Các quá trình hóa lý trong xử lý nước thải - Khử mặn bằng phương pháp thẩm thấu ngược ro

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNKHOA MÔI TRƯỜNG KHỬ MẶN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẨM THẤU NGƯỢC RO GVHD: Dương Hữu Huy Nhóm thực hiện: 7 Giới thiệu Lý thuyết màng lọc Cấu trúc màng Cơ chế tắc nghẽn màng So sánh với các phương pháp khác  Tài liệu tham khảo: Advanced Physicochemical Treatment Technologies vol5 (343-377). The performance of Reverse Osmosis membrane in water treatment – Budiyono and Luqman Buchori. Water desalination – Tap inoto the liquid Gold – Research report 2007 (Mora Associate). I. Giới thiệu: Những kỹ thuật khử muối nhằm vào việc loại bỏ các muối hòa tan mà những quá trình xử lý cổ điển không thể làm được. Sự phát triển có thể chia làm 3 giai đoạn: Những năm 1950 là thời kì khám phá Những năm 1960 được xem như là thời kì tiến hành nghiên cứu Thập niên 1970 và 1980 là thời kì dành cho thương nghiệp hóa. Công ty xử lý nước bằng kỹ thuật thẩm thấu ngược đầu tiên được xây dựng vào những năm 1970 tại Florida. Những tiến bộ quan trọng trong vật liệu và kỹ thuật màng qua 20 năm trước đã cải thiện đáng kể việc sinh lợi nhuận và khả năng thực thi của các quá trình. II. Lý thuyết màng lọc 1. Thẩm thấu (Osmosis) và Thẩm thấu ngược – RO: Thẩm thấu: là sự di chuyển tự phát của dung môi từ một dung dịch loãng vào một dung dịch đậm đặc qua màng bán thấm. Ở tại một áp suất nhất định, sự cân bằng được thiết lập thì áp suất đó được gọi là áp suất thẩm thấu (osmosis pressure). Thẩm thấu ngược (reverse osmosis): khi đặt một áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu lên trên phía dung dịch đậm đặc thì quá trình thẩm thấu sẽ diễn ra theo chiều ngược lại: dung môi khuếch tán từ dung dich đậm đặc sang dung dich loãng. R là lượng chất tan bị giữ lai trên màng tính theo công thức: Với CIs : nồng độ chất tan bị giữ lại trên mặt phân cách C Πs : nồng độ chất tan thấm qua. 2. Màng và vật liệu màng: Màng RO (REVERSE OSMOSIS) có cấu trúc không đẳng hướng (không đối xứng): nó bao gồm một lớp màng rất mỏng (dày khoảng 100 – 500 nm) với kết cấu rỗng li ti rất tốt, trên là lớp dày hơn và xốp, tầng chống đỡ bên dưới với kích thước lỗ to hơn Màng lọc RO hoạt động trên cơ chế chuyển động của các phần tử nước nhờ áp lực nén của máy bơm cao áp tạo ra một dòng chảy mạnh  các phân tử nước thì lọt qua các mắt lọc cỡ kích cỡ 0,001 micromet nhờ áp lực dư, với kích cỡ mắt lọc này thì hầu hết các hợp chất hóa học, kim loại, các loại vi khuẩn đều không thể lọt qua. Hiệu quả của quá trình RO cho khử muối của nước dựa trên tính thấm và tính chọn lọc của màng. Đặc tính để xác định hiệu suất màng có thể được tính thông qua các điều kiện của dòng chảy thấm qua màng và tỉ lệ giữa dòng chảy thấm qua màng và diện tích hoạt động hiệu quả của màng. Một số yêu cầu quan trọng cho màng RO sử dụng để khử muối như sau: Thông lượng thấm cao Chất tan bị giữ lại cao Độ trơ cao để chịu được áp lực hoạt động cao Hóa chất ổn định cho dãy nhiệt độ rộng và pH Khả năng hoạt động trên phạm vi rộng của các loại ion trong dung dịch Khả năng chống tấn công sinh học Màng lọc rất đa dạng từ loại, kích thước, mục đích sử dụng, công