Đồ án Ứng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các hợp chất từ thực vật

MỞ ĐẦUHiện nay, khi các ngành công nghiệp không ngừng tăng trưởng và phát triển do đóvấn đề cần quan tâm là vấn đề về năng lượng và các vấn đề về bảo vệ, chống ônhiễm môi trường, kỹ thuậ

ỨNG DỤNG KĨ THUẬT MEMBRANE TRONG TRÍCH LY CÁC HỢP CHẤT TỪ

THỰC VẬT

MỤC LỤC

Danh mục hình và bảng 1

1: Mở đầu 3

2: Tổng quan 4

2.1 Khái niệm về membrane và phân loại 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Phân loại membrane 4

2.1.3 Vật liệu membrane 7

2.2 Các kĩ thuật membrane 11

2.2.1 Kĩ thuật vi lọc (microfiltration) 11

2.2.2 Kĩ thuật siêu lọc (Ultrafiltration) 12

2.2.3 Kĩ thuật lọc nano (Nanofiltration) 12

2.2.4 Kĩ thuật lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) 12

2.3 Các dạng thiết bị: 13

2.3.1 Membrane dạng ống (Tubular module) 13

2.3.2 Membrane dạng khung bản (Plate and Frame module) 15

2.3.3 Membrane dạng cuộn xoắn (Spiral wound module) 15

2.3.4 Membrane dạng sợi rỗng (Hollow fibre module) 17

2.4 Động học quá trình truyền khối membrane 20

2.4.1 Mô hình phân riêng bằng membrane 20

2.4.2 Động học của quá trình membrane 21

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình membrane 25

2.5.1 Đặc tính của membrane 25

2.5.2 Đặc tính của nguyên liệu 26

2.5.3 Các thông số kĩ thuật của quá trình 28

2.6 Hiện tượng Fouling 31

2.7.1 Định nghĩa 32

2.7.2 Nguyên nhân gây ra fouling 32

2.7 Ưu điểm và nhược điểm của kĩ thuật membrane 37

3: Ứng dụng kĩ thuật membrane trong trích ly các hợp chất từ thực vật: 38

3.1 Ưùng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly protein từ thực vật 38

3.1.1 Nguyên liệu: Bột đậu nành tách béo 39

3.1.2 Quy trình sản xuất soy protein 41

3.1.3 Phương pháp trích ly protein bằng membrane 41

3.1.4 Các hệ thống cô đặc màng 43

3.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng 45

3.1.5.1 Khả năng phân riêng của membrane vào phân tử lượng 45

3.1.5.2 Bản chất nguyên liệu 46

3.1.6 Sản phẩm của quá trình cô đăc dung dịch protein bằng siêu lọc 48

3.2 Ứng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các hợp chất chống oxi hóa

từ thực vật 50

3.2.1 Kỹ thuật trích ly các hợp chất chống oxi hóa từ thực vật 51

3.2.2 Ưùng dụng membrane trong trích ly các hợp chất chống oxi hóa từ nho 52

3.2.3 Ưùng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các hợp chất chống oxi hóa từ olive mill wastewater 53

3.2.4 Ưùng dụng membrane trong làm sạch và thu hồi phenolic từ táo 54

3.3 Ưùng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly lipit từ thực vật 54

4 Kết luận 56 Tài liệu tham khảo

1 MỞ ĐẦU

Hiện nay, khi các ngành công nghiệp không ngừng tăng trưởng và phát triển do đóvấn đề cần quan tâm là vấn đề về năng lượng và các vấn đề về bảo vệ, chống ônhiễm môi trường, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đã trở thành giải pháp hiệuquả trong việc tiết kiệm năng lượng, đồng thời có thể hạn chế những biến đổi làmgiảm chất lượng bán thành phẩm và thành phẩm cũng như xử lý nước thải công nghiệpđộc hại hay thu hồi các cấu tử quí bằng kỹ thuật điện thẩm tích

Các hợp chất từ thực vật như protein, lipit, hợp chất chống oxi hóa… có vai trò quantrọng trong ngành công nghệ thực phẩm và các ngành công nghệ khác cũng như nhucầu sống của con người Việc trích ly các hợp chất từ thực vật bằng phương pháptruyền thống đã làm cho các hợp chất này mất đi nhiều tính chất chức năng Để cảithiện các tính chất chức năng của các hợp chất này người ta ứng dụng kỹ thuậtmembrane để trích ly Kỹ thuật membrane ưu thế hơn kỹ thuật truyền thống là khôngsử dụng hóa chất và xử lí nhiệt nên các sản phẩm ít bị tính chất Các ứng dụng củamembrane giờ đây không còn bị bó hẹp trong việc phân riêng các cấu tử háo học ởquy mô phòng thí nghiệm mà được mở rộng trong công nghiệp Kỹ thuật membraneđược xem là một trong những hướng đầu tư mũi nhọn và thiết yếu trong tương lai thaythế dần các kỹ thuật truyền thống

