Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm thiết bị tách nước ngọt từ nước biển hiệu năng cao

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ VŨ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
THIẾT BỊ TÁCH NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN HIỆU NĂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT NHIỆT

Hà Nội, 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ VŨ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
THIẾT BỊ TÁCH NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN HIỆU NĂNG CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS ĐẶNG TRẦN THỌ

Hà Nội, 2018


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến PGS.TS. Đặng
Trần Thọ đã ln động viên, tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện luận
văn.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể cán bộ, công nhân Công ty
TNHH Cơ – Nhiệt – Năng lượng Bách Khoa đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tác giả
trong quá trình cải tạo và lắp đặt thiết bị thí nghiệm, góp phần vào sự thành công
của luận văn.

Tác giả luận văn

Lê Vũ

i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của thầy giáo PGS.TS. Đặng Trần Thọ
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu đã ghi trong mục tài
liệu tham khảo, ngồi ra khơng sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà không được ghi.
Tôi xin cam đoan khơng sao chép các cơng trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người
khác.

Tác giả luận văn

Lê Vũ

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................2
1.1. VAI TRÒ Ý NGHĨA NƯỚC NGỌT TRONG ĐỜI SỐNG ............................2

1.1.1. Vai trò ý nghĩa................................................................................. 2
1.1.2. Hiện trạng sử dụng nước ngọt ở Việt Nam ..................................... 3
1.2. CÁC CÔNG NGHỆ TẠO NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN .........................4

1.2.1. Khái quát tình hình khử muối trên thế giới ..................................... 4
1.2.2. Các công nghệ khử muối................................................................. 4
1.3. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...........................................9

1.3.1. Mặt trời. ........................................................................................... 9
1.3.2. Bản chất nguồn năng lượng mặt trời............................................. 10
1.3.3. NLMT ngoài vũ trụ - Hằng số mặt trời ......................................... 11
1.3.4. Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời ........................................... 11
1.3.4.1. Tính khơng ổn định của nguồn NLMT .................................. 12
1.3.4.2. Ảnh hưởng của lớp khí quyển ................................................ 16

1.3.5. Hiện trạng sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ................. 17
1.3.5.1. Hiện trạng sử dụng ................................................................. 17
1.3.5.2. Tiềm năng năng lượng mặt trời. ............................................ 19
1.4. CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ....21
1.5. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..............................................26

1.5.1. Mục đích........................................................................................ 26
1.5.2. Nội dung nghiên cứu ..................................................................... 29

iii


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................30
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯNG CẤT NƯỚC ...............................................30
2.2. QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT KHI SƠI .................................................33

2.2.1. Đặc điểm của q trình bay hơi .................................................... 33
2.2.2. Q trình sơi trên bề mặt vật rắn ................................................... 34
2.2.3. Trao đổi nhiệt khi sôi và ngưng tụ ................................................ 35
2.2.4. Những nhân tố ảnh hưởng đến tỏa nhiệt khi ngưng: .................... 37
2.3.TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT ............................................................49

2.3.1. Quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất ....................................... 49
2.3.2. Sự thay đổi của trạng thái khơng khí ............................................ 51
2.3.3. Thiết bị chưng cất nước dạng bể phẳng bổ sung collector phẳng 57
2.2.4. Tỏa nhiệt khi ngưng tụ .................................................................. 61
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................66
3.1. GIỚI THIỆU MƠ HÌNH................................................................................66

3.1.1. Đặc điểm cấu tạo ........................................................................... 66

3.1.2 Nguyên lý hoạt động ...................................................................... 71
3.1.3 Các thiết bị đo đạc thực nghiệm..................................................... 77
3.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................................79

3.2.1. Trình tự đo đạc thực nghiệm ......................................................... 79
3.2.3. Các chế độ thực nghiệm ................................................................ 80
3.2.3. Kết quả thực nghiệm ..................................................................... 84
3.2.4. Nghiên cứu thực nghiệm ............................................................... 86
TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN ...................................................................................93
TÓM TẮT .............................................................................................................93
KẾT LUẬN...........................................................................................................94
ĐỀ XUẤT .............................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................95

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký

Thứ

Hiệu

nguyên

Tên đại lượng

I

W/m2

Cường độ bức xạ

V

m/s

Tốc độ gió

G

kg/s

Lưu lượng khối lượng

ρ

kg/m3

Khối lượng riêng

τ

s

Thời gian

t

o

Nhiệt độ

C

∆t

K

Chênh lệch nhiệt độ

β

1/K

Hệ số giãn nở nhiệt

µ

N.s/m2

Độ nhớt động lực

Q

W

Công suất nhiệt

α

W/m2.K

Hệ số trao đổi nhiệt

k

W/m2.K

Hệ số truyền nhiệt

λ

W/m.K

Hệ số dẫn nhiệt

ε

W/m2

Hệ số bức xạ

CP

kJ/kg.K

Nhiệt dung riêng đẳng áp

r

kJ/kg.K

Nhiệt ẩn hóa hơi

p

bar

Áp suất

M

Lít/m2/giờ Sản lượng nước

η

%

Hiệu suất

v


CHỮ VIẾT TẮT
MT: Mặt trời
NLMT: Năng lượng mặt trời
BXMT: Bức xạ mặt trời
TĐN: Trao đổi nhiệt

