Lọc nước biển

Nồng độ muối trong nước biển là 35 g/l. Để làm 1 m3 nước lọc từ nước biển thì cần một năng lượng tối thiểu là bao nhiêu?

20 responses to “Lọc nước biển

  1. Le Nhu Minh Tue

    Theo em tính toán thì cứ 1 ta có 35kg muối, ta có m = 965 kg nước. Lấy nhiệt độ nước là từ 15 độ C với c1 (nhiệt dung – specific heat ở dạng liquid) 4186 J/(kg.C), 110 độ C ở dạng hơi với c2 = 2010 J/(kg.C) và L (ẩn nhiệt – latent heat) = 2260 kJ/kg. Vậy ta có tổng năng lượng cần thiết để đun 1000 lít nước biển bốc hơi nước và làm ngưng tụ lại là :
    m.c1.(100-15) + m.L.1000 + m.c2.(110-100) + m.L + m.c1.(100-15) = 5.10^9 J
    Đây là ta chưa kể việc thất thoát nhiệt. Trong khi nếu sử dụng pin năng lượng mặt trời với số liệu giáo sư Dũng đưa ra 1 năm 2.4GW ở USA tính ra khoảng 7.5 10^16 J tức gấp khoảng 15 triệu lần hay tạo ra được 15 triệu mét khối nước. Một tháng 1 người sử dụng 4 mét khối nước như vậy chỉ đủ cung cấp khoảng gần 3,8 triệu người.
    Kết luận : không thể lọc nước biển bằng cách chưng cất nước bởi tốn quá nhiều năng lượng =.=. Còn phương pháp lọc thì phải hi vọng 1 ngày nào đó có thể chế tạo ra được vật liệu có màng lọc siêu bền😀
    ( Nếu lấy số liệu 1 năm thế giới tạo ra 20 trillion kW thì tính ra có thể tạo ra nước cho mỗi người với dân số hiện tại khoảng 370 năm😀 )

    • Con số của bạn có vẻ quá lớn. Khi nước ngưng đọng xuống nó tỏa ra nhiệt, về nguyên tắc ta có thể thu lại năng lượng lúc này. Ngoài ra quá trình của bạn làm ra 2 sản phẩm có ích: nước lọc và muối, trong khi bài toán chỉ là làm nước lọc thôi, ta không cần muối.

    • Le Nhu Minh Tue

      Theo như giáo sư nói thì em chỉ nghĩ 1 cách đơn giản thế này không biết nó có hiệu quả hay ko. Em lấy 2 thanh kim loại nối với nguồn điện để tạo ra 2 cực cathode và anode tạo ra 1 điện trường E tùy ý. Lúc này các ion Na+ và Cl- sẽ đi về phía mỗi cực còn H2O nằm ở giữa. Na+ thành nhận e thành Na lắng xuống, Cl- hút e thành Cl rồi kết hợp chính nó tạo khí Cl2 bay lên (để cho đơn giản em không tính Cl2 + H2O). Như vậy ta luôn có tổng công W cho cả quá trình tách ion là như nhau với E tùy ý, chỉ khác ở chỗ vấn đề về thời gian nhanh hay chậm. Ta có số ion âm = ion dương = 1.8 10^26 ion
      Em giả sử cho dòng I = 10 A hay là 10 C/s. Như vậy có khoảng 6.25 10^19 e chạy qua cathode trong 1 s vậy suy ra cần mất 2,88 10^6s = 800 h = 33 ngày để tách hết ion âm và dương. Nếu em tính công ra thì không đúng lắm vì nó lớn quá ^^!.

  2. Quá trình lọc nước biển làm giảm entropy nên cần phải tiêu tốn công.
    Em thử ước lượng bằng một quá trình nén đẳng nhiệt của khí Na+ và Cl- từ thể tích V xuống thể tích V-1 với V lớn hơn rất nhiều so với 1 lít. Công này được tính bằng công thức
    W=2PVln(V/(V-1))~2PV(1/V)=2(N/V)RTx1
    với 2 là tính cho 2 loại khí, N/V là số mol Na+ hoặc Cl- trên một đơn vị thể tích tính được từ điều kiện đã cho. Nhiệt độ lấy ở 300K là nhiệt độ phòng. Kết quả ra khoảng 2930 Joules.

