Đánh giá hiệu quả ứng dụng đa vật liệu vào thiết bị lọc nước cá nhân - Phạm Công Minh

Hóa học & Kỹ thuật môi trường P. C. Minh, N. N. Dũng, N. Q. Huy, “Đánh giá hiệu quả ứng dụng lọc nước cá nhân.” 60 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG ĐA VẬT LIỆU VÀO THIẾT BỊ LỌC NƯỚC CÁ NHÂN Phạm Công Minh*, Nguyễn Như Dũng, Nguyễn Quang Huy Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả thử nghiệm khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm có tiềm năng hiện diện trong nguồn nước mặt địa bàn QK9 của thiết bị lọc nước cá nhân sử dụng đa vật liệu. Hiệu suất lọc của thiết bị có thể đạt 95-99% đối với nguồn nước mặt có sự hiện diện của TSS~86 mg/L, Fe~3,0 mg/L, As~100 µg/L, Thuốc BVTV Cypermethrin/DDT~10µg/L; Coliforms<1000 vi khuẩn/100mL. Với kích thước ø40xH250mm, khối lượng 200g, thiết bị có khả năng lọc được 50 lít nước mặt thành nước uống trực tiếp đối với hầu hết các chỉ tiêu thí nghiệm. Thiết bị có thể sử dụng cho cán bộ, chiến sĩ trong diễn tập huấn luyện dài ngày trong điều kiện dã ngoại. Từ khóa: Thiết bị lọc nước cá nhân, Vật liệu lọc đang tầng, Siêu lọc UF. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong các cuộc hành quân huấn luyện, diễn tập hay trong quá trình chiến tranh, hiện nay quân đội ta đã được trang bị các hệ thống lọc nước di động hoặc các biện pháp cấp nước tập trung khác đủ để cấp nước cho sinh hoạt. Tuy nhiên, đối với phân đội nhỏ trong điều kiện khắc nghiệt hoặc các chiến sĩ làm nhiệm vụ độc lập, tách biệt mà nguồn nước cấp cho ăn uống tập trung không thể đến nơi thì một thiết bị nhỏ gọn, trang bị cho cá nhân có khả năng xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm tại chỗ để phục vụ cho nhu cầu nước uống tối thiểu với công suất xử lý khoảng 50 lít nước (đảm bảo nhu cầu nước uống tối thiểu cho 7÷10 ngày trong điều kiện không thuận lợi [6]) là cần thiết. Đặc biệt là trong bối cảnh nguồn nước mặt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long hiện nay có mức ô nhiễm ngày càng tăng theo thời gian đối với các chỉ tiêu như: chất rắn lơ lửng [7], dư lượng thuốc bảo vệ thực vật [3], một số kim loại nặng có thể có trong nước mặt (As, Fe..) [1] và vi khuẩn gây bệnh [4]. Hiện nay, thiết bị lọc nước cá nhân trên thị trường rất đa dạng, tùy vào yêu cầu mà có những giới hạn xử lý riêng. Thiết bị lọc nước biển cá nhân sử dụng màng RO của hãng KATADYN hay thiết bị lọc nước biển cá nhân do Trung tâm Công nghệ Cơ khí chính xác đảm bảo khả năng xử lý các kim loại nặng, muối, vi khuẩn. Nước sau xử lý đạt chất lượng nước uống, tuy nhiên, giá thành các thiết bị này cao; Thiết bị lọc nước cá nhân của hãng LIFE-STRAW sử dụng màng UF với giá thành tương đối thấp, khả năng cơ động cao, dễ dàng thay thế phụ kiện. Thiết bị này xử lý được cặn lơ lửng và vi khuẩn, không xử lý được các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng. Bút