Luận văn Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật Membrane

Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
1. MỞ ĐẦU
Hiện nay, khi các ngành công nghiệp không ngừng tăng trưởng và phát triển do đó
vấn đề cần quan tâm là vấn đề về năng lượng và các vấn đề về bảo vệ, chống ô
nhiễm môi trường, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đã trở thành giải pháp hiệu
quả trong việc tiết kiệm năng lượng, đồng thời có thể hạn chế những biến đổi làm
giảm chất lượng bán thành phẩm và thành phẩm cũng như xử lý nước thải công nghiệp
độc hại hay thu hồi các cấu tử q bằng kỹ thuật điện thẩm tích
Các hợp chất từ thực vật như protein, lipit, hợp chất chống oxi hóa… có vai trò quan
trọng trong ngành công nghệ thực phẩm và các ngành công nghệ khác cũng như nhu
cầu sống của con người. Việc trích ly các hợp chất từ thực vật bằng phương pháp
truyền thống đã làm cho các hợp chất này mất đi nhiều tính chất chức năng. Để cải
thiện các tính chất chức năng của các hợp chất này người ta ứng dụng kỹ thuật
membrane để trích ly. Kỹ thuật membrane ưu thế hơn kỹ thuật truyền thống là không
sử dụng hóa chất và xử lí nhiệt nên các sản phẩm ít bò tính chất. Các ứng dụng của
membrane giờ đây không còn bò bó hẹp trong việc phân riêng các cấu tử háo học ở
quy mô phòng thí nghiệm mà được mở rộng trong công nghiệp. Kỹ thuật membrane
được xem là một trong những hướng đầu tư mũi nhọn và thiết yếu trong tương lai thay
thế dần các kỹ thuật truyền thống.
Ở nước ta, việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật membrane còn rất nhiều hạn chế.
Chúng ta chủ yếu ứng dụng kỹ thuật membrane để xử lý nước hoặc áp dụng ở quy mô
thí nghiệm. Hiện tại, số lượng công trình nghiên cứu về việc ứng dụng kỹ thuật
membrane trong sản xuất thực phẩm còn khá khiêm tốn. Về công nghệ chế tạo thiết
bò, nước ta còn hạn chế trong công nghệ cũng như trình độ kỹ thuật, do đó lónh vực này
chưa được phát triển tại Việt Nam.
Mục tiêu của đồ án này là tổng quan ứng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các
hợp chất từ thực vật nhằm biết được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình membrane
cũng như chất lượng của sản phẩm.
Trang 3
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm

Ái
2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MEMBRANE
2.1 Khái niệm về membrane và phân loại
2.1.1 Khái niệm.
“Membrane” là thuật ngữ khoa học có nghóa là “màng” là bề mặt mỏng cho phép
một số cấu tử khuếch tán qua nó. Thuật ngữ “kỹ thuật membrane” (membrane
technology) bắt đầu xuất hiện từ khi con người phát hiện khả năng bán thấm của các
bộ phận nội tạng của động vật như bong bóng cá, bàng quang lợn….Sau đó, nhiều loại
membrane nhân tạo đã ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật phân riêng.
Hiện nay, đònh nghóa membrane như sau được đa số nhà nghiên cứu đồng ý:
membrane là loại màng đặc biệt có thể phân riêng một cách chọn lọc các cấu tử có
kích thước khác nhau, từ những hợp chất cao phân tử như tinh bột, protein cho đến các
chất có kích thước phân tử thấp như các ion hóa trò một.
2.1.2 Phân loại
Membrane có thể được phân loại theo các cách sau:
• Theo nguồn gốc
Theo nguồn gốc, membrane được chia thành 2 loại gồm: membrane tự nhiên và
membrane tổng hợp.
 Membrane tự nhiên
Là loại màng được chế tạo từ các vật liệu có trong tự nhiên, trong đó chủ yếu là
cellulose.
 Membrane tổng hợp
Là loại membrane được chế tạo từ các vật liệu tổng hợp. Membrane tổng hợp được
chia thành hai nhóm chính:
• Membrane hữu cơ - organic (polymer của các hợp chất hữu cơ).
• Membrane vô cơ - inorganic (ceramic hoặc kim loại ).
Trong đó, polymer (cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene polyamides,
polysulfones, ) và ceramic (alumina, titania, and zirconia, ) được sử dụng phổ biến
nhất(Baker, 2000).
• Theo kích thước lỗ mao quản

Theo kích thước lỗ mao quản, membrane được chia thành 4 loại sau: màng thẩm
thấu ngược (RO - Reverse Osmosis), màng lọc nano (NF - Nanofiltration), màng siêu
lọc (UF - Ultrafiltration) và membrane vi lọc (MF - Microfiltration).