nghệ loại bỏ muối ra khỏi nước. Màng lọc nước RO là một màng mỏng làm từ vật liệu Cellulose Acetate, Polyamide hoặc màng TFC có những lỗ nhỏ tới 0.001 m. Tất cả các màng này đều chịu áp suất cao nhưng khả năng chịu pH và chlorine không giống nhau, tùy theo từng nhãn hiệu. Có 2 loại màng thương mại được sử dụng trong các ứng dụng của RO ngày nay là: CA và TF Màng CA (cellulose acetate membrane) Hiện tại màng CA thường được làm từ sự pha trộn giữa cellulose diacetate và triacetate Màng TF (thin-film composite) Màng TF polyamide tổng hợp (PA) được sản xuất qua 2 bước riêng biệt. Đầu tiên 1 lớp hỗ trợ được hình thành bằng phương pháp đúc polysulfone lên 1 tấm polyester. Tấm màng hỗ trợ này rất xốp nên không loại bỏ được muối. Bước tiếp theo, 1 lớp màng bán thấm được hình thành trên nền polysulfone bằng cách trùng hợp các monome có chứa amine và nhóm chức carboxyl acid cholide. Các đặc điểm của màng Acetate Cellulose và Thin-Film Hệ thống RO ban đầu được thiết kế bằng cách dùng 1 màng phẳng CA hoặc 1 màng sợi rỗng được nâng cấp với TFC và PA. Màng TFC, PA có nhiều lợi thế so với CA hoặc màng sợi rỗng: Khả năng chịu dựng hóa học và vật lí có phạm vi lớn hơn. Chỉ số mật độ bùn (SDI) cao hơn Khả năng hoạt động ở nhiệt độ và pH cao hơn. Tiền xử lý dễ dàng hơn, ít tốn kém hơn. Hoạt động dễ dàng kiểm soát. Hơn nữa, sử dụng màng TFC, PA hữu ích trong việc chống lại chất bẩn sinh học và nâng cao hiệu quả của nhà máy, vì sức chống chịu cao với các vết nứt có hình dạng xoắn ốc được ngăn chặn cơ học và PA có thể phân hủy sinh học. Đặc biệt là khử muối trong nước biển, hiệu quả quá trình RO cao hơn và tỉ lệ thu hồi được thấy rõ, bởi việc phát triển rất cao sự thải bỏ của màng TFC có khả năng kháng sự nén chặt ở áp suất cao và giúp thu hồi nước mặn trong hệ thống hai tầng. Do đó,chi phí hoạt động và chi phí dự án được giảm đáng kể với ứng dụng màng TFC, PA. 3. Áp lực nước cấp: Nói chung, trong thực tế một máy bơm tăng áp suất cung cấp ở 25% sẽ phù hợp so với thực tế. Áp suất cung cấp đặc trưng khoảng 5-24  bar. Hệ thống RO ở ít nhất 17 bar được phân loại là đơn vị áp suất thấp và những máy hoạt động hơn 24 bar được phân loại là đơn vị áp suất cao. 4. Phân cực nồng độ : Hiện tượng này mô tả sự gia tăng việc giữ lại chất rắn hoặc nồng độ chất tan trên bề mặt màng. đẩy mạnh sự tắc nghẽn màng, làm giảm năng suất và mức độ phân tách các cấu tử cũng như tuổi thọ của màng. Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sự phân cực nồng độ Tuần hoàn dòng dung dịch lọc Sử dụng khuấy cơ học, bộ phận tạo rung, tăng tốc độ dòng chảy để tăng mức độ xoáy của lớp chất lỏng gần màng 5. Tiết kiệm năng lượng: Phần quan trọng nhất trong bất kỳ hệ thống RO, ngoài vấn đề liên quan đến tiêu thụ năng lượng, còn có hệ thống thu hồi năng lượng. Sử dụng bộ trao đổi áp suất trong hệ thống RO không chỉ tiết kiệm hơn một nửa tổng số năng lượng mà còn tiết kiệm chi phí mua máy bơm áp suất cao Các biện pháp tiết kiệm năng lượng: Giảm năng lượng cung cấp bằng cách cung cấp nước mát từ quá trình chưng cất cho một đơn vị RO. Sử dụng siêu lọc (UF) và vi lọc (MF) để tiền xử lý dòng cung cấp. Làm mềm nước đầu vào bằng lọc nano để giảm quy mô hình thành ion, sau đó năng