khử trùng MIOX hoặc STRAVEL-STRAW thích hợp cho khả năng khử trùng nước ô nhiễm vi sinh, không xử lý được các chỉ tiêu còn lại. Bài báo này trình bày kết quả ứng dụng đa vật liệu vào thiết bị lọc nước cá nhân để đảm bảo yêu cầu xử lý đa dạng các chất ô nhiễm trong cùng một thiết bị. Các môđun vật liệu được thiết lập trên cơ sở các ứng dụng đã có, cụ thể: Môđun màng siêu lọc (UF-Ultrafitration) hoạt động ở mức áp suất thấp dùng để xử lý cặn lơ lửng (TSS) và vi sinh (Coliforms) [5]; Môđun nhựa trao đổi ion dạng mixed-bed để xử lý kim loại nặng (Fe2+, Fe3+,Cd2+, Zn2+, Hg+, AsO3-, AsO4-,) tồn tại ở cả 2 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 61 dạng ion dương và ion âm; Môđun than hoạt tính dùng để hấp phụ thuốc bảo vệ thực vật (Cypermethrin/DDT) [2]. Mỗi cụm môđun của thiết bị sẽ có khả năng xử lý được từng chất ô nhiễm tương ứng, vì vậy thí nghiệm thực hiện đầu tiên là đánh giá hiệu quả của từng môđun, sau đó là kết hợp tất cả môđun lại. 2. VẬT LIỆUVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nước thử nghiệm 1/ Nước mô phỏng trong phòng thí nghiệm: thí nghiệm được thực hiện với từng loại chất ô nhiễm, tùy vào loại thí nghiệm mà thực hiện pha loãng với hóa chất chuẩn. Trong đó: chỉ tiêu sắt (Fe) được tạo từ bột sắt FeSO4.7H2O 99% (hãng AR – Trung Quốc); Chỉ tiêu asen (As) sử dụng dung dịch chuẩn NaAsO2 0,05M (hãng sản xuất Merck-Germany); Thuốc bảo vệ thực vật được pha từ bột p,p’-DDT 10 mg (AccuStandard – Mỹ) và a-cypermethrin 10mg (AccuStandard – Mỹ); Chỉ tiêu độ dẫn điện EC trong dung dịch được kiểm soát bằng việc kết hợp nước cất với muối NaCl 2/ Nguồn nước mặt thực tế tại xã Bình Thạnh, huyện Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp có các chỉ tiêu ô nhiễm như: TSS = 86÷270 mg/l, Độ đục = 190 NTU, Fe = 7,2 mg/l, Cypermethrin = 10 µg/l và Coliforms = 600 vi khuẩn/ml. 2.2. Vật liệu và thiết bị Sơ đồ qui trình thí nghiệm được trình bày trong Hình 1. Các thiết bị chính trong mô hình thí nghiệm bao gồm: Bơm chân không (0÷-1 bar), bình thu mẫu dạng kín (2 lít), đồng hồ áp âm (-1÷0 bar), bộ thiết bị lọc nước cá nhân. Bộ thiết bị lọc nước cá nhân đa vật liệu bao gồm 03 môđun kết nối với nhau. Thiết bị có kích thước D40x250mm và khối lượng 200g, cụ thể: + Môđun UF: Kích thước: D40xH110mm; Diện tích bề mặt màng: 0,7 m2; Khối lượng: 58 g; Lượng nước có thể lọc: 100÷1000 lít. + Môđun than hoạt tính: Kích thước: D40xH35mm; Thể tích than: 0,044 lit/môđun ~ 19,8 g/môđun; Hiệu suất hấp thu: 22%; Iod của 1 môđun: 12,85 g x 22% = 2,82 g; Khối lượng: 35g + Môđun nhựa trao đổi ion: Nhựa dạng mixed-bed, Kích thước: D40xH35mm x2 bộ; Thể tích: 0,088 lit/môđun; Tổng dung lượng: 0,06 eq; Khối lượng: 92g Hình 1. Sơ đồ mô hình thí nghiệm. UF Than hoaït tính Nhöïa Mixed bed OÁng huùt tröïc tieáp Maãu nöôùc Bôm chaân khoâng Bình thu maãu Maãu nöôùc sau xöû lyù Thieát bò thöû