A: Area, diện tích
W: Water, nước
S: Steel, thép
P: Plastic, tấm nhựa
Th: theory, lý thuyết
Ex: Experimental, thực nghiệm
Unglazed: Loại bộ thu khơng có gương phản xạ
FPC: Flat Plate Collector: Bộ thu tấm phẳng
ETC: Evacuated Tube Collector: Bộ thu ống thủy tinh chân không
MSF: Multi Stage Flash; MED: Multi Effect Distillation; TVC: Thermal Vapor
Compression; MD: Memberane Distillation; RO: Reverse Osmosis

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các cơng nghệ khử muối .................................................................... 5
Hình 1.2 Khả năng khử mặn của các cơng nghệ .............................................. 6
Hình 1.3 Năng lượng cần thiết cho các cơng nghệ........................................... 6
Hình 1.4 Tác động mơi trường của các cơng nghệ khử mặn ............................ 6
Hình 1.5 Giá thành khử mặn của các cơng nghệ .............................................. 7
Hình 1.6 Phát triển cơng suất khử mặn nước tồn cầu .................................... 7
Hình 1.7 Ứng dụng các công nghệ khử nước mặn trên thế giới, năm 2014 ..... 8
Hình 1.8 Phát triển ứng dụng công nghệ nhiệt và công nghệ màng lọc tại các
nhà máy khử mặn nước trên thế giới ................................................................ 8
Hình 1.9 Phát triển số lượng sáng chế liên quan đến khử mặn nước .............. 9
Hình 1.10 Mối liên hệ giữa trái đất và mặt trời ............................................. 10
Hình 1.11 Phân bố năng lượng trong phố của bức xạ mặt trời ..................... 10
Hình 1.12 Vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời
trong một năm ................................................................................................. 12

Hình 1.14 Tương tác của BXMT với khí quyển .............................................. 17
Hình 1.15 Số liệu đo đạc tại 4 điểm ................................................................ 20
Hình 1.16 Thiết bị chưng cất dạng bị động 1 ................................................. 22
Hình 1.17 Thiết bị chưng cất dạng bị động 2 ................................................. 22
Hình 1.18 Thiết bị chưng cất dung bấc ........................................................... 23
Hình 1.19 Thiết bị chưng cất dạng bậc thang................................................. 23
Hình 1.20 Thiết bị chưng cất dạng chủ động.................................................. 25
Hình 1.21 Chưng cất nước với bộ thu hình cầu .............................................. 25
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý ngọt hóa nước biển ................................................ 30
Hình 2.2 Quan hệ Qmin = f(T) khi to và Wmin có giá trị nhất định .................. 32
Hình 2.3 Q trình hóa hơi đẳng áp trên đồ thị T-S ...................................... 36
Hình 2.4 Sự phân bố nhiệt độ trong nước sơi ở điều kiện áp suất khí quyển . 40
Hình 2.5 Các mầm hơi hình thành tại các tâm sơi ......................................... 40
Hình 2.6 Sự phụ thuộc của q và α vào Δt ........................................................ 43
Hình 2.7 Sơi đối lưu tự nhiên .......................................................................... 44
Hình 2.8 Sơi sủi bọt ......................................................................................... 44

vii


Hình 2.9 Sơi màng ........................................................................................... 45
Hình 2.10 Sự phân bố nhiệt độ trường hợp sôi của chất lỏng ở ống đứng .... 48
Hình 2.11 Sự phân bố nhiệt độ trường hợp sơi của chất lỏng ở ống đặt nằm 48
Hình 2.13 Độ ẩm tương đối ............................................................................ 50
Hình 2.14 Trao đổi nhiệt và chất giữa khơng khí và nước khi dịng chuyển
động ngược chiều. ........................................................................................... 51
Hình 2.15 Sự thay đổi trạng thái khơng khí trong q trình TĐN và TĐC .... 54
Hình 2.16 Trao đổi nhiệt và chất giữa khơng khí và nước khi dịng chuyển
động cùng chiều .............................................................................................. 54
Hình 2.17 Sự biến thiên nhiệt độ..................................................................... 56