suất hoạt động sẻ tăng lên khi hoạt động ở nhiệt độ cao. Đối với nước biển, hệ thống RO hoạt động tại áp suất 55- 69 bar với độ chuyển đổi là 15- 40%, nước muối rời khỏi hệ thống RO hoạt động ở áp suất 51-65 bar. Khi một tua-bin thủy lực được sử dụng để chuyển đổi dòng nước muối thành năng lượng, một thành phần năng lượng của nước muối ở áp suất cao có thể được thu hồi Về cơ bản, có 2 cách thu hồi năng lượng năng lượng: Hệ thống chuyển đổi tích cực Chuyển đổi năng lượng thủy lực trong các dòng thải vào năng lượng quay, dưới hình thức năng lượng cơ khí, bởi ERT Hệ thống chuyển tích cực: Ví dụ như: các hệ thống của Desalco, Siemag, và hệ thống RO của Kinetic.  Nguyên tắc: chuyển đổi tích cực để vận chuyển năng lượng có trong các dòng thải trực tiếp vào một dòng mới Ưu điểm của máy bơm chuyển tích cực so với máy bơm ly tâm:  Cung cấp tốc độ dòng chảy thấp hơn Áp suất của dòng chảy sẽ cao hơn Hiệu quả hơn (hiệu quả thiết bị này = năng lượng thủy tĩnh đầu ra / năng lượng thủy tĩnh lúc vào).  Chuyển đổi năng lượng thủy lực bởi ERT Một công nghệ thu hồi năng lượng khác là chyển đổi năng lượng thủy lực trong các dòng thải vào năng lượng quay, dưới hình thức năng lượng cơ khí, bởi ERT => Hiệu quả của ERT ly tâm trong việc chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng quay cơ học là khoảng 80-88% 6. Hiệu suất: Các biến số được nghiên cứu liên quan đến tác động của áp suất và thời gian hoạt động lên thông lượng qua màng. Áp suất thay đổi từ 1, 3, 5 đến 7 bar và thời gian hoạt động thay đổi từ 15, 30, 45 đến 60 phút. Sơ đồ màng lọc thẩm thấu ngược trong hệ thống xử lý nước: 1. Bể chứa; 2. Màng thẩm thấu ngược; 3. Ống bơm nước thải vào; 4. Hộp lọc; 5. Ống bơm nước qua màng; 6. Bể chứa sản phẩm; 7. Van.  Ảnh hưởng của áp suất đến thông lượng qua màng, TDS và % loại bỏ: Sự tăng áp suất sẽ làm tăng lượng thấm qua màng. Điều này là do động lực của màng RO còn gọi là áp suất qua màng. Việc tăng áp suất sẽ làm giảm lượng TDS. Tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS) là một trong những tham số của chất lượng nước có thể được sử dụng để hiển thị chất lượng của nước uống và nước bề mặt. Kết quả mô tả trong fig.2c cho thấy áp suất cao sẽ có xu hướng làm giảm % loại bỏ. Các chất cặn bã có thể xuyên qua lớp màng nhiều hơn, và tổng hợp nên các chất rắn trên bề mặt nhiều hơn nữa. Vấn đề này sẽ dẫn đến khả năng giữ lại các chất rắn bị suy giảm. Ảnh hưởng của thời gian đến thông lượng qua màng, TDS và % loại bỏ. Fig 3 (a) và (b) cho thấy rằng việc tăng thời gian hoạt động có xu hướng làm giảm thông lượng thấm và tổng lượng chất hòa tan. Fig.3(c) cho thấy thời gian hoạt động dài hơn sẽ làm tăng % loại bỏ. Những vấn đề chung này sẽ làm giảm tỷ lệ lượng chất hòa tan trong màng. III. Cấu trúc màng: Hiện nay, về cơ bản có 4 thiết kế mô-đun RO có trên thị trường là: hình ống, dạng cuộn và hình phẳng, sợi rỗng. Đối với các ứng dụng RO các hình dạng được sử dụng phổ biến nhất là sợi rỗng và cuộn 1. Dạng sợi rỗng Cấu hình này bao gồm một số lượng rất lớn các sợi màng rỗng có cấu trúc giống tóc người và không đối xứng. Hệ thống này cực kỳ nhỏ gọn và yêu cầu không gian tương đối nhỏ vì mật độ đóng gói của nó rất cao. Bất lợi chính của