu quả. Một trong những ưu điểm của quá trình xử lý nước chưng cất nhanh nhiều bậc là khả năng sản xuất ra số lượng lớn nước ở tại cùng một thời điểm. Bởi vì quá trình này chỉ cần sử dụng máy làm bay hơi áp lực/nhiệt độ thấp như một nguồn năng lượng nhiệt, thay vì các quá trình khử muối này mà phải gây tốn nhiệt từ nhà máy điện[11]. 9 Hình 3.Sơ đồ nguyên lý vận hành công nghệ MSFD. b) Chưng cất đa hiệu ứng (Multieffect Distillation – MED) Lượng nước cung cấp bay hơi nhanh, tuy nhiên hầu hết nước biển này được phân tán qua một số ống của máy bay hơi và được đun sôi.Hơi nước sau đó được ngưng tụ lại để sản xuất ra nước sạch, quá trình này được lặp đi lặp lạiliên tục. Quá trình bay hơi diễn ra trong một bơm chân không, nước biển tạo ra có thể đạt tới điểm sôi thậm chí kể cả ở nhiệt độ thấp[11]. 1.3.1.2. Công nghệ màng a) Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO) Thẩm thấu ngược (RO) là một quá trình tách qua màng cho phép nước biển thấm qua màng nhờ áp suất tác dụng vào lớn hơn áp suất thẩm thấu của nước biển. Màng cho phép nước thấm qua nhưng giữ lại các muối tan. Với phương pháp này này, ta tách được nước tinh khiết (sản phẩm) và phần cặn. Một nhà máy khử muối bằng công nghệ RO điển hình bao gồm ba công đoạn, cụ thể là tiền xử lý, tạo áp và phân tách bằng màng RO và xử lý bổ sung. Mức tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào hàm lượng muối của nước biển đầu vào. Sự phát triển công nghệ cho phép màng RO có tỉ lệ loại bỏ muối cao, trong khi vẫn duy trình tính thấm cao cũng như giảm năng lượng tiêu thụ[11]. 10 Hình 4.Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ RO. b) Điện thẩm tách (Electrodialysis – ED) Nguyên tắc của quá trình ED là tách các ion ra khỏi nước bằng cách đẩy các ion này qua màng thấm ion chọn lọc nhờ lực hút tích điện. Hệ thống ED bao gồm tập hợp các màng đặt giữa đường đi của dòng điện một chiều phát ra từ hai điện cực ở hai đầu. Nước muối đi qua giữa các màng đặt vuông góc với hướng dòng điện và vận tốc dòng muối phải đủ lớn để xáo trộn hoàn toàn. Về cấu tạo, các màng cation và anion đặt xen kẽ nhau giữa hai điện cực âm, dương ngăn cách bởi đệm plastic và hình thành nên cụm ngăn. Cụm ngăn này có hàng trăm cặp ngăn, mỗi cặp gồm một ngăn loãng và ngăn đậm đặc cạnh nhau. Dòng đậm đặc và loãng được thu qua ống thu riêng. Dòng một chiều khi qua nước muối sẽ kéo các anion về phía cực dương từ một ngăn qua ngăn kế bên. Màng thấm chọn lọc anion chỉ cho phép các anion thấm qua (Cl - , SO4 2-), tuy nhiên các anion sẽ bị giữ lại do màng cation. Tương tự với các màng cation theo hướng ngược lại. Màng thấm chọn lọc cation chỉ cho phép các cation thấm qua (Na+, Ca2+), tuy nhiên các cation sẽ giữa lại do màng anion. Khoảng cách giữa các màng không quá lớn, khoảng 1mm. Do sự di chuyển của các ion, nước trong một ngăn có hàm lượng ion giảm đi trong khi lượng ion trong ngăn 11 kế bên đậm đặc hơn, như vậy sẽ tạo ra hai dòng: dòng khử muối và dòng đậm đặc[11]. Hình 5.Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ ED c) Màng lọc nano (Nanofiltration – NF) Quá trình tách nước bằng màng NF là quá trình tách dựa trên áp lực, nước vận chuyển qua màng bán thấm, có kích thước cỡ nano. Sự chênh lệch áp suất giữa 2 bên dung dịch đầu vào và dung dịch sau lọc ở 2 bên màng dẫn đến quá trình tách muối khỏi nước. Áp suất vận hành thấp, thông lượng nước lớn và khả năng giữ lại các ion hóa trị cao là các ưu điểm của quá trình NF[11]. d) Màng thẩm thấu chuyển tiếp (Forward Osmosis – FO) Trình bày trong phần 1.4. 12 1.3.2. So sánh các công nghệ khử mặn Bảng 1.So sánh các công nghệ khử mặn nước biển[11]. Công nghệ khử mặn MSF MED RO ED NF FO Năng lượng tiêu thụ (kWh/m 3 ) Điện: 4 – 6 Nhiệt: 55 - 120 Điện: 2 – 2,5 Nhiệt: 30 - 120 Điện: 3,5 – 4,5 < 0,6 0,3 - 1 0,84 Chất lượng nước tạo ra (mg TDS/L) 1 – 50 1 – 50 50 – 90 0 – 10 30 – 45 120 – 200 Chi phí đầu tư Rất cao Cao Thấp – trung bình Thấp – cao Thấp Thấp Sự thay đổi thành phần nước biển Trung bình – cao Cao Rất thấp Rất cao Rất thấp Rất thấp Yêu cầu bảo dưỡng Trung bình Thấp Cao Cao Thấp Cao nhưng thấp hơn so với RO Quy mô ứng dụng Nhỏ - vừa Nhỏ Lớn Rất nhỏ Ít hơn RO Lớn nhưng ít hơn RO Yêu cầu hóa chất Lớn Trung bình Lớn Nhỏ Nhỏ Trung bình Tỉ lệ nước tạo ra/nước đầu vào 0,1 – 0,2 0,1 – 0,25 0,3 – 0,5 0,8 – 0,9 0,7 0,3 – 0,85 Yêu cầu kỹ thuật Cao Cao – trung bình Trung bình Trung bình Thấp Thấp 13 Khả năng tắc màng Cao Thấp Cao Thấp Phát thải khí nhà kính Có Có Không đáng kể Không có thông tin Không đáng kể Không đáng kể Hệ thống vận hành tự động hoàn toàn Có thể Có thể Có thể Có thể Có thể Có thể Hạn chế Bơm, van, hệ thống chân không Quá trình lắp đặt và xây dựng, độ ổn định của nhà máy Bơm Chất ô nhiễm vi khuẩn Tắc màng, vòng đời của màng bị giới hạn, dư lượng hóa chất còn lại Thiếu màng lọc tối ưu tạo ra thông lượng nước cao; thiếu dung dịch lôi cuốn lý tưởng Bảng 1 thể hiện sự so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các phương pháp khử mặn. Có thể thấy rằng công nghệ FO yêu cầu ít năng lượng tiêu tốn hơn cho mỗi m3 nước so với các phương pháp nhiệt và màng khác. Màng lọc nano đã có những hứa hẹn bước đầu, tuy nhiên vẫn cần thời gian trước khi ứng dụng hiệu quả lý thuyết vào thực tế quá trình khử mặn. Công nghệ màng nano nếu chỉ sử dụng độc lập sẽ có nhiều hạn chế, chẳng hạn như hiện tượng tắc màng, vì vậy cần kết hợp nó với công nghệ khác thích hợp. Chi phí yêu cầu cho một nhà máy FO là thấp hơn rõ ràng so với các công nghệ sử dụng nhiệt, thậm chí cả công nghệ RO. So với RO, FO ít tắc màng hơn, phạm vi ứng dụng hẹp hơn và lượng nước cặn thải ít hơn. Mặc dù chất lượng nước đầu ra dao động trong khoảng rộng hơn các phương pháp nhiệt, nhưng điều đó không quá quan trọng vì thành phần chất rắn hòa tan vẫn dưới giới hạn cho phép của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Phát thải khí nhà kính của các phương pháp màng ít hơn đáng kể so với các công nghệ sử dụng nhiệt. Tuy nhiên, dung dịch lôi cuốn và vật liệu màng FO vẫn đang cần nghiên cứu sâu hơn để cải tiến quá 14 trình công nghệ. Bên cạnh đó, so với các công nghệ màng khác, khả năng ít bị tắc màng cũng là ưu điểm của FO[11]. 