    • Đây là ước lượng cỡ độ lớn hay là tính toán chính xác?

    • Một cách chính xác hơn thì hệ số 2 của bạn phải nhỏ hơn một chút do không phải tất cả các phân tử NaCl bị tách làm Na+ và Cl-. Muốn tính chính xác hệ số này, có lẽ phải tính tới xác suất va chạm giữa các Na+ và Cl-.

      Mình không thấy vấn đề gì khi bạn coi Na+ và Cl- là khí tưởng, vì với nồng độ muối 35g/l thì chúng thực sự rất loãng.

  3. Theo em thì đây là cách tính giá trị chính xác vì em dùng một quá trình thuận nghịch. Nếu dùng một màng bán thẩm chỉ cho nước đi qua tự do mà ngăn Ion Na+ ,Cl- rồi tác dụng lực từ từ theo quá trình đẳng nhiệt để thu được nước không chứa muối. Tuy nhiên em cũng có liều khi liên hệ giữa Ion muối loãng trong nước với khí loãng ( khí lí tưởng) vì em cho rằng quá trình biến đổi entropy trong 2 trường hợp có thể tưởng tượng là tương đương. Có thể có thiếu sót trong cách suy nghĩ nhưng em cho rằng nếu cách này chưa phải là cách tính chính xác thì cũng sẽ có cùng cỡ độ lớn với kết quả.

    • Có sự bằng nhau giữa áp suất thẩm thấu và áp suất của khí lý tưởng. Mối liên hệ này được gọi là công thức van ‘t Hoff.

  4. Em có một thắc mắc là không biết phương trình maxwell trong thế giới chỉ có 2 chiều không gian và một chiều thời gian thì sẽ ra sao. Em tìm thử các paper nhưng vẫn chưa tìm thấy. Giáo sư có thể cho em một gợi ý được không ạ.

    • Dạng này có được không: \partial_\mu F^{\mu\nu} = j^\nu ?

      • Dung Nguyen

        Em cảm thấy không thoái mái khi liên hệ giữa strength field F với cường độ điện trường và từ trường vật lý chỉ với 2 chiều không gian . Em cũng chỉ có chút tò mò khi muốn thử biểu diễn phương trình điện động lực bằng ngôn ngữ differential forms với số chiều không gian khác nhau. Em thấy là nếu trong trường hợp có 2 chiều không gian và một chiều thời gian, thì điện trường nên là 1-form và từ trường là 2-form. Kết quả của phương trình exterior derivative của cả F và *F cũng sẽ giống dạng phương trình maxwell. Khi đó thì chỉ có điện trường có thành phần không gian nghĩa là có Ex và Ey như một vector vật lý, nhưng từ trường thi không có thành phần không gian và có thể xem như một vô hướng vật lý.Nếu tưởng tượng là điện tích chỉ chuyển động trong không gian 2 chiều x,y và từ trường thì chỉ có thành phần theo phương z (là phương không nằng trong 2 chiều không gian x,y) và coi nó là vô hướng thì cũng có vẻ được, nhưng khi em thử thêm magnetic monopole và thì không nghĩ ra được phải thay đổi phương trình ra sao cho hợp lý. Nên em nghĩ rằng nếu có magnetic monopole thì nó nên có cấu trúc không gian.

  5. Lời giả của tôi như sau:

    Gọi thể tích của đại dương là V, và số lượng phân tử muối hòa tan trong đó là N. Giả sử tất cả các phân tử muối đều bị tách ra thành ion Na+ và Cl.

