234481

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------------------- HỒ SƠ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHCN ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam MÃ SỐ: ĐTĐL.2010T/31 Cơ quan chủ trì : TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Chủ nhiệm đề tài : PGS.TS. TRẦN ĐỨC HẠ BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------------------- ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHCN ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano trong công nghệ xử lý nước biển áp lực thấp thành nước sinh hoạt cho các vùng ven biển và hải đảo Việt Nam MÃ SỐ: ĐTĐL.2010T/31 Cơ quan chủ trì : TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Chủ nhiệm đề tài : PGS.TS. TRẦN ĐỨC HẠ Thực hiện chuyên đề : PGS.TS. TRẦN ĐỨC HẠ KS. TRẦN HOÀI SƠN CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG NANO HÀ NỘI, THÁNG 11 NĂM 2010 MỤC LỤC Trang 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG LỌC .2 1.1.Khái niệm màng lọc .2 1.2.Các loại màng lọc .3 1.3.Đặc tính màng .6 1.4.Vật liệu màng 7 1.5.Môđun màng .8 2.CƠ CHẾ QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG NANO .11 2.1.Nguyên tắc tách giữ các chất của màng lọc nano .11 2.2.Cơ chế chuyển khối qua màng nano .13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 2 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG LỌC 1.1. Khái niệm màng lọc Màng lọc là một lớp màng vật liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khi chịu một áp lực nhất định. Màng lọc ngăn cách giữa hai pha, có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phần tử có trong nước như cặn lơ lửng, ion, vi sinh vật…khi cho dung dịch đi qua màng. Màng lọc có thể được phân loại theo i) kích thước của vật chất và ii) áp lực trên màng. Thông qua quá trình làm việc của màng lọc, dòng hỗn hợp đầu vào được phân tách làm hai phần: một phần là dung dich sau lọc và phần những vật chất bị giữ lại trước màng lọc. Màng lọc có thể áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dung dịch hay phân tách một hỗn hợp. Các ưu điểm của màng lọc: - Quá trình màng lọc xảy ra ở điều kiện nhiệt độ bình thường và các dung dịch tham gia không có sự thay đổi về pha, đây là ưu điểm lớn so với phương pháp tách bằng chưng chất. - Quá trình phân tách vật chất qua màng không cần có hóa chất phụ gia như một số các quá trình khác trong xử lý nước, ví dụ lắng và lọc. Nguyên lý lọc màng dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua lớp vách ngăn (màng) nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất (∆P), điện thế (∆E), nồng độ dung dịch (∆C), nhiệt độ (∆T) .Các thông sô cơ bản của quá trình lọc màng: i) Áp lực; ii) Cơ chế phân tách; iii) Cấu trúc màng; và iv) Pha dung dịch. Hình 1.1. Mô tả màng lọc 3 1.2. Các loại màng lọc Màng lọc có thể được phân loại theo kích cỡ lọc và mức độ áp lực. Ngoài ra màng lọc có thể phân loại theo vật liệu cấu tạo màng, hình dáng hình học . Một số loại màng được sử dụng trong công nghệ xử lý nước cấp và nước thải như: màng vi lọc (microfiltration MF), màng siêu lọc (ultrafiltration UF), màng lọc thẩm thấu ngược (RO) và màng lọc nano (NF). Màng MF có kích thước lỗ rỗng lớn nhất, có thể giữ lại các hạt có kích thước lớn và nhiều loại vi sinh vật. Màng UF có kích thước lỗ rồng nhỏ hơn MF, do đó có thể giữ lại cả vi khuẩn và một số phân tử lớn hòa tan như protein. Màng RO gần như không có lỗ rỗng do kích thước lỗ rỗng bé hơn 0.001 micron và do đó giữ lại hầu hết các cặn và nhiều phân tử siêu nhỏ như các i-on muối khoáng, chất hữu cơ. Màng NF mới được phát triển gần đây, và còn có tên gọi “màng RO thưa” và hiệu quả lọc các chất trong nước tuy không bằng RO nhưng cao hơn UF. RO NF UF MF 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 Hình 1.2. Kích thước lỗ rỗng của một số loại màng a. Vi lọc (Microfiltration – MF) Các màng lọc loại này có các lỗ rỗng 0,1 – 1 micromet (μm), hoạt động dưới áp suất thông thường từ 10 – 100 psi ; nó có thể loại bỏ các phần tử lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử protein có trong sữa hay ngũ cốc, vi khuẩn hoặc chất rắn hoà tan có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng ; nó không làm thay đổi thành phần dung dịch (nước) lọc, chỉ có các phần tử nêu trên được lọc đi. Có 2 loại vi lọc : Lọc chặn : Trong đó nước bị cưỡng bức chuyển qua màng lọc, các phần tử bị giữ lại tích tụ dưới dạng một bánh lọc; chiều dày của nó tăng dần theo thời gian lọc, còn tính xốp giảm dần làm giảm lưu lượng thành phẩm, hiện tượng này gọi là sự bịt kín màng lọc, đại lượng đặc trưng cho sự bịt kín là chỉ số bịt kín FI. Lọc chặn trong vi lọc được ứng dụng trong màng lọc phẳng trong phòng thí nghiệm dùng để đo chất 4 huyền phù (MES), chỉ số bịt kín (FI) .; đối với lọc chặn trong vi lọc, ống lọc bọc bên ngoài màng lọc phẳng được bỏ đi khi màng lọc bị bịt kín lỗ, nó rất khó thực hiện bằng rửa ngược để tái sử dụng lại màng lọc. Lọc lọc trượt : quá trình lọc được thực hiện sao cho mặt tiếp xúc được quét bằng một phần lưu lượng đưa vào để hạn chế việc tích tụ các bã lọc phát sinh trong quá trình lọc và dễ dàng đưa chúng ra ngoài hệ thống, tránh được hiện tượng bịt kín lố rỗng của màng lọc trước khi đến chu kỳ rửa lọc. Quá trình lọc dạng này có thể thay cho giai đoạn keo tụ, kết bông và tách loại được 2 pha rắn - lỏng. Công nghệ này được áp dụng phổ biến để lọc tinh các sản phẩm khác nhau trong công nghệ xử lý nước cấp, nước thải, nước uống đóng chai, công nghệ dược và xử lý vi sinh. b. Siêu lọc (Ultrafiltration – UF) Các màng siêu lọc có cấu trúc mềm không đối xứng, kích thước lỗ rỗng từ 0,001 – 0,1 μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 70 - 200 psi ; cho phép lọc được các chất keo, chất rắn hoà tan có kích thước nhỏ và các phần tử như vi khuẩn, vi rút, proteins có khối lượng mol nhỏ, carbohydrates, enzymes . Lưu lượng trong quá trình lọc diễn ra ở màng UF phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất keo bởi 2 lý do cơ bản sự phân cực và sự bịt kín lỗ rỗng, các chất keo là nguyên nhân chính làm giảm lưu lượng