Khái niệm về lọc thẩm thấu ngược (RO)
Tìm hiểu thẩm thấu và thẩm thấu ngược
Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) là gì?
Thẩm thấu ngược, thường được gọi là RO (Reverse Osmosis), là một quá trình mà bạn loại bỏ một phần lớn chất rắn hòa tan và các chất gây ô nhiễm khác từ nước bằng cách ép nước qua chất bán thấm gọi là màng thẩm thấu ngược
Vậy thẩm thấu (Osmosis) là gì?
Để hiểu được mục đích và quy trình của Thẩm thấu ngược, trước tiên bạn phải hiểu về quá trình thẩm thấu. Thẩm thấu là một hiện tượng xảy ra tự nhiên và là một trong những quá trình quan trọng nhất trong tự nhiên. Nó là một quá trình trong đó nước ở trong dung dịch có nồng độ muối nhỏ hơn sẽ có xu hướng chuyển sang dung dịch có nồng độ muối đậm đặc hơn. Ví dụ về sự thẩm thấu là khi rễ cây hút nước từ đất và thận của chúng ta hấp thụ nước từ máu của chúng ta.
Dưới đây là sơ đồ cho thấy cách thức hoạt động của thẩm thấu. Dung dịch ít đậm đặc hơn sẽ có xu hướng tự nhiên chuyển sang dung dịch có nồng độ cao hơn. Ví dụ, nếu bạn có một một thùng đầy nước có nồng độ muối thấp và một thùng khác đầy nước có nồng độ muối cao và chúng được phân tách bởi một màng thấm bán, sau đó nước ở thùng chứa có nồng độ muối thấp hơn sẽ bắt đầu di chuyển về phía thùng chứa nước có nồng độ muối cao hơn
Một màng bán thấm là một màng sẽ cho phép một số nguyên tử hoặc phân tử đi qua nhưng không cho mốt số chất khác đi qua. Một ví dụ đơn giản là cửa lưới, nó cho phép các phân tử không khí đi qua nhưng không cho các chất gây hại hoặc bất cứ thứ gì lớn hơn các lỗ trên cửa lưới đi qua. Một ví dụ khác là lỗ chân lông to đủ để cho hơi nước đi qua, nhưng đủ nhỏ để ngăn nước lỏng đi qua.
Thẩm thấu ngược là quá trình ngược lại với Thẩm thấu. Trong khi thẩm thấu xảy ra tự nhiên mà không cần yêu cầu cung cấp năng lượng, thì để đảo ngược quá trình thẩm thấu, bạn cần phải cung cấp năng lượng tác động vào dung dịch (muối) nhiều hơn. Một màng thẩm thấu ngược là một màng thấm bán cho phép các phân tử nước đi qua nhưng ngăn không cho hầu hết các muối hòa tan, chất hữu cơ, vi khuẩn và pyrogens đi qua. Tuy nhiên, bạn cần phải ‘đẩy’ nước qua màng thẩm thấu ngược bằng cách tạo áp suất lớn hơn áp suất tự nhiên để xảy ra áp suất thẩm thấu. Dưới đây là sơ đồ phác thảo quá trình Thẩm thấu ngược. Khi áp lực được áp dụng cho dung dịch đậm đặc, các phân tử nước bị ép qua màng bán thấm và chất gây ô nhiễm không được phép đi qua.
Thẩm thấu ngược hoạt động như thế nào?
Thẩm thấu ngược hoạt động bằng cách sử dụng một máy bơm cao áp để tăng áp suất lên dung dịch chứa muối trước khi vào màng RO và ép nước qua màng RO bán thấm, nước sau RO loại bỏ gần như toàn bộ (khoảng 95% đến 99%) muối hòa tan. Lượng áp suất cần thiết phụ thuộc vào muối nồng độ muối của nước cấp. Nước cấp càng đậm đặc thì càng cần nhiều áp lực để thắng áp suất thẩm thấu.
