Tài liệu Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màng doc

1
Kỹ ThuậtMàngvàỨng Dụng
Bài 1:
Khái quát về kỹ thuậtmàng
Giảng viên: NguyễnMinh Tân
Bộ môn QT-TB CN Hóa học& Thựcphẩm
Trường Đạihọc Bách khoa Hà nội

Khái niệmMàng
Membrane
Sinh học
- Là mội lớp mỏng bao phủ bề mặt
hoặc phân chia các phần, cấu trúc
hoặc cơ quan trong cơ thể động
hoặc thực vật
- Màng tế bào
Hóa học
Mảnh vật chất mỏng được làm từ
vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có
khả năng thấm (cho đi qua) một
cách
chọn lọc
một chất nào đó trong
hỗn hợp hoặc dung dịch
Khái quát về kỹ thuật màng
2
H
e
m
o
d

i
a
l
y
s
i
s
/
f
i
l
t
r
a
t
i
o
n
B
l
o
o
d

o
x
y
g
e
n

a
t
o
r
W
a
t
e
r

d
e
s
a
l
i
n
a
t
i
o
n
(
w
a
s
t
e
)

W
a
t
e
r

p
u
r
i
f
i
c
a
t
i
o
n
O
x
y
g
e
n
/
n
i
t
r
o

g
e
n

s
e
p
a
r
a
t
i
o
n
F
o
o
d

p
r
o
c
e
s
s
i
n
g
(

b
i
o
)

C
h
e
m
i
c
a
l

i
n
d
u
s
t
r
y
E
l
e
c
t
r
o
c

h
e
m
i
c
a
l

i
n
d
u
s
t
r
y
A
n
a
l
y
t
i
c
a
l
/

d
i

a
n
o
g
s
t
i
c
M
i
s
c
e
l
l
a
n
e
o
u
s
0
2
4
6
8
10
12
14
16

Gr ow th rate
(%/year)
Thị trường màng toàn cầunăm2000
/H. Strathmann: Membrane Separation processes: Current relevance and
future opportunities. AIChE Journal 47(2001),5/
2200
350
350
400
100
200
150
150
150
350
Hemodialysis/filtration Blood oxy genator Water des alination
(w aste) Water purification Oxygen/nitrogen separation Food process ing
(bio) Chemical industry Electrochemical industr y Analytical/ dianogstic
Miscellaneous
Doanh số bán màng và thiếtbị màng
(TriệuUSD)
Tốc độ tăng trưởng
Khái quát về kỹ thuật màng
Công suấttínhtrêntoànthế giớivàsố lượng thiếtbị
vi lọc/siêu lọc đã đượclắp đặt
dùng cho quá trình xử lý nước
/R. Gimbel, G. Hagmeyer. Forum Forschung 2001/
Khái quát về kỹ thuật màng
3
Lịch sử phát triểnkỹ thuậtmàng

Khái quát về kỹ thuật màng
Lịch sử phát triểnkỹ thuậtmàng
J. Abbe Nollet phát hiện ra hiện tượng thẩm
thấu vào năm 1748
Bài báo khoa học đầu tiên được công bố về
thẩm thấu:
J.A. Nollet, Lecons de physique
experimentale,
Hippolyte-Louis Guerin and Louis-Francios
Delatour,
Paris, 1748.
Khái quát về kỹ thuật màng
4
Lịch sử phát triểnkỹ thuậtmàng
1907 Bechold giới thiệu đến khái niệm về siêu lọc
1950 Hassler đề cập đến quá trình tách muối từ
nước biển
1958 Sidney Loeb và S. Sourirajan nghiên cứu chế
tạo thành công màng Polymer
1961 Loeb-Sourirajan đăng ký phát minh cho
phương pháp chế tạo màng của mình
1962 Loeb-Sourirajan phát minh ra màng bất đối
xứng
Khái quát về kỹ thuật màng
Màng tế vi
Microporous Membrane
Khái quát về kỹ thuật màng
5
Màng không lỗ
Nonpore Membrane

