với: , , , là hệ số của phương trình hồi quy; là sai số
, , , là các biến độc lập
36
Bảng 1.4: Bố trí thí nghiệm
STT
Các mức của biến mã hóa
STT
Các mức của biến mã hóa
x1 x2 x3 x4 x1 x2 x3 x4 1 0 0 0 + 17 + + 2 + 18 + 3 - 0 0 0 19 0 + 0 0 4 + + + 20 + 5 0 0 0 0 21 0 0 0 - 6 0 0 0 0 22 + + + 7 + 23 + + + 8 0 0 0 0 24 + + 9 + + + + 25 0 - 0 0 10 0 0 0 0 26 + + + 11 0 0 + 0 27 + + 12 0 0 0 0 28 13 0 0 0 0 29 + + 14 0 0 - 0 30 + + 15 + 0 0 0 31 0 0 0 0 16 + +
37
b. Tối ưu hóa
Tối ưu hóa đồng thời hai hàm mục tiêu (J và ) dựa theo phương pháp bề mặt đáp ứng (Response surface methodology – RSM). Phương pháp này được giới thiệu bởi Harrington (1965) và được Derringer và Suich (1980) phát triển thêm [49]. Phương pháp này chuyển đổi các mô hình toán học về phương trình không thứ nguyên di với giá trị giao động từ 0 (giá trị không mong muốn) đến 1 (giá trị mong muốn). Do đó có thể kết hợp nhiều hàm mục tiêu với nhau. Một thiết kế RSM tiêu chuẩn với tên gọi thiết kế đối xứng trục quay (Central Composite Design – CCD) được sử dụng trong nghiên cứu này. Sử dụng phần mềm SAS JMP v10.0 để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu-bốc hơi. min max min i i i i i y y d y y (1.4)
với: yi, yi-min, yi-max là giá trị bất kì, cực tiểu, cực đại của hàm mục tiêu di là hàm kỳ vọng
Khi phương trình không thứ nguyên di của các mục tiêu được xác định, chúng được kết hợp với nhau bằng hàm mong muốn D [50]:
1/ 1 m m i i D d (1.5)
Giá trị hàm mong muốn D từ 0 đến 1. Điều kiện tối ưu của nhiều mục tiêu đạt được khi D đạt giá trị cực đại trong đoạn [0, 1].
38
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1.Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 2.1.1.Hóa chất 2.1.1.Hóa chất
Bảng 2.1: Hóa chất thí nghiệm
Hóa chất Công thức Nhãn hiệu Thông số Xuất sứ Cồn tuyệt đối C2H5OH Chemsol > 99,7 % v/v Việt Nam
Màng lọc PVA/PAN Sulzer Chemtech
Đức
2.1.2.Dụng cụ và thiết bị
Khúc xạ kế cầm tay ATAGO PAL-34S: đo nồng độ dung dịch cồn (dung dịch có nồng độ từ 0-45% khối lượng). Cân phân tích 4 số lẽ của tập đoàn Ohaus - Mỹ, model AR2140 (max = 210 gam, d = 0,0001 gam). Becher có thể tích 40ml, 100ml; ống đong thể tích 1000ml, ống hút pipette nhựa.
2.1.3.Hệ thống thẩm thấu-bốc hơi
Hệ thống thẩm thấu-bốc hơi được thiết kế và lắp đặt tại phòng thí nghiệm 212B2 có thông số kỹ thuật được trình bày trong Bảng 2.2 và được vận hành theo sơ đồ ở Hình 2.3.
