Đặt vấn đề Nguồn nước sạch là một tài nguyên vô cùng quý giá đối với không chỉ sự sống mà còn trong sản xuất, sinh hoạt của con người. Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay, nguồn nước đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Điển hình là tại vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), nơi mà theo số liệu của Ủy hội sông Mê Công, chiếm gần 60% lượng nước của cả nước, nguồn nước lại đang ngày càng trở nên khan hiếm, nhiễm mặn và ô nhiễm bởi các yếu tố khách quan tự nhiên (quá trình sinh, địa, hóa, khí hậu, khí tượng, thủy văn) và các yếu tố chủ quan do khai thác quá mức và từ các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội (KT-XH). Về mặt lưu lượng, theo số liệu từ Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia, tổng lượng dòng chảy vào ĐBSCL qua 2 trạm thủy văn Tân Châu và Châu Đốc nằm tại đầu nguồn sông Cửu Long trong toàn bộ mùa lũ năm 2020 dự kiến chỉ đạt khoảng 55% TBNN (thiếu khoảng 130 tỷ m3) và thấp hơn cùng kỳ năm 2019 khoảng 15%.
Về mặt chất lượng nước, chất lượng nước của vùng đang suy thoái từng ngày, lượng nước thải chưa qua xử lý được xả trực tiếp vào các hệ thống kênh rạch đã khiến nguồn nước mặt cũng như nước ngầm bị ô nhiễm trên quy mô lớn. Trong tình cảnh đó thì hệ thống xử lý nước thải tập trung vẫn chiếm tỷ lệ thấp hoặc không đạt tiêu chuẩn đang xả thải ra môi trường mỗi ngày, khiến cho tài nguyên nước mặt bị nhiễm chất bẩn hữu cơ và vi sinh. Theo kết quả quan trắc của Viện nghiên cứu Khoa học xã hội vùng Nam Bộ, nồng độ vi khuẩn Ecoli tại các sông ngòi, kênh rạch ở ĐBSCL đã vượt quá mức cho phép 2-5 lần; nồng độ BOD5 và COD vượt giới hạn cho phép 1-3 lần; nồng độ ammoniac và một số độc chất phát sinh từ hoạt động công nghiệp và nông nghiệp đã vượt quá 5-10 lần tiêu chuẩn cho phép [36]. Nguồn nước ngày càng cạn kiệt và chất lượng nước mặt ngày càng suy giảm khiến cho người dân phải tìm đến nước ngầm như một nguồn thay thế.
Thống kê hiện nay trên toàn vùng ĐBSCL có khoảng 9.650 giếng khai thác nước ngầm tập trung quy mô trên 10m3/ngày [37]. Ngoài ra, còn khoảng trên 1 triệu giếng khai thác lẻ quy mô hộ gia đình … Theo Hội Địa chất Thủy văn Việt Nam, tính đến năm 2015, mực nước ngầm của ĐBSCL đã bị tụt giảm khoảng 15m, với mức độ tụt giảm hàng năm khoảng 40cm tùy từng vùng [36]. Hậu quả kéo theo đó là lún sụt mặt đất, tạo điều kiện cho nước biển dâng cao, mặn xâm nhập sâu. Nghiêm trọng hơn, một tỷ lệ lớn nguồn nước ngầm ở ĐBSCL đã bị nhiễm mặn, nhiễm hóa chất không sử dụng được.
Đây là hệ lụy của việc khai thác nước ngầm tràn lan, quá mức và tình trạng sử dụng hóa chất bừa bãi, xả thải nước chưa qua xử lý ra môi trường trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp… Khi nguồn nước ngày càng khan hiến thì xâm nhập mặn lại càng trở nên nghiêm trọng và gay gắt hơn. Mùa khô năm 2019-2020, hạn mặn bắt đầu xuất hiện từ giữa tháng 12/2019, sớm hơn 3 tháng so với trung bình các năm. Các số liệu quan trắc từ Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam chỉ ra: trong đợt hạn mặn 2019-2020, phải vào sâu 1 trong đất liền cách cửa biển 40km mới lấy được nước ngọt. Cá biệt trên sông Hàm Luông, điểm cách biển đến 5km vẫn chưa lấy được nước ngọt.
Trên sông Vàm Cỏ nước có độ mặn 4 phần nghìn đã xâm nhập sâu vào đất liền khoảng 100km; trên sông Hậu, sông Cổ Chiên vào sâu gần 0km; trên các sông Cửa Tiểu, Cửa Đại, Cái Lớn vào sâu gần 60km. Trước thực tế trên, những năm qua, Nhà nước đã có nhiều chính sách, Quyết định hỗ trợ với số tiền lên đến hàng nghìn tỉ đồng nhằm giảm bớt hậu quả của thiên tai tại ĐBSCL như Quyết định số 504/QĐ-TTg ban hành ngày 10/04/2020 nhằm nạo vét kênh mương, đắp đập tạm ngăn mặn giữ ngọt; đào ao, giếng trữ nước ngọt; mua thiết bị lọc, trữ nước; vận chuyển nước cho người dân, bệnh viện, trường học tại vùng khó khăn về nguồn nước ngọt. Về mặt khoa học, công nghệ, các hệ thống xử lý nước sông kênh thành nguồn nước có thể sử dụng được đang ngày càng phát triển và giá thành ngày càng rẻ hơn. Trong số đó, công nghệ lọc màng là một công nghệ hiện đại, đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc xử lý các chất ô nhiễm, chất lượng nước đầu ra luôn đạt tiêu chuẩn cao, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
Hiện nay, các hệ thống xử lý nước nhiễm mặn đang ngày càng phát triển và giá thành ngày càng rẻ hơn như lọc RO, lọc màng, trao đổi ion v. Trong đó, công nghệ chưng cất màng (membrane distillation, MD) là một công nghệ hiện đại, đã chứng minh được tính hiệu quả trong xử lý, chất lượng nước đầu ra luôn đạt tiêu chuẩn cao, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau và đang ngày càng nhận được sự quan tâm trên thế giới. Đây cũng là một phương pháp rẻ tiền, vận hành đơn giản có thể áp dụng vào thực tế. Tuy nhiên, phương pháp trên vẫn còn nhiều hạn chế cần khắc phục nhằm gia tăng hơn nữa hiệu quả xử lý như chưa thể áp dụng ở quy mô công nghiệp do thông lượng thấp, module màng chưa tối ưu, khả năng thấm ướt màng vẫn còn cao.
