Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử mặn nước biển của hệ thống lọc nước sử dụng màng lọc thẩm thấu chuyển tiếp (FO)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

----------------------

Phạm Thị Phƣơng Thảo

ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ
KHỬ MẶN NƢỚC BIỂN CỦA HỆ THỐNG LỌC NƢỚC
SỬ DỤNG MÀNG LỌC THẨM THẤU CHUYỂN TIẾP (FO)

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số:

60520320

LỜIVĂN
CẢM
ƠN SĨ
LUẬN
THẠC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nguyễn Quang Trung
TS. Lê Văn Chiều

Hà Nội - 2016


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài, em đã nhận được sư quan tâm

giúp đỡ nhiệt tình, sự đóng góp quý báu của nhiều cá nhân và tập thể đã tạo điều
kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản khóa luận này.
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn tới các thầy hướng dẫn là PGS.TS.
Nguyễn Quang Trung – Trung tâm Đào tạo, Tư vấn và Chuyển giao công nghệ,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và TS. Lê Văn Chiều – Trường
Đại học Việt Nhật, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn em trong suốt
thời gian thực hiện đề tài.
Em xin cảm ơn sự tận tình dạy dỗ, chỉ bảo của các thầy côKhoa Môi
trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Em cũng gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ tại Phòng thi nghiệm trọng điểm
về An toàn thực phẩm và Môi trường đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành
khóa luận này.
Tuy có nhiều cố gắng nhưng thời gian và kiến thức có hạn nên không thể
tránh khỏi những thiếu sót, khiếm khuyết.Rất mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa
của quý thầy cô.
Và cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đã quan
tâm, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 28 tháng 12 năm 2016
Học viên

Phạm Thị Phương Thảo


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AB

Amoni bicacbonat (AB)

A3C

Amoni sắt (II) citrat (A3C)

A2S

Amoni sắt (II) sunphat (A2S)

A3C

Amoni sắt (III) sunphat (A3S)

CAc

Axit citric

CTA

Xenlulose triaxetat

DS

Dung dịch lôi cuốn (Draw solution)

FO

Thẩm thấu chuyển tiếp (Forward Osmonis)

FS

Dung dịch đầu vào (Feed solution)

GMH

g/(m2.h)

Jw

Thông lượng nước (Water flux)

Js

Thông lượng chất tan thấm ngược (Reverse
solute flux)

LMH

L/(m2.h)

LPRO

RO sử dụng năng lượng thấp (Low power RO)

MBR

Thiết bị phản ứng màng sinh học (Membrane
bioreactor)

MD

Chưng cất màng (Membrane Distillation)

MED

Chưng cất đa hiệu ứng (Multi Effection
Distillation)

MF

Vi lọc (Microfiltration)

MNPs

Hạt nano từ tính (Magnetic nanoparticles)

MSFD

Chưng cất bay hơi nhiều giai đoạn (Multistage
flash distillation)

NF

Lọc nano (Nanofiltration)

OMBR Thiết bị phản ứng sinh học màng – màng lọc
thẩm thấu (Osmosis membrane bioreactor)
PET

Polyester

PPA

Polyacrylic axit

PSf

Polysylfone


RO

Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis)

SRSF

Tỉ số dòng thấm ngược chất tan (Specific
Reverse Solute Flux)

TDS

Tổng chất rắn hòa tan (Total disolved solid)

TFC

Composit màng mỏng (Thin – film composite)

TrOCs

Các hợp chất hữu cơ lượng vết trong môi
trường (Trace Organic compounds)

UF

Siêu lọc (Ultra-filtration)


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. So sánh các công nghệ khử mặn nước biển[11]. ........................................ 12
Bảng 2. Bảng tổng hợp một số dung dịch lôi cuốn sử dụng đối với màng FO khử
mặn [12,13,16,31,34-36]. .................................................................................................. 23
Bảng 3. Đặc tính của các phức chất sử dụng trong hệ thống lọc FO ..................... 29
Bảng 4. Điều kiện thí nghiệm của hệ thống FO. .................................................... 36
Bảng 5. Điều kiện thí nghiệm của hệ thống NF ..................................................... 37
Bảng 6. Giá trị thông lượng nước và thông lượng chất tan thấm ngược thu được
của các dung dịch lôi cuốn khác nhau với cùng một nồng độ ............................... 50
Bảng 7. Hiệu quả thu hồi dung dịch lôi cuốn sử dụng màng NF-90 ..................... 54


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Bản đồ xâm nhập mặn vùng Đồng bằng sông Cửu Long (Tháng 3/2016)[3].
.................................................................................................................................. 6
Hình 2. Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước biển. ................................... 8
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý vận hành công nghệ MSFD. ............................................ 9
Hình 4. Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ RO. ............................................... 10
Hình 5. Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ ED ................................................ 11
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tách nước sử dụng màng FO [21] ........ 17
Hình 7. Màng TFC sử dụng trong công nghệ FO có cấu tạo bởi 3 lớp[7]. ............. 18
Hình 8. Cấu tạo của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển vi:
(A) Mặt trên lớp Polyamide; (B) Mặt dưới lớp PSF [7]. ......................................... 19
Hình 9. Mặt cắt ngang của màng TFC sử dụng trong công nghệ FO dưới kính hiển