1.4. Hệ thống lọc nƣớc sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO) 1.4.1. Cơ sở khoa học của hiện tượng thẩm thấu chuyển tiếp Thẩm thấu chuyển tiếp (forward osmosis – FO) là quá trình thẩm thấu, tương tự như thẩm thấu ngược (reserve osmosis-RO) quá trình này sử dụng màng bán thấm để tách nước từ các chất hòa tan. Việc tách nước được thực hiện dựa trên cơ sở sự chênh lệch áp suất thẩm thấu, dung dịch lôi cuốn có nồng độ cao được sử dụng để tạo ra dòng nước chảy thông qua màng lọc, đi vào dung dịch lôi cuốn, tách nước trong dung dịch đầu vào khỏi các chất tan của nó. Ngược lại, quá trình thẩm thấu ngược sử dụng áp suất thủy lực là sức mạnh để tách nước, điều này làm giảm sự chênh lệch áp suất thẩm thấu, tạo ra thông lượng nước nhỏ hơn chuyển ngược vào dung dịch đầu vào. Chính vì thế, quá trình thẩm thấu ngược yêu cầu nguồn năng lượng nhiều hơn khi so sánh với quá trình thẩm thấu chuyển tiếp[17]. Mối quan hệ giữa thẩm thấu, áp suất thủy lực và thông lượng nước được biểu thị qua công thức sau: )( PAJw   Trong đó:  Jw: Thông lượng nước (L/(m 2 .h))  A: Thẩm thấu thủy lực của màng   : Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa hai mặt của màng lọc  P : Sự chênh lệch về áp suất thủy lực. Mối quan hệ của các đại lượng này trong thực tế phức tạp hơn so với công thức này, với thông lượng nước phụ thuộc vào các đặc điểm của màng, dung dịch đầu vào và dung dịch lôi cuốn[10]. Trong quá trình thẩm thấu chuyển tiếp, có sự khuếch tán ở cả hai phía tùy thuộc vào đặc tính của dung dịch lôi cuốn và dung dịch đầu vào. Điều này xảy ra hai vấn đề: các chất trong dung dịch lôi cuốn có thể khuếch tán sang dung dịch đầu 15 vào và ngược lại, các chất trong dung dịch đầu vào có thể khuếch tán sang dung dịch lôi cuốn thông qua màng lọc FO. Rõ ràng, hiện tượng này là kết quả của việc lựa chọn dung dịch lôi cuốn cho các quá trình thẩm thấu đặc trưng. Đặc biệt, sự thất thoát của dung dịch lôi cuốn có thể ảnh hưởng đến dung dịch đầu vào có thể liên quan đến các vấn đề môi trường hoặc gây ô nhiễm của dòng đầu vào như là các phản ứng sinh học của màng thẩm thấu[17]. Thẩm thấu chuyển tiếp (FO) là một công nghệ màng mới với một loạt ứng dụng trong xử lý nước.Hầu như không yêu cầu áp suất thủy lực để thực hiện quá trình này. Tiềm năng ứng dụng FO phụ thuộc vàonước đầu vào và dung dịch lôi cuốn được lựa chọn, và các mục tiêu chất lượng nước đề ra. Trong FO, nước được tách từ dung dịch đầu vào (FS) có áp suất thẩm thấu thấp sang dung dịch lôi cuốn (DS) có áp suất thẩm thấu cao; quá trình này được thực hiện bằng sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa hai chất lỏng ở hai mặt đối diện của màng bán thấm và kết quả gia tăng nồng độ của dung dịch đầu vào và pha loãng dung dịch lôi cuốn. Sự gia tăng thể tích nước của ở bên dung dịch sẽ tạo nên sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh và được gọi là sự chênh lệch áp suất thẩm thấu π[17]. Áp suất thẩm thấu của dung dịch có thể được tính theo phương trình Van Hoff: π = iCRT (1) Trong đó: i là hệ số Van Hoff C là nồng độ của các chất tan trong dung dịch (mol.L-1) R là hằng số khí (8,3145 J.K-1mol-1) T là nhiệt độ (K) Đối với màng FO, sự suy giảm thông