Các phương pháp xử lý nước mặn thành nước ngọt
Thủy quyển che phủ 71% diện tích bề mặt Trái đất. Tổng thể tích nước của Trái đất là 1.500 triệu km3. Nhưng đáng tiếc, lượng nước biển (nước mặn) chiếm 95%, chỉ có 5% là nước ngọt, trong đó, 1,8% là băng tuyết ở 2 cực Trái đất, nghĩa là nước ngọt mà con người thường sử dụng được chỉ là 3,2%. Lượng nước ngọt ít ỏi đó lại đang ngày càng bị ô nhiễm do hoạt động sản xuất và hoạt động sống của con người. Hiện nay, có tới 1,5 tỉ người khát nước, 1 tỉ người phải sử dụng nước đã bị ô nhiễm, 120 Quốc gia thiếu nước ngọt. Những năm gần đây, Trái đất ấm lên, biến đổi khí hậu và nước biển dâng dẫn tới nhiều vùng đất bị hạn hán, nhiều vùng đất bị xâm nhập mặn, làm cho nguồn nước ngọt ngày càng suy giảm và có nguy cơ cạn kiệt.
Việt Nam trải dài theo 3260km bờ biển nên nguồn nước ngầm và nước mặt bị ảnh hưởng rõ rệt do nước bị nhiễm mặn, mặt khác, ngư nghiệp phát triển đánh bắt xa bờ phải lưu dài ngày ngoài biển; dân cư trên các đảo cũng chưa đủ nước ngọt. Vì vậy, tạo ra nguồn nước ngọt từ nước biển và nước lợ là vấn đề rất cần thiết. Độ mặn của nước do hàm lượng muối NaCl trong nước:
+Nước muối: Hàm lượng NaCl>30g/l
Nguyên tắc của phương pháp xử lý nước mặn thành nước ngọt là: Giảm hàm lượng muối NaCl trong nước tới mức cho phép có thể ăn uống, tắm giặt được. Việc giảm hàm lượng muối trong nước mặn gọi là khử mặn nước. Có thể khử mặn bằng phương pháp nhiệt, phương pháp lọc màng, phương pháp trao đổi ion…Để biến nước biển thành nước ngọt cấp cho sinh hoạt, sản xuất, người ta có thể dùng phương pháp chưng cất (phương pháp nhiệt), phương pháp trao đổi ion và phương pháp lọc màng thẩm thấu ngược R.O hoặc màng lọc nano NF.
Đến nay toàn thế giới có khoảng 15.000 nhà máy khử mặn, biến nước biển thành nước ngọt, trong đó, 50% là của vùng Trung Đông, 24% của Mỹ, 10% của Nhật Bản, số còn lại của các nước Tây Âu. Phần lớn các nhà máy trên dùng công nghệ màng lọc, công nghệ chưng cất, chỉ số ít nhà máy dùng công nghệ trao đổi ion.
Các nhà máy chưng cất nước có thể tạo ra nước có hàm lượng muối từ 1 – 50 mg/l (nhỏ hơn 1g/l). Trong quá trình chưng cất, nước biển được đun nóng, các phân tử nước H2O bay hơi, các chất hòa tan như NaCl, các chất vô cơ và phần lớn các chất hữu cơ khác đều không bay hơi. Hơi nước H2O gặp lạnh sẽ ngưng tụ thành nước lỏng không có NaCl và các chất khác, nghĩa là ta thu được nước ngọt tinh khiết (nước cất). Nhiệt lượng làm bay hơi nước ở 1000C là 2256 kJ/kg (hay 539 kcal/kg), nghĩa là cần tiêu tốn 539 kcal nhiệt để thu được 1kg nước ngọt.
Ưu điểm của phương pháp chưng cất là: mức tiêu thụ năng lượng thấp, sử dụng nhiệt trực tiếp. Nhược điểm của phương pháp này là các bộ phận trao đổi nhiệt nhanh chóng bị đóng cặn, chi phí bảo hành và bảo dưỡng cao. Phương pháp này thường áp dụng cho các nhà máy khử muối có quy mô lớn.
Người ta chế tạo ra các tấm nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion dương gọi là cationit, nhựa trao đổi các ion âm gọi là anionit. Cho nước biển đi qua bể chứa các tấm nhựa cationit và anionit. Các cation như Na+ bị tấm nhựa cationit giữ lại và đẩy vào nước ion H+. Các anion như Cl- bị tấm nhựa anionit hấp phụ và đẩy vào nước ion OH-. Nước ra khỏi bể có hàm lượng ion Na+ và Cl- nhỏ, nghĩa là có hàm lượng muối NaCl nhỏ, ta thu được nước ngọt.
Màng thẩm thấu ngược R.O được sử dụng nhiều nhất trong việc loại bỏ muối từ nước biển để thu được nước ngọt. Màng R.O cũng được sử dụng để làm sạch nước ngọt dùng trong y tế, công nghiệp. Trên toàn thế giới, hiện có khoảng 16.000 nhà máy biến đổi nước biển thành nước ngọt bằng màng R.O, tổng công suất đạt 30.000.000 m3/ngđ.
Nước biển có hàm lượng Na+, Cl- cao. Sự thẩm thấu là: các phân tử dung môi H2O khuếch tán qua màng bán thẩm từ nơi nước nhạt sang nơi nước mặn. Còn sự thẩm thấu ngược là các ion Na+, Cl- sẽ chui qua màng bán thẩm R.O từ nước biển có nồng độ Na+, Cl- cao sang nơi nước nhạt (có nồng độ Na+, Cl- thấp), kết quả là nước biển biến thành nước ngọt. Hệ thống lọc nước biển bằng màng R.O gồm 4 giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: lắng và lọc sơ bộ để loại bỏ rác, cặn lơ lửng.
Giai đoạn 2: sử dụng bơm tăng áp lực phù hợp với màng lọc.
Giai đoạn 3: Tách muối ra khỏi nước. Nước biển được bơm qua màng lọc R.O dưới áp lực cao tạo thành dòng nước ngọt tinh khiết và dòng nước muối đậm đặc.
Giai đoạn 4: Nước sau khi được tách muối thì được ổn định pH, sau đó được khử trùng và đưa vào sử dụng.
Phương pháp thẩm thấu ngược tiêu tốn nhiều năng lượng: 4kWh/1m3 nước. Công nghệ R.O có chi phí đầu tư, vận hành và quản lý rất cao. Màng lọc R.O phải thay thế thường xuyên do tắc nghẽn. Việc xử lý nước muối (là nước thải của nhà máy) rất khó khăn. Nếu nhà máy đóng ở vùng duyên hải thì nước muối có thể thải trở lại biển, nhưng nếu nhà máy khử mặn nằm trong đất liền thì mọi chuyện sẽ phức tạp hơn nhiều. Nhiều địa phương có quy định không cho xả nước thải (nước muối) từ nhà máy khử mặn ra hồ ao, đầm ruộng, cống rãnh.
Do công nghệ thẩm thấu ngược R.O chi phí điện năng cao nên người ta đã nghiên cứu dùng phương pháp tiêu tốn ít năng lượng hơn là dùng màng lọc nano (nanofilter – NF) để biến nước biển thành nước ngọt. Cũng có thể kết hợp công nghệ màng NF với màng R.O để biến đổi nước mặn thành nước ngọt cấp cho sinh hoạt và sản xuất của con người.