Đồ Án Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt c

Nghiên cứu sử dụng màng lọc nano áp lực thấp trong các dây chuyền công nghệ xử lý nước biển và ven biển thành nước dùng cho sinh hoạt ;

Lắp đặt trình diễn hệ thống xử lý nước biển áp lực thấp bằng màng lọc nano trong phòng thí nghiệm và ở quy mô thử nghiệm.

rên Trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5% nước trên Trái đất là nước biển và không hơn 2,5% là nước ngọt. Ngoài ra, phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông băng, tảng băng và dưới lòng đất. Nước mà con người có thể sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi đó, dân số toàn cầu tăng tới tám tỷ vào năm 2025. 3,5 tỷ người trong số này chắc chắn sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước.

Nước biển có độ mặn không đồng đều trên toàn thế giới mặc dù phần lớn có độ mặn nằm trong khoảng từ 3,1% tới 3,8%. Khi sự pha trộn với nước ngọt đổ ra từ các con sông hay gần các sông băng đang tan chảy thì nước biển nhạt hơn một cách đáng kể. Thành phần nước biển trên trái đất theo các nguyên tố được nêu trong Bảng 1.

Bảng 1.

Nguyên tố Phần trăm Nguyên tố Phần trăm

Ôxy 85,84 Hiđrô 10,82

Clo 1,94 Natri 1,08

Magiê 0,1292 Lưu huỳnh 0,091

Canxi 0,04 Kali 0,04

Brôm 0,0067 Cacbon 0,0028

/Nguồn: vi.wikipedia.org/wiki/

Ở Việt nam, theo các số liệu khảo sát năm 2002 của Trần Đức Hạ và các cộng sự thuộc ĐHXD, một số chỉ tiêu chính liên quan đến khả năng sử dụng nước biển để cấp nước cho sinh hoạt được nêu trong Bảng 2.

Bảng 2.

Biển Hòn Gai Biển Hải Phòng Biển Đà Nẵng Biển Bắc Mỹ

PH 7,8-8,4 7,5-8,3 7,7 7,5

Cl-, g/L 6,5-18 9,0-17,8 0,4-12,1 18

SO42-, g/L 0,2-1,2 0,002-1,1 0,2-0,9 1,4

/Nguồn: Trung tâm Kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp CEETIA, 2002/

Trong 40 năm qua, độ mặn ở các vùng biển nhiệt đới đã gia tăng đáng kể trong khi nước biển ở các vùng cực ngày càng ít muối hơn. Sự thay đổi nồng độ muối trong nước biển trở nên đặc biệt nhanh chóng trong thập kỷ 90, thập kỷ nóng nhất kể từ khi con người bắt đầu lưu trữ dữ liệu thời tiết bài bản. Kết quả này cho thấy thêm một hậu quả đáng kể khác của hiện tượng trái đất nóng lên. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy vòng tuần hoàn nước toàn cầu ngày càng trở nên nhanh chóng và dữ dội, các đại dương tại miền nhiệt đới ngày càng bốc hơi nhiều hơn. Ngoài việc làm thay đổi sự phân bố nước ngọt và sự tạo thành bão trên toàn cầu, vòng tuần hoàn nước quá nhanh và mạnh như vậy sẽ làm trầm trọng thêm sự nóng lên của trái đất, vì bản thân hơi nước cũng là một khí nhà kính.

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.

Trong xử lý nước cấp cho sinh hoạt từ nguồn nước tự nhiên, những vật liệu lọc như cát, sỏi, chỉ giúp ta khử bỏ những chất bẩn thô, những hạt huyền phù và một phần nhỏ các hợp chất đã kết tủa như sắt, man-gan, còn chất độc hại hòa tan trong nước thì hầu như không lọc được. Sau này, xuất hiện những chất liệu khác như gốm, than hoạt tính (tốt nhất là than dừa), chất liệu nhựa polypropylene, nhựa trao đổi ion . đã giúp cho việc lọc nước khá hơn nhiều. Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng ở mức độ giữ lại các hạt chất bẩn có kích thước nhỏ, riêng vi sinh vật thì không được lọc tốt.

Do những hạn chế của các vật liệu lọc trên, đã xuất hiện các phương pháp xử lý nước bằng màng lọc. Kỹ thuật màng là một trong những quá trình khá mới được phát triển và ứng dụng trong công nghệ xử lý nước, nước thải trong gần 30 năm trở lại đây. Đó là phương pháp có nhiều ưu điểm về phương diện kỹ thuật, quy mô sản xuất và giá thành hoạt động. Phạm vi áp dụng của kỹ thuật màng khá rộng, bao quát gần như tất cả các khả năng loại bỏ tạp chất: chất huyền phù, chất keo, chất cơ nhũ, chất hữu cơ tan, các ion có kích thước nhỏ (Na+ chẳng hạn). Màng hoạt động như một hàng rào chắn đối với dòng chảy của một hỗn hợp gồm chất lỏng và các cấu tử trong đó. Màng có tính thấm chọn lọc khác nhau đối với các cấu tử khác nhau.

