CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Nhu cầu nước sạch và các phương pháp tạo nước sạch 1. Nhu cầu nước sạch Cung cấp đủ nước sạch cho người dân trên Thế giới là một trong những thách thức lớn và là một trong các Mục tiêu Thiên niên kỷ của Liên hợp Quốc. Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại, do nhiều nguyên nhân khác nhau, khan hiếm nước ngọt đã trở thành một vấn đề mang tính chất toàn cầu.
Bản đồ dự đoán sự khan hiếm nước vào năm 2025 [2] Một trong những lý do chính, nước ngọt tự nhiên sẵn có - thứ phù hợp cho nhu cầu sinh học của con người và sinh vật, chỉ chiếm 2,5% tổng lượng nước trên Trái đất (Hình 1. Hơn nữa, phần lớn chúng lại được lưu trữ trong các sông băng hoặc ở dạng không có sẵn cho con người sử dụng. Phần lớn nước trên Trái đất được chứa ở các đại dương (chiếm 96,5%). Biểu đồ tỉ lệ phân bố nguồn nước trên Trái đất [3] 3 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Bên cạnh việc nguồn nước ngọt tự nhiên sẵn có không nhiều, còn có rất nhiều lý do cho việc khan hiếm nước ngọt hiện nay.
Một số những nguyên nhân có thể kể đến như tác động của bùng nổ dân số, ảnh hưởng của quá trình công nghiệp hóa toàn cầu và hậu quả của ô nhiễm môi trường, xâm nhập mặn,… Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) công bố năm 2020, các bệnh truyền nhiễm do tình trạng thiếu nước và môi trường sống mất vệ sinh khiến 01 trẻ sơ sinh tử vong mỗi phút. Hơn nữa, nhiệt độ Trái đất được dự báo tăng dần do biến đổi khí hậu, sông băng sẽ tan chảy trong thời gian sắp tới và khiến lượng nước này không thể trở về được trạng thái cũ. Trước thực tế này, 1/4 dân số Thế giới đang phải đối mặt với các cuộc khủng hoảng về nguồn nước và dự báo con số này sẽ lên tới 2/3 trong năm 2025 [4]. Dự báo khoảng 700 triệu người có thể phải di dời vì tình trạng khan hiếm nước dữ dội vào năm 2030.
Đến năm 2040, dự đoán khoảng 1 trong 4 trẻ em trên toàn Thế giới sẽ sống trong những khu vực có mức độ khan hiếm cao về nguồn nước [5]. Việt Nam được đánh giá là một trong những quốc gia có tài nguyên nước phong phú nhưng lại nằm trong khu vực chịu tác động mạnh mẽ nhất của biến đổi khí hậu. Điều này dẫn tới tình trạng thiếu hụt nguồn nước sạch thường xuyên diễn ra trong những năm gần đây tại Việt Nam. Theo báo cáo của Ngân hàng thế giới, hơn 70% lượng nước ở các sông trên toàn Việt Nam không thể dùng để ăn uống hay tắm rửa.
Nước ngầm – nguồn nước được sử dụng nhiều cho sinh hoạt cũng đang dần cạn kiệt do mức độ ô nhiễm ngày càng nhiều. Các tỉnh ven biển miền Trung, các tỉnh thuộc vùng cực Nam Trung Bộ cũng gặp tình trạng khan hiếm nguồn nước ngọt do xâm nhập mặn trên diện rộng cùng với tình trạng hạn hán xảy ra thường xuyên. Điều này ảnh hưởng lớn đến đời sống của mọi người, các hoạt động sản xuất cũng như thiếu nước phục vụ sản xuất nông nghiệp. Cư dân tại các tỉnh ven biển, hải đảo cũng phải đối mặt với thiếu hụt nước sạch nghiêm trọng.
Đứng trước tình trạng gia tăng mức độ khan hiếm nước ngọt trên Thế giới cũng như ở Việt Nam, nhu cầu tìm kiếm và phát triển các công nghệ hiệu quả, tiết kiệm chi phí để khử muối nước từ các đại dương nhằm tạo ra nước ngọt phục vụ con 4 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường người và giải quyết cuộc khủng hoảng nước là vấn đề hết sức cấp thiết trong thời gian hiện nay. Nước biển được khử muối có thể được coi là nguồn cấp dồi dào và vô tận cho quá trình khai thác và cung cấp nước sạch phục vụ con người. Do đó, khử mặn nước biển có thể là một giải pháp thiết thực để tăng cường nguồn nước ngọt và giảm thiểu tình trạng khan hiếm nước ngọt ở Việt Nam, đặc biệt là cho người dân sinh sống vùng ven biển và hải đảo. Một ví dụ điển hình là tại Các tiểu Vương quốc Ả rập Thống nhất, nơi các nhà máy khử muối đã được sử dụng từ nhiều năm nay để cung cấp nước sạch.
Phương pháp tạo ra nước sạch Có nhiều công nghệ khử muối đã được nghiên cứu và áp dụng để thu được nước ngọt, trong số đó có ba công nghệ chính: công nghệ chưng cất truyền thống (dựa trên nhiệt), công nghệ màng (dựa trên sự thẩm thấu) và kỹ thuật tạo hơi nước bằng NLMT. 5 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Bảng 1. Các công nghệ khử muối thu nước ngọt Tên công nghệ Minh họa Ưu điểm Nhược điểm - Cho phép thu được - Tiêu tốn nhiều năng lượng nước ngọt có độ tinh - Cấu tạo phức tạp khiết rất cao - Dễ bị ăn mòn - Giảm nhiệt năng - Tốn nhiều chi phí cho chế tạo tiêu thụ của cả quá và duy tu bảo dưỡng thiết bị trình và giảm giá - Dễ xảy ra hiện tượng lắng cặn. thành nước ngọt thu - Nước muối đậm đặc thải ra môi Công nghệ được trường có chứa các phụ gia Hình 1.
