CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LỌC NƯỚC MẶN 1.1 Xây dựng ý tưởng Quá trình phát triển của con người ngày càng nhanh, các khu công nghiệp, dịch vụ mọc lên ngày càng nhiều, kèm them đó là sự thiếu ý thức bảo vệ của không ít cư dân trên thế giới dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường. Điều đó có thể thấy rõ nhất qua quá trình nóng lên toàn cầu, dẫn đến hiện tượng băng tan ở hai cực làm nước biển dâng, gây ra hiện tượng xâm nhập mặn ngày càng rõ rệt ở các địa phương ven biển.1 Hình ảnh xâm nhập mặn tại Đồng Bằng Sông Sự gia tăng dân số, khiến con người thiếu hụt về chỗ ở, cần tìm đến những địa điểm mới như hải đảo, hoapng mạc, … những nơi cách xa đất liền và thiếu hụt nghiêm trọng về nước ngọt – điều kiện cần thiết để sinh sống của con người.2: Hình ảnh người dân sinh sống tại đảo tiền tiêu Cồn Cỏ 1 Hình 1.3: Hình ảnh người dân xây dựng cuộc sống tại đảo Trường Sa Từ những điều trên có thể thấy nước ngọt ngày càng giảm đi so với nhu cầu cần thiết của con người, thay vào đó là nước mặn xâm lấn. Do vậy, để giải quyết vấn đề này, em đã quyết định chọn đề tài “Ứng dụng PLC trong hệ thống lọc nước mặn” làm đề tài tốt nghiệp.1 Nước mặn là gì? Nước nhiễm mặn là nguồn nước có chứa hàm lượng lớn các chất muối hòa tan (chủ yếu là NaCl) vượt qua ngưỡng cho phép. Thông thường, nguồn nước nhiễm mặn chủ yếu do quá trình xâm nhập mặn của nước biển vào sâu trong đất liền, khiến cho nguồn nước ở ao, hồ, sông, suối, …bị nhiễm muối.
Hiện tượng này thường chỉ xảy ra ở những vùng trũng, khu ven biển. Tuy nhiên, khi mùa khô hạn kéo dài khiến cho nước ngọt ngày càng cạn kiệt thì quá trình xâm nhập của nước mặn vào trong đất liền cũng ngày càng sâu và nhanh hơn. Do đó, không chỉ các nguồn nước ở sông, hồ…mà cả những mạch nước giếng khoan, nước ngầm cũng bị nhiễm mặn theo. Nguyên nhân khiến nước nhiễm mặn chủ yếu là do thủy triều dâng cao và do sự xâm nhập mặn của nước biển vào sông, ngòi, kênh rạch.
Và nồng độ nước nhiễm mặn sẽ phụ thuộc vào hiện tượng thủy văn cũng như mức độ thủy triều toàn vùng.1: Độ mặn dựa trên các muối hòa tan Độ mặn của nước dựa trên các muối hòa tan theo ppt (Việt Nam) Nước ngọt Nước lợ Nước mặn Nước muối <1 1 -10 >10 hoặc <30 >50 Độ mặn của nước dựa trên các muối hòa tan theo ppt (Anh-Mỹ) Nước ngọt Nước lợ Nước mặn Nước muối <0,5/1 0,5/1 – 17/30 1 - 35 >40/50 Qua bảng biểu trên, ta có thể thấy độ mặn cho phép trong nước sinh hoạt nằm dưới 1ppt. Và đây là cách nhận biết nước nhiễm mặn đơn giản nhất. Có thể nhận biết nước nhiễm mặn bằng xúc giác, bởi vì nước sinh hoạt, nước sạch sẽ không bao giờ mặn. Hoặc có thể nhận biết nước nhiễm mặn bằng cách sử dụng máy đo độ muối trong nước.2 Những tác hại khi sử dụng nguồn nước nhiễm mặn Khi sử dụng nước nhiễm mặn sẽ gây ra những ảnh hưởng cực kì nghiêm trọng đến sức khỏe của con người.
