- Π r: lă âp suất thẩm thấu phía dòng retentate Πp: âp suất thẩm thấu phía dòng permeate.
2.6.1 Định nghĩa.
Hiện tượng fouling lă hiện tượng tắc nghẽn mao dẫn membrane trong quâ trình vận hănh do một số cấu tử trong mẫu nguyín liệu hấp phụ lín bề mặt membrane hoặc tương tâc với câc thănh phần hĩa học của membrane, khi đĩ lưu lượng dịng permeate giảm dần.
Hiện tượng fouling lă một tính chất được coi lă lăm thay đổi dịng chảy rất khĩ trânh khỏi. Tùy từng hệ thống, sự thay đổi cĩ thể diễn ra trong một hay nhiều giai đoạn, thường diễn ra ở tốc độ nhanh trong mợt văi phút đầu, sau đĩ sự thay đổi giảm dần. Câc phương phâp khắc phục cĩ thể chỉ lăm tăng dịng chảy một câch tạm thời hay đĩ chỉ lă loại bỏ sự ảnh hưởng trong một giai đoạn ngắn mă thơi, chứ khơng hoăn toăn loại bỏ được hiện tượng năy. Việc ta cĩ thể lăm được lă tối ưu hô hệ thống để dịng chảy khơng giảm mạnh trong thời gian vận hănh.
2.6.2 Nguyín nhđn gđy ra fouling.
Sự tích lũy nguyín liệu trong membrane lăm tăng trở lực của membrane theo thời gian. Lớp gel hay câc bânh nguyín liệu tích tụ trín bề mặt của membrane vă lớp tập trung nồng độ của nguyín liệu lăm tăng trở lực cho dịng permeate. Độ lớn trở lực sẽ khâc nhau khi thănh phần hô học vă độ dăy của câc lớp tích tụ khâc nhau, điều năy được quyết định bởi chất lượng của nguyín liệu vă tính chất truyền khối trong mơ hình membrane.
Sự hình hănh câc “bânh” (cake formation).
Câc bânh nồng độ hình thănh, bít câc lỗ, vă sự hấp thụ câc foulants lín thănh mao quản xuất hiện lă câc nguyín nhđn dễ nhận thấy trong sự giảm dịng permeate theo thời gian đối với membrane. Thơng thường thì trở lực gđy ra do sự tập trung nồng độ nhỏ hơn rất nhiều so với trở lực do câc bânh nồng độ tạo nín. Do đĩ nếu cĩ sự hình thănh câc bânh nồng độ năy thì trở lực do tập trung nồng độ thường được bỏ qua.
Trở lực do câc bânh nồng độ tạo ra sẽ tăng khi câc phần tử cấu thănh lín câc bânh đĩ giảm kích thước. Câc lớp gel của câc nguyín liệu cĩ thănh phần lă câc phđn tử lớn sinh ra trở lực khâ đâng kể. Câc bânh nồng độ vă câc lớp gel đĩng vai trị như những thiết bị lọc hay lă một membrane thứ hai loại đi những phđn tử chất tan trong dịng lưu chất.
Hình 2.24. Sự hình thănh lớp gel theo thời gian
ở câc âp suất khâc nhau
Fouling do sự kết tủa.
Sự hình thănh kết tủa vă câc câu cặn trín membrane cĩ thể xuất hiện khi câc muối trong nguyín liệu cĩ nồng độ quâ khả năng hịa tan của chúng.
Trong quâ trình phđn riíng, dưới tâc động của âp lực, câc chất hịa tan, câc chất keo, câc chất cĩ khối lượng phđn tử lớn cĩ khuynh hướng tập trung ở bề mặt membrane. Sự tập trung năy đê dẫn đến sự hình thănh lớp keo sât bề mặt măng vă kế đến lă lớp biín nồng độ. Trong quâ trình phđn riíng, lớp keo năy hầu như khơng thể tâch ra khỏi măng. Ngược lại, câc cấu tử ở lớp biín nồng độ vừa bị dịng permeate kĩo theo qua măng vừa khuếch tân ngược trở lại vùng ngoại biín do sự chính lệch nồng độ.
Fouling do sự hấp thụ.
Sự hấp thụ hay sự tích tụ của câc nguyín liệu theo thời gian trong câc mao quản dẫn tới giảm kích thước mao quản rpore vă tăng trở lực Rm , đđy lă điều thường khĩ được khắc phục một câch triệt để. Sự hấp thụ câc vật liệu lín bề mặt membrane lă khâc nhau khi câc vật liệu lăm membrane khâc nhau. Tính chất của câc vật liệu hữu cơ cĩ mối liín quan đến sự tắc nghẽn membrane bao gồm: sự tương đồng của chúng với membrane, khối lượng phđn tử, câc nhĩm chức vă hình dạng. Sự tắc nghẽn membrane cũng liín quan chặt chẽ với tương tâc kỵ nước của câc vật liệu lăm membrane. Theo đĩ, mambrane chế tạo từ câc vật liệu cĩ tính ưa nước thì thường ít gđy tắc membrane hơn câc membrane được chế tạo từ câc vật liệu cĩ tính kỵ nước.