Phương pháp thẩm thấu ngược RO đầu tiên được ứng dụng ở Mỹ để sản xuất nước tinh khiết. Nước tinh khiết RO hoàn toàn không có vi trùng nhưng đồng thời cũng không có các khoáng chất, nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể con người. Các thử nghiệm cho thấy các màng lọc thẩm thấu ngược có thể khử bỏ tới 99% tất cả các chất tan, nhưng nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết, như các ion canxi và magie đã giảm xuống mức thấp hơn các tiêu chuẩn kỹ thuật của WHO (Tổ chức Y tế Thế giới) về nước uống. Vì vậy, sản phẩm nước đã qua xử lý cần được bổ sung thêm các chất dinh dưỡng nói trên để có thể cung cấp nguồn nước uống đạt chất lượng theo yêu cầu.

Trong hơn 30 năm qua các nước thuộc GCC đã tiến hành xây dựng và mở rộng các nhà máy khử mặn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lên. Hiện nay, có 6 quốc gia đã xây dựng được 36 nhà máy lớn để khử mặn nước biển và nước lợ: 21 nhà máy nằm trên bờ biển Đỏ và 15 trên vùng vịnh. Sản lượng chung của các nhà máy khử mặn ở các quốc gia thuộc GCC tăng từ 1,5 tỷ m3 trong năm 1990 lên 2,7 tỷ m3 năm 2000, do các nhà máy đã được bổ sung và mở rộng. Năm 2001 chỉ riêng công suất của một nhà máy ở Ả rập Saudi đã đạt hơn 1 tỷ m3, đây là nhà máy khử mặn lớn nhất thế giới. Hơn 85% các nhà máy khử mặn thuộc GCC sử dụng các hệ thống chưng cất nhanh nhiều tầng (MSF). Các hệ thống này có hai tác dụng, vừa có thể sản xuất nước và điện. Phần lớn các nhà máy còn lại dựa trên công nghệ sử dụng các màng lọc thẩm thấu ngược (RO).

Với công nghệ thẩm thấu ngược RO, để xử lý nước biển với nồng độ muối 35.000 mg/l thành nước đạt yêu cầu dùng cho sinh hoat (nồng độ muối không vượt quá 250 mg/l) thì cần cung cấp áp lực tổng cộng là 60 -100 atm. Công nghệ RO do đó có chi phí đầu tư, vận hành và quản lý rất cao (chi phí xử lý 1m3 nước biển thành nước uống từ 5 -10 USD) do cần phải có:

Vật liệu chế tạo chịu được áp suất cao

Bơm tạo được áp suất cao

Chi phí điện năng cao

Màng lọc phải thay thể thường xuyên do tắc nghẽn

Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải giảm được áp lực cần cung cấp trong xử lý bằng RO.

Việc áp dụng màng lọc nano được nghiên cứu rộng rãi với mục tiêu trên và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng tại các nước như Mỹ, Nhật. Hiện nay theo xu thế phát triển công nghệ mới, công nghệ Nano cũng đang được ứng dụng vào trong lĩnh vực xử lý nước. Các nhà khoa học đề xuất công nghệ nanô làm giải pháp để giải quyết vấn đề nước sạch.

Nano carbon là những ống nguyên tử carbon tí hon, có đường kính chỉ vài phần tỷ mét, nhỏ hơn sợi tóc 100.000 lần, nhẹ hơn thép đến 6 lần nhưng lại bền hơn vật liệu này đến 100 lần.Nano carbon được biết với nhiều tính chất đặc biệt như siêu cứng, siêu bền, nhẹ nhưng khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Màng lọc nano (nanofilter, hyperfilter - NF) là loại màng có kích thước lỗ nhỏ (10-7 cm = 10Ao). Phân tử lượng bị chặn từ 200-500. Loại màng này thích hợp cho quá trình làm mềm nước, loại bỏ một số chất hữu cơ tan, các ion natri, chì, sắt, niken, thủy ngân (II), các vi khuẩn gây bệnh, và cho các ion (I) đi qua. Áp suất động lực của màng lọc nano thường là <40atm, thấp hơn so với màng thẩm thấu ngược. Đây là loại màng bất đối xứng, tổ hợp composite. Độ dày màng gồm lớp đỡ 150 àm, lớp da màng 1 àm. Đặc tính màng là: kích thước lỗ xốp <2nm; áp suất động lực từ 15 đến 25 bar, tốc độ lọc > 0,05m3.m-2.ngày-1.bar-1. Cơ chế hoạt động của màng là hòa tan và khuếch tán. Vật liệu chế tạo màng là polome. Màng lọc nano được ứng dụng để xử lý nước lợ, làm mềm nước, loại bỏ chất hữu cơ, sản xuất nước siêu tinh khiết, mà không nhờ các phản ứng hóa học.

Cũng nhờ có kích thước lỗ lọc cực nhỏ nên màng Nano có thể loại bỏ các tạp chất, hầu như chỉ cho nước đi qua Các phương pháp lọc màng sẽ giữ lại được các chất ô nhiễm trong nước tự nhiên Sơ đồ vận chuyển các chất trong nước biển qua hệ thống màng lọc nêu trên Hình 1.

Các công nghệ xử lý nước thông thường bao gồm các bước lọc, bức xạ tử ngoại, xử lý hóa học và khử muối, trong đó công nghệ nano được đưa vào ứng dụng ở nhiều loại màng lọc và bộ lọc dựa trên cơ sở ống nano cacbon, gốm xốp nano, các hạt nano từ tính và các vật liệu nano khác. Các loại màng tách rời với cấu trúc ở phạm vi nano cũng có thể được ứng dụng ở các phương pháp chi phí thấp nhằm cung cấp nước uống.