Trang 4
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Bảng 2.1: Kích thước lỗ mao quản của một số loại membrane
Loại
membrane
Kích thước lỗ mao quản (nm)
RO < 0,5
NF 1 – 2
UF 3 – 200
MF > 200
Nguồn: Jorgen Wagner, Membrane Filtration Handbook,
Osmonics Inc., USA, 2001
• Theo cấu trúc membrane
Theo cấu trúc, membrane được chia thành các loại sau:
 Membrane có cấu trúc vi xốp: dựa vào kích thước và sự phân bố các mao quản
trong membrane, người ta chia ra làm hai loại sau:
Hình 2.1. Cấu trúc bề mặt membrane vi xốp
 Đẳng hướng (symmetric, isotropic)
Cấu trúc của loại membrane này có vô số các lỗ xốp bên trong dưới dạng mao
quản hoặc các lỗ hổng được hình thành một cách ngẫu nhiên. Đường kính của mao
quản ổn đònh trong suốt chiều dày của membrane, các mao quản này song song với
nhau. Membrane vi xốp chế tạo bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo
Trang 5
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái

pha,… từ nhiều loại vật liệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại
hoặc các loại polymer.
Hình 2.2. Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng
 Bất đẳng hướng (asymmetric, anisotropic)
Loại này có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dày của membrane, thường
có 2 lớp: lớp trên dày 0,1 – 0,5µm, đường kính mao quản nhỏ và lớp này quyết đònh
khả năng phân riêng của màng; lớp dưới dày 100 - 200 µm, đường kính mao quản lớn,
thường đóng vai trò là khung đỡ, vì thế cần có tính bền cơ cao.
Membrane loại này thường được sửû dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm thấu
ngược, tinh sạch khí,
Hình 2.3. Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng

Trang 6
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Bảng 2.2: Tính chất và ứng dụng của một số loại membrane vi xốp
Vật liệu
Kích thước lỗ
mao quản (m)
Ứng dụng
Ceramic, kim loại
Polyethylene (PE)
Polytetrafluoroethylene (PTFE)
Polycarbonate (PC)
Cellulose nitrate (CN), Cellulose
acetate(CA)
0,1 - 20
0,5 – 10
0,5 - 10
0,02 - 10

0,01 - 5
Vi lọc
Vi lọc
Vi lọc
Vi lọc
Vi lọc, siêu lọc
Nguồn: Mark C. Porter, Handbook of Industrial Membrane Technology, Noyes
Publication, USA, 1990.
 Membrane đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane)
Membrane dạng lỏng là một lớp chất lỏng rất mỏng. Khó khăn nhất đối với loại
membrane này là duy trì lớp màng ổn đònh về mặt cấu trúc cũng như đặc tính của nó.
Để tránh sự phá vỡ cấu trúc của membrane trong quá trình phân riêng, hiện nay hai kỹ
thuật thường được dùng là sử dụng các chất nhũ hóa hoặc dùng vật liệu polymer có
cấu trúc vi xốp với độ bền cơ cao để chứa chất lỏng bên trong. Membrane dạng lỏng
thường dùng để tách các ion kim loại nặng, các chất vô cơ từ nước thải công nghiệp.
 Membrane trao đổi ion (Ionic Membrane)
Membrane trao đổi ion là membrane mà trên bề mặt có nhiều điện tích âm hoặc
dương Có hai loại membrane trao đổi ion
• Membrane trao đổi ion dương
• Membrane trao đổi ion âm.
Hai loại membrane này sẽ hấp thu các ion có điện tích trái dấu (counter-ion) so với
các ion trên bề mặt membrane (co-ion) và không cho các ion này đi qua. Sự phân
riêng bằng membrane trao đổi ion đạt được chủ yếu do quá trình tách những ion tích
điện trái dấu với membrane hơn là do kích thước lỗ mao quản. Sự phân riêng này bò
ảnh hưởng bởi điện tích và nồng độ của những ion trong dung dòch. Membrane trao đổi
ion thường được dùng trong kỹ thuật điện thẩm tích.
2.1.3 Vật liệu chế tạo membrane.
Cellulose Acetate (CA)
Trang 7
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm

Ái

Cellulose acetate (CA) là vật liệu được sử dụng chế tạo và ứng dụng đầu tiên trong
các kỹ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc.
• Nhược điểm vật liệu này là kém bền đối với nhiệt độ, pH và có thể bò phá
hủy bởi vi sinh vật.
• Tuy nhiên, chế tạo bằng vật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước,
và ít bò tắc nghẽn (fouling) hơn các loại membrane khác
Polyvinylidenedifluoride (PVDF)
Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống. Tuy
nhiên, kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này rất khó khăn và các tính chất, cấu
trúc của membrane kém ổn đònh nên ít được sử dụng.
( )
n
CFCH
−−−
22
Polysulfone (PS)
Polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọc và vi lọc.
Ưu điểm có khả năng chòu được pH và nhiệt độ cao. Loại vật liệu này được sử
dụng rất nhiều trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệt trong các nhà máy chế biến
sữa. Về nguyên tắc, polysulfone là vật liệu háo nước, không thể sử dụng để xử lý
các chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo. Tuy nhiên, có một số loại membrane
polysulfone có thể sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt.
Các vật liệu khác
- Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường
có cấu tạo dạng ống và được lắp theo từng hệ thống.
• Ưu điểm của loại vật liệu này là khoảng nhiệt độ và pH hoạt động
rộng, có độ bền hóa cao, thời gian sử dụng dài, vệ sinh đơn giản.
• Nhưng bên cạnh đó độ bền cơ học không cao, không chòu được hiện

tượng shock nhiệt, giá thành cao.
- Kim loại: kim loại thường được dùng để chế tạo membrane là paladi hoặc
hợp kim của paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim, Loại membrane
Trang 8
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
này được sử dụng chủ yếu trong quá trình phân riêng khí ở nhiệt độ cao (ví dụ quá
trình tinh sạch khí hydro từ khí thải).
- Bên cạnh đó còn có các loại vật liệu khác như một số polimer tổng hợp,
Bảng 2.3: Độ bền hóa của một số vật liệu membrane
Các tác nhân Composite CA PSO PVDF SiO
2
Cellulose
3 < pH <8
P P P P P P
pH < 3 hoặc pH > 8
P
x
P P P P
Nhiệt độ > 35
o
C
P
x
P P P P
Protein
P
(P)
P
(P)

P P
Polysaccharide (P) x
P
X
P
x
Hydrocacbon ưa béo x x x (P)
P P
Chất thơm x x x
P P
(P)
Chất oxi hoá x (P)
P P P
(P)
Ketone, ester x x x
P P
(P)
Rượu
P
x
P P P P
Chú thích:
- P: độ bền hóa cao
- (P): chưa được xác đònh rõ
- x : độ bền hóa thấp
(Nguồn: Jorgen Wagner, Membrane Filtration Handbook, Osmonics Inc., USA, 2000)

Trang 9
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái

Bảng 2.4: Các vật liệu sử dụng để chế tạo membrane
Vật liệu MF UF RO
Nhôm X
Carbon-carbon composites X
Cellulose ester X
Cellulose nitrate X
Polyamide, aliphatic (nylon) X
Polycarbonate X
Polyester X
Polypropylene X
Polytetrafluoroethylene (PTFE) X
Polyvinyl cloride (PVC) X
Polyvinylidene flouride (PVDF) X
Cellulose X X
Ceramic composites X X
Polyacrylonitrile (PAN) X X
Polyvinyl alcohol (PVA) X X
Polysulfone (PS) X X
Polyethersulfone (PES) X X X
Cellulose acetate (CA) X X X
Cellulose triacetate (CTA) X X X
Polyamide, aromatic (PA) X X
Polyimide (PI) X
Hỗn hợp CA/CTA X
Composites, polymeric thin film (PA hay
polyetherurea trên polysulfone)
X
Polyetherimide (PEI) X
(Nguồn: Munir Cheryan, Ph.D. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook,
Technomic publishing co., inc.)