Hình 2.18 Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ của hai chất tải nhiệt trong
thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp ................................................................. 57
Hình 2.19 Sơ đồ thiết bị chưng cất dạng bể phẳng........................................ 57
Hình 2.20 Cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ mơi trường ........................ 58
Hình 2.21 Sự thay đổi sản lượng nước sản xuất trong ngày – đêm................ 59
Hình 2.22 Bộ chưng cất dạng chủ động với collector mặt trời ...................... 59
Hình 2.23 Sự thay đổi sản lượng nước của hai loại: có collector phụ và khơng
có khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi ....................................................... 60
Hình 2.24 Sự thay đổi hiệu suất của hệ thống tùy theo sự thay đổi ............... 60
Hình 2.25 Sự thay đổi sản lượng nước tùy theo độ sâu lớp nước khi Cường độ
bức xạ mặt trời thay đổi .................................................................................. 61
Hình 3.1 Tấm lọc nước .................................................................................... 66
Hình 3.2 Tấm lấy sáng – ngưng tụ module ..................................................... 67
Hình 3.3 Gioăng cao su cố định tấm lấy sáng ................................................ 68
Hình 3.4 Ống nhơm nhận nước và khay chứa ................................................ 69
Hình 3.5 Bộ phân nẹp hỗ trợ ........................................................................... 69
Hình 3.6 Bộ phận thu gom nước thừa sau chưng cất ..................................... 70
Hình 3.7 Ống dẫn nước vào ............................................................................ 70
Hình 3.8 Ống thu nước chưng cất ................................................................... 71
Hình 3.9 Sơ đồ ngun lý mơ hình .................................................................. 71
Hình 3.10 Cấu tạo tấm lọc nước ..................................................................... 73
Hình 3.11 Nước cấp đi vào trong tấm lọc....................................................... 74

viii


Hình 3.12 Bức xạ NLMT vào tấm chưng cất .................................................. 74
Hình 3.13 Nước bay hơi ngưng tụ trên mặt kính ............................................ 75
Hình 3.14 Nước đã ngưng tụ trên mặt kính chảy xuống ................................. 75
Hình 3.15 Hình vẽ phân tích dịng nhiệt thiết bị tấm lọc nước ....................... 76

Hình 3.16 Các thiết bị đo nhiệt độ và đầu đo cảm ......................................... 78
Hình 3.17 Nhiệt kế đo đổ ẩm........................................................................... 78
Hình 3.18 Thiết bị đo vận tốc gió PCE-AM-81 .............................................. 79
Hình 3.19 Bố trí đường ống và dụng cụ đo..................................................... 79
Hình 3.20 Bố trí ống gia nhiệt ........................................................................ 79
Hình 3.21 Tấm lọc khơng bố trí gia nhiệt(DG Cường độ, nhiệt độ................ 87
tấm thép) .......................................................................................................... 87
Hình 3.22 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (DG Cường độ, nhiệt độ ..................... 87
tấm thép) .......................................................................................................... 87
Hình 3.23 Tấm lọc khơng bố trí gia nhiệt(DG Nhiệt độ nước)....................... 87
Hình 3.24 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (DG Nhiệt độ nước)............................ 87
Hình 3.25 Tấm lọc khơng bố trí gia nhiệt (ĐG Sản lượng nước) ................... 88
Hình 3.26 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (ĐG Sản lượng nước) ......................... 88
Hình 3.27. Các yếu tố ảnh hưởng sản lượng nước chưng cất ........................ 91
Hình 3.28 Sản lượng nước cưng cất với các bộ gia nhiệt khác nhau ............. 92
Hình 3.29 Biểu đồ so sánh sản lượng nước của thiết bị chưng cất nước có bố
trí bộ ngưng tụ ngoài....................................................................................... 92

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh phương pháp khử muối bằng chưng cất và màng .............. 27
Bảng 2.1 Hệ thống và tham số liên quan thực nghiệm ................................... 60
Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm chế độ khơng có gia nhiệt ............................. 85
Bảng 3.2 Kết quả thực nghiệm chế độ có bố trí gia nhiệt ............................... 85
Bảng 3.3 Dịng nhiệt trong thiết bị không gia nhiệt ........................................ 88