    Bây giở giả sử sau khi máy lọc đã hoạt động, ta có môt thể tích V_0 (chẳng hạn 1 m3) nước lọc. Như vậy N ion Na và N ion Cl bây giờ thay vì nằm trong một thể tích bằng V, chúng nằm trong thể tích bằng V-V_0.

    Nhớ lại rằng entropy bằng log số trạng thái vi mô, mà số trạng thái vi mô tỉ lệ thuận với thể tích, như vậy entropy của mỗi ion mang theo giảm đi. Sự thay đổi của entropy là

    2N \ln \displaystyle{\frac{V-V_0}V} = - 2N \frac{V_0} V = -2N_0

    trong đó ta đã dùng V_0 \ll VN_0 là số phân tử muối lúc đầu nằm trong thể tích V_0.

    Nhưng ta biết rằng entropy không thể giảm. Như vậy phải có một hiệu ứng khác làm tăng entropy một lượng ít nhất là 2N_0. Cái này chỉ có thể xảy ra khi máy đổ một lượng nhiệt đQ ít nhất bằng 2N_0T vào biển. Đây là năng lượng tối thiểu ta phải bỏ ra để lọc được thể tích V_0 nước.

    Thay số vào ta ra được khoảng 3\times 10^6 J cho 1 m3. Nói cách khác 1 kWh điện làm được 1.2 m3 nếu hiệu suất máy này là 100%. Với giá điện 1200 đồng/kWh, giá nước làm làm ra sẽ là 1000 đồng/m3, rẻ hơn giá 4000 đồng/m3 hiện nay. Nhưng đó chỉ là về nguyên tắc thôi.

    Một điều cần nhấn mạnh là trong tính toán ở trên ta không cần biết các ion tương tác với phân tử nước như thế nào (tương tác này rất mạnh), không cần biết các phân tử nước tương tác với nhau thế nào, mà ta chỉ cần biết tương tác giữa các ion là rất yếu.

  6. Có nhiều phương pháp khác nhau để lọc nước biển. Ở đây mình giới thiệu với các bạn một phương pháp được dùng khá phổ biến. Nguyên tắc là làm nước biển hóa hơi, rồi cho hơi nước ngưng tụ lại. Cách đơn giản nhất là đun trực tiếp nước cho nó hóa hơi. Nhưng làm thế tốn rất nhiều năng lượng do nhiệt hóa hơi của nước rất lớn. Để tránh khó khăn này, người ta có thể thực hiện quá trình sau:

    Bước 1: Dẫn nước biển vào một buồng áp suất thấp p (chẳng hạn p=0.5 bar). Ở đây ta sẽ thu được 1 hỗn hợp nước lỏng-hơi nước bão hòa ở áp suất tương ứng.

    Bước 2: Làm ngưng tụ hơi nước bão hòa (chẳng hạn bằng cách trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài).

    Bước 3: Nén toàn bộ nước lỏng ngưng tụ và nước muối không bay hơi ở bước 1 trở lại áp suất 1 bar. Ở đây ta thu được nước lỏng không muối, còn nước muối có thể đổ trở lại biển.

    Có điểm cần chú ý là chúng ta nên hóa lỏng hơi nước trước khi nén chúng trở lại áp suất 1 bar, vì nén chất lỏng tốn ít công hơn nén khí rất nhiều.

    Áp dụng số cho 1 trường hợp thực tế:

    Nước trên bề mặt biển có nhiệt độ tương đối ổn định, dao động từ 30 tới 35 °C tùy theo vị trí địa lý. Ở đây ta lấy 35°C. Giả sử ta thực hiện quá trình lọc trên với 1 kg nước biển. Áp suất p được chọn là 0.02 bar, nhiệt độ bão hòa tương ứng là 20°C. Gọi x là khối lượng nước hóa hơi trong bước 1. Ta có:
    h_{NuocMuoi}=h_{HoiNuoc}\times x + h_{NuocKhongBayHoi} \times (1-x)
    trong đó h là enthalpy (tính được từ nhiệt độ và áp suất). Thay số ta được x=0.025. Hơi nước được hóa lỏng bằng cách trao đổi nhiệt với không khí ở 15°C. Nếu coi quá trình nén nước lỏng trở lại 1 bar là đoạn nhiệt, thì công cần thiết của quá trình bằng độ thay đổi enthalpy giữa 2 trạng thái, như vậy W=0.098 kJ/kg. Kết quả: năng lượng cần thiết để lọc nước biển là 0.098/0.025=3.92 kJ/kg nước ngọt.

