kỹ thuật lọc màng ứng dụng (membrane filtration technology its applications)

01/08/2019 Trường Đại Học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa KỸ THUẬT LỌC MÀNG & ỨNG DỤNG (MEMBRANE FILTRATION TECHNOLOGY & ITS APPLICATIONS) TS Mai Huỳnh Cang Mobile: 0938.228.017 Email: maihuynhcang@hcmuaf.edu.vn Version 1.0 GIỚI THIỆU Lọc trình phân riêng hỗn hợp không đồng nhờ vật ngăn xốp (màng lọc) Màng lọc màng bán thấm (có tính chọn lọc) dùng để phân tách phần tử hỗn hợp nhờ chế sàng lọc chế khuếch tán/ hấp thụ kết hợp (A membrane is a selective barrier that permits the separation of certain species in a fluid by combination of sieving and sorption diffusion mechanism.) 01/08/2019 GIỚI THIỆU Retentate: phần vật chất không qua màng (bã lọc) Permeate: phần vật chất qua màng (dịch lọc) Sử dụng tác nhân "sweep“ loại khí chất lỏng sử dụng để giúp loại Permeate GIỚI THIỆU Mục đích lọc - Cô đặc (concentration) - Làm (purification) - Phân đoạn (fractionation) 01/08/2019 GIỚI THIỆU Ứng dụng - Sản xuất đồ uống: cô đặc, lọc loại nước ép trái - Chế biến sữa: cô đặc sữa, tách béo, tiệt trùng… - Điện tử công nghiệp: cung cấp nước tinh khiết - Y tế: cung cấp nước vô trùng - Chế biến thực phẩm: cô đặc tinh chế loại đường, men - Phòng thí nghiệm: cung cấp nước tinh khiết - Hạt nhân: tách chất nhiễm phóng xạ - Dược phẩm: tách / lọc protein, vitamins, vắc xin - Ngành giấy: làm nguồn nước thải bột giấy - Công nghiệp nước ngọt: khử muối nước biển - Công nghiệp kim loại: thu hồi kim loại - Môi trường: Xử lý nước thải, tách CO2 H2 từ metan hydrocacbon khác; thu hồi khí mêtan từ khí sinh học GIỚI THIỆU Ưu điểm: Nhược điểm - Khơng có chuyển pha - Hiện tượng cáu bẩn, bít nghẽn màng (Fouling, cake) - Nhu cầu lượng thấp - Cấu tạo đơn giản - Khơng tương thích với số q trình hóa học - Tính chọn lọc cao - Vật liệu màng đa dạng - Thân thiện môi trường 01/08/2019 PHÂN LOẠI Phân loại theo kích thước lỗ lọc: 01/08/2019 PHÂN LOẠI Phân loại theo kích thước lỗ lọc: Theo phân loại tổ chức IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Liên minh Quốc tế Hóa học túy HHUD) có kích thước lỗ: phân tử, micro, ultra, nano Loại màng Động lực Cơ chế tách lọc Cấu trúc màng Vi lọc (MF) Áp suất Sàng lọc Lỗ rỗng lớn (0,1-1 µm) Siêu lọc (UF) Áp suất Sàng lọc Lỗ rỗng lớn (0,01-0,1 µm) Lọc nano (NF) Áp suất Thẩm thấu ngược (RO) Áp suất Sàng lọc + khuếch tán + chọn lọc Lỗ rỗng nhỏ (khoảng 0,001- 0,01 µm) Sàng lọc + khuếch tán Màng sít chặt + chọn lọc (< 0,001 µm) 01/08/2019 PHÂN LOẠI Microfiltration Vi lọc trình lọc màng thực áp suất (5-100psi) Vi lọc không làm biến chất thành phần dung dịch lọc, giữ lại phần tử có kích thước, phân tử khối lớn như: Loại bỏ chất rắn lơ lửng, chất keo, vi khuẩn, chất vơ cơ, … kích thước phần tử ny d = 0,1 ữ1,0 àm PHN LOI Ultrafiltration 99.99% Có khả xử lý nước đầu vào chứa hàm lượng chất rắn cao, độ đục lên tới 200 NTU Lọc phần tử có kích thước : d = 0,01 ữ0.1 àm 01/08/2019 PHN LOI Nano filtration Lc nano trình trung gian UF RO tách loại ion hoá trị dung dịch lỗng ion đa hố trị dung dịch Lọc phần tử có kích thước : d = 0,001 ữ0,01 àm 13 PHN LOI MNG LC RO (REVERSE OSMOSIS, Hyberfiltration) Có khả xử lý nước đầu vào chứa hàm lượng chất rắn cao, độ đục lên tới 200 NTU Lọc phần tử có kích thước : d < 0,001 01/08/2019 PHÂN LOẠI MÀNG LỌC RO (REVERSE OSMOSIS, Hyberfiltration) Hiện tượng thẩm thấu: tượng tự nhiên Nước chuyển dịch từ nơi có nồng độ muối/ khống thấp đến nơi có nồng độ cao Quá trình diễn nồng độ muối khoáng từ nơi cân Thẩm thấu ngược RO: Ngược lại với chế