x

MỞ ĐẦU
Nước ngọt là hợp chất liên quan trực tiếp và có tính quyết định đến sự sống
và là nguồn sống của mọi sinh vật trên trái đất. Một đặc điểm hết sức quan trọng đối
với nước, đó là trên hành tinh chúng ta, nước không hề được sản xuất ra và cũng
không bị tiêu hao mà chỉ thông qua các hoạt động của hệ sinh thái và hoạt động sản
xuất của con người.
Do nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao, trong khi các nguồn nước và trữ
lượng nước sạch ngày càng ít đi, đặc biệt là các vùng ven biển và hải đảo. Chưng
cất nước ngọt từ nước biển là đề tài nghiên cứu rất thiết thực đối với đời sống của
con người, đặc biệt là phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng
lượng mặt trời khi mà các nguồn năng lượng khác đang ngày càng cạn kiệt.
Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đã và đang trở thành đề tài được
nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Nguồn năng lượng mặt
trời là nguồn năng lượng vô tận, do đó vấn đề đặt ra ở đây là chúng ta sẽ ứng dụng
được nguồn năng lượng vô tận này trong những lĩnh vực gì? Chưng cất nước ngọt
từ nước biển sử dụng năng lượng mặt trời là một trong số những lĩnh vực sử dụng
nguồn năng lượng này.
Với mục đích muốn góp một phần vào việc tìm kiếm các biện pháp và công
nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình chưng cất nước ngọt từ nước biển, đề
tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm thiết bị tách nước ngọt từ nước
biển hiệu năng cao“ được tác giả chọn để nghiên cứu.
Đã có nhiều cơng trình trong và ngoài nước tiến hành nghiên cứu để thu
được nước ngọt từ nước biển, nhưng tới nay một hệ thống sử dụng năng lượng mặt
trời để biến nước biển thành nước ngọt có hiệu năng cao cịn tương đối ít. Vì vậy
mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu thực nghiệm mơ hình đạt hiệu năng
cao. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là những kết quả
nghiên cứu ban đầu, và sẽ không tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong được sự trao
đổi, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và những ai quan tâm đến đề tài
này.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. VAI TRÒ Ý NGHĨA NƯỚC NGỌT TRONG ĐỜI SỐNG
1.1.1. Vai trò ý nghĩa
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng cho tất cả các sinh vật trên quả
đất. Nếu khơng có nước thì chắc chắn khơng có sự sống xuất hiện trên quả đất,
thiếu nước thì cả nền văn minh hiện nay cũng khơng tồn tại được. Từ xưa, con
người đã biết đến vai trò quan trọng của nước; các nhà khoa học cổ đại đã coi nước
là thành phần cơ bản của vật chất và trong q trình phát triển của xã hội lồi người
thì các nền văn minh lớn của nhân loại đều xuất hiện và phát triển trên lưu vực của
các con sông lớn như: nền văn minh Lưỡng hà ở Tây Á nằm ở lưu vực hai con sông
lớn là Tigre và Euphurate (thuộc Irak hiện nay); nền văn minh Ai Cập ở hạ lưu sông
Nil; nền văn minh sông Hằng ở Ấn Độ; nền văn minh Hoàng Hà ở Trung Quốc; nên
văn minh sông Hồng ở Việt Nam ....
Hiện nay, nước biển ngày càng đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp
nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Theo khảo
sát của các tổ chức quốc tế 97,5% nước trên trái đất là nước biển và còn lại 2,5% là
nước ngọt. Phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông băng, tầng băng và dưới
lịng đất. Nước mà con người có thể khai thác và sử dụng dễ dàng chẳng hạn như
nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0.01% tổng lượng nước ngọt hiện có.
Trong khi đó, dân số tồn cầu ngày càng tăng do đó nguy cơ đối mặt với tình
trạng khan hiếm nước chắc chắn sẽ xảy ra.
Hiện nay đã có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung
Đông (Isarel, Arap Xeeut), Địa Trung Hải (Malta), châu Mỹ, Nam Âu, Caribe, Nhật
Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Cananaria nơi nguồn nước ngọt tự
nhiên rất khan hiếm do lượng nước mưa thấp.
Trong những thập kỷ 1960 – 1970 dể khắc phục tình trạng thiếu nước người

ta đã xây dựng nhiều hồ chứa hơn. Tuy nhiên, giá thành nước gia tăng đã làm cho
các công ty thương mại không thể lựa chọn giải pháp này. Khử muối trong nước
biển là một giải pháp tương đối mới. Nó bắt nguồn từ Trung Đơng vào những năm