Nói một cách dễ hiểu, nước cấp được bơm vào hệ thống Thẩm thấu ngược (RO) và bạn sẽ tạo ra hai dòng nước tách biệt ra khỏi hệ thống RO: nước tốt sau lọc và nước xấu thải bỏ. Nước tốt ra khỏi hệ thống RO đã loại bỏ hầu hết các chất gây ô nhiễm và được gọi là dòng thẩm thấu. Một thuật ngữ khác cho nước dòng thấm là nước thành phẩm. Kích thước hệ thống RO dựa trên lưu lượng thẩm thấu. Vi dụ Hệ thống RO 100 gpm nghĩa là hệ thống RO sẽ tạo ra 100 gpm nước thẩm thấu. Nước ‘xấu’ hay nước thải bỏ là nước có chứa tất cả các chất bẩn không thể đi qua màng RO và được gọi là dòng cô đặc, có chứa nhiều muối. Tất cả ba thuật ngữ (cô đặc, loại bỏ và nước thải) đều được sử dụng thay thế cho nhau và có nghĩa như nhau. Sau đây có một giản đồ đơn giản cho thấy nước chảy qua hệ thống RO
Khi nước cấp vào màng RO dưới áp suất (áp suất đủ để vượt qua sự thẩm thấu áp suất) các phân tử nước đi qua màng bán thấm (đi theo mũi tên Permeate Water), các muối và các chất gây ô nhiễm không được phép đi qua và được thải ra ngoài qua dòng nước cô đặc (đi theo mũi tên Reject Stream). Dòng cô đặc sẽ được thoát ra cống thải hoặc có thể được tuần hoàn trở lại một phần vào nguồn cung cấp nước trong một số trường hợp để được tái sử dụng nhằm tiết kiệm nước. Việc xác định tỷ lệ dòng tuần hoàn tái chế này cần được chuyên gia tư vấn kỹ lưỡng dựa trên nhiều yếu tố. Nước đi qua màng RO là nước thành phẩm và thường có khoảng 95% đến 99% muối hòa tan được loại bỏ.
Điều quan trọng là phải hiểu rằng hệ thống RO sử dụng quá trình lọc dòng chảy chéo thay vì lọc như các kiểu lọc thông thường khác là các chất gây ô nhiễm được giữ lại bên trong lớp vật liệu lọc.
Với phương pháp lọc chéo, dung dịch đi qua bộ lọc với hai đầu ra: nước đã lọc đi theo một chiều và nước ô nhiễm đi theo một hướng khác. Để tránh tích tụ chất gây ô nhiễm, lọc dòng chảy chéo cho phép nước cuốn trôi chất gây ô nhiễm tích tụ và cũng cho phép tạo ra đủ hỗn loạn để giữ cho bề mặt màng sạch.
Thẩm thấu ngược sẽ loại bỏ những chất ô nhiễm nào khỏi nước?
Thẩm thấu ngược có khả năng loại bỏ tới 99% + muối hòa tan (ion), các hạt, chất keo, chất hữu cơ, vi khuẩn và pyrogens khỏi nước cấp (mặc dù không nên dựa vào hệ thống RO để loại bỏ 100% vi khuẩn và vi rút ). Màng RO loại bỏ các chất gây ô nhiễm dựa trên kích thước và điện tích của chúng. Bất kỳ chất gây ô nhiễm nào có trọng lượng phân tử lớn hơn 200 đều có thể bị loại bỏ bởi một hệ thống RO đang chạy đúng cách (để so sánh một phân tử nước có MW (molecular weight) là 18).
Tương tự như vậy, điện tích ion của chất gây ô nhiễm càng lớn thì càng không thể đi qua màng RO. Ví dụ, một ion natri chỉ có một điện tích (đơn hóa trị) và không bị màng RO ưu tiên loại bỏ canxi chẳng có hai điện tích (hóa trị 2).
Tương tự như vậy, đây là lý do tại sao hệ thống RO không loại bỏ tốt các khí như CO2 vì chúng không bị ion hóa (tích điện) cao khi ở trong dung dịch và có trọng lượng phân tử rất thấp. Bởi vì hệ thống RO không loại bỏ khí, nước thấm qua có thể có độ pH thấp hơn một chút so với mức bình thường tùy thuộc vào mức CO2 trong nước cấp khi CO2 được chuyển hóa thành axit cacbonic.