lượng nước do tắc màng thấp hơn so với các hệ thống RO, đặc biệt khi nước thải có khả năng tắc màng cao khi được sử dụng như dung dịch đầu vào, bởi vì quá trình FO chính nó không sinh ra các chất lơ lửng và các chất ô nhiễm hữu cơ khác vào trong màng (Hollway và cs, 2007) giảm chi phí cho việc tiền xử lý[17]. Lee và cs(2010) đã nghiên cứu so sánh sự tắc nghẽn dưới cùng điều kiện vận hành áp suất thủy lực giống nhau (Thông lượng thẩm thấu ban đầu và vận tốc dòng chảy) và các đặc điểm hóa học của dung dịch đầu vào (pH, 16 độ mạnh của ion, hàm lượng canxi) của các hệ thống FO và RO cho thấy rằng độ dày và suốt quá trình bị tắc do các chất hữu cơ ở FO sau khi làm sạch thủy lực hầu như được thu hồi toàn bộ, trong khi không có thay đổi nào được ghi nhận đối với hệ thống RO. Trong một nghiên cứu khác, số liệu cho thấy rằng sự tắc màng FO bị chi phối bởi ảnh hưởng kết hợp của thủy lực và hóa học. Nồng độ canxi, khả năng thấm và lực cắt thủy lực là các yếu tố chính chi phối sự phát triển tầng lọc trên bề mặt màng FO (Mi và Elimelech, 2008)[10]. 1.4.2. Nguyên lý hoạt động Trong thập kỉ qua, công nghệ FO đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và đươc̣ đánh giá như một công nghệ màng lọc triển vọng. Do đó , trên thế giới đa ̃có rất nhiều nghiên cứu đươc̣ tiến hành để phát triển công nghê ̣này . Trong xử lý nước, một quá trình xử lý bằng màng FO gồm hai bước chính (Hình 6): nước tinh khiết được chiết bằng thẩm thấu từ dung dịch nước cần xử lý sang dung dịch lôi cuốn, khi đó nồng độ dung dịch lôi cuốn bị pha loãng và sẽ được hoàn nguyên và tách nước sạch bằng một quá trình khác sử dụng hoặc không sử dụng màng. Nhiều dung dịch lôi cuốn và phương pháp hoàn nguyên khác nhau đã được nghiên cứu ví dụ như: các dung dịch chứa các phân tử mang từ tính (hoàn nguyên bằng phương pháp điện từ); các dung dịch chứa các phân tử lớn (hoàn nguyên bằng phương pháp UF, NF); dung dịch chứa các muối phân hủy nhiệt (hoàn nguyên bằng phương pháp chưng cất); hoặc kết hợp với phương pháp RO (dòng nước thải ra từ bộ lọc RO là dung dịch lôi cuốn cho bộ lọc FO). Quá trình hoàn nguyên để tách nước khỏi dung dịch lôi cuốn sử dụng năng lượng nhiều hơn so với quá trình màng FO[18]. 17 Hình 6.Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tách nước sử dụng màng FO[21] Động lực trong FO đươc̣ taọ ra môṭ cách tư ̣nhiên dưạ vào sư ̣chênh lêc̣h áp suất thẩm thấu giữa dung dic̣h đầu vào và dung dịch lôi cuốn. Chính điều này đa ̃taọ ra nhưng ưu điểm vươṭ trôị cho công nghê ̣FO so với các công nghê ̣loc̣ sử duṇg thủy lực khác (ví dụ : RO, lọc nano,) vì sự tiêu thụ năng lượng ít và giảm thiểu nguy cơ gây tắc ngheñ màng trong quá trình sử duṇg lâu dài [18] . 