Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển

Tai lieu, luan van1 of 102.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Quách Tất Tùng

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ
THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MƠ PILOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT HỐ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 07/2021

khoa luan, tieu luan1 of 102.


Tai lieu, luan van2 of 102.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Quách Tất Tùng

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ
THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MƠ PILOT
Chun ngành: Kỹ thuật mơi trường
Mã số: 8 52 03 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
Hướng dẫn 1: TS. Dương Công Hùng
Hướng dẫn 2: TS. Trần Thị Thu Lan

Hà Nội, 07/2021

khoa luan, tieu luan2 of 102.


Tai lieu, luan van3 of 102.

Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hồn tồn
trung thực, của tơi, khơng vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Quách Tất Tùng

khoa luan, tieu luan3 of 102.


Tai lieu, luan van4 of 102.

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường với đề
tài “Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước
biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô pilot.” được thực hiện tại phịng thí
nghiệm của Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
dưới sự hướng dẫn của TS. Dương Công Hùng và TS. Trần Thị Thu Lan. Trong
suốt quá trình thực hiện luận văn, từ khi nhận đề tài cho đến khi kết thúc thực
nghiệm, em luôn nhận được sự quan tâm, động viên, hỗ trợ từ các thầy cô hướng
dẫn. Bằng tất cả sự kính trọng, lịng biết ơn, em xin phép được gửi tới TS.
Dương Công Hùng và TS. Trần Thị Thu Lan lời cảm ơn chân thành nhất.
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Cơng
nghệ Mơi trường, Ban lãnh đạo Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho em được hoàn
thành tốt luận văn này.
Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học
và Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô
giáo trong Khoa Công nghệ Môi trường, đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo
điều kiện về cơ sở vật chất và hướng dẫn em hồn thành chương trình học tập
và thực hiện luận văn.
Em xin cảm ơn gia đình em, dù khơng phải là cộng sự, khơng cùng làm
việc, nhưng gia đình ln ở bên, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cả
tinh thần và vật chất cho em được nghiên cứu khoa học!

khoa luan, tieu luan4 of 102.


Tai lieu, luan van5 of 102.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1. Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới ...........................................3
1.1.1. Các công nghệ chưng cất ............................................................................5
1.1.2. Công nghệ thẩm thấu ngược RO ................................................................8
1.1.3. Công nghệ điện thẩm tách ED ..................................................................10
1.2. Công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển ..................................11
1.2.1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng ..............................11
1.2.2. Các cấu hình chưng cất màng ...................................................................13
1.2.3. Màng lọc sử dụng cho quá trình chưng cất màng ....................................16
1.2.4. Hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển ..17
1.2.5. Bẩn và cặn màng trong quá trình chưng cất màng ...................................19
1.3. Các công nghệ thu hồi năng lượng mặt trời và tiềm năng sử dụng năng
lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển ở Việt Nam ............. 20
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............... 24
2.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................24
2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất .......................................................................27
2.3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................27
2.3.1. Phương pháp lấy mẫu và phân tích ..........................................................27
2.3.2. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................28
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 32
3.1. Tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển quy mô

pilot với công suất 1 m3/ngày....................................................................................32
3.1.1. Thiết kế mô đun màng MD ......................................................................33
3.1.2. Thiết kế hệ thống gia nhiệt và làm lạnh ...................................................35
3.2. Khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước
biển ............................................................................................................................39

khoa luan, tieu luan5 of 102.


Tai lieu, luan van6 of 102.

3.2.1. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mơ phịng thí nghiệm ..39
3.2.2. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD quy mơ pilot tại Đảo An Bình,
Lý Sơn .......................................................................................................................47
3.3. Đánh giá hiệu quả năng lượng và các trở ngại kỹ thuật cần khắc phục của hệ
thống ..........................................................................................................................56
3.3.1. Đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống ............................................56
3.3.2. Các trở ngại kỹ thuật của hệ thống ...........................................................59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 61

khoa luan, tieu luan6 of 102.


Tai lieu, luan van7 of 102.

1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
AGMD Air gap membrane distillation - Chưng cất màng đệm khơng khí
CAM

Contact angle measurement - Đo góc tiếp xúc

DCMD Direct contact membrane distillation - Chưng cất màng trực tiếp
ED

Electrodialysis - Điện thẩm tách

LEP

Liquid entry presssure - Áp suất ướt màng

MED

Multi Effect Distillation - Chưng cất đa phân đoạn

MF

Microfiltration - Vi lọc

MSF

Multi Stage Flash - Chưng cất nhanh đa bậc

RO

Reverse Osmosis - Thẩm thấu ngược

SEC

Specific energy consumption - Năng lượng tiêu thụ riêng

SEM

Scanning electron microscopy - Kính hiển vi điện tử quét

SGMD Sweeping gas membrane distillation - Chưng cất màng khí cuốn
VMD

Vacuum Membrane Disitllation - Chưng cất màng chân không

khoa luan, tieu luan7 of 102.


Tai lieu, luan van8 of 102.