Trang 10
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Trang 11
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
2.2 Các kỹ thuật membrane

Hình 2.4. Kích thước mao quản và áp suất ứng với các kỹ thuật membrane
2.2.1 Kỹ thuật vi lọc - MF (Microfiltration)
Membrane vi lọc với đường kính mao dẫn 0,01-2
m
µ
sẽ giữ lại các cấu tử lơ lửng
có kích thước rất nhỏ như các tế bào vi sinh vật. Có áp suất làm việc dao dộng trong
khoảng 0,3 – 1bar. Đây là kỹ thuật được áp dụng các khá phổ biến trong chế biến thực
phẩm như tách vi sinh vật từ sữa, nước trái cây (nước táo, nho,…)
Trang 12
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
2.2.2 Kỹ thuật siêu lọc - UF (Ultrafiltration)
Kỹ thuật siêu lọc là quá trình phân riêng chọn lọc các hợp chất với áp suất làm
việc vào khoảng 1 – 10 bar. Đường kính mao quản trung bình từ 2 đến 50 nm. Kỹ
thuật siêu lọc được áp dụng để tách protein, thuốc nhuộm, và các hợp chất có khối
lượng phân tử lớn hơn 10.000 Dalton.
2.2.3 Kỹ thuật lọc nano – NF (Nanofiltration)
Trong kỹ thuật lọc nano, mao quản có đường kính trung bình khoảng 2nm. Áp suất
làm việc trong quá trình lọc nano cần phải cao, thông thường từ 20 – 40bar. Kỹ thuật
này được áp dụng trong quá trình cô đặc đường, các dung dòch chứa gốc muối hóa trò
hai, chất màu hay các hợp chất có khối lượng phân tử lớn hơn 1.000 Dalton.

2.2.4 Kỹ thuật thẩm thấu ngược – RO (Reverse Osmosis)
Kỹ thuật thẩm thấu ngược còn được gọi là hyperfiltration, là quá trình phân riêng
với đường kính lỗ mao quản nhỏ nhất và cũng là kỹ thuật phân riêng phức tạp nhất
trong các kỹ thuật phân riêng bằng membrane. Kỹ thuật này sử dụng membrane có
đường kính lỗ mao quản nhỏ hơn 1nm, nên có khả năng tách các cấu tử có kích thước
nhỏ như các ion của muối như Na
+
, Cl
-
, ra khỏi dung dòch. Vì vậy, áùp suất làm việc
trong kỹ thuật này phải đủ lớn (15 – 70bar), để thắng áp suất thẩm thấu trên bề mặt
màng.

Hình 2.5. Mô hình kỹ thuật thẩm thấu ngược (RO)
Trang 13
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Bảng 2.5: Đặc tính của các quá trình membrane
So sánh 4 quá trình membrane
Reverse
Osmosis
Nanofiltration Ultrafiltration Microfiltratio
n
Membrane
Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng
Đối xứng
Bề dày
Lớp film
150µm
1µm

150µm
1µm
150-250µm
1µm
10-150µm
Kích thước lỗ
< 0.002µm < 0.002µm 0.2 - 0.02µm 4 – 0.02µm
Vật liệu
CA
Lớp mỏng
CA
Lớp mỏng
Ceramic
PSO, PVDF,
CA
Lớp mỏng
Ceramic
PP, PSO,
PVDF
Khả năng
tách
HMWC,
LMWC
NaCl, glucose,
Aminoacids
HMWC
Mono-,di và
oligosaccharide
Ion đa hóa trò
Chất có phân tử

