Luận văn thạc sĩ về thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất nước biển sử dụng năng lượng mặt trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Quách Tất Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Dương Công Hùng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Chưng Cất Nước Biển Bằng Năng Lượng Mặt Trời Ở Quy Mô Pilot
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới
• 1.2. Các công nghệ chưng cất
• 1.3. Công nghệ thẩm thấu ngược RO
• 1.4. Công nghệ điện thẩm tách ED
• 1.5. Công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển
• 1.6. Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng
• 1.7. Các cấu hình chưng cất màng
• 1.8. Màng lọc sử dụng cho quá trình chưng cất màng
• 1.9. Hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển
• 1.10. Bẩn và cặn màng trong quá trình chưng cất màng
• 1.11. Các công nghệ thu hồi năng lượng mặt trời và tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
• 2.5. Phương pháp thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển quy mô pilot với công suất 1 m3/ngày. Thiết kế mô đun màng MD
• 3.2. Thiết kế hệ thống gia nhiệt và làm lạnh
• 3.3. Khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển
• 3.4. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm
• 3.5. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD quy mô pilot tại Đảo An Bình, Lý Sơn
• 3.6. Đánh giá hiệu quả năng lượng và các trở ngại kỹ thuật cần khắc phục của hệ thống
• 3.7. Đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống
• 3.8. Các trở ngại kỹ thuật của hệ thống
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống chưng cất nước biển

Hệ thống chưng cất nước biển sử dụng năng lượng mặt trời đang trở thành một giải pháp khả thi cho việc cung cấp nước ngọt ở những khu vực khan hiếm. Công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí năng lượng mà còn tận dụng nguồn năng lượng tái tạo, góp phần bảo vệ môi trường. Hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển là một trong những công nghệ tiên tiến, cho phép tách nước ngọt từ nước biển mà không cần sử dụng nhiều năng lượng. Theo nghiên cứu, việc áp dụng năng lượng mặt trời trong quá trình này có thể nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất

Hệ thống chưng cất màng hoạt động dựa trên nguyên lý tách nước ngọt từ nước biển thông qua một màng lọc. Nước biển được gia nhiệt bằng năng lượng mặt trời, tạo ra hơi nước. Hơi nước này sau đó được ngưng tụ và thu hồi thành nước ngọt. Quá trình này không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm năng lượng, nhờ vào việc sử dụng năng lượng mặt trời. Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống này có thể đạt tới 90% trong điều kiện tối ưu.

1.2. Các lợi ích của công nghệ chưng cất màng

Công nghệ chưng cất màng mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện nước biển có độ mặn cao. Hệ thống này cũng dễ dàng bảo trì và vận hành, giúp giảm thiểu chi phí cho người sử dụng. Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí năng lượng mà còn giảm thiểu khí thải carbon, góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Theo các chuyên gia, việc áp dụng công nghệ này có thể giúp cung cấp nước ngọt cho các khu vực hẻo lánh và đảo xa.

II. Nghiên cứu và phát triển công nghệ chưng cất màng

Nghiên cứu về công nghệ chưng cất màng đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là trong các ứng dụng khử mặn nước biển. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng công nghệ này có thể hoạt động hiệu quả ở quy mô pilot, với khả năng cung cấp nước ngọt cho các cộng đồng dân cư. Việc áp dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp giữa công nghệ chưng cất màng và năng lượng tái tạo có thể tạo ra một giải pháp bền vững cho vấn đề khan hiếm nước.

2.1. Các nghiên cứu điển hình

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát hiệu quả của hệ thống chưng cất màng ở quy mô pilot. Một trong những nghiên cứu đáng chú ý là tại Đảo An Bình, Lý Sơn, nơi hệ thống này đã được lắp đặt và hoạt động thành công. Kết quả cho thấy hệ thống có thể cung cấp 1 m3 nước ngọt mỗi ngày, đáp ứng nhu cầu của người dân địa phương. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ này không chỉ khả thi mà còn có thể được áp dụng rộng rãi trong tương lai.

