1.1. Các phương pháp nhiệt
1.1.1 Bay hơi nhanh nhiều bậc (Multi Stage Flash - MSF) [6]
Phương pháp này được thương mại hoá vào những năm 50 của thế kỷ XX. Hệ
thống loại này có những đặc trưng sau:
Có từ 15 đến 25 bậc;
Công suất có thể đạt được giao động từ 1 – 15 triệu gallon/ngày;
Nhiệt độ của dung dịch muối trong hệ thống từ 70o – 90oC.
Trong nhóm công nghệ bay hơi nhanh nhiều bậc này người ta đã phát triển
nhiều hệ thống khác nhau để nâng cao hiệu quả của quá trình chưng với một số công
nghệ cơ bản như: Tuần hoàn dung dịch muối (Brine Circulation), nước đi qua hệ
thống 1 lần (Once Through), hơi nén (Vapour Compression), khuấy trộn dòng vào với
dung dịch thải (Brine mixing), trong số đó thì hệ thống bay hơi nhiều bậc có tuần hoàn
dung dịch được sử dụng rộng rãi nhất.
Hệ thống khử muối bay hơi nhiều bậc tuần hoàn dung dịch muối (hình 1.4):
Đối với hệ thống này, nước đầu vào được chia thành hai dòng: dòng thứ nhất là
dòng làm mát (Mcw) dòng này chiếm một thể tích nhỏ, sau đó được đưa trở lại biển;
dòng thứ hai là dòng vào các bậc bay hơi của hệ thống (Mf). Dòng này sau đó được
khử khí và xử lý hoá học ở bộ phận thải nhiệt trước khi vào các bậc bay hơi phía sau.
Dòng dung dịch tuần hoàn (Mr) được lấy từ bể chứa ở bậc cuối cùng của bộ
phận thải nhiệt và đưa vào các ống ngưng tụ ở bậc cuối cùng của bộ phân thu hồi
nhiệt. Dòng này được gia nhiệt nhờ sự hấp thụ nhiệt ngưng tụ. Dòng hơi nóng (M s)
được ngưng tụ bên ngoài bề mặt các ống ngưng tụ. Còn dòng dung dịch muối thì hấp
thụ nhiệt của dòng ngưng tụ và nhiệt độ của nó tăng lên đến giá trị cực đại (T0).
Dung dịch nước muối nóng sẽ đi vào các bậc bay hơi nhanh ở bộ phận thu hồi
nhiệt sau đó đi sang bộ phận thải nhiệt, tại đây một ít hơi nước được tạo thành bởi sự
bay hơi dung dịch muối trong mỗi bậc. Như mô tả ở dưới thì hơi được lấy nhờ vào sự
giảm áp suất trong mỗi bậc.
Trong mỗi bậc bay hơi thì hơi được ngưng tụ bên ngoài ống chùm, tại đây dòng
dung dịch muối tuần hoàn (Mr) đi bên trong ống để làm lạnh hơi nóng bên ngoài. Bộ
phận thu hồi nhiệt có tác dụng làm tăng nhiệt độ của dung dịch muối.
Hơi nước ngưng tụ bên ngoài các ống ngưng tụ đựơc tích trữ lại qua các bậc và
tạo thành dòng sản phẩm cất (Md), dòng này đi qua nhiều bậc theo hướng từ bậc có
nhiệt độ cao đến bậc có nhiệt độ thấp hơn và nước đã được loại muối được thu hồi ở
bậc cuối cùng của bộ phận thải nhiệt.
Sự bay hơi và hơi nước được hình thành bị giới hạn bởi sự gia tăng thể tích
riêng ở nhiệt độ thấp cũng như những khó khăn gặp phải trong quá trình vận hành ở áp
suất thấp.
Hình 1.4 Hệ thống khử muối bay hơi nhanh nhiều bậc - tuần hoàn dung dịch muối
(MSF - BR) [6]
Nhiều bậc bay hơi của hệ thống MSF hoạt động dưới 100 oC và áp suất thấp.
Trong quá trình hoạt động dung dịch nước muối có thể gia tăng các khí hoà tan dưới
dạng vết do sự rò rĩ từ ngoài vào, do sự khử khí không hoàn toàn ở tháp khử khí hay
do phân giải CaHCO3, điều này có thể là nguyên nhân chính là giảm vận tốc tải nhiệt
giữa các buồng bay hơi với nhau. Đây là nguyên nhân có thể làm gia tăng khuynh
hướng ăn mòn và giảm vận tốc bay hơi.
