BÀI THI MÔN KỸ THUẬT MÀNG: Cách bố trí các thiết bị trong hệ thống màng và cấu tạo các loại mô đun màng ppsx

Các kiểu bố trí thiết bị trong hệ thống màng Một hệ thống màng gồm các thiết bị: mô đun màng, bơm, ống dẫn, van và thiết bị điềukhiển.. Bố trí kiểu cây thông Hình 1.3: Bố trí hệ thống mà

BÀI THI MÔN KỸ THUẬT MÀNG

HÀ NỘI, 06/2010

HÀ NỘI 2009

NỘI DUNG

1 CÁCH BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG MÀNG 1

1.1 Các kiểu bố trí thiết bị trong hệ thống màng 1

1.1.1 Bố trí nối tiếp

1.1.2 Bố trí song song

1.1.3 Bố trí kiểu cây thông

1.1.4 Cách bố trí kiểu tuần hoàn

1.2 Ưu nhược điểm của bố trí cây thông và bố trí tuần hoàn 3

2 CẤU TRÚC CÁC LOẠI MÔ ĐUN MÀNG 4

2.1 Mô đun màng phẳng 6

2.1.1 Mô đun khung bản

2.1.2 Mô đun hộp

Ưu điểm:

Nhược điểm:

2.1.3 Mô đun quấn

2.1.4 Ưu điểm của mô đun màng quấn

2.2 Mô đun ống 10

2.2.1 Mô đun ống

Tóm tắt một số đặc điểm của mô đun màng ống:

Ưu điểm:

Nhược điểm:

2.2.2 Mô đun màng sợi rỗng

2.2.3 Mô đun mao quản

3 ỨNG DỤNG MÔ ĐUN MÀNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ở VIỆT NAM 14

3.1 Hiện trạng nước thải tại Việt Nam 14

BÀI THI MÔN KỸ THUẬT MÀNG Đề bài: Nêu cách bố trí các thiết bị trong hệ thống màng và cấu tạo các loại mô đun màng Theo anh/chị, loại mô đun màng nào phù hợp dùng trong lĩnh vực sản xử lý nước thải tại Việt Nam? Thực hiện: Lê Mai Oanh Nguyễn Ngọc Mai Nguyễn Hoàng Chung Lớp KTHH 2009 – 2010 HÀ NỘI, 06/2010

HÀ NỘI 2009

3.2 Ðề xuất giải pháp 15

3.3 Nguyên lý hoạt động chung 17

3.4 Một số ví dụ 18

3.4.1 Xử lý nước thải sinh hoạt

3.4.2 Xử lý nước thải làng nghề chế biến lương thực

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

1 CÁCH BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG MÀNG

1.1 Các kiểu bố trí thiết bị trong hệ thống màng

Một hệ thống màng gồm các thiết bị: mô đun màng, bơm, ống dẫn, van và thiết bị điềukhiển Các mô đun màng được bố trí theo 2 cách cơ bản: Nối tiếp và song song

- Dịch đặc ra khỏi mô đun trước là dung dịch đầu vào của mô đun sau

- Nước trong ra khỏi từng mô đun được gộp lại

Nhận xét:

- Cách bố trí này không có tác dụng làm tăng năng suất

- Có thể thay đổi được nồng độ của dịch đặc

1.1.2 Bố trí song song

Hình 1.2: Bố trí hệ thống màng kiểu song song

Đặc điểm của hệ thống:

- Dung dịch đầu được đưa vào tất cả các mô đun

- Dịch đặc và nước trong của hệ thống lấy ra từ tất cả các mô đun

Nhận xét:

- Có thể tăng năng suất dung dịch vào

- Không làm thay đổi nồng độ dịch đặc và nước trong

Từ 2 cách bố trí cơ bản, để tăng chất lượng của sản phẩm mà vẫn đảm bảo năng suấtlớn, người ta đưa ra nhiều cách bố trí phối hợp, trong đó có 2 kiểu bố trí thường gặp:

1.1.3 Bố trí kiểu cây thông

Hình 1.3: Bố trí hệ thống màng kiểu cây thông Đặc điểm của hệ thống:

- Mỗi bậc của hệ thống gồm một hay nhiều mô đun làm việc song song

- Các bậc ghép với nhau theo cách bố trí nối tiếp

- Số mô đun của bậc trước lớn hơn số mô đun bậc sau

- Nước trong ra khỏi từng mô đun được gộp lại

- Dịch đặc được lấy ra từ mô đun cuối cùng

Nhận xét:

- Có thể tăng được chất lượng dịch đặc hoặc nước trong mà vẫn đảm bảo năngsuất dòng đầu vào

- Hiệu quả phân tách và chất lượng tốt, chi phí đầu tư rẻ

Cách bố trí kiểu cây thông thường được sử dụng trong các hệ thống khử mặn chonước

1.1.4 Cách bố trí kiểu tuần hoàn

Hình 1.4: Bố trí hệ thống màng kiểu tuần hoàn Đặc điểm của hệ thống:

- Dung dịch đầu vào cùng với dịch đặc ra khỏi mô đun trước thì được đưa vào môđun sau

- Bố trí thêm một bơm tuần hoàn trước mỗi mô đun

- Các mô đun mắc với nhau theo kiểu nối tiếp

Nhận xét:

- Vòng tuần hoàn bảo đảm sự lưu thông trên màng màng tốt do không có sự phâncực nồng độ, tăng hiệu quả chuyển chất, đảm bảo sự chênh lệch áp suất

- Nước trong thu được có chất lượng tốt

- Tốn năng lượng bơm

Cách bố trí kiểu tuần hoàn thường được sử dụng cho các hệ thống màng trong côngnghiệp thực phẩm, công nghiệp hóa chất và dược phẩm

1.2 Ưu nhược điểm của bố trí cây thông và bố trí tuần hoàn

Bố trí hệ thống kiểu tuần hoàn thì luôn luôn hoạt động, trong khi đó bố trí hệ thốngtheo kiểu cây thông thì chỉ hoạt động tốt khi mà dòng chảy được ổn định trong mộtthời gian dài.MULTI

Ưu điểm chính của cách bố trí kiểu cây thông chính là tính đơn giản của nó Chỉ có 1bơm và đường ống thì ngắn Vấn đề chủ yếu là dòng vào được lựa chọn thường giớihạn ở mức quá thấp hoặc quá cao, và bất kỳ sự nhiễu nào của dòng vào sẽ có xu hướnggây bất ổn định cho hệ thống

Cách bố trí hệ thống kiểu cây thông làm việc tốt nhất khi diện tích màng trong mỗi bậckhông khác nhau nhiều Nhưng trong thực tế thì mỗi bậc khác nhau một hay hai môđun.

Còn ưu điểm của việc bố trí hệ thống tuần hoàn là việc mở rộng hay thay đổi hệ thốngtuần hoàn không phức tạp lắm Trong hầu hết trường hợp có thể thêm hoặc bớt mộthay nhiều vòng tuần hoàn cho mỗi chu trình Hơn nữa, người ta cũng thường thêmhoặc bỏ đi một hay nhiều chu trình tuần hoàn Nói cách khác, việc mở rộng một nhàmáy chính hay thay đổi các điều kiện vận hành có thể tiến hành mà không cần việc xâydựng lại nhà máy đó Ngược lại, đối với cách bố trí kiểu cây thông thì rất khó hoặckhông thể thay đổi mà không phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống

Tùy theo mục đích sử dụng thì người ta sẽ lựa chọn bố trí hệ thống màng theo kiểu câythông hay theo kiểu tuần hoàn.E PLANT DESIGN

2 CẤU TRÚC CÁC LOẠI MÔ ĐUN MÀNG

Để ứng dụng màng ở phạm vi kỹ thuật cần yêu cầu diện tích màng lớn Những đơn vịnhỏ nhất trong đó màng được sắp xếp lại cùng nhau được gọi là mô đun Mô đun làphần trung tâm của hệ thống màng Đơn giản nhất là kiểu mô đun một trong một đơn

lẻ (hình 2.1.)

Hình 2.1 Mô tả nguyên lý cơ bản của mô đun màng

Dòng dịch vào đi vào mô đun với thành phần và tốc độ dòng đã biết trước Do màng

có khả năng ưu tiên một cấu tử hơn các cấu tử khác, nên cả thành phần và tốc độ dòngđưa vào trong mô đun sẽ thay đổi theo hàm của quãng đường đi Khi đi vào mô đunmàng, dòng dịch vào được chia thành hai dòng: dòng nước trong và dòng dịch đặc.Dòng nước trong là phần dòng dịch chui qua được màng, phần còn lại là dịch đặc Các thiết kế mô đun có thể được dựa trên hai loại cấu hình màng: 1) dạng phẳng; 2)dạng ống Mô đun khung bản và mô đun cuốn được thiết kế dựa trên các màng phẳngtrong khi mô đun ống, môn đun mao quản hay mô đun sợi rỗng lại dựa trên các cấu

Nước trong

Mô đun

hình màng ống Sự khác biệt giữa 3 loại mô đun này chủ yếu ở đường kính các ống(Bảng II.1.).

