Đề tài Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam

Trong 40 năm qua, độ mặn ở các vùng biển nhiệt đới đã gia tăng đáng kể trong khi nước biển ở các vùng cực ngày càng ít muối hơn. Sự thay đổi nồng độ muối trong nước biển trở nên đặc biệt nhanh chóng trong thập kỷ 90, thập kỷ nóng nhất kể từ khi con người bắt đầu lưu trữ dữ liệu thời tiết bài bản. Kết quả này cho thấy thêm một hậu quả đáng kể khác của hiện tượng trái đất nóng lên. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy vòng tuần hoàn nước toàn cầu ngày càng trở nên nhanh chóng và dữ dội, các đại dương tại miền nhiệt đới ngày càng bốc hơi nhiều hơn. Ngoài việc làm thay đổi sự phân bố nước ngọt và sự tạo thành bão trên toàn cầu, vòng tuần hoàn nước quá nhanh và mạnh như vậy sẽ làm trầm trọng thêm sự nóng lên của trái đất, vì bản thân hơi nước cũng là một khí nhà kính. Tình trạng thiếu nước trầm trọng do gia tăng dân số, đô thị hóa và chất lượng cuộc sống trên thế giới ngày càng cao hơn đã khiến nhiều quốc gia (nhất là các vùng khô hạn và bán khô hạn) phải chấp nhận các công nghệ khử mặn, trước hết là để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Khử mặn (desalination) là quá trình loại bỏ các muối hòa tan và các chất khác có trong nước biển, nước lợ, hay nước ngầm hoặc nước mặt bị nhiễm mặn. Dựa vào mức độ công nghệ xử lý nước và mục đích xử lý, quá trình khử mặn có thể xử lý được nước đạt chất lượng dùng cho sinh hoạt hay trong công nghiệp hoặc tưới tiêu. Ngành công nghiệp khử nước mặn đã trở thành một ngành thương mại từ những năm 1950 và 1960. Do giảm được nhiều về giá thành và tăng hiệu quả, đặc biệt trong những năm 1970, công việc khử mặn, trong đó, màng lọc chiếm ưu thế trong các công nghệ xử lý nước biển, đã trở thành một chiến lược và là nguồn cung cấp nước đáng tin cậy để đáp ứng những nhu cầu sinh hoạt. Hiện nay ước tính toàn cầu có hơn 12,000 nhà máy xử lý nước biển và nước lợ trên 140 quốc gia trên khắp thể giới, với tổng công suất lên tới 40 triệu m3 trên ngày. Trong đó xử lý nước biển chiếm 57.4%. (WHO, 2008). Công suất khử mặn trên thế giới đạt gần 9,6 tỷ m3, trong đó các nước thuộc Hội đồng Hợp tác Vùng vịnh (GCC) như Ả Rập, Cô oét, Tiểu Vương quốc Ả Rập thống nhất, Bahrain, Qatar và Oman chiếm 47% tổng công suất.

doc30 trang | Chia sẻ: ngtr9097 | Ngày: 07/06/2013 | Lượt xem: 2365 | Lượt tải: 6download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
B1-2-TMĐT THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1 Tên đề tài 2 Mã số Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam. ĐTĐL.2010T/31 3 Thời gian thực hiện: 30 tháng 4 Cấp quản lý (Từ tháng 01 /2010 đến tháng 6 /2012) X Nhà nước Bộ Tỉnh Cơ sở 5 Kinh phí 2670 triệu đồng, trong đó: Nguồn Tổng số - Từ Ngân sách sự nghiệp khoa học 2670 - Từ nguồn tự có của tổ chức - - Từ nguồn khác - 6 Thuộc Chương trình: Mã số: Thuộc dự án KH&CN; X Đề tài độc lập; 7 Lĩnh vực khoa học Tự nhiên; Nông, lâm, ngư nghiệp; X Kỹ thuật và công nghệ; Y dược. 8 Chủ nhiệm đề tài Họ và tên: Trần Đức Hạ Ngày, tháng, năm sinh: 18 tháng 7 năm 1953 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị: Phó Giáo sư, Tiến sĩ. Chức danh khoa học: Chức vụ: Chủ nhiệm bộ môn Cấp