Luận văn Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô Pilot

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô Pilot

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Quách Tất Tùng ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MÔ PILOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 07/2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Quách Tất Tùng ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÀNG KHỬ MẶN NƯỚC BIỂN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở QUY MÔ PILOT Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8 52 03 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Hướng dẫn 1: TS. Dương Công Hùng Hướng dẫn 2: TS. Trần Thị Thu Lan Hà Nội, 07/2021
3. Tôi xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Quách Tất Tùng
4. LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển sử dụng năng lượng mặt trời ở quy mô pilot.” được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của TS. Dương Công Hùng và TS. Trần Thị Thu Lan. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, từ khi nhận đề tài cho đến khi kết thúc thực nghiệm, em luôn nhận được sự quan tâm, động viên, hỗ trợ từ các thầy cô hướng dẫn. Bằng tất cả sự kính trọng, lòng biết ơn, em xin phép được gửi tới TS. Dương Công Hùng và TS. Trần Thị Thu Lan lời cảm ơn chân thành nhất. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi trường, Ban lãnh đạo Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho em được hoàn thành tốt luận văn này. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Môi trường, đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện về cơ sở vật chất và hướng dẫn em hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận văn. Em xin cảm ơn gia đình em, dù không phải là cộng sự, không cùng làm việc, nhưng gia đình luôn ở bên, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cả tinh thần và vật chất cho em được nghiên cứu khoa học!
5. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .............................................................................. 3 1.1. Các công nghệ khử mặn nước biển trên thế giới ........................................... 3 1.1.1. Các công nghệ chưng cất ............................................................................ 5 1.1.2. Công nghệ thẩm thấu ngược RO ................................................................ 8 1.1.3. Công nghệ điện thẩm tách ED .................................................................. 10 1.2. Công nghệ chưng cất màng cho khử mặn nước biển .................................. 11 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ chưng cất màng .............................. 11 1.2.2. Các cấu hình chưng cất màng ................................................................... 13 1.2.3. Màng lọc sử dụng cho quá trình chưng cất màng .................................... 16 1.2.4. Hiệu quả hoạt động của quá trình chưng cất màng khử mặn nước biển .. 17 1.2.5. Bẩn và cặn màng trong quá trình chưng cất màng ................................... 19 1.3. Các công nghệ thu hồi năng lượng mặt trời và tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời cho chưng cất màng khử mặn nước biển ở Việt Nam ............. 20 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............... 24 2.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 24 2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất ....................................................................... 27 2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 27 2.3.1. Phương pháp lấy mẫu và phân tích .......................................................... 27 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................ 28 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 32 3.1. Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển quy mô pilot với công suất 1 m3/ngày .................................................................................... 32 3.1.1. Thiết kế mô đun màng MD ...................................................................... 33 3.1.2. Thiết kế hệ thống gia nhiệt và làm lạnh ................................................... 35 3.2. Khảo sát hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển ............................................................................................................................ 39
6. 3.2.1. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm .. 39 3.2.2. Hiệu quả hoạt động của hệ thống AGMD quy mô pilot tại Đảo An Bình, Lý Sơn ....................................................................................................................... 47 3.3. Đánh giá hiệu quả năng lượng và các trở ngại kỹ thuật cần khắc phục của hệ thống .......................................................................................................................... 56 3.3.1. Đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống ............................................ 56 3.3.2. Các trở ngại kỹ thuật của hệ thống ........................................................... 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 61
7. 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AGMD Air gap membrane distillation - Chưng cất màng đệm không khí CAM Contact angle measurement - Đo góc tiếp xúc DCMD Direct contact membrane distillation - Chưng cất màng trực tiếp ED Electrodialysis - Điện thẩm tách LEP Liquid entry presssure - Áp suất ướt màng MED Multi Effect Distillation - Chưng cất đa phân đoạn MF Microfiltration - Vi lọc MSF Multi Stage Flash - Chưng cất nhanh đa bậc RO Reverse Osmosis - Thẩm thấu ngược SEC Specific energy consumption - Năng lượng tiêu thụ riêng SEM Scanning electron microscopy - Kính hiển vi điện tử quét SGMD Sweeping gas membrane distillation - Chưng cất màng khí cuốn VMD Vacuum Membrane Disitllation - Chưng cất màng chân không