2.2. Thách thức và giải pháp

Mặc dù công nghệ chưng cất màng có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Các vấn đề như bẩn màng và hiệu suất năng lượng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Việc cải tiến công nghệ và tối ưu hóa quy trình vận hành sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí. Các giải pháp như sử dụng màng lọc mới và cải tiến quy trình gia nhiệt bằng năng lượng mặt trời có thể là hướng đi tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo.

III. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng

Công nghệ chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Việc triển khai hệ thống này ở các khu vực khan hiếm nước ngọt sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho người dân. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ, khả năng mở rộng quy mô và cải thiện hiệu suất sẽ ngày càng cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ này có thể giúp giải quyết vấn đề khan hiếm nước ngọt ở nhiều khu vực trên thế giới.

3.1. Tác động đến môi trường

Việc sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống chưng cất không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Công nghệ này góp phần giảm lượng khí thải carbon và bảo vệ nguồn nước. Theo các chuyên gia, việc phát triển công nghệ này sẽ tạo ra một mô hình bền vững cho việc cung cấp nước ngọt trong tương lai.

3.2. Triển vọng phát triển

Triển vọng phát triển của công nghệ chưng cất màng rất sáng sủa. Với sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức nghiên cứu, công nghệ này có thể được áp dụng rộng rãi hơn. Việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển sẽ giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ này trong thực tiễn.

Nội dung chính

## Tổng quan nghiên cứu

Khử mặn nước biển là một giải pháp chiến lược quan trọng nhằm giải quyết vấn đề khan hiếm nước ngọt trên toàn cầu, đặc biệt tại các khu vực ven biển và hải đảo. Trên thế giới, biển chiếm khoảng 75% diện tích bề mặt Trái Đất, trong khi nước ngọt chỉ chiếm khoảng 3%, phần lớn nằm trong băng đá và lòng đất sâu, khó khai thác. Việt Nam, với nhiều đảo và vùng ven biển, đang đối mặt với nhu cầu cấp thiết về nguồn nước ngọt sạch. Công nghệ chưng cất màng (Membrane Distillation - MD) sử dụng năng lượng mặt trời được xem là giải pháp tiềm năng cho các khu vực này, đặc biệt ở quy mô pilot.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời với công suất 1 m³/ngày, áp dụng tại đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu suất thu hồi nước, chất lượng nước cất, năng lượng tiêu thụ và các trở ngại kỹ thuật trong vận hành thực tế. Thời gian nghiên cứu bao gồm khảo sát phòng thí nghiệm và vận hành pilot thực địa, nhằm cung cấp dữ liệu thực tiễn cho việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này tại Việt Nam.

Việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong chưng cất màng không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn góp phần phát triển bền vững, giảm phát thải khí nhà kính. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc cung cấp nguồn nước sạch cho các cộng đồng dân cư trên đảo, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và phát triển kinh tế xã hội vùng ven biển.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

- **Công nghệ chưng cất màng (Membrane Distillation - MD):** Là quá trình kết hợp giữa chưng cất truyền thống và lọc màng, sử dụng màng kỵ nước vi xốp để tách hơi nước từ nước biển nóng sang bên nước cất mát, qua đó loại bỏ muối và tạp chất. Các cấu hình MD gồm DCMD, VMD, SGMD và AGMD, trong đó AGMD được lựa chọn do hiệu suất nhiệt cao và cấu tạo đơn giản.

- **Hiệu suất thu hồi nước và năng lượng tiêu thụ:** Đánh giá dựa trên thông lượng cất nước (L/m².h), hiệu quả khử mặn (Rejection, %) và năng lượng tiêu thụ riêng (STEC, kWh/m³). Các thông số này phụ thuộc vào đặc tính màng (kích thước lỗ, độ xốp, độ kỵ nước) và điều kiện vận hành (nhiệt độ dòng cấp, dòng làm mát, lưu lượng tuần hoàn).

