nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng ptfe

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG............................................................................................................5
DANH MỤC VIẾT TẮT.....................................................................................................6
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 7
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ............................. 10
1.1 Các vấn đề về nguồn nước.......................................................................................... 10
1.1.1 Sự cung ứng và phân bố nước trên thế giới ..................................................... 10
1.1.2 Vai trò của nước.................................................................................................. 11
1.2 Thành phần chính của nước và nước biển ............................................................... 11
1.2.1 Những đặc tính chung của nước tinh khiết ...................................................... 11
1.2.2 Thành phần của nước biển ................................................................................ 12
1.2.3 Các cách biểu thị độ mặn của nước biển .......................................................... 13
1.3 Sự cần thiết phải khử mặn của nước biển: ............................................................... 14
1.4 Các phương pháp xử lý nước mặn bằng lọc màng .................................................. 15
1.4.1 Đặc điểm chung ................................................................................................... 15
1.4.2 Cơ chế chuyển dịch qua màng ........................................................................... 16
1.5 Cấu tạo chung của màng ............................................................................................ 19
1.6 Màng lọc PTFE ( Polytetraflourethylen / Teflon ) ................................................... 21
1.7 Khái quát về tình hình khử mặn nước biển trên thế giới........................................ 31
1.8 Công nghệ khử mặn bằng phương pháp lọc màng trên thê giới ............................ 33
1.8.1 Màng điện thẩm .................................................................................................. 33
1.8.2 Màng thẩm thấu ngược RO (Reverse Osmosis) .............................................. 35
1.8.3 Màng lọc Nano .................................................................................................... 40
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................. 44
2.1 Trình tự nghiên cứu .................................................................................................... 44
2.2 Phương pháp thí nghiệm ............................................................................................ 45
2.2.1 Phương thức thí nghiệm ..................................................................................... 45

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

1


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

2.2.2 Mô hình thí nghiệm. ........................................................................................... 45
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN..................................... 51
3.1 Mô hình thứ 1 .............................................................................................................. 51
3.2 Mô hình thứ 2 .............................................................................................................. 51
3.3 Mô hình thứ 3 .............................................................................................................. 51
3.4 Mô hình thứ 4 .............................................................................................................. 52
3.5 Thảo luận ..................................................................................................................... 52
3.6 Đề xuất giải pháp ........................................................................................................ 55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 58
HÌNH ẢNH ........................................................................................................................ 59

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

2


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tỷ lệ các loại nước trên trái đất........................................................................10
Hình 1.2: Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước.............................................13
Hình 1.3: Mô tả quá trình màng.......................................................................................16
Hình 1.4: Các phương pháp lọc màng..............................................................................18
Hình 1.5: Hai cách đặt áp suất trong quá trình màng.....................................................19
Hình 1.6: Cấu trúc bề mặt màng vi xốp...........................................................................19
Hình 1.7: Cấu trúc màng lọc vi xốp đẳng hướng.............................................................20
Hình 1.8: Cấu trúc màng lọc vi xốp bất đẳng hướng.......................................................20
Hình 1.9: Liên kết hóa học giữa Flo và C.........................................................................22
Hình 1.10: Trùng ngưng liên kết Flo và C thành PTFE.................................................23
Hình 1.11: Khả năng chống nước nhờ liên kết Flo và C..................................................25
Hình 1.12: Cấu trúc màng dưới kính hiển vi...................................................................25
Hình 1.13: Cấu hình DCMD của màng PTFE.................................................................27
Hình 1.14: Cấu hình AGMD của màng PTFE.................................................................27
Hình 1.15: Cấu hình SGMD của màng PTFE.................................................................28
Hình 1.16: Cấu hình VMD của màng PTFE....................................................................29
Hình 1.17: Khả năng chống chịu của màng PTFE..........................................................30
Hình 1.18: Nhà máy biến nước biển thành nước ngọt vịnh Tempa,
Florida................................................................................................................................31
Hình 1.19: Nhà máy thẩm thấu ngược ở Israel...............................................................32
Hình 1.20: Nhà máy biến nước biển thành nước ngọt ở Ả Rập Xê Út, có kích thước
lớn bằng sân đá banh 11 người.........................................................................................32
Hình 1.21: Nhà máy khử mặn Tuas ở Singapore............................................................33
Hình 1.22: Sự loại bỏ các ion trong quán trình thẩm điện..............................................34
Hình 1.23: Sự dịch chuyển các ion trong quá trình thẩm điện.......................................35
Hình 1.24: Sơ đồ quy trình khử mặn bằng phương pháp RO........................................36