Thẩm thấu ngược rất hiệu quả trong việc xử lý nước lợ, nước mặt và nước ngầm cho cả các ứng dụng công suất lớn và nhỏ. Một số ví dụ về các ngành sử dụng nước RO bao gồm dược phẩm, nước cấp cho lò hơi, thực phẩm và đồ uống, hoàn thiện kim loại và sản xuất chất bán dẫn.
Tính toán hiệu suất và thiết kế hệ lọc thẩm thấu ngược
Có một số phép tính được sử dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống RO và để xem xét thiết kế hệ thống. Hệ thống RO có thiết bị đo chất lượng, lưu lượng, áp suất và đôi khi là các dữ liệu khác như nhiệt độ hoặc số giờ hoạt động. Để đo lường chính xác hiệu suất của hệ thống RO, bạn cần tối thiểu các thông số vận hành sau:
- Áp suất bơm cấp liệu RO
- Áp suất dòng thấm (nước sạch)
- Áp suất dòng xả
- Độ dẫn điện nước trước lọc
- Độ dẫn điện nước sau lọc
- Lưu lượng nước cấp vô màng
- Lưu lượng dòng thấm
- Nhiệt độ nước
Tỷ lệ khử muối %
Phương trình này cho bạn biết màng RO loại bỏ chất gây ô nhiễm hiệu quả như thế nào. Nó không cho bạn biết mỗi màng riêng lẻ đang hoạt động như thế nào, mà là giá trị hoạt động trung bình của hệ thống nói chung. Một hệ thống RO được thiết kế tốt với màng RO hoạt động đúng cách sẽ loại bỏ 95% đến 99% hầu hết các chất gây ô nhiễm trong nước cấp. Bạn có thể xác định mức độ hiệu quả của màng RO loại bỏ chất gây ô nhiễm bằng cách sử dụng phương trình sau:
| Tỷ lệ khử muối % = | Độ dẫn điện của nước thô – Độ dẫn điện của nước sau lọc | × 100 |
| Độ dẫn điện của nước thô |
Tỷ lệ khử muối càng cao, hệ thống càng hoạt động tốt. Tỷ lệ khử muối thấp thấp có nghĩa là màng lọc cần được làm sạch hoặc thay thế màng mới.
Tỷ lệ muối qua màng %
Đây chỉ đơn giản là nghịch đảo của sự loại bỏ muối được mô tả trong phương trình trước. Đây là lượng muối được biểu thị bằng phần trăm đi qua hệ thống RO. Lượng muối truyền qua càng thấp, hệ thống càng hoạt động tốt. Lượng muối đi qua cao có thể có nghĩa là màng lọc cần được làm sạch hoặc thay thế mới.
Tỷ lệ muối qua màng % = (1 -% tỷ lệ khử muối)
Tỷ lệ thu hồi %
Tỷ lệ thu hồi là lượng nước đang được ‘thu hồi’ dưới dạng nước thẩm thấu tốt qua màng. Một cách khác để nghĩ về Phần trăm thu hồi là lượng nước không được chuyển đi dưới dạng đường cô đặc, mà được thu thập dưới dạng nước thẩm thấu hoặc nước sản phẩm. % tỷ lệ thu hồi càng cao có nghĩa là bạn đang xả ít nước hơn thoát ra dưới dạng cô đặc và tiết kiệm nhiều nước hơn.