vi: (A) Lớp vải PET không dệt; (B) Hình ảnh phóng to hình dạng dày, gần giống
bọc, gần lớp hoạt động [7]. ...................................................................................... 20
Hình 10. Vị trí lấy mẫu nước biển tại xã Thạch Trị, huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh
ngày 16/11/2016. .................................................................................................... 32
Hình 11. Hệ thống lọc FO quy mô phòng thí nghiệm............................................ 36
Hình 12. Modun gắn màng lọc FO. ....................................................................... 37
Hình 13. Hệ thống loại bỏ dung dịch lôi cuốn để thu hồi nước sạch ..................... 38
Hình 14. Độ dẫn điện của các phức sắt khác nhau ở các nồng độ khác nhau được
sử dụng như các chất lôi cuốn trong thí nghiệm FO. ............................................. 42
Hình 15. Ảnh hưởng của các dung dịch lôi cuốn khác nhau đến pH: (a) dung dịch
Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat. .... 44
Hình 16. Ảnh hưởng của các dung dịch lôi cuốn khác nhau đến TDS: (a) dung
dịch Amoni sắt (II) sunphat, (b) Amoni sắt (III) citrat, (c) Amoni sắt (III) sunphat.
................................................................................................................................ 46
Hình 17. Sự thay đổi của thông lượng nước thấm qua màng (Jw) với các nồng độ
muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau. .......................................................... 47


Hình 18. Sự thay đổi của thông lượng chất tan thấm ngược (Js) thấm qua màng với
các nồng độ muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau (khi dung dịch đầu vào là
nước deion)............................................................................................................. 48
Hình 19. Sự thay đổi của tỉ số dòng thấm ngược chất tan (SRSF) thấm qua màng
với các nồng độ muối và loại dung dịch lôi cuốn khác nhau (khi dung dịch đầu vào
là nước deion) ......................................................................................................... 49
Hình 20. Biểu đồ thể hiện một số thông số vận hành của màng FO với các nồng độ
tối ưu của các dung dịch lôi cuốn khác nhau. ........................................................ 51
Hình 21. Giá trị thông lượng nước qua màng với mẫu nước đầu vào khác nhau .. 52
Hình 22. Giá trị thông lượng chất tan thấm ngược với mẫu nước đầu vào khác
nhau ........................................................................................................................ 53

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN.............................................................................................. 4
1.1.

Tình trạng thiếu nƣớc ngọt trong sinh hoạt tại Việt Nam ................................... 4

1.2.

Thành phần của nƣớc biển ...................................................................................... 7

1.3.

Tổng quan các công nghệ khử mặn nƣớc biển ...................................................... 8

1.3.1. Các công nghệ khử mặn nước biển ............................................................ 8
1.3.2. So sánh các công nghệ khử mặn............................................................... 12
1.4.

Hệ thống lọc nƣớc sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO) ......................... 14

1.4.1. Cơ sở khoa học của hiện tượng thẩm thấu chuyển tiếp ............................ 14
1.4.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 16
1.4.3. Vật liệu màng ........................................................................................... 17
1.4.4. Chất lôi cuốn lý tưởng cho quá trình thẩm thấu chuyển tiếp ................... 20
1.4.5. Các nghiên cứu về dung dịch lôi cuốn và phương pháp thu hồi .............. 22
1.4.6. Ứng dụng của công nghệ FO trong xử lý nước ........................................ 24
1.5.

Cơ sở khoa học lựa chọn các dung dịch lôi cuốn và phƣơng pháp thu hồi bằng

màng NF trong nghiên cứu ............................................................................................... 29

1.5.1. Cơ sở khoa học lựa chọn các dung dịch lôi cuốn trong nghiên cứu ........ 29
1.5.2. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp thu hồi bằng màng NF ............... 30
CHƢƠNG 2 – ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...... 32
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 32

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 32
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 33
2.2. Giả thuyết nghiên cứu ................................................................................................ 33


2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 33
2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm ......................................................................................... 34

2.4.1. Vật liệu, hóa chất và thiết bị ..................................................................... 34
2.4.2. Mô hình thực nghiệm ............................................................................... 35
2.4.3. Tiến hành thí nghiệm................................................................................ 38
2.4.4. Các thông số tính toán .............................................................................. 40
CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................... 42
3.1. Đặc tính và đặc điểm của các phức chất sắt ............................................................. 42
3.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của dung dịch lôi cuốn (về nồng độ và loại dung
dịch) đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO .............................................. 43

3.2.1. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến pH.............................................. 44
3.2.2. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến TDS ........................................... 45
3.2.3. Ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn đến thông lượng nước (Jw), thông
lượng chất tan thấm ngược (Js) và tỉ số dòng chất tan thấm ngược ......... 47

3.2.4. So sánh một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO với các dung dịch
khác nhau. ................................................................................................. 50
3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch đầu vào đến hiệu quả lọc qua màng FO ....... 52
3.4. Ảnh hƣởng của chất lôi cuốn khác nhau đến hiệu quả thu hồi nƣớc sạch qua
màng NF.............................................................................................................................. 54
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 57
PHỤ LỤC 1 - Định hƣớng thu hồi liti trong dịch cặn thải của hệ FO ......................... 61
PHỤ LỤC 2 - Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện nghiên cứu ......................... 63
PHỤ LỤC 3 - Một số kết quả nghiên cứu ........................................................................ 65
PHỤ LỤC 4 – Các công trình đã công bố có liên quan đến luận văn ........................... 68