Ở nước ta, việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật membrane còn rất nhiều hạn chế.Chúng ta chủ yếu ứng dụng kỹ thuật membrane để xử lý nước hoặc áp dụng ở quy môthí nghiệm Hiện tại, số lượng công trình nghiên cứu về việc ứng dụng kỹ thuậtmembrane trong sản xuất thực phẩm còn khá khiêm tốn Về công nghệ chế tạo thiết

bị, nước ta còn hạn chế trong công nghệ cũng như trình độ kỹ thuật, do đó lĩnh vực nàychưa được phát triển tại Việt Nam

Mục tiêu của đồ án này là tổng quan ứng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly cáchợp chất từ thực vật nhằm biết được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình membranecũng như chất lượng của sản phẩm

2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MEMBRANE

2.1 Khái niệm về membrane và phân loại

2.1.1 Khái niệm

“Membrane” là thuật ngữ khoa học có nghĩa là “màng” là bề mặt mỏng cho phép một số cấu tử khuếch tán qua nó Thuật ngữ “kỹ thuật membrane” (membrane technology) bắt đầu xuất hiện từ khi con người phát hiện khả năng bán thấm của các

bộ phận nội tạng của động vật như bong bóng cá, bàng quang lợn….Sau đó, nhiều loạimembrane nhân tạo đã ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật phân riêng Hiện nay, định nghĩa membrane như sau được đa số nhà nghiên cứu đồng ý:membrane là loại màng đặc biệt có thể phân riêng một cách chọn lọc các cấu tử cókích thước khác nhau, từ những hợp chất cao phân tử như tinh bột, protein cho đến cácchất có kích thước phân tử thấp như các ion hóa trị một

2.1.2 Phân loại

Membrane có thể được phân loại theo các cách sau:

Theo nguồn gốc

Theo nguồn gốc, membrane được chia thành 2 loại gồm: membrane tự nhiên vàmembrane tổng hợp

 Membrane tự nhiên

Là loại màng được chế tạo từ các vật liệu có trong tự nhiên, trong đó chủ yếu làcellulose

 Membrane tổng hợp

Là loại membrane được chế tạo từ các vật liệu tổng hợp Membrane tổng hợp đượcchia thành hai nhóm chính:

• Membrane hữu cơ - organic (polymer của các hợp chất hữu cơ)

• Membrane vô cơ - inorganic (ceramic hoặc kim loại )

Trong đó, polymer (cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene polyamides,polysulfones, ) và ceramic (alumina, titania, and zirconia, ) được sử dụng phổ biếnnhất(Baker, 2000)

Theo kích thước lỗ mao quản

Theo kích thước lỗ mao quản, membrane được chia thành 4 loại sau: màng thẩmthấu ngược (RO - Reverse Osmosis), màng lọc nano (NF - Nanofiltration), màng siêulọc (UF - Ultrafiltration) và membrane vi lọc (MF - Microfiltration)

Bảng 2.1: Kích thước lỗ mao quản của một số loại membrane

Loại membrane Kích thước lỗ mao quản (nm)

Nguồn: Jorgen Wagner, Membrane Filtration Handbook,

Osmonics Inc., USA, 2001

Theo cấu trúc membrane

Theo cấu trúc, membrane được chia thành các loại sau:

 Membrane có cấu trúc vi xốp: dựa vào kích thước và sự phân bố các mao quản

trong membrane, người ta chia ra làm hai loại sau:

(symmetric, isotropic)Cấu trúc của loại membrane này có vô số các lỗ xốp bên trong dưới dạng maoquản hoặc các lỗ hổng được hình thành một cách ngẫu nhiên Đường kính của maoquản ổn định trong suốt chiều dày của membrane, các mao quản này song song vớinhau Membrane vi xốp chế tạo bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo

pha,… từ nhiều loại vật liệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loạihoặc các loại polymer

Hình 2.2 Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng

 Bất đẳng hướng (asymmetric, anisotropic)

Loại này có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dày của membrane, thườngcó 2 lớp: lớp trên dày 0,1 – 0,5µm, đường kính mao quản nhỏ và lớp này quyết địnhkhả năng phân riêng của màng; lớp dưới dày 100 - 200 µm, đường kính mao quản lớn,thường đóng vai trò là khung đỡ, vì thế cần có tính bền cơ cao

Membrane loại này thường được sửû dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm thấungược, tinh sạch khí,

Hình 2.3 Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng

Bảng 2.2: Tính chất và ứng dụng của một số loại membrane vi xốp

Vật liệu Kích thước lỗ mao quản (m) Ứng dụngCeramic, kim loại

Vi lọc

Vi lọc

Vi lọc

Vi lọc

Vi lọc, siêu lọc

Nguồn: Mark C Porter, Handbook of Industrial Membrane Technology, Noyes Publication, USA, 1990.