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn

GVHD: TS. Thái Phương Vũ

3


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Hình 1.25: Đồ thị biểu diễn lượng nước được khử mặn bằng công nghệ thẩm thấu
ngược ở một số nước trên thế giới....................................................................................37
Hình 1.26: Biểu đồ ảnh hưởng của áp suất đến khả năng tách muối............................38
Hình 1.27: Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng tách muối............................39
Hình 1.28: Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tách muối............................39
Hình 1.29: Kết quả thử nghiệm mô hình công nghệ a với nồng độ muối đầu vào và áp
suất làm việc của màng NF thay đổi.................................................................................41
Hình 2.1: Sơ đồ trình tự nghiên cứu.................................................................................44
Hình 2.2: Mô hình 1 khử mặn bằng màng lọc PTFE.......................................................45
Hình 2.3: Mô hình 2 khử mặn bằng màng lọc PTFE.......................................................47
Hình 2.3: Mô hình 3 khử mặn bằng màng lọc PTFE.......................................................48
Hình 2.4: Mô hình 4 khử mặn bằng màng lọc PTFE.......................................................49
Hình 3.1: Biểu đồ nồng độ và lưu lượng của màng lọc RO.............................................53
Hình 3.2: Biểu đồ nồng độ vào và nồng độ ra của màng lọc RO.....................................54
Hình 3.3: Biểu đồ nồng độ vào và nồng độ ra của màng lọc RO.....................................55

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

4

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Kích thước mao quản của một số màng..........................................................17
Bảng 1.2: Năng lượng bề mặt và tính dẫn nhiệt của vất liệu được sử dụng..................22
Bảng 1.3: Tình hình sản xuất nước ngọt trên thế giới.....................................................31
Bảng 3.1: Kết quả nghiên cứu lọc màng RO....................................................................53
Bảng 3.2: Kết quả giữa Cv và Cr nghiên cứu lọc màng RO............................................54
Bảng 3.3: Kết quả giữa Cv và hiệu suất nghiên cứu lọc màng RO.................................55

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

5


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

DANH MỤC VIẾT TẮT
RO

Reverse Osmosis

PTFE

Polytetraflourethylen

DCMD

Direct Contact Membrane Distillation

AGMD

Air Gap Membrane Distillation

SGMD

Sweeping Gas Membrane Distillation

VMD

Vacuum Membrane Distillation

UF

Ultra Filtration

NF

Nano Filtration

MF

Micro Filtration

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

6


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước ngọt là nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người. Việc cung cấp
đầy đủ nước sạch đảm bảo yêu cầu về chất lượng và số lượng luôn là thách thức lớn đối với
các nước đang phát triển. Nhưng bên cạnh đó, biến đổi khí hậu luôn mang lại nhiểu rủi ro
thiên tai cho Việt Nam, chủ yếu là thay đổi về lượng mưa và giông bão.
Đối với các tỉnh ven biển, nơi tập trung đông dân cư và tiềm năng phát triển về du
lịch, chịu tác động bởi các hoạt động khai khoáng, xây dựng thủy điện ở vùng thượng lưu,
tình trạng xả thải làm ô nhiễm nguồn nước mặt,.., đã làm thay đổi đáng kể về chất lượng
nguồn nước. Mặt khác, các khu vực ven biển nằm trong vùng chịu ảnh hưởng tổng hợp của
chế độ hải văn biển và chế độ thủy văn sông nhưng mang đặc thù mùa rất rõ rệt, đó là hiện
tượng mở cửa và xói bờ, lòng sông trong mùa lũ khi lưu lượng nước từ trong sông ra rất
lớn và cạn kiệt. Đặc biệt vào mùa khô, nước sông tại những khu vực này nhiểm măn rất
cao, cho thấy tác động bất lợi của biến đổi khí hậu và tình trạng nước biển dâng. Chính
những vấn đề trên đã tạo nên những rủi ro cho điều kiện cấp nước nên việc nghiên cứu các
phương pháp xử lý nước nhiễm mặn để xây dựng các hệ thống cấp nước nhỏ là hết sức cần
thiết.
Mặc dù đã có một số nghiên cứu ứng dụng lọc màng để xử lý nươc nhiễm mặn thành
nước sinh hoạt, nhưng những thí nghiệm này chỉ dừng ở mức nghiên cứu và quy mô nhỏ.
Mặt khác các thiết bị ngọt hóa nước nhiễm mặn hiện nay trỉên khai ở Việt Nam dựa trên
nguyên tắc chưng cất hoặc sử dụng màng lọc thẩm thấu ngược (RO). Xuất phát từ thực
trạng và cơ sở khoa học nêu trên, vấn đề nghiên cứu nước nhiểm mặn là hết sức cần thiết
và trên thế giới đã và đang sử dụng rộng rãi phương pháp lọc màng để xử lý nước mặn.
Trên cơ sở đó tôi đã chọn ra đề tài “Nghiên cứu ứng dụng màng lọc PTFE trong công

nghệ xử lý nước mặn thành thành nước sinh hoạt ở Việt Nam”.
Đề tài phát huy tính thừa kế các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về ứng dụng
màng lọc trong xử lý nước nhiễm mặn, từ đó lựa chọn mô hình phù hợp cho khu vực đang
nghiên cứu đề xuất.

