Lọc thẩm thấu ngược là gì

Lọc thẩm thấu ngược  hay còn được gọi là lọc RO là quá trình khử khoáng hoặc khử ion nước bằng cách đẩy nó dưới áp lực thông qua màng thẩm thấu ngược bán thấm.

Màng bán thấm là màng cho phép một số nguyên tử hoặc phân tử đi qua nhưng không phải là khác nguyên tử khác.

Màng thẩm thấu ngược là màng bán thấm cho phép các phân tử nước đi qua nhưng không phải là phần lớn các muối hòa tan, chất hữu cơ, vi khuẩn và pyrogens. Quá trình đẩy nước qua màng thẩm thấu ngược được thực hiện bằng cách tạo áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu tự nhiên để khử muối (khử khoáng hoặc khử ion) cho phép nước tinh khiết đi qua trong khi giữ lại phần lớn chất gây ô nhiễm.

Dưới đây là sơ đồ phác thảo quá trình thẩm thấu ngược. Khi áp suất được sử dụng, các phân tử nước bị ép qua màng bán thấm và các chất ô nhiễm không được phép đi qua

Làm thế nào lọc thẩm thấu ngược hoạt động

Lọc thẩm thấu ngược hoạt động bằng cách sử dụng bơm cao áp để tăng áp lực lên mặt RO và buộc nước qua màng RO bán thấm, để lại gần như tất cả (khoảng 95 % đến 99%) muối hòa tan trong nước. Lượng áp suất cần thiết phụ thuộc vào nồng độ muối của nước cấp. Nước cấp càng đậm đặc, càng có nhiều khoáng chất hòa tan, càng cần nhiều áp lực để vượt qua áp suất thẩm thấu.

Nước khử muối được khử khoáng hoặc khử ion là nước tinh khiết còn dòng nước mang theo các chất ô nhiễm không đi qua màng RO được gọi là dòng thải.

Khi nước cấp vào màng RO dưới áp suất (đủ áp suất để vượt qua áp suất thẩm thấu) các phân tử nước đi qua màng bán thấm, muối và các chất gây ô nhiễm khác không được phép đi qua và được thải qua dòng thải chảy ra hoặc có thể được đưa trở lại nguồn cấp nước trong một số trường hợp được tái chế thông qua hệ thống RO để tiết kiệm nước.

Lọc RO là lọc chéo nơi các chất ô nhiễm được thu thập trong môi trường lọc. Với lọc chéo, dung dịch đi qua bộ lọc với 2 đầu ra: nước được lọc đi 1 chiều và nước bị ô nhiễm đi theo một cách khác. Để tránh tích tụ các chất gây ô nhiễm, lọc dòng chảy chéo cho phép nước quét sạch chất gây ô nhiễm tích tụ và cũng cho phép đủ nhiễu loạn để giữ cho bề mặt màng sạch

Lọc thẩm thấu ngược lọc RO có thể loại bỏ những chất gây ô nhiễm nào

Thẩu thấu ngược có khả năng loại bỏ tới 99% muối hòa tan (ion), 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). Một màng thẩm thấu ngược 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 khả năng bị loại bỏ bởi hệ thống RO đang hoạt động đúng. Tương tự như vậy, điện tích ion của chất gây ô nhiễm càng lớn thì càng có nhiều khả năng nó sẽ không thể đi qua màng RO. Đây là lý do tại sao một hệ thống lọc RO không loại bỏ tốt các khí như CO₂ vì chúng không bị ion hóa (tích điện) cao trong khi ở trong dung dịch và có trọng lượng phân tử rất thấp. Do hệ thống RO không loại bỏ khí, nước thấm có thể có độ PH thấp hơn một chút so với mức PH bình thường tùy thuộc vào mức CO₂ trong nước cấp khi chúng được chuyển thành axit cacbonic.

Lọc thẩm thấu ngược lọc RO rất hiệu quả trong việc xử lý nước lợ, nước mặt và nước ngầm cho đủ loại công suất.

Các ngành công nghiệp sử dụng nước RO bao gồm dược phẩm, nước cấp nồi hơi, thực phẩm, đồ uống, xi mạ và sản xuất chất bán dẫn.