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước ngọt là nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người. Việc
cung cấp đầy đủ nước sạch đảm bảo chất lượng và số lượng luôn là thách thức đối
với các quốc gia.
Trong báo cáo chung công bố ngày 14/4/2015, Tổ chức Nông Lương Liên
Hiệp quốc (FAO) và Hội đồng Nước thế giới (WWC) cùng cảnh báo, do tác động
của môi trường sống và hiện tượng biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia đang phát triển
có thể phải đối mặt với nguy cơ nước ngọt trên diện rộng trong những năm tới.
Theo hai tổ chức này, nếu không cải thiện, thế giới có thể phải đối đầu với cuộc
khủng hoảng nghiêm trọng về nước ngọt khi dân số thế giới đang tăng nhanh chóng
với dự báo sẽ đạt 9 tỷ người vào năm 2050. Một báo cáo gần đây của Ngân hàng
Thế giới ước tính, tới năm 2030, nhu cầu về nguồn nước của con người sẽ vượt
lượng cung tới 40%. Theo Liên hiệp quốc, hiện nay có hơn 2,6 triệu người trên toàn
cầu không được tiếp xúc với điều kiện vệ sinh cơ bản và 1 tỷ người không được
dùng nước sạch. Cứ 20 giây lại có một trẻ em tử vong vì các bệnh liên quan đến
tình trạng thiếu nước sạch và điều kiện vệ sinh phù hợp.

Tại Việt Nam, hiện có khoảng 41 triệu người dân nông thôn chưa có nước
sạch (theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt do Bộ Y tế
ban hành năm 2009). Chỉ có 8% dân số nông thôn có nước máy tại nhà hoặc có
đường ống dẫn nước vào sân, 82% có thể lấy nước từ các nguồn đãđược cải thiện ở
bên ngoài nhà, và 10% vẫn phải lấy nước từ các nguồn chưa được cải thiện (theo
báo cáo của ADB - Ngân hàng Phát triển châu Á).
Bên cạnh đó, mục tiêu trong Chiến lược Quốc gia về cấp nước sạch và vệ
sinh nông thôn đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định
104/2000/QĐ/TTg ngày 25/8/2000 đặt ra mục tiêu đến 2020 là “tất cả dân cư nông
thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất 60
lít/người/ngày”, đồng thời cũng nêu rõ cần thử nghiệm và phát triển công nghệ xử

1


lý nước biển và nước lợ thành nước ngọt để cấp nước cho vùng bị nhiễm mặn trong
tương lai. Như vậy, tìm kiếm công nghệvà triển khai lắp đặt các công trình, thiết bị
xử lý nước biển và nước lợ để cung cấp cho các cụm dân cư, đô thị ven biển và hải
đảo là một nhiệm vụ cấp bách và cần thiết, đặc biệt trong tình hình biến đổi khí hậu
hiện nay.
Hiện nay, cùng với sự phát triển của các loại màng lọc nước như màng vi lọc
(microfiltration – MF), màng siêu lọc (ultrafiltration – UF), thẩm thấu ngược
(reverse osmosis – RO), điện thẩm tích (electrodialysis – ED)…, nước ngọt có thể
sản xuất ra từ nước mặn hay nước lợ thông qua quá trình khử mặn, giảm hàm lượng
chất rắn hòa tan (TDS) trong nước. Một số phương pháp khử mặn đã được nghiên
cứu triển khai và áp dụng thành công trong thực tế tại nhiều nước trên thế giới cũng
như tại nhiều địa phương ở Việt Nam như: Phương pháp thẩm thấu ngược (RO),
phương pháp chưng cất bằng năng lượng mặt trời, phương pháp điện thẩm
tách(ED).
Một công nghệ khử muối bằng màng đã được các nhà khoa học thế giới

nghiên cứu đó là công nghệ màng thẩm thấu chuyển tiếp (forward osmosis – FO).
So sánh với các công nghệ màng tách dựa trên áp lực hiện tại (MF, UF, NF, RO),
công nghệ tách nước sử dụng màng FO có ưu điểm lớn là có thể hoạt động không
cần áp lực hoặc áp lực rất thấp, nghĩa là không tiêu tốn hoặc tiêu tốn ít năng lượng.
Nó có thể loại bỏ khoảng rộng các chất ô nhiễm, vi sinh vật, … và có thể loại bỏ sự
cố tắc màng và dễ dàng rửa màng. Mặc dù vẫn còn phải nghiên cứu hoàn thiện và
phát triển công nghệ nhưng màng FO đã được ứng dụng vào thực tế để sản xuất
nước sinh hoạt từ nước biển. Nhà máy sản xuất nước sinh hoạt từ nước biển dựa
trên màng FO đầu tiên được xây dựng tại Al Khaluf, Oman do công ty Modern
Water (Anh) thực hiện đã đi vào hoạt động năm 2010. Tuy nhiên, tại Việt Nam hiện
chưa có một công bố nào liên quan đến việc nghiên cứu và ứng dụng màng FO
trong xử lý nước thải cũng như nước biển.
Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi xin chọn đề tài “Đánh giá một số yếu tố ảnh
hưởng đến hệ thống lọc nước biển sử dụng màng lọc thẩm thấu chuyển tiếp
(FO)”.

