Công nghệ màng và quá trình vi lọc microfiltration

Tổng quan công nghệ màng và quá trình vi lọc MFVật liệu chế tạo màng : Phân loại và đặc điểmMô đun màng : Cấu tạo và các ưu nhược điểmSo sánh với các quá trình lọc MF với các quá trình lọc khác như UF, RO,...Ứng dụng của quá trình màng MF

MỞ ĐẦU Hiện nay, ngành công nghiệp không ngừng tăng trưởng phát triển, kỹ thuật phân riêng membrane trở thành giải pháp hiệu việc tiết kiệm lượng, đồng thời hạn chế biến đổi làm giảm chất lượng bán thành phẩm thành phẩm, xử lý nước thải công nghiệp độc hại, thu hồi cấu tử quý Các hợp chất từ thực vật protein, lipit, hợp chất chống oxi hóa, có vai trò quan trọng ngành công nghệ phục vụ nhu cầu sống thiết yếu người Việc trích ly hợp chất từ thực vật phương pháp truyền thống làm cho hợp chất nhiều tính chất chức Để cải thiện tính chất chức hợp chất người ta ứng dụng kỹ thuật membrane để trích ly Kỹ thuật membrane ưu kỹ thuật truyền thông không sử dụng hóa chất xử lí nhiệt nên sản phẩm bị biến chất Các ứng dụng membrane không bị bó hẹp việc phân riêng cấu tử hóa học quy mô phòng thí nghiệm mà mở rộng công nghiệp Kỹ thuật membrane xem hướng đầu tư mũi nhọn thiết yếu tương lai thay dần kỹ thuật truyền thông Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật membrane nhiều hạn chế Chúng ta chủ yếu ứng dụng kỹ thuật membrane để xử lý nước áp dụng quy mô thí nghiệm Hiện tại, số lượng công trình nghiên cứu việc ứng dụng kỹ thuật membrane sản xuất thực phẩm khiêm tốn Về công nghệ chế tạo thiết bị, nước ta hạn chế công nghệ trình độ kỹ thuật, lĩnh vực chưa phát triển Việt Nam PHẦN : QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH MÀNG 1.1.Khái quát công nghệ membrane Thuật ngữ “membrane” (màng) bắt đầu xuất từ người phát khả bán thấm phận nội tạng động vật bong bóng cá, bàng quang lợn Sau đó, nhiều loại membrane nhân tạo đời ứng dụng rộng rãi kỹ thuật phân riêng Hiện nay, định nghĩa membrane sau đa số nhà nghiên cứu đồng ý sau : Membrane loại màng đặc biệt làm từ vật liệu tự nhiên tổng hợp có khả thấm (cho qua) cách chọn lọc câu tử có hỗn hợp dung dịch, từ hợp chất cao phân tử tinh bột, protein chất có kích thước phân tử thấp ion hóa trị Quá trình vận chuyển vật chất qua màng chênh lệch áp suất, nồng độ, điện trường 1.2 Lịch sử công nghệ membrane 1748 1807 1854 1854 1877 1907 J Abbe Nollet Reuss Graham Fick Pfeffer Bechold 1920 1957 1958 1962 Zsigmondy Hassler Sidney Loeb S.Sourirajan S.Loeb S.Sourirajan Phát tượng thẩm thấu Theo dõi trình/hiện tượng thẩm thấu Sự phân tách thành phần máy thẩm tách Hình thành định luật khuếch tán Áp suất thẩm thấu dung dịch đường Giới thiệu khái niệm siêu lọc Màng Xenlulo Nitrat Phát triển phương pháp chế tạo màng Đề cập đến trình tách muối từ nước biển Nghiên cứu chế tạo thành công màng polyme Phát minh màng bất đối xứng Màng thẩm thấu ngược tích hợp 1.3 Phân loại trình màng 1.3.1.Theo nguồn gốc Theo nguồn gốc, membrane chia thành loại gồm: membrane tự nhiên membrane tổng hợp - Membrane tự nhiên Là loại màng chế tạo từ vật liệu có tự nhiên, chủ yếu cellulose - Membrane tổng