Khái quát về kỹ thuật màng
Màng bất đốixứng
Assymetric Membrane
Khái quát về kỹ thuật màng
6
Màng gốm
Ceramic Membrane
Khái quát về kỹ thuật màng
Mô đun màng
Khái quát về kỹ thuật màng
Mo đun: Mộtphần thiếtbị khép kín có chứa màng
Màng
Đầuvào
Feed
Dịch đặc
Retentat
Nướctrong
Permeat
7
Mô đun màng
Khái quát về kỹ thuật màng
Đặctrưng của các quá trình tách dùng màng
Khái quát về kỹ thuật màng
8
Phân loại Các quá trình màng
Khái quát về kỹ thuật màng
10μm0,1μm
1nm
Điệnthẩm tích
(ED)

Điệnthẩm tích
lưỡng cực(BED)
Lỏng (F) / Lỏng (F) Độ linh động điện
tích
Chênh lệch
điệnthế
Thẩmtích(D)
Thẩm tích khuêch
Tán (DE)
Lỏng (F) / Lỏng (F) Hấpphụ +
Khuêch tán
Chênh lệch
nồng độ
Thấmbốc (PV)
Tách hơi (VP)
Tách khí (GS)
Lỏng (F) / Khí (G)
Khí (G)/Khí (G)
Khí (G)/Khí (G)
Hấpphụ +
Khuêch tán
Bay hơi
Hấpphụ +
Khuêch tán
Chênh lệch áp
suấtriêngphần
Vi lọc(MF)Siêu lọc(UF)
Lọcnano(NF)
Thẩmthấungược
(RO)

Lỏng (F) / Lỏng (F)
Cơ chế sàng
(Lọc sâu/cake
filtration)
Hấpphụ +
Khuêchtán
Chênh lệch áp
suất
(chênh lệch thế
hóa)
Đốitượng phân tách
Trạng thái tập
hợp
Cơ chế
phân tách
Động
lực
Siêu lọcvàvilọc
• Dùng nguyên lý tách thuầnvậtlý
•Tiếtkiệm được chi phí xử lý sơ bộ ( do có thể thay
thế nhiều khâu xử lý sơ bộ)
• Đáp ứng đượcyêucầuchấtlượng ngày càng
tăng
•Dễ dàng tựđộng hóa
Vi lọc
và siêu
lọc
để xử
lý
nước

Khái quát về kỹ thuật màng
9
Thẩmthấungược
Khái quát về kỹ thuật màng
LọcNano
Khái quát về kỹ thuật màng
10
Thấmbốc
Khái quát về kỹ thuật màng
Hỗnhợpcần
phân tách
Bơmchân
không
Mô Đun Màng
Dịch đặc
Dịch trong
Tách khí
Khái quát về kỹ thuật màng
Không khí
Máy nén
Lọc, làm khô
Màng
Khí thải
11
Điệnthẩmtích
Khái quát về kỹ thuật màng
Nướcbiển
NaOH
HCl
Các khái niệmcơ bản

Khái quát về kỹ thuật màng
Cấu trúc phát triển các quá
trình màng
Phân tố
màng
Quá trình
tổng thể
Bố trí
mô đun
Mô đun
màng
RO
Bốchơi
12
Các khái niệmcơ bản
i
m
&
Khái quát về kỹ thuật màng
Độ chọnlọc/Mứcgiữ lại – Dòng nước trong
- ĐỘ CHỌN LỌC (S
ij
) củamàngthể hiệnkhả năng lựachọn cho phép một
cấutử nhất định nào đóthấm qua
-Năng suấtcủamàngđược đánh giá qua DÒNG NƯỚC TRONG ( ) đạt
đượctrongđiềukiệnvậnhànhnhất định
- Độ chọnlọcvàdòngnước trong là các thông số cụcbộ, thay đổitheoloại
mô đun màng, vị trí khảosát
Khái quát về kỹ thuật màng
Dịch vào

Màng
Nướctrong
Dịch vào
Dòng
Dịch đặc
Nướctrong
13
Các khái niệmcơ bản
Khái quát về kỹ thuật màng
Động lực–Trở lực
Dòng = Động lực/Trở lực
Phân tách H2/N2,
CO2/CH4
O2/N2
Màng bất đốixứng
không lỗ
Tăng áp suấtphíadịch
đặclêntới 80 bar
hoặchạ áp suất
phía nướctrong->
chênh lệch áp suất
riêng phần
H/HThẩmthấu khí
Phân tách các hỗnhợp
chấthữucơ
Màng bất đốixứng
không lỗ
Hạ áp suấtphíanước
trong
L/HThấmbốcPV