2


1980 và 1990. Trong tổng số 7.500 nhà máy khử muối đang hoạt động trên toàn thế
giới, 60% nằm tại Trung Đơng với tổng cơng suất 16 tỷ lít nước mỗi ngày.
Nhà máy lọc nước biển lớn nhất thế giới ở Ả rập Xê út sản xuất 128 triệu
galon mỗi ngày (tương đương với 581 triệu lít). Ả rập Xê út là nước sản xuất nước
ngọt từ nước biển lớn nhất thế giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống hiện nay của
đất nước này. Trong khi đó, 12% nước được khử muối của thế giới được sản xuất ở
châu Mỹ với phần lớn nhà máy nằm ở Florida và California. Mỹ có 1500 nhà máy
khử muối khỏi nước ngầm và nước bề mặt với cơng suất 5 tỷ lít mỗi ngày.
1.1.2. Hiện trạng sử dụng nước ngọt ở Việt Nam
Việt Nam cũng giống như một số nước trên thế giới đang đứng trước thách
thức hết sức lớn về nạn ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là tại các khu công
nghiệp và đô thị.
Trong những năm gần đây nhu cầu sử nước sử dụng cho công nghiệp và sinh
hoạt không ngừng tăng lên theo đà phát triển của công nghiệp, sự gia tăng dân số,
mức sống của người dân không ngừng được nâng cao và sự phát triển của các đô
thị.
Đối với Việt Nam, tài nguyên nước ẩn chứa nhiều yếu tố khơng bền vững.
Tổng lượng nước mặt bình quân năm ở Việt Nam có khoảng 830 tỷ m3. Gần 57%
lượng dịng chảy này là ở lưu vực sơng Cửu Long, hơn 16% ở lưu vực sơng HồngThái Bình và hơn 4% ở lưu vực sông Đồng Nai, nơi diễn ra hầu hết các hoạt động
phát triển kinh tế xã hội. Tổng trữ lượng nước dưới đất ước tính khoảng 63 tỷ
m3/năm.
Hơn 60% nguồn nước mặt của Việt Nam được sản sinh ở nước ngồi, chỉ có
bình qn 309 tỷ m3 mỗi năm được sản sinh trên lãnh thổ Việt Nam. Lượng nước

mặt bình quân đầu người ở nước ta hiện nay đạt khoảng 3.840 m3/người/năm. Nếu
tính tổng lượng tài ngun nước sơng ngịi ở Việt Nam, kể cả nước từ bên ngồi
chảy vào thì bình qn đạt 10.240 m3/người/năm. Với tốc độ phát triển dân số như
hiện nay thì đến năm 2025 lượng nước mặt tính bình qn đầu người ở nước ta chỉ
đạt khoảng 2.830 m3/người/năm. Tính cả lượng nước từ bên ngồi chảy vào thì bình

3


quân đạt 7.660 m3/người/năm. Theo chỉ tiêu đánh giá của Hội Tài nguyên nước
quốc tế (IWRA), quốc gia có lượng nước bình quân đầu người dưới 4.000
m3/người/năm là quốc gia thiếu nước. Như vậy, nếu chỉ tính riêng lượng tài nguyên
nước mặt sản sinh trên lãnh thổ thì ở thời điểm hiện nay Việt Nam đã thuộc số các
quốc gia thiếu nước và sẽ gặp phải rất nhiều thách thức về tài nguyên nước trong
tương lai gần.
1.2. CÁC CÔNG NGHỆ TẠO NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN
1.2.1. Khái quát tình hình khử muối trên thế giới
Nước mặn có hàm lượng khống cao, đặc trưng bằng chỉ tiêu TDS (Total
Dissolved Solid - tổng chất rắn hòa tan). TDS phụ thuộc vào lượng các ion chủ yếu
có trong nước. Ví dụ trong nước biển, có 90% các ion Na+, Cl-, Mg2+; 3% các ion
K+, Ca2+, SO42- ; các chất còn lại chiếm 7%. Nước biển có TDS khoảng 30.000 50.000 ppm (hay mg/l), nước lợ có TDS thấp hơn nước biển (khoảng 1.000 - 30.000
ppm) và cao hơn nước uống (< 1.000 ppm).
Khử mặn là q trình loại bỏ các loại muối hịa tan và các chất khác có trong
nước biển, nước lợ, hay nước ngầm hoặc nước mặt bị nhiễm mặn. Tùy theo cơng
nghệ và mục đích xử lý, q trình khử mặn có thể thu được nước đạt chất lượng
dùng cho ăn uống, sinh hoạt hay trong công nghiệp hoặc nông nghiệp. Các thử
nghiệm khử mặn nước sớm nhất là phương pháp lọc cát của Francis Bacon vào năm
1627, hay khử mặn bằng phương pháp chưng cất của Thomas Jefferson vào năm
1791.
1.2.2. Các cơng nghệ khử muối

Hiện nay, có rất nhiều cơng nghệ khử mặn, có thể phân làm 4 nhóm: cơng
nghệ nhiệt, cơng nghệ lọc qua màng, phương pháp hóa học và phương pháp hấp phụ
được minh họa trên hình 1.1.
Sử dụng nhiệt để khử mặn gồm có: chưng cất nhanh đa cấp (MSF - multistage flash distillation), chưng cất đa hiệu ứng (MED - multiple-effect distillation),
chưng cất nén hơi (MVC - vapor compression distillation), khử mặn bốc ẩm (HDH-

4


humidification - dehumidification desalination), chưng cất bằng năng lượng mặt trời
(SD - solar distillation) và đóng băng (Frz - freezing).