hợp Là loại membrane chế tạo từ vật liệu tổng hợp Membrane tổng hợp chia thành hai nhóm chính: • Membrane hữu - organic (polymer hợp chất hữu cơ) • Membrane vô - inorganic (ceramic kim loại ) Trong đó, polymer (cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene, polyamides, polysulfones, ) ceramic (alumina, titania, and zirconia, ) sử dụng phổ biến 1.3.2 Theo cấu trúc membrane Theo cấu trúc, membrane chia thành loại sau: - Membrane có cấu trúc vi xốp: dựa vào kích thước phân bố mao quản membrane, người ta lại chia làm hai loại sau: + Đối xứng: Cấu trúc loại membrane có vô sô" lỗ xốp” bên dạng mao quản lỗ hổng hình thành cách ngẫu nhiên Đường kính mao quản ổn định suốt chiều dày membrane, mao quản song song với Membrane vi xốp chế tạo sô kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha, từ nhiều loại vật liệu khác ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại loại polymer + Bất đối xứng : Loại có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dày membrane, thường có lớp: lớp dày 0,1 - 0,5 µm, đường kính mao quản nhỏ lớp định khả phân riêng màng; lớp dày 100 - 200 µm, đường kính mao quản lớn, thường đóng vai trò khung đỡ, cần có tính bền cao Membrane loại thường sử dụng kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm thấu ngược, tinh khí, Tính chất ứng dụng số loại membrane vi xốp Vật liệu Ceramic, kim loại Polyethylene (PE) Polytetrafluoroethylene (PTFE) Polycarbonate (PC) Cellulose nitrate (CN), Cellulose acetate(CA) Kích thước lỗ mao quản (µm) 0,1 - 20 0,5 - 10 0,5 - 10 0,02 - 10 0,01 - Ứng dụng Vi lọc Vi lọc Vi lọc Vi lọc Vi lọc, Siêu lọc - Membrane đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane) Membrane dạng lỏng lớp chât lỏng mỏng Khó khăn loại membrane trì lớp màng ổn định mặt câu trúc đặc tính Để tránh phá vỡ câu trúc membrane trình phân riêng, hai kỹ thuật thường dùng sử dụng chất nhũ hóa dùng vật liệu polymer có câu trúc vi xốp với độ bền cao để chứa chất lỏng bên Membrane dạng lỏng thường dùng để tách ion kim loại nặng, chất vô từ nước thải công nghiệp - Membrane trao đổi ion (Ionic Membrane) Membrane trao đổi ion membrane mà bề mặt có nhiều điện tích âm dương Có hai loại membrane trao đổi ion • Membrane trao đổi ion dương • Membrane trao đổi ion âm Hai loại membrane hấp thu ion có điện tích trái dâu (counter-ion) so với ion bề mặt membrane (co-ion) không cho ion qua Sự phân riêng membrane trao đổi ion đạt chủ yếu trình tách ion tích điện trái dâu với membrane kích thước lỗ mao quản Sự phân riêng bị ảnh hưởng điện tích nồng độ ion dung dịch Membrane trao đổi ion thường dùng kỹ thuật điện thẩm tích 1.3.3 Theo động lực trình chuyển chất qua màng chế : Ta chia thành số trình sau: a Quá trình vi lọc (MF): - Động lực: chênh lệch áp suất (chênh lệch hoá) - Cơ chế: tách vật lý tuý theo chế sàng - Trạng thái pha: L-L - Khả tách: tách phân tử có kích thước, phân tử khối lớn lớn so với trình lọc thông thường khác như: vi khuẩn,vi sinh vât,các chất lơ lửng…kích thươc phân tử tới 0,1µm b Quá trình thấm siêu lọc (UF): - Động lực: chênh lệch áp