Giải thích các phương pháp lọc nước khác nhau

Một số phương pháp lọc nước được sử dụng hiện nay

Phương pháp lọc nước chưng cất

Chưng cất là một trong những phương pháp lọc nước lâu đời nhất. Để chưng cất, nước đầu tiên được đun đến sôi. Sau đó, hơi nước bốc lên bình ngưng, nơi nước làm mát làm giảm nhiệt độ để hơi nước được ngưng tụ, thu gom và lưu trữ. Hầu hết các chất gây ô nhiễm ở lại trong bình pha lỏng. Tuy nhiên, ngay cả trong nước cất, đôi khi vẫn có thể tìm thấy ‘vật liệu kèm theo’. Các chất hữu cơ như thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu, có nhiệt độ sôi thấp hơn 100 °C, không thể được loại bỏ một cách hiệu quả và thực sự có thể trở nên cô đặc trong nước sản phẩm. Quá trình chưng cất cũng tốn kém vì nó đòi hỏi một lượng lớn năng lượng và nước và rất chậm để tạo ra nước sạch. Thiết bị cũng sẽ chiếm một lượng lớn không gian cho một hộ gia đình.

Một nhược điểm khác của nước cất là nó có thể có tính axit rất cao (độ pH thấp), do đó nó phải được chứa trong thủy tinh. Vì không còn lại nhiều sau khi chưng cất, nên nước cất thường được gọi là nước “đói”. Nó thiếu oxy và khoáng chất và có vị nhạt, đó là lý do tại sao nó chủ yếu được sử dụng trong các quy trình công nghiệp. Để bảo quản, nước cất tốt hơn nên đựng trong lọ thủy tinh đậy kín nắp.

Bảng 1. Chưng cất

Ưu điểm	Nhược điểm
Loại bỏ nhiều loại chất gây ô nhiễm Có thể tái sử dụng	Một số chất gây ô nhiễm có thể được đưa vào thiết bị ngưng tụ Yêu cầu bảo dưỡng cẩn thận để đảm bảo độ tinh khiết Tiêu thụ một lượng lớn năng lượng Hệ thống thường chiếm một không gian lớn trên quầy

Phương pháp lọc nước trao đổi ion

Quá trình trao đổi ion làm thấm nước thông qua vật liệu nhựa hình cầu giống như hạt (nhựa trao đổi ion). Các ion trong nước được trao đổi cho các ion khác cố định trên các hạt. Hai phương pháp trao đổi ion phổ biến nhất là làm mềm và khử ion .

Làm mềm được sử dụng chủ yếu như một phương pháp tiền xử lý để giảm độ cứng của nước trước khi xử lý thẩm thấu ngược (RO). Chất làm mềm có chứa các hạt trao đổi hai ion natri cho mỗi ion canxi hoặc magiê được loại bỏ khỏi nước “làm mềm”.

Các hạt khử ion (DI) trao đổi ion hydro cho cation hoặc ion hydroxyl cho anion. Nhựa trao đổi cation, được làm bằng styren và divinylbenzen có chứa các nhóm axit sulfonic, sẽ trao đổi ion hydro cho bất kỳ cation nào mà chúng gặp phải (ví dụ: Na +, Ca ++, Al +++). Tương tự, nhựa trao đổi anion, được làm bằng styren và chứa các nhóm amoni bậc bốn, sẽ trao đổi ion hydroxyl cho bất kỳ anion nào (ví dụ, Cl-). Ion hydro từ bộ trao đổi cation hợp nhất với ion hydroxyl của bộ trao đổi anion để tạo thành nước tinh khiết.

Các loại nhựa này có thể được đóng gói trong các bộ trao đổi lớ riêng biệt với các đơn vị riêng biệt cho các lớp trao đổi cation và anion. Hoặc, chúng có thể được đóng gói trong bộ trao đổi lớp hỗn hợp có chứa hỗn hợp của cả hai loại nhựa. Trong cả hai trường hợp, nhựa phải được “tái sinh” sau khi nó đã trao đổi tất cả các ion hydro và / hoặc hydroxyl của nó cho các chất gây ô nhiễm tích điện trong nước. Sự tái sinh này đảo ngược quá trình thanh lọc, thay thế các chất gây ô nhiễm liên kết với nhựa DI bằng các ion hydro và hydroxyl.

Khử ion có thể là một thành phần quan trọng của hệ thống lọc nước tổng thể khi được sử dụng kết hợp với các phương pháp khác sẽ được thảo luận ở phần sau như lọc RO và hấp phụ cacbon. Hệ thống DI loại bỏ hiệu quả các ion, nhưng chúng không loại bỏ hiệu quả hầu hết các chất hữu cơ hoặc vi sinh vật. Vi sinh vật có thể bám vào nhựa, cung cấp môi trường nuôi cấy để vi khuẩn phát triển nhanh chóng và tạo pyrogen sau đó. Những ưu điểm và nhược điểm của công nghệ này được tóm tắt dưới đây.

