Thẩm thấu ngược RO (reverse osmosis) – bước tiến vượt bậc trong công nghiệp xử lý nước

        Năm 1960 phòng thí nghiệm chuyển đổi nước biển (Saline Water Conversion Laboratory) do Joseph W. McCutchan đứng đầu đã thành công trong việc dùng công nghệ màng RO (Reverse Osmosis) để xử lý nước sinh hoạt. Thành công của dự án này là xây dựng nhà máy nước RO tại Coalinga, California năm 1965, nhà máy được đưa vào sử dụng và đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của cả thế giới. Công nghệ thẩm thấu ngược RO tiếp tục có những cải tiến nhiều lần với các chất liệu vượt trội trong thế kỷ 21 để đáp ứng tình trạng thiếu nước ngọt khắp nơi trên thế giới. Hàng loạt ngành công nghiệp đã hưởng lợi từ công nghệ này. Người ta ứng dụng màng lọc RO từ ngành sản xuất thực phẩm, dược phẩm, cho tới thu hồi kim loại quý và tái chế nước thải. Lịch sử Thẩm thấu ngược được chính thức khởi nguồn từ thế kỷ 18. Đến nay, nhiều bằng chứng ghi nhận nhà vật lý thực hành người Pháp, thành viên Viện Hàn lâm Paris, Jean-Antoine Noilett là nhân vật đầu tiên nghiên cứu và sử dụng thuật ngữ Thẩm thấu ngược vào năm 1748.

        Thẩm thấu xuất hiện khi các dung dịch có nồng độ khác nhau được ngăn cách bởi một màng bán thấm. Khi đó trên toàn bộ màng ngăn sẽ xuất hiện một áp suất thủy lực từ phía dung dịch có nồng độ cao sang phía có nồng độ thấp hơn. Áp lực thẩm thấu sẽ tỷ lệ thuận với sự chênh lệch về nồng độ giữa hai dung dịch. Để chuyển ngược hướng của dòng thẩm thấu ngược thì phải dùng những áp lực bên ngoài. Thẩm thấu ngược chính là sự chuyển nước từ dung dịch đậm đặc hơn sang một dung dịch loãng hơn qua một màng nhờ tác dụng lên dung dịch đặc hơn một áp suất lớn hơn hiệu áp suất thẩm thấu giữa hai dung dịch đó.

        Hoạt động của màng RO theo một cơ chế ngược lại với các cơ chế lọc thẩm thấu thông thường, nhờ lực hấp dẫn của trái đất để tạo ra sự thẩm thấu của các phân tử nước qua các mao mạch của lõi lọc (chẳng hạn như lõi lọc dạng gốm Ceramic). Màng lọc RO hoạt động trên cơ chế chuyển động của các phần tử nước nhờ áp lực nén của máy bơm cao áp tạo ra một dòng chảy mạnh (đây có thể gọi là quá trình phân ly trong chính dòng nước ở môi trường bình thường nhờ áp lực) đẩy các thành phần hóa học, các kim loại, tạp chất..có trong nước chuyển động mạnh, văng ra vùng có áp lực thấp hay trôi theo dòng nước ra ngoài theo đường thải (giống như nguyên lý hoạt động của thận người). Trong khi ấy các phân tử nước thì lọt qua các mắt lọc cỡ kích cỡ 0,001 micromet nhờ áp lực dư, với kích cỡ mắt lọc này thì hầu hết các thành phần hóa chất kim loại, các loại vi khuẩn đều không thể lọt qua.
 
