Đặt vấn đề Thiếu hụt nước sạch cho ăn uống và sinh hoạt vẫn còn diễn ra nhiều nơi trên thế giới. Việc thiếu hụt nước sạch này có thể do điều kiện tự nhiên, có thể do nguồn nước mặt bị ô nhiễm, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu,. Dù xuất phát từ lý do nào thì thiếu hụt nước sạch là một vấn đề nghiêm trọng mà con người đang phải đối mặt. Hậu quả của việc thiếu nước ngọt sạch là hơn 2,5 triệu người chết mỗi năm trên thế giới mà trong đó hầu hết là trẻ em và khoảng 780 triệu người trên toàn thế giới hiện không được tiếp cận với các nguồn nước ngọt sạch [1].
Vì lý do đó để giải quyết vấn đề thiếu nước sạch có nhiều giải pháp đã được đưa ra tuỳ thuộc vào đặc điểm địa lý và vấn đề cụ thể cần giải quyết. Đối với các vùng mà nước sạch bị thiếu do nước bị ô nhiễm thì các giải pháp tiền xử lý kết hợp hệ thống lọc thẩm thấu ngược RO là một giải pháp hợp lý. Tuy nhiên tại các vùng mà thiếu nước ngọt chủ yếu do yếu tố tự nhiên, thì cần phải có một giải pháp cung cấp nước sạch mà không phụ thuộc vào nguồn nước mặt tại khu vực đó. Chiết tách nước từ không khí là giải pháp thu hút được sự quan tâm trong trường hợp này, thu thập và tách nước từ không khí thông qua các phương pháp công nghệ, giúp ngưng tụ hơi nước có trong không khí thành nước lỏng.
Vì chiết tách nước từ không khí không phụ thuộc vào nguồn nước mặt tự nhiên. Tính lưu động cao của không khí giúp cho tiềm năng chiết tách nước từ không khí là vô tận. Bên cạnh đó các hệ thống chiết tách nước từ không khí có tính độc lập cao và có thể được thiết lập gần như ở bất cứ khu vực nào. Các hệ thống chiết tách nước từ không khí có thể được chia làm hai dạng cơ bản: (i) các thiết bị thụ động và (ii) các thiết bị chủ động cần cung cấp điện năng để hoạt động.
Các thiết bị thụ động như các tháp lưới sử dụng sợi polymer để thu được nước dưới dạng hơi sương với cơ chế hoạt động tương tự như cách lấy nước từ lông tơ của 1 loài bọ Namib, các lông tơ trên cánh sen. Ngoài ra việc chiết tách nước từ không khí có thể dùng các loại vật liệu hút ẩm như các khung hữu cơ kim loại (Metal Organic Framwork - MOF) kết hợp năng lượng nhiệt mặt trời để giải hấp nước bị hấp thụ trong các lỗ xốp của vật liệu MOF. Các thiết bị thụ động có kết cấu đơn giản, dễ sử dụng tuy nhiên thường có công suất nhỏ và thường phơi trong môi trường nên dễ bị nhiễm bẩn lượng nước thu được. Để chủ động hơn trong việc chiết tách nước từ không khí thì các thiết bị chủ động được quan tâm chế tạo.
Các thiết bị chủ động thông thường hoạt động theo nguyên lý của máy lạnh một cấp hoặc các biến thể của nó khi kết hợp các hệ thống màng lọc, hoặc các chất hút ẩm,… để mang lại hiệu quả hơn về mặt sử dụng năng lượng. Tiềm năng phát triển của các hệ thống chiết tách nước từ không khí là rất lớn vì nó giải quyết một trong những vấn đề cấp bách nhất của xã hội đó là vấn đề nước sạch. Tuy nhiên các hệ thống cần phải hướng tới việc sử dụng hiệu quả hơn năng lượng trong hoạt động để việc kết hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo trở nên khả thi. Từ đó các thiết bị chiết tách nước từ không khí trở nên phổ biến hơn, có khả năng ứng dụng cao trong thực tế.