Quá trình tiền xử lý nước biển trước khi đưa vào hệ thống thường chỉ là quá
trình lọc sơ bộ và kỹ hơn là thêm công đoạn khử khí và bổ sung các hoá chất để giảm
sự đóng cặn hay kéo màng trong thiết bị.
1.1.2 Chưng hơi đa bậc (Multiple Effect Evaporlation - MEE)
Bay hơi đa bậc hay còn gọi là quá trình chưng đa bậc (Multiple Effect
Distillation - MED), nó có cơ sở từ quá trình bay hơi nhiều bậc (MSF).
MED là quá trình chưng cất công nghiệp lâu đời nhất được sử dụng trong khử
mặn nước biển. Nó là công nghệ chắc chắn, kĩ thuật hoàn hảo, chất lượng nước cất
cao, và quá trình hoạt động được theo dõi dễ dàng. Hiện tại khoảng 3,5% lượng nước
khử muối trên thế giới được tạo ra bằng phương pháp này.
Phương pháp này có thể được phân thành hai loại là MED nhiệt độ thấp (LT MED) và MED nhiệt độ cao (HT - MED). Đối với hệ thống LT – MED thì nhiệt độ
làm việc có thể thấp ở 60oC – 70oC và nhiệt độ ra ở bậc cuối cùng có thể ở 40oC, quá
trình này sử dụng năng lượng hiệu quả hơn so với hệ thống MSF và thời gian làm việc
khoảng 23 năm. Còn HT – MED thì sử dụng dòng khí nhiệt độ cao, quá trình đóng cặn
được kiểm soát trong suốt quá trình tiền sử lý của dòng nước biển vào, HT – MED
được sử dụng nhiều hơn LT – MED và hiệu suất của quá trình này gấp đôi HT – MED.
Sau đây là một quá trình điển hình cho công nghệ này:
Hệ thống MED bao gồm một số thiết bị bay hơi thường từ 8 – 16, thiết bị này
làm việc theo nguyên tắc trao đổi nhiệt gián tiếp, một dãy các hộp bốc hơi, các bộ
ngưng tụ và hệ thống thông gió. Một bậc riêng rẻ bao gồm bộ phận trao đổi nhiệt,
không gian bay hơi, bộ khử sương và các phụ kiện khác. Trong thiết bị bay hơi thì
dòng nước được phun từ trên xuống dưới dạng các hạt nhỏ li ti và tiếp xúc với các ống
được bố trí nằm ngang, các ống này có dòng khí đi qua bên trong.
Hình 1.5 Hệ thống chưng đa bậc với dòng vào song song (MED - PF)
(Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination
technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001)
Trong hệ thống dòng hơi đi từ trái sang phải theo chiều giảm áp suất, còn dòng
nước biển hay dung dịch muối đi vào hệ thống từ phía trên và được phân bố đều trên
toàn bộ bề mặt tiết diện ngang của thiết bị chưng nhờ hệ thống phân phối. Dòng nước
được dẫn từ thiết bị bay hơi thứ nhất đến bay hơi thứ hai và dòng nước ra của thiết bi
thứ hai được đưa vào thiết bị thứ 3 và cứ liên tiếp như vậy cho đến bậc cuối cùng.
Nước biển hút vào được đưa vào bình ngưng, tại đây nó hấp thụ nhiệt của hơi
nước ngưng từ bậc cuối cùng, sau khi qua bình ngưng nhiệt độ của nước đầu vào được
tăng lên, một phần nước làm lạnh thì được đưa trở lại nguồn, phần kia thì chia thành
nhiều dòng được xử lý hoá học, được khử khí rồi sau đó phun vào các thiết bị bay hơi
Trong mỗi bậc, nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất trong
không gian bay hơi trước khi một lượng nhỏ hơi nước được tạo thành. Việc ngưng tụ
một lượng hơi quá nhiệt đi vào bên trong ống chùm ở bậc thứ nhất cung cấp nhiệt cần
thiết cho gia nhiệt và bay hơi.
Dòng hơi mang nhiệt đi vào quá trình được cấp từ một nồi hơi bên ngoài, nước
có độ sạch cao ở thiết bị bay hơi thứ nhất được đưa trở lại nồi hơi.