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống thẩm thấu-bốc hơi
1. Nhiệt kế 2. Bình nhập liệu 3. Van lấy sản phẩm 4. Van lấy mẫu 5. Bơm nhập liệu 6. Môđun màng 7. Màng 8. Bể điều nhiệt 9. Áp kế 10. Van xả khí 11. Bảng điểu khiển 12. Bơm chân không
39
Bảng 2.2: Thiết bị và thông số kỹ thuật của hệ thống thẩm thấu-bốc hơi STT TÊN THIẾT BỊ SỐ
LƯỢNG MÔ TẢ
1 Bơm nhập liệu 1
Bơm màng Blue White
Lưu lượng tối đa: Q = 120 L/h
Cột áp Hb = 7 m
Công suất N = 45W
2 Bơm chân không 1
Bơm chân không Robinnair 15601 của Mỹ có thông số kỹ thuật:
Độ chân không: 15 micron
Điện áp: 220 240V
Tần số: 50 Hz
Vận tốc hút: 142L/m
Công suất động cơ: 1/2 HP (368 W)
3 Mô-đun màng 1 Đường kính trong: 60 mm Chiều cao: 100 mm Thể tích dung dịch: 125 ml 4 Lưới đỡ màng 1 Đường kính: 60 mm Bề dày: 5 mm
163 lỗ x Ø 3 mm bố trí dạng tam giác đều 5 Bình nhập liệu 1 Chiều cao: 180 mm
Đường kính trong: 100 mm 6 Hệ thống van, thiết
bị đường ống Toàn bộ thiết bị đường ống do Hy-Lok (Hàn Quốc) sản xuất, vật liệu: 316L 7 Đường ống Ống đúc đường kính 10mm theo chuẩn ASTM, vật liệu: 316L 8 Bộ điều
khiển Sử dụng hệ điều khiển MCCB, contactor, thiết bị của hãng Autonic (Hàn Quốc)
9 Bề điều nhiệt 1
Bề điều nhiệt của công ty DAIHAN LABTECH có thông số kỹ thuật:
Model: LCC R11
Điện áp: 220V – 50Hz
40
Hình 2.2: Ảnh của hệ thống thẩm thấu-bốc hơi Vận hành hệ thống
Đầu tiên cần mở bể điều nhiệt (để đạt nhiệt độ cần thiết nhằm ngưng tụ toàn bộ dòng hơi thẩm thấu). Cồn được bơm vào bình nhập liệu. Sau đó, tiến hành cài đặt nhiệt độ, áp suất trên bảng điều khiển và điều chỉnh lưu lượng của bơm nhập liệu cho mỗi thí nghiệm. Tiếp đó, bật: bơm nhập liệu, bộ phận gia nhiệt và bơm chân không. Sau khi các thông số đạt được giá trị cài đặt, tiến hành mở van phía dưới môđun màng và bắt đầu tính thời gian chạy thí nghiệm. Khi kết thúc 2 h thí nghiệm, đóng van dưới môđun, tắt: bơm nhập nhiệu, thiết bị gia nhiệt và bơm chân không. Sau cùng, lấy các ống chứa sản phẩm thẩm thấu ở bể điều nhiệt ra để rã đông, làm nguội, cân và đo nồng độ, bể điều nhiệt vẫn được duy trì để tiếp tục cho thí nghiệm tiếp theo.
41 Lặp lại trình tự thí nghiệm, bật: bơm nhập liệu, thiết bị gia nhiệt và bơm chân không, khi các yếu tố đạt điều kiện thí nghiệm tiến hành mở van dưới môđun. Khi hoàn tất thí nghiệm, tắt: bơm nhập liệu, thiết bị gia nhiệt, bơm chân không và bể điều nhiệt, lấy các ống chứa sản phẩm thẩm thấu ở bể điều nhiệt ra để rã đông và đo nồng độ.
Hình 2.3: Quy trìnhvận hành hệ thống
Bật hệ thống điều nhiệt
Nhập liệu vào bình nhập liệu
Bật bơm nhập liệu, bơm chân không, bộ phận gia nhiệt
Mở van dưới môđun màng, bắt đầu tính thời gian chạy thí nghiệm Cài đặt nhiệt độ, áp suất, lưu lượng
Kết thúc thí nghiệm Đóng van dưới môđun màng,
tắt hệ thống
Tháo và định lượng sản phẩm qua màng
42
2.2.Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện vận hành
Thí nghiệm được tiến hành theo bố trí ở Bảng 2.4.
Bảng 2.3: Giá trị các biến độc lập
Biến độc lập Mã hóa Đơn vị Mức giá trị
-a -1 0 +1 +A
Nhiệt độ dòng nhập liệu A oC 30 35 40 45 50
Nồng độ dòng nhập liệu B % kl 80 84 88 92 96
Lưu lượng dòng nhập liệu C l/h 40 60 80 100 120
Áp suất dòng thẩm thấu D kPa 1 6 11 16 21
Bảng 2.4: Bảng bố trí thí nghiệm
STT Giá trị của các yếu tố STT Giá trị của các yếu tố
A B C D A B C D 1 40 88 80 21 17 45 92 60 6 2 35 84 60 16 18 35 92 60 6 3 30 88 80 11 19 40 96 80 11 4 45 92 100 6 20 35 84 100 6 5 40 88 80 11 21 40 88 80 1 6 40 88 80 11 22 45 92 60 16 7 45 84 60 6 23 35 92 100 16 8 40 88 80 11 24 45 84 100 6 9 45 92 100 16 25 40 80 80 11 10 40 88 80 11 26 45 84 100 16 11 40 88 120 11 27 45 84 60 16 12 40 88 80 11 28 35 84 60 6 13 40 88 80 11 29 35 92 100 6 14 40 88 40 11 30 35 92 60 16 15 50 88 80 11 31 40 88 80 11 16 35 84 100 16
43
Quy trình thí nghiệm
Bật hệ thống điều nhiệt, đợi đến nhiệt độ phù hợp để tiến hành thí nghiệm. Ứng với mỗi thí nghiệm, cồn được sử dụng với các nồng độ từ 80% đến 96%. Cho cồn vào bình nhập liệu. Sau đó, tiến hành cài đặt nhiệt độ, áp suất và điều chỉnh lưu lượng tương ứng với từng thí nghiệm. Các giá trị nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng dòng nhập liệu và áp suất dòng thẩm thấu tương ứng cho từng thí nghiệm được trình bày trong bảng 2.4. Bật bơm nhập liệu, bộ phận gia nhiệt và bơm chân không. Khi các thông số đạt giá trị ổn định theo giá trị cài đặt, mở van dưới môđun màng và bắt đầu tính thời gian.
