Tầm quan trọng của thẩm thấu ngược trong xử lý nước doc

Tầm quan trọng của
thẩm thấu ngược trong
xử lý nước
Sau hơn 50 năm thương mại hóa, màng lọc thẩm thấu ngược (reverse
osmosis - RO) đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước, từ
công nghiệp vũ trụ cho tới các bếp ăn gia đình. Màng lọc RO được sử
dụng rất nhiều trong các nhà máy lọc nước biển, các nhà máy điện tử, dược
phẩm, điện hạt nhân.

Sau đây chúng tôi hân hạnh giới thiệu tới quý khách về vai trò của thẩm thấu
ngược trong lọc nước, xử lý nước. Trước tiên chúng ta cùng tìm hiểu sơ bộ
về công nghệ thẩm thấu ngược là gì.
Thẩm thấu ngược là gì?
Thẩm thấu ngược (reverse osmosis-RO) là quá trình xảy ra khi nước di
chuyển qua màng ngược với gradient nồng độ, nước sẽ di chuyển từ nơi có
nồng độ thấp hơn tới nơi có nồng độ cao hơn. Hãy tưởng tượng một màng
bán thấm với dung dịch là nước tinh khiết ở một bên và nước thông thường
(có muối khoáng) ở một bên (H1). Nếu một quá trình thẩm thấu thông
thường diễn ra, nước tinh khiết sẽ đi qua màng sang bên kia nước thường.
Để làm điều ngược lại (thẩm thấu ngược), người ta dùng một áp lực đủ
mạnh để đẩy ngược nước từ nơi có hàm lượng muối khoáng cao “thấm” qua
một loại màng đặc biệt để đến nơi không có hoặc có ít muối khoáng hơn. Do
đó, trong thẩm thấu ngược, một áp lực sẽ được tác động lên phía màng có
chứa dung dịch nước thông thường để buộc các phân tử nước này đi qua
màng phía có nước tinh khiết.
Màng mỏng được làm từ vật liệu Cellulose Acetate (CTA), Polyamide hoặc
màng TFC (thin film composite) có những lỗ nhỏ tới 0.001 micron. Kích
thước lỗ màng có thể khác nhau từ 0,1-5.000nm tùy thuộc vào loại lọc,

với "hạt lọc" loại bỏ hạt có kích thước ³1micromet, “vi lọc” loại bỏ các hạt
từ ³50nm, "siêu lọc" loại bỏ các hạt khoảng ³3nm. "nano" loại bỏ các hạt từ
1nm hoặc lớn hơn. Thẩm thấu ngược là hạng mục cuối cùng của màng
lọc, là phương pháp lọc nhạy cảm và có thể loại bỏ các hạt ³ 0,1nm. Tất cả
các màng này đều chịu áp suất cao nhưng khả năng chịu pH và chlorine
không giống nhau, tùy theo từng loại. Với tốc độ và áp lực lớn, dòng nước
chảy liên tục trên bề mặt của màng RO. Một phần trong số những phân tử
nước “chui” qua được những lỗ lọc. Các tạp chất bị dòng nước cuốn trôi và
“thải” bỏ ra ngoài. Các loại tạp chất (cặn, vi khuẩn, virus) không qua được lỗ
lọc, bị dòng nước rửa trôi trên bề mặt màng lọc cũng được thải ra.
Quá trình phát triển
Thẩm thấu ngược được chính thức khởi nguồn từ thế kỷ XVIII. Nhiều bằng
chứng ghi nhận nhà vật lý thực hành người Pháp Jean Antoine Noilett, thành
viên Viện Hàn lâm Paris, là người đầu tiên nghiên cứu và sử dụng thuật ngữ
Thẩm thấu ngược vào năm 1748. Phát hiện của ông về hiện tượng nước
thẩm thấu ra ngoài bàng quang đã đặt nền móng cho một công nghệ mới.
Sau đó là các công trình có liên quan đến công nghệ thẩm thấu ngược như:
Năm 1855, Adolph Fick, nhà khoa học Đức, lần đầu chế tạo được màng lọc
bằng vật liệu cellulose nitrate (nitrocellulose) để làm “da” nhân tạo; Năm
1866, Thomas Graham, nhà vật lý học, nhà hoá học người Anh, lần đầu
dùng từ “thận nhân tạo”; Năm 1869, Schoenbein nghiên cứu và chế tạo
thành công loại polymer nhân tạo; Năm 1907, Bechold lần đầu giới thiệu
thuật ngữ Siêu lọc – ultrafiltration; Năm 1927, Công ty Sartorius sản xuất
đại trà màng lọc thẩm thấu ngược; Năm 1934, G. R. Elder nghiên cứu về lọc
thận nhân tạo; Năm 1950, Gerald Hassler giới thiệu màng thẩm thấu ngược
lọc nước biển; Năm 1958, C. E. Reid và E. J. Breton chứng minh cellulose
acetate là loại vật liệu hiệu quả nhất để chế tạo màng lọc nước biển; Năm
1960, Sidney Loeb và Srinivasa Sourirajan chế tạo thành công màng lọc
nước biển với quy mô công nghiệp; Năm 1960, H. K. Londsdale phát triển
loại màng dùng tấm composite siêu mỏng; Năm 1963, H. I. Mahon phát

