Công nghệ nào được sử dụng trong quá trình khử muối?

Tóm tắt: Trước tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu ngày càng trầm trọng và sự gia tăng dân số, khử mặn nước biển Công nghệ đã trở thành giải pháp cốt lõi cho an ninh nguồn nước tại các vùng khô cằn. Bài viết này lấy công nghệ thẩm thấu ngược làm điểm khởi đầu, phân tích một cách có hệ thống nguyên lý hoạt động của quá trình khử mặn nước biển, đồng thời thảo luận về những ưu điểm công nghệ, lợi ích môi trường và giá trị kinh tế của nó, kết hợp với các trường hợp điển hình và dữ liệu có thẩm quyền trên toàn thế giới. Bài viết trích dẫn báo cáo mới nhất của Hiệp hội Khử muối Quốc tế (IDA) và các tổ chức khác để chỉ ra con đường đổi mới công nghệ thông qua so sánh đa chiều, cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý bền vững tài nguyên nước.

Các nguyên lý và quy trình kỹ thuật trong khử muối

1. Công nghệ thẩm thấu ngược: một bước đột phá mang tính cách mạng trong lĩnh vực lọc vi mô

Thẩm thấu ngược (RO) hiện là công nghệ khử muối phổ biến nhất, với nguyên lý cốt lõi là đẩy nước biển đi qua màng bán thấm bằng áp suất cao. Như đã trình bày tại Nhà máy Khử muối Perth, quy trình này bao gồm ba giai đoạn:

• Xử lý sơ bộ: Lọc nhiều lớp để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và vi sinh vật (kích thước lên đến 5 micron);
• Phương pháp tách màng: ở áp suất 60–80 bar, màng polyamide có kích thước lỗ 0,0001 micron giữ lại 99,71% lượng muối;
• Sau xử lý: Bổ sung khoáng chất để điều chỉnh độ pH, đảm bảo chất lượng nước đáp ứng các tiêu chuẩn nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO).

2. Quá trình bay hơi đa giai đoạn: Mở rộng quy mô sản xuất dựa trên nhiệt

Công nghệ Multi-stage flash (MSF) làm bay hơi và ngưng tụ nước biển bằng cách giảm áp suất theo từng giai đoạn. Lấy dự án Jubail III của Ả Rập Xê Út làm ví dụ, công suất 900.000 tấn/ngày của dự án này dựa vào nhiệt thải từ nhà máy điện hạt nhân, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng lên 40%. So với công nghệ RO, công nghệ MSF phù hợp hơn để kết hợp với các dự án đồng phát điện (Bảng 1).

So sánh các công nghệ khử muối phổ biến và quá trình khai hoang đất.

Các chỉ số	Thẩm thấu ngược (RO)	Quá trình bay hơi đa giai đoạn (MSF)
Mức tiêu thụ năng lượng (kWh/m³)	3-4	10-15
Mức độ mặn áp dụng	35.000 ppm	50.000 ppm
Chi phí đầu tư	Trung bình Thấp	Cao
Độ phức tạp trong bảo trì	Thấp	Cao

 Thực tiễn toàn cầu: Từ quốc gia sa mạc đến các dự án kỹ thuật quy mô lớn

a. Mô hình Trung Đông: Đổi mới sáng tạo kết hợp trong lĩnh vực năng lượng và khử mặn

Ả Rập Xê Út đã xây dựng mạng lưới khử muối lớn nhất thế giới thông qua chương trình “Tầm nhìn 2030”, sản xuất hơn 7 triệu mét khối nước ngọt mỗi ngày, trong đó 60% được sản xuất bằng công nghệ RO. Dự án Tawil tại Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất (công suất sản xuất hàng ngày là 900.000 tấn) sử dụng các mô-đun màng thép không gỉ duplex chống ăn mòn do CEC phát triển, với tỷ lệ khử muối đạt 99,91%.

b. Đóng góp của Trung Quốc: Bước đột phá kép về công nghệ và năng lực sản xuất

Trung Quốc đã xây dựng các dự án tiêu biểu như đảo Liuheng, thành phố Zhoushan (36.000 tấn/ngày) và Dongjiakou, thành phố Qingdao (100.000 tấn/ngày), v.v. Cơ sở khử muối Vịnh Bột Hải dự kiến đi vào hoạt động vào năm 2025 sẽ áp dụng công nghệ kết hợp “năng lượng hạt nhân + RO”, và sản lượng nước cung cấp hàng năm dự kiến sẽ đạt 120 triệu mét khối.

