Lọc nước biển ra nước ngọt

19/7/2011

LỌC NƯỚC MẶN RA NƯỚC NGỌT

Trần-Đăng Hồng, PhD

Nguồn nước ngọt xử dụng trong nông nghiệp, công nghiệp và gia cư đang hiếm dần, và càng trầm trọng trong tương lai, vì nhiều lý do:

- Mưa sẽ giảm nhiều nơi, tình trạng hạn hán trầm trọng xảy ra thường xuyên hơn trong tương lai, đưa đến cạn nước trong các hồ chứa nước, sông, và nước ngầm.

- Nguồn nước ngọt như nước mưa (mưa acit), nước sông, hồ, nước ngầm càng ngày càng bị ô nhiểm.

- Nước mặn xâm nhập vào nội địa vì hiện tượng nước biển đang dâng cao.

- Dân số gia tăng, thị thành càng phát triễn rộng lớn, mực sống con người ngày càng cao, nhu cầu tiêu thụ nước của lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, gia cư và mỗi con người ngày càng cao.

Trước viễn ảnh thiếu nước ngọt, quốc gia nào trên thế giới cũng đều có những biện pháp tái tạo nước ngọt từ các nguồn nước ô nhiểm dơ bẩn, như từ nước thải gia cư (như Australia, Hoa Kỳ), nước thải công nghiệp (gọi chung là tái tạo nước ngọt, recycling), nước lợ (như nhà máy ở London, Hoa Kỳ, Âu châu) và nước biển. Nước mặn, ngoài các chất cặn lơ lững trong nước, chứa khoáng chất muối (ClNa) là chánh, và ít muối khoáng khác. Mục đích của công tác lọc nước là loại bỏ các chất cặn, và nước phải chứa thật ít muối khoáng, dưới mức độ được quy định, tùy theo mục đích xử dụng nước.

Nước ngọt được quy định chứa muối <0,5 g/l; nước lợ từ 0,5 -30 g/l; nước biển (mặn) từ 30-50 g/l; và nước muối (brine water) >50g/l ClNa. Tiêu chuẩn nước uống gia dụng ở Tây Phương là <0.25 g/l, cho gia súc phải <1.5 g/l, cho canh tác lúa phải dưới <1 g/l.

PHƯƠNG PHÁP LỌC NƯỚC THÀNH NƯỚC NGỌT

Có rất nhiều phương pháp lọc nước mặn thành nước ngọt. Việc chọn lựa thành lập nhà máy lọc nước tùy thuộc vào nguồn năng lượng rẽ tiền sẳn có, nguồn nước mặn nhiều hay ít, ô nhiểm nhiều hay ít, và dỉ nhiên tất cả tùy thuộc khả năng tài chính và quản trị kỹ thuật của quốc gia đó.

1. Phương pháp chưng nước, cất nước (Distillation)

Dùng nhiệt lượng làm nước bốc hơi, và hơi nước kết đọng (condensation) thành nước không chứa khoáng chất (nhưng có thể chứa ít dung dịch khác có điểm bốc hơi thấp, như rượu cồn) khi gặp nhiệt độ lạnh. Gồm 3 phương pháp chính:

1.1. Chưng cất qua nhiều ngăn (MSF, Multi-stage flash distillation)

Hình 1: Máy chưng cất qua nhiều ngăn

Máy chưng cất nước mặn có nhiều ngăn, mỗi ngăn được xem là một giai đoạn bốc hơi và ngưng đọng (Hình 1). Trong mỗi ngăn có một hệ thống trao đổi nhiệt (heat exchanger), tương tự như bộ phận trao đổi nhiệt làm nguội động cơ ở xe hơi (cooling system), đun nóng làm hơi nước bốc hơi, và một bộ phận làm hơi nước đọng thành nước cất và thâu nhận nước cất đọng.

