- PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT MÀNG TIẾP XÚC TRỰC TIẾP DẠNG NHÚNG CHÌM ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM MẶN. - 3 Bộ môn Khoa học và Công nghệ nước, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. - Chưng cất màng, chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp, khử mặn, nước nhiễm mặn Keywords:. - Chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp (DCMD) trong nghiên cứu này là một cấu hình đơn giản có thể được phát triển và sử dụng phổ biến trong công nghệ chưng cất màng. - Nghiên cứu này đã phát triển và thử nghiệm công nghệ DCMD để xử lý nước nhiễm mặn với việc sử dụng màng Polytetrafluoroethylene. - Đồng thời, sự thay đổi của nhiệt độ đầu vào cũng được khảo sát nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông lượng dòng thấm cũng như chất lượng nước cất. - Nhiệt độ đầu vào được thay đổi từ 40 đến 60 o C với các thông số cố định bao gồm nhiệt độ làm mát ở 22 ± 1 o C, kích thước lỗ rỗng màng 0,45 µm, và nồng độ tổng chất rắn hòa tan đầu vào khoảng 5.000 mg/L. - Kết quả khảo sát cho thấy thông lượng dòng thấm tăng lên cùng với sự tăng lên của nhiệt độ nước đầu vào, tuy nhiên khi nhiệt độ quá cao, màng dễ bị suy giảm cấu trúc (bị phá huỷ) và ảnh hưởng đến chất lượng nước cất dòng ra. - Trong nghiên cứu này, nhiệt độ nước đầu vào 60 o C cho hiệu quả chưng cất cao với thông lượng dòng thấm đạt được 4,47 L/m 2 h. - Hệ thống DCMD thử nghiệm này có khả năng xử lý nước nhiễm mặn đạt hiệu suất xử lý muối cao, trên 99,45%.. - Phát triển công nghệ chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp dạng nhúng chìm để xử lý nước nhiễm mặn. - Nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng và đưa ra nhiều thách thức lớn trong những thập kỷ tới (Pugsley et al., 2016). - Hơn nữa, sự biến đổi khí hậu đang diễn biến ngày càng phức tạp, đặc biệt hiện tượng mực nước biển dâng cao đã ảnh hưởng đến sự xâm nhập mặn vào nội địa và làm giảm lượng nước ngọt. - Một số ví dụ điển hình như nhà máy khử mặn ứng dụng công nghệ chưng cất đa hiệu ứng (MED. - JWAP do SIDEM của Pháp xây với công suất 800.000 m 3 /ngày sử dụng 27 đơn vị MED. - nhà máy khử mặn bằng công nghệ RO - Sorek, Israel 624.000 m 3 /ngày sử dụng các màng 16 inch. - Trong số các công nghệ khử mặn đó, công nghệ chưng cất và công nghệ màng chiếm phần lớn trong các nhà máy khử mặn trên thế giới, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế như tiêu thụ năng lượng lớn và chi phí xây dựng, vận hành cao, không xử lý được nước muối cô đặc có độ mặn cao. - Để khắc phục những vấn đề trên, công nghệ chưng cất màng (MD) ra đời và được sử dụng để khử mặn với nồng độ cao (Khalifa et al., 2017). - So với các công nghệ khác, MD ngày càng hấp dẫn vì ít chiếm diện tích, giá thành thấp, xây dựng dễ dàng, tiêu thụ năng lượng thấp và có khả năng loại bỏ gần như 100%. - MD là một sự kết hợp của công nghệ chưng cất và công nghệ màng (Tijing et al., 2015). - Chưng cất màng tiếp xúc trực tiếp (DCMD) là một trong những cấu hình đơn giản nhất của MD và vận hành dễ dàng, không đòi hỏi một bình ngưng bên ngoài (Khayet, 2011). - Trong hệ thống DCMD, cả dòng vào và dòng thấm đều tiếp xúc trực tiếp với màng, sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt màng tạo ra sự chênh lệch về áp suất hơi qua màng, làm cho hơi nước phía dòng nóng thấm qua các lỗ màng và ngưng tụ ở dòng lạnh (Khalifa et al., 2017). - Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm nghiên cứu và phát triển công nghệ DCMD trong xử lý nước nhiễm mặn, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông lượng và khả năng xử lý của hệ thống sử dụng màng kỵ nước được làm từ vật liệu Polytetrafluoroethylene (PTFE).. - Nhiệt độ dòng vào được thay đổi và tăng dần từ o C. - Thông lượng dòng thấm và hàm lượng nồng độ tổng chất rắn hòa tan (TDS) đầu ra được đo liên tục trong suốt quá trình nghiên cứu.. - Màng MD dạng ống nhúng chìm sử dụng trong nghiên cứu này được làm bằng vật liệu PTFE có xuất xứ từ Đài Loan với các thông số được đưa ra trong Bảng 1.. - 9 Nhiệt độ vận hành của màng o C 120. - Nước đầu vào trong nghiên cứu là nước ngầm được lấy ở huyện Ba Tri, tỉnh Bến Tre với nồng độ TDS là 5.000 mg/L. - Tính chất của nước đầu vào được thể hiện ở Bảng 2.. - Bảng 2: Các thông số nước đầu vào. - Nước cất một lần được sử dụng để làm mát và được tuần hoàn liên tục nhằm ngưng tụ hơi nước qua màng.. - 2.2 Mô hình và phương pháp nghiên cứu Hệ thống gồm 2 phần chính như Hình 1: phần bể đầu vào và phần bể mát. - Phần bể đầu vào với thể tích nước 15 mL dùng để chứa nước nhiễm. - Khi nước trong bể đầu vào nóng lên nhờ thiết bị gia nhiệt, nước bốc hơi và hơi nước đi qua màng, sau đó ngưng tụ tại phía mặt trong của màng nhờ dòng nước mát được tuần hoàn liên tục. - Phần bể mát với thể tích 3,5 mL, bao gồm các bộ phận: máy làm mát, bể làm mát và bể chứa nước cất. - chỉnh nhiệt độ nước trong bể làm mát và bể làm mát với nhiệt độ thấp và ổn định này sẽ làm giảm nhiệt độ dòng nước cất xuống, tạo điều kiện ngưng tụ hơi nước qua màng. - Quá trình này làm tăng lượng nước trong bể chứa nước cất, khi vượt quá mực nước quy định, nước sẽ tự động chảy vào ống đong, từ đó việc kiểm tra thông lượng và chất lượng nước cất được thực hiện.. - Hình 1: Sơ đồ hệ thống DCMD trong quá trình xử lý nước nhiễm mặn Các thí nghiệm được khảo sát ở sự thay đổi của. - nhiệt độ đầu vào (40, 50 và 60 o C). - Sau 9 ngày đầu với nhiệt độ 40 o C, hệ thống được tiếp tục vận hành với nhiệt độ 50 o C trong vòng 8 ngày, và sau đó chuyển qua vận hành với nhiệt độ 60 o C trong vòng 9 ngày tiếp theo. - Chỉ nhiệt độ nước vào thay đổi và các thông số khác không đổi. - Đồng thời, khảo sát ảnh hưởng của độ mặn cũng được tiến hành với các nguồn nước nhiễm mặn được thu thập với các độ mặn khác nhau là 5, 15 và 23 ppt. - Nhiệt độ bể mát được duy trì trong khoảng 21 - 23°C. - Mô hình hoạt động liên tục, nhiệt độ trong bể đầu vào và bể chứa nước cất luôn được kiểm soát trong quá trình kiểm tra thông lượng.. - Hàm lượng TDS của mẫu nước đầu vào và nước cất được đo liên tục bằng cách sử dụng thiết bị đo HI 9812-5 (Công ty Hanna instruments, Châu Âu).. - Hiệu quả xử lý của hệ thống được tính toán bằng công thức dưới đây:. - 3.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào đến chất lượng nước cất. - Hình 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào đến nồng độ TDS Ở giai đoạn nhiệt độ đầu vào 40 o C, nồng độ. - TDS đầu vào không thay đổi nhiều, nằm trong khoảng mg/L, nguyên nhân do nhiệt độ trong bể đầu vào thấp, nước bốc hơi qua màng ít, dẫn đến nồng độ đầu vào không thay đổi nhiều qua các ngày vận hành. - Hiệu quả xử lý đạt trên 99,59%. - Tại nhiệt độ đầu vào ở 50 o C, nồng độ TDS trong bể đầu vào tăng dần qua các ngày, từ mg/L. - Điều này có thể giải thích do nhiệt độ đầu vào tăng, nước bốc hơi và đi qua màng, chất rắn hòa tan trong bể đầu vào bị tích tụ qua các ngày. - Đối với đầu ra, TDS trong khoảng 20 – 30 mg/L, hiệu quả xử lý đạt trên 99,45%. - TDS đầu ra dao động trong khoảng từ 30 – 40 ppm, với hiệu quả xử lý đạt trên 99,48%. - Sự thay đổi của nhiệt độ đầu vào từ 40 – 60 o C cho thấy hiệu quả xử lý TDS của hệ thống rất tốt, đạt trên 99,45%.. - 3.