2

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử mặn
nước biển [7]. .................................................................................................... 7
Bảng 2. Hiệu suất chuyển đổi và hệ số thất thoát nhiệt của các loại thiết bị thu
nhiệt mặt trời [32]. .......................................................................................... 21
Bảng 3. Số giờ nắng và cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau tại Việt
Nam ................................................................................................................. 23
Bảng 4. Đặc trưng của nước biển lấy tại Đảo Bé, huyện đảo Lý Sơn ............ 26
Bảng 5. Các đặc tính kỹ thuật của mơ đun màng lọc AGMD thương mại sản
xuất bởi Aquastill, Hà Lan .............................................................................. 34
Bảng 6. Các thông số tấm phẳng thu nhiệt mặt trời........................................ 35
Bảng 7. Thơng lượng cất nước của q trình AGMD ở nhiệt độ dòng làm mát

25 oC, nhiệt độ dòng cấp 45 C và 60 C với tốc độ dòng khác nhau. ........... 40
Bảng 8. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dịng nóng lên cơng suất cất
nước ở các nhiệt độ khác nhau ........................................................................ 48
Bảng 9. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dịng lạnh đối với cơng suất
cất nước ........................................................................................................... 50
Bảng 10. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất và độ
dẫn điện của nước cất thu được....................................................................... 51

khoa luan, tieu luan8 of 102.


Tai lieu, luan van9 of 102.

i

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B) công
nghệ sử dụng [7]. ............................................................................................... 5
Hình 2. Q trình khử mặn nước biển bằng cơng nghệ MSF [7]. .................... 6
Hình 3. Sơ đồ cơng nghệ quá trình MED khử mặn nước biển [7].................... 8
Hình 4. Nguyên lý hoạt động của một quá trình khử mặn dựa trên cơng nghệ
RO [11]. ............................................................................................................. 9
Hình 5. Quy trình cơng nghệ của một q trình khử mặn dùng cơng nghệ RO
[6]. ..................................................................................................................... 9
Hình 6. Nguyên lý hoạt động của quá trình ED [4]. ....................................... 11
Hình 7. Nguyên lý hoạt động của quá trình MD khử mặn nước biển [24]. .... 13
Hình 8. Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình MD cơ bản [11]. ...................... 15
Hình 9. Cấu tạo tấm phẳng chân khơng thu nhiệt. .......................................... 22
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mơ 1
m3/ngày. ........................................................................................................... 24

Hình 11. Sơ đồ ngun lý của hệ thống AGMD ở quy mơ phịng thí nghiệm sử
dụng trong luận văn. ........................................................................................ 29
Hình 12. Hình ảnh thực tế của hệ thống AGMD ở quy mơ phịng thí nghiệm sử
dụng trong luận văn. ........................................................................................ 29
Hình 13. Hình ảnh thực của (A) mô đun màng lọc AGMD và (B) mặt cắt ngang
của mô đun màng lọc AGMD. ........................................................................ 34
Hình 14. Sơ đồ điều khiển của hệ thống gia nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời
và các điện trở đốt để cấp nhiệt cho hệ thống MD ở quy mơ pilot. ................ 36
Hình 15. Sơ đồ hệ thống tự động hóa của hệ khử mặn nước biển MD ở quy mơ
pilot lắp đặt tại Đảo Bé.................................................................................... 37
Hình 16. Hình ảnh thực tế của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển
công suất 1 m3/ngày lắp đặt tại đảo Bé, Lý Sơn. ............................................ 38

khoa luan, tieu luan9 of 102.


Tai lieu, luan van10 of 102.

ii

Hình 17. Hệ thống tấm thu nhiệt mặt trời để bổ sung nhiệt năng cho hệ thống
chưng cất màng MD khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày tại Lý Sơn. ... 38
Hình 18. Thơng lượng cất nước của quá trình AGMD với nước cấp là dung dịch
NaCl 35 g/L ở các nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hồn khác nhau, nhiệt
độ dịng làm mát duy trì ở 25 oC. .................................................................... 39
Hình 19. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát đến thơng lượng
cất của q trình AGMD với dịng cấp là dung dịch NaCl 35 g/L: (1) Nhiệt độ
dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (2) Nhiệt độ dòng cấp 45 C,
thay đổi lưu lượng dòng làm mát; (3) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu
lượng dòng cấp; (4) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dịng làm mát.

......................................................................................................................... 41
Hình 20. Sự thay đổi của thông lượng cất nước đo được theo thực nghiệm và
tính tốn lý thuyết theo khi tăng hiệu suất thu hồi nước. Điều kiện vận hành:
nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và
dòng làm mát 0,3 L/ph. ................................................................................... 43
Hình 21. Hình ảnh phân tích SEM màng PTFE chưa sử dụng và màng sau khi
vận hành hệ thống AGMD ở hiệu suất thu hồi nước 73%. ............................. 44
Hình 22. Thơng lượng cất nước của q trình AGMD đối với nước biển tự
nhiên và nước biển đã lọc theo thời gian. Thông số vận hành hệ thống: nhiệt độ
nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng làm
mát 0,3 L/ph. ................................................................................................... 45
Hình 23. Hình ảnh phân tích SEM đối với màng đã qua sử dụng 13 giờ với nước
biển tự nhiên. Hệ thống vận hành ở nhiệt độ 60 oC đối với dòng cấp, 25 oC đối với
dòng làm mát và lưu lượng của cả hai dòng cấp và làm mát là 0,3 L/ph. .......... 45
Hình 24. Góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết với (A) màng chưa qua sử dụng và
(B) màng bị cặn sau khi rửa bằng giấm ăn. .................................................... 46
Hình 25. Hình ảnh phân tích SEM bề mặt màng sau khi rửa cặn bằng giấm. 47

khoa luan, tieu luan10 of 102.