Tuy nhiên, nếu % tỷ lệ thu hồi quá cao so với thiết kế RO thì nó có thể dẫn đến các vấn đề lớn hơn do đóng cặn và tắc nghẽn. % tỷ lệ thu hồi cho hệ thống RO được thiết lập với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế có xem xét nhiều yếu tố như thành phần, tính chất nước cấp và tiền xử lý trước hệ thống RO như thế nào. Do đó, % tỷ lệ thu hồi thích hợp mà tại đó RO sẽ hoạt động phụ thuộc vào những gì nó được thiết kế. Bằng cách tính % tỷ lệ thu hồi, bạn có thể nhanh chóng xác định xem hệ thống có đang hoạt động ngoài thiết kế dự kiến hay không. Cách tính % tỷ lệ thu hồi như sau:
| % Tỷ lệ thu hồi = | Lưu lượng dòng thấm (m3/h) | × 100 |
| Lưu lượng nước đầu vào (m3/h) |
Ví dụ: nếu tỷ lệ thu hồi là 75% thì điều này có nghĩa là cứ 100m3 nước cấp đi vào hệ thống RO, bạn đang thu hồi 75m3 dưới dạng nước thẩm thấu có thể sử dụng và 25m3 sẽ thoát ra dưới dạng cô đặc. Hệ thống RO công nghiệp thường chạy ở bất kỳ nơi nào có độ thu hồi từ 50% đến 85% tùy thuộc vào đặc tính nước cấp và các cân nhắc thiết kế khác.
Hệ số dòng cô đặc
Yếu tố dòng cô đặc có liên quan đến sự phục hồi của hệ thống RO và là một phương trình quan trọng để thiết kế hệ thống RO. Bạn càng thu hồi nhiều nước ở dạng thấm (% tỷ lệ thu hồi càng cao), thì càng nhiều muối đậm đặc và chất gây ô nhiễm mà bạn thu thập được trong dòng cô đặc. Điều này có thể dẫn đến khả năng đóng cặn trên bề mặt màng RO cao hơn khi hệ số dòng cô đặc quá cao so với thiết kế hệ thống và thành phần nước cấp.
| Hệ số dòng cô đặc = | 1 |
| 1 – Tỷ lệ thu hồi % |
Khái niệm này không khác gì so với lò hơi hoặc tháp giải nhiệt. Cả hai đều có nước tinh khiết thoát ra khỏi hệ thống (hơi nước) và cuối cùng để lại một dung dịch đậm đặc. Khi nồng độ tăng lên, giới hạn hòa tan có thể bị vượt quá và làm kết tủa trên bề mặt của thiết bị dưới dạng cáu cặn.
Ví dụ: nếu lưu lượng nguồn cấp đầu vào của bạn là 100m3/h và lưu lượng thấm qua của bạn là 75m3/h, thì độ thu hồi là (75/100) x 100 = 75%. Để tìm hệ số dòng cô đặc, công thức sẽ là 1 ÷ (1-75%) = 4.
Hệ số dòng cô đặc = 4 có nghĩa là nước ở dòng cô đặc sẽ bị cô đặc hơn 4 lần so với nước cấp đầu vào. Nếu nước cấp đầu vào trong ví dụ này là 500 ppm, thì dòng cô đặc sẽ là 500 x 4 = 2.000 ppm tương ứng với tỷ lệ thu hồi là 75%.
Flux – Thông lượng
| Gfd = | gpm của dòng thấm × 1.440 phút/ngày |
| Số lượng màng trong hệ thống × diện tích mỗi màng RO ft2 |
Ví dụ, bạn có những thứ sau:
Hệ thống RO đang tạo ra 75 gallon mỗi phút (gpm = 17m3/h) dòng thấm qua. Bạn có 3 vỏ RO và mỗi vỏ chứa 6 màng RO. Do đó bạn có tổng cộng 3 x 6 = 18 màng RO. Loại màng bạn có trong hệ thống RO là LG BW 400ES. Loại màng RO (hoặc phần tử) này có diện tích bề mặt là 400 feet vuông = 37m2.
Tính thông lượng dòng thấm flux (Gfd) như sau:
| Gfd = | 75 gpm × 1.440 min/day | = | 108.000 |
| 18 màng RO × 400 sq ft | 7.200 |
Thông lượng là 15 Gfd.