nó là rất dễ bị ô nhiễm và khó làm sạch. Như vậy, cần phải xử lý sơ bộ ngay cả trên nguồn nước đầu vào tương đối sạch. 2. Dạng cuộn: Ưu điểm: Ít tốn không gian hơn loại hình ống hoặc tấm phẳng khác. Chi phí sản xuất thấp Làm sạch dễ dàng. Tuy nhiên: cần xử lý sơ bộ trước cho các dòng thải có độ đục cao vì những dòng chảy nhỏ cũng có thể làm tắt các chi tiết. 3. Dạng ống: Màng dạng ống có lợi thế là nó có thể được vận hành trên nước cấp rất đục và có thể được làm sạch bằng máy móc hoặc bằng thủy lực 1 cách dễ dàng. Nó có bất lợi là chi phí sản xuất cao khi so sánh với màng dạng cuộn hoặc các sợi rỗng cho các ứng dụng xử lý nước. 4. Màng dạng phẳng: Mỗi màng được đặt trong thùng dưới áp suất thấp để nước đi qua màng, những màng này tiếp xúc với nước muối áp suất cao và được thu thập từ các ống xốp. Nước ngọt được thu thập từ tất cả các màng. Thiết kế này rất hữu ích cho các ứng dụng quá trình hóa học nhưng vì tính phức tạp của nó nên rất tốn kém để hoạt động với quy mô lớn. Sơ đồ màng dạng phẳng Hình ảnh thực tế màng dạng phẳng IV. Tiền xử lý và làm sạch màng: 1. Cơ chế tắc nghẽn màng. Nguồn nước có thể chứa nhiều nồng độ của các chất rắn lơ lửng và các chất hòa tan Những chất rắn lơ lửng :những hạt vô cơ, chất keo và những mảnh vụn sinh học bao gồm vi khuẩn và tảo Những chất hòa tan: muối hòa tan chlorides và các muối ít tan như carbonates, sulfates và silica  Những hạt lơ lửng được lắng trên bề mặt màng có thể chặn những kênh đầu vào và làm tăng áp lực qua hệ thống  Những muối tan bị kết tủa từ dòng tập trung có thể tạo ra cặn trên bề mặt màng  làm giảm độ thấm của nước qua màng RO  Quá trình tạo ra tầng lắng trên bề mặt màng được gọi là sự tắc nghẽn màng Hậu quả: Làm giảm đi tốc độ thấm của sản phẩm và/hoặc tăng sự hòa tan đi qua màng theo thời gian Tăng sự tiêu thụ năng lượng như áp lực qua màng Tăng thời gian chết và có thể làm ngắn đi tuổi thọ của màng 2. Tiền xử lý nước đầu vào: Nước đầu vào được tiền xử lý để làm tăng tuổi thọ của màng, ngăn ngừa việc tắc nghẽn màng và duy trì hiệu suất ( sự loại bỏ muối và hồi phục) của hệ thống. Quá trình tiền xử lý thông thường cho các ứng dụng RO thường bao gồm nhiếu giai đoạn tiền xử lý phụ thuộc lẫn nhau như:  Khử trùng  Keo tụ/tạo bông, lắng/ lọc  Khử clo  Kiểm soát đóng cặn. 3. Phương pháp rửa màng và sự thu hồi : Dấu hiệu của các chất ô nhiễm bao gồm một hoặc tất cả các điều kiện sau: Dòng nước thông thường giảm từ 10-15% từ điều kiện ban đầu. Áp suất nén xuống của mỗi công đoạn tăng lên 10-15% Lượng muối thải cần giảm xuống với mức đáng kể khi quá giờ.  Phương pháp rửa thường được dùng cho sự hồi phục màng RO được phân loại : Hóa học và Vật lý. Phương pháp rửa hóa học: Phụ thuộc vào các hoạt động hóa học làm suy yếu các liên kết giữa chất gây ô nhiễm và số lượng các liên kết giữa các chất gây ô nhiễm với bề mặt của màng. Các phản ứng hóa học tham gia vào việc rửa bao gồm : phản ứng thủy phân, peptit hóa , phản ứng xà phòng hóa, phản ứng hòa tan, phản ứng phân tán… Sự lựa chọn các tác nhân cho việc rửa hóa học không chỉ phụ thuộc vào loại chất gây ô nhiễm hiện diện trong hệ thống màng mà còn còn phụ thuộc vào sức bền hóa học của vật liệu màng và cả toàn bộ hệ thống. Các yêu