Bảng 2. Khử ion

Ưu điểm	Nhược điểm
Loại bỏ các chất vô cơ hòa tan một cách hiệu quả. Có thể tái sinh (khử ion hóa dịch vụ). Đầu tư vốn ban đầu tương đối rẻ	Không loại bỏ hiệu quả các hạt, chất gây sốt hoặc vi khuẩn. Giường DI có thể tạo ra các hạt nhựa và vi khuẩn nuôi cấy. Chi phí vận hành cao trong dài hạn.

Phương pháp hấp phụ cacbon

Hấp thụ cacbon là một phương pháp xử lý nước lọc tại nhà được sử dụng rộng rãi vì khả năng cải thiện chất lượng nước bằng cách loại bỏ các vị, mùi bất lợi và clo. Than hoạt tính có hiệu quả loại bỏ nhiều hóa chất và khí, và trong một số trường hợp, nó có thể có hiệu quả chống lại vi sinh vật. Tuy nhiên, nói chung nó sẽ không ảnh hưởng đến tổng chất rắn hòa tan, độ cứng hoặc kim loại nặng. Chỉ một số hệ thống lọc carbon đã được chứng nhận để loại bỏ chì, amiăng  u nang và coliform. Có hai loại hệ thống lọc carbon, mỗi loại đều có ưu và nhược điểm: than hoạt tính dạng hạt và carbon dạng khối rắn. Cả hai phương pháp này đều hoạt động hiệu quả như một phần của hệ thống lọc nước toàn nhà. Hai phương pháp này cũng có thể hoạt động cùng với hệ thống thẩm thấu ngược (hệ lọc nước RO).

Than hoạt tính được tạo ra từ nhiều loại vật liệu gốc carbon khác nhau trong quá trình nhiệt độ cao tạo ra một ma trận gồm hàng triệu lỗ xốp và đường nứt cực nhỏ. Một pound than hoạt tính cung cấp cho mọi nơi từ 60 đến 150 mẫu diện tích bề mặt. Các lỗ bẫy các hạt cực nhỏ và các phân tử hữu cơ lớn, trong khi các khu vực bề mặt được kích hoạt bám vào hoặc hấp phụ các phân tử hữu cơ nhỏ.

Khả năng của bộ lọc than hoạt tính để loại bỏ một số vi sinh vật và một số hóa chất hữu cơ, đặc biệt là thuốc trừ sâu, THM (sản phẩm phụ của clo), trichloroethylen (TCE) và PCB, phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như loại carbon và lượng được sử dụng, thiết kế của bộ lọc và tốc độ dòng nước, bộ lọc đã được sử dụng trong bao lâu và các loại tạp chất mà bộ lọc trước đó đã loại bỏ.

Quá trình hấp phụ carbon được điều khiển bởi đường kính của các lỗ xốp trong bộ lọc carbon và tốc độ khuếch tán của các phân tử hữu cơ qua các lỗ xốp. Tốc độ hấp phụ là một hàm của trọng lượng phân tử và kích thước phân tử của các chất hữu cơ. Một số cacbon dạng hạt nhất định loại bỏ cloramin một cách hiệu quả. Carbon cũng loại bỏ clo tự do và bảo vệ các phương tiện thanh lọc khác trong hệ thống có thể nhạy cảm với chất oxy hóa như clo.

Carbon thường được sử dụng kết hợp với các quá trình xử lý khác. Vị trí của cacbon trong mối quan hệ với các thành phần khác là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi thiết kế hệ thống lọc nước.

Bảng 3. Hấp phụ cacbon

Ưu điểm	Nhược điểm
Loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan và clo hiệu quả.	Tuổi thọ cao (công suất cao). Có thể tạo ra tiền phạt carbon.

Phương pháp lọc cơ bản vi xốp

Có ba loại lọc vi xốp: độ sâu, giàn và bề mặt. Bộ lọc sâu là các sợi hoặc vật liệu đã được mài nhẵn được nén để tạo thành một ma trận giữ lại các hạt bằng cách hấp phụ hoặc quấn ngẫu nhiên. Bộ lọc giàn vốn có cấu trúc đồng nhất, giống như một cái sàng, giữ lại tất cả các hạt lớn hơn kích thước lỗ được kiểm soát chính xác trên bề mặt của chúng. Bộ lọc bề mặt được làm từ nhiều lớp trung gian. Khi chất lỏng đi qua bộ lọc, các hạt lớn hơn không gian bên trong ma trận bộ lọc được giữ lại, tích tụ chủ yếu trên bề mặt của bộ lọc.