- **Thu hồi năng lượng mặt trời:** Sử dụng tấm thu nhiệt phẳng chân không với hiệu suất hấp thụ nhiệt lên tới 95%, tận dụng bức xạ mặt trời để gia nhiệt môi chất trao đổi nhiệt, giảm tiêu thụ điện năng cho hệ thống gia nhiệt.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Nước biển lấy tại đảo An Bình, huyện đảo Lý Sơn với độ mặn khoảng 32.000 mg/L, được tiền xử lý qua màng vi lọc MF kích thước 1 µm để loại bỏ cặn lơ lửng và tạp chất.

- **Phương pháp phân tích:** Đo độ mặn bằng độ dẫn điện, xác định NaCl qua chuẩn độ ion Clo, đo pH theo tiêu chuẩn TCVN. Nhiệt độ và lưu lượng được đo trực tiếp bằng cảm biến tích hợp trên hệ thống.

- **Thiết kế và vận hành:** Hệ thống MD quy mô pilot gồm 3 mô đun màng AGMD thương mại, hệ thống thu nhiệt mặt trời, hệ thống gia nhiệt bổ sung bằng điện trở, hệ thống làm lạnh bằng máy lạnh (chiller) và hệ thống tự động hóa với 16 cảm biến và 4 biến tần, dữ liệu được ghi nhận và truyền lên đám mây để giám sát trực tuyến.

- **Timeline nghiên cứu:** Khảo sát phòng thí nghiệm để xác định điều kiện vận hành tối ưu, sau đó triển khai vận hành pilot tại đảo An Bình trong khoảng 30 ngày, đánh giá hiệu suất và độ bền thiết bị trong môi trường biển đảo.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Hiệu suất thu hồi nước:** Hệ thống AGMD vận hành ở nhiệt độ dòng cấp 60°C và dòng làm mát 25°C đạt thông lượng cất nước khoảng 1,3 L/m².h. Với diện tích màng 55,5 m² (3 mô đun), công suất cất nước đạt 83,3 L/h, tương đương 1 m³/ngày.

- **Chất lượng nước cất:** Độ dẫn điện của nước cất thu được rất thấp, thể hiện hiệu quả khử mặn trên 99,9%, đảm bảo tiêu chuẩn nước uống. Độ mặn nước cấp tăng dần khi vận hành tuần hoàn nước mặn, nhưng không ảnh hưởng đến chất lượng nước cất.

- **Năng lượng tiêu thụ:** Năng lượng nhiệt tiêu thụ riêng của hệ thống khoảng 90 kWh/m³, trong đó năng lượng mặt trời cung cấp phần lớn nhiệt lượng, điện năng tiêu thụ cho bơm và thiết bị phụ trợ khoảng 0,13 kWh/m³.

- **Ảnh hưởng của điều kiện vận hành:** Tăng nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn dòng làm mát làm tăng thông lượng cất nước, tuy nhiên cần kiểm soát hiệu suất thu hồi nước không vượt quá 70% để tránh hiện tượng bẩn màng do kết tủa muối.

### Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ chưng cất màng AGMD tích hợp năng lượng mặt trời phù hợp cho khử mặn nước biển quy mô nhỏ, đặc biệt tại các vùng đảo xa xôi. So với công nghệ RO, hệ thống MD có ưu điểm vận hành ở nhiệt độ thấp, chi phí đầu tư thấp hơn do sử dụng vật liệu nhựa và nhôm, ít bị ảnh hưởng bởi bẩn màng và không yêu cầu tiền xử lý phức tạp.

Hiệu suất thu hồi nước và năng lượng tiêu thụ của hệ thống tương đương hoặc tốt hơn các nghiên cứu quốc tế, đồng thời việc tích hợp hệ thống tự động hóa và giám sát trực tuyến giúp nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ dòng cấp, lưu lượng tuần hoàn và thông lượng cất nước minh họa rõ ràng hiệu quả vận hành.