2


2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử mặn nước biển nhờ quá
trình thẩm thấu chuyển tiếp.
3. Nội dung nghiên cứu
(1) Khảo sát ảnh hưởng của dung dịch lôi cuốn (về nồng độ và loại dung dịch)
đến một số thông số vận hành của hệ thống lọc FO.
(2) Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối đến một số thông số vận hành của hệ
thống lọc FO.
(3) Khảo sát ảnh hưởng của chất lôi cuốn đến hiệu quả thu hồi nước sạch qua
màng NF.
(4) Đánh giá hiệu quả thu nước ngọt (nước sạch) từ nước biển của hệ FO.

3


CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1.

Tình trạng thiếu nƣớc ngọt trong sinh hoạt tại Việt Nam
Là một đất nước nhiệt đới ẩm quanh năm mưa nhiều, độ ẩm trung bình cao

trên 80%, cùng một lượng lớn mạng lưới sông ngòi chằng chịt nhưng Việt Nam vẫn
luôn được xếp hạng vào nhóm quốc gia thiếu nước theo đánh giá của Hội Tài
nguyên quốc tế. Thống kê cho thấy có đến 17.200.000 người tương đương khoảng
21,5% dân số sử dụng nước chưa qua xử lý và trung bình 9000 người tử vong mỗi
năm vì thiếu nước sạch, đặc biệt có đến 30% dân số chưa ý thức được hậu quả của
cạn kiệt nguồn nước

[2]

. Con số này đáng báo động hơn ở những vùng biển đảo và

xâm nhập mặn ở các khu vực ven biển.
Biến đổi khí hậu, hạn hán và xâm nhập mặn hàng năm đang là một nguyên
nhân chính khiến hơn 20% dân số nước ta vẫn thiếu nước sạch

[1]

. Hiện tượng này

xảy ra chủ yếu ở đồng bằng sông Hồng, đồng bằng số Cửu Long và một số tỉnh

Trung Bộ.Tại khu vực đồng bằng sông Hồng, dưới tác động đồng thời của dòng
chảy kiệt, điều tiết mực nước, địa hình, thủy triều và đặc biệt là nước biển dâng làm
ranh giới xâm nhập mặn tiến sâu hơn, làm giảm lượng nước lấy được từ sông theo
đó mà tình hình thiếu nước phục vụ nông nghiệp, nuôi trồng ngày một tăng. Hàng
năm, diện tích đất nông nghiệp vụ xuân thiếu nước tưới khoảng 3.061 đến 6.122 ha
(chiếm 10 đến 20% tổng diện tích). Đây là một con số đáng báo động khi vẫn còn
đến 21% dân số làm nông nghiệp. Vào mùa kiệt nước, nhiều tỉnh Hải Phòng, Thái
Bình, Ninh Bình, Nam Định, nước phục vụ nông nghiệp đều có nồng độ mặn vượt
quá cho phép, theo dự báo năm 2020, mực nước biển tăng cao 0,11 m, các tháng 3
đến tháng 5 nước mưa giảm 3 – 6%, tình hình thiếu nước ngọt sẽ càng nghiêm
trọng, ảnh hưởng lớn đến kinh tế, xã hội và đời sống người dân

[1]

. Khu vực miền

Trung trong những năm gần đây chu kỳ nắng hạn và bão lũ kéo dài thất thường
khiến đời sống nhân dân nhiều khu vực lâm vào khó khăn do thiếu nước ngọt. Vào
mùa khô, các tỉnh Hà Tĩnh, Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị các con
đập đều cạn kiệt, ruộng vườn nứt nẻ, người dân thiếu nước sinh hoạt trầm trọng.

4


Trong khi đó tại Bình Thuận, Khánh Hòa, Ninh Thuận, có khoảng 40.000 ha đất lúa
phải dừng sản xuất do thiếu hụt nước tưới và tình trạng thiếu nước sinh hoạt cho
người dân diễn ra phổ biến. Các khu vực đồng bằng Sông Cửu Long, dòng chảy
thượng nguồn sông Mê Kông bị thiếu hụt, mực nước thấp kỷ lục trong 90 năm qua,
mùa mưa đến muộn, lượng mưa thiếu hụt so với trung bình nhiều năm từ 30 – 60%,
dòng chảy hệ thống sông thiếu hụt từ 30 – 50% [3]. Hiện tại, các vùng cách biển 45

km đã không thể lấy nước ngọt, các vùng cách biển 45 – 65 km chỉ xuất hiện nước
ngọt vào thời kì triều kém hoặc chân triều, cách biển 70 – 75 km xâm nhập mặn
nồng độ dưới 4 g/L, gây ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt. Tại sông Vàm Cỏ,
độ mặn lớn nhất từ 8,1 – 20,3 g/L, cửa sông Tiền, sông Hậu và ven biển Tây, độ
mặn lớn nhất lần lượt là 14,6 – 31,5 g/L, 16,5 – 20,5 g/L và 11 – 23,8 g/L [4]. Xâm
nhập mặn gia tăng ảnh hưởng đến 10 tỉnh miền Tây, trong đó 8 tỉnh ven biển là
Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau và Kiên
Giang bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Bến Tre có hơn 70% diện tích lúa bị ảnh hưởng
nước mặn, Kiên Giang và Cà Mau bị ảnh hưởng mặn từ cuối năm 2015, khiến
85.000 ha lúa bị thiệt hại, 155.000 gia đình ở miền Tây với khoảng 575.000 người
bị thiếu nước [4].