1.4.3. Vật liệu màng 1.4.3.1. Các loại màng được nghiên cứu và ứng dụng cho công nghệ lọc nước FO Màng thẩm thấu chuyển tiếp FO đóng vai trò thiết yếu trong việc đánh giá tiềm năng và sự phát triển của công nghệ lọc nước này.Những nghiên cứu phục vụ cho việc phát triển công nghệ lọc nước FO gần đây chủ yếu là những nghiên cứu và phát minh về màng. Những loại màng thông thường được sử dụng trong hệ thống RO được đánh giá là không phù hợp với FO vì nó làm gia tăng thêm các hiệu ứng phân cực nồng độ[17]. Màng sử dụng trong công nghệ FO phải đáp ứng được các tiêu chí sau: - Có khả năng cho nước thấm qua cao từ đó dẫn đến thông lượng nước lớn. - Có tính chọn lọc cao vì nếu sự chọn lọc của màng kém, muối của dung dịch cấp dễ nghẽn ở màng dẫn đến tình trạng tắc màng. Ngoài ra chọn lọc hiệu 18 quả còn làm giảm thiếu sự vận chuyển và thấm ngược các phân tử muối của dung dịch lôi cuốn sang nước đầu vào - nhân tố dẫn đến động lực của dòng nước giảm. - Có độ bền cơ học cao[19]. Hiện nay đã có một số phát minh nổi bật về màng được sử dụng trong công nghệ FO, một trong số đó là màng Polyamit (polyamide-based), Composit màng mỏng (TFC) và màng cellulose triaxetat (CTA). Màng TFC được đánh giá là có hiệu quả vượt trội hơn hẳn so với 2 loại màng còn lại, với độ thấm nước gấp 3 lần so với màng CTA; khả năng cho muối thấm qua chỉ bằng 0,5 lần so với CTA và 0,7 lần so với Polyamit; độ chọn lọc gấp 5 lần CTA và 2 lần so với Polyamit; độ bền cơ học gấp 1,4 lần so với CTA và gần 5 lần so với Polyamit [7]. 1.4.3.2. Màng TFC (Thin-film Composite) Màng TFC được cấu tạo bởi 3 lớp: Một lớp polyamide chủ động chọn lọc (lớp hoạt động), hình thành bởi việc trùng hợp trên bề mặt của polysulfone (PSf). Lớp polysulfone được chế tạo bằng việc tách pha trên một loại vải polyester (PET) mỏng không dệt (khoảng 40-50µm).Độ dày của một màng TFC trung bình vào khoảng 95 µm [7]. Hình 7.Màng TFC sử dụng trong công nghệ FO có cấu tạo bởi 3 lớp[7]. 19 Hình 8.Cấu tạo của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển vi: (A) Mặt trên lớp Polyamide;(B) Mặt dưới lớp PSF[7]. Lớp polysulfone có chức năng như một lớp xốp hỗ trợ, làm ranh giới khuếch tán để giảm đi sự khác biệt quá lớn giữa áp suất thẩm thấu qua lớp polyamide.Vì vậy lớp polysulfone phải thật mỏng, có độ xốp cao và phải cung cấp một đường dẫn trực tiếp từ lôi cuốn đến bề mặt của màng.Polyester đóng vai trò như một lớp lót cho polysulfone, thường phải mỏng và có cấu trúc tương đối mở[7]. 20 Hình 9.Mặt cắt ngang của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển vi: (A) Lớp vải PET không dệt; (B) Hình ảnh phóng to hình dạng dày, gần giống bọc, gần lớp hoạt động[7]. 1.4.4. Chất lôi cuốn lý tưởng cho quá trình thẩm thấu chuyển tiếp Tính sẵn có, phổ biến của chất lôi cuốn là rất quan trọng đối với công nghệ FO. Một dung dịch lôi cuốn thích hợp không chỉ thúc đẩy hiệu quả của quá trình FO mà còn tiết kiệm chi phí cho các bước tiếp theo là tái tạo và bổ sung thêm chất lôi cuốn. Bên cạnh độ độc thấp và chi phí thấp, một chất lôi cuốn lý tưởng cần đáp ứng một số yêu cầu sau: Một là, chất lôi cuốn có khả năng tạo ra áp suất thẩm thấu cao. Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa dung dịch lôi cuốn và nước đầu vào tạo ra động lực cho 21 quá trình thẩm thấu. Áp suất thẩm thấu của dung dịch lôi cuốn phải lớn hơn áp suất thẩm thấu của nước đầu vào để đảm bảo tạo ra dòng nước thấm qua màng. Theo công thức Morse, biến đổi từ công thức Van‟t Hoff (công thức (1)), xem xét đối với dung dịch ion hòa tan, áp suất thẩm thấu của dung dịch, π, có thể biểu diễn như sau: π = iCRT = i( 𝑛 𝑉 )RT (2) Trong đó: n là số mol chất tan (mol), V là thể tích dung dịch (L). Vì vậy, để đạt được áp suất thẩm thấu cao, yêu cầu cần có là khả năng tan tốt của chất tan trong nước, điều này sẽ giúp đạt được giá trị n hoặc C(mol/L) lớn. Ngoài ra, một hợp chất ion có khả năng phân ly hoàn toàn để tạo các ion thành phần được ưu tiên, vì tạo ra i lớn. Điều này chỉ ra rằng các chất tan đa hóa trị là các chất phù hợp. Vì vậy, các chất có khả năng tan tốt trong nước và khả năng phân ly cao sẽ là các chất lôi cuốn tiềm năng[27]. Hai là, thông lượng thấm ngược của chất lôi cuốn phải nhỏ. Khi màng FO không phải là một màng bán thấm lý tưởng, chất lôi cuốn có thể khuyếch tán từ dung dịch lôi cuốn sang nước đầu vào. Dòng thấm ngược chất tan xảy ra do có sự chênh lệch lớn giữa nồng độ dung dịch lôi cuốn và nồng độ nước đầu vào. Thông lượng chất tan thấm ngược (g/m2h hay GMH) được xác định theo công thức: Js = 𝐶𝑡 .𝑉𝑡−𝐶𝑜 .𝑉0 𝐴𝑚 .∆𝑡 Trong đó: Co và Ct (mol/L) là nồng độ ban đầu và nồng độ của dung dịch đầu vào lần lượt được xác định ở thời điểm ban đầu vàsau khoảng thời gian ∆t (h) thực hiện thí nghiệm. Tương ứng, Vo và Vt (L) là thể tích ban đầu và thể tích của dung dịch đầu vào lần lượt được xác định, tương ứng với nồng độ Co và Ct.Amlà diện tích màng (m2). Nồng độ chất tan trong nước đầu vào có thể tính toán thông qua giá trị độ dẫn điện khi nước đầu vào là nước deion. Ngoài ra, cũng có thể tính toán nồng độ chất tan qua giá trị tổng cacbon hữu cơ[27]. Sự có mặt của dòng thấm ngược chất tan ảnh hưởng xấu đến hiệu quả của quá trình FO. Nó không chỉ làm giảm động lực của quá trình và nhiễm bẩn nước đầu vào mà còn làm gia tăng chi phí bổ sung chất lôi cuốn. Vì vậy, thông lượng thấm ngược chất tan nhỏ là yếu tố quan trọng của quá trình FO[20]. 22 Ba là, yêu cầu khả năng dễ hoàn nguyên của dung dịch lôi cuốn sau quá trình FO. Thông thường, FO được gắn với một quá trình khác để sản xuất nước sạch. Ví dụ, đối với hệ thống khử muối nước biển bằng FO cần ít nhất hai giai đoạn: (1) tách nước từ nước biển bằng dung dịch lôi cuốn, (2) tách nước thành phẩm khỏi dung dịch lôi cuốn đã bị hòa loãng bằng công nghệ RO, NF, UF, MD hoặc các công nghệ sử dụng nhiệt khác. Những quá trình này đều tiêu thụ năng lượng như là áp suất nước hoặc nhiệt để cô đặc dung dịch lôi cuốn đã hòa loãng. Vì vậy, khả năng hoàn nguyên đơn giản của dung dịch lôi cuốn là mục tiêu lớn để đạt được mức tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành thấp[5,27]. Cuối cùng là, chất lôi cuốn tiềm năng là có khối lượng phân tử nhỏ và độ nhớt của dung dịch thấp. Sự phân cực nồng độ bên trong một phần là do hệ số khuyếch tán thấp của chất tan. Hệ số khuyếch tán của chất tan tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử và độ nhớt của dung dịch. Một chất lôi cuốn có khối lượng phân tử và độ nhớt lớn sẽ có hệ số khuyếch tán nhỏ, do đó sự phân cực nồng độ bên trong là đáng kể. Vì vậy, một chất có khối lượng phân tử và độ nhớt nhỏ được ưu tiên sử dụng. Các yêu cầu khác bao gồm khả năng ổn định trong nhiệt độ môi trường và tính phù hợp với màng FO[27]. 