6 hiện tượng đặc trưng trong hệ thống lọc nước công nghiệp RO là gì?

1. Giới thiệu chung về các hiện tượng trong hệ thống lọc nước công nghiệp RO

Hệ thống lọc nước công nghiệp RO được nhìn nhận như một giải pháp lọc nước hiệu quả dựa trên màng bán thấm. Tuy nhiên, nếu chỉ xem RO là một quá trình lọc cơ học đơn thuần thì đó là cách hiểu chưa đầy đủ và dễ dẫn đến sai lầm trong thiết kế cũng như vận hành. Trên thực tế, hệ thống RO là một tổ hợp phức tạp của nhiều hiện tượng vật lý, hóa học và thủy động lực xảy ra đồng thời trong suốt quá trình vận hành.

Chính các hiện tượng này quyết định hiệu suất lọc, độ ổn định của hệ thống và tuổi thọ của màng RO. Việc hiểu đúng bản chất và mối liên hệ giữa các hiện tượng trong hệ thống là nền tảng quan trọng để thiết kế hệ thống phù hợp. Các hiện tượng trong hệ RO có thể được phân nhóm thành:

• Hiện tượng vật lý

• Hiện tượng hóa học 

• Hiện tượng sinh học

Trong đó mỗi nhóm đều có vai trò và mức độ ảnh hưởng khác nhau nhưng liên kết chặt chẽ với nhau.

2. Các hiện tượng đặc trưng xảy ra ở hệ thống lọc nước công nghiệp RO 

Trong số các hiện tượng xảy ra ở máy lọc nước công nghiệp RO, có những hiện tượng mang tính nền tảng, xuất hiện ngay từ khi hệ thống bắt đầu vận hành và đóng vai trò kích hoạt cho nhiều hiện tượng khác. 

2.1. Hiện tượng phân cực nồng độ (Concentration Polarization)

Phân cực nồng độ xảy ra trực tiếp tại bề mặt màng RO, nơi dòng nước được ép đi qua màng bán thấm. Khi nước thẩm thấu qua màng, các ion và chất hòa tan không thể đi qua sẽ bị giữ lại và tích tụ tại lớp ranh giới giữa màng và dòng nước.

Quá trình này làm cho nồng độ ion tại bề mặt màng cao hơn đáng kể so với nồng độ trong dòng nước chính. Sự gia tăng nồng độ cục bộ này tạo ra áp suất thẩm thấu cục bộ cao hơn, làm giảm chênh áp hiệu dụng tác động lên màng. Kết quả là lưu lượng nước tinh khiết giảm dần dù áp suất vận hành không thay đổi. Mặt khác, khi nồng độ ion tại bề mặt màng tăng cao, nguy cơ kết tinh muối vô cơ và bám bẩn màng tăng lên đáng kể. 

Mức độ phân cực nồng độ chịu ảnh hưởng mạnh từ thiết kế và vận hành hệ thống. Bao gồm: tốc độ dòng chảy ngang màng, cấu trúc module màng và tỷ lệ thu hồi nước. Nếu tỷ lệ thu hồi nước quá cao hoặc dòng chảy không đủ mạnh, phân cực nồng độ sẽ diễn ra nghiêm trọng hơn.

2.2. Hiện tượng fouling - Bám bẩn màng RO 

Fouling là hiện tượng tích tụ các vật chất không mong muốn trên bề mặt màng RO trong quá trình vận hành. Đây là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây suy giảm hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống lọc nước RO. Fouling không xảy ra tức thời mà hình thành dần theo thời gian, bắt đầu từ sự hấp phụ của các chất lên bề mặt màng.

Trong thực tế, fouling có thể xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau. 

• Fouling cơ học xảy ra khi các hạt lơ lửng, bùn, cát mịn hoặc chất rắn chưa được loại bỏ hoàn toàn trong tiền xử lý bám lên màng. 

• Fouling hữu cơ liên quan đến sự tích tụ của các hợp chất hữu cơ hòa tan có khả năng bám dính cao. 

• Fouling sinh học xảy ra khi vi sinh vật bám và phát triển trên bề mặt màng, tạo tiền đề cho biofouling.

Cơ chế fouling bắt đầu từ sự hấp phụ bề mặt, sau đó hình thành một lớp màng thứ cấp phủ lên lớp hoạt động của màng RO. Lớp này cản trở dòng nước đi qua màng, làm giảm lưu lượng nước tinh khiết và tăng chênh áp. Khi fouling phát triển, hệ thống buộc phải tăng áp suất vận hành để duy trì công suất, kéo theo tiêu thụ năng lượng cao hơn và làm màng RO suy giảm nhanh chóng.

2.3. Hiện tượng scaling - Đóng cặn vô cơ

Scaling là hiện tượng kết tinh và lắng đọng các muối vô cơ trên bề mặt màng ở hệ thống lọc nước công nghiệp RO. Khác với fouling, scaling liên quan trực tiếp đến sự vượt ngưỡng hòa tan của các muối trong điều kiện nồng độ và pH nhất định. Các loại cặn phổ biến trong hệ thống RO bao gồm: canxi cacbonat, canxi sunfat, silica và các muối kim loại khác.

Điều kiện hình thành scaling thường gắn liền với nồng độ ion cao tại bề mặt màng, pH thay đổi và tỷ lệ thu hồi nước cao. Phân cực nồng độ đóng vai trò thúc đẩy quá trình scaling khi làm tăng nồng độ cục bộ của các ion dễ kết tinh. 

