Hướng phát triển mới nhất của công nghệ khử muối nước biển là gì?

Một xu hướng gần đây nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất nước ngọt là sử dụng hệ thống thẩm thấu ngược nước biển (SWRO), có thể tăng tỷ lệ thu hồi tổng thể của quá trình khử muối từ mức thông thường là 40-50% lên 55-60%.

Dựa trên thử nghiệm toàn diện gần đây của các hệ thống phục hồi cao, mức tiêu thụ năng lượng của các hệ thống SWRO là 2,1 kWh/m³và 2,9 kWh/m³ở độ mặn của nước biển lần lượt là 35,000 mg/L và 43,000 mg/L.

Mức tiêu thụ năng lượng này tương đương với mức tiêu thụ năng lượng của các hệ thống SWRO truyền thống sử dụng bộ trao đổi áp suất để thu hồi nước biển, nhưng điểm khác biệt chính là phạm vi thu hồi bền vững của các hệ thống có mức thu hồi cao cao hơn 10-20%.

Thiết kế hệ thống xử lý nước và thu nước của nhà máy nước để có tỷ lệ thu hồi cao hơn có thể tiết kiệm đáng kể chi phí vốn và sản xuất nước cho các nhà máy nước mới, đồng thời có thể tăng công suất sản xuất nước ngọt của các nhà máy nước hiện có với mức đầu tư vốn tương đối thấp.
 

Xu hướng mới nhất trong nỗ lực giảm mức tiêu thụ năng lượng khử muối và chi phí sản xuất nước ngọt là phát triển màng thẩm thấu ngược có cấu trúc nano (NST) có hiệu suất truyền nước cao hơn so với các thành phần màng thông thường hiện có.

Màng NST về cơ bản là màng RO chứa các kênh nano tuyến tính riêng lẻ (ống/hạt) được nhúng ngẫu nhiên trong ma trận polyme của màng hoặc chúng có thể được tạo thành hoàn toàn từ các kênh nano cụm (ống nano).

Công nghệ màng NST đã phát triển nhanh chóng trong 10 năm qua và các màng NST mới được phát triển gần đây kết hợp các hạt nano vô cơ trong màng thông thường hoặc được làm bằng màng xốp có cấu trúc cao bao gồm các mảng ống nano dày đặc.

Các màng NST này được báo cáo là có độ thấm riêng cao hơn các màng RO thông thường ở mức tỷ lệ loại bỏ cao gần như tương đương.

Ngoài ra, màng NST có tỷ lệ bám bẩn tương đương hoặc thấp hơn so với màng RO và màng thông thường hoạt động trong cùng điều kiện và có thể được thiết kế để tăng cường khả năng chọn lọc giữ lại các ion cụ thể.

Kinh tế tuần hoàn là cách duy nhất để tăng trưởng kinh tế toàn cầu bền vững. Ví dụ, áp dụng mô hình kinh tế tuần hoàn, nước muối do các nhà máy khử muối tạo ra có thể được sử dụng làm nguồn khoáng chất có giá trị cao, chẳng hạn như canxi, magiê và natri clorua. Các nguyên tố đất hiếm - bao gồm lithium, stronti, thori và rubidi - cũng có thể được chiết xuất từ ​​nước muối.

Gần đây, áp lực từ thị trường nguyên tố đất hiếm toàn cầu đã đưa tính khả dụng và nguồn cung của kim loại hiếm lên hàng đầu trong các cuộc thảo luận về phát triển bền vững và chương trình nghị sự nghiên cứu. Những kim loại này được sử dụng để sản xuất các thành phần chính của nhiều sản phẩm, bao gồm máy bay, ô tô, điện thoại thông minh và thiết bị y sinh.

Ngày càng có nhiều nhận thức rằng việc phát triển và triển khai các công nghệ năng lượng sạch cùng các sản phẩm, quy trình và sản xuất bền vững sẽ đòi hỏi một lượng lớn kim loại quý và các nguyên tố quý, bao gồm các kim loại nhóm bạch kim như lithium, đồng, coban, bạc và vàng.

Xu hướng công nghệ mới nhất cho thấy magiê đang thay thế nhôm trong ngành công nghiệp ô tô, máy tính và điện thoại di động vì magiê nhẹ hơn 30%. Mặc dù nguồn magiê trên thế giới có hạn, nhưng nước biển chứa một lượng lớn magiê, có thể thu hồi bằng cách cô đặc trong nước muối khử muối và sau đó chiết xuất thông qua hấp phụ chọn lọc.
Trong vài năm qua, ngành công nghiệp khử muối đã phát triển nhiều công nghệ cô đặc nước muối và chiết xuất khoáng chất để có thể sản xuất các sản phẩm có giá trị thương mại từ nước muối.