1.1.3 Bay hơi đơn bậc (Single Effect Evaporlation - SEE)
Đây cũng là quá trình bay hơi nhưng đơn giản hơn so với các bậc trên vì quá
trình này chỉ đi qua một thiết bị bay hơi. Sau đây là quy trình bay hơi đơn bậc phổ biến
nhất – quá trình bay hơi đơn bậc hơi nén cơ học.
Quá trình bay hơi đơn bậc hơi nén cơ học (hình 1.6)
Hình 1.6 Quá trình bay hơi đơn bậc nén hơi cơ học (SEE - MVC)
(Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination
technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001)
Quá trình gồm hai bộ phận: bộ phận gia nhiệt dòng vào và bộ phận bay hơi.
Tại bộ phận gia nhiệt dòng vào: nước biển (Mf, Tcw) đầu tiên được chia thành
hai dòng và bơm vào hai thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp. Một dòng trao đổi nhiệt với
sản phẩm (Md, Td) còn một dòng trao đổi nhiệt với dung dịch muối thải bỏ (Mb, Tb).
Dòng nước biển vào đi trong các ống của thiết bị còn dòng sản phẩm và dòng muối
thải bỏ đi bên ngoài thiết bị ống chùm. Nước biển vào sau khi trao đổi nhiệt với hai
dòng trên sẽ được gộp lại một dòng (Mf, tf) trước khi được đưa vào thiết bị bay hơi,
còn dòng sản phẩm sau khi trao đổi nhiệt với dòng nước vào sẽ thành sản phẩm cuối
cùng (Md,To) và dòng muối thải là dòng (Mb,To).
Tại bộ phận bay hơi: dòng (Mf,tf) được dẫn vào tháp chưng bằng cách phun
điều vào tiết diện tháp bằng một giàn phun, nước sau khi được phun dưới dạng các hạt
nhỏ li ti sẽ tiếp xúc với bề mặt ngoài của các ống trao đổi nhiệt được xếp ngang bên
trong các ống có dòng hơi nóng đi qua. Khi tiếp xúc với các ống trao đổi nhiệt thì nước
hấp thụ nhiệt và tăng nhiệt độ của nước được làm tăng đến nhiệt bốc hơi, hơi này đi
qua tấm khử sương và sau đó được ngưng tụ thành dòng sản phẩm (Md, Td), còn nước
biển sau khi đi qua giàn bốc hơi sẽ tăng nồng độ muối và đi xuống đáy tháp tạo thành
dòng dung dịch thải (Mb,Tb).
Hệ thống này là hệ thống chưng cổ điển và tương đối đơn giản, hiệu suất bay
hơi chưa cao đồng thời chất lượng nước sản phẩm sau khi cất cũng thấp hơn so với các
hệ thống khác.
1.1.4 Một số qúa trình khử muối sử dụng năng lượng nhiệt khác
Trong các biện pháp khử muối sử dụng nhiệt ngoài các hệ thống có thể áp dụng
ở quy mô công nghiệp trên thì ngày nay người ta phát triển thêm một số phương pháp
mới cũng sử dụng năng lượng nhiệt nhưng không tiêu tốn nhiều năng lượng nhờ vào
việc tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,
năng lượng sóng hay tận hay tận dụng quá trình bay hơi tự nhiên. Hoặc dựa vào sự
chênh lệch khối lượng riêng của nước ngọt và nước biển ở nhiệt độ đông đặc để đóng
băng và thu hồi nước ngọt. Ngày nay việc sử dụng năng lượng hạt nhân để khử mặn
cũng đang được tính đến.
1.2. Công nghệ màng
1.2.1 Màng điện thẩm tích (Electro Dialysis - ED)
Theo công nghệ này nước biển hoặc nước lợ được bơm vào khoảng giữa các
màng trao đổi ion với áp suất thấp, số lượng các màng có thể lên đến hàng trăm màng
đặt song song và xen kẽ nhau (hình 1.7).
Màng trao đổi cation là những màng chỉ cho phép các ion dương chuyển qua.
Màng trao đổi anion chỉ cho phép các ion âm đi qua (Hình 1.8).