 Membrane đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane)

Membrane dạng lỏng là một lớp chất lỏng rất mỏng Khó khăn nhất đối với loạimembrane này là duy trì lớp màng ổn định về mặt cấu trúc cũng như đặc tính của nó.Để tránh sự phá vỡ cấu trúc của membrane trong quá trình phân riêng, hiện nay hai kỹthuật thường được dùng là sử dụng các chất nhũ hóa hoặc dùng vật liệu polymer cócấu trúc vi xốp với độ bền cơ cao để chứa chất lỏng bên trong Membrane dạng lỏngthường dùng để tách các ion kim loại nặng, các chất vô cơ từ nước thải công nghiệp

 Membrane trao đổi ion (Ionic Membrane)

Membrane trao đổi ion là membrane mà trên bề mặt có nhiều điện tích âm hoặcdương Có hai loại membrane trao đổi ion

• Membrane trao đổi ion dương

• Membrane trao đổi ion âm

Hai loại membrane này sẽ hấp thu các ion có điện tích trái dấu (counter-ion) so vớicác ion trên bề mặt membrane (co-ion) và không cho các ion này đi qua Sự phânriêng bằng membrane trao đổi ion đạt được chủ yếu do quá trình tách những ion tíchđiện trái dấu với membrane hơn là do kích thước lỗ mao quản Sự phân riêng này bịảnh hưởng bởi điện tích và nồng độ của những ion trong dung dịch Membrane trao đổiion thường được dùng trong kỹ thuật điện thẩm tích

2.1.3 Vật liệu chế tạo membrane.

Cellulose Acetate (CA)

Cellulose acetate (CA)

là vật liệu được sử dụng

chế tạo và ứng dụng đầu

tiên trong các kỹ thuật

thẩm thấu ngược, lọc nano

và siêu lọc

• Nhược điểm vật liệu này là kém bền đối với nhiệt độ, pH và có thể bị pháhủy bởi vi sinh vật

• Tuy nhiên, chế tạo bằng vật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước,và ít bị tắc nghẽn (fouling) hơn các loại membrane khác

Polyvinylidenedifluoride (PVDF)

Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống Tuynhiên, kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này rất khó khăn và các tính chất, cấutrúc của membrane kém ổn định nên ít được sử dụng

Polysulfone (PS)

Polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọc và vi lọc

Ưu điểm có khả năng chịu được pH và nhiệt độ cao Loại vật liệu này được sửdụng rất nhiều trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệt trong các nhà máy chế biếnsữa Về nguyên tắc, polysulfone là vật liệu háo nước, không thể sử dụng để xử lýcác chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo Tuy nhiên, có một số loại membranepolysulfone có thể sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt

Các vật liệu khác

- Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường có cấu

tạo dạng ống và được lắp theo từng hệ thống

• Ưu điểm của loại vật liệu này là khoảng nhiệt độ và pH hoạt độngrộng, có độ bền hóa cao, thời gian sử dụng dài, vệ sinh đơn giản

• Nhưng bên cạnh đó độ bền cơ học không cao, không chịu được hiệntượng shock nhiệt, giá thành cao

- Kim loại: kim loại thường được dùng để chế tạo membrane là paladi hoặc hợp

(−CH2 −CF2 −)n

kim của paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim, Loại membrane nàyđược sử dụng chủ yếu trong quá trình phân riêng khí ở nhiệt độ cao (ví dụ quá trìnhtinh sạch khí hydro từ khí thải).

- Bên cạnh đó còn có các loại vật liệu khác như một số polimer tổng hợp,

Bảng 2.3: Độ bền hóa của một số vật liệu membrane

- P: độ bền hóa cao

- (P): chưa được xác định rõ

- x : độ bền hóa thấp

(Nguồn: Jorgen Wagner, Membrane Filtration Handbook, Osmonics Inc., USA, 2000)

Bảng 2.4: Các vật liệu sử dụng để chế tạo membrane

Composites, polymeric thin film (PA hay

polyetherurea trên polysulfone)

X

(Nguồn: Munir Cheryan, Ph.D Ultrafiltration and Microfiltration Handbook,

Technomic publishing co., inc.)