Hình 1.1 Các công nghệ khử muối
Công nghệ màng lọc gồm có: thẩm thấu ngược (RO- reverse osmosis), thẩm
thấu chuyển tiếp (FO -forward osmosis), điện thẩm tách (ED - electro-dyalysis) và
lọc nano (NF- nanofiltration).
Phương pháp hóa học bao gồm: trao đổi ion (I.Ex - ion-exchange
desalination), gas hydrate (G.Hyd) và chiết tách lỏng - lỏng (LLE - liquid–liquid
extraction).
Công nghệ hấp phụ (Ads - adsorption technology). Lựa chọn công nghệ để
khử nước mặn phụ thuộc nhiều thông số như công suất, độ mặn của nước đầu vào,
yêu cầu nước đầu ra, năng lượng sử dụng, các yếu tố môi trường và giá thành.
Về khả năng khử mặn, công nghệ MSF và Ads vượt trội so với những công
nghệ khác, hai công nghệ này có thể xử lý nước mặn đầu vào có độ mặn từ (6770)x103 ppm giảm xuống cịn 10 ppm. Có khả năng khử mặn thấp nhất là công
nghệ LLE. Các khả năng khử mặn được minh họa trên hình 1.2
Năng lượng là một trong những vấn đề được quan tâm khi lựa chọn cơng
nghệ khử mặn. Hiện nay có nhiều công nghệ khử mặn tiết kiệm năng lượng và sử
dụng năng lượng tái tạo, nhưng vẫn còn đắt đỏ. Tiêu tốn ít năng lượng là các cơng
nghệ SD, I.Ex, Ads và G.Hyd, chỉ dưới 2 kWh/m3. Năng lượng cần thiết cho các
cơng nghệ được minh họa trong hình 1.3.

5


Hình 1.2 Khả năng khử mặn của các cơng nghệ

Hình 1.3 Năng lượng cần thiết cho các công nghệ
Tùy vào nguồn năng lượng sử dụng của cơng nghệ mà có những tác động đến
môi trường khác nhau. Yếu tố ảnh hưởng đến mơi trường được tính tốn dựa trên
lượng khí CO2 thải ra. Những cơng nghệ ít tác động đến môi trường là SD, I.Ex,
Ads và G.Hyd, những công nghệ này thải CO2 dưới 0,7 kg/m3. Thải nhiều CO2 ra
môi trường là công nghệ HDH, lên đến 29,1 kg/m3. Tác động của môi trường tới
các công nghệ khử mặn được minh họa trong hình 1.4.

Hình 1.4 Tác động mơi trường của các công nghệ khử mặn

6


Giá thành sản phẩm là một trong những yếu tố được cân nhắc khi chọn công
nghệ. Các công nghệ Ads, Frz và LLE tạo ra sản phẩm nước đã khử mặn dưới 0,5
USD/m3. Trong khi đó cơng nghệ HDH và SD lên đến gần 4 USD/m3. Biểu đồ giá
thành các cơng nghệ khử mặn được minh họa trên hình 1.5.

Hình 1.5 Giá thành khử mặn của các công nghệ
Ứng dụng công nghệ khử mặn
Dự án công nghiệp tầm cỡ về khử nước mặn đầu tiên được biết ra đời ở Mỹ
vào năm 1952, với kinh phí nghiên cứu và triển khai là 160 triệu USD. Các nhà máy
khử mặn nước trên thế giới gia tăng nhanh chóng trong gần nửa thế kỷ qua. Năm
2014, có khoảng 18.000 nhà máy khử mặn nước hoạt động trên thế giới, công suất

khoảng 86,5 triệu m3/ngày, có đến 65% sử dụng cơng nghệ RO. Cơng suất khử mặn
trên tồn cầu được phát triển và ứng dụng minh họa trên hình 1.6 và 1.7.

Hình 1.6 Phát triển cơng suất khử mặn nước tồn cầu
Cơng nghệ màng lọc và công nghệ nhiệt để khử mặn nước được ứng dụng
nhiều và luôn phát triển trong những năm vừa qua được minh họa trên hình 1.8. Tùy

7


theo đặc điểm riêng, mỗi nơi sẽ lựa chọn công nghệ khử mặn nước phù hợp. Ví dụ,
vùng Trung Đơng sử dụng công nghệ nhiệt như MSF và MED, phương pháp này có
khả năng thu hồi 30-40% nước ngọt từ nước biển đầu vào;

Hình 1.7 Ứng dụng các cơng nghệ khử nước mặn trên thế giới, năm 2014
Mỹ thiên về công nghệ màng lọc như công nghệ RO, ED. Năng lượng sử
dụng trong các nhà máy khử mặn nước thường từ nguồn năng lượng hóa thạch.
Song song đó, hiện có nhiều nhà máy khử mặn nước sử dụng năng lượng mặt trời
như ở Abu Dhabi (Các Tiểu vương quốc Ả rập Thống nhất). Ngoài ra, ứng dụng kết
hợp giữa năng lượng hạt nhân và khử mặn nước đã được phát triển ở một số nơi
trên thế giới như ở Argentina, Ấn Độ, Nhật và Pakistan. Công nghệ nhiệt và công
nghệ màng lọc tại các nhà máy khử mặn trên thế giới được giới thiệu trên hình 1.8.

