A) Sodalite B) Zeolite loạ iA C) Zeolite loại X,Y
2.4 Công nghệ lọc màng (Membrane Technology)
2.4.1 Giới thiệu về phương pháp
Lọc màng là một xu hướng công nghệ mới được phát triển và ứng dụng cuối thế kỷ XX. Phương pháp này hiện nay vẫn đang trên đà nghiên cứu vì nó có nhiều ưu điểm. Lọc màng có thể được chia ra làm bốn nhóm chính: vi lọc (Microfiltration – MF), siêu lọc (Ultrafiltration ‒ UF), lọc phân tử hay lọc nano (Nanofiltration ‒ NF), thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis ‒ RO).
Nguyên lý lọc màng dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua lớp vách ngăn (màng) nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất (ΔP), hiệu điện thế (ΔE), nồng độ dung dịch (ΔC) … 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 su, vải amiăng, axetat xenlulo, poly-ethylene, poly-propylene. Bề dày màng từ 0.05÷2 mm. Các lỗ nhỏ trên màng được chế tạo bằng cách chiếu tia phóng xạ, lazer, các phản ứng hóa học… trong điều kiện nhiệt độ, áp suất thích hợp. Để đảm bảo nồng độ nước tuần hoàn trên bề mặt màng lọc, tránh hiện tượng phân cực nồng độ gây tắc, hỏng màng lọc, đồng thời tăng tối đa diện tích bề mặt tiếp xúc với nước và giảm kích thước thiết bị người ta thường sản xuất các module màng lọc và ghép chúng lại với nhau. Các module này có thể được sản xuất dưới dạng tấm phẳng, ống cuộn hay sợi rỗng.
Hình 2.10 – Nguyên lý lọc màng
Thông dụng hiện nay đối với quá trình tách loại nước khỏi ethanol là công nghệ lọc màng Zeolite. Về nguyên tắc thì cũng giống như phương pháp Rây phân tử, chỉ có khác là cấu tạo của vật liệu lọc không chỉ có Zeolite mà Zeolite được
phủ trên bề mặt của một loại vật liệu nền (Ceramic support), ngoài ra cấu tạo của thiết bị lọc cũng khác, thiết bị lọc màng Zeolite giống như thiết bị truyền nhiệt ống chùm, ở đó các màng Zeolite là các ống được gắn thành chùm và lồng vào trong vỏ, dòng hỗn hợp nhập liệu sẽ di chuyển bên ngoài ống, các phân tử nước sẽ đi qua lõi lọc Zeolite nhờ động lực của quá trình là chênh lệch giữa áp suất nhập liệu bên ngoài lõi lọc (áp suất dư) và bên trong lõi là áp suất chân không. Phân tử Ethanol sẽ được tách ra phía ngoài ống lọc (phía vỏ của thiết bị).
Hình 2.11 – Cấu tạo của màng lọc zeolite
Hình 2.13 – Nguyên tắc của thiết bị lọc màng Zeolite Nguồn: www.greencarcongress.com
Về nguyên tắc hỗn hợp Ethanol ‒ nước được đưa vào phía trong lõi ống, các phân tử nước có kích thước nhỏ hơn lớp mao quản của màng zeolite sẽ bốc hơi qua lớp màng và đi ra phía ngoài, phân tử ethanol có kích thước lớn hơn sẽ được giữ lại và tiếp tục đi ra phía sau.
Tuy cùng sử dụng vật liệu rây phân tử Zeolite như ở phương pháp hấp phụ chọn lọc bằng rây phân tử, nhưng tác dụng của vật liệu rây phân tử ở hai phương pháp hoàn toàn khác nhau.
So sánh phương pháp hấp phụ chọn lọc và phương pháp lọc mằng như sau:
- Hỗn hợp Ethanol – nước đi vào tháp có thể ở dạng lỏng hoặc hơi.
- Nước bị giữ lại trong lớp chất hấp phụ zeolite trong tháp và được tách ra trong giai đoạn nhả hấp phụ.
- Để làm việc liên tục, yêu cầu phải có hai tháp thiết kế song song với nhau.
- Hỗn hợp Ethanol – nước đi vào ở dạng hơi.
- Nước và ethanol đều không bị giữ lại. - Làm việc liên tục chỉ với một tháp.
1 ‒ Thiết bị lọc màng 2 ‒ Bơm tuye
Hình 2.14 – Sơ đồ sản xuất Ethanol nồng độ cao bằng phương pháp thẩm thấu qua màng lọc
Để quá trình thu hồi ethanol được triệt để, người ta đã thực hiện ghép các thiết bị thành modules thẩm thấu như sau:
Quá trình tách nước trong ethanol sử dụng màng lọc thông thường bao gồm nhiều module màng lọc nối tiếp nhau được cách nhau bởi các thiết bị trao đổi nhiệt. Nguyên liệu sau khi đi ra khỏi tháp chưng cất có nồng độ ethanol khoảng 94%, sau đó được trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm ethanol khan, tiếp tục đi qua thiết bị trao đổi nhiệt để tạo hỗn hợp hơi trước khi đi vào module màng lọc đầu tiên, sau khi qua module này thì nhiệt độ của hỗn hợp bị giảm do đó để quá trình tách lọc nước xảy ra tốt hơn thì nguyên liệu phải đi qua thiết bị gia nhiệt tiếp theo, quá trình xảy ra ở các module tương tự như module đầu tiên. Ethanol ra khỏi module cuối cùng có nồng độ trên 99.9% về thể tích sau khi trao đổi nhiệt với
dòng sản phẩm từ tháp chưng cất được làm lạnh đến nhiệt độ tồn chứa rồi đưa về bể chứa ethanol. Nước được tách ra từ đáy tháp chưng.