Nhiệt lượng cung cấp, thường là nhiệt phế thải từ các nhà máy sản xuất điện, lò nguyên tử, nhà máy lọc dầu, được dẫn từ A đến ngăn H, tức ngăn đun nóng nước muối- gọi là brine heater. Như vậy, ngăn tận bên mặt có nhiệt độ cao nhất, và nhiệt độ giảm dần ở các ngăn bên trái. Nước biển được bơm vào ngăn tận cùng bên trái (nhiệt độ thấp nhất), một phần nước bốc hơi và đọng ở mặt lạnh G. Nước biển, bây giờ đậm đặc muối hơn, được dẫn đến ngăn kế tiếp, có nhiệt độ cao hơn, một phần bốc hơi và đọng, và tiếp tục như vậy. Nước cất được dẫn ra ngoài theo ống C. Phần nước biển ở ngăn cuối cùng có độ muối rất đậm đặc (gọi là brine water), được dẫn ra thải lại biển hoặc biến chế thành muối.

Để tiết kiệm năng lượng, các ngăn được máy bơm chân-không (vacuum pump) hạ áp xuất không khí, mục đích hạ điểm-sôi (boiling point) của nước. Chẳng hạn, với áp xuất không khí 0.1 atmospheres nước sôi ở 50°C, thay vì ở 100°C với áp xuất 1 atmosphere.

1.2. Hiệu ứng bốc hơi qua nhiều giai đoạn (ME, Multiple-effect evaporation).

Máy chưng có nhiều ngăn. Trong mỗi ngăn, nước mặn được đun nóng bởi hơi nước nóng dẫn đến trong các ống. Một phần nước (của nước biển) bốc hơi, và hơi nước nóng được bơm dẫn trong các ống vào ngăn thứ hai, các ống này đun nóng nước biển ở ngăn hai và làm bốc hơi thêm, và tiếp tục như vậy ở các ngăn sau. Như vậy, ngăn sau xử dụng nhiệt lượng dư thừa của ngăn trước, ngăn sau có nhiệt độ và áp xuất thấp hơn ngăn trước. Thông thường các ống dẫn hơi nước được ngâm trong ngăn nước biển, hoặc nước biển được phun với hạt nhỏ như mưa phùn lên hệ thống ống chứa hơi nước nóng, để nước biển bốc hơi. Hơi nước nóng bay hơi từ nước biển được hút và bơm vào các ống chứa hơi nước. Ở các ngăn cuối cùng, nhiệt lượng mất dần, ống nguội, hơi nước đọng thành nước cất tinh khiết và chảy vào bồn chứa nước cất.

Phương pháp này xử dụng hiệu quả năng lượng hơn, sản xuất 1 m3 nước ngọt tiêu thụ năng lượng <1.0 kWgiờ. Ngoài ra nhiệt độ hơi nước ban đầu tương đối thấp, khoảng 70 ºC, nên máy lâu bị rỉ sét.

1.3. Hơi-nước-cao-áp (VC, Vapor-compression).

Phương pháp này xử dụng nguồn nhiệt của hơi-nước-cao-áp. Khi bị ép, hơi nước gia tăng cả nhiệt độ và áp xuất. Vì vậy, nhiệt-tiềm-ẫn (latent heat) được tái xử dụng để làm nước biển bốc hơi thêm khi hơi-nước-cao-áp được đọng thành nước ở áp xuất bình thường hay dưới bình thường. Máy chưng cất nước được thiết kế bởi một hệ thống động cơ điện, với hai chức năng: một bộ phận ép gia tăng áp xuất hơi nước (Vapour Compression, VC), và một bộ phận giảm áp xuất hơi nước xử dụng bơm chân-không (Vacuum Vapour Compression, VVC). Bộ phận VC làm nước biển bốc hơi ở áp xuất rất cao (đồng thời gia tăng nhiệt của hơi nước), và bộ phận VVC làm nước biển bốc hơi ở áp xuất thấp hơn áp xuất bình thường của không khí. Khi nước biển bốc hơi ở VC, hơi nước cao áp này được dẫn đến bộ phận trao nhiệt làm đọng nước (heat exchanging condenser). Nước cất được dẫn đến bình chứa, còn phần nhiệt-tiềm-ẫn được dẫn đến phòng kế tiếp để đun nóng nước biển và làm bốc hơi. Phương pháp này xử dụng nhiệt năng rất hiệu quả để sản xuất nước ngọt. Vì xử dụng điện năng nên nhà máy lọc nước ngọt dễ dàng xây dựng ở mọi địa điểm và dễ bảo trì.