Tuy nhiên, các trở ngại kỹ thuật như kiểm soát bẩn màng khi vận hành ở hiệu suất cao và chi phí bảo trì hệ thống vẫn cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa ứng dụng thực tế.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Tăng cường nghiên cứu và phát triển màng lọc:** Phát triển màng có khả năng chống bẩn và chống ướt cao hơn để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ hệ thống.

- **Tối ưu hóa hệ thống thu nhiệt mặt trời:** Nâng cao hiệu suất thu nhiệt và giảm thất thoát nhiệt nhằm giảm năng lượng bổ sung và chi phí vận hành.

- **Triển khai hệ thống tự động hóa và giám sát:** Áp dụng công nghệ 4.0 để theo dõi, điều khiển và bảo trì hệ thống từ xa, giảm thiểu sự cố và tăng hiệu quả vận hành.

- **Mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế:** Thực hiện các dự án pilot tại nhiều vùng đảo khác nhau để đánh giá khả năng thích ứng và hiệu quả kinh tế xã hội.

- **Đào tạo và nâng cao nhận thức:** Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và cộng đồng địa phương về vận hành và bảo dưỡng hệ thống, đảm bảo sử dụng bền vững.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường:** Nghiên cứu sâu về công nghệ chưng cất màng và ứng dụng năng lượng tái tạo trong xử lý nước.

- **Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực xử lý nước và năng lượng tái tạo:** Tìm hiểu giải pháp công nghệ mới, hiệu quả và bền vững cho khử mặn nước biển.

- **Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách:** Đánh giá tiềm năng và hiệu quả của công nghệ để xây dựng chính sách phát triển nguồn nước sạch cho vùng ven biển và đảo.

- **Cộng đồng dân cư tại các vùng đảo và hải đảo:** Nắm bắt công nghệ cung cấp nước sạch, nâng cao chất lượng cuộc sống và phát triển kinh tế địa phương.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Công nghệ chưng cất màng MD khác gì so với công nghệ RO?**  
MD sử dụng màng kỵ nước để tách hơi nước qua màng, vận hành ở nhiệt độ thấp hơn và ít bị ảnh hưởng bởi bẩn màng, trong khi RO vận hành bằng áp suất cao và yêu cầu tiền xử lý kỹ lưỡng.

2. **Năng lượng mặt trời được sử dụng như thế nào trong hệ thống?**  
Năng lượng mặt trời được thu bằng tấm phẳng chân không để gia nhiệt môi chất trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt lượng chính cho quá trình chưng cất màng, giảm tiêu thụ điện năng.

3. **Hiệu suất thu hồi nước của hệ thống là bao nhiêu?**  
Hệ thống có thể đạt hiệu suất thu hồi nước lên đến 70% khi vận hành tuần hoàn nước mặn, cao hơn so với nhiều công nghệ khác.

4. **Làm thế nào để xử lý hiện tượng bẩn màng?**  
Hiện tượng bẩn màng được hạn chế bằng sơ lọc nước biển qua màng vi lọc và kiểm soát hiệu suất thu hồi nước. Khi bẩn xảy ra, màng có thể được rửa bằng dung dịch giấm ăn để phục hồi hiệu suất.

5. **Hệ thống có thể áp dụng ở những vùng nào?**  
Hệ thống phù hợp cho các vùng đảo, hải đảo và khu vực xa xôi, nơi có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào và nhu cầu nước sạch cấp thiết.

## Kết luận

- Đã thiết kế và triển khai thành công hệ thống chưng cất màng AGMD sử dụng năng lượng mặt trời với công suất 1 m³/ngày tại đảo An Bình, Lý Sơn.  
- Hệ thống đạt hiệu suất thu hồi nước trên 70%, nước cất có độ tinh khiết cao, đáp ứng tiêu chuẩn nước uống.  
- Năng lượng tiêu thụ được tối ưu nhờ tích hợp hiệu quả hệ thống thu nhiệt mặt trời và thiết bị gia nhiệt bổ sung.  
- Công nghệ MD có ưu điểm vượt trội về chi phí đầu tư, vận hành và khả năng chống bẩn màng so với công nghệ RO truyền thống.  
- Đề xuất mở rộng nghiên cứu, ứng dụng thực tế và phát triển công nghệ để đáp ứng nhu cầu nước sạch bền vững cho các vùng ven biển và đảo.

Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác triển khai các dự án pilot mở rộng, đồng thời phát triển công nghệ màng và hệ thống tự động hóa để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống.

**Liên hệ để nhận tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật về công nghệ chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời.**

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới Khử mặn nước biển đã và đang là một giải pháp hiệu quả để giải quyết bài toán khan hiếm nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới. Có thể nói, biển sẽ là nguồn nước ngọt vô tận cho loài người khi có các công nghệ khử mặn nước biển hiệu quả và kinh tế. Trên hành tinh xanh của chúng ta, biển và đại dương chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất và nước ngọt chỉ chiếm 3% lượng nước trên trái đất, 97% lượng nước còn lại là nước biển.

Trong 3% nhỏ bé của tổng lượng nước ngọt trên trái đất, phần lớn nước ngọt nằm trong băng đá ở các cực và sâu trong lòng đất rất khó để khai thác. Con người chỉ có thể khai thác một phần nhỏ nước ngọt trên bề mặt trái đất nằm trong mạch nước ngầm và trong các ao hồ, sông suối. Song, nguồn nước ngọt nhỏ bé này lại đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do các hoạt động phát triển kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh này, khử mặn nước biển được các nhà khoa học và quản lý coi là giải pháp khả thi và bền vững để giải quyết bài toán khan hiếm nước ngọt [1-3].

Với các công nghệ khử mặn nước biển, độ mặn đầu vào của nước biển là đặc trưng quan trọng nhất quyết định sự lựa chọn và tính khả thi của công nghệ [4, 5]. Tùy vào vị trí địa lý, mùa, vào đặc điểm thời tiết, độ mặn của nước biển trên thế giới tại các khu vực khác nhau dao động trong dải rộng từ 15. Với độ mặn cao này, nước biển không thể được sử dụng cho các nhu cầu của con người, mà nó cần phải khử mặn để giảm độ mặn thành nước ngọt. Theo quy ước, nước ngọt là nước có độ mặn (tổng hàm lượng muối tan) nhỏ hơn 500 mg/L [4].

Do đó, các công nghệ khử mặn nước biển, có thể dựa trên các nguyên lý khác nhau, đều có chung mục đích là giảm độ mặn của nước biển để thu được nước ngọt. Để khử mặn nước biển (giảm độ mặn xuống ngưỡng tiêu chuẩn của nước ngọt), các công nghệ khử mặn tiếp cận theo hai hướng khác nhau: (1) tách nước ngọt ra khỏi nước biển và (2) tách muối ra khỏi nước biển [6]. Trong 2 cách tiếp cận này, tách muối ra khỏi nước biển để khử mặn về logic có vẻ hiệu quả Luan van 4 hơn. Điều này là do trong nước biển, hàm lượng muối dù cao (15.000 mg/L), nhưng nó cũng là không đáng kể so với nước (chiếm phần lớn còn lại của nước biển).

Do đó, việc tách muối ra khỏi nước biển sẽ tốn ít công hơn so với việc tách nước ra khỏi nước biển. Tuy nhiên, trong thực tế, dù hàm lượng của nó trong nước biển nhỏ hơn, việc tách muối ra khỏi nước biển phức tạp hơn nhiều so với việc tách nước. Do vậy, các công nghệ khử mặn nước biển chủ yếu tiếp cận theo cách thứ 2, tách nước sạch ra khỏi nước biển. Các công nghệ khử mặn nước biển đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới có thể được chia thành hai nhóm chính: công nghệ chưng cất và công nghệ màng [5, 7].