         Công nghệ thẩm thấu ngược sử dụng một loại màng bán thấm có hàng triệu lỗ tí hon, cho phép nước biển đi qua. Với công nghệ RO, để xử lý nước biển với nồng độ muối 35.000 mg/L thành nước đạt yêu cầu dùng cho sinh hoạt (nồng độ muối không vượt quá 250 mg/L) thì cần cung cấp áp lực tổng cộng là 60-100 atm. Phần lớn công nghệ loại này sử dụng một tiến trình được gọi là dòng giao nhau, cho phép màng liên tục tự làm sạch. Khi một số nước biển đi qua màng, phần còn lại tiếp tục xuôi dòng, cuốn theo các chất hoặc sinh vật bị cản ra khỏi màng. Tiến trình cần một lực đẩy để đẩy nước đi qua màng và lực phổ biến nhất là áp lực từ bơm. Áp lực càng cao, lực đẩy càng lớn. Công việc tách các ion được trợ giúp bởi các hạt nhiễm điện. Điều đó có nghĩa là các ion bị hoà tan song mang điện tích, như muối, chắc chắn bị đẩy khỏi màng so với những ion không nhiễm điện như các chất hữu cơ. Điện tích và hạt càng lớn, khả năng bị đẩy càng cao.
Cơ chế của quá trình là do sự loại bỏ tĩnh điện và sức căng của điện môi trên bề mặt phân cách, điều này dẫn đến những phân tử có kích thước nhỏ hơn so với kích thước những lỗ trên màng sẽ được giữ lại. Đối với quá trình lọc nước sinh hoạt, sản xuất thực, nếu như chiều dày của lớp phân tử nước bị hấp phụ bằng hay lớn hơn nửa đường kính mao quản của màng thì dưới tác dụng của áp suất thì chỉ có nước sạch đi qua, mặc dù kích thước của nhiều ion nhỏ hơn kích thước của phân tử nước. Các màng hydrate của các ion này đã cản trở không cho chúng đi qua mao quản của màng. Kích thước lớp màng hydrate của các ion khác nhau sẽ khác nhau.
            Ứng dụng phổ biến nhất hiện nay của phương pháp lọc thẩm thấu ngược là trong công nghệ xử lý nước. Nhà máy lọc nước biển lớn nhất ở Ả-Rập Xê-út sản xuất hơn 1 tỷ m³/năm và là nước sản xuất nước ngọt từ nước biển lớn nhất thế giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống hiện nay của đất nước cũng như cung cấp cho các trung tâm đô thị và công nghiệp thông qua mạng lưới đường ống dài hơn 3.700km. Nhiều nhà máy mới đang được triển khai và sẽ đưa tổng số nhà biến nước biển thành nước ngọt lên gần 30. Ở Mỹ, Anh, Canada đã xây dựng và đưa vào vận hành nhiều nhà máy lọc nước sử dụng công nghệ RO. Tại các nước Đông Nam Á, Singapose là một trong những nước tiên phong trong việc áp dụng công nghệ này, hiện nay công nghệ thẩm thấu ngược đã đáp ứng 10-30% nhu cầu nước sinh hoạt của người dân.
            Trong ngành công nghệ thực phẩm việc ứng dụng công nghệ RO đã loại bỏ các yếu tố gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm như: vi khuẩn, muối, kim loại nặng, nitrate, chloroform, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng, chất nhuộm, trihalomethanes, các chất hữu cơ khác và những thành phần có trọng lượng hơn 150-250 dalton. Thẩm thấu ngược cũng đã được ứng dụng để loại bỏ các tạp chất nhằm cải thiện màu, mùi vị và các tính chất của dung dịch nước ép trái cây. Qúa trình cô đặc trong ngành công nghiệp chế biến sữa và nước ép trái cây cũng mang lại hiệu quả cao đặc biệt hạn chế sự biến đổi các thành phần dinh dưỡng trong thực phẩm.
 

Nhà máy lọc nước biển lớn nhất thế giới ở Ả rập Xê-út

        Những ưu điểm của phương pháp thẩm thấu ngược RO:
       - RO loại bỏ trên 90% vi khuẩn, kết hợp với thiết bị đèn cực tím UV; nước đã qua xử lý không còn virus và vi khuẩn gây bệnh, an toàn tuyệt đối khi sử dụng.
        - RO loại bỏ tất cả các chất nguy hại và các hoá chất tìm thấy trong nước ngầm, nước sông, nước mặt…
 

Vận chuyển các chất trong nước biển qua hệ thống màng lọc

 
        - Phương pháp RO hoàn toàn không sử dụng clorin trong quá trình khử trùng, do đó an toàn với người sử dụng.
            Hệ thống thẩm thấu ngược Hydro-Pure dùng làm sạch nước (kể cả nước biển) với lưu lượng dòng vào dao động từ 100 gallon/ngày đến 140000 gallon/ngày.
 

 

Hệ thống thẩm thấu ngược Hydro-Pure

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. NICHOLAS P. CHEREMISINOF. Membrane seperation technology. In: Handbook of Water and Wastewater Treatment Technology. Boston: Butterworth and Heinemann, 2002.
2. TAYLOR J.S., and E.P. JACOBS. Nanofiltration and reverse osmosis. In: Water Treatment Membrane Process. New York: McGraw- Hill, 1996.