6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3.1.2. Phân loại theo các quá trình màng động lực áp suất
Các quá trình màng động lực áp suất chủ yếu gồm: lọc thường, vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược. Việc phân chia thành các quá trình màng dựa theo kích thước lỗ màng và cũng chỉ mang tính tương đối. Ngoài ra còn một số quá trình khác như điện thẩm tách, thẩm tách và bốc hơi qua màng.
a. Vi lọc (Microfiltration - MF): Vi lọc là kỹ thuật phân tách nhằm loại bỏ
các hạt có kích thước 𝜇m, như vi khuẩn, tế bào nấm men, keo và các hạt khói từ huyền phù và khí. Quá trình này sử dụng màng lọc có kích thước lỗ khoảng từ 0,1
đến 10 𝜇m; với kích thước lỗ này có thể cho phép thấm qua đối với lưu chất nhưng giữ lại các hạt, do đó tạo ra quá trình phân tách [52]. Loại màng này có độ cản thuỷ lực thấp. Quá trình tách qua màng xảy ra theo cơ chế sàng lọc. Vật liệu tạo màng có thể là vô cơ (gốm, thủy tinh, kim loại) hoặc hữu cơ (polymer: cellulose acetate, polysulfone,…). Hầu hết các màng này được chế tạo bằng phương pháp đổ khuôn dung môi thông qua quá trình đảo pha.
b. Màng siêu lọc (UF): Siêu lọc (UF) là một quá trình đầy hứa hẹn để sản
xuất nước uống đủ tiêu chuẩn với chi phí tương đối thấp so với lọc nano và thẩm thấu ngược [125]. Màng siêu lọc (UF) đã được ứng dụng rộng rãi trong lọc nước để loại bỏ các vật liệu dạng keo, vi khuẩn, chất rắn lơ lửng (SS), chất hữu cơ hoà tan và các giọt dầu [218], [92], [148], [21]. Việc ứng dụng siêu lọc để sản xuất nước uống đã phát triển nhanh chóng trong suốt thập kỷ qua. Siêu lọc được công nhận là quá trình lọc màng áp suất thấp, nó thường được định nghĩa là giới hạn cho các màng có đường kính lỗ từ 10 Å đến 1000 Å [74]. Khi nước nguồn đi qua bộ lọc dưới áp suất xuyên màng do trọng lực hoặc máy bơm cung cấp, vi khuẩn và hầu hết vi rút có thể bị loại bỏ, có thể ngăn ngừa dịch bệnh liên quan đến nước và tử vong do vi sinh vật, chất lượng nước sinh hoạt được đáp ứng cho người tiêu dùng và giảm việc sử dụng hóa chất cũng như vốn và chi phí vận hành.
Tuy nhiên, sự tắc nghẽn làm giảm thông lượng dòng thấm của màng siêu lọc có thể là trở ngại chính cho việc triển khai rộng rãi cũng như việc vận hành và bảo trì yêu cầu cao hơn. Sự giảm độ thấm được hình thành do sự tắc nghẽn lỗ xốp, đóng cặn và hình thành bánh được hình thành trong quá trình lọc [144]. Tiền xử lý (keo tụ, hấp phụ và tiền oxi hóa) ở các mức độ khác nhau có thể làm giảm bớt sự bám bẩn bằng cách xử lý trước với các chất gây bẩn trong nước cấp [74], [86], [117], [254]. Màng siêu lọc UF truyền thống chủ yếu phân tách các chất gây ô nhiễm dựa trên hiệu ứng loại trừ kích thước, dẫn đến hiệu suất khử nhiễm kém đối với các ion kim loại nặng. Gần đây, màng hấp phụ với sự kết hợp những ưu điểm của công nghệ màng và quá trình hấp phụ đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu [10], [91], [114]. Chúng
được chế tạo theo hai hướng khác nhau là hòa trộn vật lý và biến đổi bề mặt. Với phương pháp hòa trộn vật lý, các vật liệu có thể đưa thêm lên màng là hạt nano Zr [91], hạt nano Fe3O4 [66], hạt chitosan [68], graphene oxide [157], … và hoạt động như chất hấp phụ kim loại nặng. Biến đổi bề mặt màng bằng cách đưa thêm những phân tử lớn nhằm cải thiện tính chất hấp phụ cũng nhận khá nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học [17], [87], [194].
c. Màng lọc nano (NF): Trong số tất cả các quá trình phân tách trong pha
lỏng sử dụng màng lọc thì màng lọc nano (NF) được phát triển gần đây nhất. Đây là một quá trình điều khiển bằng áp suất có các đặc tính phân tách nằm giữa các đặc tính của thẩm thấu ngược (RO) và siêu lọc (UF). So với màng RO, màng lọc nano có cấu trúc lỏng hơn, do đó cho phép lưu lượng cao hơn và áp suất hoạt động thấp hơn. So với màng UF, cấu trúc của chúng chặt chẽ hơn để có thể loại bỏ các phân tử hữu cơ nhỏ [132]. Màng lọc nano sở hữu hai tính năng vượt trội ngày càng nhận được sự quan tâm của cộng đồng khoa học và kỹ thuật. Một là khối lượng phân tử ngắt (MWCO) của màng lọc nano nằm trong khoảng từ 200 đến 1000 Da (g/mol) [250]; hai là loại bỏ muối gây ra bởi hiệu ứng Donnan trong đó màng lọc nano có độ thấm cao đối với các ion hóa trị một và độ thấm thấp đối với các ion hóa trị hai. Cơ chế loại bỏ của màng lọc nano bao gồm sàng lọc kích thước (cản trở không gian), loại trừ Donnan (tương tác tĩnh điện của các chất tan tích điện với các điện tích gắn với nền màng) và loại trừ điện môi (tương tác của các ion với điện tích phân cực) [241]. Các quy trình màng lọc nano lần đầu tiên được đưa vào ứng dụng công nghiệp vào cuối những năm 1970 và được coi là một giải pháp thay thế khả thi cho các quy trình truyền thống như chiết xuất, bay hơi và chưng cất. Chúng thường được áp dụng vào cuối quy trình xử lý, kèm theo các kỹ thuật tách khác. Lọc nano ngày nay đã được sử dụng rộng rãi trong việc loại bỏ muối trong xử lý nước và phân đoạn các phân tử nhỏ trong nhiều ngành công nghiệp khác [257]. Trong xử lý nước, màng lọc nano được áp dụng để giảm độ cứng và các chất hữu cơ hòa tan từ nước uống [77], [78], [131].
d. Thẩm thấu ngược (RO): Màng thẩm thấu ngược có kích thước lỗ rất nhỏ,
loại bỏ hầu hết các thành phần trong nước như carbohydrate, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng hòa tan, các ion,... gần như chỉ còn nước nguyên chất chảy qua, chi phí sản xuất rất cao và tiêu tốn năng lượng đáng kể [102]. Loại màng này có thể tách được các ion trong dung dịch và cho dung môi đi qua. Quá trình tách qua màng xảy ra theo cơ chế hoà tan khuếch tán và hấp phụ mao quản [249]. Có thể kể đến các màng lọc thẩm thấu ngược như màng cellulose acetate, màng polyamide, màng composite.