suất (chênh lệch hoá) - Cơ chế: tách vật lý tuý theo chế sàng - Trạng thái pha: L-L - Khả tách: hạt có kích thước tới 0.01µm, tách virut,vi khuẩn, hiệu việc tách hợp chất hưu cơ… c Quá trình lọc nano (NF): - Động lực: chênh lệch áp suất (chênh lệch hoá) - Cơ chế: Nằm chế: sàng khuếch tán –hoà tan nên chế phức tạp - Trạng thái pha: L-L - Khả tách: khả giữ phân tử đường, muối kim loại hoá trị 2, vi khuẩn, hợp chất hữu khác… - Hiệu trình chịu ảnh hưởng điện tích phân tử,các hạt có điện tích lớn dễ bị giữ lại d Quá trình thẩm thấu ngược (RO): - Động lực: Chênh lệch áp suất - Cơ chế: hoà tan-khuếch tán - Khả tách: Loại bỏ ion đơn hoá trị, vi sinh vật, khoáng chất,đường protein, đặc biệt muối vô (phân tử lượng từ 50-250 Dalton), kích thước phân tử 110 Ao - Ứng dụng: làm nước biển… e Quá trình thấm bốc (PV): - Động lực:chênh lệch áp suất riêng phần - Cơ chế phân tách: hoà tan-khuếch tán - Trạng thái tập hợp: L-K - Ứng dụng: Trong chưng cất nhiều với sử dụng màng bán thấm cho qua… 1.4 Vật liệu chế tạo màng 1.4.1.Vật liệu hữu (polymer) - Các tiêu chí để lựa chọn màng polyme Tiêu chuẩn cấu trúc vĩ mô: - Độ bền nhiệt Độ bền hóa Độ bền Tiêu chuẩn cấu trúc vi mô: - Độ thấm qua chất a Cellulose acetate (CA) Là vật liệu sử dụng chế tạo ứng dụng kĩ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano siêu lọc - Ưu điểm : giá thành rẻ ,háo nước , bị tắc nghẽn - Nhược điểm: bền với nhiệt , ph bị phá hủy bới vi sinh vật b Polyvinylidenedifluoride (PVDF) (-CH2-CF2-) Là vật liệu màng truyền thống Tuy nhiên kĩ thuật chế tạo khó khăn tính chất cấu trúc ổn định nên sử dụng c Polysulfone Là loại vật liệu sử dụng nhiều siêu lọc vi lọc, có ưu điểm có khả chịu ph nhiệt độ cao Loại vật liệu sử dụng nhiều nhà máy thực phẩm, nhà máy chế biến sữa Về nguyên tắc, vật liệu háo nước, không sử dụng để xử lí chất dầu mỡ hay chất ưa béo Tuy nhiên sử dụng để xử lí chất nhũ tương tốt d Polysulfone (PSU) Polyethersulfone (PES): Màng chế tạo phương pháp đảo pha Vật liệu polymer dùng rộng rãi để chế tạo màng siêu lọc Polysulfone (PSU) Polyethersulfone (PES) Màng PSU phát triển lần vào năm 1960 để thay cho màng cellulose Kể từ đó, có nhiều mẫu chế tạo trình bày tài liệu màng PSU, nhiều trường hợp sử dụng PSU Udel-3500 có khối lượng phân tử lớn thương mại hóa Solvay Một ưu điểm so sánh PSU với cellulose acetate khả làm việc môi trường có pH khắc nghiệt, khả bền nhiệt PSU có nhiệt độ biến dạng vào khoảng 195oC PES cao hơn, 230oC Cả PSU PES bị hòa tan dung dịch Chloroform Dimethylformamide, dễ dàng chế tạo phương pháp đảo pha Khả tan dễ dàng PSU điểm yếu, bỏ khả ứng dụng Polysulfone – chất hỗ trợ trình (solvent – base feed solution) Đó vấn đề phủ PSU polymer, tan dung dịch hữu Một điểm yếu PSU PES tính kỵ nước, ngăn thấm ướt với dung dịch chứa nước Do đó, màng phải tránh bị khô hoàn toàn, phải xử lý chất kỵ nước, glycerin… Một vấn đề quan trọng khác vật liệu kỵ nước chúng có khả hấp phụ không thực cao Hiện tượng gọi tắc nghẽn, làm giảm tính thấm màng nhanh e Poly (vinylidene flouride) – (PVDF): PVDF polymer thú vị chế tạo màng UF tính chịu