Khai thác khoáng sản từ nước biển là một công việc thân thiện với môi trường hơn so với khai thác trên đất liền.

Khai thác nước biển không cần nước ngọt để xử lý và không tạo ra lượng lớn nước bị ô nhiễm hoặc chất thải cần phải xử lý.

Ngoài ra, những công nghệ cô đặc nước muối mới này có thể làm giảm đáng kể hoặc loại bỏ hoàn toàn việc xả nước muối vào đại dương.

Khi công nghệ nguồn nước muối phát triển, doanh thu từ việc khai thác thương mại các khoáng chất có giá trị cao (như magiê, liti và natri clorua nguyên chất) từ nước muối có thể bù đắp chi phí sản xuất nước khử muối, do đó biến nước khử muối từ nguồn cung cấp nước ngọt bền vững tốn kém nhất thành nguồn cung cấp nước ngọt có chi phí thấp nhất.
Việc thu hồi tài nguyên nước muối cũng có thể là chìa khóa để giải quyết thách thức về tính bền vững của năng lượng trong quá trình khử muối. Thế hệ nhà máy điện hạt nhân tiếp theo sẽ sử dụng thori và rubidi thay vì urani làm nhiên liệu hạt nhân.

Các nhà máy điện hạt nhân nhỏ có công suất từ ​​10 đến 50 megawatt có thể cung cấp điện cho các nhà máy khử muối cỡ lớn và vừa. Ưu điểm chính của nguồn năng lượng mới này là có thể chiết xuất trực tiếp một lượng lớn nguyên liệu thô từ nước muối của nhà máy khử muối. Ngoài việc dễ dàng chiết xuất từ ​​nước muối, một ưu điểm khác của các nguyên tố đất hiếm này là chúng không thể được sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân, khiến nước muối khử muối trở thành nguyên liệu thô mới cho mục đích sử dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình và mang lại lợi ích lớn hơn cho nhân loại.

Các hóa chất được sử dụng để làm sạch màng thẩm thấu ngược nước lợ và nước biển thường là các hóa chất tương tự được sử dụng trong kem đánh răng, xà phòng và chất tẩy rửa thương mại. Nước rửa ngược và nước rửa màng thường được xử lý để loại bỏ chất rắn hoặc các chất gây ô nhiễm khác trước khi được thêm vào nước cô đặc đã khử muối để xả. Các quy trình khử muối hiện đại được sử dụng trong các nhà máy khử muối hiện đại sử dụng rất ít hóa chất.

Tất cả các hóa chất được thêm vào trong các quy trình xử lý khử muối khác nhau đều là loại dùng cho thực phẩm, có thể phân hủy sinh học và được sàng lọc đặc biệt để không độc hại với sinh vật thủy sinh. Nước thải từ nhà máy khử muối cũng không độc hại và vô hại với sinh vật biển và được thiết kế để phân hủy nhanh chóng mà không gây ra những thay đổi vĩnh viễn cho hệ sinh thái biển xung quanh.

Gần đây, quá trình khử muối đã chuyển sang khử muối không dùng hóa chất và thu hồi các khoáng chất có giá trị cùng kim loại hiếm từ nước cô đặc, với mục tiêu khử muối trở thành một trong những giải pháp cung cấp nước bền vững và thân thiện với môi trường nhất của thế kỷ này.

Trong năm năm qua, nhiều quốc gia có nhà máy khử muối lớn, chẳng hạn như Úc, Tây Ban Nha, Ả Rập Xê Út và các khu vực khác ở Trung Đông, đã bắt đầu triển khai các chương trình khử muối xanh toàn diện nhằm mục đích giảm lượng và loại hóa chất được sử dụng trong quá trình sản xuất khử muối. Các kế hoạch này sẽ tận dụng những tiến bộ mới nhất trong công nghệ khử muối và nghiên cứu để cuối cùng chuyển đổi tất cả các cơ sở hiện có thành các nhà máy khử muối không có hóa chất.

Các nhà máy khử muối trước đây đã sử dụng natri hypoclorit để khử trùng nước đầu vào nhằm ức chế sự phát triển của các sinh vật biển trong đường ống đầu vào và trên màng thẩm thấu ngược.

Hầu hết các nhà điều hành nhà máy khử muối đã từ bỏ phương pháp này gần một thập kỷ trước và hiện chỉ sử dụng clo một hoặc hai lần một tháng, mỗi lần kéo dài từ 6 đến 8 giờ.