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

7


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đề xuất công nghệ có sử dụng màng lọc PTFE để xử lý nước nhiễm mặn và nước biển
thành nước cấp phục vụ cho sinh hoạt, nhằm cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư các khu
vực ven biển ở Việt Nam.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Đánh giá chất lượng nguồn nước mặn.
 Phân tích quá trình lọc.
 Xây dựng phương trình hiệu quả của màng lọc.
 Đưa ra một số điều cần thiết về hạn chế và lợi thế của màng lọc.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
 Phương pháp kế thừa, thu thập tài liệu.
 Phương pháp phân tích, xử lý số liệu.
 Phương pháp thực nghiệm.
5. ĐỐI TƯỢNG VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu trong lĩnh vực rất đa dạng bao gồm tự nhiên, các yếu tố môi

trường và chi phí kinh tế, nhu cầu sử dụng...
Do đó cần rất nhiều thời gian và chi phí nên giới hạn nghiên cứu này chỉ thực hiện tại
phòng thí nghiệm với quy mô nhỏ tại khu Công Nghệ Cao quận 9. Riêng về nước mặn sử
dụng là nước sạch đã được lọc tại khu Công Nghệ Cao sau đó pha muối theo nồng độ cần
sử dụng.
6. ĐÓNG GÓP KHOA HỌC, KINH TẾ VÀ XÃ HỘI CỦA NGHIÊN CỨU
Tìm ra phương pháp lọc màng mới nhằm xử lý nước mặn, góp phần hạn chế việc thay
thế vật liệu lọc nhiều lần tiết kiệm chi phí đầu tư, lợi ích lâu dài vì PTFE khá bền có thể
kháng lại sự ăn mòn của muối, giúp cho ta có nhiều lựa chọn hơn về khử mặn bằng phương
pháp cơ học.
7. TÍNH MỚI CỦA NGHIÊN CỨU

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

8


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Phương pháp lọc bằng màng khá phổ biến trên thế giới nhưng đó là áp dụng lại từ những
nghiên cứu thành công. Riêng về màng lọc PTFE hầu như rất ít nghiên cứu mà đa số là lý
thuyết vì tính chất đặc trưng của màng và chi phí cao, ở Việt Nam chưa thấy có nghiên cứu
nào về sử dụng màng PTFE cho xử lý nước mặn. Vì vậy nghiên cứu này đưa ra phương
pháp xử lý dựa trên cấu tạo và tính chất đặc trưng của màng. Nhằm giảm chi phí thay thế
liên tục như các màng lọc khác, góp phần cải thiện đời sống người dân.

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

9


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NƯỚC VÀ CÁC NGHIÊN CỨU
1.1 Các vấn đề về nguồn nước
1.1.1 Sự cung ứng và phân bố nước trên thế giới
Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước
ngọt. Trong 3% lượng nước ngọt có trên quả đất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước mà con
người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng đất, bị đóng băng, ở dạng hơi
trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục điạ, chi có 0,3% nước ngọt hiện diện trong sông,
suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên, nếu ta trừ phần nước bị ô nhiễm
ra thỉ chỉ có khoảng 0,003% là nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được và nếu
tính ra trung bình mỗi người được cung cấp 879.000 lít nước ngọt để sử dụng (Miller, 1988).

Nguồn: Gleick, P.H, S.H Scheneide, Tài nguyên nước, Bách khoa từ điển về khí hậu
thời tiết. Quyển II, nhà xuất bản đại học Oxford, New York, 1996
Hình 1.1: Tỷ lệ các loại nước trên trái đất.
Hơn nữa xét về mặt địa lí, sự phân bố của nước là không đồng đều. 15% lượng nước
ngọt toàn cầu được giữ tại khu vực Amazon. Ngay trong khu vực Địa trung hải, các nước
giàu về tài nguyên nước (Pháp, Ỷ, Thổ Nhĩ Kì, Nam Tư cũ) chiếm tới 2/3 lượng nước toàn