Sơ đồ của một hệ thống khử chưng cất chống ăn mòn và các chất khử mặn MSF điển hình [6] truyền thống trùng, nên có tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh Hình 1. Sơ đồ nguyên tắc khử mặn MED [6] 6 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Tên công nghệ Minh họa Ưu điểm Nhược điểm - Yêu cầu nước biển phải được tiền xử - Do sử dụng áp suất cao, hệ thống RO yêu cầu các vật liệu chịu được áp lực lớn, chống ăn mòn cao như thép không gỉ Hình 1. Hiện tượng thẩm thấu và Năng lượng tiêu thụ duplex Công nghệ thẩm thấu ngược [6] thấp hơn nhiều so với - Quá trình vận hành công nghệ màng thẩm công nghệ chưng cất RO đòi hỏi trình độ tay nghề thấu ngược Cấp điện cho ơ ơ Màng RO áp c co Nước ngọt Nước truyền thống. cao Nước u Nước iển Tiền ngọt đầu vào - Công nghệ khử mặn RO phù Tu Nước iển Nước ngọt in Nước uối Màng hợp cho các hệ thống có quy p c mô lớn h nt h nt uối nước Hình 1.
Sơ đồ của một hệ thống khử mặn công nghệ thẩm thấu ngược [6] 7 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Tên công nghệ Minh họa Ưu điểm Nhược điểm - Quá trình ED chỉ loại bỏ được các hợp chất dạng ion, các hợp chất không ở dạng ion và vi khuẩn không được loại bỏ - Nước biển trước khi đi qua cụm Điện thẩm tách màng thấm ion chọn lọc cần (Electrodialysis Hình 1. Nguyên tắc của quá trình điện phải trải qua giai đoạn tiền xử - ED).: màng chọn lọc cation, A.: - Nước được sản xuất ra cần phải màng chọn lọc anion) xử lý để điều chỉnh pH và khử trùng trước khi đưa vào sử dụng. - Tiêu tốn nhiều điện năng. 8 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Tóm lại, công nghệ chưng cất truyền thống để khử mặn nước biển tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị có cấu tạo phức tạp, dễ bị ăn mòn.
Công nghệ màng lọc RO đòi hỏi ít năng lượng hơn nhưng hệ thống lọc cần chịu được áp suất rất cao, kỹ thuật vận hành phức tạp, chi phí đầu tư quá lớn. Công nghệ điện thẩm tách tiêu tốn nhiều điện năng và chỉ tách loại được ion do đó nước biển trước đó phải được tiền xử lý (điều chỉnh pH và ngăn kết tủa CaCO3). Việc đầu tư và áp dụng các công nghệ này có thể không phù hợp với điều kiện của Việt Nam và các nước đang phát triển, đặc biệt là với quy mô nhỏ. Vì thế, hệ thống tạo hơi nước dùng NLMT với cấu tạo đơn giản, chi phí đầu tư thấp hơn là một trong những giải pháp phù hợp hơn cả.
Ở một khía cạnh khác, NLMT được biết đến là một nguồn tài nguyên xanh, sạch, miễn phí và đang được hầu hết các quốc gia ưu tiên sử dụng nhằm hướng đến mục tiêu chung là phát triển bền vững. Nguồn NLMT còn đặc biệt phù hợp với Việt Nam do nhận được lượng bức xạ mặt trời dồi dào, trung bình 5 kWh/m2 mỗi ngày. Việc đẩy mạnh và phát triển các thiết bị tạo hơi nước từ NLMT đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Việt Nam và trên Thế giới. Hơi nước thu được có thể được sử dụng để sản xuất điện, khử trùng, làm sạch và quan trọng hơn chính là việc sản xuất ra nước sạch – giải pháp tối ưu cho những khu vực đang phải đối mặt với tình trạng khan hiếm nước ngọt, những khu vực dân cư gần biển.
Nguyên lý của hệ thống này đơn giản: nước biển chứa trong hệ thống sẽ bay hơi dưới tác dụng nhiệt của ASMT và ngưng tụ thành nước sạch. Trong các thiết bị tạo hơi nước từ NLMT, yếu tố quyết định chính đến hiệu suất tạo hơi nước là khả năng hấp thụ NLMT cũng như hiệu suất chuyển hóa quang nhiệt, cung cấp cho quá trình làm nóng khối nước và tạo ra hơi của thiết bị. Tuy nhiên, hiệu quả chuyển đổi NLMT thành hơi tự nhiên bị hạn chế, điều này được lý giải bởi một số nguyên nhân bao gồm: Nhiệt dung riêng của nước cao, hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt thấp, năng lượng ASMT bị khuếch tán (tổn thất quang học gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng kém, phản xạ và quá trình truyền ánh sáng), đặc biệt tổn thất nhiệt lớn (bao gồm tổn thất bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt),… Do đó, để hạn chế những vấn đề này, các nghiên cứu trên Thế giới đang tập trung sử dụng 9 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường tích hợp thêm VLQN - loại vật liệu có khả năng hấp thụ ASMT và chuyển hóa thành nhiệt lượng để tăng tốc độ bay hơi, nâng cao hiệu suất tạo hơi nước của các thiết bị này. Trên Thế giới, việc nghiên cứu tổng hợp các VLC từ sinh khối, chất thải hay phụ phẩm đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
Các nguyên liệu thô như nấm, gỗ,… được đánh giá có hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt tốt với các cấu trúc vận chuyển nước đặc biệt. Tại Việt Nam, bước đầu đã có những nghiên cứu về VLQN nhưng còn rất hạn chế.