triển loại màng hình ống (Hollow Fiber); Năm 1965, nhà máy lọc nước công
nghệ thẩm thấu ngược đầu tiên được khánh thành tại Coalinga, California;
Và năm 1977, John Cadotte được chính phủ cấp bằng sáng chế ra màng lọc
siêu mỏng.
Thời kỳ bùng nổ công nghệ thẩm thấu ngược
Vào những năm cuối thập kỷ 40 của thế kỷ, các nhà nghiên cứu bắt đầu thử
nghiệm tách nước ngọt từ dung dịch muối. Ở Mỹ, dưới thời Tổng thống
Kennedy, công nghệ này được đặc biệt ưu tiên nghiên cứu để phục vụ mục
tiêu “chinh phục mặt trăng và bắt sa mạc nở hoa” và các nhà khoa học đã
nhanh chóng hoàn thiện công nghệ lấy nước ngọt từ biển. Nhưng mãi đến
năm 1959, UCLA (University of California at Los Angeles) mới là cơ quan
đầu tiên trình làng một dây chuyền có thể ứng dụng vào thực tế. Thời điểm
này, Samuel Yuster và 2 sinh viên của ông là Sidney Loeb và Srinivasa
Sourirajan đã chế tạo được màng RO từ vật liệu polymer cellulose acetate.
Loại màng mới này có thể loại bỏ muối và cho nước chảy qua với một lưu
lượng lý tưởng. Màng lọc này có độ bền cao và có thể được chế tạo phù hợp
với nước biển ở các vùng địa lý khác nhau. Đến cuối năm 2001, khoảng
15.200 nhà máy khử mặn hoạt động trên khắp thế giới. Tại Ashkelon trên bờ
biển Địa Trung Hải, nhà máy thẩm thấu ngược lớn nhất thế giới được xây
dựng sản xuất 320.000m3 nước mỗi ngày (với giá thành là 0,50 USD
cho 1m3). Chính quyền tỉnh Sindh (Pakistan)đã lắp đặt 382 nhà máy
RO. Hoặc ở Thiên Tân, Trung Quốc, một số nhà máy khử muối đang xây
dựng có công suất 100.000m3/ngày. Tại Tây Ban Nha, 20 nhà máy lọc thẩm
thấu ngược sẽ được xây dựng dọc theo Costas, hy vọng sẽ đáp ứng nhu cầu
nước của Tây Ban Nha. Ở Pakistan, theo chỉ thị đặc biệt của Tổng thống
Asif Ali Zardari, một nhà máy RO lớn nhất của châu Á đang được xây dựng
ở Nawabshah sẽ cung cấp cho 8 triệu gallon (1 gallon » 4,546L) nước tinh
khiết mỗi ngày để đáp ứng nhu cầu nước sạch tại các vùng sâu, vùng xa và
các hộ gia đình từ nông thôn đến thành thị. Sự ra đời của các máy xử lý nước
với nhiều cỡ khác nhau (H2), vừa tiết kiệm chi phí lắp đặt đường ống và đất