Hiệu suất lọc thẩm thấu ngược lọc RO và tính toán thiết kế hệ thống lọc RO

Có một số tính toán được sử dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống lọc RO cũng như xem xét thiết kế hệ thống lọc RO. Một hệ thống lọc RO có thiết bị hiển thị chất lượng, lưu lượng, áp suất và đôi khi các dữ liệu khác như nhiệt độ hoặc giờ hoạt động. Để đo chính xác hiệu suất của hệ thống lọc thẩm thấu ngược lọc RO cần tối thiểu các tham số sau:

• Áp suất nước
• Áp lực thấm
• Áp suất cô đặc
• Độ dẫn
• Độ dẫn điện thấm
• Lưu lượng nước cấp
• Dòng chảy thấm
• Nhiệt độ

% loại bỏ muối

Phương trình này cho biết hiệu quả của màng RO đang loại bỏ các chất gây ô nhiễm. Nó không cho biết mỗi màng hoạt động như thế nào mà là trung bình toàn bộ hệ thống đang hoạt động như thế nào. Một hệ thống lọc thẩm thấu ngược lọc RO được thiết kế tốt với màng RO hoạt động tốt sẽ loại bỏ 95% đến 99% hầu hết các chất gây ô nhiễm nước cấp.

Có thể xác định hiệu quả của màng RO loại bỏ các chất gây ô nhiễm bằng cách sử dụng phương trình sau:

Tỷ lệ % loại bỏ muối= (Độ dẫn điện của nước cấp – Độ dẫn điện của nước thấm)*100/Độ dẫn điện của nước cấp

Tỷ lệ % loại bỏ muối càng cao, hệ thống hoạt động càng tốt. Nếu tỷ lệ này thấp có nghĩa là các màng RO này cần phải làm sạch hoặc thay thế.

Tỷ lệ % muối có trong nước tinh khiết

Đây chỉ đơn giản là nghịch đảo của việc loại bỏ ở phương trình trên. Đây là lượng muối tính theo % đi qua màng RO. Tỷ lệ này càng thấp, hệ thống càng hoạt động tốt. Nếu tỷ lệ này cao có nghĩa là các màng này cần được làm sạch hoặc thay thế.

Tỷ lệ % nước tinh khiết

Là % nước được thu hồi dưới dạng nước tinh khiết, tỷ lệ này càng cao tức là nước tinh khiết thu được cao và ít nước thải. Tuy nhiên nếu tỷ lệ này quá cao so với thiết kế RO thì nó có thể dẫn đến các vấn đề lớn hơn do lỗi.

Tỷ lệ % nước tinh khiết được thiết lập với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế có tính đến nhiều yếu tố như chỉ tiêu hóa học của nước cấp và tiền xử lý RO. Do đó % nước tinh khiết thích hợp của hệ thống RO tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Bằng cách tính này, có thể nhanh chóng xác định xem hệ thống có hoạt động ngoài thiết kế hay không.

Tính toán % nước tinh khiết = (Tốc độ dòng chảy thấm GPM*100)/Tốc độ dòng chảy cấp GPM

Ví dụ: Nếu tỷ lệ nước tinh khiết là 75% thì điều này có nghĩa là cứ 100 gallon nước cấp vào hệ thống RO, 75 gallon nước tinh khiết thu được và 25 gallon nước thoát theo đường thải. Các hệ thống RO công nghiệp thường có tỷ lệ % nước tinh khiết từ 50 – 85% tùy thuộc vào đặc điểm của nước cấp và các cân nhắc thiết kế khác.

Nồng độ muối và chất ô nhiễm trong dòng thải

Nồng độ khoáng chất trong dòng thải là phương trình quan trọng cho thiết kế hệ thống RO. Càng thu hồi nhiều nước tinh khiết, lượng muối và chất ô nhiễm trong dòng thải càng nhiều. Điều này có thể dẫn đến tiềm năng cao nhân rộng trên bề mặt màng RO khi hệ số nồng độ quá cao đối với thiết kế hệ thống và thành phần nước cấp

Hệ số nồng độ muối và chất ô nhiễm trong dòng thải = 1/(1 -tỷ lệ % nước tinh khiết)

Khía niệm này không khác gì so với lò hơi hoặc tháp giải nhiệt. Cả 2 đều có nước tinh khiết thoát khỏi hệ thống (hơi nước) và cuối cùng để lại một dung dịch với các muối. Khi nồng độ ác muối tăn lên, giới hạn độ hòa tan có thể bị vượt quá và kết tủa trên bề mặt thiết bị.

Ví dụ: Nếu lưu lượng nước cấp là 100 GPM, lưu lượng thấm là 75GPM thì tỷ lệ nước tinh khiết là 75%. Để tìm hệ số nồng độ, công thức sẽ là: 1/(1-75%)=4.

