CHƯƠNG 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nước có ở khắp mọi nơi, là một trong những nguồn tài nguyên phong phú nhất trên trái đất, là thành phần thiết yếu nhất cho sự sống và chiếm 3/4 bề mặt của hành tinh. Khoảng 97% lượng nước của trái đất là nước muối có trong đại dương và 3% là nước ngọt chứa trong các cực (dưới dạng băng), nước ngầm, nước sông, hồ và ẩm trong không khí, cung cấp hầu hết cho nhu cầu của con người và động vật. Gần 70% trong số 3% nước ngọt của thế giới đang đóng băng ở sông băng, lớp phủ tuyết vĩnh cửu, băng đá và băng trôi. Còn 30% là ở dưới lòng đất, phần lớn trong các tầng nước sâu, khó tiếp cận.
Cả hồ và sông chỉ chứa ít hơn 0,3% tổng lượng nước ngọt [1]. Trong công bố năm 2018 [2] của Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) và Hội đồng nước thế giới (WWC): khi dân số thế giới tăng, biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường và đô thị hóa, cùng với nhu cầu về lương thực tăng dẫn đến nhu cầu nước tăng cao đã đặt ra những thách thức cho nhiều quốc gia phải đối đầu với sự khủng hoảng về nước. Theo báo cáo phát triển nước thế giới của Liên hợp quốc [2-3], ước tính có khoảng 3,6 tỷ người (gần một nửa dân số toàn cầu) sống ở những khu vực có tình trạng khan hiếm nước ít nhất một tháng mỗi năm và có thể tăng lên khoảng 4,8-5,7 tỷ vào năm 2050. Ở Việt Nam, mục tiêu trong Chiến lược quốc gia cấp nước sạch và vệ sinh nông thôn đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định 1978/QĐ-TTg ngày 24/11/2021 đặt ra mục tiêu đến năm 2030, 65% dân số nông thôn được sử dụng nước sạch đạt chất lượng theo quy chuẩn với số lượng tối thiểu 60 lít/người/ngày [4], đồng thời nghiên cứu triển khai áp dụng công nghệ xử lý nước mặn, nước lợ thành nước ngọt.
Như vậy, việc tìm kiếm công nghệ và giải pháp xử lý nước mặn để cung cấp nước sạch cho các khu vực thành thị, nông thôn, ven biển và hải đảo là một nhiệm vụ cấp bách và cần thiết, đặc biệt trong tình trạng thiếu hụt nước hiện nay và tình trạng khan hiếm nước nghiêm trọng hơn dự kiến trong tương lai gần. 1 Ngày nay, nước sạch có thể được sản xuất thông qua việc áp dụng công nghệ sản xuất nước sạch khác nhau như điển hình là công nghệ nhiệt và công nghệ màng. Hầu hết các quá trình nhiệt sử dụng nhiều nguồn năng lượng đa dạng để sản xuất sạch cho tất cả các loại nước, từ nước lợ, nước mặn đến nước biển và cũng bao gồm nước thải công nghiệp và nước bị nhiễm bẩn, nhiễm phèn, nhiễm mặn. Trong khi đó, quá trình chưng cất nước là một quá trình đơn giản để làm sạch nước bẩn và sản xuất nước sạch là dùng nhiệt bằng cách đun sôi, không để lại bất kỳ chất ô nhiễm nào và ngưng tụ hơi nước trở lại thành nước sạch, quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng làm tăng chi phí đầu tư, chi phí năng lượng.
Vì vậy, để giảm gánh nặng cho chi phí năng lượng trong quá trình chưng cất cần phải tìm kiếm nguồn năng lượng tiềm năng, nhiệt thải được xem như một lựa chọn tốt đáp ứng yêu cầu này. Nhiệt thải được tạo ra từ quá trình công nghệ là điều không thể tránh khỏi. Các quy trình công nghiệp tạo ra nhiệt thải đi vào môi trường xung quanh chúng đến mức mà ta có thể thu hồi và tận dụng. Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu này, người ta phải chú ý đến tính khả thi về kỹ thuật và tính hợp lý về kinh tế.