Hình 1.7 Sự loại bỏ ion trong quá trình điện thẩm
(Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination
technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001)
Trong quá trình màng điện thẩm tách, tạp chất được tách loại khỏi nước nhờ
dòng điện. Dòng điện một chiều chuyển các ion qua màng để tạo ra dòng nước ngọt và
dòng nước muối có nồng độ cao hơn. Màng hình thành một rào cản giữa dung dịch
muối và “nước ngọt”. Phía màng có nồng độ muối 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.
Hình 1.8 Sự di chuyển các ion trong quá trình điện thẩm
(Nguồn: H. El-Dessouky and H. Ettouny, “Study on water desalination
technologies”, prepared for ESCWA in January, 2001)
1.2.2 Công nghệ thẩm thấu nghịch
Thẩm thấu nghịch, còn được gọi là siêu lọc, hiện là công nghệ lọc tốt nhất. Tiến
trình này cho phép loại bỏ các hạt chẳng hạn như ion khỏi dung dịch. Thẩm thấu
nghịch được sử dụng để lọc nước và loại bỏ muối cũng như các tạp chất khác để cải
thiện màu sắc, mùi vị hoặc các tính chất của dung dịch. Nó có thể được sử dụng để lọc
các dung dịch như ethanol và glycol. Màng thẩm thấu nghịch sẽ cho phép các dung
dịch này đi qua đồng thời cản các ion và chất ô nhiễm khác. Công nghệ thẩm thấu
nghịch được sự dụng phổ biến để lọc nước, đáp ứng được các chỉ tiêu khắt khe nhất
hiện nay.
Công nghệ thẩm thấu nghịch sử dụng một loại màng bán thấm có hàng triệu lỗ
tí hon, cho phép nước biển đi qua, đồng thời cản chất ô nhiễm như vi khuẩn, muối,
đường, protein, các hạt, nitrate, chloroform, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn
trùng, chất nhuộm, trihalomethanes, các chất hữu cơ khác và những thành phần có
trọng lượng hơn 150-250 dalton. Phần lớn công nghệ loại này sử dụng một tiến trình
được gọi là dòng giao nhau, cho phép màng liên tục tự làm sạch. Khi một số nước biển
đi qua màng, phần còn lại tiếp tục xuôi dòng, cuốn theo các chất hoặc sinh vật bị cản
ra khỏi màng.
Tiến trình cần một lực đẩy để đẩy nước đi qua màng và lực phổ biến nhất là áp
lực từ bơm. Áp lực càng cao, lực đẩy càng lớn. Công việc tách các ion được trợ giúp
bởi các hạt nhiễm điện. Điều đó có nghĩa là các ion bị hoà tan song mang điện tích,
như muối, chắc chắn bị đẩy khỏi màng so với những ion không nhiễm điện như các
chất hữu cơ. Điện tích và hạt càng lớn, khả năng bị đẩy càng cao.
Nhà máy biến nước biển thành nước ngọt đầu tiên tại Anh sử dụng công nghệ
thẩm thấu ngược. Nước biển từ cửa sông hoặc biển chảy vào nhà máy theo chiều
ngang. Nó chứa ion natri và chloride. Áp lực được tác động theo chiều thẳng đứng đẩy
nước muối đi qua màng siêu mịn. Nước đi ra khỏi màng có thể sử dụng để uống, tưới
tiêu và nhiều mục đích khác. Cặn muối và các tạp chất khác được thải trở lại biển. Tại
các nhà máy khử muối sản xuất nước sử dụng cho sinh hoạt, các tiến trình hậu xử lý
được triển khai để đảm bảo nước đáp ứng các tiêu chuẩn sức khoẻ cũng như tiêu chuẩn
chống bào mòn đường ống.
Sản phẩm nước được khử muối thường tinh khiết hơn so với các tiêu chuẩn
nước uống. Do vậy, khi được sử dụng cho các đô thị, nhà máy nước thường trộn nó
với các loại nước có mức chất rắn hoà tan cao hơn. Nước được khử muối có tính axít cao nên bào mòn đường ống. Do vậy, nó phải được trộn với các nguồn nước khác
hoặc được điều chỉnh độ pH, tính cứng và tính kiềm trước khi ra khỏi nhà máy.