Cho đến hiện nay các công trình nghiên cứu liên quan đến tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong hệ thống chiết tách từ không khí cũng đã được thực hiện, tuy nhiên trong lĩnh vực này các kết quả vẫn còn ít và chưa tối ưu hoá. Vì vậy thông qua nghiên cứu chế tạo hệ thống chiết tách nước từ không khí sử dụng màng lọc, đề tài này mong muốn đóng góp nhiều hơn trong việc hoàn thiện công nghệ chiết tách nước sạch từ không khí. Tổng quan đề tài 1. Giới thiệu Hơi nước trong không khí hoàn toàn có thể chuyển đổi trạng thái từ pha khí sang pha lỏng bởi quá trình đọng sương, muốn điều này diễn ra thì nhiệt độ của không khí chứa hơi ẩm trong môi trường tự nhiên phải được hạ nhiệt độ xuống thấp hơn hoặc bằng nhiệt độ đọng sương của không khí.
Nhiệt độ đọng sương (Dew-point-DP): là nhiệt độ không khí cần được làm mát ở áp suất không đổi để đạt được độ ẩm tương đối (φ) là 100%. Tại thời điểm này nếu không khí tiếp tục được làm mát thì hơi ẩm trong không 2 khí sẽ được lấy đi dưới dạng lỏng. Thông thường, hiện tượng đọng sương trong ngành kỹ thuật điều hòa không khí được thể hiện rõ rệt nhất là tại các FCU (Fan coil units), dàn bay hơi của máy lạnh dân dụng,. Vì tại các thiết bị này có dàn ống đồng được làm lạnh rất hiệu quả bởi môi chất lạnh ở nhiệt độ khoảng 5 ÷ 7 ℃ do đó quá trình đọng sương của không khí được diễn ra rất nhanh và rõ rệt.
Hình 1-1 thể hiện quá trình ngưng tụ hơi ẩm thành nước xảy ra tại dàn bay hơi của máy lạnh một cấp. Đó là quá trình ngưng nước không chủ đích trong các thiết bị lạnh. Vì vậy trong đó khoảng 52 % năng lượng đóng góp vào quá trình ngưng tụ là làm lạnh không khí và chỉ có khoảng 40 % năng lượng dùng để làm lạnh hơi ẩm trong không khí [2]. Với mục đích là tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình ngưng tụ nước thì cần phải giảm năng lượng cho việc làm lạnh không khí (không phải hơi ẩm).
Để làm được điều đó đòi hỏi các kiến thức liên quan đến không khí ẩm, các quá trình trao đổi nhiệt của dàn coil trong thiết bị lạnh. Vì vậy, trong để tài này sẽ đề cập đến các lý thuyết liên quan đến màng chọn lọc hơi nước, cũng như lý thuyết về quá trình truyền nhiệt và ngưng tụ hơi ẩm trong trong khí cũng sẽ được nêu rõ. Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh một cấp đơn giản trong đó quá trình ngưng tụ nước xảy ra ở dàn bay hơi của hệ thống. Nguyên lý hoạt động và cách bố trí màng chọn lọc hơi nước.
Màng chọn lọc hơi nước là loại vật liệu có độ thấm hơi nước cao và độ thẩm thấu đối với các loại khí khác như N2 hoặc CO2. Nó có thể được sử dụng để tách ẩm trong không khí ở một không gian hạn chế thông qua sự chênh áp suất giữa 2 bề mặt của màng 3 để dẫn động hơi nước thẩm thấu xuyên qua bề mặt của màng. Hình 1-2 Hơi nước được thẩm thấu qua màng nhờ sự chênh lệch áp suất hai bên màng lọc Hình 1-3 cho thấy sơ đồ khối sự kết hợp của màng chọn lọc hơi nước trong việc chiết tách nước từ không khí thông qua sự chênh lệch áp suất hai bên màng. Sự chênh lệch áp suất được tạo ra và duy trì nhờ vào bơm, không khí ẩm thẩm thấu qua màng sẽ qua một bình chứa trung gian để làm giảm áp suất hơi đến áp suất bão hòa theo nhiệt độ của bình chứa trước khi đưa vào ngưng tụ.
