quá trình tách bằng màng

công nghệ kỹ thuật môi trường, cơ sở quá trình công nghệ 2, quá trình tách bằng màng, slide quá trình tách bằng màng, pp quá trình tách bằng màng, công nghệ kỹ thuật môi trường, công nghệ kỹ thuật môi trường, quá trình tách bằng màng, cơ sở quá trình 2

CHÀO MỪNG CÔ VÀ CÁC BẠN ĐẾN VỚI BÀI

THUYẾT TRÌNH

NHÓM 2

QUÁ TRÌNH TÁCH BẰNG MÀNG

NỘI DUNG

• Khái niệm về quá trình tách màng

• Cơ chế của quá trình lọc màng

• Ứng dụng quá trình tách màng

• Nguyên lý, cấu tạo thiết bị màng

1 KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH TÁCH MÀNG

1 KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH TÁCH MÀNG

a Khái niệm màng:

- Màng lọc là một lớp màng vất liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hoá học của chúng chịu một áp lực nhất định

- Màng lọc ngăn cách giữa 2 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 áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dung dịch hay phân tách một hỗn hợp

- Ưu điểm của màng lọc:

+) Quá trình màng lọc xảy ra ở điều kiện bình thường và các dung dịch tham gia không có thay đổi về pha

+) Quá trình phân tách vật chất qua màng không cần có hoá chất phụ gia như một số quá trình khác trong xử lý nước

a,Màng lọc thẩm thấu ngược (reverse osmosis – RO)

- Kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0,1 – 1micromet (µm) hoạt động dưới áp suất thông thường từ 10- 100psi, cho phép loại bỏ hầu hết các thành phần có trong nước như cacbonhydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng, các ion, amino axit,…., gần như chỉ còn nước nguyên chất chảy qua

Cơ chế hoạt động của màng RO:

+ Sử dụng tính chất của màng bán thấm, tất cả các chất hòa tan bị giữ lại, trừ 1 vài phần từ hữu cơ rất gần với nước có khối lượng mol nhỏ và phân cực mạnh Khi

có sự chênh lệch về thế năng hóa học thì xu hướng làm nước chuyển từ ngăn có thế năng hóa học thấp sang ngăn có thế năng hóa học cao để pha loãng, đó là hiện tượng thẩm thấu tự nhiên

+ Nếu muốn cản lại sự khuếch tán này, cần phải đặt 1 áp suất lên mặt dung dịch có thế năng hóa học thấp, sự chênh lệch áp suất đc tạo ra được gọi là áp suất thẩm thấu ngược của hệ thống

Đặc tính của 1 số loại màng và cơ chế tách lọc

Loại màng Động lực điều khiển Cơ chế tách lọc Cấu trúc màng

+ công nghệ chế biến nước hoa quả,

+ phân ly chất rắn hòa tan trong dung dịch

+ sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt

Bảng tổng kết công nghệ màng sinh học

TT Tên Kích thước lỗ rỗng

(µm)

Áp suất làm việc (bar)

Khả năng xử lý Chi phí sản xuất

1 MF 0,1-1 1-8,6 Độ đục chất lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử, vi

khuẩn hoặc chất rắn hòa tan lớn hơn kích thước lỗ rỗng

Thấp

2 UF 0,01-01 4,8-13,8 Như MF ngoài ra còn giữ được vi rút, proteins có khối lượng

mol nhỏ, enzymes, cacbonhydrat

Trung bình

3 NF 0,01-0,001 6,9-41,4 Như UF ngoài ra còn giữ đc phân tử muối hóa trị thấp, các chất

khoáng, protein, gelatin

Cao

4 RO <0.001 27,6-68,9 Gần như hoàn toàn chỉ có nước nguyên chất Rất cao

c Đặc điểm chung của màng:

* Màng lọc có thể được chia ra làm màng đối xứng và không đối xứng

- Màng đối xứng là màng đồng nhất có các lỗ rỗng được tạo thành do quá trình bắn phá bằng chum tia, sau đó cho hoá chất cố dịnh lại

- Màng không đối xứng là màng hỗn hợp, thường làm từ vật liệu polyme, composite gồm nhiều lớp mỏng có kích thước lỗ rỗng khác nhau theo thứ tự giảm dần đọ rỗng xếp chồng lên nhau, giữa các lớp là các sợi đỡ; muacj đích làm ngăn cản các phần tử

có kích thước khác nhau và chúng dược phân bố đồng đều trên các lớp

Loại này có độ bền cơ học cao và được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ màng lọc hiện nay

d Vật liệu của màng lọc:

-Màng có thể là đồng chất hay nhiều thành phần khác nhau hợp thành, chúng được chế tạo từ các vật liệu có nguồn góc như gốm nung chảy, các hợp chất cacbon, silic,zircon, hoặc từ nguồn góc hưu cơ như cao su, vải amiang, axetat xellulo, polyethylene, polypropylene

- Màng còn có thể 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 hoá chất , chúng thường dùng cho màng lọ MF tuy nhiên màng này có chi phí cao, dễ vỡ nên chưa được sử dụng rộng rãi

◦ Màng kim loại thường làm từ sắt không gỉ và có thể có kích thước lỗ rỗng rất bé, chúng được dung cho các quá trình phân tách khí và một số quá trình lọc nước ở nhiệt độ cao

 

2 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG

Nguyên tắc :Dùng áp lực để tách các chất hòa tan trong nước bằng cách sử dụng

màng bán thấm.Màng sẽ giữ lại những phần tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng

Dòng chất lỏng dẫn vào màng được phân ra 2 dòng:

-Dòng thải:gồm nước và phần tử vật chất có kích thước lớn hơn lỗ rỗng.Hàm lượng

chất bẩn của dòng này cao hơn so với dòng chất lỏng đầu vào

-Dòng sản phẩm thu được sau lọc:gồm nước và phần tử vật chất có kích thước nhỏ

hơn lỗ rỗng.Hàm dòng lượng chất bẩn trong dòng này nhỏ hơn so với dòng chất lỏng đầu vào

Các quá trình màng có thể bố trí theo cách lọc trượt hay lọc chặn

a,Lọc chặn

Nước đưa vào bề mặt màng được ép qua màng ,khi đó,một số chất rắn và thành phần khác bị giữ lại trên màng nên nước chịu một sức cản lớn khi qua màng.Khi trở lực màng tăng,vân tốc dòng chảy sẽ giảm ,và sau một thời gian,vận tốc chảy quá chậm(cần làm sạch màng)

- Năng lượng tạo áp lực cho nước đều dùng đẩy nước qua màng nên tổn hao năng lượng thấp hơn lọc trượt

- Màng được rửa bằng nước ,hóa chất hay biện pháp cơ học.

b,Lọc trượt

-Trong quá trình này,một lượng nước nạp được hồi lưu Nước nạp chảy song song với màng,chỉ một phần nhỏ chảy qua màng và phần lớn thoát ra khỏi modun nên quá trình tốn năng lượng lớn do phải tạo áp lực cho nước nạp

-Tốc độ chảy của nước nạp song song với màng cao nên chất rắn lơ lửng ít đọng lại trên bề mặt màng,chúng chảy cùng dòng nước và như thế độ dày lớp cặn lọc được kiểm soát.Tuy nhiên,màng cần được rửa theo chu kì bằng phương pháp phun ngược hay hóa chất

-Ứng dụng:thẩm thấu ngược,nano ,siêu lọc và vi lọc

c,Cơ chế chuyển khối qua màng nano

- Sự chia tách được thực hiện

bằng cơ chế dòng chất lỏng

được chuyển qua màng có

chọn lọc,thành phần khác

của chất lỏng được giữ lại

trên mặt môi trường xốp

- Với trường hợp lí tưởng,ta mong muốn có màng chỉ thẩm thấu nước.còn những trường hợp khác,các màng sử dụng cho phép chuyển dịch có ion không ,các màng này có thể trung hòa hay tích điện,khi tích điện chúng vận chuyển ion cùng dấu đi ngược lại nên cấu tạo màng chỉ cản cation hay anion

• Cơ chế chất lỏng lọc qua màng được biểu diễn theo công thức: (1)

• Khi dòng vật chất qua lỗ rỗng của màng chiếm phần lớn so với màng ban đầu thì công thức định luật darcy áp dụng xác định vận tốc trung bình của dòng vật chất qua màng

Thay (2) vào (1) và giới hạn chiều chuyển động của chất lỏng chỉ theo chiều ngang

và bỏ qua lực hấp dẫn ta được:

Từ công thức: Dòng chất lỏng qua màng gồm dòng khối qua khe dẫn của màng dưới tác dụng của áp suất và dòng khối qua màng nhờ khuyếch tán.Trường hợp này,dòng chất lỏng tỉ lệ trực tiếp với gradien áp suất ,áp suất lên màng có giá trị khác nhau ở vị trí khác nhau của màng,đây chính là động lực điều khiển sự chuyển khối của dòng chất lỏng qua lỗ rỗng của màng

3 ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH TÁCH BẰNG MÀNG

Làm trong và khử trùng nước Màng sinh học

Sản xuất nước siêu sạch

Xử lý tuần hoàn nước đô thị

Xử lý nước thải công nghiệp

Sử dụng trong bể xử lý sinh học

4 NGUYÊN LÝ,CẤU TẠO

- Môđun 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

- Sự bố trí các tấm đỡ cho phép nước lưu thông song song hoặc nối tiếp

+ Tổn thất áp suất cao khi chuyển

hướng dòng chảy trong môđun

+ Diện tích riêng tương đối nhỏ

Phạm vi ứng dụng:

+ Vi lọc, siêu lọc

+ Thẩm thấu ngược, bay hơi qua màng

c.Môđun dạng quấn xoắn

• Phổ biến nhất dùng cho màng lọc nano hay RO là môđun dạng quấn xoắn

• Cấu tạo:

Video về nguyên lý hoạt động của tấm màng lọc RO

Ưu điểm:

+ Chế tạo đơn giản, chi phí thấp

+ Quá trình chuyển khối hiệu quả thông qua các lớp đệm

d.Môđun dạng sợi rỗng:

Cấu tạo:

+ Sợi rỗng được chế tạo bằng máy ép đùn qua khuôn hình vành khuyên

+ Đường kính sợi có thể thay đổi, có tựu khả năng chống đỡ với áp lực từ bên trong hay bên ngoài

+ Sợi rỗng được tập hợp từ bó

Nguyên lí hoạt động:

+ Dòng chảy từ ngoài vào trong: Các sợi rỗng được bó chặt vào 1 đầu và gắn chặt bằng nhựa, còn đầu kia được cố định nhưng đầu rỗng của sợi sẽ được mở tự do

để thu sản phẩm sau quá trình lọc

+ Dòng chảy từ trong ra ngoài: Bó sợi được sắp xếp theo hình chữ U và dòng chảy

đi ngược lại với trường hợp dòng chảy từ ngoài vào trong

• Ví dụ là công nghệ màng lọc MBR