hóa chất PVDF chịu hầu hết acid vô hữu cơ, có hoạt động khoảng pH rộng Nó bên với hydrocacbon thơm, rượu, tetrahydrofurane dung môi halogen Ngoài ra, chịu oxy hóa tự nhiên, với Ozone khử trùng nước PVDF chất bán kết tinh, với nhiệt độ chuyển hóa tinh thể cực thấp -40oC, dẻo phù hợp ứng dụng cho màng hoạt động khoảng nhiệt độ từ -50oC đến 140oC Ngay bền với hầu hết dung môi hữu cơ, PVDF bị hòa tan dimethyl formamide, dimethyl actetamide (DMAc), N-methyl pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide, hoàn toàn chế tạo màng từ PVDF phương pháp đảo pha Trong sáng chế trước màng PVDF, hỗn hợp bao gồm 20% PVDF DMAc tạo hình ngâm dung dịch methanol Sau dùng dung dịch tạo hình DMAc, bao gồm 17% isopropanol dùng bể ngâm dung dịch chưa 40% nước, 50% DMAc 7% isopropanol Màng chế tạo từ hỗn hợp NMP, có lithium chloride ngâm bể chứa methanol… Giống PSU, PVDF kỵ nước có nhiều phương án đưa nhằm tăng tính thấm ướt cho màng Một mẫu thử xử lý hóa chất áp dụng dùng hỗn hợp kiềm mạnh tác nhân oxi hóa trùng hợp với acrylic acid Bề mặt màng phủ polyacrylamide, poly (acrylic acid), poly (vinyl alcohol) dẫn xuất cellulose Cách khác để tăng tính chất màng trộn loại polymer với Trộn PVDF/PVP, PVDF/poly (ethylene glycol) PEG, PVDF/Polystyrene sulfonat, PVDF/Poly (vinyl acetate) PVDF/poly (methyl methacrylate) dùng chế tạo loại màng xốp f Poyetherimide (PEI): PEI loại polymer sử dụng môi trường có nhiệt độ cao PVDF có độ bền cao Độ bền hóa cao polymer cellulose, thấp PVDF PEI không dùng với chloroform dichloromethane Nó bị ăn mòn tetrahydrofurane Độ bền môi trường pH lớn thấp PVDF, PSU PAN Quy trình chế tạo màng từ PEI xử dụng lượng lớn cấu trúc xốp bất đối xứng, cấu trúc điều khiển nhờ vào thay đổi thành phần hỗn hợp Loại polymer dùng thường Ultem® 1000, chế tạo General Electric (GE) Màng bất đối xứng xử dụng nhiều công nghệ tách khí, đặc biệt quy trình thu hồi khí Helium Ngoài lớp PEI hỗ trợ bất đối xứng dùng siêu lọc để làm cho màng composite Có độ xốp cao kích thước lỗ trung bình nhỏ so với loại màng PVDF Cách thức chế tạo sợi rỗng từ dung dịch PEI hỗn hợp NMP GBL DMAc GBL mô tả Kneifel Peinemann Màng Polyetherimide: a) Mặt cắt ngang b) Bề mặt màng 10 c Modun dạng cuộn xoắn (Spiral Wound Module) Thiết bị gồm hai hình trụ đồng trục có đường kính khác lồng vào Chúng chế tạo thép không gỉ Ống hình trụ đường kính nhỏ đục lỗ thân nơi tập trung cấu tử dòng permeate Khoảng không gian giới hạn mặt thân trụ đường kính nhỏ mặt thân trụ đường kính lớn đệm xốp cuộn theo hình xoắn ốc Tấm đệm làm vật liệu polypropylene Hai bên đệm hai membrane với bề mặt hoạt động quay hướng Dung dịch nguyên liệu bơm vào đầu thân trụ di chuyển theo thân trụ kênh dẫn có tiết diện hình xoắn ốc Dòng sản phẩm retentate tập trung thoát đầu thiết bị hình trụ Các cấu tử permeate chui qua mao dẫn hai membrane để vào kênh dẫn dành riêng cho chúng Kênh có tiết diện hình xoắn ốc hên thông với ông hình trụ đường kính nhỏ Từ ống hình trụ đường kính nhỏ, dòng permeate tập trung thoát khỏi thiết bị Loại modun có ưu thiết bị thẩm thấu ngược sử dụng