CHƯƠNG 7 CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC

CÔNG NGHỆ MÀNG LỌCGiỚI THIỆU CHUNG THẦM THẤU NGƯỢC, SIÊU LỌC, VI LỌC CÁC LOẠI MÀNG LÝ THUYẾT MÀNG LỌC 2... Một số thuật ngữ riêngDịch thấm nước trong – permeate filtrate Thẩm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CHƯƠNG 7CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC

2011

CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC

GiỚI THIỆU CHUNG

THẦM THẤU NGƯỢC, SIÊU LỌC, VI LỌC

CÁC LOẠI MÀNG

LÝ THUYẾT

MÀNG LỌC

2

Một số thuật ngữ riêng

Dịch thấm (nước trong) – permeate (filtrate) Thẩm thấu ngược (reverse osmosis -RO)

Lọc vuông góc (dead-end filtration)

Lọc tiếp tuyến (crossflow filtration)

Lọc - filtration

3

I Khái niệm về quá trình lọc màng

Màng lọc – rào chắn ngăn cách giữa các pha, hạn chế sự vận

chuyển qua lại giữa các cơ chất một cách có chọn lọc

• Cấu trúc đối xứng hoặc không đối xứng

• Mang điện tích âm/dương

• Trung hòa về điện tích

Quá trình vận chuyển vật chất qua

Cơ chế lọc màng-PHƯƠNG PHÁP LỌC TiẾP TUYẾN (CROSSFLOW FILTRATION)

• Dòng chảy theo 2 hướng : vuông góc và tiếp tuyến với bề mặt của màng

• Permeate (filtrate)– dòng thấm (nước trong) = dòng sản phẩm đi qua màng

• Retentate – dòng cô đặc (dịch đặc) = dòng dòng sản phẩm không đi qua màng

5

Phân loại các quá trình lọc màng

 Đặc tính của chất cần tách (kích thước phân tử, đặc tính hóa lý, điện cực của các phân tử…)

 Động lực chuyển các chất qua màng

 Đặc tính loại màng

 Kích thước của các phần tử so với kích thước của lỗ lọc…

Ưu điểm của công nghệ màng lọc

 Công nghệ sạch và dễ vận hành

 Có thể thay thế được nhiều quá trình hóa lý truyền thống: lọc, chưng cất, trao đổi ion

 Tạo ra sản phẩm có chất lượng cao

 Thuận lợi cho việc thiết kế những hệ thống có tính linh hoạt cao

6

Ứng dụng của kỹ thuật màng lọc

 CNTP: lọc trong/xử lý nước uống

cô đặc nước trái cây, sữa

 CNMT: xử lý nước thải

khử khoáng và làm mềm nước,

khử màu và các chất hữu cơ hòa tan

 CNSH: thu hoạch sinh khối

cô đặc/ phân tách tế bào protein

 CNHH: tách dầu, trích ly dầu

tách muối

loại kim loại nặng

thu hồi chất xúc tác

 Y học: cô đặc chất kháng sinh trong dung môi hữu cơ

7

II Phân loại màng lọc

Cấu trúc bất đẳng hướng

Hình trụ

Màng vô cơ (ceramic)

8

Đặc tính của một số loại màng lọc

• Tmax (oC) ≤35÷40

• pH = 3÷8

• ưa nước,

• đường kính lỗ lọc có thể dao động một

khoảng rất lớn

• giá thành thấp

• kém bền với các chất tẩy rửa công

nghiệp như chlorine,

• dễ bị phân hủy sinh học

• Tmax (oC) ≤ 50

• pH= 3÷11

• kém bền hơn với chlorine

• dòng permeate dễ bị tắc nghẽn

• khá dễ vơ

• giá thành cao,

• đường kính lỗ mao dẫn lớn (d> 10-2 µm)

9

Đại lượng đặc trưng của màng lọc

 Đường kính lỗ mao dẫn

 Mật độ mao dẫn: tỷ lệ phần trăm giữa tổng diện tích mặt cắt các ống mao dẫn trên toàn bộ diện tích bề mặt màng

 Độ xốp: tỷ lệ phần trăm giữa tổng thể tích các ống mao dẫn và thể tích màng

 Khả năng chịu nhiệt

 Khả năng chịu dung môi

 Độ bền sinh học

 Độ vô trùng

 Độ dày

 Độ tro: hàm lượng tro tính theo phần trăm so với tổng khối lượng chất khô trong màng

 Tính ưa nước/ kỵ nước

 Độ chiết: tỷ lệ phần trăm giữa hàm lượng chất chiết được so với tổng lượng chất khô trong màng Độ chiết thể hiện mức độ tinh sạch của màng.

