Nghiên cứu thiết kế màng lọc nano nhiều bậc để xử lý nước biển cấp cho các hộ gia đình ven biển

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG LỌC Khái niệm màng lọc

Màng lọc là một lớp màng vật liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khi chịu một áp lực nhất định. Màng lọc ngăn cách giữa hai 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 được phân loại theo: i)Kích thước của vật chất. ii) Áp lực trên màng. Thông qua quá trình làm việc của màng lọc, dòng hỗn hợp đầu vào được phân tách làm hai phần: một phần là dung dich sau lọc và phần những vật chất bị giữ lại trước màng lọc. - Quá trình màng lọc xảy ra ở điều kiện nhiệt độ bình thường và các dung dịch tham gia không có sự thay đổi về pha, đây là ưu điểm lớn so với phương pháp tách bằng chưng chất.

Các màng lọc loại này có các lỗ rỗng 0,1 – 1 micromet (μm), hoạt động dưới áp suất thông thường từ 10 – 100 psi ; nó có thể loại bỏ các phần tử lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử protein có trong sữa hay ngũ cốc, vi khuẩn hoặc chất rắn hoà tan có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng ; nó không làm thay đổi thành phần dung dịch (nước) lọc, chỉ có các phần tử nêu trên được lọc đi. Các màng siêu lọc có cấu trúc mềm không đối xứng, kích thước lỗ rỗng từ 0,001 – 0,1 μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 70 - 200 psi ; cho phép lọc được các chất keo, chất rắn hoà tan có kích thước nhỏ và các phần tử như vi khuẩn, vi rút, proteins có khối lượng mol nhỏ, carbohydrates, enzymes. Màng không đối xứng là màng hỗn hợp, thường làm từ vật liệu là polyme, composite gồm nhiều lớp mỏng có kích thước lỗ rỗng khác nhau theo thứ tự giảm dần độ rỗng xếp chồng lên nhau, giữa các lớp là các sợi đỡ; mục đích nhằm ngăn cản các phần tử có kích thước khác nhau và chúng được phân bố đồng đều trên tất cả các lớp.

Màng có thể là đồng chất, nhiều thành phần khác nhau hợp thành, màng lọc được chế tạo từ các vật liệu có nguồn gốc vô cơ như gốm nung chảy, các hợp chất cacbon, silic, zicron; hoặc từ nguồn gốc hữu cơ như cao. Thường vật liệu chế tạo màng MF và màng UF thường giống nhau, tuy nhiên quá trình sản xuất ở các điều kiện khác nhau tạo nên kích thước lỗ rỗng khác nhau.

CƠ CHẾ QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG

Mô đun màng có 4 loại chính: dạng khung tấm, dạng ống, dạng dây cuốn xoắn, và dạng sợi rỗng. - Dòng thải bao gồm nước và các phần tử vật chất có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng, hàm lượng chất bẩn trong dòng này lớn hơn trong dòng chất lỏng đầu vào. - Dòng sản phẩm thu được sau lọc bao gồm nước và những phần tử vật chất có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ rỗng, hàm lượng chất bẩn trong dòng này sẽ nhỏ hơn trong so với dòng chất lỏng đầu vào.

Các quá trình màng có thể bố trí hoặc theo cách lọc trượt hoặc theo cách lọc chặn. Trong lọc chặn, toàn bộ nước đưa vào bề mặt màng được ép qua màng. Trong khi nước được chảy qua màng thì một số chất rắn và thành phần khác sẽ bị giữ lại trên màng, phụ thuộc vào kích thước lỗ xốp của màng.

Khi trở lực của màng tăng lên, tốc độ dòng chảy sẽ giảm xuống, và sau thời gian nhất định, tốc độ dòng chảy thấp đến mức cần phải làm sạch màng. Trong quá trình rửa màng, các chất bẩn được loại bỏ bằng rửa với nước, hóa chất hoặc bằng biện pháp cơ học. Như vậy lọc chặn là quá trình không liên tục và việc vận hành được chia thành thời gian lọc và thời gian rửa màng.

Nước nạp trong vòng tuần hoàn chảy song song với màng, chỉ một phần nhỏ nước nạp được chảy qua màng và phần lớn thoát ra khỏi modun. Do vậy lọc trượt gây tổn hao năng lượng lớn do phải tạo áp lực cho toàn bộ nước nạp. Lọc trượt được áp dụng cho thẩm thấu ngược, lọc nanô, siêu lọc và vi lọc, dựa trên kích thước lỗ xốp của màng.

Sự chia tách được thực hiện bằng cơ chế dòng chất lỏng được chuyển qua màng một cách có chọn lọc, các thành phần khác của chất lỏng được giữ lại ít nhiều trên mặt môi trường xốp tuỳ theo kích thước của chúng. Trường hợp lý tưởng ta mong muốn có một màng chỉ thẩm thấu nước (thẩm thấu lý tưởng). Trường hợp khác, các màng sử dụng cho phép chuyển dịch có chọn lọc các ion hay không, các màng này có thể trung hoà hay tích điện, khi tích điện chúng sẽ vận chuyển các ion cùng dấu đi ngược lại, vì thế có thể cấu tạo các màng chỉ cản các cation hoặc anion.