85% nhà máy lọc nước biển trên thế giới dựa vào kỹ thuật chưng cất nước, đặc biệt nơi có các nhà máy lọc dầu như ở các nước dầu lửa Trung Đông. Hàng không mẫu hạm chạy nguyên tử của Hoa Kỳ có thiết bị lọc nước biển thành ngọt với công xuất 1514 m³/ngày.

Mặc dầu tốn rất nhiều nhiệt lượng để làm bốc hơi nước, nhưng nếu xử dụng nguồn nhiệt lượng phế thải như ở các nhà máy nhiệt điện, lò nguyên tử, nhà máy lọc dầu thì trở nên kinh tế. Kiểu nhà máy lọc nước này thích hợp cho vùng duyên hải như nhà máy nhiệt điện ở Kiên Lương Hà Tiên, nhà máy lọc dầu Dung Quất, hay nhà máy sản xuất phân đạm ở Cà Mau.

2. XỬ DỤNG MÀNG THẨM THẤU

2.1. Phương pháp thẩm-thấu-ngược (Reverse osmosis, RO)

Trong phương pháp này, nước mặn được lọc qua màng bán-thẩm-thấu (semi-permeable osmosis). Màng này cấu tạo bởi vô số lổ nhỏ cực vi (micropores), có đường kính khoảng 1-50 nm (nanometer, 1 phần tỷ của m (10-9 m), hay 1 phần ngàn của micron 0,001µ, nguyên tử He có kích thước 0,1 nm). Màng có đặc tính chọn lựa, chỉ cho phép những phân tử nhỏ như nước đi qua các lổ của màng (vì kích thước nhỏ hơn lổ), và giữ lại các phân tử lớn như các loại muối, tương tự như một cái rây thật mịn áp dụng cho chất đặc. Nước biển là một dung môi (solvent) gồm nước và các chất hòa tan (solute) trong nước, chất chánh là muối ClNa và ít muối khoáng khác, đều có phân tử lượng lớn hơn nước.

Màng bán thẩm-thấu trong thiết kế RO là một màng mỏng hợp chất polyamide hay polyimide, chịu đựng được nhiệt độrất cao, và rắn chắc với áp xuất cao (tới 1200 Psi). Một cách tổng quát, đó là một loại sàng-phân-tử (molecular sieve), cấu tạo bởi một màng mỏng gồm 2 hay nhiều lớp hợp chất này, kết hợp với lớp polysufone mà kích thước các lổ có thể kiểm soát lớn hay nhỏ, nhỏ có thể tới 1 nm.

Ngoài ra, sét Zeolite cũng được làm màng bán-thẩm-thấu dùng để lọc nước biển hay nước ô nhiểm. Sét Zeolite là một loại sét nhôm (aluminosilicate) có lổ rất nhỏ, có đặc tính cho phép nước chảy xuyên qua lổ nhưng ngăn chận các muối khoáng và các chất khác có phân tử lượng lớn hơn nước. Sét Zeolite có rất nhiều ở Lâm Đồng. Các nghiên cứu ở Việt Nam cho biết lọc dung dịch rượu cồn qua màng bán-thẩm-thấu sét Zeolite thì nước đi xuyên qua, còn rượu cồn có phân tử lớn hơn bị giữ lại, cho ra rượu cồn 99,5%.

