Khử mặn nước biển có hai đường chính: chưng cất, tức đun cho nước bốc hơi rồi ngưng lại để muối ở lại; và thẩm thấu ngược (RO), tức dùng áp suất cao ép nước xuyên qua màng lọc mà muối không qua được. Chưng cất cho nước rất sạch và chịu được nước biển bẩn, nhưng tốn nhiều năng lượng nhiệt; thẩm thấu ngược tốn ít năng lượng hơn hẳn nên chiếm phần lớn các nhà máy xây mới, đổi lại phải xử lý nước đầu vào kỹ và thay màng định kỳ.
Nước biển mặn tới mức nào
Nước biển khơi chứa trung bình khoảng 35 gam muối hoà tan trong mỗi lít, tức khoảng 35.000 mg/L, chủ yếu là natri clorua, kèm magie, canxi, sunfat, kali và một ít bo. Nước uống được chấp nhận khi tổng chất rắn hoà tan dưới khoảng 1.000 mg/L, và ngon miệng hơn khi dưới vài trăm. Như vậy, khử mặn phải bỏ đi khoảng 99% lượng muối.
Biển ven bờ, cửa sông thì loãng hơn, còn vùng biển nóng, khép kín như vịnh Ba Tư hay Biển Đỏ lại mặn hơn, có nơi trên 40 g/L. Độ mặn đầu vào quyết định áp suất cần thiết cho thẩm thấu ngược và lượng nước thu được từ mỗi mét khối nước biển.
Khử mặn bằng chưng cất: dùng nhiệt nhiều lần
Ý tưởng chưng cất nước biển rất cũ: thủy thủ thời thuyền buồm đã biết hứng hơi nước ngưng trên nắp nồi. Cái khó ở quy mô nhà máy là năng lượng. Muốn hoá hơi một kilôgam nước cần khoảng 2.260 kJ, gấp hơn năm lần nhiệt để đun nó từ 0 lên 100 °C. Nếu chỉ đun một lần rồi bỏ nhiệt ngưng tụ đi, một mét khối nước ngọt sẽ tốn lượng nhiệt tương đương vài trăm kWh, không nhà máy nào chịu nổi.
Bí quyết của chưng cất công nghiệp là dùng lại nhiệt ngưng tụ nhiều lần. Có ba kiểu phổ biến:
Chưng cất nhanh nhiều cấp (MSF)
Nước biển được đun nóng tới khoảng 90–120 °C rồi chảy lần lượt qua hàng chục buồng, mỗi buồng có áp suất thấp hơn buồng trước. Vì áp suất giảm, một phần nước "bùng hơi" (flash) ngay khi vào buồng. Hơi bay lên chạm vào chùm ống chứa nước biển lạnh đang đi ngược chiều, ngưng lại thành nước ngọt, đồng thời hâm nóng chính nước biển đầu vào. MSF bền, chịu được nước biển nhiều cặn, đã chạy hàng chục năm ở vùng Vịnh, nhưng tốn nhiệt.
Chưng cất nhiều hiệu ứng (MED)
Nước biển được phun thành màng mỏng lên ống nóng trong một chuỗi buồng. Hơi sinh ra ở buồng đầu đi vào ống của buồng thứ hai làm nguồn nhiệt, ngưng lại ở đó và làm nước biển bên ngoài sôi; hơi buồng thứ hai lại nuôi buồng thứ ba. Mỗi buồng sau áp suất thấp hơn nên sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Một kilôgam hơi nóng ban đầu có thể tạo ra nhiều kilôgam nước ngọt. MED thường chạy dưới khoảng 70 °C, ít đóng cặn hơn MSF.
Nén hơi (MVC, TVC)
Hơi sinh ra được nén lại bằng máy nén cơ học hoặc bằng bộ phun hơi, để nóng hơn một chút, rồi quay lại làm nguồn nhiệt cho chính thiết bị đó. Loại nén hơi cơ học chạy bằng điện, hợp với khu nghỉ dưỡng, giàn khoan, tàu biển cần vài chục tới vài trăm mét khối mỗi ngày.