nghieäm Hóa học & Kỹ thuật môi trường P. C. Minh, N. N. Dũng, N. Q. Huy, “Đánh giá hiệu quả ứng dụng lọc nước cá nhân.” 62 2.3. Phương pháp phân tích Giá trị pH được đo bằng pH cầm tay Ion 6/OAKTON; EC được đo bằng thiết bị đo EC cầm tay CON-11/OAKTON; Sắt được phân tích bằng máy quang phổ so màu DR2800; Asen được xác định bằng phương pháp khối phổ nguyên tử (ICP-MS); Lượng cặn lơ lửng (SS) được xác định theo phương pháp 2540 (Standard Method) với giấy lọc 0,45m (47mm, Whatman GF/C) và tủ sấy; Thuốc bảo vệ thực vật (Cypermethrin và DDT) được xác định bằng máy GC-MS với phương pháp EPA-8270D; Coliforms được xác định theo TCVN 6187- 2:1996 (ISO 9308-2:1990) 2.4. Nội dung thí nghiệm Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước của thiết bị lọc nước đa vật liệu như: dư lượng thuốc bảo vệ thực vật (Cypermethrin/DDT), kim loại nặng (As, Fe), cặn lơ lửng (TSS) và vi sinh. Mỗi cụm môđun của thiết bị sẽ có khả năng xử lý được từng chất ô nhiễm tương ứng, vì vậy thực hiện thí nghiệm đầu tiên là đánh giá hiệu quả của từng môđun, sau đó đánh giá tổng hợp tất cả môđun lại. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiệu quả xử lý TSS/Coliforms đối với môđun lọc UF Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý TSS và Coliforms được thực hiện trên cơ sở cố định vận tốc lọc lựa chọn là v = 12 m/giờ. Kết quả thu được được thể hiện trong Hình 2, cụ thể: Áp suất qua màng tăng theo thể tích nước lọc thu được, sau 50 lít nước lọc với TSS đầu vào khoảng 86 mg/l thì áp suất qua màng gia tăng từ 2,5 mH lên 5,6 mH@50. Với áp suất này, màng UF vẫn có thể sử dụng được bằng phương pháp hút trực tiếp sau khi đã lọc được 50 lít nước. Hiệu xuất xử lý TSS và Coliforms trong 50 lít nước lọc đạt khoảng 88÷94% và 95÷100%, tương ứng với nồng độ TSS sau xử lý đạt khoảng 5÷10 mg/l và coliforms sau xử lý đạt 0÷50 vi khuẩn/ml. Hình 2. Biến thiên áp suất theo thể tích nước lọc và Hiệu quả xử lý TSS/Coliforms đối với môđun lọc UF. 3.2. Hiệu suất xử lý kim loại nặng của môđun nhựa trao đổi ion 0 2 4 6 8 10 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 Δ P m à n g U F ( m H ) H iệ u s u ấ t x ử lý ( % ) Thể tích nước lọc (lít) H-TSS H-Coliform ∆P màng UF Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 63 3.2.1. Chỉ tiêu sắt Nhựa trao đổi ion dạng Mixed-Bed (hỗn hợp nhựa cation và anion với dung lượng ~ 0,6 eq/lít) được sử dụng để loại bỏ sắt trong nước bằng cơ chế trao đổi với ion H+. Do hỗn hợp nhựa mixed-bed là loại nhựa đã được nhà sản xuất hoạt hóa và gắn kết nhóm OH- &H+, vì vậy hiệu quả sử dụng nhựa để loại sắt phụ thuộc rất lớn vào hàm lượng ion (EC/TDS) có trong nước. Thí nghiệm đươc thực hiện trên 02 môđun nhựa (60 meq) mắc nối tiếp với nguồn nước đầu vào có EC = 220 µS, Fe = 3 mg/l. Kết quả thu được thể hiện trong Hình 3, cụ thể: + Dung lượng của nhựa Eq còn lại (được tính trên hiệu giữa