Thậnnhântạo, tuần
hoan các axit
Màng đốixứng có đính
các nhóm ion
Điệntrường vuông góc
vớibề mặtmàng
L/LED
Cô đặc, phân loại các
dung dịch cao
phân tử,…
Màng bất đốixứng, lỗ∆p đến 10barL/LUF
Phân riêng các chấttan
trong dung dịch
vớinước
Bất đốixứng∆p đến 60barL/LNF
Xử lý nước, và các
dung dịch với
nước
Bất đốixứng∆p đến 200barL/LRO
Ứng dụngLoạimàngĐộng lựcPhaQuá trình
Các khái niệmcơ bản
Khái quát về kỹ thuật màng
Nguyên lý hoạt động củamộtsố quá trình màng tiêu biểu
Thẩmthấungược
Tách khí ( áp suấtdư)
Thấmbốc Thẩm khí ( áp suất chân không)
Dịch đặc
Nướctrong
(lỏng)
Dịch

vào
(lỏng)
Dịch đặc
Nướctrong
(hơi)
Dịch
vào
(hơi)
Dịch đặc
Nướctrong
Dịch vào
(hơi)
Nướctrong
Dịch đặc
Dịch vào
(lỏng)
Nướctrong
(lỏng)
Khí trơ
Hơi
14
Các khái niệmcơ bản
()
iii
dxxpTW
∫
=
2
1
2/1

,,
μ
Khái quát về kỹ thuật màng
Động lựctổng quát – Chênh lệch thế hóa
Thế hóa củacấutử i
Thế hóa tương ứng với công nhỏ nhấtcủahệ thống phảinhận được khi thựchiệnsự thay
đổinồng độ 1-> 2
ki
xxTp
i
i
x
G
≠
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
=
,,
μ
()
()
(

)
(
)
000
~
,,ln,0,, ppVxpTaRTpTxpT
iiiiii
−++=
μμ
Với khí lý tưởng
() ()
0
0
ln
p
p
RTTT
i
ii
+=
μμ
Áp suấtthẩmthấu
i
i
i
a
V
RT
ln
~

−=
π
Các khái niệmcơ bản
Khái quát về kỹ thuật màng
Động lựctổng quát – Chênh lệch thế hóa
Quá trình vận chuyểncấutử i trong quá trình Thẩmthấungược:
Đốivới quá trình Thấmbốc(PV), cóthể viết:
(
)
[]
(
)
πππμ
Δ−Δ=−−−=Δ pVppV
iPiFipFi
RO
i
~
~
,,
nhỏ không đáng kể, có thể bỏ qua
()
0
~
ppV
Fi
−
Do
⎥
⎦

⎤
⎢
⎣
⎡
−===Δ
Fi
iiP
iS
i
iP
iSiiF
iP
iSiF
PV
i
yp
p
V
RT
V
p
px
RT
p
pa
RT
,
ln
~
~

lnln
π
γ
μ
Đốivới quá trình tách khí (GP), có thể viết:
iP
iF
iP
iS
GP
i
yp
xp
RT
p
p
RT lnln ==Δ
μ
15
Các khái niệmcơ bản
Khái quát về kỹ thuật màng
Các loạitrở lựccủa quá trình màng
-Trở lựccủalớpmàng(lớphoạt động)
-Trở lựcthủylực bên phía nước trong và dịch đặc(giảm động lực chung)
-Phâncựcnồng độ trên bề mặtmàng
-Trở lực chuyểnkhốicủalớpphụ trợ
-Trở lựctruyềnnhiệt (phân cựcnhiệt độ) đốivới quá trình PV
Các khái niệmcơ bản
Khái quát về kỹ thuật màng
Ảnh hưởng củatổnthấtápsuất đến động lựccủa quá trình

Ảnh hưởng củatổnthấtápsuất