Sự phân biệt giữa các bộ lọc rất quan trọng vì ba bộ lọc phục vụ các chức năng rất khác nhau. Bộ lọc độ sâu thường được sử dụng như bộ lọc sơ bộ – một cách kinh tế để loại bỏ 98% chất rắn lơ lửng và bảo vệ các phần tử ở hạ nguồn khỏi bị bám bẩn hoặc tắc nghẽn. Siêu lọc có sẵn trong một số phạm vi chọn lọc. Trong mọi trường hợp, các màng sẽ giữ lại hầu hết, nhưng không nhất thiết là tất cả, các phân tử trên kích thước định mức của chúng.

Bảng 5. Siêu lọc

Ưu điểm	Nhược điểm
Loại bỏ hiệu quả hầu hết các hạt, chất gây cháy, vi sinh vật và chất keo trên kích thước định mức của chúng. Tạo ra nước chất lượng cao nhất với ít năng lượng nhất. Có thể phục hồi.	Sẽ không loại bỏ vô tổ chức hòa tan.

Phương pháp lọc thẩm thấu ngược

Thẩm thấu ngược (lọc RO) là phương pháp tiết kiệm nhất để loại bỏ 90% đến 99% tất cả các chất gây ô nhiễm. Cấu trúc lỗ xốp của màng RO chặt chẽ hơn nhiều so với màng UF. Màng RO có khả năng loại bỏ thực tế tất cả các phần tử, vi khuẩn và các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử> 300 dalton (bao gồm cả chất gây độc). Trên thực tế, công nghệ thẩm thấu ngược được hầu hết các nhà máy đóng chai nước hàng đầu sử dụng. Sự thẩm thấu tự nhiên xảy ra khi các dung dịch có hai nồng độ khác nhau được ngăn cách bởi một màng bán thấm. Áp suất thẩm thấu đẩy nước qua màng; nước pha loãng dung dịch đậm đặc hơn; và kết quả cuối cùng là trạng thái cân bằng.

Trong hệ thống lọc nước, áp suất thủy lực được đưa vào dung dịch đậm đặc để chống lại áp suất thẩm thấu. Nước tinh khiết được dẫn ra từ dung dịch cô đặc và được thu gom về phía dưới cùng của màng.

Bởi vì màng RO rất hạn chế, chúng mang lại tốc độ dòng chảy chậm. Bể chứa được yêu cầu để tạo ra một khối lượng thích hợp trong một khoảng thời gian hợp lý.
RO cũng liên quan đến quá trình loại trừ ion. Chỉ có dung môi được phép đi qua màng RO bán thấm, trong khi hầu như tất cả các ion và phân tử hòa tan được giữ lại (bao gồm cả muối và đường). Màng bán thấm loại bỏ các muối (ion) bằng hiện tượng điện: điện tích càng lớn thì sự đào thải càng lớn. Do đó, màng loại bỏ gần như tất cả (> 99%) các ion đa hóa trị bị ion hóa mạnh mà chỉ 95% các ion đơn hóa trị bị ion hóa yếu như natri.

Thẩm thấu ngược có hiệu quả cao trong việc loại bỏ một số tạp chất khỏi nước như tổng chất rắn hòa tan (TDS), độ đục, amiăng, chì và các kim loại nặng độc hại khác, radium và nhiều chất hữu cơ hòa tan. Quá trình này cũng sẽ loại bỏ thuốc trừ sâu được khử trùng bằng clo và hầu hết các VOC có trọng lượng nặng hơn. Thẩm thấu ngược và lọc than hoạt tính là các quá trình bổ sung kết hợp hai phương pháp lọc dẫn đến việc xử lý hiệu quả nhất chống lại phạm vi rộng nhất của các tạp chất và chất gây ô nhiễm trong nước.

RO là phương pháp tiết kiệm và hiệu quả nhất để làm sạch nước máy nếu hệ thống được thiết kế phù hợp với điều kiện nước cấp và mục đích sử dụng của nước sản phẩm. RO cũng là tiền xử lý tối ưu cho các hệ thống đánh bóng nước cấp thuốc thử.

Ngoài ra, xử lý thẩm thấu ngược là một chính sách đảm bảo chống lại bức xạ hạt nhân như phóng xạ plutonium hoặc stronti trong nước uống. Nếu một người sống gần nhà máy điện hạt nhân, đây là một cách quan trọng để đảm bảo rằng hộ gia đình được uống nước tốt nhất cho sức khỏe của họ.

Bảng 6. Thẩm thấu ngược

Ưu điểm	Nhược điểm
Loại bỏ hiệu quả tất cả các loại chất gây ô nhiễm ở một mức độ nào đó (các hạt, chất gây cháy, vi sinh vật, chất keo và các chất vô cơ hòa tan) Yêu cầu bảo trì tối thiểu.	Tốc độ dòng chảy thường được giới hạn trong một định mức gallon / ngày nhất định.