Màng bán-thẩm sét zeolite ZSM-5 với các lổ cực vi quan sát qua kính hiển vi

Để giúp nước chui qua nhanh lổ, nước mặn được bơm qua màng với áp xuất cao, chỉ có nước đi qua màng bán thẩm, còn các muối được giữ lại. Phương pháp này được xử dụng thương mại trong việc lọc nước biển, nước lợ. Nhà máy lọc nước mặn Becton London có thiết kế này.

Máy bơm A hút nước biển theo ống (1) và bơm với áp xuất cao vào bộ phận lọc nước (C), gồm một hệ thống nhiều màng bán-thẩm-thấu, nước ngọt theo ống (2) vào bồn chứa. Nước biển, bây giờ đậm muối hơn, được dẫn theo ống (3) đến bộ phận trao đổi áp xuất (D) (Pressure exchanger). Ở đây, một phần nước biển ít đậm muối được máy bơm (B) bơm lại ống dẫn vào bộ phận lọc, phần nước đậm muối được xả chảy ra biển.

2.2. Phương pháp lược nano (Nanofiltration, NF)

Phương pháp này áp dụng để “làm mềm” (Softening) nguồn “nước cứng” (hard water), gồm nước mặt, nước máy hay nước ngầm chứa nhiều muối khoáng khác (không chứa muối ClNa, nhưng chứa nhiều vôi), chứa nhiều chất hửu cơ. Phương pháp này là kết hợp giữa hệ thống lược có lổ cực vi (ultrafiltration) và thẩm thấu ngược RO. Lổ của màng lọc nhỏ cở 1nm. Áp xuất qua màng khoảng dưới 3 MPa (khoảng 31 kg/cm2), thấp nhiều so với áp xuất bơm của RO.

3. Đông thành nước đá.

Nước bắt đầu đông thành nước đá ở nhiệt độ 0ºC dưới áp xuất 1 atmosphere. Tuy nhiên, với sự hiện diện của muối ClNa, cần phải nhiệt độ âm dưới 0ºC, nước mới đông thành nước đá. Nước đá nổi trên nước mặn, tương tự như tảng băng trên biển ở hai cực trái đất. Tốn nhiều năng lượng. Ít áp dụng.

4. Xử dụng năng lượng mặt trời – Solar desalination

Phương pháp này bắt chước thiên nhiên, nước biển bốc hơi vì sức nóng của mặt trời, tạo thành mây (hơi nước), gặp lạnh hơi nước trong mây kết tụ thành giọt mưa.

4.1. Xử dụng nhà-kiến mặt trời (solar greenhouse). Rẻ tiền và không cần kỹ thuật cao, dùng nhựa trong suốt (hay kính) làm một nhà kiến, nền là một bồn chứa nước mặn. Nhà kiến thâu nhận và giữ nhiệt mặt trời, nước bốc hơi bay lên và đọng thành giọt nước ở mái nhựa. Nước ngọt lăn chảy theo mái, xuống vách và vào máng hứng, chảy vào bồn chứa đặt ở bên ngoài nhà kiến.

4.2. Kim-tự-tháp lọc nước xử dụng năng lượng mặt trời (Solar pyramid). Tương tự như trên, một cái lều kín bằng nhựa trong suốt, có dạng hình nón, cao 8 m, đường kính đáy 30 m. Nhiệt độ bên trong khi có nắng lên tới 75 ºC. Nước biển được bơm phun hay chảy tràn thành lớp mỏng trên nền kim tự tháp. Nước bốc hơi đọng trên mặt nhựa, giọt nước lăn chảy vào máng. Một ngày nắng, một kim tự tháp với kích thước trên sản xuất được 1000 lít nước tinh khiết chưng cất từ nước biển.

Cũng kim tự tháp này, khi có mưa thì hứng nước mưa và chảy vào bồn chứa. Gambia là nước xử dụng nhiều kim-tự-tháp chưng nước biển, mỗi làng chỉ cần một kim-tự-tháp là đủ nước uống cho dân làng.