lọc thẩm thấu thông thường Với tốc độ áp lực cực lớn, dòng nước chảy liên tục bề mặt màng RO Một phần số phân tử nước “chui” qua lỗ lọc Các tạp chất bị dòng nước trơi “thải” bỏ VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng polymer Màng CA Màng CN Màng CTA 01/08/2019 VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng polymer (PS, polysulfones) Các polymer cứngvà suốt, ổn định -100°C 150°C Polysulfone có khả hoạt động pH (2 -13) Có thể làm chất tẩy trắng Nó có khả chịu chất hoạt động bề mặt loại dầu hydrocarbon Khơng có khả chịu dung môi hữu phân cực thấp Ổn định dung dịch axit nhiều loại dung môi không phân cực Về học, polysulfone có sức nén cao, sử dụng áp lực cao Màng Polysulfone dễ sản xuất, tái sản xuất kích thước xuống 40nm Polysulfone gia cố sợi thủy tinh Ứng dụng: xử lý nước thải, chế biến nước trái tách khí VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng polymer (Polyvinylidene Fluoride, PVDF) - Nhiệt độ làm việc: 5-120ºC - Áp suất không 2,5 bar - Dãy pH làm việc: 2~13 - Bề dày màng 0,05mm – 2mm - Khả chịu Clo: 100 ppm- 200 ppm - Độ đục sau lọc < 0.1NTU - Kích thước lỗ rỗng từ 0,01 – 0,1µm - Sợi PVDF chịu lực học cao, kháng hóa chất, bền nhiệt hạn chế tối đa tượng “fouling” màng 01/08/2019 Màng lọc sinh học MBR PVDF Màng lọc sinh học MBR PVDF – MBR hệ thống xử lý bùn hoạt tính cách sử dụng màng lọc sinh học có lỗ nhỏ li ti để loại bỏ chất rắn chất lỏng thay sử dụng bể lắng thứ cấp – Màng lọc sinh học MBR có kích thước lỗ 0.1 um Những chất rắn có kích thước lớn 0.1um bị giữ lại màng lọc nước chất rắn 0.1um (lượng ít, khơng đáng kể) qua màng lọc – Nước sau qua màng lọc sinh học MBR tái sử dụng để tưới cây, xả nước vệ sinh, hay sử dụng chà rửa… Ưu điểm sử dụng màng lọc sinh học MBR: – Giảm tới 70% diện tích sử dụng so với phương pháp bể truyền thống – Giảm từ 60-80% lượng bùn thải so với phương pháp bể truyền thống – Chất lượng nước cải thiện nhiều so với phương pháp truyền thống sau: + Hàm lượng: BOD nhỏ 5mg/l +Hàm lượng: TSS: nhỏ 1mg/l +Độ đục nước nhỏ NTU +Loại bỏ 99% lượng vi khuẩn nước thải - Ngồi màng sinh học MBR PVDF có khả chịu lực học nhiệt độ cao 10 01/08/2019 LÝ THUYẾT LỌC Lọc tiếp tuyến (lọc dòng chảy, cross-flow filtration)  Dòng chảy theo hướng Vuông góc với bề mặt màng Song song  in (feeding)/ out (permeat retentat)  Dòng chảy tiếp tuyến  có ma sát  giảm bít nghẽn màng  suất lọc tăng  Sử dụng quy mô công nghiệp/ PTN thể tích lớn dead-end filtration  Chi phí thiết bò cao (bơm áp lực, áp suất kế, ) LÝ THUYẾT LỌC Dead- end filtration Dòng chảy Vuông góc Cake / Fouling Nhanh/độc lập với vận tốc Crossflow filtration Vuông góc tiếp tuyến Ma sát + vận tôc tiếp tuyến (Vt) cake chậm Thay đổi theo Vt & P Năng suất Thấp Qui mô nhỏ (PTN) Lớn Qui mô công nghiệp Chi phí Thấp/ đơn giản Cao/ phức tạp (bơm áp lực, dòng hồi lưu ) 19 01/08/2019 LỌC TIẾP TUYẾN Hiện tượng bít nghẽn I: Giảm nhanh II: Trung bình III: Giảm chậm  HT tập trung nồng độ  Sự tắc nghẽn trình lọc (fouling)  Nghẽn lỗ lọc  Cake bề mặt LỌC TIẾP TUYẾN Hiện tượng bít nghẽn 20 01/08/2019 LỌC TIẾP TUYẾN Concentration Polarization (HT tập trung nồng độ) Concentration polarization: số cấu tử nguyên liệu phân bố tập trung bề mặt màng  nồng độ cấu tử bề mặt màng cao giảm vận tốc permeat  Khắc phục: khuấy trộn bề mặt màng; tăng áp lực PTM LỌC TIẾP TUYẾN Fouling  Vi sinh: phát triển bề mặt, tổng hợp chất ngoại bào  biofilm  Phân tử vô không tan/ chất hữu hòa tan  1,2,3  Phụ thuộc vào điều kiện thủy động/ tương tác màng dòch lọc/ tính chất, thành phần dòch lọc  Có tính thuận nghòch không 21 01/08/2019 LÝ THUYẾT LỌC Phương pháp hạn chế??  