Tác động của scaling đối với hệ thống RO là rất nghiêm trọng. Các lớp cặn vô cơ gây tắc nghẽn màng, làm giảm mạnh lưu lượng nước tinh khiết và có thể dẫn đến hư hỏng không phục hồi nếu scaling kéo dài. 

2.4. Hiện tượng oxy hóa màng RO

Màng RO thường được chế tạo từ vật liệu polyamide, có độ chọn lọc cao nhưng lại nhạy cảm với các chất oxy hóa mạnh. Hiện tượng oxy hóa màng xảy ra khi màng tiếp xúc với clo dư hoặc các chất oxy hóa khác trong nước cấp. Dù chỉ với nồng độ thấp, các chất này cũng có thể phá vỡ cấu trúc polymer của lớp hoạt động.

Cơ chế oxy hóa dẫn đến sự phá hủy không hồi phục của màng RO. Cấu trúc vi mô bị tổn thương làm màng mất khả năng chọn lọc, cho phép ion và tạp chất đi qua dễ dàng hơn. Dấu hiệu điển hình của hiện tượng oxy hóa là TDS nước sau RO tăng lên nhanh chóng và hiệu suất loại bỏ ion giảm rõ rệt dù lưu lượng có thể không thay đổi nhiều.

Điểm đặc biệt nguy hiểm của hiện tượng oxy hóa là tính không thể phục hồi. Khi màng RO đã bị oxy hóa, việc rửa màng hay điều chỉnh vận hành đều không thể khôi phục lại hiệu suất ban đầu, buộc phải thay thế màng mới.

2.5. Hiện tượng biofouling - Bám sinh học

Biofouling là hiện tượng vi sinh vật phát triển và bám trên bề mặt màng RO, hình thành lớp màng sinh học hay biofilm. Hiện tượng này thường xảy ra khi trong nước còn tồn tại chất hữu cơ, nhiệt độ phù hợp cho vi sinh phát triển và điều kiện dòng chảy không đủ mạnh để cuốn trôi vi sinh.

Biofilm không chỉ tạo ra lớp cản vật lý làm giảm lưu lượng mà còn giữ lại các chất dinh dưỡng, tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh tiếp tục sinh sôi. Khi biofouling phát triển, hệ thống phải vận hành ở áp suất cao hơn, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và đối mặt với nguy cơ nhiễm vi sinh sau RO nếu biofilm bị bong tróc.

2.6. Hiện tượng sụt áp và mất cân bằng thủy lực

Chênh áp, hay pressure drop, là hiện tượng sụt áp giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống RO. Trong điều kiện vận hành bình thường, chênh áp tồn tại ở mức ổn định. Tuy nhiên, khi fouling, scaling hoặc tắc nghẽn dòng chảy xảy ra, chênh áp sẽ tăng lên đáng kể.

Sụt áp lớn làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống và tăng tải cho bơm cao áp. Nếu thiết kế thủy lực không tối ưu hoặc phân phối dòng chảy không đều giữa các module màng, hiện tượng mất cân bằng thủy lực có thể khiến một số màng chịu tải quá lớn, dẫn đến suy giảm cục bộ và lan rộng ra toàn hệ thống.

3. Mối liên hệ giữa các hiện tượng trong hệ RO

• Phân cực nồng độ → fouling → scaling

• Fouling → sụt áp → tăng tiêu hao năng lượng

• Oxy hóa → suy giảm không phục hồi

• Tính chất dây chuyền của các hiện tượng RO

Các hiện tượng trong hệ thống lọc nước công nghiệp RO không tồn tại độc lập mà có mối quan hệ dây chuyền chặt chẽ. 

• Phân cực nồng độ tạo điều kiện cho fouling và scaling phát triển. 

• Fouling làm tăng chênh áp, kéo theo sụt áp và tăng tiêu hao năng lượng. 

• Scaling và oxy hóa gây suy giảm nghiêm trọng, trong đó oxy hóa là dạng suy giảm không thể phục hồi.

4. Ý nghĩa của việc hiểu rõ các hiện tượng đặc trưng trong RO

Hiểu rõ các hiện tượng đặc trưng trong hệ lọc nước RO là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế hệ thống phù hợp. Xây dựng chuỗi tiền xử lý hiệu quả và thiết lập chế độ vận hành tối ưu. Kiến thức này giúp người vận hành nhận diện sớm các dấu hiệu bất thường, đưa ra biện pháp kiểm soát kịp thời và kéo dài tuổi thọ màng RO.

Trong dài hạn, việc kiểm soát tốt các hiện tượng RO giúp giảm chi phí năng lượng, chi phí thay thế màng và đảm bảo chất lượng nước đầu ra ổn định.

5. Kết luận

Các hiện tượng trong hệ thống lọc nước công nghiệp RO là bản chất không thể tránh khỏi của công nghệ thẩm thấu ngược. RO hiệu quả không phải là RO không có hiện tượng, mà là RO được thiết kế và vận hành để kiểm soát tốt các hiện tượng đó. Việc nắm rõ các hiện tượng chính là hiểu được cốt lõi của công nghệ RO và là chìa khóa để xây dựng các hệ thống lọc nước công nghiệp bền vững, hiệu quả và kinh tế.

Biên tập bởi

Senior Nguyễn Minh
⭐⭐⭐⭐

Chuyên gia nội dung với hơn 5 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực tư vấn và lắp đặt hệ thống lọc nước RO công nghiệp tại Kensi.

Thông tin tác giả →