Cả hai đều phụ thuộc vào lượng chất thải và chất lượng nhiệt được xác định theo nhiệt độ. Nhiều loại nhiệt thải được tạo ra từ quá trình sản xuất thép, kim loại màu, hóa chất, xi măng, giấy, lọc dầu, khí nén, thủy tinh. và các thiết bị của lò nung công nghiệp, lò đốt rác thải, lò đốt chất thải công nghiệp và chuyển đổi nhiệt lượng thu hồi thành năng lượng nhiệt hữu ích và hiệu quả. Mặt khác, nhiệt thải được thu hồi còn góp phần đáng kể vào việc giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải khí carbon.
Từ những phân tích ở trên, đề tài luận văn: “Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước mặn phục vụ sinh hoạt tận dụng nhiệt thải công nghiệp” được đề xuất vì thấy đây là một trong những vấn đề có tính cấp thiết và thời sự. 2 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT CHƯNG CẤT NƯỚC VÀ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI 2. Yêu cầu về đặc điểm nguồn nước sinh hoạt Nước sinh hoạt là nước được sử dụng hàng ngày cho nhu cầu sinh hoạt như tắm, giặt giũ, nấu nướng, rửa, vệ sinh hoặc dùng cho chế biến thực phẩm tại các cơ sở chế biến thực phẩm…. thường không sử dụng để ăn, uống trực tiếp.
Các loại 3 loại nguồn nước sinh hoạt được sử dụng phổ biến hiện nay: - Nước ngầm: nước được lấy từ các mạch nước ngầm sâu trong lòng đất, qua các tầng địa chất. Nước ngầm thường có nhiều nguyên tố khoáng, khó kiểm soát được chất lượng do phụ thuộc vào mạch nước ngầm khoan hoặc đào được. - Nước mưa: ở các khu vực nông thôn, các hộ gia đình hiện nay thường lưu trữ nước mưa để sử dụng cho các nhu cầu sinh hoạt hàng ngày. Tuy nhiên nguồn nước mưa thường có tính axit và hiện nay ô nhiễm môi trường nặng nề dẫn đến chất lượng nước mưa không đảm bảo.
- Nước máy: thường được sử dụng nhiều ở các khu vực thành phố, một số khu vực ngoại, tỉnh thành thường có kiểm nghiệm về chất lượng đạt tiêu chuẩn sinh hoạt của Bộ Y Tế qui định. Tuy nhiên do chất lượng nguồn nước cấp quá đặc thù, do sự lỗi thời, xuống cấp của các công nghệ xử lý của nhà máy, quy trình thau rửa, nâng cấp, bảo trì không đảm bảo nên nguồn nước này không có chất lượng ổn định. Chất lượng nước thường phụ thuộc vào mục đích sử dụng nước. Nguồn cung cấp nước để sinh hoạt phải không có vi khuẩn, khoáng chất và sinh vật chứa mầm bệnh nếu không sẽ tạo ra các phản ứng sinh lý và gây nhiễm trùng chẳng hạn như nhiễm trùng đơn bào, vi khuẩn, virus trong cơ thể con người.
Chất lượng nước sinh hoạt phải đảm bảo tuân thủ theo quy định hiện hành của các tiêu chuẩn Việt Nam [5] hoặc các tiêu chuẩn nước ngoài tương đương.1: Quy chuẩn chất lượng nước sinh hoạt (QCVN 01-1:2018/BYT) Giới hạn Đơn vị TT Tên chỉ tiêu tối đa cho phép Phương pháp thử tính I II TCVN 6185 - 1996 (*) 1 Màu sắc TCU 15 15 (ISO 7887 - 1985) hoặc SMEWW 2120 Không có Không có Cảm quan, hoặc SMEWW 2 Mùi vị(*) - mùi vị lạ mùi vị lạ 2150 B và 2160 B TCVN 6184 - 1996 3 Độ đục(*) NTU 5 5 (ISO 7027 - 1990) hoặc SMEWW 2130 B Trong SMEWW 4500Cl hoặc US 4 Clo dư mg/l khoảng - EPA 300.1 0,3 - 0,5 Trong Trong (*) TCVN 6492:1999 hoặc 5 pH - khoảng khoảng SMEWW 4500 - H+ 