CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
II.3. HIỆN TƢỢNG TẮC NGHẼN MÀNG
II.3.1. Cơ chế tắc nghẽn màng
Quá trình tắc nghẽn và các ảnh hưởng của nó là một trong những trở ngại chính tác động đến hiệu quả hoạt động của màng lọc UF. Tắc nghẽn màng cũng là yếu tố quan trọng làm hạn chế sự ứng dụng rộng rãi của quá trình lọc bằng màng. Nguyên nhân ban đầu của quá trình tắc nghẽn là hiện tƣợng phân cực nồng độ[5]. Trong quá trình siêu lọc, dung môi, các đại phân tử hoặc hạt keo hòa tan tiến đến bề mặt màng nhờ vào áp lực dòng chảy. Dung môi thường là nước sẽ thẩm thấu qua màng, còn các phân tử lớn hơn bị giữ lại trên bề mặt màng. Ngoài ra, do kích thước phân tử lớn nên tốc độ khuếch tán ngƣợc lại trong dung dịch của các phân tử đó là rất chậm. Do đó, nồng độ của chúng tại bề mặt màng thường cao hơn 20-50 lần so với nồng độ trong dung dịch. Khi nồng độ trên bề mặt màng tăng đến một mức sẽ làm hình thành lớp kem trên bề mặt màng và trở thành màng chắn thứ hai làm giảm thông lƣợng qua màng. Đó là hiện tƣợng tắc nghẽn màng[3,8].
Hiện tƣợng tắc nghẽn màng có thể nhận thấy thông qua tăng áp suất thẩm thấu và giảm thông lượng nước thẩm thấu qua màng. Profile độ giảm thông lượng theo thời
gian trong quá trình hoạt động của màng lọc có thể đƣợc mô tả nhƣ sau: (i) thông lượng giảm nhanh chóng so với thông lượng của quá trình lọc nước tinh khiết, (ii) thông lƣợng giảm từ từ, (iii) thông lƣợng đạt trạng thái ổn định trong khoảng thời gian dài.
Trang 17 Hình 2. 6 Profile thông lượng nước thẩm thấu qua màng theo thời gian[2]
Quá trình tắc nghẽn màng có thể xảy ra theo cơ chế sau: [9]
(1) Quá trình hấp phụ các chất tan, phân tử keo vào trong lỗ xốp màng (2) Quá trình bít các lỗ xốp màng và hình thành lớp kết tụ trên bề mặt màng (3) Quá trình hình thành lớp kem trên bề mặt màng
(4) Cân bằng động: quá trình kết tụ và phân tách các chất gây tắc nghẽn trên lớp kem trong quá trình vận hành
Quá trình (1) (2) thông lƣợng giảm nhanh chóng so với thông lƣợng của quá trình lọc nước tinh khiết, quá trình (3) thông lượng giảm từ từ và quá trình (4) thông lượng đạt trạng thái ổn định.
Hiện tƣợng phân cực nồng độ và hình thành lớp kem trên bề mặt màng có thể đƣợc biểu diễn ở hình 2.7.
Trang 18 Hình 2. 7 Hình thành lớp kem trên bề mặt màng UF do hiện tƣợng phân cực nồng độ[1]
Khu vực trước bề mặt màng được phân chia thành 3 vùng: vùng (1) - dung dịch nhập liệu đƣợc khuấy trộn, vùng (2) – vùng chảy tầng – vùng phân cực nồng độ, vùng (3) – vùng lớp kem trên bề mặt màng. Thông lƣợng thẩm thấu qua màng sẽ giảm đáng
kể do ảnh hưởng của các trở lực do hiện tượng phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng gây ra. Do đó, thông lƣợng đƣợc tính toán theo công thức sau[1]:
𝐽 =𝛥𝑃 − 𝛥𝜋 à. ∑𝑅
J – thông lượng nước thẩm thấu qua màng ΔP – chênh lệch áp suất qua màng
Δπ – áp suất thẩm thấu à - độ nhớt của nước tại nhiệt độ vận hành
∑R – trở lực tổng; ∑R = Rp + Ra + Rm + Rg + Rcp Rp – trở lực do bít lổ xốp
Ra – trở lực do quá trình hấp phụ chất tan vào màng Rm – trở lực màng
Rg – trở lực lớp kem Rcp – trở lực vùng phân cực nồng độ
Trang 19 Hình 2. 8 Các loại trở lực trong quá trình lọc màng[5]
Thông lượng nước thẩm thấu qua màng (J), hệ số truyền khối qua bề mặt màng (Km), độ loại bỏ của màng (R) và nồng độ dung dịch nhập liệu (Cb) đều ảnh hưởng đến quá trình phân cực nồng độ. Nồng độ chất tan trên bề mặt màng (Cm) là một hàm số của J, Km, R và Cb[1]:
𝐶𝑚 𝐶𝑏 = exp(𝐾𝑚𝐽 )
𝑅 + 1 − 𝑅 . exp( 𝐽
𝐾𝑚)
Tắc nghẽn là một quá trình phức tạp, kết quả của tương tác giữa màng lọc, chất tan trong dung dịch nhập liệu. Do đó, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn là tính chất màng lọc, tính chất chất tan và các thông số vận hành. Các yếu tố này tương tác với nhau và ảnh hưởng khác nhau đến quá trình tắc nghẽn.
Những tính chất của màng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn bao gồm tính ưa nước, độ gồ ghề của bề mặt, điện tích và cấu trúc lổ xốp.Màng được chế tạo bằng vật liệu ưa nước và có bề mặt phẳng phẳng hơn có xu hướng chống tắc nghẽn tốt. Ngoài ra điện tích của bề mặt màng sẽ hình thành trường lực điện tạo các lực hút, đẩy đối với các chất tan trong dung dịch nhập liệu và ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ các chất tan đó lên màng. Cấu trúc lổ xốp cũng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn, màng có kích thước lổ xốp lớn khó bị bít lổ xốp nên ít tắc nghẽn hơn nhưng hiệu quả phân tách thấp [7].
Tính chất chất tan như loại chất tan, nồng độ ion, pH ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tắc nghẽn. Dung dịch nhập liệu cần tiền xử lý trước quá trình lọc màng để đảm bảo hiệu quả phân tách và năng suất hoạt động [9].
Rp – trở lực do bít lổ xốp Ra – trở lực do quá trình hấp phụ chất tan vào màng
Rm – trở lực màng Rg – trở lực lớp kem Rcp – trở lực vùng phân cực nồng độ
Trang 20
Ngoài 2 yếu tố chính trên, các thông số vận hành hệ thống cũng đƣợc nghiên cứu trong tác động đến quá trình tắc nghẽn. Áp suất và lưu lượng dòng nhập liệu và tốc độ khuấy trộn có thể ảnh hưởng đến cấu trúc dòng, làm thay đổi bề dày của lớp tắc nghẽn.
Nhiệt độ cũng là yếu tố cần kiểm soát trong quá trình vận hành. Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt, hệ số khuếch tan và có thể làm biến tính dung dịch nhập liệu.