Bảng II.1 Kích thước gần đúng của các loại màng ống

Cấu hình màng Đường kính (mm)Ống >10.0Mao quản 0.5 – 10.0Sợi rỗng < 0.5

Nếu màng sợi rỗng/ ống được xếp lại cùng nhau trong một cấu trúc song song thì diệntích màng trên một đơn vị thể tích chỉ là hàm của các đường kính ống Bảng II.2 chỉ radiện tích riêng màng theo bán kính ống, minh họa rõ ràng sự khác nhau về diện tíchriêng đối với các hệ thống màng ống (r ~ 5 mm) và hệ màng sợi rỗng (r ~ 50 µm =0.05 mm)

Bảng II.2 Diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích đối với một vài loại ống [3]

Bán kính ống (mm) Diện tích bề mặt trên 1 đơnvị thể tích (m2/ m3)

kỹ thuật phải có thiết kế hệ thống riêng của nó tùy theo những yêu cầu riêng

Khi thiết kế mô đun màng cần thỏa mãn những yêu cầu sau:

- Dòng thấm qua màng lớn và đều (không có khu vực chết)

- Bền nhiệt, hóa, cơ học

- Kết cấu nhỏ gọn

- Giá thành rẻ

- Chi phí thay màng rẻ

- Ít tổn thất áp suất

Tính khả dụng của quá trình màng phụ thuộc vào việc thiết kế mô đun màng vì diệntích phân tách màng hiệu dụng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi cấu trúc mô đun màng.

Mô đun khung – bản và mô đun ống là hai kiểu mô đun màng ra đời sớm nhất dựa trêncông nghệ lọc đơn giản Đến nay cả hai hệ thống vẫn còn ứng dụng, tuy nhiên giáthành cao và ít hiệu quả nên chủ yếu người ta sử dụng mô đun màng kiểu sợi rỗng và

mô đun dạng quấn

2.1 Mô đun màng phẳng

2.1.1 Mô đun khung bản

Mô đun khung – bản là một trong những hệ thống màng đầu tiên, thiết kế của nó về cơbản dựa trên những thiết bị lọc truyền thống Cửa dẫn dịch vào và cửa lấy sản phẩm rađược đặt thành lớp giữa hai lớp cuối, như ở hình 2.2 Giá thành sản phẩm cao (so vớicác mô đun màng khác) cùng với sự rò rỉ ở những chỗ nối trong hệ thống đã hạn chếứng dụng của hệ thống này ở những ứng dụng quy mô nhỏ

Hình 2.2 Mô đun màng khung bản

Hình 2.3 Đường đi của các dòng trong mô đun khung bản

Loại mô đun khung bản có nhiều ưu điểm như các mảng màng được thay thế riêng rẽ,

ít bị đóng cặn bẩn, có thể được sử dụng mà không cần keo dán Tuy nhiên nhược điểmlớn nhất của nó là phải dùng nhiều bản phụ trợ Ngoài ra khi chuyển hướng dòng chảytrong mô đun gây ra tổn thất áp suất cao Mô đun khung bản cũng có diện tích tươngđối nhỏ (< 400m2/ m3)

Mô đun màng khung bản có ứng dụng rộng rãi, như trong vi lọc, siêu lọc, thẩm thấungược, bay hơi qua màng và điện thẩm tích

2.1.3 Mô đun quấn

Mô đun màng quấn ban đầu được thiết kế chỉ để khử mặn của nước, nhưng do kiểuthiết kế nhỏ gọn và giá thành thấp đã khiến nó trở nên hấp dẫn với những ngành côngnghiệp khác Sau một loạt thử nghiệm và rất nhiều thất bại, mô đun quấn đã được thiết

kế lại và có thể sử dụng trong rất nhiều ứng dụng công nghiệp, như để làm sạch nướctrong công nghiệp giấy và bột giấy, ở nhiệt độ và áp suất rất cao Tuy nhiên, số công

ty thực sự có thể và sẽ phát triển mô đun màng quấn cho nhiều ứng dụng khác nữa vẫn

bị hạn chế

Hình 2.4 Mô đun màng quấn (Wagner, 2001, Membrane Filtration Handbook)