Hình 1.8 Phát triển ứng dụng công nghệ nhiệt và công nghệ màng lọc tại các
nhà máy khử mặn nước trên thế giới
•

Xu hướng nghiên cứu khử mặn nước qua thông tin sáng chế

8

Dù có rất nhiều cơng nghệ khử mặn nước đã được sử dụng từ nhiều năm qua,
nhưng triển khai đại trà cịn nhiều thách thức vì cơng nghệ khử mặn địi hỏi nhiều
năng lượng, tác động đến mơi trường bởi thải nhiều khí CO2, và chi phí cao. Do
vậy, các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu phát triển công nghệ khử mặn
nước theo hướng dùng năng lượng sạch, giảm tác động đến môi trường và giảm giá
thành. Theo báo cáo phân tích cơng nghệ khử mặn và sử dụng năng lượng thay thế
để khử mặn (Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for
Desalination) qua thông tin sáng chế (SC) của Tổ chức Sở hữu Trí tuệ Thế giới
(WIPO), cho thấy trước năm 1980 lĩnh vực này không có nhiều SC, sau đó số lượng
gia tăng dần, nhất là từ năm 2000 được minh họa trên hình 1.9.

Hình 1.9 Phát triển số lượng sáng chế liên quan đến khử mặn nước
1.3. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.3.1. Mặt trời.
Mặt trời là một khối khí hình cầu cực nóng, có đường kính 1,39.106 km (lớn
hơn nhiều so với đường kính trái đất 1,27.104km ). Nhiệt độ bề mặt mặt trời khoảng
5778K. Nhiệt độ tại tâm mặt trời khoảng 15.106K , với thành phần hóa học, chủ yếu
là nguyên tố Hidro và Heeli (tương ứng với 73,46% và 24,85% tổng khối lượng mặt
trời). [1]
Ngoài ra, do trái đất ở cách xa mặt trời, và mặt trời lớn hơn rất nhiều trái đất,
nên có thể coi rằng, các tia sáng từ mặt trời đến trái đất là song song nhau, và chúng
ta nhìn mặt trời dưới một góc 32o được minh họa trên hình 1.10.

9


Hình 1.10 Mối liên hệ giữa trái đất và mặt trời
Với những điều kiện phù hợp như vậy, phản ứng nhiệt hạch luôn luôn xảy ra

tại tâm mặt trời:
41H → 4He + e + ᵧ
Chúng ta lấy một ví dụ đơn giản, nếu có 1g(H) thì năng lượng giải phóng ra
trong phản ứng trên cỡ 1012J. Với khối lượng của mặt trời khoảng 2.1030kg thì năng
lượng mặt trời mà mặt trời sinh ra trong q trình đốt nóng là vơ cùng lớn, theo các
nhà khoa học thì phải 4 đến 5 tỷ năm nữa mới hết được.
Như vậy, có thể nói rằng, nguồn NLMT là một nguồn năng lượng lớn nhất
(gần như vô tận) và sạch nhất hiện nay mà con người có thể biết.
1.3.2. Bản chất nguồn năng lượng mặt trời
NLMT truyền tới trái đất dưới dạng song điện tử có phổ rất rộng. Phân bố
NLMT trong phổ của bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển minh họa trên
hình 1.11.

Hình 1.11 Phân bố năng lượng trong phố của bức xạ mặt trời

10


Trên hình 1.11 là phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời (BXMT)
ở giới hạn trên của khí quyển. Phần phổ với bước song từ 0,1 đến 4µm bao gồm
99% tồn bộ năng lượng BXMT. Bức xạ với bước song nhỏ hơn hay lớn hơn kể cả
những tia rơnghen và song vô tuyến điện chỉ chiếm 1% năng lượng còn lại. Phần
ánh sáng thấy được chiếm khoảng phổ hẹp có bước song từ 0,4 đến 7,5 µm. Song ở
đây bao gồm gần một nửa toàn bộ năng lượng của BXMT (44%). Các tia hồng
ngoại chiếm năng lượng trên 48%, còn lại 7% năng lượng là tia cực tím, các tia
khác chỉ chiếm dưới 1%.
1.3.3. NLMT ngồi vũ trụ - Hằng số mặt trời
Mật độ dòng năng lượng BXMT tới bề mặt đặt vng góc với tia bức xạ
ở ngay ngồi lớp khí quyển, tính trên 1m2, được tính theo cơng thức :
Isc = Is (R/b)2

[1.1]