1.2.3 Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO)
Trong quá trình thẩm thấu ngược, nước từ nguồn dung dịch muối áp lực cao
được tách muối hoà tan bằng cách thấm qua màng bán thấm. Dòng chất lỏng thấm qua
màng đựơc gọi là dòng lọc (Permeate), nó được sinh ra do chênh lệch áp suất giữa
dung dịch muối có áp suất của dòng sản phẩm xấp xỉ với áp suất khí quyển. Phần còn
lại của dung dịch cấp vào tiếp tục chảy qua màng bên phía có áp suất cao và tạo ra
dòng đặc (có hàm lượng muối cao). Ở đây hoàn toàn không cần gia nhiệt và cũng
không diễn ra quá trình biến đổi pha. Do đó năng lượng chủ yếu là cấp cho quá trình là
tạo áp cho dòng vào của hệ thống RO.Áp suất làm việc của hệ thống RO đối với nước
lợ từ 250÷400 psi, còn đối với nước biển từ 800 ÷ 1000 psi
Cấu tạo lớp màng [4]
Hình 1.9: Cấu tạo một lõi màng thẩm thấu ngược RO
Trên thực tế, nước cấp được bơm vào bình kín để tạo ra áp suất trên bề mặt
màng, một phần nước thấm qua màng, phần còn lại có nồng độ muối cao hơn nồng độ
muối trong nước cấp vào. Để giảm nồng độ các muối hoà tan trong phần còn lại người
ta xả bớt một phần ra khỏi bình chứa. Nếu không xả thì nồng độ muối trong dung dịch
cấp vào sẽ không ngừng tăng lên dẫn tới yêu cầu năng lượng cấp vào cũng phải gia
tăng để khắc phục hiện tượng gia tăng áp suất thẩm thấu.
Hình 1.10 biểu diễn quy trình khử mặn của một hệ thống thẩm thấu ngược gồm
các giai đoạn cơ bản sau:
Hình 1.10 Sơ đồ quy trình khử mặn bằng màng thẩm thấu ngược RO
(Nguồn:http://www.awa.asn.au/Content/NavigationMenu2/AboutWaterandthe
WaterIndustry/WaterFacts/FactSheets/Desalination/)
Đưa nước từ biển vào (Intank seawater)
Các nhà máy khử muối thường đặt gần bờ biển nhưng vì mực nước bỉển thấp
đồng thời thường lấy nước cách xa bờ từ vài chục đến vài trâm mét do đó mà phải tốn
năng lượng cho bơm để hút nước từ biển vào.
Tiền xử lý (Pretreament)
Nước trước khi cấp vào các module màng lọc cần phải loại bỏ chất rắn lơ lửng,
điều chỉnh pH cho phù hợp, bổ sung thêm các ức chế kiểm soát thành phần các chất
gây ra hiện tượng đóng cặn trên bề mặt màng như CaSO4 , cũng như các thành phần
có thể kéo màng sinh học trên bề mặt màng.
Tạo áp và phân tách bằng màng RO (Reserve Osmosis Process)
Áp suất được tạo ra nhờ hệ thống bơm. Tuỳ thuộc vào từng loại màng cũng như
thành phần và nồng độ trong nước mà áp lực được tạo ra khác nhau khi đưa vào hệ
thống tách màng.
Do tính chất đặc biệt của màng bán thấm ngăn chặn các muối hoà tan nhưng lại
cho phép nước thấm qua. Nên kết quả là sau khi đi qua các module màng, từ dòng
nước biển ban đầu sẽ tạo thành hai dòng: Dòng nước tinh khiết và dòng dung dịch
muối đậm đặc. Do màng không hoàn hảo nên các muối hoà tan vẫn có thể thấm qua
nó, kết quả là trong dòng sản phẩm vẫn có thể chứa một lượng nhỏ muối hoà tan.
Màng thẩm thấu ngược thường được thiết kế dưới dạng các module với các
dạng khác nhau như:
+ Module dạng cuộn xoắn;
+ Module dạng sợi xốp rỗng;
+ Module dạng đĩa.
Nhưng trong số đó thì module dạng xoắn ốc được sử dụng rộng rãi và hiệu quả
hơn cả.
Xử lý bổ sung - Ổn định nước (Post - Treament)
Nước sản phẩm sau khi ra khỏi hệ thống lọc RO sẽ được điều chỉnh pH và đuổi
khí trước khí vào bể chứa và vào hệ thống phân phối
Trữ trong bể chứa (Freshwater storage)
Thông thường thì nước sau xử lý được xả vào các bể chứa trước khi đưa vào
mạng lưới phân phối.