8. 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Điều kiện làm việc và năng lượng tiêu thụ của các công nghệ khử mặn nước biển [7]. .................................................................................................... 7 Bảng 2. Hiệu suất chuyển đổi và hệ số thất thoát nhiệt của các loại thiết bị thu nhiệt mặt trời [32]. .......................................................................................... 21 Bảng 3. Số giờ nắng và cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau tại Việt Nam ................................................................................................................. 23 Bảng 4. Đặc trưng của nước biển lấy tại Đảo Bé, huyện đảo Lý Sơn ............ 26 Bảng 5. Các đặc tính kỹ thuật của mô đun màng lọc AGMD thương mại sản xuất bởi Aquastill, Hà Lan .............................................................................. 34 Bảng 6. Các thông số tấm phẳng thu nhiệt mặt trời ........................................ 35 Bảng 7. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD ở nhiệt độ dòng làm mát 25 oC, nhiệt độ dòng cấp 45 C và 60 C với tốc độ dòng khác nhau. ........... 40 Bảng 8. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng nóng lên công suất cất nước ở các nhiệt độ khác nhau ........................................................................ 48 Bảng 9. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dòng lạnh đối với công suất cất nước ........................................................................................................... 50 Bảng 10. Ảnh hưởng lưu lượng tuần hoàn nước tới lưu lượng nước cất và độ dẫn điện của nước cất thu được ....................................................................... 51
9. i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Phân bố sản lượng khử mặn của thế giới theo (A) khu vực và (B) công nghệ sử dụng [7]. ............................................................................................... 5 Hình 2. Quá trình khử mặn nước biển bằng công nghệ MSF [7]. .................... 6 Hình 3. Sơ đồ công nghệ quá trình MED khử mặn nước biển [7]. ................... 8 Hình 4. Nguyên lý hoạt động của một quá trình khử mặn dựa trên công nghệ RO [11]. ............................................................................................................. 9 Hình 5. Quy trình công nghệ của một quá trình khử mặn dùng công nghệ RO [6]. ..................................................................................................................... 9 Hình 6. Nguyên lý hoạt động của quá trình ED [4]. ....................................... 11 Hình 7. Nguyên lý hoạt động của quá trình MD khử mặn nước biển [24]. .... 13 Hình 8. Nguyên lý cấu tạo của bốn cấu hình MD cơ bản [11]. ...................... 15 Hình 9. Cấu tạo tấm phẳng chân không thu nhiệt. .......................................... 22 Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống chưng cất màng MD quy mô 1 m3/ngày. ........................................................................................................... 24 Hình 11. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng trong luận văn. ........................................................................................ 29 Hình 12. Hình ảnh thực tế của hệ thống AGMD ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng trong luận văn. ........................................................................................ 29 Hình 13. Hình ảnh thực của (A) mô đun màng lọc AGMD và (B) mặt cắt ngang của mô đun màng lọc AGMD. ........................................................................ 34 Hình 14. Sơ đồ điều khiển của hệ thống gia nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời và các điện trở đốt để cấp nhiệt cho hệ thống MD ở quy mô pilot. ................ 36 Hình 15. Sơ đồ hệ thống tự động hóa của hệ khử mặn nước biển MD ở quy mô pilot lắp đặt tại Đảo Bé. ................................................................................... 37 Hình 16. Hình ảnh thực tế của hệ thống chưng cất màng khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày lắp đặt tại đảo Bé, Lý Sơn. ............................................ 38
10. ii Hình 17. Hệ thống tấm thu nhiệt mặt trời để bổ sung nhiệt năng cho hệ thống chưng cất màng MD khử mặn nước biển công suất 1 m3/ngày tại Lý Sơn. ... 38 Hình 18. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD với nước cấp là dung dịch NaCl 35 g/L ở các nhiệt độ dòng cấp và lưu lượng tuần hoàn khác nhau, nhiệt độ dòng làm mát duy trì ở 25 oC. .................................................................... 39 Hình 19. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát đến thông lượng cất của quá trình AGMD với dòng cấp là dung dịch NaCl 35 g/L: (1) Nhiệt độ dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (2) Nhiệt độ dòng cấp 45 C, thay đổi lưu lượng dòng làm mát; (3) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng cấp; (4) Nhiệt độ dòng cấp 60 C, thay đổi lưu lượng dòng làm mát. ......................................................................................................................... 41 Hình 20. Sự thay đổi của thông lượng cất nước đo được theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết theo khi tăng hiệu suất thu hồi nước. Điều kiện vận hành: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát 0,3 L/ph. ................................................................................... 43 Hình 21. Hình ảnh phân tích SEM màng PTFE chưa sử dụng và màng sau khi vận hành hệ thống AGMD ở hiệu suất thu hồi nước 73%. ............................. 44 Hình 22. Thông lượng cất nước của quá trình AGMD đối với nước biển tự nhiên và nước biển đã lọc theo thời gian. Thông số vận hành hệ thống: nhiệt độ nước cấp 60 oC, nhiệt độ nước làm mát 25 oC, lưu lượng dòng cấp và dòng làm mát 0,3 L/ph. ................................................................................................... 45 Hình 23. Hình ảnh phân tích SEM đối với màng đã qua sử dụng 13 giờ với nước biển tự nhiên. Hệ thống vận hành ở nhiệt độ 60 oC đối với dòng cấp, 25 oC đối với dòng làm mát và lưu lượng của cả hai dòng cấp và làm mát là 0,3 L/ph. .......... 45 Hình 24. Góc tiếp xúc giữa nước tinh khiết với (A) màng chưa qua sử dụng và (B) màng bị cặn sau khi rửa bằng giấm ăn. .................................................... 46 Hình 25. Hình ảnh phân tích SEM bề mặt màng sau khi rửa cặn bằng giấm. 47