cầu của các chất rửa hóa học: Làm rời và hòa tan các chất ô nhiềm từ bề mặt của màng. Giữ các chất ở dạng phân tán hoặc là hòa tan. Tránh các chất ô nhiễm tươi. Không gây ra hư hại cho vật liệu màng. Dễ dàng súc rửa sau khi làm sạch. Tính chất hóa học được giữ nguyên trước, trong và sau khi sử dụng. Giá cả phải chăng. Những bước cơ bản của phương pháp rửa hóa học là: Tiến hành những phương pháp rửa theo bảng hướng dẫn của nhà sản xuất. Tiến hành dòng áp suất thấp bằng thấm nước hoặc dung dịch rửa nhằm thay thế dung dịch trong ống, nước xử lí có thể được đổ ra để ráo cho đến khi dung dịch rửa lấp đầy các ống nước. Thu hồi lại dung dịch thông qua các yếu tố và trở lại bể chứa. Suốt quá trình hoạt động, một phần của dung dịch rửa được đổ ra để ráo trước khi quay lại bể chứa rửa RO.Điều chỉnh độ pH khi nó thay đổi hơn 0.5 đơn vị pH. Sự thấm không bắt buộc và quá trình tuần hoàn liên tục có thể được sử dụng.Thời gian thấm có thể từ 1h cho đến qua đêm phụ thuộc vào lời khuyến cáo của nhà sản xuất.Thêm vào sự tuần hoàn của dung dịch rửa với dòng chảy mạnh sẽ giúp thế chỗ các chất ô nhiễm từ màng. Rửa sơ với áp suất rửa thấp với nước thấm được yêu cầu để loại bỏ các vết hóa chất từ đế trượt rửa và đế trượt RO. Các nhân tố chính ảnh hưởng tích cực đến việc rửa màng là: Loại chất rửa hóa học được dùng. Khối lượng dung dịch chất rửa( nó phải phù hợp với kích cỡ của nhà máy) Thời gian. Nhiệt độ (rửa hóa học hầu như làm việc tốt tại nhiệt độ cao) Thiết kế của mạch rửa và hoạt động thấm. Phương pháp rửa vật lý: Phụ thuộc vào khả năng cơ học để đuổi và loại bỏ chất ô nhiễm từ bề mặt màng. Phương pháp vật lý thường gồm xả nước thuận chiều, xả nước ngược, rửa ngược, rung, phun không khí và thấm ngược CO2 . Xả nước thuận chiều Mục đích của việc xả thuận chiều là để loại bỏ các cấu trúc lớp của các chất ô nhiễm trên màng thông qua dòng chảy rối. Một gradient áp suất thủy lực cao được đưa vào suốt quá trình rửa. Xả nước ngược Thấm luôn được sử dụng cho quá trình xả nước ngược và áp suất của quá trình xả nước ngược hơn khoảng 2.5 lần áp suất đưa vào. Nước/Không khí rửa: Không khí được thêm vào trong xả nước thuận chiều để tạo bọt khí dẫn đến sự chuyển động không đều để loại bỏ các chất ô nhiễm từ bề mặt của màng. Áp suất thấm ngược: Áp suất được thêm vào bên ngược nước thông thường được vận chuyển chảy ngang qua màng. Rung: Buồng thấm được rung bởi búa thép khí nén được cố định bởi áp suất ống. Sự thấm ngược CO2 Phương pháp này phù hợp cho sợi có hình dạng rỗng. áp CO2 cao được đưa vào bên trong bề mặt màng thông qua các lỗ trong sợi và loại bỏ thông qua lớp màng chắn.Các chất ô nhiễm đưa lên từ bề mặt được mang đi nhờ dòng chảy xiết. V. So sánh với các phương pháp khác: Quá trình khử muối theo quy mô lớn đòi hỏi nhiều năng lượng, cũng như cơ sở hạ tầng phải được chuyên môn hóa và rất đắt tiền. Điều này làm cho quá trình khử muối vô cùng tốn kém nếu được so sánh với việc sử dụng nước sạch từ sông hoặc nước ngầm. Năng lượng dự trữ lớn của nhiều nước Trung Đông, cùng với sự khan hiếm nước đã dẫn tới sự xây dựng mở rộng của quá trình khử muối ở khu vực này. Khử muối bằng quá trình chưng cất. Nhà máy sản xuất nước ngọt từ nước biển bằng chưng cất