1.3. Các công nghệ khử mặn mới đang được nghiên cứu và thử
nghiệm hiện nay
1.3.1 Công nghệ khử mặn tiêu thụ ít năng lượng và chi phí thấp
Tại New Mexico và các khu vực khác trên thế giới có nguồn nước lợ trữ lượng
dồi dào, nước có thể dẫn theo đường ống và được lọc sạch, nhằm tăng cường cho
nguồn cấp nước ngọt hạn chế. Tuy nhiên, các quy trình khử mặn truyền thống như
thẩm thấu ngược và thẩm tách bằng điện lại tiêu thụ nhiều năng lượng.
Viện Nghiên cứu Tài nguyên nước New Mexico đã tài trợ cho dự án này nhằm
nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng nhiệt có giá trị thấp như nhiệt mặt trời và
nhiệt thải từ quá trình làm mát hoặc điều hoà không khí để vận hành quy trình khử
nước mặn. Quy trình mới được triển khai từ quy trình trước đây của các nhà nghiên
cứu ở Florida, có thể chưng cất nước mặn ở nhiệt độ tương đối thấp, 45 – 50oC chứ
không phải là 60 – 100oC như ở phần lớn quy trình chưng cất khác.
Hệ thống mới sử dụng hiệu ứng tự nhiên của trọng lực và áp suất khí quyển, tạo
ra môi trường chân không mà trong đó nước có thể bốc hơi và ngưng tụ ở nhiệt độ gần
với môi trường xung quanh. Hai đường ống đứng dài khoảng 10m - một ống đi từ bể
nước mặn, còn ống kia đi từ bể nước sạch, được nối với nhau bằng một đường ống
ngang. Áp lực của chiều cao cột nước tạo ra môi trường chân không ở đỉnh cột.
Ở nhiệt độ thường, hơi từ bên ống dẫn nước sạch sẽ di chuyển sang ống dẫn
nước mặn và ngưng tụ khi hệ thống ở trạng thái cân bằng. Quy trình này là tự nhiên,
song các nhà khoa học lại muốn quy trình diễn ra theo hướng khác. Bằng cách tăng
nhiệt độ của nước ở đỉnh cột trong ống dẫn nước mặn cao hơn so với ống dẫn nước
ngọt để tạo ra dòng chảy theo hướng ngược lại. Như vậy, nước sạch, sau khi chưng cất
sẽ được thu hồi ở phía còn nước muối cô đặc được thu vào bể chứa riêng. Nhiệt độ chỉ
cần tăng 10 – 15oC.
Trên đây chỉ là một thủ thuật, các nhà khoa học không đun nước giống như
chưng cất bình thường, mà sử dụng nguồn nhiệt lượng thấp như năng lượng mặt trời
hoặc nhiệt thải từ động cơ diesel hoặc một số nguồn nhiệt thải khác. Hệ thống khử
mặn áp dụng phương pháp này có thể lắp đặt cùng với hệ thống điều hoà không khí
trong nhà. Khi bật máy điều hoà, máy sẽ hút nhiệt ra ngoài và nhiệt thải bay vào khí
quyển. Tuy nhiên, lượng nhiệt thải này có thể được thu giữ và sử dụng để cấp năng
lượng cho hệ thống khử mặn. Hiện tại, hệ thống thử nghiệm hoạt động nhờ các tấm thu
năng lượng mặt trời. Bất kỳ hệ thống khử mặn nào cũng đều tạo ra nước muối cô đặc
cần phải xử lý, một số trường hợp có thể tránh được vấn đề này bằng cách điều chỉnh
chiều cao của thiết bị. Công nghệ mới này có thể nhanh chóng được triển khai ở quy
mô thương mại và với chi phí rất cạnh tranh.
1.3.2 Tăng hiệu quả khử mặn bằng cách bổ sung thêm amôniắc (NH3) và CO2
Trong các năm qua, nhờ các công nghệ màng và thiết bị thu hồi năng lượng tiên
tiến mà công nghệ thẩm thấu ngược ngày càng được chấp nhận và hiệu quả hơn.