lượng lớn,
protein,
polysaccharide,
virus
Phân tử lớn,
các hạt rắn,
vi khuẩn
Mô hình
Dạng ống
Dạng cuộn
xoắn
Dạng tấm bản
Dạng ống
Dạng cuộn
xoắn
Dạng tấm bản
Dạng ống
Dạng cuộn
xoắn
Dạng tấm bản
Dạng sợi rỗng
Dạng ống
Dạng sợi rỗng
p suất quá
trình
15 – 150 Bar 5 – 35 Bar 1- 10 Bar < 2 Bar
(Nguồn: Munir Cheryan, Ph.D. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook,
Technomic publishing co., inc, 1998)
2.3 Các dạng thiết bò.
2.3.1 Mô hình ống (Tubular module)

Thiết bò là hai ống hình trụ đồng trục bằng thép không rỉ, đường kính khác nhau và
được đặt lồng vào nhau. ng hình trụ bên trong có thân được đục lỗ. Một membrane
dạng tấm được cuộn tròn lại để tạo thành hình ống và được lồng ép sát vào thành bên
trong của ống hình trụ có đường kính nhỏ
Khi hoạt động dòng nhập liệu được bơm vào một đầu của thiết bò và được phân
phối vào bên trong các ống trụ nhỏ.Dòng retentate sẽ thoát tại đầu bên kia của ống
hình trụ này. Còn dòng permeate sẽ chui qua các mao quản của membrane và thoát ra
thành bên ngoài của ống hình trụ nhỏ rồi theo đường dẫn để ra bên ngoài thiết bò.
Trang 14
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Để tăng diện tích bề mặt phân riêng trong thiết bò, người ta có thể lắp đặt một
chùm ống hình trụ đường kính nhỏ được quấn membrane bên trong thân rồi đặt song
song nhau vào ở bên trong thân đường lớn. Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằng
thép không rỉ, có đường kính dao động từ 12.5 đến 75 mm, chiều dài khoảng 0,6 đến
64 m và có khoan các lỗ nhỏ trên thân có vai trò là ống đỡ membrane và được giữ
trong một ống thép lớn. Ngoài ra, người ta cũng có thể chia ống hình trụ thành nhiều
khoang. Dung dòch nguyên liệu sẽ được bơm vào trong các khoang này theo nguyên
tắc nối tiếp hoặc song song nhau.
Membrane dạng ống có những ưu, nhược điểm chung như:
• Ưu điểm
- Dễ tạo dòng chảy rối trong quá trình vận hành nên có thể hạn chế được hiện
tượng tập trung nồng độ, dễ vệ sinh thiết bò và thay thế membrane khá đơn giản và dễ
thực hiện
• Nhược điểm
- Thiết bò khá cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng.
Ngoài ra, tốc độ dòng nhập liệu khi đi vào thiết bò sẽ bò giảm dần nếu chiều cao của
thiết bò khá lớn, giá thành cao.
Trang 15
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm

Ái
Hình 2.6. Mô hình membrane dạng ống
2.3.2 Membrane dạng khung bản (Plate and Frame Module)
Mỗi đơn vò cấu tạo nên mô hình bảng bao gồm một tấm đỡ được làm bằng vật liệu
xốp và hai tấm membrane được ép sát vào hai bên tấm đỡ. Bề mặt hoạt động của hai
tấm membrane đều được quay ra bên ngoài. Trong thiết bò membrane, các đơn vò trên
được đặt song song với nhau. Tùy thuộc vào số đơn vò được lắp ráp vào nhiều hay ít
mà tổng diện tích membrane sử dụng trong thiết bò có thể dao động trong một khoảng
rất lớn, từ 0.1-100m
2
.
Loại membrane này được tạo thành do các bản đỡ đặt song song nhau cách nhau
một khoảng cách khá hẹp tạo thành một hệ thống kênh dẫn cho dòng permeate và
retentate. Membrane được phủ trên các tấm giá đỡ (dạng plate) tạo sự phân cách giữa
hai dòng permeate và retentate. Dòng nhập liệu chảy vào một đầu và được phân phối
vào các kênh dẫn retentate, các cấu tử có kích thước thích hợp sẽ qua membrane và
theo các kênh dẫn của dòng permeate đi theo ống dẫn chính ra ngoài. Dòng nguyên
liệu không qua membrane được gom lại và được phân phối lại vào vùng tiếp theo
nhằm nâng cao hiệu quả quá trình phân riêng. Thiết bò dạng này thường được sử dụng
trong quá trình siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược.
Ưu điểm lớn nhất của mô hình bảng là việc tháo lắp, vệ sinh thiết bò rất đơn giản.
một số thiết bò, người ta bố trí một van tháo sản phẩm permeate ứng với mỗi tấm
membrane. Như vậy, nhà sản xuất dễ phát hiện kòp thời membrane nào bò hư hỏng
trong quá trình vận hành để thay thế. Tuy nhiên mô hình này cũng chiếm diện tích nhà
xưởng khá lớn
Hình 2.7. Mô hình membrane dạng khung bản
Trang 16
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
2.3.3 Membrane dạng cuộn xoắn (Spiral Wound Module)