đai mặt bằng xây dựng, vừa tiết kiệm được nước nhờ tái chế nước đã sử
dụng.
Các ứng dụng của công nghệ RO
Sau hơn 50 năm thương mại hóa, màng lọc thẩm thấu ngược đang được ứng
dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước, từ công nghiệp vũ trụ cho tới các
bếp ăn gia đình. Màng lọc RO được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy lọc
nước biển, các nhà máy điện tử, dược phẩm, điện hạt nhân. Do tính ưu việt
của loại màng lọc đặc biệt này, trong thực tiễn tại nhiều nơi, nhiều lúc,
nó đãbị lạm dụng quá mức. Ví dụ như nhiều nhà máy nước tinh khiết, mặc
dù có nguồn nước tốt, không bị ô nhiễm nhưng vẫn chọn công nghệ thẩm
thấu ngược trong khi có nhiều thay thế khác hợp lý hơn, tiết kiệm và thân
thiện môi trường hơn. Cho đến nay, thẩm thấu ngược vẫn được coi là công
nghệ cao cấp nhất trong ngành lọc nước và là công nghệ hàng đầu để loại
bỏ, đình chỉ, giải thể vật chất, các chất gây ô nhiễm từ nước uống. RO cũng
là phương pháp thuận tiện và kinh tế nhất để làm sạch nước và quá trình
thanh lọc cũng được sử dụng bởi nhiều nhà máy sản xuất nước uống đóng
chai. Phát minh này được ứng dụng rộng rãi từ trong các hộ dân tới những
“dòng sông nước ngọt” cho Trung Đông và Bắc Phi, cung cấp hàng triệu lít
nước ngọt mỗi ngày. Hiện nay có khoảng 60% các nhà máy nước kiểu này
của thế giới tọa lạc tại các nước Ả Rập, nơi có nhiều mỏ dầu nhất nhưng
hiếm nước ngọt nhất.
Nước uống chất lượng cao
Theo nghiên cứu, hầu hết các vòi nước và nước giếng đều không an toàn để
uống do ô nhiễm công nghiệp và môi trường ô nhiễm nặng. Dù nhiều chất
gây ô nhiễm được tìm thấy không đủ để gây khó chịu hoặc bệnh tật ngay lập
tức, song nó được chứng minh rằng, thậm chí ở mức độ thấp nhưng tiếp xúc
với chất gây ô nhiễm thông thường nhiều theo thời gian (phơi nhiễm), sẽ gây
bệnh nghiêm trọng bao gồm tổn thương gan, ung thư và các bệnh khác.
Ngay cả những hóa chất thường được sử dụng để xử lý các nguồn cung cấp
nước như clo và flo cũng có ảnh hưởng bất lợi rõ rệt đối với sức khỏe con

người. Màng lọc nước thẩm thấu ngược (chẳng hạn của hãng APEC) được
thiết kế để biến nước máy hoặc nước giếng thành nước thật sự an toàn, tinh
khiết, nó có thể cung cấp nước sạch không giới hạn cho việc nấu ăn, uống,
làm nước đá, pha cà phê và dùng cả cho ngành y tế. Người sử dụng nước lọc
thẩm thấu ngược được bảo vệ khỏi những tác hại của chì, các kim loại nặng,
clo, hóa chất gây ô nhiễm, tác nhân gây bệnh, vi khuẩn, E. Coli, các loại bào
tử, ký sinh trùng (Giardia), nguyên sinh vật gây bệnh (Cryptosporidium),
loại bỏ các hương vị, mùi vị không thích hợp và loại các cặn lắng.
Sản xuất nước ngọt từ nước biển
Năm 1965, nhà máy nước RO tại Coalinga, California (Mỹ) được đưa vào
sử dụng đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của cả thế giới. Tiếp đến là
nhà máy RO tại La Jolla, tuy nhiên nhà máy RO thứ 2 này đã phải vượt qua
vấn đề khó khăn hơn khi dùng nguồn nước biển có hàm lượng muối cao,
hơn nữa do xây dựng ở vùng nông thôn, nơi mà nguồn nước biển ở đây còn
bị nhiễm các chất thải từ hoạt động nông nghiệp. Sau này, màng lọc RO còn
được cải tiến thêm nhiều lần, với nhiều chất liệu vượt trội và đạt hiệu quả
cao hơn. Từ năm 1993, Mỹ đã có hệ thống lọc nước tiên tiến, chất lượng tốt
nhất và hệ thống xử lý với dòng thẩm thấu ngược hoàn hảo để lọc nước,khử
mặn nước biển, tách dầu, xử lý chất thải với các phụ kiện chất lượng và tùy
chỉnh để phù hợp với một loạt các yêu cầu hệ thống xử lý nước thẩm thấu
ngược. Trên cơ sở phát triển công nghệ này, hiện nay trong khuôn khổ của
dự án BOT (xây dựng – kinh doanh – chuyển giao), ba công ty quốc tế:
Veolia, IDE và Elran đã xây dựng ở Israel nhà máy khử muối lớn nhất thế
giới. Trong quân đội Hoa Kỳ, thẩm thấu ngược được sử dụng trên chiến
trường và ở cơ sở huấn luyện với dung lượng khoảng từ 1.500-150.000
gallon (6.800-680.000 Lít) mỗi ngày, tùy thuộc vào nhu cầu. Phổ biến nhất
trong số này là loại cho 600 và 3.000 lít/giờ, cả hai có thể làm sạch nước
muối và nước bị ô nhiễm với hóa chất, sinh học, phóng xạ và ô nhiễm hạt
nhân. Trong thời gian 24 giờ, các thông số hoạt động bình thường, một đơn
vị có thể sản xuất 12.000-60.000 gallon (55.000-270.000 lít) nước, có thể

