Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) là gì trong xử lý nước?

1. Khái niệm thẩm thấu và thẩm thấu ngược

Trong lĩnh vực xử lý nước hiện đại, thẩm thấu ngược giữ vai trò then chốt và là nền tảng của công nghệ RO. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong sinh hoạt và công nghiệp. 

Để hiểu rõ hơn về các quá trình này, cùng tìm hiểu thêm:

1.1. Khái niệm thẩm thấu là gì?

Thẩm thấu là hiện tượng tự nhiên trong đó dung môi, chủ yếu là nước, di chuyển qua màng bán thấm từ môi trường có nồng độ chất tan thấp sang môi trường có nồng độ chất tan cao. Quá trình này xảy ra một cách tự phát, không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài, nhằm đưa hệ thống về trạng thái cân bằng nồng độ.

1.2. Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) là gì?

Đây là quá trình sử dụng áp suất cơ học cao để ép nước di chuyển ngược chiều tự nhiên. Từ môi trường có nồng độ chất tan cao sang môi trường có nồng độ thấp thông qua màng RO bán thấm. Khi áp suất tác động vượt qua áp suất thẩm thấu, chỉ các phân tử nước tinh khiết mới có thể xuyên qua màng. Trong khi phần lớn muối khoáng, kim loại nặng, vi khuẩn, virus và các tạp chất hòa tan khác bị giữ lại.

1.3. Sự khác biệt giữa 2 cơ chế thẩm thấu

Bản chất của thẩm thấu là quá trình tự nhiên, không cần năng lượng và luôn hướng đến sự cân bằng nồng độ. Ngược lại, thẩm thấu cơ chế ngược là quá trình nhân tạo, yêu cầu áp suất cao để ép nước di chuyển ngược chiều tự nhiên. 

Nếu thẩm thấu chỉ mang ý nghĩa sinh học và vật lý thì thẩm thấu chiều ngược mang giá trị kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn rất lớn trong ngành xử lý nước. Đây được đánh giá là giải pháp hiệu quả để loại bỏ các tạp chất, tạo ra nguồn nước tinh khiết.

2. Áp suất thẩm thấu và điều kiện xảy ra thẩm thấu ngược

Áp suất thẩm thấu là đại lượng đặc trưng cho xu hướng tự nhiên của nước di chuyển qua màng bán thấm. Khi hai dung dịch có nồng độ khác nhau được ngăn cách bởi màng bán thấm, nước sẽ tự động khuếch tán qua màng để cân bằng nồng độ. Đồng thời tạo ra một áp lực chống lại sự di chuyển tiếp theo của nước. Áp lực này chính là áp suất thẩm thấu. 

Trong xử lý nước, áp suất thẩm thấu được xem là rào cản tự nhiên cần phải vượt qua nếu muốn ép nước di chuyển theo chiều ngược lại quy luật thẩm thấu. 

• Khi áp suất tác động lên dung dịch thấp hơn áp suất thẩm thấu, nước vẫn tiếp tục di chuyển theo chiều tự nhiên từ nơi loãng sang nơi đậm đặc. 

• Khi áp suất bên ngoài tăng dần và tiến tới bằng áp suất thẩm thấu thì quá trình thẩm thấu dừng lại. 

• Khi áp suất tác động vượt quá giá trị này, nước sẽ bắt đầu di chuyển ngược chiều, tạo nên hiện tượng thẩm thấu chiều ngược.

Thẩm thấu ngược chỉ xảy ra khi hội tụ đầy đủ các điều kiện kỹ thuật nhất định. 

• Có màng bán thấm phù hợp, đủ nhỏ để chỉ cho phân tử nước đi qua và đủ bền để làm việc dưới áp suất cao. 

• Hệ thống tạo ra áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu của nước đầu vào. 

• Chất lượng nguồn nước đầu vào cũng ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện xảy ra thẩm thấu cơ chế ngược. Nước có nồng độ muối và tạp chất hòa tan càng cao thì áp suất thẩm thấu càng lớn. Khi đó, hệ thống cần áp suất vận hành cao hơn để duy trì dòng nước thẩm thấu theo chiều ngược ổn định. 

3. Nguyên lý khoa học của quá trình thẩm thấu ngược RO

Trong hệ thống lọc nước công nghiệp RO, màng RO đóng vai trò là màng bán thấm có kích thước khe lọc siêu nhỏ. Khi bơm cao áp tạo ra áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu của nguồn nước đầu vào, các phân tử nước bị ép xuyên qua cấu trúc polymer của màng RO. Các tạp chất hòa tan không đủ điều kiện đi qua màng sẽ bị giữ lại và cuốn theo dòng nước thải đậm đặc ra ngoài hệ thống.

Về mặt vật lý, quá trình thẩm thấu này không phải là sự lọc cơ học đơn thuần mà là sự khuếch tán có kiểm soát của phân tử nước dưới tác động của chênh lệch áp suất. Nước đi qua màng chủ yếu ở trạng thái phân tử, trong khi các chất hòa tan bị loại bỏ nhờ sự kết hợp giữa kích thước phân tử, điện tích và khả năng hòa tan của chúng trong cấu trúc màng. Chính đặc điểm này giúp màng có khả năng loại bỏ hầu hết các chất ô nhiễm hòa tan mà các phương pháp lọc thông thường không xử lý được.