rộng rãi giá thành tương đối rẻ Người ta chọn chế độ chảy rối chảy dòng theo tính chất nguyên liệu cần phân riêng Nhưng phần membrane bị hỏng toàn modun phải hủy bỏ Đây nhược điểm lớn loại membrane 18 d Modun dạng sợi rỗng (Hollow fiber module) Membrane dạng sợi rỗng có hình dạng tương tự membrane dạng ống Thiết bị membrane chế tạo thép không rỉ có dạng hình trụ với đường kính thường dao động khoảng 2.5 - 12.7 cm; chiều dài: 18 - 120 cm Bên thiết bị chứa bó sợi membrane xếp song song với Mỗi modun chứa từ 50 - 3000 sợi Đường kính sợi thay đổi từ 0.2 - mm Trong trình thẩm thấu ngược, đường kính sợi sử dụng giảm xuống 19 0.04mm Thông thường chiều dày membrane từ 100 - 400pm Khi hoạt động, dung dịch nguyên liệu bơm vào bên thiết bị chui vào sợi membrane Dòng retentate hết theo chiều dài sợi tập trung thoát đầu lại thiết bị Dòng permeate chui qua lỗ mao dẫn membrane, thoát sợi tập trung cửa nằm thân thiết bị Riêng hãng Dupont thiết kế số thiết bị sử dụng kỹ thuật thẩm thấu ngược cho dòng nguyên liệu vào khoảng không gian trống sợi membrane Khi đó, số cấu tử chui qua mao dẫn membrane để vào bên sợi tạo nên dòng permeate Ưu điểm mô hình sợi thiết bị chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tích membrnae sử dụng lớn, tốn lượng cho trình Khuyết điểm loại modun trình vận hành, số sợi membrane dễ bị tổn thương việc thay chúng tốn phức tạp Hơn nữa, đường kính sợi membrane nhỏ, nguyên liệu dạng keo dễ gây tắc nghẽn membrane trình sử dụng phải thay membrane vài sợi membrane bị hỏng 20 BẢNG SO SÁNH MỘT SỐ LOẠI MODUN THƯỜNG GẶP Dang modun Dạng ống (tubular module) Ưu điểm - Đơn giản, dễ vận hành - Ít đóng cặn, phù hợp với dung dịch huyền phù nồng độ cao - Dễ dàng rửa vệ sinh - Trở lực nhỏ - Thích hợp cho phòng thí nghiệm Dạng khung (plate & - Tính linh động cao frame module) - Dễ lắp đặt sửa chữa, thay - Ít đóng cặn - Phù hợp với kĩ thuật MF, NF, RO - Giá thành rẻ, chế tạo đơn Dạng cuộn xoắn (spiral giản xvound moduỉe) - Thể tích nhỏ Dạng sợi rỗng (hollow fiber - Dễ chế tạo - Thể tích nhỏ, diện tích module) riêng lớn - Chịu áp tốt - Giá thành rẻ 1.6 Ứng dụng công nghệ màng: Nhược điểm - Sửa chữa khó khăn - Thể tích lớn, diện tích riêng nhỏ - Giá thành cao - Thể tích lớn - Giá thành cao - Tính linh động không cao - Khó vệ sinh - Dễ bị fouling (dễ bẩn tắc) - Tổn thất áp suất lớn - Khi phần sợ bị hỏng phải thay toàn modun  CN Thực phẩm: lọc trong/xử lý nước uống, cô đặc nước trái cây, sữa,…  CN Môi trường: xử lý nước thải ,khử khoáng và làm mề m nước, khử màu và các chấ t hữu hòa tan, thu hồi cấu tử quý,  CN Sinh học: thu hoạch sinh khối, cô đặc/ phân tách tế bào protein  CN Hóa học: tách dầu, trích ly dầu, tách muối làm nước biển, loại kim loại nặng, thu hồi chất xúc tác  Y học: Cô đặc chất kháng sinh dung môi hữu cơ, thận nhân tạo,… 1.7 Ưu điểm công nghệ màng:  Công nghê ̣ sa ̣ch và dễ vâ ̣n hành  Có thể thay thế đươ ̣c nhiề u quá trın ̀ h hóa lý truyề n thố ng: lo ̣c, chưng cấ t, trao đổ i ion  Ta ̣o sản phẩ m có chấ t lươ ̣ng cao  Thuâ ̣n lơ ̣i cho viê ̣c thiế t kế những ̣ thố ng có tı́nh