Khử muối là sản xuất nước ngọt bằng cách khử muối nước biển. Đây là công nghệ gia tăng nguồn mở để hiện thực hóa việc sử dụng tài nguyên nước. Nó có thể làm tăng tổng lượng nước ngọt và không bị ảnh hưởng bởi thời gian, không gian và khí hậu. Nó có thể đảm bảo nguồn cung cấp nước ổn định cho nước uống cho cư dân ven biển và bổ sung nước cho nồi hơi công nghiệp.
Quá trình thu được nước ngọt từ nước biển được gọi là khử muối. Các phương pháp khử muối được sử dụng bao gồm đông lạnh nước biển, điện phân, chưng cất, thẩm thấu ngược và trao đổi ion amoni cacbonat. Ứng dụng màng thẩm thấu ngược và chưng cất là xu hướng chính trên thị trường.
Hơn 100 viện nghiên cứu khoa học tại hơn chục quốc gia trên thế giới đang tiến hành nghiên cứu về khử muối, và có hàng trăm cơ sở khử muối với các cấu trúc và công suất khác nhau đang hoạt động. Một nhà máy khử muối quy mô lớn hiện đại có thể sản xuất hàng nghìn, hàng chục nghìn hoặc thậm chí gần một triệu tấn nước ngọt mỗi ngày. Chi phí nước liên tục giảm và một số quốc gia đã giảm giá xuống mức tương đương với giá nước máy. Lượng nước khử muối ở một số khu vực đã đạt đến quy mô cung cấp nước của các quốc gia và thành phố.
Phương pháp chung
Trên thế giới có hơn 20 công nghệ khử muối nước biển, bao gồm thẩm thấu ngược, bốc hơi nhanh nhiều giai đoạn, đa hiệu ứng thấp, điện phân, chưng cất hơi nước, bốc hơi điểm sương, đồng phát thủy điện, đồng phát màng nhiệt và công nghệ khử muối nước biển sử dụng năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, v.v., cũng như nhiều quy trình xử lý trước và sau như vi lọc, siêu lọc và lọc nano.
Theo quan điểm phân loại rộng, chủ yếu được chia thành hai loại: chưng cất (phương pháp nhiệt) và phương pháp màng. Trong số đó, chưng cất đa hiệu ứng thấp, bốc hơi flash nhiều giai đoạn và phương pháp màng thẩm thấu ngược là những công nghệ chủ đạo trên thế giới. Nhìn chung, đa hiệu ứng thấp có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, yêu cầu xử lý sơ bộ nước biển thấp và chất lượng nước khử muối cao; phương pháp màng thẩm thấu ngược có ưu điểm là đầu tư thấp và tiêu thụ năng lượng thấp, nhưng yêu cầu xử lý sơ bộ nước biển cao; phương pháp bốc hơi flash nhiều giai đoạn có ưu điểm là công nghệ trưởng thành, vận hành đáng tin cậy và sản lượng thiết bị lớn, nhưng tiêu thụ năng lượng cao. Người ta thường tin rằng phương pháp chưng cất đa hiệu ứng thấp và phương pháp màng thẩm thấu ngược là hướng đi trong tương lai. Ước tính trong giai đoạn Kế hoạch 5 năm lần thứ 12, việc khử muối nước biển của nước tôi sẽ đạt 1,5 triệu đến 2 triệu tấn mỗi ngày, gấp ba hoặc bốn lần năng lực sản xuất hiện tại và quy mô đầu tư sẽ đạt khoảng 20 tỷ nhân dân tệ.