4. Vai trò của thẩm thấu ngược trong hệ thống xử lý nước công nghệ RO

Thẩm thấu cơ chế ngược giữ vai trò nền tảng và quyết định trong toàn bộ công nghệ RO. Nếu không có cơ chế này, công nghệ RO sẽ không tồn tại.

• Cơ chế cho phép tách nước tinh khiết ra khỏi các tạp chất hòa tan trong nguồn nước đầu vào.

• Ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng nước sau lọc của hệ thống RO. 

  

• Mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ lọc RO. Nhờ khả năng vượt qua áp suất thẩm thấu cao, RO có thể xử lý nhiều loại nguồn nước khác nhau, từ nước máy, nước giếng, nước lợ cho đến nước biển... 

• Giúp công nghệ RO trở thành giải pháp xử lý nước có tính ổn định và độ tin cậy cao. Quá trình này không phụ thuộc vào phản ứng hóa học phức tạp mà dựa trên quy luật vật lý rõ ràng, có thể kiểm soát và dự đoán được. Nhờ vậy, hệ thống RO dễ dàng tự động hóa, vận hành liên tục. Hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về chất lượng nước trong sinh hoạt, công nghiệp, lọc nước y tế và nhiều lĩnh vực khác.

5. Giới hạn vật lý của quá trình thẩm thấu ngược

Mặc dù thẩm thấu chiều ngược là công nghệ xử lý nước hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, quá trình này vẫn chịu sự chi phối của những giới hạn vật lý nhất định. 

5.1. Áp suất của nguồn nước

Để xảy ra thẩm thấu cơ chế ngược, áp suất tác động phải lớn hơn áp suất thẩm thấu. Khi nồng độ chất tan trong nước tăng cao, áp suất thẩm thấu tăng theo, kéo theo yêu cầu áp suất vận hành lớn hơn. Đến một ngưỡng nhất định, việc tăng áp suất không còn hiệu quả hoặc trở nên không kinh tế do tiêu tốn năng lượng lớn và gây rủi ro cho thiết bị. Đây là lý do tại sao xử lý các nguồn nước có độ mặn cực cao luôn gặp giới hạn về mặt kỹ thuật và chi phí.

5.2. Chất lượng màng RO

Màng RO có cấu trúc polymer siêu mịn, cho phép phân tử nước đi qua nhưng không hoàn toàn tuyệt đối đối với tất cả các chất hòa tan. Một số ion rất nhỏ hoặc các phân tử có khả năng hòa tan cao vẫn có thể thẩm thấu qua màng. Đồng thời, màng chỉ có khả năng chịu áp suất và nhiệt độ trong một phạm vi nhất định. Khi vượt quá giới hạn thiết kế, cấu trúc màng có thể bị biến dạng, suy giảm khả năng lọc hoặc hư hỏng hoàn toàn.

Màng Lọc RO Công Nghiệp CSM RE8040-BE Áp Cao

Dòng màng lọc RO Công nghiệp công nghệ Nhật Bản được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới do CSM TORAY sản xuất;

XEM CHI TIẾT

5.3. Hiện tượng phân cực nồng độ

Khi nước tinh khiết liên tục đi qua màng, các chất hòa tan bị giữ lại sẽ tích tụ ở bề mặt màng. Làm tăng nồng độ cục bộ và kéo theo sự gia tăng áp suất thẩm thấu ngay tại bề mặt màng. Gây giảm động lực thẩm thấu, khiến lưu lượng nước giảm dần dù áp suất đầu vào không thay đổi. 

5.4. Hiện tượng bám bẩn và đóng cặn

Các chất hữu cơ, vi sinh vật, cặn keo và muối kết tinh có thể bám lên bề mặt màng trong quá trình vận hành. Khi lớp bám này hình thành, trở lực dòng chảy tăng lên, làm giảm khả năng thẩm thấu của nước và yêu cầu áp suất cao hơn để duy trì lưu lượng. Đây là giới hạn mang tính vật lý kết hợp với hóa lý, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu suất của màng RO.

5.5. Giới hạn về nhiệt độ

Nhiệt độ nước cao làm tăng khả năng khuếch tán của phân tử nước, nhưng đồng thời cũng làm giảm độ bền của vật liệu màng. Mỗi loại màng đều có ngưỡng nhiệt độ vận hành cho phép, nếu vượt quá giới hạn này, màng có thể bị lão hóa nhanh hoặc hư hỏng không thể phục hồi.

6. Tổng kết

Tổng hợp các yếu tố trên cho thấy, thẩm thấu ngược không phải là quá trình có thể tăng cường vô hạn bằng cách tăng áp suất hay thay đổi điều kiện vận hành. Công nghệ RO luôn tồn tại những giới hạn vật lý rõ ràng, đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất lọc, độ bền thiết bị và chi phí vận hành để đạt được hiệu quả xử lý nước tối ưu trong thực 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 →