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

10

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

khu vực. Tình trạng này dẫn đến sự phân hóa những nước giàu và nghèo tính theo tỉ lệ tài
nguyên nước trên đầu người: Giao động từ chưa đến 100m3/năm đến 10.000m3/năm. Dưới
ngưỡng 1000m3/nầm/đầu người những căng thẳng bắt đầu xuất hiện và ngưỡng thiếu nước
được xác định ở mức 500m3/năm. Không những thế lượng nước lại có sự phân bố không
đồng đều theo thời gian. Có một sự mất cân đối về lượng nước giữa mùa khô hạn và mùa
mưa và giữa các năm.
1.1.2 Vai trò của nước
Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi
trường.
Nước là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng
lượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm 70% trọng lượng cơ thể và ở Sứa
biển nước chiếm tới 97%.
Trong lĩnh vực nông nghiệp thi nước lại càng không thể thiếu, không có nước sẽ không
có lương thực nuôi sống con người và cung cấp năng lượng cho sự vận động của các hệ
sinh thái trong tự nhiên. Một nghiên cứu toàn cầu gần đây do các nhà nghiên cứu Viện
Quản lý Nước Quốc tế cho thấy ít nhất 30% các dòng chảy của sông ngòi trên thế giới cần
được sử dụng để duy trì điều kiện của các hệ sinh thái nước ngọt.
Tuy không sử dụng nước nhiều như nông nghiệp nhưng nước cũng không thể thiếu
trong hầu hết các hoạt động công nghiệp.
Ngày nay dịch vụ và du lịch ngày càng được chú trọng phát triển và đây cũng là lĩnh
vực tiêu tốn nhiều nước.
1.2 Thành phần chính của nước và nước biển
1.2.1 Những đặc tính chung của nước tinh khiết
Nước tính khiết có công thức hoá học là H20, trong phân tử nước có hai phân tử hyđro
và một nguyên tử ôxy. Các phân tử nước không tồn tại riêng rẽ mà tạo thành từng nhóm

phân tử nhờ các liên kết hyđro.
Nước có thể tồn tại ở thể rắn, lỏng hoặc hơi. ở áp suất khí quyển l at, nước đông đặc
ở nhiệt độ 0 °c, sôi ở nhiệt độ 100 °c. Ở nhiệt độ thường nước tồn tại ở thể lỏng. Phân tử
nước có mômen lưỡng cực cao, hằng số điện môi cao, tỷ trọng l kg/l, nhiệt dung riêng l

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

11


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

cal/g°c , nhiệt bay hơi cao (540 cal/g), sức căng bề mặt của nước bàng 73 dyn/cm3 và độ
nhớt bàng 0.01 poise ở 20 °c.
Nước có một số tính chất đặc biệt sau:
 Nước có khả năng hoà tan một số chất rắn, nó là dung dịch điện ly với anion, cation
và các chất không điện ly có cực cơ thể hoà tan trong nước với nồng độ cao. Khi
nồng độ chất tan càng lớn thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng cao và nhiệt độ đóng
băng càng thấp
 Độ hoà tan của khí vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Thường thì độ hoà tan
tăng khi nhiệt độ giảm và áp suất tăng. Giá trị của các thông số hoà tan có thể xác
định theo định luật Henry.
 Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của nhiều chất khác, tính chất này
giúp ta kiểm tra các yếu tố về mặt vật lý, điều chỉnh giọt và hiện tượng bề mặt
 Nước không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua.
 Nước có tỷ trọng tối đa ở 4 °c cho nên băng nổi trên mặt nước.
 Nhiệt bay hơi của nước lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất lỏng khác cho nên nó
thường được sử dụng trong các quá trình truyền nhiệt.

 Nhiệt hoà tan của nước cao hơn các chất lỏng khác và tạo điều kiện giữ nhiệt độ ổn
định ở điểm tinh khiết của nước.
 Nhiệt dung riêng của nước cao hơn nhiệt dung riêng của các chất lỏng khác.
1.2.2 Thành phần của nước biển
Nước biển là sản phẩm kết họp giữa những khối lượng khổng lồ các axit và bazo từ
những giai đoạn đầu của sự hĩnh thành trái đất. Các axit HC1, H2SO4 và C02 sinh ra từ
trong lòng đất do sự hoạt động của núi lửa kết hợp với các bazo sinh ra do quá trình phong
hoá các đá thời nguyên thuỷ và tạo thành muối và nước.
Thành phần chủ yếu của nước biển là các anión như cr, SO4'2, CO3'2, Si03'2,...và các
catión như Na+, Ca+2,...Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn nước ngọt 2000 lần. Vĩ biển
và các 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 về những thành phần chính thi hầu
SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

12


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

như không đổi.
Trong nước biển ngoài H2 và 02 ra thi 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 Bĩnh Dương và Đại 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 cảu nhiều quá trình
hoá 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 ho à tan và bay hơi của nhiều sinh vật trên trái đất.