Thiết kế màng quấn gồm các tấm màng và các tấm đệm (feed spacers) được cuốn xungquanh một ống trung tâm có đục lỗ Cấu tạo cơ bản của mô đun màng quấn được chỉ ra

ở hình 2.4 Theo hình vẽ này, dịch đi vào theo hướng tâm và thấm qua các tấm màng.Một phần dịch sẽ thấm vào các tấm màng, còn nước trong thì chuyển động xoáy trongống trung tâm và đi ra ngoài ở đầu kia qua ống thu

Những mô đun này được thiết kế nhằm làm giảm bề mặt màng nhiều nhất có thể trongmột thể tích cho trước Ở quy mô nhỏ, mô đun màng cuốn gồm một tấm màng đơnđược bao quanh một ống thu Trong mô đun có diện tích màng lớn, sử dụng tấm màngđơn có thể tạo ra chênh lệch áp suất lớn do đường đi của nước trong tới ống thu trungtâm dài hơn Để giữ áp suất của mô đun ở mức có thể kiểm soát được, người ta dùngnhiều tấm màng ngắn hơn

2.1.4 Ưu điểm của mô đun màng quấn

Trong kỹ thuật thẩm thấu ngược (RO), lọc nano (NF) và siêu lọc (UF), phần lớn các

mô đun màng được chế tạo theo thiết kế sợi rỗng hoặc dạng quấn Độ nén chặt cao vàgiá thành sản xuất thấp là những yếu tố chính khiến những mô đun màng này có ứngdụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp (Bảng II.1) Mô đun khung bản và môđun ống chỉ sử dụng trong một vài ứng dụng mà sự đóng cặn trên màng lớn, ví dụ,trong thực phẩm hay trong xử lý tạp chất nước công nghiệp bị nhiễm bẩn nặng

Việc ngăn chặn sự đóng cặn là một trong những yếu tố quyết định tính chọn lọc của

mô đun Nói chung, sự bám cặn là một vấn đề nghiêm trọng trong các quá trình phântách lỏng như các quá trình thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc Mặc dù các mô đunkhung bản và mô đun ống có khả năng kiểm soát đóng cặn tốt hơn, nhưng những loại

mô đun này chưa hoàn toàn thích hợp do giá thành cao, trừ quá trình phân tách gâybám cặn nghiêm trọng So sánh giữa các mô đun sợi rỗng và mô đun màng quấn, tathấy mô đun màng quấn ra đời nhằm thay thế mô đun sợi rỗng do chúng ngăn chặnviệc bám cặn do đó làm giảm đáng kể chi phí cho tiền xử lý dòng dịch vào

Hình 2.5 Các dòng dịch đi

trong mô đun quấn

So với một số mô đun màng khác, mô đunmàng quấn có một số ưu điểm:

- Diện tích riêng lớn (1000m2/ m3)

- Chế tạo đơn giản, chi phí thấp

- Tạo xoáy cục bộ nên tránh đóng cặn

Nhược điểm:

- Hiệu quả lấy nước trong không cao

- Không thể xử lý với các chất rắn lơ lửng

- Khó làm sạch

- Phải dùng keo để kết dínhPhạm vi ứng dụng: RO, NF, PV, GP

Mô đun Sợi rỗng Quấn Khung bản ỐngChi phí sản xuất ($USD/ m2) 5 – 20 30 – 100 100 – 300 50 – 200Diện tích riêng Cao Trung bình Thấp ThấpKhả năng chống bám cặn Rất kém Trung bình Tốt Rất tốtTổn thất áp suất Cao Trung bình Trung bình ThấpTính tương thích khi vận

hành ở áp suất cao

Có Có Khó thực

hiện

Khó thựchiện

2.2 Mô đun ống

2.2.1 Mô đun ống

Một số màng ống được sắp xếp vào trong một cái vỏ và thiết bị trao đổi nhiệt dạngống Dịch vào đi trong các lumen, còn nước trong thấm qua thành ống, và được thu ởphía ngoài gần vỏ Dịch đặc còn lại được lấy ở cuối các ống khác

Hình 2.7 Mô đun màng gốm dạng ống (Kerasep – Techsep)

Hình 2.8 Hệ thống mô đun màng ống khi cắt Đường kính ống 0.5 – 1 inches Màng được đúc trong một ống hỗ trợ, phía ngoài là lớp vỏ PVC (Courtesy of J L Short,