Phương pháp bức xạ tia cực tím (UV)

Bức xạ tia cực tím đã được sử dụng rộng rãi như một phương pháp xử lý diệt khuẩn cho nước. Đèn áp suất thấp thủy ngân tạo ra tia UV 254 nm là một phương tiện hiệu quả để tiêu diệt vi khuẩn và vi rút và làm sạch nước. Sự hấp thụ tia UV của DNA và protein trong tế bào vi sinh vật dẫn đến việc vi sinh vật bị bất hoạt.

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ đèn UV đã dẫn đến việc sản xuất các loại đèn đặc biệt tạo ra cả ánh sáng UV 185 nm và 254 nm. Sự kết hợp của các bước sóng này là cần thiết cho quá trình quang oxy hóa các hợp chất hữu cơ. Với những loại đèn đặc biệt này, tổng mức Carbon hữu cơ (TOC) trong nước có độ tinh khiết cao có thể giảm xuống còn 5 ppb.

Bảng 7. Bức xạ tia cực tím

Ưu điểm	Nhược điểm
Điều trị khử trùng hiệu quả Quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ (185 nm và 254 nm) đến <5 ppb TOC	Giảm điện trở suất. Sẽ không loại bỏ các hạt, chất keo hoặc ion

Kết luận

Hãy lắp đặt hệ thống lọc nước

Bởi vì mỗi công nghệ thanh lọc loại bỏ một loại chất gây ô nhiễm cụ thể, không thể dựa vào công nghệ nào để loại bỏ tất cả chất gây ô nhiễm đến mức cần thiết cho các ứng dụng quan trọng. Một hệ thống lọc nước được thiết kế tốt sử dụng kết hợp các công nghệ lọc để đạt được chất lượng nước cuối cùng.

Mỗi công nghệ thanh lọc phải được sử dụng theo một trình tự thích hợp để tối ưu hóa khả năng loại bỏ cụ thể của chúng. Sơ đồ dưới đây cho thấy một hệ thống lọc nước trong phòng thí nghiệm trung tâm được thiết kế để sản xuất nước cho các ứng dụng quan trọng.

Bước đầu tiên là thiết bị tiền xử lý được thiết kế đặc biệt để loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong nước cấp. Tiền xử lý loại bỏ các chất gây ô nhiễm có thể ảnh hưởng đến thiết bị lọc nằm ở hạ nguồn, đặc biệt là hệ thống thẩm thấu ngược (RO). Ví dụ về tiền xử lý là: bộ lọc cacbon (hoặc bể chứa) để loại bỏ clo, bộ lọc hạt để loại bỏ trầm tích / phù sa / hạt và chất làm mềm để loại bỏ các khoáng chất gây ra nước “cứng”.

Bước thanh lọc tiếp theo là hệ lọc thẩm thấu ngược (RO). RO loại bỏ 90 đến 99% tất cả các chất gây ô nhiễm có trong nước. Nó là trái tim của bất kỳ hệ thống lọc nước được thiết kế tốt nào vì nó loại bỏ hiệu quả nhiều loại chất gây ô nhiễm.

Tuy nhiên, độ xốp chặt chẽ của màng RO sẽ hạn chế tốc độ dòng chảy của nó. Do đó, một thùng chứa được sử dụng để thu thập nước từ hệ thống và phân phối nó đến các điểm sử dụng khác như hệ thống đánh bóng.

Hệ thống lọc thanh làm sạch nước đã qua xử lý trước, chẳng hạn như nước RO, bằng cách loại bỏ các mức độ vết của bất kỳ chất ô nhiễm nào còn sót lại. Lọc thanh nâng chất lượng của nước trước xử lý lên “Loại I” hoặc “siêu tinh khiết”.

Một hệ thống lọc thanh được thiết kế để loại bỏ các dấu vết còn lại của tạp chất khỏi nước đã được xử lý trước bằng một số phương pháp khác (chẳng hạn như thẩm thấu ngược hoặc khử ion). Xử lý nước máy thô bằng hệ thống như vậy sẽ nhanh chóng cạn kiệt công suất và ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng.

Một hệ thống lọc thanh điển hình có thể bao gồm than hoạt tính, khử ion ở tầng hỗn hợp, hỗn hợp thu gom hữu cơ và bộ lọc cuối cùng 0,22 µm. Hệ thống cũng có thể được tăng cường với tính năng siêu lọc, oxy hóa tia cực tím hoặc các tính năng khác để sử dụng trong các ứng dụng cụ thể.

Sự kết hợp của các công nghệ lọc này, kết hợp với tiền xử lý thích hợp, sẽ tạo ra nước hầu như không bị nhiễm ion, hữu cơ và vi sinh vật.