Nguyên lý của phương pháp khử muối nước biển đông lạnh: Điểm ba của nước biển là một điểm đặc biệt mà ba pha hơi nước biển, lỏng và rắn cùng tồn tại và đạt đến trạng thái cân bằng. Nếu áp suất hoặc nhiệt độ lệch khỏi điểm ba, sự cân bằng bị phá vỡ và ba pha sẽ tự động có xu hướng về một hoặc hai pha. Phương pháp đông lạnh chân không của khử muối nước biển là một phương pháp khử muối chi phí thấp, sử dụng nguyên lý điểm ba của nước biển, sử dụng chính nước làm chất làm lạnh, làm cho nước biển bốc hơi và đóng băng cùng một lúc, sau đó tách và rửa các tinh thể băng để thu được nước khử muối. So với chưng cất và khử muối bằng màng, khử muối nước biển đông lạnh có mức tiêu thụ năng lượng thấp, ăn mòn và đóng cặn nhẹ, xử lý sơ bộ đơn giản, đầu tư thiết bị nhỏ và có thể xử lý nước biển có hàm lượng muối cao. Đây là một phương pháp khử muối nước biển lý tưởng.
Phương pháp đông lạnh
Phương pháp đông lạnh, tức là đông lạnh nước biển để đông lạnh, và muối được tách ra trong khi nước biển lỏng trở thành đá rắn. Cả phương pháp đông lạnh và phương pháp chưng cất đều có nhược điểm khó khắc phục. Phương pháp chưng cất tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra nhiều cặn trong thiết bị, nhưng nước ngọt thu được không nhiều; phương pháp đông lạnh cũng tiêu tốn nhiều năng lượng, nhưng nước ngọt thu được có vị không ngon và khó sử dụng.
Làm lạnh trước quá trình khử muối nước biển đông lạnh Sau khi khử khí, nước biển có thể trao đổi nhiệt với nước muối cô đặc và nước khử muối được thải ra từ thiết bị kết tinh bay hơi, và làm lạnh trước đến gần điểm đóng băng của nước biển. Khử khí của quá trình khử muối nước biển đông lạnh Bởi vì các khí không ngưng tụ hòa tan trong nước biển sẽ được giải phóng gần như hoàn toàn trong điều kiện áp suất thấp và sẽ không ngưng tụ trong bình ngưng tụ. Điều này sẽ làm tăng áp suất của hệ thống, khiến áp suất trong thiết bị kết tinh bay hơi cao hơn áp suất điểm hai pha, phá hủy hoạt động. Rõ ràng, phương pháp khử khí giảm áp phù hợp với hệ thống này.
Phương pháp chưng cất
Khử muối là yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ bốc hơi và đóng băng của nước biển.
Nước đá muối trong quá trình khử muối nước biển là hệ thống rắn-lỏng. Các phương pháp tách thông thường có thể tách nước đá muối, nhưng các phương pháp tách khác nhau sẽ dẫn đến hàm lượng muối khác nhau trong các tinh thể băng thu được. Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm lượng muối của các tinh thể băng thu được bằng phương pháp lọc chân không thấp hơn nhiều so với hàm lượng muối của các tinh thể băng thu được bằng phương pháp lọc áp suất thông thường.
Ngưng tụ hơi nước trong quá trình khử muối Trong thiết bị kết tinh bay hơi, ngoài việc kết tủa các tinh thể băng từ nước biển, còn có một lượng lớn hơi nước được tạo ra. Hơi nước này phải được loại bỏ kịp thời để nước biển có thể bốc hơi và đóng băng liên tục.
Thẩm thấu ngược
Thường được gọi là siêu lọc, đây là phương pháp tách muối bằng màng chỉ được áp dụng vào năm 1953. Phương pháp này sử dụng màng bán thấm chỉ cho phép dung môi đi qua nhưng không cho chất tan đi qua để tách nước biển khỏi nước ngọt. Trong điều kiện bình thường, nước ngọt khuếch tán qua màng bán thấm sang phía nước biển, do đó dần dần nâng mức chất lỏng ở phía nước biển cho đến khi dừng lại ở một độ cao nhất định. Quá trình này được gọi là thẩm thấu. Lúc này, áp suất tĩnh của cột nước ở phía nước biển được gọi là áp suất thẩm thấu.
Nếu áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất thẩm thấu của nước biển được áp dụng cho phía nước biển, nước tinh khiết trong nước biển sẽ thẩm thấu ngược vào nước ngọt. Ưu điểm lớn nhất của thẩm thấu ngược là tiết kiệm năng lượng. Mức tiêu thụ năng lượng của nó chỉ bằng 1/2 so với điện phân và 1/40 so với chưng cất. Do đó, kể từ năm 1974, các nước phát triển như Hoa Kỳ và Nhật Bản đã liên tiếp chuyển trọng tâm phát triển của họ sang thẩm thấu ngược.
