Tầm quan trọng của thẩm thấu ngược trong xử lý nước

Tầm quan trọng của thẩm thấu ngược trong xử lý nước Sau hơn 50 năm thương mại hóa, màng lọc thẩm thấu ngược (reverse osmosis - RO) đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước, từ công nghiệp vũ trụ cho tới các bếp ăn gia đình. Màng lọc RO được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy lọc nước biển, các nhà máy điện tử, dược phẩm, điện hạt nhân. Sau đây chúng tôi hân hạnh giới thiệu tới quý khách về vai trò của thẩm thấu ngược trong lọc nước, xử lý nước. Trước tiên chúng ta cùng tìm hiểu sơ bộ về công nghệ thẩm thấu ngược là gì. Thẩm thấu ngược là gì? Thẩm thấu ngược (reverse osmosis-RO) là quá trình xảy ra khi nước di chuyển qua màng ngược với gradient nồng độ, nước sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ thấp hơn tới nơi có nồng độ cao hơn. Hãy tưởng tượng một màng bán thấm với dung dịch là nước tinh khiết ở một bên và nước thông thường (có muối khoáng) ở một bên (H1). Nếu một quá trình thẩm thấu thông thường diễn ra, nước tinh khiết sẽ đi qua màng sang bên kia nước thường. Để làm điều ngược lại (thẩm thấu ngược), người ta dùng một áp lực đủ mạnh để đẩy ngược nước từ nơi có hàm lượng muối khoáng cao “thấm” qua một loại màng đặc biệt để đến nơi không có hoặc có ít muối khoáng hơn. Do đó, trong thẩm thấu ngược, một áp lực sẽ được tác động lên phía màng có chứa dung dịch nước thông thường để buộc các phân tử nước này đi qua màng phía có nước tinh khiết. Màng mỏng được làm từ vật liệu Cellulose Acetate (CTA), Polyamide hoặc màng TFC (thin film composite) có những lỗ nhỏ tới 0.001 micron. Kích thước lỗ màng có thể khác nhau từ 0,1-5.000nm tùy thuộc vào loại lọc, với "hạt lọc" loại bỏ hạt có kích thước ³1micromet, “vi lọc” loại bỏ các hạt từ ³50nm, "siêu lọc" loại bỏ các hạt khoảng ³3nm. "nano" loại bỏ các hạt từ 1nm hoặc lớn hơn. Thẩm thấu ngược là hạng mục cuối cùng của màng lọc, là phương pháp lọc nhạy cảm và có thể loại bỏ các hạt ³ 0,1nm. Tất cả các màng này đều chịu áp suất cao nhưng khả năng chịu pH và chlorine không giống nhau, tùy theo từng loại. Với tốc độ và áp lực lớn, dòng nước chảy liên tục trên bề mặt của màng RO. Một phần trong số những phân tử nước “chui” qua được những lỗ lọc. Các tạp chất bị dòng nước cuốn trôi và “thải” bỏ ra ngoài. Các loại tạp chất (cặn, vi khuẩn, virus) không qua được lỗ lọc, bị dòng nước rửa trôi trên bề mặt màng lọc cũng được thải ra. Quá trình phát triển Thẩm thấu ngược được chính thức khởi nguồn từ thế kỷ XVIII. Nhiều bằng chứng ghi nhận nhà vật lý thực hành người Pháp Jean Antoine Noilett, thành viên Viện Hàn lâm Paris, là người đầu tiên nghiên cứu và sử dụng thuật ngữ Thẩm thấu ngược vào năm 1748. Phát hiện của ông về hiện tượng nước thẩm thấu ra ngoài bàng quang đã đặt nền móng cho một công nghệ mới. Sau đó là các công trình có liên quan đến công nghệ thẩm thấu ngược như: Năm 1855, Adolph Fick, nhà khoa học Đức, lần đầu chế tạo được màng lọc bằng vật liệu cellulose nitrate (nitrocellulose) để làm “da” nhân tạo; Năm 1866, Thomas Graham, nhà vật lý học, nhà hoá học người Anh, lần đầu dùng từ “thận nhân tạo”; Năm 1869, Schoenbein nghiên cứu và chế tạo thành