Màng chọn lọc hơi nước sẽ loại bỏ được các khí không ngưng tụ và bơm sẽ được dùng để giữ cho áp suất tuần hoàn không đổi và được duy trì. Bằng cách này, năng lượng làm mát có thể được sử dụng hiệu quả để ngưng tụ hơi nước thay vì làm mát các thành phần không khí khác hơi nước. Hình 1-3 Sơ đồ khối cách bố trí màng chọn lọc hơi nước để thu được hơi nước thẩm thấu có độ ẩm cao để đưa đến dàn ngưng tụ hơi nước 4 Bên cạnh việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, thiết bị thu độ ẩm hoạt động với màng chọn lọc hơi nước còn có một ưu điểm lớn khác so với quá trình ngưng tụ trực tiếp từ không khí đó làm làm tăng chất lượng nước thu được. Vì màng chọn lọc hơi nước là một lớp vật liệu có tính chọn lọc cao đối với hơi nước nên sự xâm nhập của các vật thể lớn hơn như vi rút hoặc vi khuẩn hầu như không thể xảy ra, từ đó nước thu được có độ tinh khiết cao đáp ứng các yêu cầu về nước cho sinh hoạt, ăn uống.
Màng lọc sợi rỗng Tuỳ vào mục đích sử dụng mà màng lọc có rất nhiều loại khác nhau và có rất nhiều ứng dụng trong thực tế khác nhau. Có các loại màng dùng để xử lý nước, tách khí, chế tạo khí Hydro, tạo khí oxy cho máu trong các ứng dụng y tế, xử lý nước thải, khí thải,… [3]. Trong đó màng sợi rỗng là các màng ưa nước được ứng dụng khá nhiều trong xử lý nước. Ưu điểm của các loại màng sợi rỗng là có thể tạo ra các mô-đun nhỏ gọn với diện tích bề mặt màng rất cao.
Quá trình phát triển màng sợi rỗng được bắt đầu bởi Mahon và nhóm cộng sự tại công ty Dow Chemical vào năm 1966 [4] và việc thương mại hóa các loại màng sợi rỗng được phát triển mạnh bởi công ty Dow, Du Pont,. Đường kính của sợi rỗng có thể dao động từ 50 đến 3000 μm. Sợi có thể được tạo ra với cấu trúc dày đặc đồng nhất hoặc có cấu trúc vi xốp với lớp chọn lọc dày đặc ở mặt ngoài hoặc bên trong. Lớp bề mặt dày đặc này có thể được tích hợp trực tiếp vào sợi hoặc được phủ thêm dưới dạng một lớp riêng biệt.
Để tạo ra mô-đun màng, nhiều sợi rỗng phải được bó lại và đặt vào ống, với tổng diện tích bề mặt màng có thể lên đến vài mét vuông, đòi hỏi sợi phải có chiều dài lớn. Quá trình sản xuất sợi rỗng cần đảm bảo khả năng tái sản xuất cao và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, vì mô-đun không được chứa các sợi bị đứt hoặc bị lỗi. Các loại màng sợi rỗng trong sản xuất được minh họa trong Hình 1-4. Sợi có đường kính từ 50 đến 200 μm thường được gọi là sợi mịn rỗng.
Những sợi này có khả năng chịu được áp suất thủy tĩnh rất cao tác động từ bên ngoài, nên thường được sử dụng trong các ứng dụng thẩm thấu ngược hoặc tách khí ở áp suất cao, với áp suất có thể lên 5 đến hơn 1000 psi. Trong các ứng dụng này, chất lỏng cấp liệu được đưa vào bên ngoài (vỏ) của sợi và chất thấm được thu gom từ lỗ khoang bên trong của sợi.