Diễn đạt theo ngôn ngừ hoá học thì “Nước biển là dung dịch của 0.5 mol NaCl, 0.05
mol MgS04 và vi lượng của tất cả các nguyên tố có mặt trong toàn cầu”

Nguồn: />Hình 1.2: Thành phần các nguyên tố cơ bản trong nước.
1.2.3 Các cách biểu thị độ mặn của nước biển
Để xác định thành phần nước biển người ta thường sử dụng các thông số: Độ Clo;
độ muối (Độ mặn); tống lượng muối; nồng độ Bômê.
Độ Clo của nước biển là tổng số gam bạc cần có để làm Clo, Brom, iot có trong
0.328523 kg nước biển đó kết tủa hoàn toàn. Đơn vị đo độ Clo là o/oo (phần nghìn). Kí hiệu
độ Clo là C1 o/oo.
Độ muối (Độ mặn) của nước biển là tổng số gam muối hoà tan trong 1000 gam nước
biển, trong đó các muối cacbonat, bromua, iotdua, được thay thế bằng các oxyt tương ứng

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

13


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

và kể cả oxyt của các chất hữu cơ. Độ muối tính bằng o/oo và kí hiệu S o/oo
Giữa độ muối và độ Clo của nước biển có hệ thức liên hệ sau:
S o/oo = 0.030 + 1.8050 x C1 o/oo
Tổng lượng muối của nước biển là tổng số gam các lợi muối có trong 1000 gam nước
biển. Tổng lượng muối cũng được tính bằng o/oo và ký hiệu ∑ o/oo.
Hệ thức liên hệ giữa độ Clo và tổng lượng muối qua hệ thức sau
S o/oo = 0.073 + 1.811 x C1 o/oo
Nước biển chứa càng nhiều muối hoà tan thì càng đặc và ngược lại. Để biểu thị mức

độ đặc, loãng đó của nước biển, người ta dùng một thuật ngữ nồng độ. Nồng độ nước biển
đo bằng Bômê kế được gọi là nồng độ Bômê (°Bé). Nước biển chứa càng nhiều các muối
hoà tan thi độ Bômê càng lớn.
Quan hệ giữa nồng độ Bômê và tỷ trọng nước biển ở 15°c
d15 

144.3
144.3 0 Be15

Trong đó:
d15 : Tỷ trọng của nước biển ở 15°C
°Bé: Nồng độ Bômê của nước biển ở 15°C
Quan hệ giữa nồng độ Bômê và nhiệt độ của nước biển:
°Bét = (0.00002748 x °Bé15 - 0.00007837) x t2 - (0.00158 x °Bé15 + 0.00326) x t (1.01675 x °Bé15 + 0.2242)
Trong đó :
°Bét: Nồng độ Bômê của nước biển ở 15°C
t: Nhiệt độ nước thải.
°Bé15: Nồng độ Bômê của nước biển ở 15°C
Phạm vi áp dụng công thức trên trong khoảng từ 0 - 40°C.
1.3 Sự cần thiết phải khử mặn của nước biển:

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

14


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Trên Trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước
uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Như đã nói đến ở trên,
khoảng 97% nước trên trái đất là nước biển. Nước mà con người có thể sử dụng dễ dàng
chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi
đó, dân số toàn cầu tăng tới sáu tỷ người vào năm 2000 và sẽ đạt tám tỷ vào năm 2025. 3,5
tỷ người trong số này chắc chắn sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước.
Những con số thống kê gần đây đang thực sự làm chúng ta lo ngại. Cứ 6 người, có 1
người không thường xuyên có được nguồn nước uống an toàn. Hơn 1/3 dân số, tức khoảng
2,4 tỷ người không có các điều kiện vệ sinh đầy đủ. Cứ mỗi 8 giây lại có một trẻ em chết
vì các bệnh liên quan đến nước, và các bệnh này gây ra 80% bệnh tật và cái chết ở các nước
đang phát triển, đó thật sự là bi kịch đối với loài người khi từ lâu chúng ta đã nhận ra rằng
các căn bệnh này dễ dàng phòng tránh được.
Đối với Việt Nam chúng ta không thiếu nước đến mức trầm trọng nhưng diện tích đất
nước trải dài dọc theo 3260 km dọc theo bở biển, ngư nghiệp là ngành phát triển theo hướng
đánh bắt xa bờ phải lưu lâu ngày ngoài biển, ngành vận tải biển đang trên đà phát triển
mạnh mẽ, những chiến tàu chở hàng đi trên biển rất dài ngày. Đặc biệt dân cư trên các đảo
của Việt Nam vẫn chưa có đủ nước sinh hoạt. Nguồn nước sinh hoạt cho cư dân trên đảo
chủ yếu là nước mưa hoặc nước được chở từ đất liền ra, tuy nhiên nước được chở từ đất
liền ra với chi phí tương đối cao và không phải là cách giải quyết tốt nhất. Đồng thời đất
nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá mạnh mẽ, các thành phố du lịch ven biển,
các thành phố cảng sẽ mọc lên nhanh chóng và tại các đô thị này nguồn nước ngọt cũng
không dễ dàng gĩ có được.
Từ những nhìn nhận như vậy ta thấy khử mặn nước biển là việc làm cần thiết để giải
quyết phần nào nguồn nước sinh hoạt cho cộng đồng.
1.4 Các phương pháp xử lý nước mặn bằng lọc màng
1.4.1 Đặc điểm chung
Các quá trình lọc màng tuy mới chỉ được áp dụng vào thực tế chỉ vài chục năm trở
lại đây, nhưng chúng đã nhanh chóng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống
SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