thoát nước – Môi trường nước Điện thoại: Tổ chức: 04 38697010 Nhà riêng: 04 35142864 Mobile: 0903235078 Fax: 04 38693714 E-mail: tranducha53@yahoo.com Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Xây dựng Địa chỉ tổ chức: Số 55 Đường Giải phóng, Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: I16B Thái Hà, Láng Hạ, đống Đa, Hà Nội. 9 Thư ký đề tài Họ và tên: Trần Thị Việt Nga Ngày, tháng, năm sinh: 11 tháng 9 năm 1974 Nam/ Nữ: Nữ Học hàm, học vị: Tiến sĩ Chức danh khoa học: Chức vụ: Nghiên cứu viên/Giảng viên Điện thoại: Tổ chức: 04 38697010 Nhà riêng: 04.38523087 Mobile: 0974796169 Fax: 04 38693714/04 38697010 Email: nga.tran.vn@yahoo.com Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Xây dựng Địa chỉ tổ chức: 55 Giải phóng, Hai Bà Trưng , Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: B1, phòng 204, phường Trung Tự, quận Đống Đa , Hà Nội 10 Tổ chức chủ trì đề tài Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Xây dựng Điện thoại: 04. 04 38697010 Fax: .04.38693714 E-mail: ctndhxd@yahoo.com Website: vnwater.org Địa chỉ: trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, Hà Nội. Họ và tên thủ trưởng tổ chức: TS Lê Văn Thành Số tài khoản kho bạc nhà nước: 301.01.044 Kho bạc Nhà nước quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội. Tên cơ quan chủ quản đề tài: Trường Đại học Xây dựng, Bộ Giáo dục và Đào tạo. 11 Các tổ chức phối hợp chính thực hiện đề tài (nếu có) 1.Tổ chức 1 : Trung tâm Đào tạo ngành nước và Môi trường Tên cơ quan chủ quản : Bộ Xây dựng Điện thoại: 04.38780619 Fax: 04.38271305 Địa chỉ: Yên Thường – Gia Lâm – Hà Nội Họ và tên thủ trưởng tổ chức: TS. Nguyễn Bá Thắng 2.Tổ chức 2: Trung tâm nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường nông thôn quốc gia (CERWASS) Tên cơ quan chủ quản: Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn Điện thoại: 04.38355964 Fax: 04.37760439 Địa chỉ: Số 73 đường Nguyên Hồng, quận Đống Đa, Hà Nội Họ và tên thủ trưởng tổ chức: ThS. Lê Thiếu Sơn 12 Các cán bộ thực hiện đề tài Họ và tên, học hàm học vị Tổ chức công tác Nội dung công việc tham gia Thời gian làm việc cho đề tài (Số tháng quy đổi2 Một (01) tháng quy đổi là tháng làm việc gồm 22 ngày, mỗi ngày làm việc gồm 8 tiếng ) 1 Trần Đức Hạ, PGS.TS ĐHXD Xây dựng đề cương chi tiết. Khảo sát và thu thập số liệu. Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano (lý thuyết, thực nghiệm). Lý thuyết lọc nano. Các đề xuất giải pháp công nghệ. Viết báo cáo giữa kỳ, báo cáo nghiệm thu cấp cơ sở và báo cáo tổng kết. Thực hiện thí nghiệm ngoài hiện trường trên trạm xử lý biển công suất khoảng 5 m3/h. 24 tháng 2 Trần Thị Việt Nga, TS (Thư ký đề tài) ĐHXD Khảo sát và thu thập số liệu. Nghiên cứu lọc nano để xử lý nước biển (lý thuyết, thực nghiệm). Nghiên cứu công nghệ xử lý nước biển. 24 tháng 3 Nguyễn Việt Anh, PGS.TS ĐHXD Nghiên cứu lý thuyết tính toán bể lọc nano. Nghiên cứu đưa ra phương pháp tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước biển có ứng dụng màng lọc nano. 12 tháng 4 Phạm Tuấn Hùng, TS ĐHXD Nghiên cứu màng lọc nano. Tính toán thiết kế bể lọc nano. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm màng lọc nổi và các thiết bị xử lý khác. 12 tháng 5 Nguyễn Quốc Hòa, ThS ĐHXD Khảo sát thu thập số liệu. Thực hiện các thí nghiệm phân tích hóa lý mẫu nước. 18 tháng 6 Trần Công Khánh, ThS ĐHXD Khảo sát thu thập số liệu. Thực hiện các thí nghiệm phân tích hóa lý và vi sinh mẫu nước. 12 tháng 7 Trần Thúy Anh, KS. ĐHXD Khảo sát thu thập số liệu. Thực hiện các thí nghiệm phân tích hóa lý mẫu nước. 12 tháng 8 Nguyễn Bá Thắng, TS Trung tâm đào tạo ngành nước và môi trường Nghiên cứu quá trình xử lý trước màng lọc nano (lọc, vi lọc…) và RO để đối chứng 9 tháng 9 Hoàng Quốc Liêm, ThS Trung tâm đào tạo ngành nước và môi trường Nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế dây chuyền công nghệ xử lý nước biển sử dụng màng lọc nano. Nghiên cứu đưa ra qui trình vận hành cụm xử lý. 12 tháng 10 Nguyễn Thành Luân, ThS CERWASS Nghiên cứu triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra hiện trường. 9 tháng II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG KH&CN VÀ PHƯƠNG ÁN TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 13 Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu sử dụng màng lọc nano áp lực thấp trong các dây chuyền công nghệ xử lý nước biển và ven biển thành nước dùng cho sinh hoạt ; Lắp đặt trình diễn hệ thống xử lý nước biển áp lực thấp bằng màng lọc nano trong phòng thí nghiệm và ở quy mô thử nghiệm. 14 Tình trạng đề tài X Mới Kế tiếp hướng nghiên cứu của chính nhóm tác giả Kế tiếp nghiên cứu của người khác 15 Tổng quan tình hình nghiên cứu, luận giải về mục tiêu và những nội dung nghiên cứu của Đề tài 15.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của Đề tài Ngoài nước : Trên Trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5% nước trên Trái đất là nước biển và không hơn 2,5% là nước ngọt. Ngoài ra, phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông băng, tảng băng và dưới lòng đất. Nước mà con người có thể sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi đó, dân số toàn cầu tăng tới tám tỷ vào năm 2025. 3,5 tỷ người trong số này chắc chắn sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước. Nước biển có độ mặn không đồng đều trên toàn thế giới mặc dù phần lớn có độ mặn nằm trong khoảng từ 3,1% tới 3,8%. Khi sự pha trộn với nước ngọt đổ ra từ các con sông hay gần các sông băng đang tan chảy thì nước biển nhạt hơn một cách đáng kể. Thành phần nước biển trên trái đất theo các nguyên tố được nêu trong Bảng 1. Bảng 1. Nguyên tố Phần trăm Nguyên tố Phần trăm Ôxy 85,84 Hiđrô 10,82 Clo 1,94 Natri 1,08 Magiê 0,1292 Lưu huỳnh 0,091 Canxi 0,04 Kali 0,04 Brôm 0,0067 Cacbon 0,0028 /Nguồn: vi.wikipedia.org/wiki/ Ở Việt nam, theo các số liệu khảo sát năm 2002 của Trần Đức Hạ và các cộng sự thuộc ĐHXD, một số chỉ tiêu chính liên quan đến khả năng sử dụng nước biển để cấp nước cho sinh hoạt được nêu trong Bảng 2. Bảng 2. Biển Hòn Gai Biển Hải Phòng Biển Đà Nẵng Biển Bắc Mỹ PH 7,8-8,4 7,5-8,3 7,7 7,5 Cl-, g/L 6,5-18 9,0-17,8 0,4-12,1 18 SO42-, g/L 0,2-1,2 0,002-1,1 0,2-0,9 1,4 /Nguồn: Trung tâm Kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp CEETIA, 2002/ Trong 40 năm qua, độ mặn ở các vùng biển nhiệt đới đã gia tăng đáng kể trong khi nước biển ở các vùng cực ngày càng ít muối hơn. Sự thay đổi nồng độ muối trong nước biển trở nên đặc biệt nhanh chóng trong thập kỷ 90, thập kỷ nóng nhất kể từ khi con người bắt đầu lưu trữ dữ liệu thời tiết bài bản. Kết quả này cho thấy thêm một hậu quả đáng kể khác của hiện tượng trái đất nóng lên. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy vòng tuần hoàn nước toàn cầu ngày càng trở nên nhanh chóng và dữ dội, các đại dương tại miền nhiệt đới ngày càng bốc hơi nhiều hơn. Ngoài việc làm thay đổi sự phân bố nước ngọt và sự tạo thành bão trên toàn cầu, vòng tuần hoàn nước quá nhanh và mạnh như vậy sẽ làm trầm trọng thêm sự nóng lên của trái đất, vì bản thân hơi nước cũng là một khí nhà kính. Tình trạng thiếu nước trầm trọng do gia tăng dân số, đô thị hóa và chất lượng cuộc sống trên thế giới ngày càng cao hơn đã khiến nhiều quốc gia (nhất là các vùng khô hạn và bán khô hạn) phải chấp nhận các công nghệ khử mặn, trước hết là để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Khử mặn (desalination) là quá trình loại bỏ các muối hòa tan và các chất khác có trong nước biển, nước lợ, hay nước ngầm hoặc nước mặt bị nhiễm mặn. Dựa vào mức độ công nghệ xử lý nước và mục đích xử lý, quá trình khử mặn có thể xử lý được nước đạt chất lượng dùng cho sinh hoạt hay trong công nghiệp hoặc tưới tiêu. Ngành công nghiệp khử nước mặn đã trở thành một ngành thương mại từ những năm 1950 và 1960. Do giảm được nhiều về giá thành và tăng hiệu quả, đặc biệt trong những năm 1970, công việc khử mặn, trong đó, màng lọc chiếm ưu thế trong các công nghệ xử lý nước biển, đã trở thành một chiến lược và là nguồn cung cấp nước đáng tin cậy để đáp ứng những nhu cầu sinh hoạt. Hiện nay ước tính toàn cầu có hơn 12,000 nhà máy xử lý nước biển và nước lợ trên 140 quốc gia trên khắp thể giới, với tổng công suất lên tới 40 triệu m3 trên ngày. Trong đó xử lý nước biển chiếm 57.4%. (WHO, 2008). Công suất khử mặn trên thế giới đạt gần 9,6 tỷ m3, trong đó các nước thuộc Hội đồng Hợp tác Vùng vịnh (GCC) như Ả Rập, Cô oét, Tiểu Vương quốc Ả Rập thống nhất, Bahrain, Qatar và Oman chiếm 47% tổng công suất. Các quốc gia thuộc GCC là một ví dụ điển hình về đô thị hóa nhanh và gia tăng dân số đã làm tăng mạnh nhu cầu nước sinh họat. Tỷ lệ gia tăng dân số trung bình của khu vực (hơn 3,4%) đã làm cho dân số tăng từ 14 triệu năm 1970 lên gần 30 triệu dân năm 2000. Nhu cầu nước sinh hoạt tăng từ 2,6 tỷ m3 lên gần 4 tỷ m3 trong giai đoạn 1990-2000. Nhu cầu này sẽ tăng lên tới 10,4 tỷ m3 vào năm 2030. Trong xử lý nước cấp cho sinh hoạt từ nguồn nước tự nhiên, những vật liệu lọc như cát, sỏi, … chỉ giúp ta khử bỏ những chất bẩn thô, những hạt huyền phù và một phần nhỏ các hợp chất đã kết tủa như sắt, man-gan, còn chất độc hại hòa tan trong nước thì hầu như không lọc được. Sau này, xuất hiện những chất liệu khác như gốm, than hoạt tính (tốt nhất là than dừa), chất liệu nhựa polypropylene, nhựa trao đổi ion... đã giúp cho việc lọc nước khá hơn nhiều. Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng ở mức độ giữ lại các hạt chất bẩn có kích thước nhỏ, riêng vi sinh vật thì không được lọc tốt. Do những hạn chế của các vật liệu lọc trên, đã xuất hiện các phương pháp xử lý nước bằng màng lọc. Kỹ thuật màng là một trong những quá trình khá mới được phát triển và ứng dụng trong công nghệ xử lý nước, nước thải trong gần 30 năm trở lại đây. Đó là phương pháp có nhiều ưu điểm về phương diện kỹ thuật, quy mô sản xuất và giá thành hoạt động. Phạm vi áp dụng của kỹ thuật màng khá rộng, bao quát gần như tất cả các khả năng loại bỏ tạp chất: chất huyền phù, chất keo, chất cơ nhũ, chất hữu cơ tan, các ion có kích thước nhỏ (Na+ chẳng hạn). Màng hoạt động như một hàng rào chắn đối với dòng chảy của một hỗn hợp gồm chất lỏng và các cấu tử trong đó. Màng có tính thấm chọn lọc khác nhau đối với các cấu tử khác nhau. Phương pháp thẩm thấu ngược RO đầu tiên được ứng dụng ở Mỹ để sản xuất nước tinh khiết. Nước tinh khiết RO hoàn toàn không có vi trùng nhưng đồng thời cũng không có các khoáng chất, nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể con người. Các thử nghiệm cho thấy các màng lọc thẩm thấu ngược có thể khử bỏ tới 99% tất cả các chất tan, nhưng nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết, như các ion canxi và magie đã giảm xuống mức thấp hơn các tiêu chuẩn kỹ thuật của WHO (Tổ chức Y tế Thế giới) về nước uống. Vì vậy, sản phẩm nước đã qua xử lý cần được bổ sung thêm các chất dinh dưỡng nói trên để có thể cung cấp nguồn nước uống đạt chất lượng theo yêu cầu. Trong hơn 30 năm qua các nước thuộc GCC đã tiến hành xây dựng và mở rộng các nhà máy khử mặn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lên. Hiện nay, có 6 quốc gia đã xây dựng được 36 nhà máy lớn để khử mặn nước biển và nước lợ: 21 nhà máy nằm trên bờ biển Đỏ và 15 trên vùng vịnh. Sản lượng chung của các nhà máy khử mặn ở các quốc gia thuộc GCC tăng từ 1,5 tỷ m3 trong năm 1990 lên 2,7 tỷ m3 năm 2000, do các nhà máy đã được bổ sung và mở rộng. Năm 2001 chỉ riêng công suất của một nhà máy ở Ả rập Saudi đã đạt hơn 1 tỷ m3, đây là nhà máy khử mặn lớn nhất thế giới. Hơn 85% các nhà máy khử mặn thuộc GCC sử dụng các hệ thống chưng cất nhanh nhiều tầng (MSF). Các hệ thống này có hai tác dụng, vừa có thể sản xuất nước và điện. Phần lớn các nhà máy còn lại dựa trên công nghệ sử dụng các màng lọc thẩm thấu ngược (RO). Với công nghệ thẩm thấu ngược RO, để xử lý nước biển với nồng độ muối 35.000 mg/l thành nước đạt yêu cầu dùng cho sinh hoat (nồng độ muối không vượt quá 250 mg/l) thì cần cung cấp áp lực tổng cộng là 60 -100 atm. Công nghệ RO do đó có chi phí đầu tư, vận hành và quản lý rất cao (chi phí xử lý 1m3 nước biển thành nước uống từ 5 -10 USD) do cần phải có: Vật liệu chế tạo chịu được áp suất cao Bơm tạo được áp suất cao Chi phí điện năng cao Màng lọc phải thay thể thường xuyên do tắc nghẽn Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải giảm được áp lực cần cung cấp trong xử lý bằng RO. Việc áp dụng màng lọc nano được nghiên cứu rộng rãi với mục tiêu trên và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng tại các nước như Mỹ, Nhật. Hiện nay theo xu thế phát triển công nghệ mới, công nghệ Nano cũng đang được ứng dụng vào trong lĩnh vực xử lý nước. Các nhà khoa học đề xuất công nghệ nanô làm giải pháp để giải quyết vấn đề nước sạch. Nano carbon là những ống nguyên tử carbon tí hon, có đường kính chỉ vài phần