Tai lieu, luan van11 of 102.

iii

Hình 18. Ảnh hưởng của nhiệt độ dịng cấp nóng lên cơng suất cất nước (lưu
lượng cất) và chất lượng của nước cất thu được. ............................................ 49
Hình 19. Ảnh hưởng của nhiệt độ dịng làm mát lên công suất cất nước và chất
lượng nước cất thu được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mơ pilot.
......................................................................................................................... 50

Hình 20. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước đến lưu lượng nước cất thu
được của hệ thống MD khử mặn nước biển ở quy mô pilot. .......................... 52
Hình 21. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hồn đến độ dẫn điện dòng nước cất thu
được từ quá trình MD khử mặn nước biển ở quy mơ pilot. ............................ 54
Hình 22. Cơng suất cất nước và độ mặn của nước cất của hệ MD khi vận hành
trong thời gian kéo dài với nước cấp là nước biển thật. ................................. 55
Hình 23. Theo dõi điện năng tiêu thụ riêng và vận hành hệ thống sử dụng điện
trở đốt nóng nước. ........................................................................................... 57
Hình 24. Cơng suất cất nước và năng lượng tiêu thụ riêng của hệ thống MD
khử mặn nước biển quy mô pilot tại Đảo Bé, Lý Sơn trong 30 ngày vận hành
sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở phụ.......................................... 58
Hình 25. Hình ảnh bà con trên Đảo Bé tập trung lấy nước uống từ hệ thống MD
khử mặn nước biển lắp trên đảo. ..................................................................... 59
Hình 26. Tác động của môi trường biển đảo lên độ bền và tuổi thọ của các chi
tiết, thiết bị của các hệ thống khử mặn nước biển trong môi trường biển đảo.
......................................................................................................................... 60

khoa luan, tieu luan11 of 102.


Tai lieu, luan van12 of 102.

1

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, nhu cầu khử mặn nước biển để cung cấp nước
ngọt đang ngày càng trở nên cấp thiết ở nhiều khu vực trên thế giới, trong đó
có Việt Nam. Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các công nghệ khử mặn
đã được hoàn thiện và phát triển rất nhiều, góp phần cải thiện hiệu quả năng
lượng và giảm chi phí sản xuất nước ngọt. Do vậy, khử mặn nước biển đã và

đang là một giải pháp chiến lược để đáp ứng nhu cầu nước ngọt của con người.
Hiện tại, các công nghệ khử mặn nước biển được chia thành hai nhóm chính:
các cơng nghệ chưng cất truyền thống và các cơng nghệ lọc màng. Hai nhóm
cơng nghệ này đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó chúng được lựa chọn áp
dụng ở những điều kiện khác nhau. Tuy nhiên, nhìn chung cơng nghệ lọc màng
(đặc biệt là công nghệ thẩm thấu ngược, RO) đang ngày càng chiếm ưu thế và
được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nhà máy khử mặn nước biển mới được xây
dựng. Công nghệ RO đã chứng minh được sự hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ
thuật cho ứng dụng khử mặn nước biển ở quy môn lớn, song lại gặp nhất nhiều
hạn chế công nghệ cho các ứng dụng khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ trên
các đảo và hải đảo.
Công nghệ chưng cất màng (tên tiếng Anh là Membrane Distillation, viết
tắt là MD) đang nổi lên là một công nghệ khử mặn chiến lược rất phù hợp cho
các ứng dụng khử mặn nước biển ở quy mô nhỏ để cung cấp nước ngọt tại các
khu vực xa xôi, hẻo lánh. Công nghệ chưng cất màng là một công nghệ lai ghép
giữa công nghệ chưng cất truyền thống và công nghệ lọc màng. Do là công
nghệ lai ghép, chưng cất màng kế thừa những ưu điểm và tránh được những
hạn chế của cả hai nhóm cơng nghệ. Do đó, công nghệ chưng cất màng hiện
đang được tập trung nghiên cứu và phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu và
các tổ chức khoa học công nghệ trên thế giới. Gần đây, trên thế giới đã có rất
nhiều cơng bố khoa học về ứng dụng công nghệ chưng cất màng cho khử mặn
nước biển ở trong phịng thí nghiệm, cũng như ở quy mô bán công nghiệp
(pilot). Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và áp dụng cơng nghệ chưng cất màng
cịn khá hạn chế. Chỉ có một số ít cơng trình nghiên cứu khoa học về ứng dụng

khoa luan, tieu luan12 of 102.


Tai lieu, luan van13 of 102.