Qua quá trình tìm hiểu, học viên nhận thấy các nghiên cứu trong và ngoài nước trước đây về MD phần lớn tập trung vào các vấn đề như: ‐ Nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiều yếu tố như vận tốc, nhiệt độ dòng nước, nồng độ nước mặn đến Thông lượng nước cất và hiệu quả xử lý; ‐ Sử dụng nhiều phương pháp cũng như nhiều chất khác nhau nhằm biến tính bề mặt màng để tạo ra loại màng mới có nhiều ưu điểm hơn từ đó gia tăng Thông lượng nước cất cũng như hiệu quả xử lý đối với nước nhiễm mặn giả lập. Các nghiên cứu trên đã đạt được nhiều thành công trong việc gia tăng hiệu suất vận hành cho quá trình MD. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chưa đề cập đến vấn đề sử dụng năng lượng tiết kiệm hơn cũng như việc ứng dụng công nghệ MD tại những nơi còn nhiều điều kiện khó khăn. Từ đó, một số vấn đề học viên nhận thấy cần được nghiên cứu thêm như: ‐ Việc ứng dụng năng lượng mặt trời vào quá trình chưng cất bằng màng có khác gì so với hệ thống chưng cất bằng màng truyền thống? 2 ‐ Việc biến tính bề mặt màng PTFE sử dụng vật liệu GO giúp tăng hiệu quả gia nhiệt bằng năng lượng mặt trời như thế nào? ‐ Thông lượng nước cất và hiệu quả khử mặn đối với nước mặn giả lập và nước mặn thực tế lấy tại vùng ĐBSCL của hệ thống chưng cất bằng màng sử dụng năng lượng mặt trời như thế nào? ‐ Nước ta có nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời phong phú vậy khi áp dụng công nghệ chưng cất màng với điều kiện thời tiết thực tế khác nhau (trời nắng, trời nhiều mây hoặc có mưa, …) sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của quá trình? ‐ Chất lượng nước cất thu được từ hệ thống chưng cất màng sử dụng năng lượng mặt trời so sánh với QCVN 01-1:2018/BYT về chất lượng nước sạch sinh hoạt như thế nào? Với ý nghĩa đó là nguyên nhân thúc đẩy cho việc hình thành đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước nhiễm mặn bằng phương pháp chưng cất màng kết hợp vật liệu graphene oxide sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp”.
Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước mặn giả lập và nước mặn thực tế bằng phương pháp chưng cất màng trên màng PTFE trong điều kiện ánh sáng mặt trời trực tiếp và nâng cao hiệu quả xử lý của màng thông qua việc biến tính bề mặt màng bằng vật liệu graphene oxide. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: ‐ Nội dung 1: Biến tính bề mặt màng PTFE với vật liệu graphene oxide; đo đạc và so sánh đặc tính của màng PTFE gốc và màng PTFE biến tính; ‐ Nội dung 2: Vận hành mô hình chưng cất màng sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng màng PTFE gốc và màng PTFE/GO với nước mặn giả lập và nước mặn thực tế, tổng hợp và phân tích số liệu thu thập được. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: ‐ Nước mặn giả lập có các nồng độ khác nhau (2.5, 5, 10, 20, 35 g/l) và nước bị nhiễm mặn thực tế có các nồng độ khác nhau (13.
‐ Màng PTFE gốc và màng PTFE được biến tính bề mặt bằng vật liệu GO. ‐ Điều kiện ánh sáng mặt trời trực tiếp và các điều kiện nhiệt độ dòng nước mặn và dòng nước cất khác nhau. ‐ Thông lượng nước cất và hiệu suất khử mặn của phương pháp chưng cất bằng màng. Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu về các nội dung sau: ‐ Đặc điểm hình thái, tính chất của màng PTFE và PTFE/GO.
‐ Ảnh hưởng của quá trình chưng cất bằng màng (MD) đối với nước mặn giả lập sử dụng màng PTFE. ‐ Ảnh hưởng của quá trình chưng cất bằng màng sử dụng năng lượng mặt trời (NESMD) đối với nước mặn giả lập và nước mặn thực tế. ‐ Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đối với quá trình NESMD. Thời gian thí nghiệm từ tháng 2/2022 đến tháng 5/2022, mỗi ngày từ 9h đến 16h (tổng 7 tiếng/ngày).
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu giúp cải thiện hiệu quả xử lý nước bị nhiễm mặn cũng như gia tăng hiệu quả khử mặn và Thông lượng nước cất cho màng PTFE qua việc biến tính bề mặt màng bằng vật liệu GO. Ngoài ra, nghiên cứu cũng góp phần tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm thất thoát và tận dụng nguồn năng lượng mặt trời sẵn có cho hệ thống MD. Đặc biệt, một nguồn năng lượng rất lớn và vô cùng phổ biến ở nước ta là năng lượng mặt trời có thể được sử dụng nhằm đưa nhiệt độ của dòng cấp lên đủ cho quá trình bay hơi diễn ra.