tỷ mét, nhỏ hơn sợi tóc 100.000 lần, nhẹ hơn thép đến 6 lần nhưng lại bền hơn vật liệu này đến 100 lần. Nano carbon được biết với nhiều tính chất đặc biệt như siêu cứng, siêu bền, nhẹ nhưng khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Màng lọc nano (nanofilter, hyperfilter - NF) là loại màng có kích thước lỗ nhỏ (10-7 cm = 10Ao). Phân tử lượng bị chặn từ 200-500. Loại màng này thích hợp cho quá trình làm mềm nước, loại bỏ một số chất hữu cơ tan, các ion natri, chì, sắt, niken, thủy ngân (II), các vi khuẩn gây bệnh,....và cho các ion (I) đi qua. Áp suất động lực của màng lọc nano thường là 0,05m3.m-2.ngày-1.bar-1. Cơ chế hoạt động của màng là hòa tan và khuếch tán. Vật liệu chế tạo màng là polome. Màng lọc nano được ứng dụng để xử lý nước lợ, làm mềm nước, loại bỏ chất hữu cơ, sản xuất nước siêu tinh khiết,…mà không nhờ các phản ứng hóa học. Cũng nhờ có kích thước lỗ lọc cực nhỏ nên màng Nano có thể loại bỏ các tạp chất, hầu như chỉ cho nước đi qua Các phương pháp lọc màng sẽ giữ lại được các chất ô nhiễm trong nước tự nhiên.. Sơ đồ vận chuyển các chất trong nước biển qua hệ thống màng lọc nêu trên Hình 1. Các công nghệ xử lý nước thông thường bao gồm các bước lọc, bức xạ tử ngoại, xử lý hóa học và khử muối, trong đó công nghệ nano được đưa vào ứng dụng ở nhiều loại màng lọc và bộ lọc dựa trên cơ sở ống nano cacbon, gốm xốp nano, các hạt nano từ tính và các vật liệu nano khác. Các loại màng tách rời với cấu trúc ở phạm vi nano cũng có thể được ứng dụng ở các phương pháp chi phí thấp nhằm cung cấp nước uống. Vi lọc (MF) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Siêu lọc (MF) Lọc nano (NF) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Thẩm thấu ngược (RO) Hình 1:Sơ đồ vận chuyển các chất trong nước qua màng lọc Những ưu điểm của màng lọc nano: Chí phí vận hành thấp Chi phí năng lượng thấp Lượng thải sau xử lý ít (so với RO) Giảm lượng TDS, đặc biệt hiệu quả đối với nước lợ Loại bỏ các chất bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, các hóa chất hữu cơ Loại bỏ kim loại nặng, nitơrat và sunfat Loại bỏ mầu, độ đục, làm mềm nước cứng Không cần bất cứ hóa chất nào trong quá trình xử lý So với các màng vi lọc, siêu lọc và thẩm thấu ngược, màng lọc nano có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu về chất lượng xử lý nước. Nhờ có hiệu ứng điện tích bề mặt, màng lọc nanô có khả năng bắt giữ các ion hóa trị cao trong khi các ion hóa trị I bị giữ lại không đáng kể, dẫn đến kết quả khác biệt về nồng độ giữa nước đầu vào và nước đi qua màng. Với những đặc tính ưu việt như áp suất hoạt động thấp, tốc độ lọc cao, khả năng bắt giữ chọn lọc các ion và hợp chất hữu cơ, chi phí vận hành và bảo dưỡng tương đối thấp, công nghệ lọc nanô đang thực sự trở thành giải pháp hữu hiệu nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải, đặc biệt là nước có độ cứng, asen, sunphat,... Cuối thế kỷ 20, công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, giúp tạo ra các vật liệu có các hạt hay màng có kích thước vài nanô. Dựa vào khả năng lọc nước của các vật liệu nano, người ta đã chế tạo các máy lọc tinh, lọc được các hạt bẩn nhỏ vài nano, trong đó có các vi khuẩn nhỏ. Ngoài ra