15


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

con người. Cùng với sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật vật liệu và chế tạo
màng ngày càng phát triển,các quá trình màng ngày càng được áp dụng rộng rãi và không
thể thiếu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau ở nhiều nước trên thế giới. Ở nước ta
hiện nay, kỹ thuật màng chưa được nghiên cứu đầy đủ, tuy vậy với nhu cầu phát triển của
xã hội, nhu cầu hiện đại hóa công nghiệp và sản xuất, việc áp dụng công nghệ tiên tiến này
vào các lĩnh vực sản xuất đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Để
triển khai áp dụng công nghệ này hiệu quả cần phải nắm vững các nguyên lý cơ bản và các
đặc tính của các hệ thống lọc màng.
1.4.2 Cơ chế chuyển dịch qua màng

Nguồn:Seren Prip Beier, Pressure Driven Membrane Processes,
In Zusammenarbeit mit, May 2007
Hình 1.3: Mô tả quá trình màng.
Trong hình 1.3, phía đầu vào thường là dung dịch đậm đặc (bulk solution). Một số thành
phần trong dung dịch đậm sẽ đươc giữ lại sau khi nó đi qua màng. Với một áp lực được tạo
ra sẵn giữa hai bên màng thì một dòng (flux) sẽ xuyên qua màng từ bên dung dịch đặc sang
bên thấm, dòng này được kỷ hiệu bằng chữ cái J và đơn vị thường dùng cho nó là [L/(m2.h)].
Dòng chất lỏng xuyên qua mảng được gọi là dòng thấm (permeate)

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

16

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Ta thấy động lực tạo ra một dòng thấm từ bên dung dịch đặc về phía bên dung dịch
thấm. Các động lực khác nhau được nói đến trong các quá trình màng đó là:
 Chênh lệch áp suất.
 Chênh lệch nhiệt độ.
 Chênh lệch nồng độ
 Chênh lệch hiệu điện thế.
Trong bảng 1 thể hiện kích thước lỗ vá áp suất cần thiết cho một số quá trình màng
Quá trình
Động lực
Khoảng kích thước hạt, μm
Điện thẩm
tách

gradient

< 0,1

Phép thẩm
tách

Nồng độ

< 0,1

Thẩm thấu

ngược (RO)

Áp suất
(10-100 bar)

< 0,001

Nano (NF)

Áp suất (5-20
bar)

0,002-0,001

Siêu lọc (UF)

Áp suất (1-10
bar)

0,05-0,002

Vi lọc (MF)

Áp suất
(0,1-2 bar)

10-0,05

Nguồn: Jonger Wagner, Membrane Filtration Handbook, Osmonics Inc, USA
2001

Bảng 1.1: Kích thước mao quản của một số màng.

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

17


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Hình 1.4: Các phương pháp lọc màng.
 Từ đó ta rút ra được hai quá trình lọc màng chính:
 Lọc đường cụt.
 Lọc luồng xoắn
Ưu điểm: lọc màng là phương pháp phân ly màng, có rất nhiều ưu điểm so với các
phương pháp truyền thống, như tiêu hao ít năng lượng thết bị gọn nhẹ, có thể tiến hành liên
tục, có thể tiến hành dưới điều kiện bình thường, dễ dàng kết họp với các phương pháp
phân ly khác, dễ chuyển đổi quy mô, dễ vận hành lắp đặt, chất lượng nước rất tốt, tính ổn
định cao. Đặc biệt, hệ thống này có thể tự động hóa hoàn toàn, không đòi hỏi trình độ cao
về kỹ thuật vận hành và quản lý giám sát.
Nhược điểm: thiết bị cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao, công suất cấp nước

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

18


Đồ án tốt nghiệp

Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

nhỏ, chi phí dùng điện rất cao.

Nguồn: Soren Prip Beier. Presure Driven Membrane Processes, In
Zusammenarbeit, May 2007.
Hình 1.5: Hai cách đặt áp suất trong quá trình màng.
1.5 Cấu tạo chung của màng
Theo cấu trúc màng lọc được chia thành các loại sau:
 Màng lọc có cấu trúc vi xốp: dựa vào kích thước và các mao quản trong màng lọc,
người ta chia ra làm 2 loại sau

Hình 1.6: Cấu trúc bề mặt màng vi xốp.