Công nghệ khử muối nước biển thẩm thấu ngược đã phát triển nhanh chóng, chi phí dự án và chi phí vận hành liên tục giảm. Xu hướng phát triển chính là giảm áp suất vận hành của màng thẩm thấu ngược, cải thiện tỷ lệ thu hồi của hệ thống thẩm thấu ngược, công nghệ tiền xử lý giá rẻ và hiệu quả, nâng cao khả năng chống ô nhiễm của hệ thống.
Phương pháp năng lượng mặt trời
Con người đã sử dụng năng lượng mặt trời để khử muối nước biển vào thời kỳ đầu, chủ yếu sử dụng năng lượng mặt trời để chưng cất, vì vậy các thiết bị khử muối bằng năng lượng mặt trời ban đầu thường được gọi là máy chưng cất năng lượng mặt trời. Một ví dụ về hệ thống chưng cất năng lượng mặt trời thụ động là máy chưng cất năng lượng mặt trời dạng đĩa, đã được sử dụng trong gần 150 năm. Do cấu trúc đơn giản và dễ dàng thu thập vật liệu nên nó vẫn được sử dụng rộng rãi.
Nghiên cứu về máy chưng cất năng lượng mặt trời dạng đĩa chủ yếu tập trung vào việc lựa chọn vật liệu, cải thiện các tính chất nhiệt khác nhau và sử dụng kết hợp với các bộ thu năng lượng mặt trời khác nhau. So với các nguồn điện và nguồn nhiệt truyền thống, năng lượng mặt trời có ưu điểm là an toàn và bảo vệ môi trường. Kết hợp thu năng lượng mặt trời với quá trình khử muối là công nghệ khử muối bền vững.
Công nghệ khử muối bằng năng lượng mặt trời đã dần thu hút sự chú ý của mọi người do những ưu điểm không tiêu thụ năng lượng thông thường, không gây ô nhiễm và độ tinh khiết cao của nước ngọt. Phương pháp chưng cất bằng năng lượng mặt trời sử dụng một máy chưng cất năng lượng mặt trời đơn giản. Máy chưng cất bao gồm một bể chứa nước có lõi nỉ xốp màu đen nổi lỗ trên bể chứa nước. Phía trên của bể được phủ một nắp thủy tinh trong suốt, bịt kín các cạnh. Ánh sáng mặt trời đi qua nắp trong suốt và được chiếu xuống đáy cách nhiệt màu đen của bể, tại đây nó được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt. Do đó, nhiệt độ bề mặt nước trong lõi nhựa luôn cao hơn nhiệt độ ở đáy lớp phủ trong suốt. Nước bốc hơi từ lõi nỉ và hơi nước khuếch tán đến lớp phủ để làm mát thành chất lỏng và được thải vào bể chưng cất mờ đục.
Chưng cất ở nhiệt độ thấp
Công nghệ khử muối nước biển đa hiệu ứng nhiệt độ thấp là công nghệ khử muối chưng cất có nhiệt độ bốc hơi nước muối cao nhất dưới 70 độ. Đặc điểm của nó là một loạt các thiết bị bay hơi màng phun ống nằm ngang được kết nối theo chuỗi, một lượng hơi nước nhất định được đưa vào hiệu ứng đầu tiên và nhiệt độ bốc hơi của hiệu ứng tiếp theo thấp hơn nhiệt độ của hiệu ứng trước đó. Sau đó, thông qua nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ, thu được quá trình khử muối nước cất với lượng hơi nước gấp nhiều lần.