5


Hình 1.Bản đồ xâm nhập mặn vùng Đồng bằng sông Cửu Long (Tháng 3/2016)[3].
Cùng với đó, công nghệ xử lý nước còn chưa đáp ứng yêu cầu ở nhiều vùng
biển đảo cũng là nguyên nhân gây nên thiếu nước ngọt. Hơn 100 đảo chìm và đảo
nổi trong khu vực quần đảo Trường Sa là hơn 100 điểm nằm trong khu vực 8 tháng
không có lấy một giọt mưa, nước cung cấp cho các chiến sĩ chỉ khoảng 30 đến 40 lít
nước mỗi ngày cho mọi hoạt động (thấp hơn quy định tiêu chuẩn của Bộ Xây dựng,
2006). Phú Quốc đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt nước ngầm, khách du lịch ngày
một gia tăng nhưng lại chưa tìm đuợc giải pháp về nước. Trữ lượng nước ở Côn
Đảo ngày một suy kiệt khi hai hồ lớn là Quang Trung, An Hải dần cạn nước. Kết
quả nghiên cứu ở huyện đảo Kiên Hải, Kiên Giang cho thấy tại các vùng núi và hải
đảo này, vấn đề nguồn nước ngày càng khó khăn hơn vì thiếu nước đầu nguồn do
mưa ít hoặc giếng đào phải rất sâu mới có nước do mạch ngầm cạn kiệt vì mất rừng.
Nguồn nước sinh hoạt chủ yếu ở đây là nước mưa, nước lấy trong các mạch nước tự
nhiên.Vào mùa khô, nhiều suối, mạch nước ngầm trên đảo đã cạn nước. Nhiều
đường ống dẫn nước của người dân tự làm để lấy nước từ các khe đá trong núi cũng

6


không còn một giọt nước. Để có nước dùng, người dân phải đi khoảng 10 km để lấy
nước hoặc phải mua nước với giá cao lên đến 120-150.000 đồng/m3 nước. Việc mất
nhiều thời gian đi xa để lấy nước sinh hoạt hay mua nước với giá cao tại các đảo ở
Kiên Hải, Kiên Giang vào mùa khô đã gây khó khăn không nhỏ đến đời sống người
dân. Tình trạng này cũng phổ biến ở hầu hết các vùng biển, hải đảo ở nước ta[2].
Những khó khăn về thiếu nước ngọt tại các vùng biển đảo, các vùng có
nguồn nước bị xâm nhập mặn đặt ra nhu cầu về một giải pháp mới có tính đột phá.
Từ đó, việc tìm ra một công nghệ tiên tiến có khả năng xử lý nước biển để sản xuất
nước ngọt phục vụ cho sinh hoạt hiện đang là mối quan tâm rất lớn cho xã hội.
1.2.

Thành phần của nƣớc biển
Nước biển là sản phẩm kết hợp giữa những khối lượng khổng lồ các axit và

bazo từ những giai đoạn đầu của sự hình thành trái đất. Các axit HCl, H2SO4 và
CO2 sinh ra từ trong lòng đất do sự hoạt động của núi lửa kết hợp với các bazo sinh
ra do quá trình phong hóa các đá thời nguyên thủy và tạo thành muối và nước.
Thành phần chủ yếu của nước biển là các anion như Cl-, SO42-, CO32-, SiO32,… và các cation như Na+, Ca+2,… Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn nước
ngọt 2000 lần.Vì biển và đại dương thông nhau nên thành phần các chất trong nước
biển tương đối đồng nhất.Hàm lượng muối (độ mặn) có thể khác biệt nhưng tỷ lệ
những thành phần chính thì hầu như không đổi.
Trong nước biển ngoài H2 và O2 ra thì Na, Cl2, Mg chiếm 90%; K, Ca, S
(Dưới dạng SO4-2) chiếm 7% tổng lượng các chất.
Ở Đại Tây Dương tỷ lệ Na/Cl = 0,55 – 0,56.
Ở Thái Bình Dương và Địa Trung Hải tỷ lệ Mg/Cl = 0,06 –0,07 và K/Cl =
0,02.
Đại dương là nơi lắng đọng cuối cùng của nhiều vật thể, sản phẩm của nhiều

quá trình hóa địa cũng như các chất thải do hoạt động của con người thải vào. Đại
dương chấp nhận quá trình tuần hoàn lại từ các lục địa, sự hòa tan và bay hơi của
nhiều sinh vật trên trái đất.
Diễn đạt theo ngôn ngữ hóa học thì “Nước biển là dung dịch của 0,5 mol
NaCl, 0,05 mol MgSO4 và vi lượng của tất cả các nguyên tố có mặt trong toàn cầu”.
7


Hình 2.Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước biển.
1.3.

Tổng quan các công nghệ khử mặn nƣớc biển

1.3.1. Các công nghệ khử mặn nước biển
1.3.1.1.

Công nghệ nhiệt

a) Chưng cất nhanh nhiều bậc (Multistage Flash Distillation – MSFD)
Trong quá trình chưng cất nhanh nhiều bậc, nước biển được làm nóng lên và
bay hơi, sau đó hơi nước được cô đọng lại để sản xuất nước đã được khử muối.
Hơi nước được cô đặc này sẽ được sử dụng như là một nguồn năng lượng
nhiệt để làm nóng nước biển chảy vào. Sự bay hơi và phần cô đặc lại được phân
chia thành nhiều giai đoạn lặp đi lặp lại nhiều lần, do đó làm tăng thêm hiệu quả.
Một trong những ưu điểm của quá trình xử lý nước chưng cất nhanh nhiều
bậc là khả năng sản xuất ra số lượng lớn nước ở tại cùng một thời điểm. Bởi vì quá
trình này chỉ cần sử dụng máy làm bay hơi áp lực/nhiệt độ thấp như một nguồn
năng lượng nhiệt, thay vì các quá trình khử muối này mà phải gây tốn nhiệt từ nhà
máy điện[11].