Nước nhiễm mặn khi vào cơ thể sẽ hút nước từ các tế bào gây nên hiện tượng mất nước khiến tế bào ngày càng bị teo nhỏ. Khi các tế bào chết đi, hệ miễn dịch của cơ thể bị suy giảm tạo điều kiện cho các vi khuẩn xâm nhập gây nên các bệnh lý về tiêu hóa, giảm chức năng đề kháng và dẫn đến tình trạng suy thận, suy gan… Khi sử dụng nguồn nước nhiễm mặn trong sinh hoạt như tắm rửa, vệ sinh, …sẽ có khả năng gây ra các bệnh ngoài da như viêm da, mụn nhỏ, ghẻ lở… Nghiêm trọng hơn là khi nguồn nước nhiễm mặn được sử dụng trong nông nghiệp sẽ khiến đất đai cằn cỗi, gây mất mùa, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống và kinh tế của người dân. Ngoài ra, nó còn phá hủy các thiết bị, đồ dùng sinh hoạt trong nhà đặc biệt là các thiết bị điện, các thiết bị được làm từ kim loại. Vì muối sẽ tác dụng với kim loại và khiến chúng bị ăn mòn và phân hủy.
Vậy nên, khi nước bị nhiễm mặn, cần nhanh chóng tìm cách giảm độ mặn của nước để tránh gây ảnh hưởng tới sức khỏe và đời sống của bản thân.2 Những phương pháp lọc nước mặn Hiện nay có rất nhiều phương pháp để xử ký nước nhiễm mặn hiệu quả, nhưng điều quan trọng là cần phải xác định được độ nhiễm mặn hiệu quả. Từ đó sẽ đưa ra được những biện pháp xử lý phù hợp với mức độ ô nhiễm và tiềm lực kinh tế. Phương pháp trao đổi ion xử lý nước nhiễm mặn Khử muối của nước bằng phương pháp trao đổi ion tức là lọc nước qua bể lọc H- cationit và OH-anionit. Khi lọc nước qua bể lọc H-cationit, do kết quả trao đổi các cation của muối hòa tan trong nước với các ion H+ của hạt cation, các muối hòa tan trong nước biển thành các axit tương ứng: RH + NaCl → RNa + HCl 2RH + Na2SO4 → 2RNa + H2SO4 2RH + Ca(HCO3)2 → R2Ca + 2CO2↑ + 2H2O Và khi lọc tiếp, nước đã được khử cation ở bể H-Cationit, qua bể lọc OH-anionit, các hạt anionit sẽ hấp thụ từ nước các anion của các axit mạnh như Cl-, SO42- (Khí cacbonic được khử ra khỏi nước bằng làm thoáng trước khi cho vào bể OH-aniont) và nhả ra một số lượng tương đương anion OH- [An]OH + HCl → [An]Cl + 2H2O 2[An]OH + H2SO4 → [An]2SO4 + 2H2O Ưu điểm của phương pháp này là chúng ta có thể sục rửa và hoàn nguyên theo đúng quy trình, đảm bảo nguồn nước đầu ra đạt được tiêu chuẩn cao nhất.
Tuy nhiên, phương pháp xử lý nước mặn này có chi phí khá cao và rất khó vận hành. Lọc nước nhiễm mặn bằng màng lọc nước Trên thị trường hiện nay có 3 công nghệ màng lọc nước hiện đại nhất Màng siêu lọc UF Màng siêu lọc UF có khá nhiều ứng dụng trong thực tế: Lọc nước uống từ nước mặt, nước ngầm, nước biển; chế biến thực phẩm và nước giải khát(lọc nước ép trái cây, nước trà xanh, sữa,…); công nghiệp sản xuất mạch nha (Malting Idustry); sản xuất dược phẩm; công nghệ sinh học; sản xuất chất bán dẫn; thu hồi dầu mỡ; xử lý nước 4 thải;…Đặc 5 biệt trong lĩnh vực lọc nước sạch thiết bị lọc sử dụng màng lọc nước UF được xem là rất có triển vọng vì ngoài việc đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cần thiết, màng UF còn có những ưu điểm trội hơn các loại màng lọc khác.4: Tổng quan về cấu trúc màng siêu lọc nước UF tốt nhất hiện nay Ưu điểm của màng lọc UF + Có khả năng loại trừ các tạp chất, chất độc còn lại trong nước sau khi lọc sơ bộ như chất rắn lơ lửng (SS), chất keo, chất hòa tan, độ đục, đặc biệt là các tác nhân gây bệnh như vi khuẩn, virus, …và nước đầu ra không chỉ tuyệt đối an toàn mà còn giữ lại được các khoáng chất cần thiết cho cơ thể. + Quy trình vẫn hành đơn giản, quá trình lọc diễn ra ở nhiệt độ bình thường và áp suất thấp nên ít hoặc không tiêu thụ điện năng, giảm đáng kể chi phí vận hành. + Kích thước của hệ thống nhỏ gọn, cấu trúcđơn giản nên không tốn mặt bằng lắp đặt.
+ Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất, vật liệu của màng lọc UF không xâm nhập vào nguồn nước và sử dụng phương pháp lọc cơ học nên không làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết trong suốt quá trình xử lý. + Rất thuận tiện trong việc xả rửa màng lọc, độ bền của màng cao (có thể lên đến 3 năm) Nhược điểm: Những khoáng chất còn lại trong nước có thể không có lợi cho sức khỏe người dùng. Cách khắc phục: Cần xác định rõ nguồn nước đầu vào, các chỉ tiêu lý hóa cần phải đạt tiêu chuẩn nguồn nước sinh hoạt của bộ y tế (nước máy).5: Thiết kế hiện đại, màng lọc nước UF dễ dàng thi công, giảm đáng kể chi phí vận hành Màng lọc NANO (0,01-0,001 micron) Màng lọc NANO (Nanofiltration – NF) có kích thước lỗ rỗng khoảng 0,001µm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 100-600 psi; là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc UF và RO. Nó có thể lọc được các phân tử muối hóa trị thấp và các chất khoáng; được ứng dụng trong lọc cặn các protein, gelatin, công nghệ chế biến nước hoa quả, phân ly chất rắn hòa tan trong dung dịch và sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt.
Ưu điểm của màng lọc nước Nano: Màng Nano được sử dụng để tách dòng chất lỏng hoặc các phân tử có trong dòng. Về cơ bản thì màng NF không cho hiệu quả cao như màng lọc thẩm thấu ngược RO, nhưng không tốn nhiều năng lượng như màng RO, màng Nano có khả năng giữu các phân tử đường, muối kim loại hóa trị II, vi khuẩn, protein… Với công nghệ lọc Nano, nước vẫn giữ lại được các thành phần khoáng chất tốt cho cơ thể, không sử dụng điện không lo những ngày hè nắng nóng mất điện, không có nước thải nên không gây lãng phí nước, không có bình áp không mất diện tích, phù hợp với mọi không gian trong gia đình.6: Công nghệ lọc nước NANO giữ được các thành phần khoáng tốt cho cơ thể Nhược điểm của màng lọc nước Nano: + Công nghệ Nano không qua hệ thống xử lý thô sẽ dễ gây tắc màng. + Những chất khoáng còn lại có thể không có lợi cho cơ thể + Giá thành cao Cách khắc phục: Với công nghệ này, người dùng cần phải xác định trước nguồn nước để dùng hiệu quả hơn. Màng lọc RO (0,001-0,0001 micron) Màng lọc thẩm thấu ngược (Reverse osmosis – RO) có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0,0001µm, chúng hoạt động dưới áp suất cao, thông thường từ 400-1000 psi, cho phép loại bỏ hầu hết các thành phần có trong nước như cacbuahydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng, các ion, amino, acid… Cơ chế hoạt động của lọc RO sử dụng tính chất của màng bán thấm, tất cả các chất hòa tan bị giữ lại, trừ một vài phần tử hữu cơ rất gần với nước có khối lượng mol nhỏ hơn, phân cực mạnh.
Trên bề mặt màng RO có các lỗ siêu nhỏ, vì thế phải dùng đến điện để tạo áp lực của máy bơm ép nước tinh khiết đi qua màng lọc.