dùng cho một tiểu đoàn, hoặc khoảng 1.000-6.000 nhân viên.
Trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm
Hàng loạt ngành công nghiệp đã hưởng lợi từ công nghệ thẩm thấu ngược
này. Người ta ứng dụng màng lọc RO cho ngành sản xuất thực phẩm, dược
phẩm, thu hồi kim loại quý và tái chế nước thải. Với tình trạng nước ngọt
ngày càng thiếu ở khắp nơi trên thế giới, các nhà khoa học Mỹ vẫn không
ngừng nghiên cứu để cải tiến và phát triển công nghệ thẩm thấu
ngược. Trong công nghệ thực phẩm, ngoài việc khử muối, thẩm thấu ngược
còn dùng để tập trung chất lỏng thực phẩm như nước ép trái cây. Nghiên cứu
này đã được thực hiện trong xử lý nước cam và nước ép cà chua. Lợi thế của
nó bao gồm chi phí điều hành thấp và khả năng để tránh quá trình xử lý
nhiệt, làm cho nó phù hợp với nhiệt độ nhạy cảm với các chất như protein và
enzyme tìm thấy trong hầu hết các sản phẩm thực phẩm. Thẩm thấu ngược
cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế biến sữa như sản
xuất bột whey protein. Công nghệ RO bây giờ cũng được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp rượu. Ước tính, năm 2002 có khoảng 60 máy thẩm thấu
ngược được sử dụng ở Bordeaux (Pháp).
Ứng dụng tái chế nước thải
Công nghệ RO tạo ra nước sạch từ nước rửa có
chứa kim loại như mạ điện, làm bảng mạch in và sản xuất chất bán dẫn, sản
xuất ô tô (nước được sử dụng để làm sạch và sơn); thực phẩm và nước giải
khát; nước ngầm và nước rỉ bãi rác (loại bỏ muối và kim loại nặng). Yếu tố
quan trọng nhất trong xử lý nước thải công nghiệp với thẩm thấu ngược là
tiền xử lý để bảo vệ màng tế bào chống lại ô nhiễm hữu cơ. Trước khi thẩm
thấu ngược cần xem xét sự cân bằng cation/anion, BOD và COD vì nó có
thể góp phần tắc nghẽn màng. Nước thải thải ra cống rãnh thường chứa từ
200-10.000 phần triệu (ppm) chất rắn hòa tan tổng số – TDS (total dissolved
solids). Với công nghệ tiền xử lý thích hợp, tiếp theo là RO, nước này có thể
được tái chế.
Tính cơ động

Các bộ thẩm thấu ngược có nhiều loại, nhiều cỡ có thể mang theo, xách tay,
đến các loại kiểu container có công suất cao hàng trăm m3/giờ để xử lý
nước được nhiều hãng bán ra, đáp ứng cho việc lọc nước cá nhân hoặc công
cộng tại các địa điểm khác nhau. Xử lý nước RO di động có thể được sử
dụng bởi những người sống ở nông thôn, nơi khan hiếm nước sạch, cách xa
đường ống nước của thành phố. Người dân nông thôn tự lọc nước sông, ao
hồ hoặc nước biển, dễ dàng để sử dụng. Những du khách chèo thuyền dài
ngày, câu cá, các chuyến đi cắm trại trên đảo, ở các địa phương có nguồn
nước bị ô nhiễm hoặc kém chất lượng, thì việc sử dụng bộ xử lý nước RO là
khá thuận lợi và cần thiết.