và tạo lên áp lực truyền qua màng tăng cao. Sự vượt quá nồng độ của các chất hoà tan ở gần màng lọc gây lên hiệu ứng làm tăng đáng kể áp suất thẩm thấu và sức kháng lại việc vận chuyển của các phần tử. Để tăng lưu lượng qua màng nên áp dụng phương pháp lọc tiếp tuyến và chú ý thời gian rửa lọc phù hợp. Đối với hiện tượng bịt kín lỗ rỗng của màng UF do hình thành lớp cặn keo trên bề mặt màng, hay do sự hấp phụ các chất hoà tan khác và các hạt keo quá nhỏ trong các lỗ rỗng , hiện tượng này cần xử lý bằng các hoá chất phù hợp. Do vậy đối với mỗi ứng dụng ta cần lựa chọn một vật liệu chế tạo màng thích hợp, sao cho chúng ít nhạy cảm với sự lắng đọng các chất hoà tan và dễ dàng loại bổ chúng bằng thuỷ lực. c. Lọc nano (Nanofiltration – NF) Màng lọc nano có kích thước lỗ rỗng khoảng 0,001μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 100 – 600 psi; là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc màng là RO và UF. Nó có thể lọc được các phân tử muối hoá trị thấp và các chất khoáng ; được ứng dụng trọng lọc cặn các protein, gelatin, công nghệ chế biến nước hoa quả, phân ly chất rắn hoà tan trong dung dịch và sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt. d. Lọc thẩm thấu ngược (Reverse osmosis – RO) 5 Màng lọc RO có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0,001μm, chúng được hoạt động dưới áp suất cao, thơng thường từ 400 – 1000 psi, cho phép loại bỏ hầu hết các thành phần có trong nước như cacbuahydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khống, các ion, amino acid…, gần như chỉ còn nước ngun chất chảy qua. Cơ chế hoạt động của lọc RO sử dụng tính chất của màng bán thấm, tất cả các chất hồ tan bị giữ lại, trừ một vài phần tử hữu cơ rất gần với nước có khối lượng mol nhỏ, phân cực mạnh. Khi có sự chênh lệch về thế năng hố học thì xu hướng làm nước chuyển từ ngăn có thế năng hố học thấp sang ngăn có thể năng hố học cao để pha lỗng, đó là hiện tượng thẩm thấu tự nhiên. Nêu muốn cản lại sự khuyếch tán này, cần phải đạt một áp suất lên mặt dung dịch có thế năng hố học thấp, sự chênh lệch áp suất được tạo ra gọi là áp suất thẩm thấu ngược của hệ thống. Bảng 1.1 cho thấy các màng có kích thước lỗ rỗng và áp lực điều khiển q trình lọc qua màng khác nhau Bảng 1.1. Đặc tính một số loại màng và cơ chế tách lọc Vi lọc Siêu lọc Lọc nano Thẩm thấu ngược Điện thẩm tách Áp suất Áp suất Áp suất Áp suất Điện thế Sàng lọc Sàng lọc Sàng lọc+ khuếch tán+ chọn lọc Sàng lọc+ khuếch tán+ chọn lọc Trao đổi ion Lỗ rỗng lớn a) Lỗ rỗng lớn Lỗ rỗng nhỏ b) Màng chặt sít c) Trao đổi ion Ghi chú: a) Lỗ rỗng lớn: kích thước lỗ rỗng > 0,050 micron b) Lỗ rỗng nhỏ: kích thước lỗ rỗng < 0,002 micron c) Màng khơng có lỗ rỗng Bảng 1.2. Bảng tổng kết các cơng nghệ lọc màng 6 TT Tờn Kớch thc l rng (àm) p sut lm vic (bar) Kh nng x lý Chi phớ sn xut 1 MF 0,1- 1,0 1 - 8,6 c, cht l lng, huyn phự, cht keo, men, phõn t, vi khun hoc cht rn ho tan cú kớch thc ln hn kớch thc l rng ; Thp 2 UF 0,01- 0,1 4,8 - 13,8 Nh MF, ngoi ra cũn gi c vi rỳt, proteins cú khi