Hệ số nồng độ là 4 có nghĩa là nước thải chứa hàm lượng muối gấp 4 lần nước cấp.

Cân bằng khối lượng

Một phương trình cân bằng khối lượng được sử dụng để xác định xem lưu lượng và thiết bị có đọc đúng hay không. Nếu thiết bị không đọc chính xác thì dữ liệu hiệu suất đang thu thập là vô ích. Các dữ liệu sau cần thu thập từ hệ thống RO:

• Lưu lượng nước cấp GPM
• Lưu lượng thấm GPM
• Dòng thải GPM
• Độ dẫn điện của nước cấp
• Độ dẫn điện của nước sau lọc
• Độ dẫn điện của dòng thải

Phương trình cân bằng khối lượng là:

(Lưu lượng nước cấp * Độ dẫn điện của nước cấp)= (Lưu lượng thấm * Độ dẫn điện của nước sau lọc)+ (Dòng thải * Độ dẫn điện của dòng thải)

Nếu phương trình không cân bằng thì tính toán sự khác biệt

(Chênh lệch/tổng )*100

Sự chênh lệch từ ±5 đến 10% là đủ. Chênh lệch >±10% là không thể chấp nhận được và việc hiệu chuẩn thiết bị RO là bắt buộc.

Tiền xử lý cho lọc RO lọc thẩm thấu ngược

Tiền xử lý bằng cách sử dụng cả phương pháp xử lý cơ học và hóa học là rất quan trọng đối với hệ thống RO để ngăn ngừa sự tắc nghẽn, cặn, và ngăn chặn việc hỏng màng RO sớm gây tốn kém và yêu cầu làm sạch thường xuyên.

Các vấn đề phổ biến mà hệ thống RO gặp phải do thiếu tiền xử lý

Ô nhiễm tích tụ trên bề mặt màng

Vấn đề xảy ra khi các chất ô nhiễm tích tụ trên bề mặt màng. Có nhiều chất gây ô nhiễm trong nước cấp thành phố dẫn đến sụt áp cao hơn trên hệ thống RO và lưu lượng thấm thấp hơn. Điều này dẫn đến chi phí vận hành cao hơn và cuối cùng cần làm sạch hoặc thay thế màng RO sớm hơn. Tuy nhiên bằng thiết bị tiền xử lý thích hợp sẽ giảm thiểu vấn đề này.

Các chất ô nhiễm có thể tích tụ bao gồm:

1. Vật liệu hạt hoặc keo (bụi bẩn, bùn, đất sét …)
2. Chất hữu cơ (axit humic, fulvic …)
3. Vi sinh vật (vi khuẩn,…): Vi khuẩn là một trong những vấn đề ô nhiễm phổ biến nhất. Các vi sinh vật thường phát triển và nhân lên trên bề mặt màng, chúng có thể tạo thành các màng sinh học bao phủ bề mặt màng và dẫn đến tình trạng màng bị ô nhiễm nặng

Để ngăn ngừa tình trạng bị tắc màng, các phương pháp lọc cơ học được sử dụng. Phương pháp phổ biến nhất để ngăn ngừa sự tắc nghẽn là sử dụng bộ lọc đa phương tiện hoặc vi lọc, trong một số trường hợp sử dụng các lõi lọc là đủ.

Cặn bám trên màng RO

Khi một số hợp chất hòa tan ngày càng nhiều và kết tủa trên bề mặt màng RO làm giảm áp suất của hệ thống RO, lượng muối đi qua cao hơn (loại bỏ muối ít hơn), lưu lượng thấm thấp và chất lượng nước thấm thấp hơn. Một ví dụ về cặn bám trên màng RO là canxi cacbonat

Hóa chất làm hỏng màng RO

Màng RO không chịu được clo hoặc chloramine. Các chất oxy hóa như clo sẽ làm hỏng kích thước lọc của màng. Kết quả là dòng chảy thấm cao hơn và lượng muối đi qua cao hơn. Đây là lý do tại sao vi sinh vật phát triển trên màng RO có xu hướng làm hôi màng RO dễ dàng vì không có chất diệt khuẩn để ngăn chặn sự phát triển của nó.