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

19


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

 Đẳng hướng (symmetric, isotropic)
Cấu trúc của loại màng lọc này có vô số các lỗ xốp bên trong dưới dạng mao quản
hoặc các lỗ hổng được hình thành một cách ngẫu nhiên. Đường kính của mao quản ổn định
trong suốt chiều dày của màng lọc, các mao quản này song song với nhau. Màng lọc vi xốp
chế tạo bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha,... từ nhiều loại vật liệu khác
nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại hoặc các loại polymer.
Đẳng hướng

Nguồn: Mark c Porter, Handbook of Industrial Membrane Technology, Noyes
Publication, USA, 1990.
Hình 1.7: Cấu trúc màng lọc vi xốp đẳng hướng.
 Bất đẳng hướng (asymmetric, anisotropic)
Loại này có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dày của màng lọc, thường có 2
lớp: lớp trên dày 0,1 - 0,5μm, đường kính mao quản nhỏ và lớp này quyết định khả năng
phân riêng của màng; lớp dưới dày 100 - 200 μm, đường kính mao quản lớn, thường đóng
vai trò là khung đỡ, vì thế cẫn có tính bền cơ cao.
Màng lọc loại này thường được sử dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm thấu ngược,
tinh sạch khí,...
Bất đẳng hướng

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

20


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Nguồn: Mark c Porter, Handbook of Industrial Membrane Technology, Noyes
Publication, USA, 1990.
Hình 1.8: Cấu trúc màng lọc vi xốp bất đẳng hướng.
 Màng lọc đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane)
Màng lọc dạng lỏng là một lớp chất lỏng rất mỏng. Khó khăn nhất đối với loại màng
lọc này là duy trì lớp màng ổn định về mặt cấu trúc cũng như đặc tính của nó. Để tránh sự
phá vỡ cấu trúc của màng lọc trong quá trình phân riêng, hiện nay hai kỹ thuật thường được
dùng là sử dụng các chất nhũ hóa hoặc dùng vật liệu polymer cố cấu trúc vi xốp với độ bền

cơ cao để chứa chất lỏng bên trong. Màng lọc dạng lỏng thường dùng để tách các ion kim
loại nặng, các chất vô cơ từ nước thải công nghiệp.
 Màng lọc trao đổi Ion (Ionic Membrane)
Màng lọc trao đổi ion là màng lọc mà trên bề mặt có nhiều điện tích âm hoặc dương..
Có hai loại màng lọc trao đổi ion:
 Màng lọc trao đổi ion dương.
 Màng lọc trao đẩỉ ion âm.
Hai loại màng lọc sẽ hấp thu các ion có điện tích trái dấu (counter-ion) so với các ion trên
bề mặt màng lọc (co-ion) và không cho các ion này đi qua. Sự phân riêng bằng màng lọc
trao đổi ion đạt được chủ yếu do quá trình tách những ion tích điện trái dấu với màng lọc
hơn là do kích thước lỗ mao quản. Sự phân riêng này bị ảnh hưởng bởi điện tích và nồng
độ của những ion trong dung dịch. Màng lọc trao đổỉ ion thường được dùng trong kỹ
thuật điện thẩm tích.
1.6 Màng lọc PTFE 0,45μm ( Polytetraflourethylen / Teflon )
Trong quá trình lọc màng PTFE, nước từ nguồn dung dịch muối áp lực cao được tách
muối hoà tan bàng cách thấm qua màng. Dòng chất lỏng thấm qua màng đựơc gọi là dòng
lọc (Permeate), nó được sinh ra do chênh lệch áp suất giữa dung dịch muối có áp suất của
dòng sản phẩm xấp xỉ với áp suất khí quyển. Phần còn lại của dung dịch cấp vào tiếp tục
chảy qua màng bên phía có áp suất cao và tạo ra dòng đặc (Có hàm lượng muối cao), ở đây

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

21


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

hoàn toàn không cần gia nhiệt và cũng không diễn ra quá trình biến đổi pha.

a. Cấu tạo màng:
Màng được sử dụng chất liệu Polytetraflourethylen (PTFE). Độ rỗng của màng sử
dụng là trong khoảng 0,60-0,95, kích thước lỗ rỗng là trong khoảng 0,45 μm, và chiều dày
trong khoảng 0,04-0,25 mm.
Do màng PTFE 0,45 μm có tính thương mại hơn được sản xuất rộng rãi và kinh tế hơn
so với các màng kích thước nhỏ hơn và hiệu suất làm việc tốt hơn so với các màng có kích
thước lớn hơn.