 Khả năng phân riêng

 Tốc độ qua màng của dòng permeate

10

YẾU TỐ Ảnh hưởng đến năng suất lọc

 Dòng lưu chất ban đầu: nồng độ, thành phần, kích thước phân tử, điện cực các phân tử, độ nhớt, pH

 Đặc tính, cấu tạo của màng lọc: ưa nước, kỵ nước…

 Tương tác ions, điện cực giữa lưu chất ban đầu và màng lọc

 Điều kiện vật lý, động lực học của quá trình: áp suất qua màng, vận tốc lọc, nhiệt độ

 Yêu cầu chất lượng của dịch sau khi lọc (permeate)

11

MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO QUÁ TRÌNH LỌC 1.Vận tốc tiếp tuyến Uc (m/s):

Uc = Q/ S

Q – lưu lượng dịch đặc (retentate) (l/h)

S – diện tích màng lọc (m2)

2 Hằng số Reynolds (Re)

Re = Uc*p*d/ µ*T

µ - độ nhớt của lưu chất ban đầu(Pa.s)

p- khối lượng riêng của lưu chất ban đầu (kg/m3)

d – đường kính trong của màng (m)

3 Định luật Darcy tại thời điểm t

Jo = Ptm/ µ*Rm = Lp * Ptm

Rm= 32*X/e*d2

Jo – dòng thấm (l.h-1.m-2) hoặc m.s-1 (1m s-1=3,6.10-6 l.h-1.m-2)

Ptm – áp suất qua màng (bar hoặc atm)

Rm – trở kháng nội tại của màng (m-1)

Lp – tính thấm nước của màng

X – bề dày của màng (m)

d – đường kính lỗ lọc (m)

e – độ rỗng của màng (m)

12

III Các phương pháp lọc màng

13

• Giá thành loại màng RO>

NF>UF>MF

14

Quá trình Cấu trúc màng lọc Loại màng

Vi lọc Microfiltration (MF) Vi xốp đối xứng

(symmetric microporous)

Cellulose nitrate or acetate, polyvinylidene difluoride (PVDF), polyamides, polysulfone, polytetrafluoroethylene (PTFE)

Siêu lọc Ultrafiltration (UF) Vi xốp không đối xứng

(Asymmetric microporous)

Polysulfone, polypropylene, PTFE, polyvinyl chloride (PVC)

Thẩm thấu ngược

Reverse osmosis (RO)

15

 Sử dụng màng hoặc để phân tách dòng chất lỏng hoặc để loại các phân tử hòa tan có trong dòng.

 Loại trừ vi khuẩn, một vài loại protein, thuốc nhuộm và các cơ chất có phân tử lượng lớn hơn 10.000dalton, và các hạt có kích từ 1000Å

10- Hiệu quả UF phụ thuộc vào khối lượng của phần tử muốn tách và kích thước của chúng

 UF rất hữu hiệu trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ

3.LỌC NANO (NANOFILTRATION –NF)

 Sử dụng màng để tách dòng chất lỏng hoặc các phân tử chất có trong dòng

 Có khả năng giữ các phân tử đường, muối kim loại hóa trị II, vi khuẩn, proteins, các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ ,các phần tử hòa tan có khối lượng phân tử lớn hơn 1000daltons

 Hiệu quả của NF chịu ảnh hưởng bởi điện tích phân tử, các hạt có điện tích càng lớn thì càng dễ bị giữ lại

4.Thẩm thấu ngược (reverse osmosis -RO)

• Loại bỏ các loại ion ,vi sinh vật, khoáng chất, đường, protein, thuốc nhuộm, đặc biệt là các muối vô cơ (phân tử lượng 150-250

daltons, kích thước 1-10Å)

• Sản xuất nước tinh khiết đóng chai

• Tái sử dụng (lọc lại) nước tiểu của các nhà du hành vũ trụ thành nước uống trên các trạm vũ trụ

• Lọc nước biển thành nước ngọt

17

CƠ CHẾ CỦA Thẩm thấu ngược (reverse osmosis -RO):

a.Thẩm thấu (osmosis):

b.Thẩm thấu ngược (reverse osmosis):

18

19

Gián đoạn

Liên tục

QUÁ TRÌNH

PHÂN RIÊNG

BẰNG

MEMBRANE

QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG GIÁN ĐOẠN

a. Mô hình hồi lưu toàn phần retentate

1- bồn nguyên liệu

2- bơm nguyên liệu

3- thiết bị lọc

4- thiết bị membrane

5- van điều chỉnh

6- thiết bị trao đổi nhiệt

QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG GIÁN ĐOẠN

b. Mô hình hồi lưu một phần retentate

1- bồn nguyên liệu

2- bơm nguyên liệu

3- bơm hồi lưu

4- thiết bị membrane

QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC

1- bồn nguyên liệu

2- bơm nguyên liệu

3- thiết bị membrane

QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC

b. Mô hình hồi lưu một phần retentate

1- bồn nguyên liệu

2- bơm nguyên liệu

3- bơm hồi lưu

4- thiết bị membrane

retentate

QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC

c. Mô hình nhiều giai đoạn

1- bồn nguyên liệu

2- bơm nguyên liệu

3- bơm hồi lưu

4- thiết bị membrane

5- van điều chỉnh

THIẾT BỊ MEMBRANE

MÔ HÌNH ỐNG

MÔ HÌNH CUỘN XOẮN

MÔ HÌNH BẢNG/ TẤM

MÔ HÌNH

SỢI

1.MÔ HÌNH ỐNG (TUBULAR MODULE)

d =12,5 ÷ 75 mm

1.MÔ HÌNH ỐNG (TUBULAR MODULE)

28

1.MÔ HÌNH ỐNG (TUBULAR MODULE)

29

MÔ HÌNH SỢI (HOLLOW FIBER MODULE)

MÔ HÌNH SỢI (HOLLOW FIBER MODULE)

31

MÔ HÌNH SỢI (HOLLOW FIBER MODULE)

32

MÔ HÌNH BẢNG/TẤM (PLATE MODULE)

33

MÔ HÌNH CUỘN XOẮN (SPIRAL - WOUND MODULE)

34