Nhiều nhà máy chưng cất ở Trung Đông đặt cạnh nhà máy điện, dùng hơi thấp áp thải ra từ tuabin. Nhiệt đó vốn sẽ bị bỏ đi, nên tổng thể vẫn hiệu quả.
Thẩm thấu ngược: ép nước đi ngược chiều tự nhiên
Thẩm thấu là hiện tượng nước tự đi qua màng bán thấm từ phía loãng sang phía đặc. Với nước biển, "lực kéo" đó tương đương áp suất khoảng 27 bar. Nếu ép phía nước biển bằng áp suất lớn hơn con số này, nước sẽ đi ngược lại, từ phía mặn sang phía ngọt, còn muối bị giữ lại. Trên thực tế, các nhà máy RO nước biển chạy ở khoảng 55–80 bar, gấp hàng chục lần áp suất trong lốp xe máy.
Màng RO là lớp polyamit siêu mỏng cuộn xoắn trong ống áp lực. Mỗi lượt qua màng thường thu được khoảng 40–50% lượng nước biển thành nước ngọt; phần còn lại là nước muối đậm đặc (brine) xả trở lại biển.
Bước ngoặt giúp RO thắng thế là thiết bị thu hồi năng lượng. Dòng nước muối đậm đặc đi ra vẫn còn gần như nguyên áp suất; các bộ trao đổi áp suất truyền áp suất đó sang nước biển đầu vào, thu hồi phần lớn năng lượng bơm. Nhờ vậy, điện năng của một nhà máy RO nước biển hiện đại xuống còn khoảng 3–4 kWh cho mỗi mét khối nước ngọt.
Cái giá của RO: tiền xử lý
Màng RO rất nhạy. Bùn, tảo, dầu, vi khuẩn bám vào màng làm tắc và hỏng nhanh. Vì thế trước RO là cả một dây chuyền: lưới chắn rác, keo tụ, lọc cát nhiều lớp hoặc siêu lọc, lọc tinh, châm hoá chất chống đóng cặn. Mùa tảo nở hoa, nhiều nhà máy RO phải giảm công suất. Chưng cất ít bị ảnh hưởng hơn vì nước biển không phải đi qua lỗ nhỏ nào.
So sánh chưng cất và thẩm thấu ngược
| Tiêu chí | Chưng cất (MSF, MED) | Thẩm thấu ngược (RO) |
|---|---|---|
| Nguyên lý | Bay hơi rồi ngưng tụ | Áp suất ép nước qua màng bán thấm |
| Dạng năng lượng chính | Nhiệt (hơi nước), cộng điện cho bơm | Điện cho bơm cao áp |
| Năng lượng tham khảo | Nhiệt rất lớn; điện vài kWh/m³ cho bơm | Khoảng 3–4 kWh điện/m³ với thu hồi năng lượng |
| Độ sạch nước ra | Rất thấp muối, thường dưới vài chục mg/L | Thường vài trăm mg/L sau một lượt, có thể lọc thêm lượt hai |
| Chịu nước biển xấu | Tốt | Kém, cần tiền xử lý kỹ |
| Bảo trì chính | Đóng cặn, ăn mòn ống | Thay màng sau vài năm, vệ sinh màng |
| Quy mô hợp lý | Nhà máy lớn có sẵn nhiệt thải | Từ máy nhỏ trên đảo tới nhà máy hàng trăm nghìn m³/ngày |
Theo các thống kê ngành khử mặn quốc tế, RO đã chiếm phần lớn tổng công suất lắp đặt trên thế giới, và gần như mọi nhà máy mới ngoài vùng Vịnh đều chọn RO. Chưng cất vẫn đứng vững ở nơi có nhiệt thải rẻ hoặc cần nước cực sạch cho lò hơi.
Nước khử mặn chưa uống được ngay
Nghe lạ nhưng nước từ chưng cất quá sạch để đưa thẳng vào đường ống. Nước thiếu khoáng sẽ "đói", hoà tan canxi trong vữa và kim loại trong ống, gây ăn mòn và làm nước có vị nhạt, khó chịu. Vì thế các nhà máy đều có bước tái khoáng hoá: cho nước chảy qua lớp đá vôi hoặc châm vôi và CO₂ để bổ sung canxi, chỉnh độ pH, sau đó khử trùng.