8


Hình 3.Sơ đồ nguyên lý vận hành công nghệ MSFD.
b) Chưng cất đa hiệu ứng (Multieffect Distillation – MED)
Lượng nước cung cấp bay hơi nhanh, tuy nhiên hầu hết nước biển này được
phân tán qua một số ống của máy bay hơi và được đun sôi.Hơi nước sau đó được
ngưng tụ lại để sản xuất ra nước sạch, quá trình này được lặp đi lặp lạiliên tục. Quá
trình bay hơi diễn ra trong một bơm chân không, nước biển tạo ra có thể đạt tới
điểm sôi thậm chí kể cả ở nhiệt độ thấp[11].
1.3.1.2.

Công nghệ màng

a) Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO)
Thẩm thấu ngược (RO) là một quá trình tách qua màng cho phép nước biển
thấm qua màng nhờ áp suất tác dụng vào lớn hơn áp suất thẩm thấu của nước biển.
Màng cho phép nước thấm qua nhưng giữ lại các muối tan. Với phương pháp này
này, ta tách được nước tinh khiết (sản phẩm) và phần cặn. Một nhà máy khử muối
bằng công nghệ RO điển hình bao gồm ba công đoạn, cụ thể là tiền xử lý, tạo áp và
phân tách bằng màng RO và xử lý bổ sung. Mức tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào
hàm lượng muối của nước biển đầu vào. Sự phát triển công nghệ cho phép màng
RO có tỉ lệ loại bỏ muối cao, trong khi vẫn duy trình tính thấm cao cũng như giảm
năng lượng tiêu thụ[11].

9


Hình 4.Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ RO.
b) Điện thẩm tách (Electrodialysis – ED)

Nguyên tắc của quá trình ED là tách các ion ra khỏi nước bằng cách đẩy các
ion này qua màng thấm ion chọn lọc nhờ lực hút tích điện. Hệ thống ED bao gồm
tập hợp các màng đặt giữa đường đi của dòng điện một chiều phát ra từ hai điện cực
ở hai đầu. Nước muối đi qua giữa các màng đặt vuông góc với hướng dòng điện và
vận tốc dòng muối phải đủ lớn để xáo trộn hoàn toàn. Về cấu tạo, các màng cation
và anion đặt xen kẽ nhau giữa hai điện cực âm, dương ngăn cách bởi đệm plastic và
hình thành nên cụm ngăn. Cụm ngăn này có hàng trăm cặp ngăn, mỗi cặp gồm một
ngăn loãng và ngăn đậm đặc cạnh nhau. Dòng đậm đặc và loãng được thu qua ống
thu riêng.
Dòng một chiều khi qua nước muối sẽ kéo các anion về phía cực dương từ
một ngăn qua ngăn kế bên. Màng thấm chọn lọc anion chỉ cho phép các anion thấm
qua (Cl-, SO42-), tuy nhiên các anion sẽ bị giữ lại do màng cation. Tương tự với các
màng cation theo hướng ngược lại. Màng thấm chọn lọc cation chỉ cho phép các
cation thấm qua (Na+, Ca2+), tuy nhiên các cation sẽ giữa lại do màng anion.
Khoảng cách giữa các màng không quá lớn, khoảng 1mm. Do sự di chuyển của các
ion, nước trong một ngăn có hàm lượng ion giảm đi trong khi lượng ion trong ngăn

10


kế bên đậm đặc hơn, như vậy sẽ tạo ra hai dòng: dòng khử muối và dòng đậm
đặc[11].

Hình 5.Sơ đồ mô tả hoạt động của công nghệ ED
c) Màng lọc nano (Nanofiltration – NF)
Quá trình tách nước bằng màng NF là quá trình tách dựa trên áp lực, nước
vận chuyển qua màng bán thấm, có kích thước cỡ nano. Sự chênh lệch áp suất giữa
2 bên dung dịch đầu vào và dung dịch sau lọc ở 2 bên màng dẫn đến quá trình tách
muối khỏi nước. Áp suất vận hành thấp, thông lượng nước lớn và khả năng giữ lại
các ion hóa trị cao là các ưu điểm của quá trình NF[11].

d) Màng thẩm thấu chuyển tiếp (Forward Osmosis – FO)
Trình bày trong phần 1.4.