2

công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển ở quy mơ phịng thí nghiệm.
Các nghiên cứu này đã chứng tỏ tính khả thi về mặt kỹ thuật và chỉ ra những
trở ngại của công nghệ chưng cất màng khử mặn nước biển. Song, ở Việt Nam
hiện chưa có một nghiên cứu, khảo sát hoạt động của hệ thống chưng cất màng
cho khử mặn nước biển ở quy mô pilot, đặc biệt là khi kết hợp với năng lượng
mặt trời. Từ thực tế này, tôi đã lựa chọn luận văn: “Nghiên cứu thiết kế và
khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng
mặt trời ở quy mô pilot.”
Đây là một nghiên cứu có tính thực tiễn cao. Cơng nghệ chưng cất màng là
một công nghệ mới, nhiều tiềm năng, và hứa hẹn phát triển không chỉ đối cộng
đồng khoa học của Việt Nam mà cịn của tồn thế giới. Chỉ tính riêng năm
2020, đã có hàng trăm cơng bố khoa học liên quan đến công nghệ chưng cất
màng và ứng dụng công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển. Ở Việt
Nam, Bộ Khoa học và Công nghệ trong các chương trình khoa học cơng nghệ
trọng điểm cấp quốc gia đã đặt nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ
chưng cất màng để khử mặn nước biển, cung cấp nước sinh hoạt cho các cộng
đồng dân cư trên đảo, hải đảo, và các vùng xa xôi hẻo lánh. Đề tài của luận văn
là một nội dung trong nhiệm vụ nghiên cứu quan trọng này. Mục tiêu của luận
văn là nghiên cứu thiết kế, chế tạo, và khảo sát hoạt động của một hệ thống
chưng cất màng MD ở quy mơ pilot có sử dụng năng lượng mặt trời với công
suất 1 m3 nước uống/ngày.

khoa luan, tieu luan13 of 102.


Tai lieu, luan van14 of 102.

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới
Khử mặn nước biển đã và đang là một giải pháp hiệu quả để giải quyết bài
toán khan hiếm nước ngọt cho nhiều khu vực trên thế giới. Có thể nói, biển sẽ
là nguồn nước ngọt vơ tận cho lồi người khi có các cơng nghệ khử mặn nước
biển hiệu quả và kinh tế. Trên hành tinh xanh của chúng ta, biển và đại dương
chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất và nước ngọt chỉ chiếm 3% lượng nước trên
trái đất, 97% lượng nước còn lại là nước biển. Trong 3% nhỏ bé của tổng lượng
nước ngọt trên trái đất, phần lớn nước ngọt nằm trong băng đá ở các cực và sâu
trong lịng đất rất khó để khai thác. Con người chỉ có thể khai thác một phần
nhỏ nước ngọt trên bề mặt trái đất nằm trong mạch nước ngầm và trong các ao
hồ, sông suối. Song, nguồn nước ngọt nhỏ bé này lại đang bị ô nhiễm nghiêm
trọng do các hoạt động phát triển kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu. Trong bối
cảnh này, khử mặn nước biển được các nhà khoa học và quản lý coi là giải pháp
khả thi và bền vững để giải quyết bài tốn khan hiếm nước ngọt [1-3].
Với các cơng nghệ khử mặn nước biển, độ mặn đầu vào của nước biển là
đặc trưng quan trọng nhất quyết định sự lựa chọn và tính khả thi của cơng nghệ
[4, 5]. Tùy vào vị trí địa lý, mùa, vào đặc điểm thời tiết, độ mặn của nước biển
trên thế giới tại các khu vực khác nhau dao động trong dải rộng từ 15.000 mg/L
đến 42.000 mg/L [4]. Với độ mặn cao này, nước biển không thể được sử dụng
cho các nhu cầu của con người, mà nó cần phải khử mặn để giảm độ mặn thành
nước ngọt. Theo quy ước, nước ngọt là nước có độ mặn (tổng hàm lượng muối
tan) nhỏ hơn 500 mg/L [4]. Do đó, các cơng nghệ khử mặn nước biển, có thể
dựa trên các nguyên lý khác nhau, đều có chung mục đích là giảm độ mặn của
nước biển để thu được nước ngọt.
Để khử mặn nước biển (giảm độ mặn xuống ngưỡng tiêu chuẩn của nước
ngọt), các công nghệ khử mặn tiếp cận theo hai hướng khác nhau: (1) tách nước
ngọt ra khỏi nước biển và (2) tách muối ra khỏi nước biển [6]. Trong 2 cách
tiếp cận này, tách muối ra khỏi nước biển để khử mặn về logic có vẻ hiệu quả

khoa luan, tieu luan14 of 102.


Tai lieu, luan van15 of 102.