Với RO, một vấn đề riêng là bo. Bo trong nước biển tồn tại dưới dạng axit boric trung hoà, lọt qua màng nhiều hơn muối thông thường. Bo cao không tốt cho một số cây trồng, nên nhà máy RO cấp nước tưới thường phải thêm lượt lọc thứ hai ở pH cao để giữ bo lại.
Nước muối thải và môi trường biển
Dù chưng cất hay RO, mỗi mét khối nước ngọt đều đi kèm khoảng một tới vài mét khối nước muối đậm đặc. Nước muối nặng hơn nước biển, nếu xả không khéo sẽ lắng thành lớp mặn dưới đáy, ảnh hưởng sinh vật đáy và cỏ biển. Nhà máy chưng cất còn xả nước ấm hơn môi trường. Cách làm phổ biến là xả qua ống khuếch tán ra xa bờ để nước muối hoà loãng nhanh, kèm quan trắc định kỳ. Hoá chất chống đóng cặn, chống bám bẩn trong nước xả cũng là thứ cơ quan môi trường theo dõi.
Góc nhìn hôm nay: khử mặn ở Việt Nam và những gì nên biết
Ở Việt Nam, khử mặn chủ yếu là các hệ thống RO quy mô nhỏ và vừa: cấp nước cho đảo, khu nghỉ dưỡng ven biển, tàu, giàn khoan, và những vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long bị xâm nhập mặn mùa khô. Nhiều trạm ở vùng hạn mặn xử lý nước lợ (nước ngầm, nước sông nhiễm mặn) chứ không phải nước biển đầy đủ, nên áp suất và điện năng thấp hơn nhiều.
Nếu gia đình ở vùng nhiễm mặn tìm hiểu máy lọc RO, nên hỏi rõ máy thiết kế cho nước lợ hay nước biển, độ mặn đầu vào tối đa là bao nhiêu, tỷ lệ thu hồi nước và lịch thay lõi. Máy lọc RO gia đình dành cho nước máy không xử lý được nước biển. Còn những chiếc "nồi cất nước bằng mặt trời" chỉ cho vài lít mỗi ngày trên mỗi mét vuông, hợp với tình huống khẩn cấp hơn là nguồn nước chính.
Câu hỏi thường gặp
Khử mặn nước biển bằng chưng cất là gì?
Đó là cách đun nóng nước biển để nước bốc hơi, sau đó ngưng tụ hơi thành nước ngọt, còn muối ở lại trong phần nước còn lại. Nhà máy thực tế dùng nhiều buồng nối tiếp để tận dụng nhiệt ngưng tụ nhiều lần, như các kiểu MSF và MED.
Thẩm thấu ngược khác chưng cất thế nào?
Thẩm thấu ngược không đun sôi nước mà dùng áp suất khoảng 55–80 bar ép nước biển qua màng bán thấm, giữ muối lại. Cách này tốn ít năng lượng hơn chưng cất nhưng đòi hỏi tiền xử lý kỹ để bảo vệ màng.
Khử mặn một mét khối nước biển tốn bao nhiêu điện?
Nhà máy thẩm thấu ngược hiện đại có thiết bị thu hồi năng lượng thường tốn khoảng 3–4 kWh điện cho mỗi mét khối nước ngọt. Chưng cất tốn chủ yếu năng lượng nhiệt, lớn hơn nhiều, nên thường đặt cạnh nhà máy điện để dùng nhiệt thải.
Uống nước khử mặn có an toàn không?
Nước khử mặn từ nhà máy đạt chuẩn là an toàn, vì đã được tái khoáng hoá, chỉnh pH và khử trùng trước khi cấp. Nước cất nguyên chất từ thiết bị chưng cất chưa qua bước tái khoáng thì không dùng làm nguồn nước uống hằng ngày.
Máy lọc RO gia đình có lọc được nước biển không?
Không. Máy RO gia đình được thiết kế cho nước máy hoặc nước giếng ít khoáng, chạy ở áp suất thấp. Nước biển cần hệ thống RO chuyên dụng với bơm cao áp và màng riêng.
