Chọn công nghệ tách muối phù hợp với điều kiện Việt Nam
Bài viết này nhằm cung cấp những thông tin tổng quan về các hệ thống tách muối khỏi nước lợ, nước biển đang được sử dụng phổ biến trên thế giới, qua đó đề xuất một giải pháp cho nguồn nước sạch ở vùng duyên hải nước ta để thích nghi với bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng.
Ở Việt Nam, các biện pháp tách các dạng tạp chất thông thường bằng bể lắng kết hợp với bể lọc sơ bộ (cát vàng, đá, sỏi …) đã được áp dụng từ lâu và tỏ ra khá hiệu quả. Tuy nhiên, đối với thành phần hòa tan là nước muối thì các phương pháp nêu trên lại không hiệu quả.
Để tách muối, người ta có thể cân nhắc sử dụng các hệ thống thiết bị khác nhau, chủ yếu phân ra làm hai loại chính dựa theo nguyên lý hoạt động: sử dụng nhiệt hoặc sử dụng màng lọc (sử dụng năng lượng cơ học là chủ yếu).
Nguyên lý nhiệt
Công nghệ tách muối để lấy nước sạch với nguyên lý sử dụng nhiệt dựa trên nền tảng các thiết bị chưng cất được phân chia thành nhiều phương pháp như sau: Chưng cất đa tầng (multi – stage flash distillation), chưng cất nhiều hiệu hay hệ thiết bị chưng cất liên hoàn (multi – effect distillation), và chưng cất nén hơi (vapor compression distillation). Các hệ thống chưng cất trên thường được bổ sung thiết bị tạo chân không nhằm hạ nhiệt độ hoạt động của hệ thống để phù hợp với nhiệt độ tối đa có thể hình thành (khoảng 500C đến 850C) từ thiết bị gia nhiệt được cấp từ thiết bị thu nhiệt bức xạ mặt trời. Như chúng ta đã biết, nước tinh khiết có nhiệt độ sôi 1000C ở áp suất thường 101.3 kPa còn dung dịch nước muối có nhiệt độ sôi cao hơn, trị số này sẽ tăng theo nồng độ của muối có trong dung dịch. Tất nhiên, với thiết bị chân không được bổ sung, năng lượng cơ học (thường cố gắng được lấy từ năng lượng sức gió trong trường hợp chỉ sử dụng năng lượng tái tạo) cho hoạt động của bơm chân không vòng nước cũng như yêu cầu về độ dày của vật liệu chế tạo thiết bị phải tăng lên. Trong trường hợp ấy, giá thành đầu tư, kích thước, khối lượng thiết bị cũng như chi phí vận hành, bảo dưỡng – bảo trì của hệ thống bị tăng lên nhiều. Điểm nổi bật của hệ thống tách muối dạng này là chất lượng nước sạch cao được tạo ra với trị số tổng lượng chất rắn hòa tan TDS (total dissolved solids) thấp hơn 50 mg/lít – trị số TDS càng thấp thì nước càng ít tạp chất.
Nguyên lý màng lọc
Trước 2002, các thiết bị hoạt động theo nguyên lý sử dụng nhiệt khá phát triển và chiếm ưu thế; tuy nhiên, về sau này các thiết bị hoạt động theo nguyên lý màng lọc (chủ yếu sử dụng nguyên tắc tẩm thấu ngược – RO: reverse osmosis) lại phát triển mạnh do sự phát triển của công nghệ chế tạo màng lọc. Cho đến nay, các thiết bị lọc muối sử dụng nguyên lý nhiệt được thiết kế và chế tạo cho các ứng dụng ở qui mô nhỏ do đặc điểm tiêu hao năng lượng riêng cho một đơn vị thể tích nước sạch thường lớn hơn thiết bị hoạt đông theo nguyên lý màng lọc. Theo ước tính, đến năm 2015, lượng nước sạch được tạo ra từ nước mặn hoặc nước lợ do nguyên lý sử dụng màng lọc chiếm gần gấp đôi nguyên lý sử dụng nhiệt nhiệt.
Tỉ lệ sử dụng các công nghệ tách muối trên thế giới (2002).
Không chỉ được sử dụng ở qui mô nhỏ mà các hệ thống sử dụng màng lọc còn được phát triển ứng dụng ở các nhà máy lọc muối ở qui mô lớn đến rất lớn như trường hợp nhà máy sản xuất nước sạch từ nước biển tại Fukuoka, Nhật bản với năng suất 250.800 m3/ngày. Các nhà máy sản xuất nước sạch từ nước biển với qui mô lớn đều hoạt động dựa trên các thiết bị màng lọc: màng thẩm thấu ngược (RO), màng siêu lọc (UF), màng vi lọc (NF) … đòi hỏi nguồn năng lượng ổn định với công suất lớn để hoạt động các bơm cao áp.
Tuy nhiên, đối thiết bị sử dụng màng thẩm thấu ngược, căn cứ định luật Vant – hoff, áp suất tạo ra cần thắng áp suất thẩm thấu ngược nên trị số áp lực tạo ra tại đầu ra của bơm cần đạt vài bar (đối với nước lợ) đến vài chục bar (đối với nước biển). Chính vì vậy, các nguồn cấp năng lượng cấp cho các hệ thống ở qui mô rất lớn thường được lấy từ điện lưới quốc gia chứ không được cấp từ các hệ thống nguồn điện sức gió, nguồn điện mặt trời ở qui mô nhỏ có tính chất phân tán. Trong trường hợp nhà máy sản xuất nước sạch tại Fukuoka nói trên, nguồn nước tạo được đưa lên bể chứa cao vị và cấp cho toàn thành phố. Cách làm đó phù hợp với điều kiện quy mô dân số lớn và có xu hướng cư trú tập trung. Còn với phương án thiết kế ứng phó với biến đổi khí hậu và kịch bản xâm thực mặn do nước biển dâng, thiết kế dạng trên sẽ không hợp lý do tính phân tán trong cư trú của dân cư ven biển. Chúng ta sẽ phải cần đến các thiết bị có quy mô và năng suất nhỏ hơn, và như vậy nguồn năng lượng cấp cho các hệ thống này có thể là năng lượng tái tạo.