Các công nghệ khử mặn nước biển bằng chưng cất hoạt động dựa trên sự chuyển pha của nước: nước biển được gia nhiệt để bay hơi nước, sau đó hơi nước được ngưng tụ để thu được nước cất (nước sạch). Khác với các quá trình chưng cất, các quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ màng không thực hiện quá trình chuyển pha của nước mà thay vào đó chúng sử dụng một màng có tính chọn lọc cao để tách nước sạch ra khỏi dòng nước biển [4, 5, 7]. Nhờ đặc điểm này, các công nghệ khử mặn nước biển dùng màng lọc tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với các quá trình chưng cất; vì vậy chúng được lựa chọn cho hầu hết các nhà máy khử mặn nước biển đang và sắp được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới trừ khu vực Trung Đông [4, 5]. Tuy nhiên, chất lượng nước sạch thu được từ quá trình khử mặn dùng công nghệ màng lọc phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nguồn nước biển cấp vào, đặc biệt là độ mặn của nước biển.

Do đó, các công nghệ khử mặn này yêu cầu phải tiền xử lý nguồn nước biển đầu vào rất kỹ để hạn chế việc bẩn màng lọc và quá trình vận hành các công nghệ này cũng phức tạp hơn do thường xuyên phải tiến hành rửa màng lọc. Ngược lại, các công nghệ chưng cất khử mặn tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, nhưng chúng có thể thu được nước sạch có độ tinh khiết cao hơn và chất lượng nước sạch thu được ít bị ảnh hưởng bởi nguồn nước biển cấp vào. Vì điều này, các công nghệ chưng cất khử mặn nước biển vẫn được ưu tiên lựa chọn ở các nước trong khu vực Trung Đông (Hình 1). Luan van 5 (A) (B) Hình 1.

Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B) công nghệ sử dụng [7]. Các công nghệ chưng cất Các công nghệ chưng cất ứng dụng cho khử mặn nước biển chủ yếu dựa trên hai quá trình: chưng cất nhanh đa bậc (multi stage flash, MSF) và chưng cất đa phân đoạn (multi effect distillation, MED). Các nhà máy khử mặn nước biển sử dụng 2 công nghệ này chiếm đến 28% thị phần khử mặn nước biển trên thế giới (Hình 1). Nguồn năng lượng chính của quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ chưng cất là nhiệt năng để đun nóng nước biển.

Nguyên lý hoạt động của quá trình MSF được thể hiện trên Hình 2. Nước biển đã qua tiền xử lý chạy qua các ruột gà có vai trò như nước làm mát để ngưng tụ hơi nước trong các buồng bay hơi và được gia nhiệt sơ bộ nhờ nhiệt ngưng tụ của hơi nước. Nước biển đã gia nhiệt sơ bộ sau đó được tuần hoàn qua một thiết bị trao đổi nhiệt: trong thiết bị này, nước biển được đun nóng (90 – 100 oC) bằng hơi nóng. Nước biển đã được đun nóng sau đó được bơm vào các buồng bay hơi để bốc hơi nước.

Sau khi đi qua các buồng bay hơi (các giai đoạn), nhiệt độ của nước biển giảm xuống trong khi độ mặn của nước biển tăng lên. Nước biển mặn ấm sau buồng bay hơi cuối cùng sẽ được bơm thải ra ngoài hệ thống. Để thúc đẩy quá trình bốc hơi nước, áp suất trong các buồng bay hơi được giảm xuống theo thứ tự từ buồng thứ nhất cho đến buồng cuối cùng sử dụng bơm hút chân không. Luan van 6 Hình 2.

Quá trình khử mặn nước biển bằng công nghệ MSF [7]. Ưu điểm chính của công nghệ MSF khử mặn nước biển là nó thu được nước sạch (nước cất) có độ tinh khiết rất cao và quá trình vận hành tương đối đơn giản [8, 9]. Là một quá trình chưng cất, hoạt động của quá trình MSF ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn của nước biển như là quá trình RO (bị ảnh hưởng bởi áp suất thẩm thấu của nước biển). Quá trình MSF có thể hoạt động hiệu quả với nước biển có độ mặn cao (như ở khu vực Trung Đông), không yêu cầu quá trình tiền xử lý kỹ càng và có thể đạt được hiệu suất thu hồi nước cao [8, 9].