Bốc hơi đa hiệu ứng là bốc hơi nước biển được đun nóng trong nhiều thiết bị bốc hơi nối tiếp, và hơi nước bốc hơi từ thiết bị bốc hơi trước được sử dụng làm nguồn nhiệt của thiết bị bốc hơi tiếp theo và ngưng tụ thành nước ngọt. Trong số đó, chưng cất đa hiệu ứng nhiệt độ thấp là một trong những phương pháp tiết kiệm năng lượng nhất trong chưng cất. Do yếu tố tiết kiệm năng lượng, công nghệ chưng cất đa hiệu ứng nhiệt độ thấp đã phát triển nhanh chóng, quy mô của thiết bị đã được mở rộng và chi phí đã giảm. Xu hướng phát triển chính là tăng nhiệt độ hiệu ứng đầu tiên và khả năng tạo nước của thiết bị; sử dụng vật liệu rẻ tiền để giảm chi phí kỹ thuật, tăng nhiệt độ vận hành và cải thiện hiệu suất truyền nhiệt. Thiết bị khử muối nước biển chưng cất đa hiệu ứng nhiệt độ thấp bao gồm hệ thống cung cấp hơi nước, hệ thống phân phối nước, thiết bị bốc hơi, bể chứa nước ngọt và bể chứa nước cô đặc, trong đó đầu vào hơi thô của hệ thống cung cấp hơi nước được đặt trên thiết bị bốc hơi hiệu ứng trung gian. Phương pháp làm việc như sau: (1) Hệ thống phân phối nước phun nước biển; (2) Hơi nước thô được đưa vào ống bốc hơi của thiết bị bốc hơi hiệu ứng trung gian; (3) Hơi nước ngưng tụ trong ống bốc hơi và truyền nhiệt, và bên ngoài ống bốc hơi hấp thụ nhiệt để tạo ra sự bốc hơi; (4) Hơi nước mới được vận chuyển đến các ống bốc hơi ở cả hai bên của ống. Bên ngoài ống hấp thụ nhiệt và tạo ra sự bốc hơi; (6) Mỗi thiết bị bốc hơi hiệu ứng lặp lại quá trình bốc hơi và ngưng tụ; (7) Nước cất đi vào bể nước ngọt; (8) Nước muối cô đặc đi vào bể nước cô đặc.
Bốc hơi flash nhiều giai đoạn
Bốc hơi chớp nhoáng là hiện tượng một phần nước biển ở một nhiệt độ nhất định bốc hơi nhanh trong điều kiện áp suất giảm đột ngột. Khử muối nước biển bốc hơi chớp nhoáng nhiều giai đoạn là làm bốc hơi nước biển được đun nóng trong nhiều buồng bốc hơi chớp nhoáng với áp suất giảm dần theo lượt và ngưng tụ hơi nước để thu được nước ngọt. Thiết bị khử muối nước biển toàn cầu vẫn có sản lượng lớn nhất và công nghệ trưởng thành nhất, độ an toàn và tính linh hoạt vận hành cao với phương pháp bốc hơi chớp nhoáng nhiều giai đoạn. Nó chủ yếu được xây dựng kết hợp với các nhà máy nhiệt điện và phù hợp với các thiết bị khử muối lớn và siêu lớn. Nó chủ yếu được sử dụng ở các nước vùng Vịnh. Công nghệ bốc hơi chớp nhoáng nhiều giai đoạn đã trưởng thành và đáng tin cậy trong vận hành. Xu hướng phát triển chính là cải thiện công suất sản xuất nước của một đơn vị thiết bị, giảm mức tiêu thụ điện năng của đơn vị và cải thiện hiệu suất truyền nhiệt.
Phương pháp điện phân
Chìa khóa kỹ thuật của phương pháp này là phát triển màng trao đổi ion mới. Màng trao đổi ion là màng chức năng có độ dày {{0}}.5-1.0mm, được chia thành màng trao đổi ion dương (màng cation) và màng trao đổi ion âm (màng anion) theo độ thấm chọn lọc của nó. Điện phân là sắp xếp xen kẽ màng cation thấm chọn lọc và màng anion để tạo thành nhiều ngăn độc lập, nơi nước biển được khử muối, trong khi các ngăn liền kề được cô đặc và nước ngọt và nước cô đặc được tách ra. Điện phân không chỉ có thể khử muối nước biển mà còn được sử dụng như một phương tiện xử lý chất lượng nước để góp phần tái sử dụng nước thải. Ngoài ra, phương pháp này cũng ngày càng được sử dụng trong việc cô đặc, tách và tinh chế hóa chất, dược phẩm, thực phẩm và các ngành công nghiệp khác.