4

hơn. Điều này là do trong nước biển, hàm lượng muối dù cao (15.000  42.000
mg/L), nhưng nó cũng là khơng đáng kể so với nước (chiếm phần lớn cịn lại
của nước biển). Do đó, việc tách muối ra khỏi nước biển sẽ tốn ít công hơn so
với việc tách nước ra khỏi nước biển. Tuy nhiên, trong thực tế, dù hàm lượng
của nó trong nước biển nhỏ hơn, việc tách muối ra khỏi nước biển phức tạp hơn
nhiều so với việc tách nước. Do vậy, các công nghệ khử mặn nước biển chủ
yếu tiếp cận theo cách thứ 2, tách nước sạch ra khỏi nước biển.
Các công nghệ khử mặn nước biển đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới
có thể được chia thành hai nhóm chính: cơng nghệ chưng cất và cơng nghệ
màng [5, 7]. Các công nghệ khử mặn nước biển bằng chưng cất hoạt động dựa
trên sự chuyển pha của nước: nước biển được gia nhiệt để bay hơi nước, sau đó
hơi nước được ngưng tụ để thu được nước cất (nước sạch). Khác với các quá
trình chưng cất, các q trình khử mặn nước biển dùng cơng nghệ màng khơng
thực hiện q trình chuyển pha của nước mà thay vào đó chúng sử dụng một
màng có tính chọn lọc cao để tách nước sạch ra khỏi dòng nước biển [4, 5, 7].
Nhờ đặc điểm này, các công nghệ khử mặn nước biển dùng màng lọc tiêu tốn
ít năng lượng hơn nhiều so với các quá trình chưng cất; vì vậy chúng được lựa
chọn cho hầu hết các nhà máy khử mặn nước biển đang và sắp được xây dựng
ở nhiều nước trên thế giới trừ khu vực Trung Đông [4, 5]. Tuy nhiên, chất lượng
nước sạch thu được từ q trình khử mặn dùng cơng nghệ màng lọc phụ thuộc
rất nhiều vào chất lượng nguồn nước biển cấp vào, đặc biệt là độ mặn của nước
biển. Do đó, các công nghệ khử mặn này yêu cầu phải tiền xử lý nguồn nước

biển đầu vào rất kỹ để hạn chế việc bẩn màng lọc và q trình vận hành các
cơng nghệ này cũng phức tạp hơn do thường xuyên phải tiến hành rửa màng
lọc. Ngược lại, các công nghệ chưng cất khử mặn tiêu tốn nhiều năng lượng
hơn, nhưng chúng có thể thu được nước sạch có độ tinh khiết cao hơn và chất
lượng nước sạch thu được ít bị ảnh hưởng bởi nguồn nước biển cấp vào. Vì
điều này, các công nghệ chưng cất khử mặn nước biển vẫn được ưu tiên lựa
chọn ở các nước trong khu vực Trung Đơng (Hình 1).

khoa luan, tieu luan15 of 102.


Tai lieu, luan van16 of 102.

(A)

5

(B)

Hình 1. Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B)
công nghệ sử dụng [7].
1.1.1. Các công nghệ chưng cất
Các công nghệ chưng cất ứng dụng cho khử mặn nước biển chủ yếu dựa
trên hai quá trình: chưng cất nhanh đa bậc (multi stage flash, MSF) và chưng
cất đa phân đoạn (multi effect distillation, MED). Các nhà máy khử mặn nước
biển sử dụng 2 công nghệ này chiếm đến 28% thị phần khử mặn nước biển trên
thế giới (Hình 1). Nguồn năng lượng chính của q trình khử mặn nước biển
dùng công nghệ chưng cất là nhiệt năng để đun nóng nước biển.
Ngun lý hoạt động của q trình MSF được thể hiện trên Hình 2. Nước
biển đã qua tiền xử lý chạy qua các ruột gà có vai trò như nước làm mát để

ngưng tụ hơi nước trong các buồng bay hơi và được gia nhiệt sơ bộ nhờ nhiệt
ngưng tụ của hơi nước. Nước biển đã gia nhiệt sơ bộ sau đó được tuần hồn
qua một thiết bị trao đổi nhiệt: trong thiết bị này, nước biển được đun nóng (90
– 100 oC) bằng hơi nóng. Nước biển đã được đun nóng sau đó được bơm vào
các buồng bay hơi để bốc hơi nước. Sau khi đi qua các buồng bay hơi (các giai
đoạn), nhiệt độ của nước biển giảm xuống trong khi độ mặn của nước biển tăng
lên. Nước biển mặn ấm sau buồng bay hơi cuối cùng sẽ được bơm thải ra ngoài
hệ thống. Để thúc đẩy quá trình bốc hơi nước, áp suất trong các buồng bay hơi
được giảm xuống theo thứ tự từ buồng thứ nhất cho đến buồng cuối cùng sử
dụng bơm hút chân không.

khoa luan, tieu luan16 of 102.


Tai lieu, luan van17 of 102.

6

Hình 2. Quá trình khử mặn nước biển bằng cơng nghệ MSF [7].
Ưu điểm chính của cơng nghệ MSF khử mặn nước biển là nó thu được nước
sạch (nước cất) có độ tinh khiết rất cao và quá trình vận hành tương đối đơn
giản [8, 9]. Là một quá trình chưng cất, hoạt động của q trình MSF ít bị ảnh
hưởng bởi độ mặn của nước biển như là quá trình RO (bị ảnh hưởng bởi áp suất
thẩm thấu của nước biển). Quá trình MSF có thể hoạt động hiệu quả với nước
biển có độ mặn cao (như ở khu vực Trung Đông), không yêu cầu q trình tiền
xử lý kỹ càng và có thể đạt được hiệu suất thu hồi nước cao [8, 9]. Tuy nhiên,
quá trình MSF tiêu tốn rất nhiều năng lượng để làm bay hơi nước biển và ngưng
tụ hơi nước để thu được nước sạch (Bảng 1). Do đặc điểm này, công nghệ MSF
thường được sử dụng cho các nhà máy khử mặn nước biển có độ mặn cao và
chất lượng đầu vào thường bị biến đổi.

khoa luan, tieu luan17 of 102.


Tai lieu, luan van18 of 102.