6,0 - 8,5 6,0 - 8,5 SMEWW 4500 - NH3 C Hàm lượng 6 mg/l 3 3 hoặc Amoni(*) SMEWW 4500 - NH3 D Hàm lượng Sắt TCVN 6177 - 1996 (ISO 7 tồng số (Fe2+ + mg/l 0,5 0,5 6332 - 1988) hoặc Fe3+)(*) SMEWW 3500 - Fe Chỉ số TCVN 6186:1996 hoặc 8 mg/l 4 4 Pecmanganat ISO 8467:1993 (E) Độ cứng tính TCVN 6224 - 1996 hoặc 9 mg/l 350 - theo CaCO3(*) SMEWW 2340 C TCVN6194 - 1996 Hàm lượng 10 mg/l 300 - (ISO 9297 - 1989) hoặc Clorua(*) SMEWW 4500 - Cl- D TCVN 6195 - 1996 Hàm lượng 11 mg/l 1,5 - (ISO10359 - 1 - 1992) Florua hoặc SMEWW 4500 - F- Hàm lượng TCVN 6626:2000 hoặc 12 mg/l 0,01 0,05 Asen tồng số SMEWW 3500 - As B Vi TCVN 6187 - 1,2:1996 Coliform tống 13 khuẩn/ 50 150 (ISO 9308 - 1,2 - 1990) số 100ml hoặc SMEWW 9222 4 E. coli hoặc Vi TCVN6187 - 1,2:1996 14 Coliform chịu khuẩn/ 0 20 (ISO 9308 - 1,2 - 1990) nhiệt 100ml hoặc SMEWW 9222 Ghi chú: 1. (*) Chỉ tiêu về cảm quan là những yếu tố về màu sắc, mùi vị có thể nhìn thấy bằng giác quan của con người. SMEWW viết tắt của Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water là các phương pháp chuẩn xét nghiệm nước và nước thải 3.
US EPA viết tắt của United States Environmental Protection Agency nghĩa là Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ 4. TCU viết tắt của True Color Unit là đơn vị đo của chỉ tiêu màu sắc 5. NTU viết tắt của Nephelometric Turbidity Unit là đơn vị đo chỉ tiêu độ đục 6. Giới hạn tối đa cho phép I: Áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước.
Giới hạn tối đa cho phép II: Áp dụng đối với các hình thức khai thác nước của cá nhân, hộ gia đình (các hình thức cấp nước bằng đường ống chỉ qua xử lý đơn giản như giếng khoan, giếng đào, bể mưa, máng lần, đường ống tự chảy). Đặc điểm của nước mặn Nước mặn là thuật ngữ chung để chỉ nước chứa một hàm lượng đáng kể các muối hòa tan (chủ yếu là NaCl). Hàm lượng này thông thường được biểu diễn dưới dạng phần nghìn (ppt), phần triệu (ppm), phần trăm (%) hoặc g/l. Độ mặn trung bình của nước mặn tham chiếu được lấy là 35000 ppm [6].
Tính chất hóa học Nước mặn là một loại chất lỏng có thành phần phức tạp, chứa hơn 80 các nguyên tố hóa học chủ yếu tồn tại dưới dạng các ion. Trong quá trình cô đặc và kết tinh nước mặn, các ion kết tủa dưới dạng muối, trong đó hàm lượng của 11 thành phần của nước mặn điển hình được trình bày trong Bảng 2.2: Thành phần hóa học của nước mặn tiêu chuẩn (35000 ppm) Nồng độ Phần trăm tổng thành Ion hóa học [ppm] phần muối [%] Cl− 19345 55,0 5 Na+ 10752 30,6 SO42− 2701 7,6 Mg2+ 1295 3,7 Ca2+ 416 1,2 K+ 390 1,1 HCO3− 145 0,4 Br− 66 0,2 BO33− 27 0,08 Sr2+ 13 0,04 F− 1 0,003 Các thành phần hóa học chính được tìm thấy trong nước mặn chủ yếu là natri (30%) và clorua (55%), tức là các thành phần của muối ăn chung, chiếm 85% tổng hàm lượng chất rắn hòa tan của nước biển. Sulphate và magiê cũng rất phong phú, với tỷ lệ tương ứng là gần 8% và 4%. Cần lưu ý rằng mặc dù độ mặn có thể thay đổi tùy thuộc vào khu vực cụ thể trên thế giới nhưng thành phần phần trăm của nước mặn về cơ bản là không đổi trên toàn thế giới (tức là tỷ lệ của các thành phần chính là không đổi).