11


1.3.2. So sánh các công nghệ khử mặn
Bảng 1.So sánh các công nghệ khử mặn nước biển[11].
Công
nghệ khử
mặn

MSF

MED

Năng
lượng
tiêu thụ
(kWh/m3)

Điện: 4 –
6
Nhiệt: 55
- 120

Điện: 2 –
2,5
Nhiệt: 30
- 120

Chất
lượng
nước tạo
ra (mg
TDS/L)

1 – 50

RO

ED

NF

FO

Điện: 3,5
– 4,5

< 0,6

0,3 - 1

0,84

1 – 50

50 – 90

0 – 10

30 – 45

120 – 200

Thấp –
cao

Thấp

Thấp

Rất cao

Rất thấp

Rất thấp

Chi phí
đầu tư

Rất cao

Cao

Thấp –
trung
bình

Sự thay
đổi thành
phần
nước
biển

Trung
bình –
cao

Cao

Rất thấp

Yêu cầu
bảo
dưỡng

Trung
bình

Quy mô
Nhỏ - vừa
ứng dụng

Thấp

Cao

Cao

Thấp

Cao
nhưng
thấp hơn
so với
RO

Nhỏ

Lớn

Rất nhỏ

Ít hơn RO

Lớn
nhưng ít
hơn RO

Yêu cầu
hóa chất

Lớn

Trung
bình

Lớn

Nhỏ

Nhỏ

Trung
bình

Tỉ lệ
nước tạo
ra/nước
đầu vào

0,1 – 0,2

0,1 – 0,25

0,3 – 0,5

0,8 – 0,9

0,7

0,3 – 0,85

Cao

Cao –
trung
bình

Trung
bình

Trung
bình

Thấp

Thấp

Yêu cầu
kỹ thuật

12


Khả
năng tắc
màng

Cao

Thấp

Cao

Thấp

Phát thải

khí nhà
kính

Có

Có

Không
đáng kể

Không có
thông tin

Không
đáng kể

Không
đáng kể

Hệ thống
vận hành
tự động
hoàn
toàn

Có thể

Có thể

Có thể

Có thể

Có thể

Có thể

Hạn chế

Bơm,
van, hệ
thống
chân
không

Quá trình
lắp đặt và
xây dựng,
độ ổn
định của
nhà máy

Bơm

Chất ô
nhiễm vi
khuẩn

Thiếu
Tắc

màng lọc
màng,
tối ưu tạo
vòng đời
ra thông
của màng
lượng
bị giới
nước cao;
hạn, dư
thiếu
lượng hóa
dung dịch
chất còn
lôi cuốn
lại
lý tưởng

Bảng 1 thể hiện sự so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các phương pháp khử
mặn. Có thể thấy rằng công nghệ FO yêu cầu ít năng lượng tiêu tốn hơn cho mỗi m3
nước so với các phương pháp nhiệt và màng khác. Màng lọc nano đã có những hứa
hẹn bước đầu, tuy nhiên vẫn cần thời gian trước khi ứng dụng hiệu quả lý thuyết
vào thực tế quá trình khử mặn. Công nghệ màng nano nếu chỉ sử dụng độc lập sẽ có
nhiều hạn chế, chẳng hạn như hiện tượng tắc màng, vì vậy cần kết hợp nó với công
nghệ khác thích hợp. Chi phí yêu cầu cho một nhà máy FO là thấp hơn rõ ràng so
với các công nghệ sử dụng nhiệt, thậm chí cả công nghệ RO. So với RO, FO ít tắc
màng hơn, phạm vi ứng dụng hẹp hơn và lượng nước cặn thải ít hơn. Mặc dù chất
lượng nước đầu ra dao động trong khoảng rộng hơn các phương pháp nhiệt, nhưng
điều đó không quá quan trọng vì thành phần chất rắn hòa tan vẫn dưới giới hạn cho
phép của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Phát thải khí nhà kính của các phương

pháp màng ít hơn đáng kể so với các công nghệ sử dụng nhiệt. Tuy nhiên, dung
dịch lôi cuốn và vật liệu màng FO vẫn đang cần nghiên cứu sâu hơn để cải tiến quá

13


trình công nghệ. Bên cạnh đó, so với các công nghệ màng khác, khả năng ít bị tắc
màng cũng là ưu điểm của FO[11].
1.4.

Hệ thống lọc nƣớc sử dụng màng thẩm thấu chuyển tiếp (FO)

1.4.1. Cơ sở khoa học của hiện tượng thẩm thấu chuyển tiếp
Thẩm thấu chuyển tiếp (forward osmosis – FO) là quá trình thẩm thấu, tương
tự như thẩm thấu ngược (reserve osmosis-RO) quá trình này sử dụng màng bán
thấm để tách nước từ các chất hòa tan. Việc tách nước được thực hiện dựa trên cơ
sở sự chênh lệch áp suất thẩm thấu, dung dịch lôi cuốn có nồng độ cao được sử
dụng để tạo ra dòng nước chảy thông qua màng lọc, đi vào dung dịch lôi cuốn, tách
nước trong dung dịch đầu vào khỏi các chất tan của nó. Ngược lại, quá trình thẩm
thấu ngược sử dụng áp suất thủy lực là sức mạnh để tách nước, điều này làm giảm
sự chênh lệch áp suất thẩm thấu, tạo ra thông lượng nước nhỏ hơn chuyển ngược
vào dung dịch đầu vào. Chính vì thế, quá trình thẩm thấu ngược yêu cầu nguồn
năng lượng nhiều hơn khi so sánh với quá trình thẩm thấu chuyển tiếp[17].
Mối quan hệ giữa thẩm thấu, áp suất thủy lực và thông lượng nước được biểu
thị qua công thức sau: J w  A(   P)
Trong đó:
 Jw: Thông lượng nước (L/(m2.h))
 A: Thẩm thấu thủy lực của màng


 : Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa hai mặt của màng lọc



P : Sự chênh lệch về áp suất thủy lực.