Giải pháp tiền xử lý cho hệ thống lọc RO lọc thẩm thấu ngược

Lọc đa phương tiện

Bộ lọc đa phương tiện được sử dụng giúp ngăn chặn sự tắc nghẽn của hệ thống RO. Bộ lọc đa phương tiện thường chứa nhiều lớp vật liệu lọc như than hoạt tính, cát, hạt mangan …

Bộ lọc đa phương tiện được vận hành tốt có thể loại bỏ các hạt xuống tới 15 -20micron. Với các bộ lọc đa phương tiện bổ sung thêm chất keo tụ (tạo ra các hạt nhỏ liên kết với nhau để tạo thành các hạt đủ lớn để lọc) có thể loại bỏ các hạt nhỏ xuống còn 5 -10 micron.

Vi lọc

Vi lọc có hiệu quả trong việc loại bỏ chất keo và vi khuẩn có kích thước lọc chỉ 0,1 – 10 micron. Vi lọc là hữu ích trong việc giảm tiềm năng gây ô nhiễm cho màng RO.

Chất ức chế và chất ức chế cáu cặn

Chất ức chế và chất ức chế cáu cặn là các hóa chất có thể được thêm vào nước cấp trước một hệ thống RO để giúp giảm tiềm năng hình thành cáu cặn của nước cấp. Các chất này làm tăng giới hạn hòa tan của các hợp chất vô cơ. Bằng cách tăng giới hạn độ hòa tan có thể cô đặc muối hơn mức có thể và do đó đạt được tốc độ thu hồi cao hơn và chạy ở hệ số nồng độ cao hơn. Các chất này hoạt động bằng cách can thiệp vào sự hình thành cáu cặn và tăng trưởng tinh thể.

Việc lựa chọn sử dụng chất ức chế cáu cặn để sử dụng và liều lượng chính xác phụ thuộc vào chất lượng hóa học của nước cấp và thiết kế hệ thống RO.

Làm mềm nước bằng trao đổi ion

Một bộ làm mềm nước bằng trao đổi ion có thể được sử dụng để giúp ngăn chặn sự co giãn trong hệ thống RO bằng cách trao đổi các ion hình thành cặn với các ion không hình thành cặn. Cũng giống như với bộ lọc đa phương iện, sau bộ làm mềm nước phải có bộ lọc cartridge 5 micron.

Bổ sung natri bisulfite

Bằng cách thêm natri bisulfite là chất khử vào dòng nước trước RO với liều lượng thích hợp có thể loại bỏ clod ư trong nước

Bộ lọc than hoạt tính

Bộ lọc than hoạt tính được sử dụng cho cả việc loại bỏ các thành phần hữu cơ và chất khử trùng còn lại (như clod ư và chloramine) khỏi nước. Than hoạt tính sẽ loại bỏ clod ư và chloramine bằng phản ứng hóa học liên quan đến việc chuyển các electron từ bề mặt than hoạt tính sang cho clo dư hoặc chloramine. Clo hoặc chloramine còn dưới dạng ion clorua không còn là chất oxy hóa.

Chuẩn hóa dữ liệu RO

Các màng RO là trái tim của hệ thống RO và các điểm dữ liệu nhất định cần được thu thập để xác định tình trạng của màng RO. Các điểm dữ liệu này bao gồm áp lực hệ thống, dòng chảy, chất lượng và nhiệt độ. Nhiệt độ nước tỷ lệ thuận với áp suất. Khi nhiệt độ nước giảm, nó trở nên nhớt hơn và dòng chảy RO sẽ giảm xuống vì nó đòi hỏi nhiều áp lực hơn để đẩy nước qua màng. Tương tự như vậy khi nhiệt độ nước tăng, lưu lượng thấm RO sẽ tăng. Do đó dữ liệu hiệu suất cho hệ thống RO phải được chuẩn hóa.

Các dòng, áp suất và tỷ lệ loại bỏ muối phải được tính toán, vẽ biểu đồ và so sánh với dữ liệu cơ sở (khi RO được vận hành hoặc sau khi màng được làm sạch hoặc thay thế) để giúp khắc phục mọi sự cố cũng như để xác định khi nào cần làm sạch hoặc kiểm tra màng  do hư hại

Khi nào cần làm sạch màng RO

Màng RO cần được làm sạch định kỳ 1 – 4 lần một năm tùy thuộc chất lượng nước cấp. Theo nguyên tắc chung nếu áp suất giảm bình thường hoặc tỷ lệ muối ở dòng thải tăng 15% là đến lúc cần làm sạch màng RO.

Làm sạch màng RO liên quan đến chất tẩy rửa PH thấp và cao để loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi màng. Cáu cặn và chất hữu cơ được xử lý bằng chất tẩy rửa PH thấp, keo và màng sinh học được xử lý bằng chất tẩy PH cao