linh hoa ̣t cao  Tuy nhiên chi phí chế tạo hệ thống đắt số loại màng rẻ 1.8.Tương lai phát triển 21 Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật màng nhiều hạn chế Chúng ta chủ yếu ứng dụng kĩ thuật màng để xử lý nước áp dụng quy mô thí nghiệm Hiện tại, số lượng công trình nghiên cứu việc ứng dụng kí thuật màng sản xuất thực phẩm khiêm tốn công nghệ chế tạo thiết bị, nước ta hạn chế công nghệ trinh đọ kĩ thuật, lĩnh vực chưa phát triển Việt Nam Tuy nhiên tương lai kỹ thuật màng xem hướng đầu tư mũi nhọn thiết yếu để dần thay kỹ thuật truyền thống khác nhằm nâng cao chất lượng, suất, giá thành sản phẩm 22 PHẦN : QUÁ TRÌNH THẤM VI LỌC (MF) 2.1 Khái niệm, đặc điểm : Vi lọc (Microfiltration – MF) trình lọc màng thực áp suất thấp không bar Vi lọc không làm biến chất thành phần dung dịch lọc, giữ lại phần tử huyền phù keo ion mà có trọng lượng phân tử 50.000 kích thước lớn 0,1 micromet Các đặc tính cụ thể - Loại màng : Đối xứng Độ dày màng 10 – 150 µm Kích thước lỗ xốp : 0,1-1µm - Áp suất động lực : 0,1-2 bar - Cơ chế hoạt động : Cơ chế sàng lọc - Vật liệu chế tạo màng : Polyme, sợi, gốm sứ - Khả loại bỏ : Chất rắn lơ lửng, huyền phù, keo, men, vi khuẩn, phân tử protein có sữa hay ngũ cốc,… 2.2 Các trình, mô hình hóa áp dụng 2.2.1 Các trình phân tách: Lọc chiều tĩnh (Dead-End) Lọc chéo dòng (Cross-flow) a Hình thức lọc tĩnh (Dead-end Separation): Dead-end hình thức lọc dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane, dung môi phần tử có kích thước khôi lượng phân tử thích hợp chảy qua membrane áp suất Các phần tử có kích thước lớn đường kính lỗ mao quản bị giữ lại bên bề mặt bên membrane Theo thời gian phần tử tích tụ, làm tăng trở lực trình phân riêng làm cho lưu lượng dòng permeate giảm dần Để tiếp tục trình phân riêng, người ta phải thay vệ sinh membrane 23 Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình là: kỹ thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) 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 đảm bảo lưu lượng dòng permeate ổn định trở lực lọc tăng dần Ngược lại, kỹ thuật vi lọc với áp suất không đổi, lưu lượng dòng permeate giảm dần trở lực lọc tăng dần theo thời gian Đây mô hình sử dụng phòng thí nghiệm dùng để xử lý dung dịch tích nhỏ - Ưu điểm: Chất lượng dòng nước tốt Lượng nước thải - Nhược điểm: Hình thành lớp cặn lớn bám bề mặt, cản trở trình lọc, làm giảm suất, màng lọc có tuổi thọ không cao - Giải pháp khắc phục : Sục rửa lớp cặn Tuy nhiên, sục rửa lớp cặn loại bỏ lớp cặn cách định mà không triệt để Đến thời điểm, lượng nước không đáp ứng yêu cầu chất lượng, lưu lượng giải pháp thay màng lọc 24 b Hình thức lọc chéo dòng (Cross-flow Separation) Cross-flow hình thức lọc dòng nhập liệu chảy song song với bề mặt membrane Dung môi phần tử có kích thước khôi lượng phân tử thích hợp qua membrane nhờ áp lực bơm tạo thành dòng permeate, phần tử lại không qua membrane tiếp tục chảy tạo thành dòng retentate, đồng thời dòng kéo theo phần tử bám bề mặt membrane Vì vậy, mô hình bị tắc nghẽn so với mô hình Dead-end hoạt động liên tục thời gian