Nhưng nước được tạo ra từ quá trình khử mặn vẫn có giá tới 2 USD/1000 gallon, cao
hơn 2 lần so với chi phí xử lý nước truyền thống. Một lý do khác khiến chi phí cao là
do nguồn năng lượng sử dụng và các chi phí phát sinh khác. Thông thường thì thẩm
thấu ngược có thể chuyển 35–50% thể tích nước mặn thành nước ngọt cùng một lượng
nước mặn dạng đậm đặc. Nếu ở gần bờ biển, lượng nước này sẽ đưa quay trở lại biển.
Tuy nhiên, việc xử lý lại không hề đơn giản khi các nhà máy xử lý nước đặt trong đất
liền và khi đó muối là một vấn đề đối với các thuỷ vực dùng cho mục đích cấp nước
sạch. Khử nước lợ trong đất liền đòi hỏi một bước bổ sung là bay hơi (làm khô) vì việc
bơm xuống dưới đất có thể làm ảnh hưởng đến nước ngầm .
Nhóm nghiên cứu của Yale là nhóm duy nhất thực hiện công nghệ khử mặn
trong những năm gần đây và kết quả nghiên cứu của nhóm cho đến nay đang hứa hẹn
những triển vọng. Trong công nghệ thẩm thấu ngược, áp suất cao có thể lên đến
70kg/cm2 nhằm đẩy nước mặn qua một lớp màng bán thấm và để lại lớp muối trên đó.
Cần phải giữ ở áp suất này để chống lại xu thế tự nhiên nước ngọt thấm ngược lại qua
lớp màng và hoà tan với nước mặn.
Với hệ thống thẩm thấu cải tiến, các nhà nghiên cứu đã lợi dụng ưu điểm của xu
thế tự nhiên này. Nước mặn chứa ở một phía của màng lọc, còn nước ngọt ở phía đối
diện được chuyển thành dạng dung dịch đặc bằng cách cho thêm amôniắc (NH3) và
CO2. Nước mặn tự nhiên nay được chuyển thành một dạng nước cốt, có nồng độ chất
tan cao gấp 10 lần so với nước mặn. Elimelech, người nhận được giải thưởng Clarke
2005 của Viện nghiên cứu nước quốc gia (Mỹ) cho biết, họ chỉ muốn nước dịch
chuyển theo xu thế hợp lý mà không cần tạo áp suất. Dung dịch tan này sau đó được
đun nóng ở nhiệt độ 58°C nhằm làm bay hơi CO2 và NH3 tạo ra nước ngọt cho tái sử
dụng.
Hiện nay, một số công ty đang triển khai hệ thống thẩm thấu ngược này để xử
lý nước thải và làm sạch nước rác từ các bãi chôn lấp. Và chưa có công ty nào ứng
dụng quy trình để xử lý nước mặn. Hiện chỉ có một loại màng duy nhất được bán dùng
cho thẩm thấu ngược trong lọc nước sạch dùng để uống. Loại màng này không phải là
giải pháp tối ưu cho việc khử nước mặn. Với hệ thống lọc mới có thể loại bỏ được 95–
99% lượng muối khi nước thấm qua màng với hiệu quả 2,1–21,2 gallon nước
sạch/m2/ngày. Qua quan sát một số lần thử nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện hiệu
suất lọc thấp hơn. Lý do là nước mặn hòa tan thêm một lượng nước cốt nằm trong các
lỗ của màng lọc và dần dần làm giảm áp suất thẩm thấu và lưu lượng dòng chảy.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa đánh giá hiệu suất của một bộ phận
quan trọng trong hệ thống thử nghiệm đó là trụ lọc nước có tác dụng tách các chất tan
trong nước sạch. Công việc nghiên cứu cần tiếp tục nhằm cân nhắc thận trọng hơn về
lượng NH3 sử dụng trong quy trình cuối cùng sẽ được khử hoàn toàn để có được nước
sạch đảm bảo hàm lượng NH3 thấp hơn 2 mg/l. Việc khử dư lượng NH3 sẽ làm tăng
chi phí của hệ thống. Hệ thống mới còn sử dụng rất ít năng lượng, chỉ tốn 1kWh và
1200 MJ cho mỗi 1000 gallon nước tạo ra. Nếu sử dụng nhiệt thải, chi phí về năng
lượng hầu như bằng không. Công việc sắp tới là đánh giá hiệu suất năng lượng đối với
trụ lọc nước. Chi phí năng lượng thực sẽ xác định hệ thống mới có chi phí hiệu quả
không. Đây mới là nhân tố chính quyết định sự thành công của công nghệ.
- Xem thêm -