Rửa hóa học: chất hóa học khác nhau/ tần suất/ điều kiện rửa khác tùy thuộc vào chât câu tạo màng cake  Contre - lavage: Rửa ngược loại chất bám màng lỗ màng  Dòng chảy rối (lớp giới hạn)/ không tách phân tử kéo bám lỗ màng  Đông tụ: cho đông tụ/ kết trước qua màng tăng kích thước tế bào huyền phù; giảm tương tác với màng MƠ HÌNH THIẾT BỊ Phân loại Ứng dụng Mơ hình bảng (Plate module) UF, RO Mơ hình ống (Tubular module) UF, RO Mơ hình sợi (Hollow fiber module) UF Mơ hình cuộn xoắn (Spiral- wound module) RO, NF, UF 22 01/08/2019 MƠ HÌNH THIẾT BỊ Mơ hình bảng (plate module) Example of a plate and frame system for UF MÔ HÌNH THIẾT BỊ Mơ hình ống (tubular module): 23 01/08/2019 MƠ HÌNH THIẾT BỊ Mơ hình sợi (Hollow- fiber) https://www.youtube.com/watch?v=10oUonppN9M MƠ HÌNH THIẾT BỊ Mơ hình cuộn xoắn (Spiral- wound module) https://www.youtube.com/watch?v=17skp1rti3c Envelope formation of spiral-wound filter design 24 01/08/2019 MƠ HÌNH THIẾT BỊ Tiêu chuẩn Giá thành Năng lượng Khả rửa màng Kn chòu tác động học Xử lý sơ Màng phẳng (plate) Cuộn xoắn (Spirale wound) Dạng ống (Tubulair) Dạng sợi (Hollow fiber) + +++ - +++ ++ - +++ + - +++ ++ - +++ + + - +++ GE Water has MF/UF membrane systems for desalination, food and beverage processing, salt density index improvement, and drinking water treatment Their ZeeWeed hollow-fiber membranes come in a range of sizes and are designed to treat a variety of water streams across different pressures, turbidities, and applications Pall offers a variety of ceramic and hollow-fiber UF/MF membrane systems, including their Pall Aria series that is especially useful for filtering drinking water Many of their filtration systems use clean-in-place technology and can handle varied turbidity, flow, and contamination 25 01/08/2019 Their membranes serve a range of applications, including tertiary, surface water, produced water, and municipal wastewater treatment Lenntech has an assortment of MF/UF membrane systems that are custom designed and built to spec The ultrafiltration systems are made with hollow-fiber, outside-in membranes suitable for filtering out suspended solids, colloidal contaminants, and microorganisms Evoqua’s MF/UF membrane systems include a tubular crossflow system that removes colloids and improves salt density index, and pressurized/submerged membrane technology for potable water generation, wastewater treatment, and desalination, among other applications Their Memtek microfiltration systems are especially useful for removing heavy metals Textbooks Paperback: 564 pages Publisher: Springer; 2nd ed 1996 Softcover reprint of the original 2nd ed 1996 edition (30 September 1996) Language: English ISBN-10: 0792342488 ISBN-13: 978-0792342489 Hardcover: 590 pages Publisher: Wiley-Blackwell; 3rd edition (2012) Language: English ISBN-10: 0470743727 ISBN-13: 978-0470743720 26 01/08/2019 Textbooks Hardcover: 544 pages Publisher: Wiley VCH; edition (7 September 2011) Language: English ISBN-10: 3527324518 ISBN-13: 978-3527324514 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION  Mục tiêu  Cô đặc carotenoids  Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất kích thước lỗ lọc lên - Permeat flux - Hệ số thu hồi phospholipid, số acid, carotenoids Membrane Concentrated caroténoïds Gac oil FFA Phospholipids Impurity Page 54 27 01/08/2019 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION Figure 1: Filtration pilot (1-Feed tank; 2-Feed