Koch Membrane System)

Tóm tắt một số đặc điểm của mô đun màng ống:

- Màng được đúc trong một ống phụ trợ (Ống tăng bền)

- Các màng ống có đường kính từ 6 – 24 mm

- Dòng thường đi từ trong ra ngoài (inside – out)

Ưu điểm:

- Ít đóng cặn, dễ làm sạch, dễ xử lý được các chất rắn lơ lửng và các dòng dịch có

độ nhớt cũng như áp suất chuyển qua màng cao

- Vận hành với dòng chảy xoáy

- Trong mô đun có trở lực nhỏ

Nhược điểm:

- Diện tích riêng nhỏ (≤ 80 m2/ m3)

- Yêu cầu không gian lớn

- Khó thay màng và mất nhiều thời gian

- Hệ thống ống với đường kính lớn (1 inch) tốn nhiều năng lượng

- Khó chế tạo và chi phí đắt để thay đổi thiết kế ống

Những ưu điểm của mô đun ống đôi khi lớn hơn những nhược điểm, nên mô đun màngvẫn có một vị trí trong ngành công nghiệp màng, tuy rằng khá nhỏ Mô đun màng ống thương ứng dụng nhiều trong vi lọc, siêu lọc, thẩm thấu ngược một bậc.

2.2.2 Mô đun màng sợi rỗng

Các kỹ thuật chuẩn bị màng đã được mô tả không còn được phát triển để sản xuất cácloại màng phẳng Tuy nhiên, những kỹ thuật này có thể được thay đổi để sản xuấtnhững loại màng ở dạng ống mỏng hay dạng sợi Ưu điểm lớn nhất của loại màng sợirỗng là có thể tạo các mô đun nhỏ gọn với diện tích bề mặt màng rất cao Tuy nhiên,

ưu điểm này lại tạo ra nhược điểm là tốc độ dòng thấp hơn so với các loại màng phẳngđược tạo ra từ cùng loại vật liệu Phần lớn các mô đun sợi rỗng ứng dụng trong xử lýnước được sản xuất dựa trên các màng UF hoặc MF Cũng như tên gọi, loại mô đunnày bao gồm các màng sợi rỗng, đó là các ống dài và hẹp có thể được tạo chế tạo từcác vật liệu màng khác nhau nhau Các sợi này có thể được bó lại theo một vài cáchsắp xếp Trong cấu hình chung được nhiều nhà sản xuất sử dụng, các sợi rỗng được bólại với nhau theo chiều dài, cố định ở hai đầu và được bọc trong một lớp vỏ chịu ápnhư một phần của mô đun Các mô đun này thường được đặt thẳng đứng, mặc dù đặtnằm ngang cũng có thể dùng được Một kiểu tương tự như mô đun màng quấn ở đó cảhai được chèn vào trong vỏ chịu áp độc lập với bản thân mô đun Mô đun này được đặtnằm ngang Một cấu hình khác trong đó các sợi rỗng đã được bó lại với nhau được đặtnằm ngang và được nhúng chìm trong một cái bể mà không sử dụng vỏ chịu áp Một

mô đun sợi rỗng cơ bản có thể gồm một vài trăm cho tới hơn 10,000 sợi rỗng Mặc dùcác kích thước đặc trưng là khác nhau tùy theo nhà sản xuất, nhưng nhìn chung kíchthước cơ bản của sợi rỗng như sau:

Sự khác biệt giữa mô đun mao quản và mô đun sợi rỗng đơn giản là ở các kích thước

vì các khái niệm mô đun là như nhau Với các mô đun màng sợi rỗng, dung dịch đưavào có thể đi bên trong sợi (“inside – out”) hoặc đi ở ngoài (“outside – in”) (hình 2.7).Trong thẩm thấu ngược (RO), dịch vào chủ yếu chảy theo hướng kính hoặc chảy songsong dọc theo bó sợi, trong khi đó nước trong chảy qua cạnh thành của mỗi sợi Môđun sợi rỗng là dạng mô đun có diện tích bề mặt riêng cao nhất, có thể lên tới 30,000

m2/ m3

Hình 2.7 Mô đun màng sợi rỗng

Tóm tắt một số đặc điểm của mô đun màng sợi rỗng:

Ưu điểm:

- Năng lượng bơm thấp

- Diện tích bề mặt riêng lớn (lớn nhất trong số các loại mô đun)

- Có khả năng đạt được nồng độ địch đặc cao