lng mol nh, enzymes, carbohydrates, Trung bỡnh 3 NF 0,01- 0,001 6,9 - 41,4 Nh UF, ngoi ra cũn gi c phõn t mui hoỏ tr thp, cỏc cht khoỏng, protein, gelatin Cao 4 RO <0,001 27,6 - 68,9 Gn nh hon ton, ch cũn nc nguyờn cht. Rt cao 1.3. c tớnh mng Mng lc cú th c chia ra mng i xng v khụng i xng. Mng i xng l mng ng cht cú cỏc l rng c to thnh do k thut bn phỏ bng chựm tia, sau ú cho hoỏ cht tỏc dng c nh li. Mng cú l rng hỡnh tr Mng cú l rng dng xp Hỡnh 1.3. Hỡnh dng l rng mng ng cht Mng khụng i xng l mng hn hp, thng lm t vt liu l polyme, composite gm nhiu lp mng cú kớch thc l rng khỏc nhau theo th t gim dn rng xp chng lờn nhau, gia cỏc lp l cỏc si ; mc ớch nhm ngn cn cỏc phn t cú kớch thc khỏc nhau v chỳng c phõn b ng u trờn tt 7 cả các lớp. Loại màng này thường có độ bền cơ học cao và được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ lọc màng hiện nay. Để đảm bảo cường độ nước tuần hoàn trên bề mặt màng lọc, tránh hiện tượng phân cực nồng độ gây tắc, hỏng màng lọc, đồng thời tăng tối đa diện tích bề mặt tiếp xúc với nước và giảm kích thước thiết bị, người ta thường sản xuất các modul màng lọc và ghép chúng lại với nhau. Các modul này có thể được sản xuất dưới dạng tấm phẳng, ống, cuộn hay sợi rỗng. Hình 1.4. Hình dạng màng bất đối xứng Màng lọc đối xứngcó thành phần cấu tạo và bản chất vật lý đồng nhất theo mặt cắt ngang của màng. Ngược lại, màng không đối xứng không đồng nhất và thường gồm nhiều lớp khác nhau về cấu trúc và thành phần hóa học. Cả hai loại màng đối xứng và không đối xứng đều có thể được chế tạo theo dạng tấm màng mỏng, hoặc dạng ống nhỏ. Màng lọc dạng ống rỗng có thể có kích thước khe lỗ dày hay thưa như dạng tấm lọc. Loại màng ống được dùng phổ biến hiện nay là màng không đối xứng, cấu tạo gồm một ống rỗng có kích thước lỗ lớn và bên ngoài là lớp màng lọc dày hơn. Ưu điểm của loại màng lọc dạng sống là diện tích lọc (diện tích bề mặt) trên một đơn vị thể tích lớn hơn màng lọc dạng tấm. 1.4. Vật liệu màng Màng có thể là đồng chất, nhiều thành phần khác nhau hợp thành, màng lọc được chế tạo từ các vật liệu có nguồn gốc vô cơ như gốm nung chảy, các hợp chất cacbon, silic, zicron; hoặc từ nguồn gốc hữu cơ như cao su, vải amiăng, axetat xellulo, polyethylen, polypropylen. Bề dày màng từ 0,05mm - 2mm. Các lỗ nhỏ trên màng được chế tạo bằng cách chiếu tia phóng xạ, lazer, các phản ứng hóa học . Hầu hết màng lọc MF, UF, RO và NF được làm từ vật liệu polime hữu cơ. Thường vật liệu chế tạo màng MF và màng UF thường giống nhau, tuy nhiên quá trình sản xuất ở các điều kiện khác nhau tạo nên kích thước lỗ rỗng khác nhau. 8 Màng còn có thể được chế tạo từ vật liệu vô cơ như gốm và kim loại. Màng gốm là loại màng có lỗ rỗng, chịu nhiệt và trơ với hóa chất và thường dùng cho màng lọ MF. Tuy nhiên các màng này có chi phí cao và dễ gãy vỡ nên chưa được ứng dụng rộng rãi. Màng kim loại thường làm từ sắt không gỉ và có thể có kích thước lỗ rỗng rất bé. Chúng dùng chủ yếu trong quá trình phân tách khí, và một số quá trình lọc nước ở nhiệt độ cao 1.5. Môđun