NGUỒN NĂNG LƯỢNG

Giá thành sản xuất nước ngọt từ nước mặn rất đắc so với nước ngọt lấy từ sông, hồ, nước mưa, hay nước ngầm. Vì vậy, chỉ sản xuất nước ngọt từ nước mặn ở những nơi không có nguồn nước ngọt, chẳng hạn vùng nước mặt và nước ngầm bị nhiểm mặn quanh năm, nơi không có mưa như sa mạc, không có đường ống dẫn nước ngọt rẽ tiền từ nơi khác đến. Giá thành tùy thuộc tiền đầu tư, giá năng lượng, và nồng độ muối trong nước mặn. Giá thành càng cao khi nồng độ muối trong nước mặn càng lớn.

Tái xử dụng nhiệt lượng sa thải từ nhà máy nhiệt điện (đốt than hay dầu hỏa, khí đốt), nhà máy điện nguyên tử, nhà máy lọc dầu để sản xuất nước ngọt từ nước biển bằng các phương pháp chưng-cất-nước hay chưng-cất kết hợp với thẩm-thấu-ngược RO.

Nơi có nhiều gió thường xuyên, như vùng duyên hải và hải đảo, có thể xử dụng phong điện để sản xuất nước ngọt.

Năng lượng mặt trời cũng được xử dụng để chưng cất thành nước ngọt.

Xử dụng sét zeolite để làm bình lọc nước cho mỗi gia đình, dùng lọc nước máy (như ở VN không uống nước máy được), nước sông (ô nhiểm chất hửu cơ và thuốc sát trùng, như sông Mekong trong phần VN hiện nay), hay nước giếng chứa nhiều chất độc arsenic thành nước uống.

CÁC NHÀ MÁY LỌC NƯỚC BIỂN LỚN TRÊN THẾ GIỚI

Theo báo cáo của International Desalination Association ngày 17/1/2008, khắp thế giới có 13.080 nhà máy lọc nước biển lớn sản xuất tổng cộng khoảng 45,6 triệu m3/ngày. Theo báo cáo mới đây, có trên 14.000 nhà máy lọc nước mặn trên thế giới, không kễ các máy nhỏ gắn trên tàu biển.

Nhà máy lọc nước biển lớn nhất thế giới là nhà máy Shuaiba III của Saudi Arabia, dựa trên nguyên tắc chưng nước cất (distillation) từ nước biển qua nhiều giai đoạn (multi-stage flash distillation) có khả năng sản xuất 880.000 m3/ngày).

Nhà máy lọc nước biển lớn nhất Hoa Kỳ là ở San Francisco có khả năng sản xuất 454.000 m3/ngày.

Nhà máy tối tân nhất thế giới, dựa trên màng bán-thẩm-thấu-ngược RO là nhà máy lọc nước mặn Becton ở London, khánh thành ngày 2 tháng 6/2010. Nhà máy với tổn phí xây dựng và điều hành khoảng 270 triệu Anh Kim, có khả năng sản xuất 140.000 m3/ngày với nước phẩm chất cao cung ứng cho 400 ngàn gia cư, hay khoảng 1 triệu dân. Máy có 4 ngăn lọc RO với hiệu năng 85% (biến 85% nước mặn thành nước ngọt), thay vì với máy 2 ngăn thông thường khác cho hiệu năng 45-50%.

Theo danh sách 100 nhà máy lọc nước lớn nhất thế giới thì nhà máy lớn nhất là Shuaiba III của Saudi Arabia, bắt đầu hoạt động năm 2007, công xuất 880.000 m3/ngày.

Sau đây là danh sách các quốc gia nằm trong 100 nhà máy lọc lớn nhất thế giới, có công xuất >90.000 m3/ngày. Danh sách quốc gia xếp theo thứ tự tổng công xuất m3/ngày, từ lớn tới nhỏ.

United Arab Emirates UAE, 19 nhà máy, lớn nhất công xuất 600.000 m3/ngày (Jebel Ali), nhỏ nhất 102.000 m3/ngày; Tổng công xuất: 8.767.239 m3/ngày.