dung lượng mang nhóm H+ ban đầu với lượng ion đã bị trao đổi) giảm theo lượng nước lọc sẽ kéo theo độ dẫn điện EC của nước sau xử lý tăng. Điều này cũng đồng nghĩa hiệu suất xử lý sắt giảm dần theo thể tích nước lọc. + Hiệu suất xử lý Fe trong 50 lít nước lọc đạt ở mức 91÷99%, tương đương nồng độ sắt trong nước sau xử lý 0,01÷0,21 mg/l. + Trong đoạn 50 lít nước lọc cuối, nhựa trao đổi đã gần hết dung lượng mang nhóm H+ (EC nước sau xử lý gần bằng EC nguồn đầu vào) thì hiệu suất xử lý Fe vẫn còn nhưng ở mức thấp hơn. Điều này có thể giải thích là do ion Na+ chiếm phần lớn trong nguồn nước đã gắn kết vào nhựa và tiếp tục bị ion sắt thay thế. Tuy nhiêu do hiệu ái lực giữa Na+ (1,0) và ion sắt (1,7) nhỏ hơn hiệu ái lực giữa H+ (0,67) với ion sắt nên hiệu suất giảm. Hình 3. Mối quan hệ giữa Hiệu suất xử lý sắt H_Fe và Độ dẫn điện của nước sau xử lý EC/ Dung lượng nhựa còn lại Eq (Mẫu nước: Fe = 2,9 mg/l, EC=215 µS/cm). 3.2.2. Chỉ tiêu asen Tương tự như cơ chế loại bỏ ion sắt, hiệu quả sử dụng nhựa để loại asen phụ thuộc rất lớn vào hàm lượng ion (EC/TDS) có trong nước. Tuy nhiên, khác với sắt là asen khi qua lớp nhựa sẽ trao đổi với OH- gắn trên nhựa. Thí nghiệm đươc thực hiện trên 02 môđun nhựa (60 meq) mắc nối tiếp với nguồn nước đầu vào có EC = 224 µS, As = 94 µg/l. Hình 4 ta thấy, mẫu thử nghiệm đều đạt mức hiệu suất xử lý cao trong 50 lít nước lọc. Mức hiệu suất xử lý dao động từ 94÷97% tương ứng nồng độ asen sau xử lý đạt As = 3÷5µg/l. 60 48 36 24 12 0 50 100 150 200 250 75 80 85 90 95 100 0 10 20 30 40 50 60 70 E C c ủ a n ư ớ c l ọ c (u S /c m ) H iệ u s u ấ t l o ạ i H _ F e (% ) Thể tích nước lọc (lít) D u n g lư ợ n g c ò n l ạ i E q (m e q H ) H_Fe EC Eq Hóa học & Kỹ thuật môi trường P. C. Minh, N. N. Dũng, N. Q. Huy, “Đánh giá hiệu quả ứng dụng lọc nước cá nhân.” 64 Hình 4. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý asen H_As và độ dẫn điện của nước sau xử lý EC/ Dung lượng nhựa còn lại Eq (Mẫu nước: As = 94µg/l, EC=224 µS/cm). 3.3. Hiệu suất xử lý dư lượng thuốc BVTV của môđun than hoạt tính Than hoạt tính (chỉ số Iod = 650 mg/g) được sử dụng để hấp phụ dư lượng thuốc BVTV họ thủy cúc và họ clo. Thí nghiệm đươc thực hiện trên 01 môđun than hoạt tính (2800 mgIod) với nguồn nước có nồng độ Cypermethrin = 10,8µg/l và DDT = 14,2 µg/l. Hình 5. Nồng độ thuốc BVTV trước và sau xử lý bằng môđun than hoạt tính. Hình 6. Hiệu suất xử lý dư lượng thuốc BVTV bằng môđun than hoạt tính. Hiệu suất hấp thụ thuốc BVTV của mẫu thử nghiệm đều đạt hiệu suất cao, 96÷97% đối với DDT và 95÷96% đối với Cypermethrin. Kết quả này phù hợp với cơ sở lý thuyết về khả năng hấp phụ rất cao của than hoạt tính đối với DDT và Cypermethrin. 3.