    Con số này cao hơn một chút so với con số lý thuyết trong bài giải của GS Sơn. Lý do là nhiệt lượng của quá trình hóa lỏng hơi nước không thu lại được.

  7. Le Nhu Minh Tue

    Hì ^^, giáo sư Sơn (và các bạn ở đây) có thể chỉ cho em tài liệu nào nói về nhiệt các nguyên lý 1,2 và nhất là entropy nói 1 cách đơn giản rõ ràng được không ạh. Như nguyên lý 1. Vì em đọc thấy người ta bảo nội năng (internal energy) của 1 một hệ thống sẽ tăng nếu công (work) được thực hiện trên hệ thống hoặc là nhiệt được thêm vào hệ. Và ngược lại. Bởi vậy người ta đưa ra công thức :

    Delta E(int) = Q – W.
    Trong sách chỉ thấy bảo vì W được thực hiện trên hệ thì W là âm (tại sao lại âm) và E(int) tăng

    Em không hiểu tại sao E(int) tăng (giảm) nếu như thêm (lấy ra) nhiệt và công. (Nhiệt thì em hiểu còn Công thì không ạh). Và tại sao công thức lại mang dấu trừ. Tại sao W lại âm khi được thực hiện trên hệ. Entropy thì khi đọc cuốn The Black Hole War của giáo sư Susskind em cũng hiểu được phần nào đó về ý nghĩa vật lý nhưng khi liên hệ công thức thì lại mù tịt ^^!

  8. Le Nhu Minh Tue

    Àh còn bài giải của giáo sư theo em hiểu thêm nhiệt đQ vào bằng NoT tức chính là KE. Mà N0 phải tính theo số Avogadro nên nó rất lớn cho nên em không hiểu lắm tại sao giáo sư chỉ ra 10^6 J

    • Bạn thử nhân thêm với hằng số Boltzmann xem sao?

    • Le Nhu Minh Tue

      Thank bạn CTT, vậy giờ mình hiểu rồi. Do giáo sư Sơn lấy toàn thể nước biển với thể tích là V ban đầu, tức không có dQ, dW hay dQ=dW=O. Việc lấy ra 2.N các ion Na+ và Cl- khiến cho nước biển có 1 độ thay đổi delta S = n(mol) R ln ((V-Vo)/V) = 2.N k.Na.ln
      Từ đó ra kết quả với con số ở trên😀

  9. Để lọc nước biển chúng ta có thể dùng màng lọc thẩm thấu, nén nước qua màng bán thấm với áp lực lớn hơn áp lực thẩm thấu. Chi phí năng lượng ở đây là chủ yếu là chi phí điện hoặc dầu cho máy bơm cao áp.
    Chi phí thực tế o VN vào khoảng 10.000 VND/m3 chưa bao gồm khấu hao mạng lọc

  10. Màng lọc cho phép thu hổi 0,45-0,65 m3 nước ngọt tử 1m3 nước biển.

  11. Đúng là trong sản xuất thì phải tốn nhiều năng lượng hơn, lý do thứ nhất là V ban đầu không phải vô cùng lớn, với V hữu hạn như trong thông tin của bạn Tran Anh thì năng lượng phải tốn gấp khoảng 1.5 lần, hiệu suất sử dụng điện của máy bơm cũng không phải 100%. Tuy nhiên yếu tố chính có lẽ nằm ở việc không thể dùng quá trình thuận nghịch vì phải đợi lâu, mà phải dùng quá trình bất thuận nghịch để tăng tốc độ tạo nước ngọt.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s