Sau 2h, kết thúc thí nghiệm, đóng van dưới môđun màng, tắt bơm nhập liệu, thiết bị gia nhiệt và bơm chân không. Sau đó, tháo các ống chứa sản phẩm trong bể điều nhiệt ra, làm nguội và rã đông sản phẩm trong ống. Tiến hành cân khối lượng và đo nồng độ sản phẩm thu được để tính thông lượng, J, và độ chọn lọc, . Sản phẩm thu được có nồng độ có thể cao hơn khoảng giá trị đo được của thiết bị đo độ cồn nên cần được pha loãng trước khi đo.
44
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Bảng 3.1 trình bày giá trị của thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng tương ứng với 31 thí nghiệm được thiết kế bởi phần mềm SAS JMP v10.0 cho quá trình khử nước dung dịch cồn bằng phương pháp thẩm thấu-bốc hơi. Theo đó, giá trị của J và dao động tương ứng với giá trị từ 0,0198 tới 0,0915 kg/m2
.h và từ 0,9626 tới 5,4167.
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm STT Dạng
thức
Giá trị biến thực Hàm mục tiêu
A (T, oC) B (C, % kl) C (Q, l/h) D (P, kPa) J, kg/m 2.h 1 000A 40 88 80 21 0,06033 2,6829 2 −−−+ 35 84 60 16 0,02196 2,0495 3 a000 30 88 80 11 0,0355 3,9611 4 +++− 45 92 100 6 0,0533 2,3529 5 0000 40 88 80 11 0,0613 1,6995 6 0000 40 88 80 11 0,0609 2,9382 7 +−−− 45 84 60 6 0,0737 1,5909 8 0000 40 88 80 11 0,0646 2,1378 9 ++++ 45 92 100 16 0,0533 2,1352 10 0000 40 88 80 11 0,0599 2,.0223 11 00A0 40 88 120 11 0,0557 2,8845 12 0000 40 88 80 11 0,0663 1,8102 13 0000 40 88 80 11 0,0525 2,3136 14 00a0 40 88 40 11 0,0470 2,5101
45 15 A000 50 88 80 11 0,0652 2,8830 16 −−++ 35 84 100 16 0,0307 1,7494 17 +−−+ 45 92 60 6 0,0585 3,1322 18 −+−− 35 92 60 6 0,0554 5,2569 19 0A00 40 96 80 40 0,0364 1,8976 20 −−+− 35 84 100 35 0,0551 1,9561 21 000a 40 88 80 40 0,0879 2,8729 22 ++−+ 45 92 60 45 0,0469 2,5729 23 −+++ 35 92 100 35 0,0206 2,9471 24 +−+− 45 84 100 45 0,0741 2,2473 25 0a00 40 80 80 40 0,0523 1,2928 26 +−++ 45 84 100 45 0,0575 2,3601 27 +−−+ 45 84 60 45 0,0526 0,9626 28 −−−− 35 84 60 35 0,0604 1,7090 29 −++− 35 92 100 35 0,0378 2,7709 30 −+−+ 35 92 60 35 0,0198 4,0384 31 0000 40 88 80 40 0,0462 2,2835
46
Hình 3.1: Ảnh hưởng của các yếu tố vận hành lên thông lượng và độ chọn lọc
Hình 3.2: Mức độ ảnh hưởng riêng rẽ và đồng thời các yếu tố lên thông lượng
47
Hình 3.3: Mức độ ảnh hưởng riêng rẽ và đồng thời các yếu tố lên độ chọn lọc của màng 3.1.Ảnh hưởng của từng yếu tố
Sự ảnh hưởng của từng thông số vận hành: nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng dòng nhập liệu và áp suất dòng thẩm thấu lên thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng được trình bày như sau:
3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình 3.1-3.3 cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ dòng nhập liệu đến thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng, thể hiện qua giá trị mức ý nghĩa, P < 0,05. Cụ thể, thông lượng thẩm thấu tăng nhưng độ chọn lọc của màng lại giảm khi tăng nhiệt độ dòng nhập liệu. Điều này được giải thích là khi tăng nhiệt độ thì động lực quá trình tăng hay áp suất riêng phần của các cấu tử trong dòng nhập liệu tăng dẫn đến khả năng truyền khối của các cấu tử qua màng tăng. Đồng thời, nhiệt độ tăng làm tăng độ giãn nở các mạch polymer làm cho các cấu tử qua màng dễ hơn, vì vậy làm giảm độ chọn lọc của màng [51-54].