Điều này có nghĩa là 15 gallon nước được đi qua mỗi foot vuông của mỗi màng RO mỗi ngày. Con số này có thể tốt hoặc xấu tùy thuộc vào loại nước cấp vào và thiết kế hệ thống. Dưới đây là quy tắc chung cho phạm vi thông lượng cho các nguồn nước khác nhau và có thể được xác định tốt hơn với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế RO. Nếu bạn đã sử dụng màng RO LG BW 400ES trong ví dụ trên, thì thông lượng sẽ là 15. Vì vậy, điều quan trọng là phải tính đến loại màng nào được sử dụng và cố gắng giữ loại màng nhất quán trong toàn hệ thống.
| Loại nước cần lọc RO | Thông lượng Gfd |
|---|---|
| Nước thải | 5-10 |
| Nước biển | 8-12 |
| Nước lợ | 10-14 |
| Nước giếng nhiễm mặn | 14-18 |
| Nước sau RO bậc 1 | 20-30 |
Một cách đơn giản thông lượng màng RO tương tự như tốc độ lọc trong bồn lọc cát hoặc bồn lọc đa tầng (m3/m2.h)
Cân bằng khối lượng
Phương trình cân bằng khối lượng được sử dụng để giúp xác định xem thiết bị đo lưu lượng và chất lượng của bạn đang đọc đúng cách hay cần hiệu chuẩn. Nếu thiết bị của bạn đọc không chính xác, thì xu hướng dữ liệu hiệu suất mà bạn đang thu thập là vô ích. Bạn sẽ cần thu thập dữ liệu sau từ hệ thống RO để thực hiện tính toán Cân bằng khối lượng:
- Lưu lượng nguồn cấp dữ liệu (gpm hoặc m3/h)
- Lưu lượng dòng thấm (gpm hoặc m3/h)
- Lưu lượng dòng cô đặc (gpm hoặc m3/h)
- Độ dẫn điện nước thô (µS)
- Độ dẫn điện dòng thấm (µS)
- Độ dẫn điện dòng cô đặc (µS)
Phương trình cân bằng khối lượng là:
(Lưu lượng nước thô x Độ dẫn điện nước thô) = (Lưu lượng dòng thấm x Độ dẫn điện dòng thấm) + (Lưu lượng dòng cô đặc x Độ dẫn điện dòng cô đặc)
Ví dụ: nếu bạn thu thập dữ liệu sau từ hệ thống RO:
| Lưu lượng dòng thấm | 1.135m3/h |
| Độ dẫn điện nước thô | 500 µS |
| Độ dẫn điện dòng thấm | 10 µS |
| Lưu lượng dòng cô đặc | 0.454m3/h |
| Độ dẫn điện dòng cô đặc | 1200 µS |
Khi đó phương trình cân bằng khối lượng sẽ là:
(1.589 x 500) = (1.135 x 10) + (0.454 x 1200)
794,5 ≠ 556,15
Tiếp theo tìm sự khác biệt
(Sự khác biệt / Tổng) x 100
((794,5 – 556,15) / (794,5 + 556,15)) x 100
= 18%
Chênh lệch +/- 5% là ok. Chênh lệch +/- 5% đến 10% nói chung là đủ. Sự khác biệt > +/- 10% là không thể chấp nhận được và cần phải hiệu chuẩn thiết bị RO để đảm bảo rằng bạn đang thu thập dữ liệu hữu ích. Trong ví dụ trên, phương trình cân bằng khối lượng RO nằm ngoài phạm vi và cần chú ý.
Xem thêm bài viết: Khái niệm về lọc thẩm thấu ngược (RO) phần 2
Nếu Quý khách cần tư vấn thêm về màng RO, xin liên hệ ngay với chúng tôi theo thông tin sau:
CÔNG TY CỔ PHẦN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG KHANG NGỌC
Địa chỉ
Trụ sở chính:
Số 86 Đường Đông Hồ – Phường 4 – Quận 8 – Tp Hồ Chí Minh
Tel: 028. 37584648 –
Mobile: 0916.926.367
Chi nhánh:
Số C7/30C14 – Đường Phạm Hùng – Xã Bình Hưng – Huyện Bình Chánh – Tp Hồ Chí Minh
Tel: 028.37584648 – 028. 62755032
Fax: 028.37583936
Mobile: 0916.926.367
Kho hàng và xưởng cơ điện:
Số 17 – Đường Phạm Hùng – Xã Phước Lộc – Huyện Nhà Bè – Tp Hồ Chí Minh.
Website
https://khangngoc.business.site/?m=true
Doanh Nghiệp