7

Bảng 1. Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử
mặn nước biển [7].
Công nghệ khử mặn
MSF

MED

RO

ED

MD

Nhiệt độ làm việc (C)

90-110

50-70

25

25

30-90

Áp suất làm việc (bar)

1

1

60-80

1

1

Điện năng tiêu thụ (kWh/m3)

3,5-5,0

1,5-2,5

4,0-8,0

17,0

0,13

Nhiệt năng tiêu thụ (kWh/m3)

69,4-88,3

41,7-61,1





90,0

Một công nghệ khử mặn nước biển dựa trên ngun lý chưng cất khác là
cơng nghệ MED (Hình 3). Có thể nói, MED là một trong những cơng nghệ
chưng cất lâu đời nhất trên thế giới, song nó lại không thể cạnh tranh được với
công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển. Hiện nay trên toàn thế giới,
chỉ có khoảng 7% lượng nước ngọt sản xuất từ nước biển được thực hiện bởi
quá trình MED (trong khi sản lượng của quá trình MSF là 21%) (Hình 1) [7].
So với q trình MSF, q trình MED có thiết kế tin cậy, cơng nghệ hồn thiện,
chất lượng sản phẩm cao hơn và năng lượng tiêu thụ ít hơn. Năng lượng nhiệt
tiêu thụ trung bình của quá trình khử mặn MED nằm trong khoảng từ 41,7 
61,1 kWh/m3 (Bảng 1). Song, công nghệ MED hiện tại chưa thể cạnh tranh với
công nghệ MSF cho ứng dụng khử mặn nước biển vì nó có chi phí xây dựng và
vận hành cao hơn. Q trình MED khử mặn nước biển có nguy cơ xảy ra cặn
kết tủa cao hơn nhiều so với quá trình MSF, dẫn đến quá trình khử mặn nước
biển dùng công nghệ MED yêu cầu phải tiền xử lý nước biển kỹ càng hơn, vận
hành ở nhiệt độ thấp hơn, và phải thường xuyên phải tiến hành vệ sinh và rửa
các dàn trao đổi nhiệt.

khoa luan, tieu luan18 of 102.


Tai lieu, luan van19 of 102.

8

Hình 3. Sơ đồ cơng nghệ q trình MED khử mặn nước biển [7].
1.1.2. Cơng nghệ thẩm thấu ngược RO
Công nghệ RO hiện đang dẫn đầu thị trường khử mặn nước biển trên thế
giới [3, 10]. RO sử dụng một màng lọc bán thấm để tách nước ngọt từ dịng
nước biển. Do tính chọn lọc của nó, màng RO chỉ cho phép nước sạch thẩm
thấu qua màng trong khi chặn lại toàn bộ các tạp chất (cặn lơ lửng, các chất hữu
cơ, vi khuẩn, và virus) và muối tan. Do đó, q trình khử mặn RO cho phép thu
được nước ngọt có độ tinh khiết cao (với tổng lượng hòa tan TDS <150 ppm).
Tuy nhiên, để thu được nước ngọt từ dòng nước biển, cần phải áp dụng một áp
suất thủy tĩnh rất cao bên phía dịng nước biển để vượt qua được áp suất thẩm
thấu của nước biển (Hình 4). Cơng nghệ RO có những ưu điểm chính sau:
i) Có khả năng mơ đun hóa rất cao và có kích thước nhỏ gọn, do đó các nhà
máy khử mặn dùng cơng nghệ RO có diện tích và chi phi xây dựng ban đầu
nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy sử dụng công nghệ chưng cất truyền thống.
ii) Khơng địi hỏi phải thực hiện quá trình chuyển pha để khử mặn nên năng
lượng tiêu thụ của quá trình khử mặn RO nhỏ hơn rất nhiều so với quá trình
khử mặn chưng cất truyền thống.
iii) Cho phép thu được nước sạch có độ tinh khiết cao.

khoa luan, tieu luan19 of 102.


Tai lieu, luan van20 of 102.

9

Hình 4. Nguyên lý hoạt động của một q trình khử mặn dựa trên cơng nghệ

RO [11].
Tuy nhiên, khi áp dụng cho khử mặn nước biển, công nghệ RO cũng tồn tại
một số nhược điểm cơ bản như sau:
i) Đòi hỏi phải tiền xử lý rất kỹ lưỡng dòng nước biển cấp vào hệ thống (Hình
5) .

Hình 5. Quy trình cơng nghệ của một q trình khử mặn dùng cơng nghệ RO
[6].
ii) Thường xun phải thực hiện rửa màng khi vận hành quá trình RO.
ii) Có chi phí lắp đặt ban đầu tương đối cao do đòi hỏi sử dụng các vật liệu chịu
được áp lực cao và có khả năng chống ăn mịn.
Với những nhược điểm này, công nghệ RO chỉ phù hợp cho các nhà máy
khử mặn nước biển có quy mơ lớn ở những thành phố trung tâm với những khu

khoa luan, tieu luan20 of 102.


Tai lieu, luan van21 of 102.