công loại polymer nhân tạo; Năm 1907, Bechold lần đầu giới thiệu thuật ngữ Siêu lọc – ultrafiltration; Năm 1927, Công ty Sartorius sản xuất đại trà màng lọc thẩm thấu ngược; Năm 1934, G. R. Elder nghiên cứu về lọc thận nhân tạo; Năm 1950, Gerald Hassler giới thiệu màng thẩm thấu ngược lọc nước biển; Năm 1958, C. E. Reid và E. J. Breton chứng minh cellulose acetate là loại vật liệu hiệu quả nhất để chế tạo màng lọc nước biển; Năm 1960, Sidney Loeb và Srinivasa Sourirajan chế tạo thành công màng lọc nước biển với quy mô công nghiệp; Năm 1960, H. K. Londsdale phát triển loại màng dùng tấm composite siêu mỏng; Năm 1963, H. I. Mahon phát triển loại màng hình ống (Hollow Fiber); Năm 1965, nhà máy lọc nước công nghệ thẩm thấu ngược đầu tiên được khánh thành tại Coalinga, California; Và năm 1977, John Cadotte được chính phủ cấp bằng sáng chế ra màng lọc siêu mỏng. Thời kỳ bùng nổ công nghệ thẩm thấu ngược Vào những năm cuối thập kỷ 40 của thế kỷ, các nhà nghiên cứu bắt đầu thử nghiệm tách nước ngọt từ dung dịch muối. Ở Mỹ, dưới thời Tổng thống Kennedy, công nghệ này được đặc biệt ưu tiên nghiên cứu để phục vụ mục tiêu “chinh phục mặt trăng và bắt sa mạc nở hoa” và các nhà khoa học đã nhanh chóng hoàn thiện công nghệ lấy nước ngọt từ biển. Nhưng mãi đến năm 1959, UCLA (University of California at Los Angeles) mới là cơ quan đầu tiên trình làng một dây chuyền có thể ứng dụng vào thực tế. Thời điểm này, Samuel Yuster và 2 sinh viên của ông là Sidney Loeb và Srinivasa Sourirajan đã chế tạo được màng RO từ vật liệu polymer cellulose acetate. Loại màng mới này có thể loại bỏ muối và cho nước chảy qua với một lưu lượng lý tưởng. Màng lọc này có độ bền cao và có thể được chế tạo phù hợp với nước biển ở các vùng địa lý khác nhau. Đến cuối năm 2001, khoảng 15.200 nhà máy khử mặn hoạt động trên khắp thế giới. Tại Ashkelon trên bờ biển Địa Trung Hải, nhà máy thẩm thấu ngược lớn nhất thế giới được xây dựng sản xuất 320.000m3 nước mỗi ngày (với giá thành là 0,50 USD cho 1m3). Chính quyền tỉnh Sindh (Pakistan)đã lắp đặt 382 nhà máy RO. Hoặc ở Thiên Tân, Trung Quốc, một số nhà máy khử muối đang xây dựng có công suất 100.000m3/ngày. Tại Tây Ban Nha, 20 nhà máy lọc thẩm thấu ngược sẽ được xây dựng dọc theo Costas, hy vọng sẽ đáp ứng nhu cầu nước của Tây Ban Nha. Ở Pakistan, theo chỉ thị đặc biệt của Tổng thống Asif Ali Zardari, một nhà máy RO lớn nhất của châu Á đang được xây dựng ở Nawabshah sẽ cung cấp cho 8 triệu gallon (1 gallon » 4,546L) nước tinh khiết mỗi ngày... để đáp ứng nhu cầu nước sạch tại các vùng sâu, vùng xa và các hộ gia đình từ nông thôn đến thành thị. Sự ra đời của các máy xử lý nước với nhiều cỡ khác nhau (H2), vừa tiết kiệm chi phí lắp đặt đường ống và đất đai mặt bằng xây dựng, vừa tiết kiệm được nước nhờ tái chế nước đã sử dụng. Các ứng dụng của công nghệ RO Sau hơn 50 năm thương mại hóa, màng lọc thẩm thấu ngược đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước, từ công nghiệp vũ trụ cho tới các bếp ăn gia đình. Màng lọc RO được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy lọc nước biển, các nhà máy điện tử, dược phẩm, điện hạt nhân. Do tính ưu việt của loại màng lọc đặc biệt