màng Các thiết bị tách đơn (gọi là các mô đun) sử dụng các màng ngăn được thiết kế cần đạt hai mục đích cơ bản: - Bảo đảm ở ngay bề mặt của màng ngăn có sự lưu thông chất lỏng đủ lớn để hạn chế hiện tượng phân cực nồng độ và các hạt kết tủa. - Các môdun được chế tạo gọn, chắc, có bề mặt trao đổi cực đại cho một đơn vị thể tích. Hai mục đích này nhằm giảm giá thành trong sản xuất một thể tích chất lỏng cần xử lý đã cho, giúp quá trình rửa lọc, tháo lắp được thực hiện dễ dàng; nhưng các môdun cũng đồng thời gây lên tổn thất áp lực lớn do vận tốc dòng chảy cao do đó tiêu tốn nhiều năng lượng (điện năng). Có 4 loại môdun thông dụng: môdun dạng tấm, môdun dạng cuốn xoáy ốc, môdun dạng ống và môdun sợi rỗng. Mô đun màng có 4 loại chính: dạng khung tấm, dạng ống rỗng, dạng dây cuốn xoắn, dạng ống và dạng sợi rỗng. a. Mô đun dạng khung tấm Mô đun dạng khung tấm là dạng đơn giản nhất, thường có 2 tấm bản đáy, màng lọc dạng bản mỏng, và miếng đệm. Mô đun được cấu tạo từ việc gắn các màng lên các tấm đỡ, thiết kế theo nguyên lý lọc ép. Chất lỏng xử lý được lưu thông giữa các màng của hai tấm kề nhau. Bề dày của lớp chất lỏng từ 0,5 - 3mm, các tấm phẳng là giá đỡ cho màng và rút nước đã thấm qua màng. Diện tích tiếp xúc bề mặt của màng lọc/khối tích dạng tấm trung bình đạt từ 100 – 400 m 2 /m 3 . Sự bố trí các tấm đỡ cho phép nước lưu thông song song hoặc nối tiếp. b. Mô đun dạng ống rỗng Với mô đun dạng ống rỗng, màng thường được đặt trong một ống và dung dich lọc sẽ được bơm vào bên trong ống. Với môdun dạng này, các màng được đặt trong 9 lòng một ống có khoan các lỗ thoát với đường kính lỗ khoan từ 10 - 40mm. Các ống tiếp theo được đặt song song hay nối tiếp trong vỏ hình trụ tạo thành môdun đơn vị.Chế độ thuỷ động lực của dòng chảy trong môđun dạng ống được thực hiện thuận lợi, vận tốc dòng chảy có thể đạt tới 6m/s, có thể tạo thành chế độ chảy rối trong lòng ống. Diện tích tiếp xúc bề mặt của màng lọc/khối tích dạng ống trung bình đạt dưới 300m 2 /m 3 . Ưu điểm của môdun dạng ống là khi xử lý chất lỏng không cần thiết phải phải thêm thiết bị lọc thô và dễ làm sạch, chúng đặc biệt phù hợp cho xử lý chất lỏng có độ nhớt lớn. Nhược điểm của chúng là độ chặt sít thấp và giá thành cao. a. Mô đun dạng khung tấm b. Mô đun dạng ống Hình 1.5. Các mô đun màng dạng khung tấm và dạng ống c. Mô đun dạng quấn xoắn Dạng mô đun phổ biến nhất dùng cho màng lọc nano hay RO là mô đun dạng quấn xoắn, cấu tạo gồm có màng lọc dạng tấm cuốn quanh một lõi rỗng là ống có đục lỗ để dẫn dung dịch sau lọc. Một lá xốp mềm đặt giữa 2 màng phẳng được gắn kín 3 mép, mép còn lại được gắn với ống thu hình trụ có khoan lỗ theo chiều dọc của ống, giữa các lớp như vậy được cố định và ngăn cách bằng bằng một lưới chất dẻo mềm. Ở đây nước đầu vào sẽ chảy vào một phía của màng lọc và nước sau lọc thu vào ống trung tâm. Chất lỏng cần xử lý được đi trong lưới, thẩm thấu qua màng, hướng tâm tới ống thu. Diện tích tiếp xúc bề mặt của màng lọc/khối tích dạng tấm trung bình đạt: 100 – 400 m 2 /m 3 . 10