Ngoài ra, một số người quản lý nhà máy khử muối không sử dụng bất kỳ chất khử trùng nào cho nước biển đầu vào vì họ thích sử dụng hệ thống xử lý trước của nhà máy khử muối để kiểm soát tình trạng bám bẩn sinh học hơn là hóa chất.

Sắt clorua và sắt sunfat hiện là chất keo tụ được sử dụng phổ biến nhất để xử lý sơ bộ nước biển. Trước đây, các hóa chất này được thêm vào với tốc độ không đổi và với lượng tương đối cao.

Ngành công nghiệp khử muối đã áp dụng phương pháp giám sát tự động hàm lượng chất rắn trong nước biển và tự động điều chỉnh liều lượng chất keo tụ theo tỷ lệ với hàm lượng chất rắn lơ lửng thực tế trong nước.

Hầu hết các nhà máy trên thế giới đã áp dụng chiến lược vận hành này trong 10 năm qua, giảm lượng chất đông tụ sử dụng xuống còn một nửa so với trước đây.

Cho đến một thập kỷ trước, nhiều nhà máy khử muối vẫn sử dụng axit và chất keo tụ để tối ưu hóa quá trình xử lý nước.

Ngày nay, hầu hết các nhà máy khử muối tiên tiến và các kỹ sư giàu kinh nghiệm không còn sử dụng axit và chất keo tụ để xử lý sơ bộ nữa mà dựa vào các hệ thống và hoạt động xử lý sơ bộ được tối ưu hóa để quản lý hóa chất xử lý nước.

Cho đến năm 2010, chất chống đóng cặn và natri hydroxit thường được sử dụng trong nhiều nhà máy khử muối, chủ yếu để ngăn ngừa đóng cặn do loại bỏ bo khỏi nước khử muối. Năm 2011, Tổ chức Y tế Thế giới đã tăng giới hạn hướng dẫn đối với bo trong nước uống từ 0,5 mg/L lên 2,4 mg/L và kể từ đó, hầu hết các nhà máy khử muối đã ngừng bổ sung natri hydroxit và chất chống đóng cặn.

Bước tiếp theo trong việc áp dụng các công nghệ mới không chứa hóa chất và dựa trên năng lượng tái tạo là xử lý nước khử muối bằng canxi chiết xuất từ ​​nước muối, thay vì sử dụng các hợp chất canxi có bán trên thị trường như vôi.

Tách muối ra khỏi nước biển đòi hỏi một lượng lớn năng lượng để vượt qua áp suất thẩm thấu tự nhiên trên màng thẩm thấu ngược. Mặc dù lượng khí thải carbon khi sản xuất nước uống từ nước khử muối cao hơn so với sản xuất nước uống từ các nguồn nước ngọt truyền thống, nhưng vẫn thấp hơn các hoạt động khác của con người giúp cải thiện chất lượng cuộc sống, chẳng hạn như làm lạnh thực phẩm, đun nước tắm, lái xe riêng hoặc đi máy bay.

Hiện nay, hầu hết các nhà máy khử muối đều sử dụng nhiên liệu hóa thạch để tạo ra điện. Tuy nhiên, một số dự án điện gió gần đây ở Úc đã được triển khai tại các nhà máy khử muối SWRO, tạo ra lượng điện tương đương với lượng điện mà các nhà máy khử muối sử dụng. Một số quốc gia Trung Đông và Bắc Phi đã chủ động phát triển danh mục các nhà máy điện năng lượng tái tạo mạnh mẽ để cung cấp điện cho quá trình khử muối.

Trong khi khám phá các giải pháp thay thế năng lượng tái tạo, các trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới tại Hoa Kỳ, Ả Rập Xê Út và Châu Âu đang phát triển một thế hệ thiết bị thu hồi năng lượng, máy bơm áp suất cao và màng mới nhằm mục đích giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng của quá trình khử muối xuống dưới 2,45 kWh/m³và nhu cầu năng lượng của quá trình khử muối thẩm thấu ngược xuống dưới 1,8 kWh/m³. Những tiến bộ này sẽ giúp giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải carbon của các nhà máy khử muối hơn 30%.

Kể từ khi bộ trao đổi áp suất đầu tiên được giới thiệu vào năm 2001, công nghệ đột phá này đã tăng hiệu suất thu hồi năng lượng khử muối từ 75% lên 96%. Tuy nhiên, vẫn còn cơ hội để tăng hiệu suất thu hồi năng lượng lên mức tối đa lý thuyết là 99%.