Cân bằng giữa môi trường và kinh tế: Thách thức và giải pháp

1. Tác động sinh thái của việc xả nước muối cô đặc

Độ mặn của nước muối cô đặc sau khi khử muối có thể lên tới 70.000 ppm, đòi hỏi phải tăng cường quá trình hòa trộn với nước biển thông qua các thiết bị khuếch tán. Dự án Ashkelon tại Israel sử dụng hệ thống xả đa điểm để giảm độ chênh lệch độ mặn xuống mức chỉ còn 3% so với nước biển tự nhiên.

2. Chuyển đổi sang mô hình tiêu thụ năng lượng ít carbon

Dự án Thành phố Mới NEOM tại Ả Rập Xê Út kết hợp sản xuất điện mặt trời và lưu trữ năng lượng bằng trọng lực để giảm mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình khử muối xuống còn 2,8 kWh/m³. Theo ước tính của IDA, nếu ngành khử muối toàn cầu áp dụng triệt để năng lượng tái tạo, lượng khí thải carbon hàng năm có thể giảm được 120 triệu tấn.

Triển vọng tương lai: Sự phát triển công nghệ và hội nhập công nghiệp

a. Khám phá tiên phong về thẩm thấu thuận và màng graphene

Hệ thống FO-MBC do MIT phát triển tận dụng sự chênh lệch áp suất thẩm thấu để thực hiện quá trình khử muối, với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn 30% so với công nghệ RO. Màng graphene có hiệu suất lọc ion cao gấp 5 lần so với các vật liệu truyền thống và hiện đang ở giai đoạn thử nghiệm. .

b. Khai thác toàn diện các nguồn tài nguyên hóa học từ nước biển

Các doanh nghiệp Trung Đông khai thác brom, magiê và các nguyên tố khác từ nước muối cô đặc, với giá trị gia tăng đạt 1.400,5 USD/m³. Tổ hợp “khử muối – hóa chất muối” do SWCC xây dựng tại Ả Rập Xê Út thu hồi hơn 2 triệu tấn natri clorua mỗi năm.

Tối ưu hóa quyết định dựa trên dữ liệu

1. Hệ điều hành thông minh

Dự án DEWA tại Dubai điều chỉnh áp suất màng lọc và lưu lượng theo thời gian thực thông qua các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI), giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị thêm 20%. Nền tảng bản sao kỹ thuật số của dự án mô phỏng sự biến động công suất trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt và cải thiện tốc độ phản ứng trong quá trình ra quyết định lên 50%.

2. Giảm chi phí và mở rộng thị trường

Trong thập kỷ qua, chi phí khử muối bằng công nghệ RO đã giảm từ 1,41–1,5 USD/m³ xuống còn 0,5–0,7 USD/m³. Thị trường khử muối toàn cầu dự kiến sẽ vượt mốc 30 tỷ USD vào năm 2027, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 8,41%.

Kết luận

Công nghệ khử muối, từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng công nghiệp, không chỉ thay đổi diện mạo nguồn nước ở các vùng khô cằn mà còn thúc đẩy sự đổi mới liên ngành trong lĩnh vực năng lượng xanh, vật liệu mới và điều khiển thông minh. Với những tiến bộ công nghệ và sự hỗ trợ từ chính sách, thành tựu khoa học và công nghệ “lấy nước từ biển” này sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển bền vững của nhân loại. Như Chủ tịch Hiệp hội Nước Quốc tế đã nói: “Kỹ thuật khử muối không phải là một lựa chọn mà là một điều cần thiết – đó là sợi dây liên kết màu xanh giữa nền văn minh đại dương và nền văn minh lục địa.”