Nhìn chung, phương pháp lọc màng thẩm thấu ngược RO không được sử dụng nhiều ở các nước kém phát triển vì các nước này không có khả năng làm chủ công nghệ chế tạo màng lọc, vốn được xếp vào công nghệ cao nên giá nhập khẩu mặt hàng này khá cao.
Sự kết nối thiết yếu của hệ thống tách muối và hệ thống năng lượng tái tạo
Năng lượng cấp cho những hệ thống tách muối luôn là một vấn đề lớn bởi vì các vùng ven biển hoặc hải đảo có dân cư không tập trung nên khó tiếp cận lưới điện quốc gia. Hiện nay, trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ các hệ thống tách muối hoạt động theo cơ chế “tự hành” (autonomous) với nguồn năng lượng tái tạo dựa trên việc tận dụng điều kiện thuận lợi có sẵn do sức gió và năng lượng mặt trời (ở dạng trực tiếp hoặc gián tiếp qua sự biến đổi thành điện năng).
Không chỉ chiếm ưu thế nói chung trong các ứng dụng tách muối mà ngay cả với các hệ thống tách muối cỡ nhỏ, hoàn toàn sử dụng năng lượng tái tạo (năng lượng sức gió và năng lượng mặt trời), phương pháp RO cũng tỏ ra là phương pháp có ưu thế và được lựa chọn trong đa phần các ứng dụng. Ngày nay, trên 51% các ứng dụng tách muối có nguồn cấp từ pin mặt trời và năng lượng gió sử dụng phương pháp lọc màng.
Ngày nay, các phương pháp sử dụng nhiệt năng trực tiếp từ năng lượng bức xạ nhiệt mặt trời thường chỉ được dùng tại các nước có nền công nghệ kém tiên tiến. Phương pháp lai ghép năng lượng sức gió và năng lượng mặt trời cũng là một trong những xu hướng tiềm năng đang được phát triển mặc dù hiện nay chỉ chiếm 4% trong các ứng dụng.
Phương án đề xuất cho nguồn nước sạch tại vùng duyên hải nước ta trong kịch bản nước biển dâng
Hiện nay, dù với công nghệ nào, hay ở qui mô nào thì vật liệu chế tạo nên các thiết bị cũng như các cấu phần tạo ra hệ thống tách muối đều có những yêu cầu đặc biệt về khả năng chống chịu ăn mòn, ô xy hóa …. Vật liệu chế tạo được dùng thường là dạng Inox – SU316, trong khi đó các thiết bị trong lĩnh vực chế biến thực phẩm với yêu cầu mức độ vệ sinh cao thường cũng chỉ được chế tạo với vật liệu là Inox – SU304 (yêu cầu thấp hơn về hàm lượng Niken). Các nhà khoa học đang cố gắng “phi kim hóa” vật liệu chế tạo thiết bị tách muối bằng những sự đổi mới về mặt công nghệ nhằn hạn chế tối thiếu sự tham gia trực tiếp của các cấu phần cơ – nhiệt. Một số thử nghiệm đã được thực hiện và cho những kết quả khả quan, tuy nhiên năng suất của các thiết bị có cấu tạo từ vật liệu chủ yếu là phi kim như vậy vẫn yêu cầu diện tích lắp đặt lớn hơn một thiết bị thông thường có cùng năng suất.
Đối với nước ta – một quốc gia có bờ biển dài cùng tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo từ sức gió và mặt trời, chúng ta nên cố gắng cải tiến các hệ thống tách muối theo nguyên lý nhiệt trực tiếp và phát triển theo hướng phi kim hóa thiết bị do chưa có khả năng làm chủ công nghệ màng, công nghệ chế tạo Inox – Su316 … cùng những công nghệ chế tạo các tấm pin mặt trời. Với nguyên lý nhiệt này, các thiết bị cũng cần tận dụng nguồn năng lượng sức gió trực tiếp cho việc hoạt động các thiết bị như bơm, quạt, máy nén đồng thời chuyển hóa một phần năng lượng gió thành điện năng cấp cho các thiết bị điều khiển và thiết bị gia nhiệt phụ trợ trong trường hợp duy trì hoạt động vào ban đêm.
———
Nguồn tham khảo:
Joseph Contruvo et al.,2010. Desalination Technology – Health and Environmental Impacts. USA: CRC Press.
Lucio Rizzuti et al., 2007. Solar Desalination for the 21st Century: A Review of Modern Technologies and Researches on Desalination Coupled to Renewable Energies. The Netherlands: Springer.
Lawrence K. Wang et al., 2011. Membrance and Desalination Technologies. New York: Humana Press.
Andrea Cipollina et al., 2009. Seawater Desalination: Conventional and Renewable Energy Processes. Heidelberg: Springer
National Academy of Sciences, 2004. Review of the Desalination and Water Purification Technology Roadmap. Washington, D.C: The National Academies Press.