1.4.5. Các nghiên cứu về dung dịch lôi cuốn và phương pháp thu hồi Trong vài thâp̣ kỷ gần đây , các nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra các dung dic̣h lôi cuốn thích hơp̣ cho hê ̣thống FO . Các chất lôi cuốn , phương pháp thu hồi và haṇ chế của nó đa ̃đươc̣ trình bày trong bảng 2. Một cái nhìn tổng quan đại diện cho dung dịch lôi cuốn với phương pháp thu hồi hoặc tách bằng các hình thức khác nhau khi sử dụng màng cellulose axetate được liệt kê trong bảng 2: Batchelder (1965) là người tiên phong trong việc sử dụng các chất hòa tan dễ bay hơi (SO2) làm dung dịch lôi cuốn. Frank đưa ra ý tưởng kết tủa muối Al2SO4 bằng cách sử dụng Ca(OH)2 để tách CaSO4 và Al(OH)3 ra khỏi nước. Lượng dư Ca(OH)2được xử lý bằng bổ sung axit sunfuric hoặc khí Cacsbonic. Kravath, Davis và Stache sử dụng glucose và fructose làm dung dịch lôi cuốn. Yaeli dùng công nghệ RO để thu hồi lại Glucose. Hầu hết các nghiên cứu từ cuối năm 1990 đến đầu năm 2000 là sử dụng dung dịch muối NaCl và MgCl2. Glew 23 (1965) và McGinnis (2002) tạo hỗn hợp SO2,rượu với KNO3 là dung dịch lôi cuốn. Cath dùng NaCl làm dung dịch lôi cuốn và sử dụng chưng cất để thu hồi lại dung dich lôi cuốn. Elimelech, McCutcheon dùng hỗn hợp khí NH3, CO2, NH4HCO3 và dùng nhiệt để tách NH4HCO3 thành NH3 và CO2 [21].Ngoài ra còn có Adam sử dụng một số vật liệu như các hạt nano từ tính sử dụng lọc từ tính để thu hồi,với Albumin thu hồi bằng cách làm biến tính và cố định chúng lại, Dendrimers sử dụng pH để thu hồi lại. Tai Shung Chung cùng các đồng nghiệp (2009) đã nghiên cứu một loại dung dịch lôi cuốn là nhóm các phân tử thuộc gốc imidazole cụ thể là 2 – methylimidazon [35] . Bảng 2.Bảng tổng hợp một số dung dịch lôi cuốn sử dụng đối với màng FO khử mặn [12,13,16,31,34-36]. Năm Nhóm nghiên cứu Dung dịch/chất lôi cuốn Phƣơng pháp thu hồi 1965 Batchelder SO2 Đuổi khí bằng nhiệt 1965 Glew Hỗn hợp nước với SO2 hoặc rượu no Nhiệt/chưng cất 1972 Frank Amoni sunphat Kết tủa với Ca(OH)2 1975 Kravath và Davis Glucose Không yêu cầu 1976 Kessler và Moody Dung dịch dinh dưỡng Không yêu cầu 1989 Stache Fructose Không yêu cầu 1992 Yaeli Glucose RO 2002 McGinnis KNO3 và SO2 Làm mát và đun nóng 2005- 2007 Elimelech NH4HCO3 Đun nóng 2007 Adham Hạt nano từ tính Sử dụng hộp tách nhỏ 2007 Adham Dendrime UF 2007 Adham Albumin Nhiệt 2010 Chung Hợp chất hữu cơ gốc 2- Methylimidazol FO-MD 2010- 2011 Chung Hạt nano từ tính Sử dụng từ trường 2011 Wang Vật liệu polyme dạng hydrogen Kích thích bằng áp suất và nhiệt 24 2011 Chung Hạt nano siêu ưu nước UF 2012 Chung Muối Natri axit polyacrylic (PAA-Na) UF 2012 Chung Hạt nano phân tách bề mặt Hệ thống kết hợp từ trường – NF 2013 Stewart Muối phosphazene hóa trị VI Không báo cáo 2013 Alnaizy Đồng sunphat Kết tủa kim loại 2013 Ou Chất đa điện phân nhạy nhiệt UF 2013 Cai Hydrogen bán IPN Nhiệt 2014 Na Hạt nano phủ citrat (cit- MNPs) Không báo cáo 2014 Zhao Poly (natri 4-styrensunfonat -co-n-isopropylacrylamide) Màng chưng cất (MD) 2014 Sato Dimethyl ete Khuyếch tán khí 2014 Ge Phức sắt và Coban hidro axit NF 2015