R = 0,695.106 là bán kính mặt trời;
b = 1,496.108 km là khoảng cách trung bình giữa trái đất và mặt trời;
IS là cường độ bức xạ ở bề mặt mặt trời, được tính theo định luật Stefan
Bolzman :
IS = εσTS4

[1.2]

ε hệ số bức xạ của vật, do mặt trời có thể coi là vật đen tuyệt đối nên coi = 1;
σ = 5,67.10-8 W/m2.K4 là hằng số Stefan – Bolzman;
TS = 5778 K là nhiệt độ tại bề mặt mặt trời;
Thay số ta tính được Isc = 1364 W/m2
Giá trị này khơng chịu ảnh hưởng của khí quyển, mà chỉ phụ thuộc vào
khoảng cách giữa trái đất và mặt trời nên được gọi là hằng số mặt trời. Hằng số mặt
trời là năng lượng bức xạ đo được trong không gian nằm ngồi lớp khí mặt trời
quyển bao quanh trái đất, trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích bề
mặt vng góc với tia BXMT.
1.3.4. Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời
Trái đất quay quanh mặt trời theo một quỹ đạo elip và mặt trời nằm trên một
trong những tiêu điểm của quỹ đạo này được miêu tả trên hình 1.12. Trên hình 1.12

11


biểu diễn vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời trong
một năm. Vào đầu tháng 1, trái đất gần mặt trời nhất (với khoảng cách là 147,1 triệu
km), vào đầu tháng 7 trái đất xa mặt trời nhất (với khoảng cách là 152,1 triệu km).

Ngoài ra, khi chuyển động quay xung quanh mặt trời, thì trái đất cũng tự quay xung
quanh trục của nó. Trục quay của trái đất khơng thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo
mà nghiêng một góc 23,45o trái đất quay quanh mặt trời được một vịng thì nó cũng
tự quay xung quanh mình 365,25 vịng.

Hình 1.12 Vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời
trong một năm
Vì có sự chuyển động giữa mặt trời và trái đất, và sự tự quay của trái đất nên
cường độ bức xạ (CĐBX) năng lượng mặt trời (NLMT) bên ngồi khí quyển thay
đổi chút ít, và có thể xác định theo công thức :

[1.3]
n : ngày trong năm, n=1 vào ngày 1/1
IE : CĐBX mặt trời ngay bên ngoài khí quyển, được đo trên mặt phẳng
vng góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
1.3.4.1. Tính khơng ổn định của nguồn NLMT
BXMT tới trên mặt Đất phụ thuộc vào hai yếu tố: góc nghiêng của các tia
sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm quan sát và độ dài đường đi của các tia sáng

12


trong khí quyển, hay nói cách khác là phụ thuộc vào vị trí của mặt trời so với mặt
quan sát.
a. Một số khái niệm
- Hệ số khối khí AM: là tỉ số giữa độ dài của tia mặt trời khi đi qua lớp khí
quyển tái Đất và độ dày của lớp khí quyển theo phương thẳng đứng (khi mặt trời ở
thiên đỉnh – lúc giữa trưa)..
- Trực xạ: là BXMT chiếu đến bề mặt trái đất khi không bị các thành phần
của khí quyển gây tán xạ. Đây là dịng bức xạ có định hướng.

- Tán xạ: là thành phần BXMT chiếu đến bề mặt trái đất sau khi hướng của
nó đã bị thay đổi do sự tán xạ bởi lớp khí quyển.
- Tổng xạ: là tổng của trực xạ vá tán xạ trên một bề mặt.
- Cường độ bức xạ (W/m2): Là cường độ năng lượng BXMT đến một bề mặt
tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ BXMT cũng bao gồm
CĐBX trực xạ, CĐBX tán xạ.
- Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên
bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh
của người quan sát.
b. Vị trí của mặt trời trên bầu trời
Vị trí của mặt trời trên bầu trời luôn thay đổi, phụ thuộc vào khơng gian (vị
trí quan sát), và thời gian. Vì vậy, để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu và tính
tốn, thì một số góc hình học đã được định nghĩa nhằm xác định vị trí của mặt trời
trên bầu trời. Như trong hình 1.13 thể hiện quan hệ hình học giữa một mặt phẳng
định hướng bất kỳ trên mặt đất và tia BXMT truyền tới, hay nói cách khác, nó thể
hiện vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó.
- Góc giờ ω : là góc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời ở thời điểm quan sát.
Nó là số đo góc của thời gian và có tỉ lệ tương đương 15o trong 1h. Góc giờ
ω cũng biến đổi từ -180o đến +180o, và được quy ước tại 12 giờ trưa, góc ω = 0o .
Góc giờ sẽ có giá trị (+) vào buổi sáng và (-) vào buổi chiều.
ω= (12-t).15, với t là giờ (h) trong ngày, ω đo bằng độ.

13