48
3.1.2.Ảnh hưởng của nồng độ
Nồng độ dòng nhập liệu cũng có ảnh hưởng đáng kể lên thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng, thể hiện qua giá trị P < 0,05 ở Hình 3.2 và 3.3. Điều này là do tính hút nước mạnh của ethanol nên khi nồng độ ethanol trong dòng nhập liệu càng tăng, thì khả năng tạo liên kết với hydro trong phân tử nước chặt chẽ hơn. Vì vậy, dẫn đến sự truyền vận của các phân tử nước qua màng bị khó khăn hơn nên thông lượng qua màng sẽ giảm và tính chọn lọc của màng cao hơn so với nồng độ dòng nhập liệu thấp [51,53,54].
3.1.3.Ảnh hưởng của lưu lượng
Theo kết quả thu được, ảnh hưởng của lưu lượng dòng nhập liệu lên thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng là không đáng kể, thể hiện qua giá trị P > 0,05 ở Hình 3.2 và 3.3. Điều này là do dung dịch cồn tương đối sạch, không bị nhiễm tạp chất nên không gây tắt nghẽn màng. Vì vậy, đối với quá trình khử nước dung dịch ethanol bằng công nghệ thẩm thấu-bốc hơi thì chế độ dòng chảy qua màng là ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng làm việc của màng như đối với các quá trình vi lọc, siêu lọc,… [51,52].
3.1.4.Ảnh hưởng của áp suất
Hình 3.1 thể hiện sự ảnh hưởng mạnh mẽ của áp suất dòng thẩm thấu lên thông lượng với giá trị P < 0,0001 ở Hình 3.2, nhưng hầu như không ảnh hưởng đến độ chọn lọc của màng với giá trị P = 0,2314 ở Hình 3.3. Theo đó, thông lượng có xu hướng giảm khi áp suất dòng thẩm thấu tăng (hay áp suất chân không giảm). Điều này là do khi áp suất dòng thẩm thấu tăng, động lực của quá trình giảm dẫn đến sự truyền khối của các cấu tử qua màng giảm dẫn đến thông lượng thẩm thấu giảm và độ chọn lọc của màng tăng [51,53].
Theo kết quả thể hiện sự ảnh hưởng riêng rẽ của các yếu tố cho thấy thông lượng và độ chọn lọc chịu ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ, nồng độ dòng nhập liệu và áp suất dòng thẩm thấu. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu trước đây [51-54].
49
3.2.Ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố
Vì khảo sát ảnh hưởng của 4 yếu tố nên có 6 trưởng hợp ảnh hưởng đồng thời của từng cặp yếu tố lên thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc được trình bày như sau:
3.2.1.Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất
Từ kết quả ở Hình 3.2 cho thấy sự tương tác của hai yếu tố nhiệt độ dòng nhập liệu và áp suất dòng thẩm thấu có ảnh hưởng đáng kể đến thông lượng, thể hiện qua giá trị P = 0,0289 < 0,05.
Hình 3.4 thể hiện giá trị thông lượng thẩm thấu đạt cực tiểu ở nhiệt độ 30 C và áp suất 15 kPa. Giá trị thông lượng tăng dần khi áp suất dòng thẩm thấu giảm (hay áp suất chân không tăng) và nhiệt độ dòng nhập liệu tăng. Điều này là do khi nhiệt độ dòng nhập liệu tăng và áp suất dòng thẩm thấu giảm làm cho động lực quá trình truyền vận qua màng của các cấu tử tăng dẫn đến thông lượng thẩm thấu tăng.
(a) (b)
Hình 3.4: Bề mặt đáp ứng (a) và đường đồng mức (b) thể hiện ảnh hưởng đồng thời của
50 Đối với độ chọn lọc, sự tương tác của nhiệt độ dòng nhập liệu và áp suất dòng thẩm thấu ảnh hưởng không đáng kể, thể hiện qua giá trị P = 0,8197 > 0,05 ở Hình 3.3.
(a) (b)
Hình 3.5: Bề mặt đáp ứng (a) và đường đồng mức (b) thể hiện ảnh hưởng đồng thời của
nhiệt độ và áp suất lên độ chọn lọc ở lưu lượng 80 l/h và nồng độ 88%
Hình 3.5 cho thấy độ chọn lọc của màng đạt khoảng giá trị nhỏ nhất khi nhiệt độ dòng nhập liệu trong khoảng 40-45C và áp suất dòng thẩm thấu là 10-15 kPa.
3.2.2.Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ
Nồng độ dòng nhập liệu là một trong ba yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến thông