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của thiết bị lọc nước cá nhân đa vật liệu với nguồn nước mặt thực tế Nguồn nước được sử dụng cho thí nghiệm này là kênh nước mặt nằm trong khu vực vườn có sử dụng thuốc BVTV (chủ yếu là họ thủy cúc) tại xã Bình Thạnh, huyện Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp. Kết quả phân tích mẫu nước cho thấy nước bị nhiễm các chỉ tiêu như sau: Độ đục = 190 NTU, TSS = 270 mg/l, Fe = 7,2 mg/l, Cypermethrin = 10 µg/l và Coliforms = 600 vi khuẩn/ml. Thí nghiệm thực thiện với thiết bị lọc nước cá nhân hoàn chỉnh bao gồm 01 môđun UF, 01 môđun than hoạt tính và 02 môđun nhựa trao đổi ion. Kết quả lọc nước của thiết bị được trình bày trong Hình 7 và Hình 8. 60 48 36 24 12 0 50 100 150 200 250 75 80 85 90 95 100 0 10 20 30 40 50 60 70 E C c ủ a n ư ớ c l ọ c ( u S /c m ) H iệ u s u ấ t l o ạ i H _ A s ( % ) Thể tích nước lọc (lít) D u n g lư ợ n g c ò n l ạ i E q (m e q O H ) H_As EC EqOH 14.2 14.2 14.2 0.4 0.5 0.4 10.8 10.8 10.8 0.5 0.4 0.4 0.0 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 1 20 50 N ồ n g đ ộ ( µ g /l) Thể tích nước lọc (lít) DDT_in DDT_out Cypermethrin_in Cypermethrin_out 97.2 96.5 97.295.4 96.3 96.3 0 20 40 60 80 100 1 20 50 H iệ u s u ấ t lo ạ i T B V T V (% ) Thể tích nước lọc (lít) H_DDT H_Cypermethrin Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 65 Hình 7. Nồng độ các chỉ tiêu ô nhiệm trước và sau xử lý. Hình 8. Hiệu suất xử lý của các chỉ tiêu ô nhiễm của thiết bị. Hiệu suất xử lý của thiết bị đối với các chỉ tiêu ô nhiễm ở mức 95÷99%. Các chỉ tiêu ô nhiễm của mẫu nước sau xử lý đều đạt TCVN 01:2009/BYT, ngoại trừ chỉ tiêu coliforms (30 vi khuẩn/ml) chỉ đạt TCVN 02:2009/BYT. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, đối với chỉ tiêu Fe, hiệu suất xử lý thu được từ kết hợp 3 môđun (UF, than hoạt tính, nhựa trao đổi ion) đạt 97% với hàm lượng đầu vào Fe = 7,2 mg/l cao hơn 1 môđun nhựa trao đổi ion. Kết quả này phù hợp vì khi kết hợp 3 môđun với nhau, ngoài môđun nhựa trao đổi xử lý được các ion Fe thì môđun UF/than có khả năng loại Fe ở dạng cặn lơ lửng thông qua quá trình lọc cặn. 3.5. Giá thành thiết bị Với kết quả đạt được từ thí nghiệm, thiết bị lọc nước cá nhân đa vật liệu có thể được sản xuất và ứng dụng tốt vào thực tiễn. Nhóm tác giả đã thiết kế và dự toán giá thành của thiết bị và so sánh với các thiết bị lọc nước cá nhân trên thị trường. Kết quả được trình bày trong Bảng 1. Bảng 1. Giá thành các thiết bị lọc nước (TBLN) cá nhân. Hạng mục TBLN đa vật liệu TBLN biển cá nhân của hãng Katadyn TBLN cá nhân hãng Life- Straw Thiết bị bút khử trùng Miox Công nghệ áp dụng Đa vật liệu Màng RO Màng UF Điện phân Thông số xử lý TSS; Vi khuẩn; kim loại nặng; Dư lượng thuốc BVTV Hầu hết các chỉ tiêu ô nhiễm và muối tan TSS; Vi khuẩn Vi khuẩn Công suất 50 lít 5 lít/giờ 1000 lít 150 lít/10 phút Khối lượng 200 g 3.3 kg 200 g 200 g Giá thành 25$ 3000$ 100$ 90$ 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, thiết bị lọc nước cá nhân đa vật liệu có kích thước D40xH250mm và khối lượng 200g có khả năng lọc được 50 lít nước mặt với hiệu suất đạt 95÷99% đối với các chỉ tiêu kim loại nặng (Fe, As), TSS, dự lượng thuốc BVTV và coliforms. 