2.2 Các kỹ thuật membrane

Hình 2.4 Kích thước mao quản và áp suất ứng với các kỹ thuật membrane

2.2.1 Kỹ thuật vi lọc - MF (Microfiltration)

Membrane vi lọc với đường kính mao dẫn 0,01-2 sẽ giữ lại các cấutử lơ lửng có kích thước rất nhỏ như các tế bào vi sinh vật Có áp suấtlàm việc dao dộng trong khoảng 0,3 – 1bar Đây là kỹ thuật được áp dụngcác khá phổ biến trong chế biến thực phẩm như tách vi sinh vật từ sữa,nước trái cây (nước táo, nho,…)

m

µ

2.2.2 Kỹ thuật siêu lọc - UF (Ultrafiltration)

Kỹ thuật siêu lọc là quá trình phân riêng chọn lọc các hợp chất với áp suất làmviệc vào khoảng 1 – 10 bar Đường kính mao quản trung bình từ 2 đến 50 nm Kỹthuật siêu lọc được áp dụng để tách protein, thuốc nhuộm, và các hợp chất có khốilượng phân tử lớn hơn 10.000 Dalton

2.2.3 Kỹ thuật lọc nano – NF (Nanofiltration)

Trong kỹ thuật lọc nano, mao quản có đường kính trung bình khoảng 2nm Áp suấtlàm việc trong quá trình lọc nano cần phải cao, thông thường từ 20 – 40bar Kỹ thuậtnày được áp dụng trong quá trình cô đặc đường, các dung dịch chứa gốc muối hóa trịhai, chất màu hay các hợp chất có khối lượng phân tử lớn hơn 1.000 Dalton

2.2.4 Kỹ thuật thẩm thấu ngược – RO (Reverse Osmosis)

Kỹ thuật thẩm thấu ngược còn được gọi là hyperfiltration, là quá trình phân riêngvới đường kính lỗ mao quản nhỏ nhất và cũng là kỹ thuật phân riêng phức tạp nhấttrong các kỹ thuật phân riêng bằng membrane Kỹ thuật này sử dụng membrane cóđường kính lỗ mao quản nhỏ hơn 1nm, nên có khả năng tách các cấu tử có kích thướcnhỏ như các ion của muối như Na+, Cl-, ra khỏi dung dịch Vì vậy, áùp suất làm việctrong kỹ thuật này phải đủ lớn (15 – 70bar), để thắng áp suất thẩm thấu trên bề mặtmàng

Hình 2.5 Mô

hình kỹ thuật thẩm

thấu ngược (RO)

Bảng 2.5: Đặc tính của các quá trình membrane

So sánh 4 quá trình membrane

Reverse Osmosis Nanofiltration Ultrafiltration Microfiltratio n Membrane Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng

Đối xứng

Ceramic

PP, PSO, PVDF

Khả năng

tách HMWC, LMWC

NaCl, glucose, Aminoacids

HMWCMono-,di và oligosaccharideIon đa hóa trị

Chất có phân tửlượng lớn, protein, polysaccharide, virus

Phân tử lớn, các hạt rắn,

vi khuẩn

Mô hình Dạng ống

Dạng cuộn xoắn

Dạng tấm bản

Dạng ốngDạng cuộn xoắn

Dạng tấm bản

Dạng ốngDạng cuộn xoắn

Dạng tấm bảnDạng sợi rỗng

Dạng ốngDạng sợi rỗng

Aùp suất quá

(Nguồn: Munir Cheryan, Ph.D Ultrafiltration and Microfiltration Handbook,

Technomic publishing co., inc, 1998)

2.3 Các dạng thiết bị.

2.3.1 Mô hình ống (Tubular module)

Thiết bị là hai ống hình trụ đồng trục bằng thép không rỉ, đường kính khác nhau và

được đặt lồng vào nhau Oáng hình trụ bên trong có thân được đục lỗ Một membranedạng tấm được cuộn tròn lại để tạo thành hình ống và được lồng ép sát vào thành bêntrong của ống hình trụ có đường kính nhỏ

Khi hoạt động dòng nhập liệu được bơm vào một đầu của thiết bị và được phânphối vào bên trong các ống trụ nhỏ.Dòng retentate sẽ thoát tại đầu bên kia của ốnghình trụ này Còn dòng permeate sẽ chui qua các mao quản của membrane và thoát rathành bên ngoài của ống hình trụ nhỏ rồi theo đường dẫn để ra bên ngoài thiết bị.Để tăng diện tích bề mặt phân riêng trong thiết bị, người ta có thể lắp đặt mộtchùm ống hình trụ đường kính nhỏ được quấn membrane bên trong thân rồi đặt songsong nhau vào ở bên trong thân đường lớn Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằngthép không rỉ, có đường kính dao động từ 12.5 đến 75 mm, chiều dài khoảng 0,6 đến

64 m và có khoan các lỗ nhỏ trên thân có vai trò là ống đỡ membrane và được giữtrong một ống thép lớn Ngoài ra, người ta cũng có thể chia ống hình trụ thành nhiềukhoang Dung dịch nguyên liệu sẽ được bơm vào trong các khoang này theo nguyêntắc nối tiếp hoặc song song nhau

Membrane dạng ống có những ưu, nhược điểm chung như:

• Ưu điểm

- Dễ tạo dòng chảy rối trong quá trình vận hành nên có thể hạn chế được hiệntượng tập trung nồng độ, dễ vệ sinh thiết bị và thay thế membrane khá đơn giản và dễthực hiện

• Nhược điểm

- Thiết bị khá cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng Ngoài ra, tốc độdòng nhập liệu khi đi vào thiết bị sẽ bị giảm dần nếu chiều cao của thiết bị khá lớn,giá thành cao

Hình 2.6 Mô hình membrane dạng ống

2.3.2 M

embrane dạng khung

bản (Plate and Frame Module)

Mỗiđơn vị cấu tạo nên mô hình bảng bao gồm một tấm đỡ được làm bằng vật liệu xốp vàhai tấm membrane được ép sát vào hai bên tấm đỡ Bề mặt hoạt động của hai tấmmembrane đều được quay ra bên ngoài Trong thiết bị membrane, các đơn vị trên đượcđặt song song với nhau Tùy thuộc vào số đơn vị được lắp ráp vào nhiều hay ít màtổng diện tích membrane sử dụng trong thiết bị có thể dao động trong một khoảng rấtlớn, từ 0.1-100m2

Loại membrane này được tạo thành do các bản đỡ đặt song song nhau cách nhaumột khoảng cách khá hẹp tạo thành một hệ thống kênh dẫn cho dòng permeate vàretentate Membrane được phủ trên các tấm giá đỡ (dạng plate) tạo sự phân cách giữahai dòng permeate và retentate Dòng nhập liệu chảy vào một đầu và được phân phốivào các kênh dẫn retentate, các cấu tử có kích thước thích hợp sẽ qua membrane vàtheo các kênh dẫn của dòng permeate đi theo ống dẫn chính ra ngoài Dòng nguyênliệu không qua membrane được gom lại và được phân phối lại vào vùng tiếp theo

nhằm nâng cao hiệu quả quá trình phân riêng Thiết bị dạng này thường được sử dụngtrong quá trình siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược.

Ưu điểm lớn nhất của mô hình bảng là việc tháo lắp, vệ sinh thiết bị rất đơn giản

Ơû một số thiết bị, người ta bố trí một van tháo sản phẩm permeate ứng với mỗi tấmmembrane Như vậy, nhà sản xuất dễ phát hiện kịp thời membrane nào bị hư hỏngtrong quá trình vận hành để thay thế Tuy nhiên mô hình này cũng chiếm diện tích nhàxưởng khá lớn

Hình 2.7 Mô hình membrane dạng khung bản

2.3.3 Membrane dạng cuộn xoắn (Spiral Wound Module)

Thiết bị gồm hai hình trụ đồng trục nhưng có đường kính khác nhau vàđược lồng vào nhau Chúng được chế tạo bằng thép không rỉ Oáng hình trụđường kính nhỏ được đục lỗ trên thân và là nơi tập trung các cấu tử củadòng permeate

Khoảng không gian được giới hạn bởi mặt ngoài thân trụ đường kính nhỏvà mặt trong thân trụ đường kính lớn là một tấm đệm xốp được cuộn theohình xoắn ốc Tấm đệm này được làm bằng vật liệu polypropylene Hai bêntấm đệm là hai tấm membrane với bề mặt hoạt động đều được quay ra hướngngoài Dung dịch nguyên liệu sẽ được bơm vào tại một đầu thân trụ và dichuyển theo thân trụ bởi một kênh dẫn có tiết diện hình xoắn ốc Dòng sảnphẩm retentate sẽ được tập trung và thoát ra ở đầu kia của thiết bị hình trụ.Các cấu tử permeate sẽ chui qua mao dẫn của hai membrane để vào kênh dẫndành riêng cho chúng Kênh này cũng có tiết diện hình xoắn ốc và đượcliên thông với ống hình trụ đường kính nhỏ Từ ống hình trụ đường kính nhỏ,dòng permeate sẽ được tập trung thoát ra khỏi thiết bị

Loại module này có ưu thế trong các thiết bị thẩm thấu ngược và được sử dụngkhá rộng rãi vì giá thành tương đối rẻ Người ta có thể chọn chế độ chảy rối hoặc chảydòng tuy theo tính chất của nguyên liệu cần phân riêng Nhưng nếu một phầnmembrane bị hỏng thì toàn bộ module phải hủy bỏ Đây là nhược điểm lớn nhất củaloại membrane này.

Membrane dạng sợi rỗng có hình dạng tương tự như membrane dạng ống Thiết bịmembrane được chế tạo bằng thép không rỉ có dạng hình trụ với đường kính thườngdao động trong khoảng 2.5 – 12.7 cm; chiều dài: 18 – 120 cm Bên trong thiết bị chứabó sợi membrane được xếp song song với nhau Mỗi module chứa từ 50 – 3000 sợi.Đường kính sợi thay đổi từ 0.2 – 3 mm Trong quá trình thẩm thấu ngược, đường kínhsợi sử dụng có thể giảm xuống 0.04mm Thông thường chiều dày membrane từ 100 -400µm.