remove valve; 3- Feed pump; 4-Enter valve; 5-Enter manometer; 6- Permeate exit; 7Membrane; 8- Exit manometer; 9- Exit valve; 10- Heat exchanger) Page 55 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION Gac oil Mode recyclage - Điều kiện thủy động học - Flux theo thời gian - Hệ số thu hồi phospholipid, số acid, carotenoids Mode batch - Hiệu suất lọc - Đặc tính retentat - Phân tích tính thấm Page 56 28 01/08/2019 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION 100 nm 50 nm 10 nm nm 25 15 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 20 y = 4.2169ln(x) - 0.1649 R² = 0.9919 Time (min) J (L/h/m2) J (L/h/m2) 20 15 10 10 Membrane pore size (nm) 100 29 01/08/2019 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION Retention coefficient (%) TCC Phospholipids Free fatty acid 100 nm 0.05 0.02 0.01 50 nm 0.55 0.52 0.01 10 nm 75.2 5.7 0.02 nm 90.5 8.2 0.12 nm 95.4 76.8 0.36 nm 99.2 90.4 9.6 Pore size 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 bar bar bar 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (min) 80 nm Water nm 70 60 J (L/h/m2) J/TMP(l/h/m2/bar) CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION 50 40 30 20 10 0 TMP (bar) 30 01/08/2019 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION Retention coefficients (%) TMP (bar) TCC Phospholipids Free fatty acid 2.5 84.6 7.2 0.1 2.0 85.8 7.5 0.12 1.5 90.7 8.2 0.25 1.0 92.3 9.5 0.38 0.5 95.3 9.8 0.55 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION 14 20°C 30°C 40°C 50°C 12 y = -3974x + 13.611 R² = 0.9342 1.4 1.2 50 100 Time (min) 150 0.8 Ln (J20/JT) J (L/h/m2) 10 0.6 0.4 0.2 0.003 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 1/T 31 01/08/2019 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION Retention coefficients (%) Temperature (°C) TCC Phospholipids Free fatty acid 20 95.2 8.5 0.25 30 90.7 8.2 0.12 40 88.8 7.5 0.05 50 76.4 7.2 0.05 CAROTENOIDS CONCENTRATION BY ULTRAFILTRATION B0 60 50 J (l/h/m2) y = 0.201x R² = 0.9742 B1 y = 0.1648x R² = 0.9822 B2 40 B3 30 y = 0.0934x R² = 0.983 20 y = 0.0576x R² = 0.9784 10 0 50 100 150 200 250 300 TMP (kPa) Resistance (m-1) Contribution (%) Total resistance 434.78 100 Intrinsic membrane resistance (Rm) 108.69 24.99 Polarization resistance (Rp) 241.54 55.5 Fouling resistance (Rf) 131.91 30.34 32 01/08/2019 Parameters Gac fruit oil Retentate Acid index (mg KOH/g) 2.25±0.5 0.054±0.004 Phospholipids (mg 14 25±0.895 2.2±0.33 TCC (mg/ml) 7.547±0.537 65.28±1.25 TAA (mM TE) 230.17 1079.91 LAA 154.35±3.076 1049.58±7.98 HAA 75.82±2.15 30.328±2.06 TSS (°Brix) 86.2±4.23 98.56±1.58 SC (g) 2.35±0.05 1.06±0.05 Viscosity (Pa.s) 0.047±0.0004 0.253±0.007 L* 45.24±2.25 36.28±2.45 a* 25.05±1.15 38.4±2.82 b* 9.45±1.29 12.55±2.06 phosphatidylcholine equivalents/ g dw) Color 33 ... VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng Teflon Lõi màng lọc dược phẩm PTFE Bộ lọc có đệm PTEE Lõi màng lọc dược phẩm PTFE lý tưởng cho hóa chất mạnh axit, bazơ dung môi 11 01/08/2019 VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng Teflon... điện Bộ lọc Capsule PTFE Lõi lọc giấy xếp màng PTFE Vải lọc khí PTFE 12 01/08/2019 VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng lỏng (liquid) Công nghệ màng tách khí sử dụng rộng rãi cơng nghiệp Tiêu biểu ứng dụng tách... dòng nước trơi “thải” bỏ ngồi VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng polymer Màng CA Màng CN Màng CTA 01/08/2019 VẬT LIỆU MÀNG LỌC Màng polymer (PS, polysulfones) Các polymer cứngvà suốt, ổn định -100°C 150°C Polysulfone