dài - Ưu điểm: Lớp cặn bám màng lọc nhỏ Chất lượng dòng lọc tốt Năng suất lớn - Nhược điểm: Tốn nhiều lượng nước thải không cần thiết - Để hạn chế lượng nước thải ta cho nước sau lọc ta cho tuần hoàn trở lại 25 2.2.2 Mô hình hóa trình: a Mô hình thủy động lực học Ở chế độ dòng chảy xoáy, hiệu lọc tốt tạo động lực lọc mạnh, lưu lượng nước lớn Tùy thuộc vào tương quan lực, ta tính tốc độ sục qua để bụi không rơi trở lại bề mặt màng Vận tốc dòng lớn, hạt khó bị lắng xuống, song tổn thất áp suất lại tăng Do cần chọn vận tốc dòng vào thích hợp b Mô hình khuếch tán mở rộng Deff = Ƞ f(Ws1) 26 Trong đó:  B: Hệ số xác định thực nghiệm c Mô hình lớp cặn: vp= Ƞ ( RDS = ) Ƞ F(Δp) Trong đó:   Rm: trở lực màng RDS: trở lực lớp cặn d Mô hình cân Để trình diễn ổn định liên tục, xây dựng mô hình cân Giai đoạn khởi động: tốc độ dòng nước giảm dần, theo thời gian lớp cặn hình thành bề mặt màng, cản trở dòng lọc Dung dịch lọc tới màng phải qua lớp cặn trước, nên lớp cặn có nồng độ dung dịch cao, dẫn tới hình thành gradient nồng độ - dòng khuếch tán nồng độ từ màng tới tâm dòng Ngược lại, có dòng đối lưu khuếch tán từ tâm dòng đến lớp cặn 27  Mô hình cân thiết lập cho hai dòng khuếch tán đạt cân => tốc độ dòng lọc ổn định 2.3 Phạm vi ứng dụng, so sánh với công nghệ khác 2.3.1 Phạm vi ứng dụng Quá trình vi lọc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: xử lý nước thải, khử trùng, tiền xử lí cho RO tách photphat sau kết tủa Cụ thể lĩnh vực sau: a.Môi trường: - Xử lí nước thải trình xử lí sinh học gia công kim loại Tình hình ô nhiễm nguồn nước sông, hồ nước ngầm, việc thải nguồn nước thải chưa xử lý phần lớn Việt Nam ngày trở nên trầm trọng Việc xử lý nước thải đạt yêu cầu môi trường đồng thời tái sử dụng nước ngày trọng Công nghệ xử lý sử dụng phối hợp phương pháp sinh học màng vi lọc (Membrane Bioreactor - MBR) công nghệ hứa hẹn cho xử lý nước thải từ khu dân cư, du lịch nước thải công nghiệp Điểm khác biệt MBR so với trình xử lý phương pháp bùn hoạt tính thông thường là: tách bùn hoạt tính khỏi nước thải sau giai đoạn xử lý sinh học màng vi lọc thay cho giai đoạn phức tạp bao gồm trình lắng thứ cấp, lọc cát khử trùng Màng vi lọc ngâm trực tiếp vào bể phản ứng hiếu khí 28 Hình Công đoạn lắng thứ cấp, bể lọc cát khử Hình Ảnh chụp SEM cho kích thước lỗ 0,1 µm trùng thay modun màng vi lọc lắp nguyên lý tách chất rắn vi sinh màng vi trực tiếp bể xử lý hiếu khí lọc sau trình xử lý sinh học - Tách sử dụng lại sơn tĩnh điện, tách dầu khỏi nhũ tương Trong ngành công nghiêp hóa dầu việc tách nước / dầu vô cần thiết Bùn, tạp chất, chất gây ô nhiễm, vi sinh vật, nước thải phát sinh từ việc rửa dầu thô vấn đề cần giải Tái chế dầu qua sử dụng chủ đề nóng việc bảo vệ môi trường, hướng tới việc phát triển bền vững b.Công nghiệp dược: - Làm dung dịch kháng sinh Việc xử lí trình liên quan đến dược phẩm đòi hỏi yêu cầu điều kiện làm việc hệ thống tách nhiệt độ, dung môi mạnh, axit kiềm Kỹ thuật vi lọc cho phép lựa chọn điều kiện sản xuất phù hợp trường hợp - Làm sạch, tách chiết enzyme chể phẩm nhiễm khuẩn 29 Khi tế bào