Khi hoạt động, dung dịch nguyên liệu được bơm vào bên trong thiết bị và chui vàotrong các sợi membrane Dòng ra retentate sẽ đi hết theo chiều dài sợi và tập trungthoát ra ở đầu còn lại của thiết bị Dòng ra permeate sẽ chui qua các lỗ mao dẫnmembrane, thoát ra ngoài sợi rồi được tập trung về cửa ra nằm trên thân thiết bị.Riêng hãng Dupont thiết kế một số thiết bị sử dụng trong kỹ thuật thẩm thấu ngược đãcho dòng nguyên liệu đi vào khoảng không gian trống giữa các sợi membrane Khi đó,một số cấu tử sẽ chui qua mao dẫn membrane để vào bên trong sợi và tạo nên dòngpermeate

Ưu điểm của mô hình sợi là thiết bị ít chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tíchmembrnae sử dụng rất lớn, ít tốn năng lượng cho quá trình Khuyết điểm của loạimodule này là trong quá trình vận hành, một số sợi membrane dễ bị tổn thương vàviệc thay thế chúng sẽ tốn kém và phức tạp Hơn nữa, do đường kính sợi membranekhá nhỏ, những nguyên liệu dạng keo dễ gây tắc nghẽn membrane trong quá trình sửdụng và phải thay membrane mới nếu một vài sợi của membrane bị hỏng

Hình 2.9 Membrane dạng

sợi rỗng

Bảng 2.6: So sánh ưu và nhược điểm của một số dạng membrane

Dạng ống

(tubular module) hành - Đơn giản, dễ vận

- Phù hợp với các dungdịch huyền phù nồng độ cao

- Thích hợp cho phòng thí nghiệm

- Sửa chữa khó khăn

- Thể tích lớn

- Giá thành cao

Dạng khung bản

(plate & frame module) -- Tính linh động cao.Dễ lắp đặt, sửa chữa

- Phù hợp với kỹ thuật

MF, NF, RO

- Thể tích lớn

- Giá thành cao

Dạng cuộn xoắn

(spiral wound module) -- Giá thành rẻ.Thể tích nhỏ cao.- Tính linh động không

Dạng sợi rỗng

(hollow fiber module)

- Dễ chế tạo

- Thể tích thiết bị nhỏ

- Giá thành rẻ

- Dễ bị fouling

- Khi vài sợi bị hỏng, phải thay toàn bộ

membrane

2.4 Động học của quá trình membrane

2.4.1 Các mô hình trong kỹ thuật membrane

Trong kỹ thuật membrane, có hai loại mô hình được áp dụng là Dead-end end separation) và Cross-flow (Cross-flow separation)

Hình 2.12 Mô hình dead-end và Cross-flow

hình end (Dead- end

Dead-Separation).

Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane, dungmôi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy quamembrane bởi áp suất Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗmao quản sẽ bị giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane Theo thời gian cácphần tử đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượngdòng permeate giảm dần Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệsinh membrane

Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình này là: kỹ thuật vi lọc với lưu

lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) và vi lọc với áp suất không đổi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop) Trong kỹ

thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không đổi, người ta phải thay đổi áp lực đảmbảo lưu lượng dòng permeate ổn định trong khi trở lực lọc tăng dần Ngược lại, trongkỹ thuật vi lọc với áp suất không đổi, lưu lượng dòng permeate sẽ giảm dần do trở lựclọc tăng dần theo thời gian Đây là mô hình chỉ sử dụng trong các phòng thí nghiệmdùng để xử lý các dung dịch có thể tích nhỏ

Hình 2.13 Mô hình Dead-End (Dead-End Separation)

 Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)

Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặtmembrane Dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ

đi qua membrane nhờ áp lực của bơm và tạo thành dòng permeate, các phần tử còn lạikhông đi được qua membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo thành dòng retentate, đồngthời dòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt membrane Vì vậy, mô hìnhnày ít bị tắc nghẽn hơn so với mô hình Dead-end và có thể hoạt động liên tục trongthời gian dài

Hình 2.14 Mô hình Cross-Flow (Cross-Flow Separation)

2.4.2 Động học của quá trình.