10

dân cư đơng đúc. Ví dụ, ở Úc 6 nhà máy khử mặn nước biển dùng cơng nghệ
RO đều có quy mơ rất lớn và được xây dựng ở các thành phố trung tâm của các
bang để cung cấp nước sạch phục vụ nhu cầu sinh hoạt trong các trường hợp
khẩn cấp như hạn hán kéo dài.
1.1.3. Công nghệ điện thẩm tách ED
Công nghệ ED sử dụng các màng trao đổi ion để thực hiện quá trình khử
mặn nước biển [12, 13]. Năng lượng tiêu thụ chính của q trình ED là điện
năng (Bảng 1) và nó phụ thuộc rất nhiều vào độ mặn của dịng nước biển. Điện
năng tiêu thụ của q trình ED cho khử mặn nước biển là khoảng 17 kWh/m3

trong khi với nước nhiễm mặn và nước nhiễm mặn điện năng tiêu thụ chỉ là 3
 7 kWh/m3 [7]. Vì lý do này, công nghệ ED chỉ được chủ yếu áp dụng cho
khử mặn nước nhiễm mặn để đảm bảo tính kinh tế của quá trình.
Nguy cơ bẩn màng cao cũng là một giới hạn của quá trình khử mặn nước
biển dùng cơng nghệ ED [12, 13]. Do đó, tương tự như RO, quá trình khử mặn
ED yêu cầu phải tiền xử lý dòng nước cấp rất kỹ càng và thường xuyên phải
tiến hành rửa màng để phục hồi hiệu quả hoạt động của quá trình. Cải tiến đáng
kể nhất gần đây trong công nghệ ED là ứng dụng đổi chiều điện cực trong quá
trình ED để giảm thiểu hiện tượng bẩn màng. Quá trình cải tiến được gọi là
điện thẩm tách đổi chiều (Electro Dialysis Reversal-EDR). Tuy nhiên, quá trình
EDR mới đang ở giai đoạn nghiên cứu và cần thêm nhiều thời gian để được áp
dụng cho khử mặn nước biển ở quy mô công nghiệp [4].

khoa luan, tieu luan21 of 102.


Tai lieu, luan van22 of 102.

11

Hình 6. Nguyên lý hoạt động của q trình ED [4].
1.2. Cơng nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển
1.2.1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng
Chưng cất màng (membrane distillation, MD) là một cơng nghệ khử mặn
có tiềm năng lớn để giải bài toán khan hiếm nước ngọt cho nhiều khu vực trên
thế giới [14, 15]. Chưng cất màng MD dựa trên sự bay hơi và ngưng tụ của hơi
nước để khử mặn nước biển giống như công nghệ chưng cất truyền thống,
nhưng nó sử dụng màng lọc để thúc đẩy quá trình bay hơi và ngưng tụ này.
Màng lọc sử dụng trong công nghệ MD là màng kỵ nước, vi xốp với các lỗ xốp
có kích thước khoảng 0,2 m [16, 17]. Nhờ tính chất kỵ nước và kích thước lỗ

xốp nhỏ này, khi tiếp xúc với dòng nước biển, màng lọc MD sẽ tạo nên bề mặt
phân cách pha lỏng-hơi tại miệng các lỗ màng, và nó chỉ cho hơi nước truyền
qua trong khi ngăn không cho nước lỏng thấm qua các lỗ màng [18-20]. Trong
quá trình MD, khi gia nhiệt dòng nước biển để tạo áp suất hơi nước chênh lệch
giữa hai bề mặt màng, nước sẽ bay hơi từ bên dịng nước biển mặn nóng rồi

khoa luan, tieu luan22 of 102.


Tai lieu, luan van23 of 102.

12

dịch chuyển qua các lỗ màng và ngưng tụ thành nước cất ở bên dòng nước cất
mát (Hình 7).
Dựa trên nguyên lý hoạt động này, có thể coi MD là một cơng nghệ lai ghép
giữa quá trình chưng cất và quá trình lọc màng, do đó nó thừa hưởng ưu điểm
của cả hai q trình trên. Dựa trên nguyên lý chưng cất, hoạt động của q trình
MD khử mặn nước biển ít bị ảnh hưởng bởi độ mặn và chất lượng ban đầu của
nước biển cấp vào giống như các công nghệ MSF và MED. Với đặc điểm này,
MD có thể được áp dụng để khử mặn nước biển ở nhiều khu vực trên thế giới
với độ mặn và các tính chất đặc trưng khác nhau mà vẫn đảm bảo thu được
nước cất với độ tinh khiết rất cao. Quan trọng hơn, MD thực hiện q trình
chưng cất mà khơng u cầu phải đun nóng nước lên đến nhiệt độ sơi như q
trình MSF và MED: các nghiên cứu công bố đã chứng tỏ quá trình MD có thể
khử mặn nước biển hiệu quả khi vận hành ở nhiệt độ dịng cấp nóng là 40  80
C [18-20]. Với nhiệt độ vận hành này, các nguồn năng lượng tái tạo như là
nhiệt dư từ các q trình cơng nghiệp khác và nhiệt mặt trời có thể tích hợp với
q trình MD để giảm chi phí năng lượng vận hành của nó. Thực tế là các
nghiên cứu ứng dụng công nghệ MD cho khử mặn nước biển đều hướng đến