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào đến thông lượng thấm. - Nước ngầm nhiễm mặn có TDS khoảng 5.000 mg/L được sử dụng để làm đầu vào cho hệ thống DCMD. - Kết quả khảo sát thông lượng của hệ thống ở các nhiệt độ 40, 50 và 60 o C với màng PTFE MD có kích thước lỗ rỗng 0,45 µm được thể hiện ở Hình 3.. - Hình 3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào đến thông lượng dòng thấm Quá trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đầu. - vào đến thông lượng dòng thấm cho thấy khi nhiệt độ dòng vào tăng sẽ làm tăng chênh lệch áp suất hơi màng, do đó dòng thấm tăng. - Kết quả tương tự cũng được quan sát thấy trong nhiều nghiên cứu. - Ở nhiệt độ dòng vào 60 o C, thông lượng thấm tương đối cao (4,47 L/m 2 h) và lớn gấp 3,7 lần so với thông lượng đạt được ở 40 o C. - Tuy nhiên, khi nhiệt độ đầu vào tăng cao, màng có nguy cơ bị giãn nở, do đó áp suất hơi qua màng giảm (Shirazi et al., 0. - Nhiệt độ dòng vào ( o C). - nở, ảnh hưởng đến chất lượng nước đầu ra. - Độ dày của màng là một đặc tính quan trọng khác cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu (Shirazi et al., 2014) và màng trong nghiên cứu này khá mỏng. - Tuy nhiên, khi nhiệt độ đầu vào quá cao có thể dẫn đến hiện tượng bẩn màng, kết tủa một số hợp chất trên bề mặt của nó, có thể làm hỏng màng (Selvi et al., 2014).. - Dựa vào thông lượng đạt được và phân tích về chất lượng nước cất đầu ra đạt quy chuẩn chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT đối với tổng chất rắn hòa tan, nhiệt độ đầu vào ở 60°C là nhiệt độ tối ưu trong quá trình DCMD để xử lý nước nhiễm mặn sử dụng màng MD được làm từ PTFE.. - 3.3 Ảnh hưởng của độ mặn đến hiệu quả xử lý của hệ thống. - Để nghiên cứu ảnh hưởng của độ mặn đến hiệu quả xử lý của hệ thống, ba cấp độ của độ mặn đã được sử dụng là 5, 15 và 23 ppt. - Với cùng điều kiện nhiệt độ đầu vào 60 o C, màng có kích thước 0.45 m, kết quả khảo sát cho thấy độ mặn nước cất đầu ra bằng không (0 ppt) dù nước đầu vào có độ mặn tăng từ 5 ppt đến 23 ppt (Hình 4). - Điều này chứng tỏ rằng hệ thống DCMD có khả năng xử lý được nước có độ mặn cao. - Kết quả tương tự cũng được quan sát thấy trong nghiên cứu của Khalifa (2017).. - Hình 4: Ảnh hưởng của độ mặn vào đến chất lượng nước cất 3.4 Bẩn màng. - Điều này làm cho thông lượng màng tương đối ổn định và không bị giảm bởi lớp tinh thể tích tụ trên màng.. - Sau khi màng bị bám dày bởi lớp tinh thể muối, tiến hành rửa bằng nước cất và để khô tự nhiên trong hai ngày, màng sau đó tiếp tục được sử dụng cho xử lý nước nhiễm mặn.. - Hình 5: Hình ảnh chụp SEM của bề mặt màng sau khi màng đã sử dụng để xử lý nước nhiễm mặn 0. - Độ mặn (ppt). - Đầu vào 5ppt Đầu vào 15ppt. - Đầu vào 23ppt Đầu ra. - Màng MD được làm từ vật liệu PTFE với kích thước lỗ rỗng 0,45 µm đã được sử dụng trong nghiên cứu phát triển công nghệ DCMD nhằm xử lý nước nhiễm mặn ở Bến Tre. - Đồng thời, việc khảo sát về ảnh hưởng của nhiệt độ nước đầu vào đối với thông lượng dòng thấm và chất lượng nước sau xử lý cũng đã được thực hiện. - Quá trình khảo sát cho thấy khi nhiệt độ dòng vào tăng từ 40 đến 60 o C, thông lượng dòng thấm cũng tăng lên. - Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao gây ra các mối nguy hại đến màng, gây giãn màng. - Vì vậy, nhiệt độ đầu vào ở 60 o C là tốt nhất trong nghiên cứu này khi sử dụng màng PTFE để chưng cất với nhiệt độ dòng mát là 22 ± 1 o C, thông lượng thấm đạt 4,47 L/m 2 h.. - Việc phát triển hệ thống DCMD đã chứng minh khả năng xử lý nước nhiễm mặn với hiệu quả xử lý TDS luôn đạt trên 99,45%.. - Nghiên cứu này được tài trợ bởi CARE-Rescif trong khuôn khổ đề tài mã số Tc-MTTN- 2018/Trường - Care. - et al., 2014