Tốc độ dòng permeate chịu ảnh hưởng bởi độ chênh lệch áp suất hiệu dụng giữahai bên bề mặt membrane Độ chênh lệch áp suất bề mặt được quyết định bởi 2 yếutố: độ chênh lệch áp suất giữa hai phía của membrane và độ chênh lệch áp suất thẩmthấu ở hai phía của membrane

Độ chênh lệch áp suất giữa hai phía của membrane:

Theo P.J.Fellow, áp suất chênh lệch giữa 2 bên màng membrane được xác địnhnhư sau:

Trong đó:

- P: độ chênh lệch áp suất (Pa) qua màng

- Pf: áp suất (Pa) của dòng nhập liệu

- Pr: áp suất (Pa) của dòng retentate

- Pp: áp suất (Pa) của dòng permeate

Aùp suất thẩm thấu trong một dòng lưu chất được xác định như sau:

Trong đó:

- : là áp suất thẩm thấu (Pa)

- C: nồng độ của cấu tử (mol/L)

- R: hằng số nhiệt động: 8.314 N.m/mol/oK

- T: nhiệt độ dung dịch (oK)

- M: khối lượng phân tử (g/mol) Khi là hỗn hợp của nhiều cấu tử thì M là khối lượng phân tử trung bình của tất cả các cấu tử trong hỗn hợp

Khi đó độ chênh lệch áp suất hiệu dụng qua màng được xác định:

Trong đó:

- r: là áp suất thẩm thấu phía dòng retentate

- p: áp suất thẩm thấu phía dòng permeate

Như vậy chúng ta thấy rằng, để dòng lưu chất có thể chuyển động từ phía dòng retentate sang phía dòng permeate thì cần phải tạo ra một áp lực tối thiểu bằng với độ chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa 2 phía của membrane

p r f

P P P

Bảng 2.7: Động lực của các quá trình membrane

retentate

Sản phẩmpermeate

(nanofiltration)

phân ly, muốihóa trị II,phân tử nhỏ

Nước, ion đơnhóa trị, acidkhông phânly…

5 Thẩm thấu ngược

(reverse osmosis) Aùp lực Nước, tất cảcác chất tan Nước

Nước, chất tanion hóa

8 Tách cấu tử bay hơi

bằng membrane

(pervaporation)

Aùp lực Nước, phân tử

không bay hơi nhỏ dễ bay hơiNước, phân tử

Để đánh giá hiệu quả của quá trình phân riêng bằng membrane, người ta xác định hai chỉ tiêu sau nay:

- Độ phân riêng (Rejection):

Trong đó: Cp -nồng độ cấu tử trong dòng permeate

CR - nồng độ cấu tử trong dòng rententate

Độ phân riêng R nói lean khả năng phân riêng của membrane đối với một cấu tửcó trong dung dịch nguyên liệu ban đầu Khi giá trị R của cấu tử khảo sát càng cao thìkhả năng đi qua membrane của cấu tử đó sẽ càng thấp Giá trị R dao động trongkhoảng [0, 1]

+ Khi cấu tử khảo sát không thể đi qua membrane theo dòng permeate, thì

C

= −

- Lưu lượng dòng qua membrane (dòng permeate): trong trường hợp lý tưởng, theomô hình Hagen-Poiseuille thì lưu lượng dòng permeate được xác định như sau:

Trong đó: J – lưu lượng dòng quamembrane (L/m2.h)

- độ xốp bề mặt của membrane (%)

Dp - đường kính mao dẫn(m)

- chiều dài mao dẫn (m)

- độ nhớt của mẫu

N - số mao dẫn trong membrane

S - diện tích bề mặt hoạt động của membrane (m2)

Pt - áp lực qua membrane

Hình 2.15 Lưu lượng dòng permeate thay đổi theo thời gian vận hành quá trình

x

εµ

=

∆ε

2

.3,14

4

p d N

S

ε =

x

∆µ

và áp suất chuyển qua màng (TMP)

trong kỹ thuật RO, NF, UF và MF

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình membrane

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân riêng bằng membrane Chúng đượcchia thành ba nhóm có liên quan đến nguyên liệu cần phân riêng, membrane và cácthống số kỹ thuật để thực hiện quá trình phân riêng

2.5.1 Đặc tính của membrane

Kích thước lỗ mao quản, vật liệu chế tạo, cấu trúc bề mặt membrane, điện tích trênbề mặt membrane,… là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quảcủa quá trình phân riêng Kwak và cộng sự (1997) đã nghiên cứu ảnh hưởng của cấutrúc membrane RO (bằng vật liệu polyester) đến hiệu quả của quá trình phân riêng.Họ đã thay thế gốc phenyl của membrane RO bằng gốc methyl và halogen Kết quảcho thấy cả hai trường hợp thay thế đó đều có ảnh hưởng đáng kể đến độ phân riêngvà lưu lượng dòng permeate Khi thay thế gốc phenyl bằng gốc methyl, độ phân riênggiảm và lưu lượng dòng permeate qua màng tăng Ngược lại, khi thay thế bằng gốchalogen thì độ phân riêng tăng, lưu lượng dòng permeate qua màng giảm Với khảosát tương tự, Vrijenhoek và cộng sự (2001) đã giải thích sự ảnh hưởng của vật liệumàng đến hiệu quả quá trình phân riêng một cách khá thuyết phục Khi bề mặt củamembrane có hình dạng lồi lõm (“peak and valley”), chính những chỗ lồi lõm này làmtăng khả năng bám dính của các cấu tử lên membrane, và gây nên tắc nghẽn, cản trởđòng chảy làm giảm lưu lượng dòng permeate