việc sử dụng và tích hợp năng lượng tái tạo để giảm thiểu chi phí năng lượng
và giá thành của nước ngọt thu được [21-23]. Là một q trình màng, MD có
ưu điểm là rất nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp với các hệ thống xử lý nước khác
để nâng cao hiệu quả xử lý. Các màng lọc MD (giống như RO) được chế tạo
thành các mô đun, cho phép dễ dàng lắp giáp, thay đổi công suất, vận hành, và
duy tu bảo dưỡng. Khác với RO, MD khơng vận hành bằng áp suất, do đó mô
đun màng lọc và các chi tiết khác của hệ thống MD có thể được chế tạo từ các
vật liệu chi phí thấp mà vẫn có khả năng chống ăn mịn cao như là nhựa và
nhơm [18-20, 24]. Nhờ điều này, chi phí xây dựng và lắp đặt các hệ thống MD
khử mặn nước biển có thể được giảm thiểu và thấp hơn đáng kể so với các hệ
thống RO. Một ưu điểm nổi bật nữa của công nghệ MD so với RO là nó ít bị
ảnh hưởng bởi bẩn và cặn màng [17, 18]. Do hoạt động trên nguyên lý chưng
cất, trong quá trình MD nước lỏng và các cặn bẩn khơng bám dính lên thành
các lỗ màng như trong quá trình RO và áp suất thủy tĩnh của các dòng nước

khoa luan, tieu luan23 of 102.


Tai lieu, luan van24 of 102.

13

trong quá trình MD cũng thấp hơn nhiều so với RO. Do vậy, hiện tượng bẩn
cặn màng ít xảy ra với q trình MD khử mặn nước biển khi vận hành ở chế độ
thu hồi nước hợp lý (không quá 70% với nước biển) [18]. Điều này giúp q
trình MD khử mặn nước biển khơng đòi hỏi phải tiền xử lý dòng nước cấp kỹ
càng như quá trình RO, do vậy giảm thiểu được chi phí năng lượng và hóa chất
để vận hành q trình MD.

Hình 7. Nguyên lý hoạt động của quá trình MD khử mặn nước biển [24].

1.2.2. Các cấu hình chưng cất màng
Trong thực tế, các hệ thống MD khử mặn nước biển được thiết kế và vận
hành dựa trên bốn cấu hình cơ bản: chưng cất màng trực tiếp (direct contact
membrane distillation, DCMD), chưng cất màng chân không (vacuum
membrane distillation, VMD), chưng cất màng khí cuốn (sweep gas membrane
distillation, SGMD) và chưng cất màng đệm khí (air gap membrane distillation,
AGMD) [16, 17]. Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình cơ bản này được thể hiện
trên Hình 8. Trong cả bốn cấu hình này, cấu trúc của khoang cấp là khơng thay
đổi: dịng nước biển mặn nóng tiếp xúc trực tiếp với màng lọc và màng lọc ngăn
không cho nước biển thấm qua màng. Song cấu trúc khoang thấm của bốn cấu

khoa luan, tieu luan24 of 102.


Tai lieu, luan van25 of 102.

14

hình lại khác nhau tùy thuộc vào cách thức để tạo ra và duy trì sự chênh lệch
áp suất hơi nước giữa hai bên bề mặt màng.
Cấu hình DCMD có cấu trúc đơn giản nhất với dòng nước cất mát tiếp xúc
trực tiếp với màng lọc ở bên khoang thấm (Hình 8a). Nhiệt độ chênh lệch giữa
dịng nước biển nóng và dịng nước cất mát tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi
nước, làm chuyển dịch nước (ở dạng hơi) từ dòng nước biển qua các lỗ màng
sang dòng nước cất. Tuy nhiên, cấu trúc đơn giản này lại làm giảm hiệu suất
nhiệt của cấu hình DCMD. Do dịng nước mặn nóng và dịng nước cất mát chỉ
được ngăn cách bởi lớp màng mỏng, có một lượng nhiệt đáng kể truyền do dẫn
nhiệt từ dòng nóng sang dịng lạnh qua màng lọc. Lượng nhiệt truyền qua màng
lọc này là nhiệt tổn thất do không liên quan đến sự dịch chuyển của hơi nước
qua màng.

Để hạn chế tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt, trong cấu hình VMD và SGMD
dịng nước cất mát được tách khơng cho tiếp xúc với màng lọc. Để tạo ra áp
suất chênh lệch giữa 2 bên bề mặt màng, người ta áp dụng một áp suất chân
không trong khoang cấp của cấu hình VMD, hay thổi một dịng khí qua khoang
cấp của cấu hình SGMD (Hình 8b và c). Cấu hình VMD và SGMD có hiệu suất
nhiệt và đạt được thơng lượng cất nước cao hơn đáng kể so với cấu hình DCMD
[6, 24]. Tuy nhiên, nhược điểm của cấu hình VMD và SGMD là phải sử dụng
nhiều thiết bị phụ trợ như là bơm chân khơng, quạt khí và hệ thống ngưng tụ
hơi nước tách rời bên ngồi mơ đun màng lọc. Điều này làm cho các hệ thống
MD sử dụng cấu hình VMD và SGMD có cấu tạo phức tạp, chi phí lắp đặt và
vận hành cao hơn so với cấu hình DCMD. Do đó, cấu hình VMD và SGMD
chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng khác không phải là khử mặn nước biển
[17].

khoa luan, tieu luan25 of 102.