Vật liệu màng

Năng lượng bề mặt (x103

Tính dẫn nhiệt (W m-1

N/m)

K-1)

PTFE

9-20

~0.25

PP

30.0

~0.17

PVDF

30.3

~0.19

Bảng 1.2: Năng lượng bề mặt và tính dẫn nhiệt của vất liệu được sử dụng.
Các liên kết hóa học để hình thành polymer của PTFE có công thức ( [C2F4]n), nó bao
gồm một liên kết đôi với hai Carbon và bốn phân tử Flo. Flouropolymer có tính chất đáng
kể khác so với chuổi Hydrocarbon.
Flo là chất có phản ứng mạnh, có điện tích lớn vì nó có electron không dịch chuyển
và dễ dàng chuyển sang F- dễ hơn H sang H-. Sức liên kết của C-F mạnh hơn so với C-H
(116 kcal/mol so với 99,6 kcal/mol).

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

22


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Nguồn: Expanded Polytetrafluoroethylene Membranes and Their Applications By
Michael Wikol, Bryce Hartmann, Joseph Brendle, Michele Crane, Uwe Beuscher.
Hình 1.9: Liên kết hóa học giữa Flo và C.
Việc tổng hợp PTFE có thể thực hiện thông qua trùng ngưng dưới áp lực, sử dụng chất
xúc tác gốc tự do dưới áp suất với oxy, peroxit, peroxydisulfates. Trùng ngưng của
tetrafluoroethylene rất tỏa nhiệt và tạo ra 41.12 kcal / mol

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

23


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Nguồn: Expanded Polytetrafluoroethylene Membranes and Their Applications By
Michael Wikol, Bryce Hartmann, Joseph Brendle, Michele Crane, Uwe Beuscher.
Hình 1.10: Trùng ngưng liên kết Flo và C thành PTFE.
PTFE không rẽ nhánh do sự phân cực và sức mạnh của liên kết C-F. Nó tạo thành một
cấu xoắn ốc giúp giảm thiểu lực đẩy steric do các nguyên tử flo lớn. Ở nhiệt độ lên đến lên
đến 19 ° C polymer quay 180 ° trong chiều dài của 13 nguyên tử cacbon. Trên 19 ° C nó
quay 180 ° trong chiều dài của 15 nguyên tử cacbon.
Nó chỉ tác dụng với hóa chất và dung môi ở nhiệt độ 300oC trở lên. Trên thực tế, chỉ
có kim loại kiềm nóng chảy, chlorine trifluoride (CIF3) và khí Flo tác dụng với nó ở nhiệt
độ đó.
Nhờ vào các nguyên tử Flo bao bọc chặt chẽ liên kết cacbon giúp liên kết C-F không
thấm nước. Nó có một điểm nóng chảy ban đầu 342 + - 10 độ C và nhiệt độ nóng chảy thứ
cấp 327 + - 10 độ C. PTFE cũng tạm thời có thể chịu được nhiệt độ 260 độ C, và vẫn còn
có những tính chất hóa học tương tự. PTFE giữ lại tính chất hóa học của nó ở nhiệt độ đông
lạnh là -240 độ C. Nó rất ổn định trong phạm vi nhiệt độ bình thường của nó.
Fluoropolymers không dễ bắt lửa và không duy trì ngọn lửa. Để PTFE cháy thì phải cung
cấp lượng không khí hơn 95% oxy. PTFE là polymer có hệ số ma sát thấp nhất (Hệ số ma
sát là 0,04).
Tuy PTFE có kích thước 0,45μm nhưng đem lại hiểu quả lọc cao hơn so với các
màng Polymer khác, nó có thể lọc dung môi, axit, bazo hay dung dịch ở nhiệt độ cao. Cho
phép nước đi qua và giữ lại muối, cặn và một phần vi sinh. Ở kích thước lỗ này phù hợp

cho xử lý dung dịch của dược phẩm, sữa...Hiện nay trên thế giới nhiều nhà máy, xí nghiệp
hóa dược, sản xuất sữa dùng màng PTFE kích thước 0,45μm cho việc xử lý.
Ngoài ra trên thế giới nó còn được sử dụng để tách muối trong tàu ngầm vì nó rất bền
và hiệu suất đạt 27%.

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

24


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước mặn bằng phương pháp lọc màng PTFE

Nó có tính kháng axit bazo và không thấm dầu.

Nguồn: Expanded Polytetrafluoroethylene Membranes and Their Applications By
Michael Wikol, Bryce Hartmann, Joseph Brendle, Michele Crane, Uwe Beuscher.
Hình 1.11: Khả năng chống nước nhờ liên kết Flo và C

Nguồn: Expanded Polytetrafluoroethylene Membranes and Their Applications By
Michael Wikol, Bryce Hartmann, Joseph Brendle, Michele Crane, Uwe Beuscher.

SVTH: Nguyễn Anh Tuấn
GVHD: TS. Thái Phương Vũ

25