Saudi Arabia: 15 nhà máy, lớn nhất công xuất 880.000 m3/ngày (Shuaiba), nhỏ nhất 91.000 m3/ngày. Trong số này có 1 nhà máy xử lý nước lợ (Al Waisa, 153.000 m3/ngày). Tổng công xuất: 8.130.536 m3/ngày.

USA: 18 nhà máy, lớn nhất công xuất 454.200 m3/ngày (San Francisco), nhỏ nhất 102.000 m3/ngày; Trong số này có 4 nhà máy xử lý nước sông (Orange County, California; Boca Raton, Florida; Palm beach, Florida; Miami Height, Florida), 1 nhà máy xử lý nước thải (Fountain Val, California). Tổng công xuất: 3.215.533m3/ngày.

Kuwait: 6 nhà máy, lớn nhất công xuất 567.000 m3/ngày (Al-Zour North), nhỏ nhất 113.500 m3/ngày; Trong số này có 1 nhà máy lọc từ nước thải (Sulaibya, 300.000 m3/ngày) . Tổng công xuất: 1.597.500 m3/ngày.

Israel: 8 nhà máy, lớn nhất công xuất 395.000 m3/ngày (Ashkelon), nhỏ nhất 82.190 m3/ngày. Trong số này có 1 nhà máy xử lý nước lợ (Negev Arava, 152.000 m3/ngày). Tổng công xuất: 1.152.260 m3/ngày.

Qatar: 4 nhà máy, lớn nhất công xuất 227.000 m3/ngày (Ras Laffan), nhỏ nhất 91.000 m3/ngày; Tổng công xuất: 681.840 m3/ngày.

Lybia: 4 nhà máy, lớn nhất công xuất 250.000 m3/ngày (Tripoli), nhỏ nhất 80.000 m3/ngày; Tổng công xuất: 560.000 m3/ngày.

Algeria: 5 nhà máy, lớn nhất công xuất 100.000 m3/ngày (Algiers Djinet), nhỏ nhất 88.000 m3/ngày; Tổng công xuất: 476.888 m3/ngày.

Spain: 2 nhà máy, lớn nhất công xuất 165.000 m3/ngày (Malaga, xử lý nước lợ), nhỏ nhất 147.000 m3/ngày; Tổng công xuất: 312.000 m3/ngày.

India: 1 nhà máy, công xuất 300.000 m3/ngày (Minjur Chennai).

Jordan: 2 nhà máy, lớn nhất công xuất 145.344 m3/ngày (Zara Maain), nhỏ nhất 145.000 m3/ngày, cả 2 đều xử lý nước lợ. Tổng công xuất: 290.344 m3/ngày.

Bahrain: 1 nhà máy, công xuất 272.400 m3/ngày (Hidd 3).

Singapore: 2 nhà máy, lớn nhất công xuất 116.000 m3/ngày (Ulu Pandan, lọc từ nước thải), nhỏ nhất 92.000 m3/ngày; Tổng công xuất: 208.000 m3/ngày.

Pakistan: 2 nhà máy, công xuất đều 94.625 m3/ngày (Karachi); Tổng công xuất: 189.250 m3/ngày.

Iraq: 1 nhà máy, công xuất 130.000 m3/ngày.

Mexico: 1 nhà máy, công xuất 128.000 m3/ngày.

Australia: năm 2006 có 1 nhà máy lớn công xuất 123.300 m3/ngày (Perth). Theo tài liệu mới 2011, Australia có 6 nhà máy lớn, tổng công xuất toàn Australia là 1,3 triệu m3/ngày.

Egypt: 1 nhà máy, công xuất 113.650 m3/ngày (Sinai).

Trinidad: 1 nhà máy, công xuất 113.636 m3/ngày (Point Lisas).

Iran: 1 nhà máy, công xuất 93.600 m3/ngày (Bandar Imam).

Oman: 1 nhà máy, công xuất 90.920 m3/ngày (Barka).

Reading, 7/2011

Trần-Đăng Hồng, PhD