Công nghệ khử mặn nước sinh hoạt hiệu quả phổ biến hiện nay

Các công nghệ khử mặn nước sinh hoạt được phân ra làm hai loại: công nghệ nhiệt (thermal) và công nghệ màng (membrane) (Greenlee et al., 2009). Công nghệ nhiệt vẫn là loại công nghệ chính sử dụng ở vùng Trung Đông, tuy nhiên, công nghệ màng (điển hình là công nghệ thẩm thấu ngược), loại công nghệ đã và đang được phát triển mạnh từ thập niên 60 thế kỷ trước (Loeb and Sourirajan, 1963) lại đang là loại công nghệ phổ biến nhất trong các nhà máy khử muối hiện nay (Gree nlee et al., 2009).

Công nghệ khử mặn dùng cho nước sinh hoạt hiện nay

Công nghệ khử muối sử dụng màng lọc nhận được sự ưa chuộng hơn công nghệ nhiệt ở những vùng chi phí làm cho việc bốc hơi cao (NREL, 2006). Khử muối sử dụng công nghệ nhiệt đòi hỏi mức năng lượng 7,14 kWh/m3, trong khi công nghệ màng chỉ đòi hỏi thấp hơn 2,6 kWh/m3 (Veerapaneni et al., 2007; Semiat, 2008).

Trở ngại chính của việc khử muối đó chính là giá cả (Subramani et al., 2011), và năng lượng tiêu thụ cao được xem là tác nhân quan trọng nhất để đẩy giá cả lên cao (30-50%).Mà tiêu thụ năng lượng cao sẽ dẫn tới việc tăng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, kết quả là thúc đẩy quá trình biến đổi khí hậu nhanh hơn và nghiêm trọng hơn (Raluy et al., 2005).

Vì vậy, việc  giảm tiêu thụ năng lượng là một vấn đề sống còn đối với việc giảm giá thành khử mặn nước và giảm tác động tiêu cực đến môi trường do sử dụng ít các nguồn nhiên liệu hóa thạch trong quá trình cung cấp năng lượng cho quá trình khử mặn.

Nghiên cứu này chỉ phân tích các công nghệ khử mặn nước sinh hoạt đã và đang được ứng dụng rộng rãi, với hiệu quả kinh tế tốt nhất. Nghiên cứu sẽ không đi vào chi tiết các thiết kế mà chỉ giới thiệu tổng quan về nguyên lý hoạt động của từng loại công nghệ.

1. Công nghệ chưng cất

Quy trình hoạt động của hệ thống này như sau, nước mặn được đưa vào bể chứa, được phân tán đồng đều trên toàn bộ diện tích thu bức xạ mặt trời (làm bốc hơi nước). Nhờ có năng lượng mặt trời làm nóng nước, nước sẽ bay hơi và sau đó ngưng tụ lại phía bên trong tấm panel bằng nhựa composite bao quanh, như Hình 1. Những giọt nước cất thu được sẽ chảy xuống phía dưới của thiết bị và theo vòi chảy ra ngoài. Sản phẩm thu được là nước tinh khiết, đã loại bỏ được các vi  khuẩn và các mầm bệnh, do đó cũng loại bỏ được các bệnh truyền nhiễm qua môi trường.

2. Công nghệ thẩm thấu ngược – RO

Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên, nước sẽ dịch chuyển qua màng từ nơi có nồng độ muối khoáng thấp đến nơi có nồng độ cao hơn, như Hình 2. Quá trình dịch chuyển xảy ra cho đến khi nồng độ muối khoáng giữa hai nơi này cân bằng. Và áp suất thẩm thấu sẽ được xác định sau đó. Công nghệ thẩm thấu ngược dựa trên một nguyên lý ngược lại với cơ chế thẩm thấu thông thường. Một áp lực lớn hơn áp suất thẩm thấu sẽ được tạo ra để đẩy ngược nước từ nơi có hàm lượng muối/ khoáng cao “thấm” qua màng bán thẩm để đến nơi không có hoặc có ít muối/ khoáng hơn.

3. Công nghệ màng nano – NF

Nguyên lý lọc màng Nano NF dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua lớp vách ngăn (màng) nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất, điện thế, nồng độ dung dịch, nhiệt độ,… Các thông số cơ bản của quá trình lọc màng: i) Áp lực; ii) Cơ chế phân tách; iii) Cấu trúc màng; và iv) Pha dung dịch

4. Công nghệ điện thẩm tách – ED

Về cơ bản, ED là một quy trình điện hoá, trong đó có sự dịch chuyển của các ion qua các màng bán thấm ion chọn lọc – là kết quả của lực hút tĩnh điện giữa ion và 2 điện cực. Ngoài chức năng khử mặn, ED còn có thể loại bỏ được các thành phần ô nhiễm trong nước dưới dạng các ion hoà tan, nhờ lực hút tĩnh điện. Hệ thống ED bao gồm tập hợp các màng, đặt giữa đường đi của dòng điện một chiều phát ra từ 2 điện cực ở hai đầu. Nước muối đi qua giữa các màng đặt.

Nguyên tắc của quá trình khử mặn nước bằng ED là tách các ion ra khỏi nước bằng cách đẩy các ion qua lớp màng thấm ion 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 các miếng đệm plastic và hình thành nên cụm ngăn (membrane stack). Cụm màng này có hàng trăm cặp ngăn, mỗi cặp gồm ngăn loãng (dilute cell) và ngăn đậm đặc (concentrate cell) cạnh nhau. Dòng đậm đặc và loãng được thu qua ống thu riêng, như trong Hình 4.

Dòng một chiều khi qua nước mặn sẽ kéo các anion về phía cực dương từ một ngăn qua ngăn kế bên. Màng thấm chọn lọc anion (màng A) chỉ cho phép các anion thấm qua Cl–, SO2-4, PO3-4 . Tuy nhiên các anion sẽ bị giữ lại do màng cation (màng K). Tương tự với các cation theo hướng ngược lại. Màng thấm chọn lọc cation (màng K) chỉ cho phép các cation thấm qua Na+,Ca2+, K+,NH4+. Tuy nhiên các cation sẽ bị giữ lại do màng anion (màng A). Khoảng cách giữa các màng không quá lớn, khoảng 1 mm.

Do sự di chuyển của các ion, nước trong một ngăn có hàm lượng ion giảm đi trong khi lượng ion trong ngăn kế bên đậm đặc hơn, như vậy sẽ tạo ra hai dòng: dòng nước mặn loãng và dòng nước mặn đậm đặc.

Kết luận

Trên đây, GreenHouses đã trình bày những công nghệ khử mặn cho nước sinh hoạt phổ biến nhất hiện nay. Tại Việt Nam, công nghệ khử mặn được dùng phổ biến nhất là công nghệ lọc màng thẩm thấu ngược (màng RO). Tuy nhiên trong tương lai, công nghệ điện phân thẩm tách (công nghệ ED) sẽ là giải pháp tối ưu bởi chi phí giảm và khả năng ứng dụng lọc công nghiệp cao hơn.