Mối quan hệ của các đại lượng này trong thực tế phức tạp hơn so với công
thức này, với thông lượng nước phụ thuộc vào các đặc điểm của màng, dung dịch
đầu vào và dung dịch lôi cuốn[10].
Trong quá trình thẩm thấu chuyển tiếp, có sự khuếch tán ở cả hai phía tùy
thuộc vào đặc tính của dung dịch lôi cuốn và dung dịch đầu vào. Điều này xảy ra
hai vấn đề: các chất trong dung dịch lôi cuốn có thể khuếch tán sang dung dịch đầu
14


vào và ngược lại, các chất trong dung dịch đầu vào có thể khuếch tán sang dung
dịch lôi cuốn thông qua màng lọc FO. Rõ ràng, hiện tượng này là kết quả của việc
lựa chọn dung dịch lôi cuốn cho các quá trình thẩm thấu đặc trưng. Đặc biệt, sự thất
thoát của dung dịch lôi cuốn có thể ảnh hưởng đến dung dịch đầu vào có thể liên
quan đến các vấn đề môi trường hoặc gây ô nhiễm của dòng đầu vào như là các
phản ứng sinh học của màng thẩm thấu[17].
Thẩm thấu chuyển tiếp (FO) là một công nghệ màng mới với một loạt ứng
dụng trong xử lý nước.Hầu như không yêu cầu áp suất thủy lực để thực hiện quá
trình này. Tiềm năng ứng dụng FO phụ thuộc vàonước đầu vào và dung dịch lôi
cuốn được lựa chọn, và các mục tiêu chất lượng nước đề ra. Trong FO, nước được
tách từ dung dịch đầu vào (FS) có áp suất thẩm thấu thấp sang dung dịch lôi cuốn
(DS) có áp suất thẩm thấu cao; quá trình này được thực hiện bằng sự chênh lệch áp
suất thẩm thấu giữa hai chất lỏng ở hai mặt đối diện của màng bán thấm và kết quả
gia tăng nồng độ của dung dịch đầu vào và pha loãng dung dịch lôi cuốn. Sự gia
tăng thể tích nước của ở bên dung dịch sẽ tạo nên sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh và

được gọi là sự chênh lệch áp suất thẩm thấu π[17]. Áp suất thẩm thấu của dung dịch
có thể được tính theo phương trình Van Hoff:
π = iCRT
Trong đó:

(1)

i là hệ số Van Hoff
C là nồng độ của các chất tan trong dung dịch (mol.L-1)
R là hằng số khí (8,3145 J.K-1mol-1)
T là nhiệt độ (K)

Đối với màng FO, sự suy giảm thông lượng nước do tắc màng thấp hơn so
với các hệ thống RO, đặc biệt khi nước thải có khả năng tắc màng cao khi được sử
dụng như dung dịch đầu vào, bởi vì quá trình FO chính nó không sinh ra các chất lơ
lửng và các chất ô nhiễm hữu cơ khác vào trong màng (Hollway và cs, 2007) giảm
chi phí cho việc tiền xử lý[17]. Lee và cs(2010) đã nghiên cứu so sánh sự tắc nghẽn
dưới cùng điều kiện vận hành áp suất thủy lực giống nhau (Thông lượng thẩm thấu
ban đầu và vận tốc dòng chảy) và các đặc điểm hóa học của dung dịch đầu vào (pH,
15


độ mạnh của ion, hàm lượng canxi) của các hệ thống FO và RO cho thấy rằng độ
dày và suốt quá trình bị tắc do các chất hữu cơ ở FO sau khi làm sạch thủy lực hầu
như được thu hồi toàn bộ, trong khi không có thay đổi nào được ghi nhận đối với hệ
thống RO. Trong một nghiên cứu khác, số liệu cho thấy rằng sự tắc màng FO bị chi
phối bởi ảnh hưởng kết hợp của thủy lực và hóa học. Nồng độ canxi, khả năng thấm
và lực cắt thủy lực là các yếu tố chính chi phối sự phát triển tầng lọc trên bề mặt
màng FO (Mi và Elimelech, 2008)[10].
1.4.2. Nguyên lý hoạt động

Trong thập kỉ qua, công nghệ FO đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và đươ ̣c
đánh giá như một công nghệ màng lọc triể n vọng. Do đó , trên thế giới đã có rấ t
nhiề u nghiên cứu đươ ̣c tiế n hành để phát triể n công nghê ̣ này

. Trong xử lý nước,

một quá trình xử lý bằng màng FO gồm hai bước chính (Hình 6): nước tinh khiết
được chiết bằng thẩm thấu từ dung dịch nước cần xử lý sang dung dịch lôi cuốn, khi
đó nồng độ dung dịch lôi cuốn bị pha loãng và sẽ được hoàn nguyên và tách nước
sạch bằng một quá trình khác sử dụng hoặc không sử dụng màng. Nhiều dung dịch
lôi cuốn và phương pháp hoàn nguyên khác nhau đã được nghiên cứu ví dụ như: các
dung dịch chứa các phân tử mang từ tính (hoàn nguyên bằng phương pháp điện từ);
các dung dịch chứa các phân tử lớn (hoàn nguyên bằng phương pháp UF, NF); dung
dịch chứa các muối phân hủy nhiệt (hoàn nguyên bằng phương pháp chưng cất);
hoặc kết hợp với phương pháp RO (dòng nước thải ra từ bộ lọc RO là dung dịch lôi
cuốn cho bộ lọc FO). Quá trình hoàn nguyên để tách nước khỏi dung dịch lôi cuốn
sử dụng năng lượng nhiều hơn so với quá trình màng FO[18].

16