trong nước vẫn giữ nguyên những chất khoáng và các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể. Đây là một trong những ưu việt do bản chất của vật liệu nano mới có mà các chất liệu lọc khác không có được. Ứng dụng màng lọc để sản xuất nước ăn uống bắt đầu từ Mỹ và các nước Trung Đông. Hiện nay sử dụng màng lọc để làm ngọt hóa nước biển đã phát triển rộng khắp ở nhiều nơi trên Thế giới. Theo J.C. Schipers, 2000, trên toàn thế giới có 9.106 m3 nước ăn uống/ngày được xử lý bằng phương pháp RO và 106 m3 nước ăn uống/ngày bằng phương pháp NF và UF, tương đương công suất màng 2.107, 2.106 và 4.105 m2. So sánh thông số thiết kế và làm việc của RO và NF nêu trong Bảng 3. Bảng 3: Thông số so sánh RO NF Kích cỡ màng lọc (micron) 0.0001 đển 0.001 0.0008 đến 0.001 Kíck cỡ của virus 0.005-0.01 Kích cỡ vi khuẩn 0.2-10 Loại bỏ được vi khuẩn và virus Được Được Mức TDS giảm (%) 99% 70% Mức giảm pH sau xử lý Hơn 2 Nhỏ hơn 1 Màng lọc NF tuy có nguyên tắc lọc giống như RO, nhưng vì kích thước màng lọc to hơn RO, nên thông thường chỉ giữ lại ion hóa trị hai, còn ion hóa trị một như Na+ hay Cl- thì đi qua được màng lọc. Với đặc tính thế, NF vốn không có hiệu quá cao trong khử mặn với nước biển. Màng NF có kích thước lỗ biểu kiến lớn hơn kích thước ion Na+ và Cl-. Để có thể ứng dụng NF vào quá trình xử lý nước biển thành nước ăn uống, Twardowski (U.S.Pat. No5,587,083) đã sử dụng màng NF tích điện âm tăng cường loại ion hoá trị 2 và Cl-. Lin sử dụng tổ hợp NF(250-350 psi) – RO (áp suất tương đương) để loại Cl- và Br-, lọc được chủ yếu ion hoá trị 2; nước sau NF còn 10-15 g/L muối (U.S. Pat. No.5,458,781). Diem Xuan vuong, 2006, (U.S. Pat. No.7,144,511) dùng NF hai bậc: lọc NF1 (màng FSM135) ở 500-550 psi (hiệu suất khoảng 35%) và lọc NF2 (màng SSM 160) ở áp suất 200-300 psi (hiệu suất khoảng 79%) để xử lý nước biển; tổng hiệu suất của hai giai đoạn là 28%, sản phẩm có hàm lượng muối là 200-1.000 mg/L. Hiện nay người ta cũng đã chế tạo được một số màng NF đặc biệt (high performance nano filtration) có khả năng giữ lại đến 90% các ion hóa trị 2 và gần 90% ion hóa trị 1, bằng nguyên lý làm việc dựa trên khối lượng phân tử và điện hóa. Các màng NF đặc biệt này hiện có mặt trên thị trường, do các công ty TORAY Industry Inc.(Nhật bản), DOOSAN HYRO Techno (Hàn Quốc) và Dowfirm tech (Mỹ) phát triển và sản xuất. Để đáp ứng nhu cầu về nước sạch, các nhà thiết kế công nghệ cần tìm ra giải pháp khắc phục ô nhiễm bằng các ứng dụng công nghệ tách màng lỏng. Trong quá trình khử muối và xử lý nước thải, sự thay đổi các nguồn nước yêu cầu phải giải quyết các vấn đề ô nhiễm để kéo dài tuổi thọ các màng trong từng ứng dụng đặc biệt. Các công ty hàng đầu đang nghiên cứu những giải pháp cải thiện trạng thái thay đổi liên tục của màng trong những lò phản ứng sinh học màng. Ví dụ, thiết bị PermaCare MPE50 đã chứng minh giảm được ô nhiễm và cải thiện dòng chảy từ 30-100% trong ứng dụng công nghiệp và ứng dụng xử lý nước thải đô thị. Các nhà khoa học châu Âu đã phát minh ra công nghệ tách màng - lọc nano dung môi hữu cơ (OSN) – linh hoạt, chi phí hiệu quả và đưa ra quy trình xử lý thân thiện với môi trường nhằm giảm thiểu chất thải và thu lại chất