nguyên vẹn, enzym tồn bên tế bào Là phương pháp tách vật lí, lọc màng coi công nghệ tiên tiến để xử lí nước dùng lên men thu hoạch enzyme cần tách c Công nghiệp thực phẩm: - Chế biến sữa Trong trình sản xuất sữa việc nhiễm vi khuẩn bào tử có hại cho sữa ảnh hưởng đến chất lượng thời hạn sử dụng sữa Kĩ thuật vi lọc cho phép giải vấn đề cách triệt chất lượng sữa đảm bảo Kĩ thuật vi lọc sử dụng để tách Casein (sữa keo) từ sữa Casein dùng làm thực phẩm việc chế tạo mỹ phẩm Nó dung để cán giấy may cho láng, vải không thấm nước, làm keo bột đánh bóng quý kim - Tăng nồng độ nước Nước cô đặc sản phẩm sơ chế từ trái cây, thành phần chủ yếu nước ép có tới 60-80% khối lượng nước Còn lại đường, vitamin, khoáng chất Như việc vận chuyển hoa tươi chưa tính sơ, cùi, hạt mà tính nước ép việc vận chuyển chúng chiếm chi phí không nhỏ Nước ép trái cây, hay nước cô đặc góp phần làm giảm chi phí vận chuyển, giải vấn đề dư thừa trái vào vụ, đem lại hiệu kinh tế không nhỏ 30 2.3.2 So sánh với công nghệ khác Đặc điểm trình màng trình bày bảng sau: Nanofiltration Ultrafiltration Microfiltration Membrane Reverse Osmosis Bất đôi xứng Bất đôi xứng Bất đôi xứng Bề dày 150 µm 150 µm 150-250 µm Bất đôi xứng Đối xứng 10-150 µm Lớp film µm µm Kích thước lỗ < 0.002 µm CA Lớp mỏng < 0.002 µm CA Lớp mỏng µm 0.2 - 0.02 µm Ceramic PSO, PVDF, CA - 0.02 µm Ceramic pp, PSO, PVDF Vật liệu Lớp mỏng Khả tách Mô đun HMWC, LMWC NaCl, glucose, Aminoacids HMWC, mono,di oligosaccharide Ion đa hóa trị Chất có phân tử lượng lớn, protein, polysaccharide, virus Phân tử lớn, hạt rắn, vi khuẩn Dạng ống Dạng ống Dạng ống Dạng ông Dạng cuộn xoắn Dạng sợi rỗng Dạng cuộn xoắn Dạng cuộn xoắn Dạng Dạng Dạng tâm Dạng sợi rỗng 15- 150 bar 5-35 bar 1- l0 bar < bar Áp suất trình (Nguồn: Munir Cheryan, Ph.D Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic publishing co, inc, 1998) 31 KẾT LUẬN Các trình lọc màng áp dụng thực tế vài chục năm trở lại đây, chúng nhanh chóng đóng vai trò quan trọng sản xuất đời sống người Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ vật liệu phương pháp chế tạo màng ngày phát triển, trình màng ngày ứng dụng nhiều công nghiệp sản xuất Quá trình vi lọc trình quan trọng công nghệ màng lọc Thực trình vi lọc tương đối đơn giản, không đòi hỏi điều kiện cao chế tạo màng đảm bảo áp suất làm việc Tuy nhiên trình lại thực công đoạn lọc sơ bộ, chưa đến việc lọc triệt để thành phần dung dịch lọc Do coi công đoạn tiền đề xử lí dịch lọc trước thực trình lọc NF RO 32 ... Ứng dụng Vi lọc Vi lọc Vi lọc Vi lọc Vi lọc, Siêu lọc - Membrane đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane) Membrane dạng lỏng lớp chât lỏng mỏng Khó khăn loại membrane trì lớp màng ổn định... 22 PHẦN : QUÁ TRÌNH THẤM VI LỌC (MF) 2.1 Khái niệm, đặc điểm : Vi lọc (Microfiltration – MF) trình lọc màng thực áp suất thấp không bar Vi lọc không làm biến chất thành phần dung dịch lọc, giữ...PHẦN : QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH MÀNG 1.1.Khái quát công nghệ membrane Thuật ngữ “membrane” (màng) bắt đầu xuất từ người phát khả bán thấm