190 290 7.2 10.0 600 3 KPH 0.2 0.4 30 Độ đục (NTU) TSS (mg/l) Fe (mg/l) Cypermethrin (µg/l) Coliform (vi khuẩn/ml) In Out 98.4 99.0 97.0 96.0 95.0 0 20 40 60 80 100 1 H iệ u s u ấ t (% ) Độ đục TSS Fe Cypermethrin Coliform Hóa học & Kỹ thuật môi trường P. C. Minh, N. N. Dũng, N. Q. Huy, “Đánh giá hiệu quả ứng dụng lọc nước cá nhân.” 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bùi Thị Nga và cộng sự, “Ô nhiễm Asen trong nước mặt ở Đồng bằng sông Cửu Long”. Tạp chí khoa học 2011 - Trường đại học Cần Thơ, (2011), tr.183-192. [2]. Lenntech BV (2016). “Adsorption/Activated carbon”. [3]. Pham Van Toan, Zita Sebesvari, Melanie Bläsing, Ingrid Rosendahl, Fabrice G. Renaud, “Pesticide management and their residues in sediments and surface and drinking water in the Mekong Delta, Vietnam”. Science of the Total Environment 452-453 (2013) 28–39. [4]. Tân Hùng, “Đồng bằng sông Cửu Long: Chất thải gây ô nhiễm trầm trọng nguồn nước”. Báo tin tức Việt (2010). , ngày 19/7/2010. [5]. Trần Minh Chí, “Chế tạo hệ thống thiết bị lọc nước di động lắp trên phương tiện giao thông đường thủy cho đơn vị cấp tiểu đoàn sử dụng trong huấn luyện diễn tập vùng sông nước”. Báo cáo tổng hợp nhiệm vụ, Viện KHCN QS – Viện Nhiệt đới môi trường (2012). [6]. Trần Minh Chí và Nguyễn Như Dũng, “Một số xu hướng phát triển các hệ thống xử lý nước cấp cơ động của quân đội các nước tiên tiến”. Tạp chí Nghiên cứu khoa học & công nghệ quân sự, số 22-2012 (2012), ISSN 1859- 1043, tr. 117-127 [7]. Trung tâm quan trắc môi trường, “Báo cáo tổng hợp kết quả Quan trắc môi trường năm 2015”. Tổng cục môi trường – Bộ Tài nguyên & Môi trường, (12/2015). ABSTRACT EVALUATION OF MULTILAYERS FILTERATION MATERIALS INTERGRATED IN PERSONNEL WATER FILTER In this paper, the filteration performance of Personnel Water Filter (PWF) integrated multi-layers material had been evaluated for surface water, that potentially polluted by SS, Fe, As, coliforms and pesticides/herbicides. The filteration efficiency of the PWF can reached 95-99% for surface water with concentration of TSS~86 mg/L, Fe ~ 3,0 mg/L, As~100 µg/L, Cypermethrin/DDT~10µg/L; Coliforms < 1000 Counts/100mL. The PWF with dimension of ø40xH250mm, weight of 200g can filter 50 litters surface water to drinking water for most experimental parameters. The PWF can use for soldiers during field training and exercises. Keywords: Personnel Water Filter (PWF), Multi-layers filter material, UF. Nhận bài ngày 21 tháng 8 năm 2017 Hoàn thiện ngày 05 tháng 9 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 9 năm 2017 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới Môi trường – Viện KH&CN QS. * Email: minhmt0810@gmail.com.