Yeom và cộng sự (2002) đã khảo sát sự ảnh hưởng của điện tích trên membraneđến độ phân riêng Nghiên cứu cho thấy khi mebrane tích điện mạnh có khả năng táchmuối cao nhờ tương tác tĩnh điện giữa muối trong nguyên liệu và điện tích trên bề mặtmembrane Đối với membrane tích điện yếu hoặc không tích điện thì khả năng phânriêng tùy thuộc vào kích thước của các cấu tử, nên khả năng giữ muối kém hơn Đặctính của membrane ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của quá trình phân riêng và cònphụ thuộc vào tương tác giữa membrane và nguyên liệu

2.5.2 Đặc tính của nguyên liệu (Feed)

Bên cạnh yếu tố vật liệu chế tạo membrane, đặc tính của dòng nguyên liệu là yếutố ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình phân riêng Yếu tố này không ảnh hưởng đơn lẻmà tương tác với vật liệu membrane.

Ivetta Vincze và Gyula Vatai (2004) đã khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ dòngnguyên liệu đến lưu lượng dòng permeate trong quá trình cô đặc dịch chiết cà phê.Kết quả cho thấy khi nồng độ dòng nguyên liệu càng tăng, lưu lượng dòng permeatecàng giảm Xu và cộng sự (1999) đã chứng minh được nồng độ nguyên liệu là yếu tốảnh hưởng đáng kể đến độ phân riêng Họ kết luận rằng khi tăng nồng độ của dòngnhập liệu thì độ phân riêng giảm và ngược lại

Lượng vi sinh vật có trong nguyên liệu cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quảcủa quá trình phân riêng Đó cũng là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượngfouling

Hình 2.16 Ảnh hưởng của nồng độ nguyên liệu đến lưu lượng dòng permeate

Kết quả của một số nghiên cứu cho thấy pH nguyên liệu có ảnh hượng đáng kểđến hiệu quả của quá trình phân riêng Sự ảnh hưởng tùy thuộc vào điện tích củamembrane và không theo một qui luật rõ ràng

Hình 2.17 Ảnh hưởng của pH dòng nhập liệu đến lưu lượng dòng permeate (Nguyên liệu là dung dịch NaNO 3

nồng độ 10mM)

Hình 2.18 Ảnh

hưởng của pH dòng

nhập liệu đến độ phân

riêng

Thành phần hóa

học của dung dịch

nguyên liệu: các hợp

chất hóa học có trong

nguyên liệu sẽ có

những ảnh hưởng khác nhau đến quá trình phân riêng bằng membrane Ví dụ như protein là một chất hóa học có chứa những nhóm chức tích điện và những nhóm kỵ nước Chúng có thể tương tác với các nhóm kỵ nước của membrane và gây nên hiện tượng fouling, từ đó làm giảm lưu lượng của dòng permeate…, Để hạn chế những vấn đề trên, tùy theo thành phần hóa học của nguyên liệu mà chúng ta cần chọn

membrane với bản chất hóa học phù hợp

2.5.3 Các thông số kỹ thuật của quá trình

Đặc tính của membrane và nguyên liệu là hai yếu tố khó thay đổi trong quá trìnhphân riêng Yếu tố mà chúng ta có thể điều khiển được một cách dễ dàng và có hiệuquả là chế độ làm việc của quá trình phân riêng Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệuquả của quá trình phân riêng chủ yếu tập trung vào các thông số kỹ thuật, bao gồm:

áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc, lưu lượng dòng nhập liệu.

Một số nghiên cứu thực hiện trên membrane MF và UF thu được kết quả cho thấykhi tăng tốc độ dòng nhập liệu, lưu lượng của dòng permeate tăng theo và lưu lượngdòng permeate của membrane MF lớn hơn membrane UF

Hình

2.19 Ảnh

hưởng của

tốc độ nhập

liệu đến lưu

Bảng 2.9: Ảnh hưởng của áp suất làm việc đến độ phânriêng của các cấu tử có trong nước nho ở nhiệt độ 15oC

Tên các cấu tử 32 Áp suất (bar)40 45

(Nguồn: Roberto Ferrarini và cộng sự (2000))

Hình 2.20 Ảnh hưởng của áp suất lên lưu lượng dòng Permeate của UF

Hình 2.21 Ảnh hưởng của áp suất lên trở lực của các lớp gel hình thành

Bảng 2.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ phânriêng của các cấu tử trong nước nho (với p = 32bar)

Tên các cấu tử Nhiệt độ làm việc (15 25oC)