này, trong thực tiễn tại nhiều nơi, nhiều lúc, nó đãbị lạm dụng quá mức. Ví dụ như nhiều nhà máy nước tinh khiết, mặc dù có nguồn nước tốt, không bị ô nhiễm nhưng vẫn chọn công nghệ thẩm thấu ngược trong khi có nhiều thay thế khác hợp lý hơn, tiết kiệm và thân thiện môi trường hơn. Cho đến nay, thẩm thấu ngược vẫn được coi là công nghệ cao cấp nhất trong ngành lọc nước và là công nghệ hàng đầu để loại bỏ, đình chỉ, giải thể vật chất, các chất gây ô nhiễm từ nước uống. RO cũng là phương pháp thuận tiện và kinh tế nhất để làm sạch nước và quá trình thanh lọc cũng được sử dụng bởi nhiều nhà máy sản xuất nước uống đóng chai. Phát minh này được ứng dụng rộng rãi từ trong các hộ dân tới những “dòng sông nước ngọt” cho Trung Đông và Bắc Phi, cung cấp hàng triệu lít nước ngọt mỗi ngày. Hiện nay có khoảng 60% các nhà máy nước kiểu này của thế giới tọa lạc tại các nước Ả Rập, nơi có nhiều mỏ dầu nhất nhưng hiếm nước ngọt nhất. Nước uống chất lượng cao Theo nghiên cứu, hầu hết các vòi nước và nước giếng đều không an toàn để uống do ô nhiễm công nghiệp và môi trường ô nhiễm nặng. Dù nhiều chất gây ô nhiễm được tìm thấy không đủ để gây khó chịu hoặc bệnh tật ngay lập tức, song nó được chứng minh rằng, thậm chí ở mức độ thấp nhưng tiếp xúc với chất gây ô nhiễm thông thường nhiều theo thời gian (phơi nhiễm), sẽ gây bệnh nghiêm trọng bao gồm tổn thương gan, ung thư và các bệnh khác. Ngay cả những hóa chất thường được sử dụng để xử lý các nguồn cung cấp nước như clo và flo cũng có ảnh hưởng bất lợi rõ rệt đối với sức khỏe con người. Màng lọc nước thẩm thấu ngược (chẳng hạn của hãng APEC) được thiết kế để biến nước máy hoặc nước giếng thành nước thật sự an toàn, tinh khiết, nó có thể cung cấp nước sạch không giới hạn cho việc nấu ăn, uống, làm nước đá, pha cà phê và dùng cả cho ngành y tế. Người sử dụng nước lọc thẩm thấu ngược được bảo vệ khỏi những tác hại của chì, các kim loại nặng, clo, hóa chất gây ô nhiễm, tác nhân gây bệnh, vi khuẩn, E. Coli, các loại bào tử, ký sinh trùng (Giardia), nguyên sinh vật gây bệnh (Cryptosporidium), loại bỏ các hương vị, mùi vị không thích hợp và loại các cặn lắng. Sản xuất nước ngọt từ nước biển Năm 1965, nhà máy nước RO tại Coalinga, California (Mỹ) được đưa vào sử dụng đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của cả thế giới. Tiếp đến là nhà máy RO tại La Jolla, tuy nhiên nhà máy RO thứ 2 này đã phải vượt qua vấn đề khó khăn hơn khi dùng nguồn nước biển có hàm lượng muối cao, hơn nữa do xây dựng ở vùng nông thôn, nơi mà nguồn nước biển ở đây còn bị nhiễm các chất thải từ hoạt động nông nghiệp. Sau này, màng lọc RO còn được cải tiến thêm nhiều lần, với nhiều chất liệu vượt trội và đạt hiệu quả cao hơn. Từ năm 1993, Mỹ đã có hệ thống lọc nước tiên tiến, chất lượng tốt nhất và hệ thống xử lý với dòng thẩm thấu ngược hoàn hảo để lọc nước,khử mặn nước biển, tách dầu, xử lý chất thải với các phụ kiện chất lượng và tùy chỉnh để phù hợp với một loạt các yêu cầu hệ thống xử lý nước thẩm thấu ngược. Trên cơ sở phát triển công nghệ này, hiện nay trong khuôn khổ của dự án BOT (xây dựng – kinh doanh – chuyển giao), ba công ty quốc tế: Veolia, IDE và Elran đã xây dựng ở