Fouling do vi sinh vật (Biofouling)
Khi dung dịch nguyín liệu cĩ chứa vi sinh vật, chúng sẽ bâm trín bề mặt membrane vă lăm tắc nghẽn membrane. Trong quâ trình phđn riíng, trín bề mặt membrane cĩ thể cĩ đến 106CFU/cm2, bao gồm vi khuẩn, nấm mốc vă nấm men (Baker vă Dudley, 1998).
Fouling do câc nguyín nhđn khâc.
Ngoăi câc yếu tố trín, hiện tượng fouling cịn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khâc trong quâ trình phđn riíng:
• Protein: lă chất gđy ra fouling chính trong quâ trình membrane. Với vơ số nhĩm chức năng khâc nhau, mức độ kỵ nước khâc nhau, cấu trúc phức tạp bậc 2 vă bậc 3... cho phĩp protein tương tâc với câc thănh phần khâc trong dịng nhập liệu.
Hình 2.26. Mối quan hệ giữa sự hấp thụ protein lín bề mặt măng đến lưu lượng dịng ở câc nhiệt độ khâc nhau
• Muối: muối không cĩ một ảnh hưởng sđu rộng đến fouling. Chúng cĩ thể kết tủa trín membrane vì tính tan kĩm hay nĩ cĩ thể lăm bít membrane bởi câc tương tâc tĩnh điện.
• pH: nhìn chung dịng chảy sẽ kĩm nhất tại pH đẳng điện của protein. Thay đổi pH ảnh hưởng đến tính tan vă cấu tạo của câc thănh phần dịng nhập liệu.
• Lipid, dầu, mỡ: với câc loại măng cĩ tính kỵ nước, câc chất bĩo tự do sẽ bao lấy măng, kết quả lă giảm dịng chảy.
• Câc chất phâ bọt: được sử dụng để ngăn bọt trong quâ trình bốc hơi vă lín men. Rất nhiều chất phâ bọt trín thị trường gđy nghẽn rất xấu đến membrane cĩ tính kỵ nước. Câc membrane cĩ tính ưa nước ít bị ảnh hưởng hơn bởi câc chất năy.
• Câc chất mùn: đđy lă câc chất điện ly cĩ tính axit yếu. Chúng trở nín kỵ nước hơn khi pH giảm vì vậy sẽ tăng khả năng gđy nghẽn những membrane cĩ tinh kỵ nước ở pH thấp. (Jucker vă Clark, 1994).
• Câc thănh phần khâc bị cho lă cĩ gđy nín fouling bao gồm câc chất nhớt do vi khuẩn, câc hợp chất thơm vă câc polysaccharide ( Defrise vă Gekas , 1988). Câc thơng số kỹ thuật
Bín cạnh câc tương tâc hĩa lý phức tạp của câc thănh phần nguyín liệu, câc thơng số của quâ trình như nhiệt độ, vận tốc dịng, âp suất, nồng độ nguyín liệu, vă thiết bị cĩ ảnh hưởng lớn đến sự tắc nghẽn membrane.
Nhiệt độ: nhiệt độ ảnh hưởng khơng rõ răng lín hiện tượng fouling. Tăng nhiệt độ cũng cĩ thể lăm tăng lưu lượng dịng nhưng cũng cĩ thể lăm giảm lưu lượng dịng, tùy thuộc văo nguyín liệu. Ví dụ đối với cheese whey, tại nhiệt độ 300C, dịng giảm khi tăng nhiệt bởi vì tính tan của CaSO4 giảm. Tuy nhiín khi nhiệt độ tiếp tục tăng xa điểm 300C thì câc hiệu ứng cĩ lợi (độ nhớt giảm, khả năng khuếch tân tăng) sẽ lăm giảm câc ảnh hưởng bất lợi vă dịng chảy tăng.
Tất nhiín về mặt sinh học thì ở nhiệt độ quâ cao protein sẽ bị biến tính vă sẽ lăm giảm lưu lượng dịng. Sự hấp thụ của câc phđn tử protein trong khoảng nhiệt độ 30 - 600C nhìn chung lă tăng khi nhiệt độ tăng.
Hình 2.28. Ảnh hưởng của tốc độ dịng Cross-flow vă nhiệt độ đến fouling Tốc độ dịng vă sự xâo trộn dịng: vđïn tốc dịng trín bề mặt
chung cĩ khuynh hướng kĩo đi câc nguyín liệu lắng đọng, do đĩ giảm trở lực nước
của lớp fouling. Tuy nhiín điều năy khơng luơn luơn xảy ra nếu âp suất quâ cao so với
tốc độ dịng permeate. Khi đĩ câc phđn tử lớn sẽ cĩ khuynh hướng bị đẩy ngược trở lại
vă câc phđn tử nhỏ tập trung trín bề mặt măng, gđy ra sự tắc nghẽn.
Hình 2.29. Fouling khi câc phđn tử cĩ kích thước khơng đồng đều
Âp suất: lưu lượng dịng tăng khi âp suất tăng, nhưng khơng theo quy luật tuyến tính. Khi âp suất tăng quâ cao, lớp tập trung nồng độ tiến tới một nồng độ tới hạn vă dịng trở nín khơng phụ thuộc văo âp suất.