Chưng cất hơi nước
Phương pháp chưng cất là phương pháp đun nóng nước biển để đun sôi và bốc hơi, sau đó ngưng tụ hơi nước thành nước ngọt. Phương pháp chưng cất công nghệ khử muối nước biển là công nghệ khử muối sớm nhất được đưa vào ứng dụng công nghiệp. Nó được đặc trưng bởi khả năng áp dụng ngay cả trong môi trường nước biển bị ô nhiễm nghiêm trọng và có hoạt tính sinh học cao, và nước được tạo ra có độ tinh khiết cao. So với công nghệ khử muối nước biển bằng màng, phương pháp chưng cất có ưu điểm là có thể sử dụng nhiệt cấp thấp từ các nhà máy điện và các nhà máy khác, có yêu cầu thấp về chất lượng nước biển thô và có công suất sản xuất thiết bị lớn. Đây là một trong những công nghệ khử muối nước biển chủ đạo hiện nay.
Điểm sương bốc hơi
Công nghệ khử muối bay hơi điểm sương là một phương pháp mới để khử muối nước lợ và nước biển. Nó dựa trên nguyên lý làm ẩm và khử ẩm khí mang, đồng thời thu hồi nhiệt ngưng tụ và khử ẩm, và hiệu suất truyền nhiệt được kiểm soát bởi sự truyền nhiệt ở phía khí hỗn hợp. Công nghệ khử muối bay hơi điểm sương sử dụng không khí làm chất mang và tạo ra nước ngọt bằng cách làm ẩm và khử ẩm bằng nước biển hoặc nước lợ, và kết hợp quá trình khử ẩm với quá trình làm ẩm thông qua truyền nhiệt, để nhiệt ẩn của ngưng tụ được truyền trực tiếp đến buồng bốc hơi, cung cấp nhiệt ẩn của hơi hóa để bốc hơi nước muối, do đó cải thiện hiệu suất nhiệt của quá trình. Hai thiết bị khử muối bay hơi điểm sương kết hợp làm ẩm/khử ẩm với diện tích truyền nhiệt hiệu quả là 9,6 m2 và 2,75 m2 đã được thiết lập. Thiết bị thí nghiệm tương ứng và hệ thống thu thập dữ liệu máy tính đã được thiết lập. Thí nghiệm tương quan thông số và quy trình cơ bản của quá trình khử muối bằng bay hơi điểm sương và thí nghiệm khử muối bằng truyền nhiệt/truyền khối tăng cường đã hoàn thành thành công.
Đông lạnh chân không
Quá trình khử muối nước biển đông lạnh chân không bao gồm khử khí, làm lạnh sơ bộ, kết tinh bay hơi, rửa tinh thể băng, ngưng tụ hơi nước và các bước khác. Các sản phẩm nước biển khử muối có thể đáp ứng các tiêu chuẩn nước uống quốc gia và là phương pháp khử muối nước biển lý tưởng.
Phương pháp hấp phụ mới - Hấp phụ thẩm thấu không áp suất
Khử muối thẩm thấu hấp phụ không áp suất, hay "thẩm thấu ngược", cho phép nước đi qua màng xốp vào dung dịch hoặc chất rắn có chất siêu hấp thụ. Nồng độ muối thậm chí còn cao hơn nồng độ của nước biển, nhưng các loại muối đặc biệt trong dung dịch dễ bay hơi. Nó được chia thành các hướng muối rắn và muối lỏng. Giải hấp muối rắn tiêu thụ ít năng lượng hơn.
Hai phương pháp còn lại có những cải tiến và đổi mới về cấu trúc màng:
Phim ống nano cacbon là một màng phim có các lỗ nhỏ được tạo thành từ các ống nano cacbon và một màng phim khác để thẩm thấu.
Màng protein là một màng có các lỗ được tạo thành từ protein, có chức năng dẫn các phân tử nước đi qua màng tế bào của tế bào sống.