Tuy nhiên, quá trình MSF tiêu tốn rất nhiều năng lượng để làm bay hơi nước biển và ngưng tụ hơi nước để thu được nước sạch (Bảng 1). Do đặc điểm này, công nghệ MSF thường được sử dụng cho các nhà máy khử mặn nước biển có độ mặn cao và chất lượng đầu vào thường bị biến đổi. Luan van 7 Bảng 1. Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử mặn nước biển [7].

Công nghệ khử mặn MSF MED RO ED MD Nhiệt độ làm việc (C) 90-110 50-70 25 25 30-90 Áp suất làm việc (bar) 1 1 60-80 1 1 Điện năng tiêu thụ (kWh/m3) 3,5-5,0 1,5-2,5 4,0-8,0 17,0 0,13 Nhiệt năng tiêu thụ (kWh/m3) 69,4-88,3 41,7-61,1   90,0 Một công nghệ khử mặn nước biển dựa trên nguyên lý chưng cất khác là công nghệ MED (Hình 3). Có thể nói, MED là một trong những công nghệ chưng cất lâu đời nhất trên thế giới, song nó lại không thể cạnh tranh được với công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển. Hiện nay trên toàn thế giới, chỉ có khoảng 7% lượng nước ngọt sản xuất từ nước biển được thực hiện bởi quá trình MED (trong khi sản lượng của quá trình MSF là 21%) (Hình 1) [7]. So với quá trình MSF, quá trình MED có thiết kế tin cậy, công nghệ hoàn thiện, chất lượng sản phẩm cao hơn và năng lượng tiêu thụ ít hơn.

Năng lượng nhiệt tiêu thụ trung bình của quá trình khử mặn MED nằm trong khoảng từ 41,7  61,1 kWh/m3 (Bảng 1). Song, công nghệ MED hiện tại chưa thể cạnh tranh với công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển vì nó có chi phí xây dựng và vận hành cao hơn. Quá trình MED khử mặn nước biển có nguy cơ xảy ra cặn kết tủa cao hơn nhiều so với quá trình MSF, dẫn đến quá trình khử mặn nước biển dùng công nghệ MED yêu cầu phải tiền xử lý nước biển kỹ càng hơn, vận hành ở nhiệt độ thấp hơn, và phải thường xuyên phải tiến hành vệ sinh và rửa các dàn trao đổi nhiệt. Luan van 8 Hình 3.

Sơ đồ công nghệ quá trình MED khử mặn nước biển [7]. Công nghệ thẩm thấu ngược RO Công nghệ RO hiện đang dẫn đầu thị trường khử mặn nước biển trên thế giới [3, 10]. RO sử dụng một màng lọc bán thấm để tách nước ngọt từ dòng nước biển. Do tính chọn lọc của nó, màng RO chỉ cho phép nước sạch thẩm thấu qua màng trong khi chặn lại toàn bộ các tạp chất (cặn lơ lửng, các chất hữu cơ, vi khuẩn, và virus) và muối tan.

Do đó, quá trình khử mặn RO cho phép thu được nước ngọt có độ tinh khiết cao (với tổng lượng hòa tan TDS <150 ppm). Tuy nhiên, để thu được nước ngọt từ dòng nước biển, cần phải áp dụng một áp suất thủy tĩnh rất cao bên phía dòng nước biển để vượt qua được áp suất thẩm thấu của nước biển (Hình 4). Công nghệ RO có những ưu điểm chính sau: i) Có khả năng mô đun hóa rất cao và có kích thước nhỏ gọn, do đó các nhà máy khử mặn dùng công nghệ RO có diện tích và chi phi xây dựng ban đầu nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy sử dụng công nghệ chưng cất truyền thống.