Israel nhà máy khử muối lớn nhất thế giới. Trong quân đội Hoa Kỳ, thẩm thấu ngược được sử dụng trên chiến trường và ở cơ sở huấn luyện với dung lượng khoảng từ 1.500-150.000 gallon (6.800-680.000 Lít) mỗi ngày, tùy thuộc vào nhu cầu. Phổ biến nhất trong số này là loại cho 600 và 3.000 lít/giờ, cả hai có thể làm sạch nước muối và nước bị ô nhiễm với hóa chất, sinh học, phóng xạ và ô nhiễm hạt nhân. Trong thời gian 24 giờ, các thông số hoạt động bình thường, một đơn vị có thể sản xuất 12.000-60.000 gallon (55.000-270.000 lít) nước, có thể dùng cho một tiểu đoàn, hoặc khoảng 1.000-6.000 nhân viên. Trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm Hàng loạt ngành công nghiệp đã hưởng lợi từ công nghệ thẩm thấu ngược này. Người ta ứng dụng màng lọc RO cho ngành sản xuất thực phẩm, dược phẩm, thu hồi kim loại quý và tái chế nước thải. Với tình trạng nước ngọt ngày càng thiếu ở khắp nơi trên thế giới, các nhà khoa học Mỹ vẫn không ngừng nghiên cứu để cải tiến và phát triển công nghệ thẩm thấu ngược. Trong công nghệ thực phẩm, ngoài việc khử muối, thẩm thấu ngược còn dùng để tập trung chất lỏng thực phẩm như nước ép trái cây. Nghiên cứu này đã được thực hiện trong xử lý nước cam và nước ép cà chua. Lợi thế của nó bao gồm chi phí điều hành thấp và khả năng để tránh quá trình xử lý nhiệt, làm cho nó phù hợp với nhiệt độ nhạy cảm với các chất như protein và enzyme tìm thấy trong hầu hết các sản phẩm thực phẩm. Thẩm thấu ngược cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế biến sữa như sản xuất bột whey protein. Công nghệ RO bây giờ cũng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp rượu. Ước tính, năm 2002 có khoảng 60 máy thẩm thấu ngược được sử dụng ở Bordeaux (Pháp). Ứng dụng tái chế nước thải Công nghệ RO tạo ra nước sạch từ nước rửa có chứa kim loại như mạ điện, làm bảng mạch in và sản xuất chất bán dẫn, sản xuất ô tô (nước được sử dụng để làm sạch và sơn); thực phẩm và nước giải khát; nước ngầm và nước rỉ bãi rác (loại bỏ muối và kim loại nặng). Yếu tố quan trọng nhất trong xử lý nước thải công nghiệp với thẩm thấu ngược là tiền xử lý để bảo vệ màng tế bào chống lại ô nhiễm hữu cơ. Trước khi thẩm thấu ngược cần xem xét sự cân bằng cation/anion, BOD và COD vì nó có thể góp phần tắc nghẽn màng. Nước thải thải ra cống rãnh thường chứa từ 200-10.000 phần triệu (ppm) chất rắn hòa tan tổng số – TDS (total dissolved solids). Với công nghệ tiền xử lý thích hợp, tiếp theo là RO, nước này có thể được tái chế. Tính cơ động Các bộ thẩm thấu ngược có nhiều loại, nhiều cỡ có thể mang theo, xách tay, đến các loại kiểu container có công suất cao hàng trăm m3/giờ để xử lý nước được nhiều hãng bán ra, đáp ứng cho việc lọc nước cá nhân hoặc công cộng tại các địa điểm khác nhau. Xử lý nước RO di động có thể được sử dụng bởi những người sống ở nông thôn, nơi khan hiếm nước sạch, cách xa đường ống nước của thành phố. Người dân nông thôn tự lọc nước sông, ao hồ hoặc nước biển, dễ dàng để sử dụng. Những du khách chèo thuyền dài ngày, câu cá, các chuyến đi cắm trại trên đảo, ở các địa phương có nguồn nước bị ô nhiễm hoặc kém chất lượng, thì việc sử dụng bộ xử lý nước RO là khá thuận lợi và cần thiết.