Thiết bò gồm hai hình trụ đồng trục nhưng có đường kính khác nhau và được lồng
vào nhau. Chúng được chế tạo bằng thép không rỉ. ng hình trụ đường kính nhỏ được
đục lỗ trên thân và là nơi tập trung các cấu tử của dòng permeate.
Khoảng không gian được giới hạn bởi mặt ngoài thân trụ đường kính nhỏ và mặt
trong thân trụ đường kính lớn là một tấm đệm xốp được cuộn theo hình xoắn ốc. Tấm
đệm này được làm bằng vật liệu polypropylene. Hai bên tấm đệm là hai tấm
membrane với bề mặt hoạt động đều được quay ra hướng ngoài. Dung dòch nguyên
liệu sẽ được bơm vào tại một đầu thân trụ và di chuyển theo thân trụ bởi một kênh
dẫn có tiết diện hình xoắn ốc. Dòng sản phẩm retentate sẽ được tập trung và thoát ra
ở đầu kia của thiết bò hình trụ. Các cấu tử permeate sẽ chui qua mao dẫn của hai
membrane để vào kênh dẫn dành riêng cho chúng. Kênh này cũng có tiết diện hình
xoắn ốc và được liên thông với ống hình trụ đường kính nhỏ. Từ ống hình trụ đường
kính nhỏ, dòng permeate sẽ được tập trung thoát ra khỏi thiết bò.
Loại module này có ưu thế trong các thiết bò thẩm thấu ngược và được sử dụng
khá rộng rãi vì giá thành tương đối rẻ. Người ta có thể chọn chế độ chảy rối hoặc chảy
dòng tuy theo tính chất của nguyên liệu cần phân riêng. Nhưng nếu một phần
membrane bò hỏng thì toàn bộ module phải hủy bỏ. Đây là nhược điểm lớn nhất của
loại membrane này.
Trang 17
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Hình 2.8. Mô hình của membrane dạng cuộn xoắn
2.3.4 Membrane dạng sợi rỗng (Hollow fiber module)
Membrane dạng sợi rỗng có hình dạng tương tự như membrane dạng ống. Thiết bò
membrane được chế tạo bằng thép không rỉ có dạng hình trụ với đường kính thường
dao động trong khoảng 2.5 – 12.7 cm; chiều dài: 18 – 120 cm. Bên trong thiết bò chứa
bó sợi membrane được xếp song song với nhau. Mỗi module chứa từ 50 – 3000 sợi.
Đường kính sợi thay đổi từ 0.2 – 3 mm. Trong quá trình thẩm thấu ngược, đường kính
sợi sử dụng có thể giảm xuống 0.04mm. Thông thường chiều dày membrane từ 100 -
400µm.

Khi hoạt động, dung dòch nguyên liệu được bơm vào bên trong thiết bò và chui vào
trong các sợi membrane. Dòng ra retentate sẽ đi hết theo chiều dài sợi và tập trung
thoát ra ở đầu còn lại của thiết bò. Dòng ra permeate sẽ chui qua các lỗ mao dẫn
membrane, thoát ra ngoài sợi rồi được tập trung về cửa ra nằm trên thân thiết bò.
Riêng hãng Dupont thiết kế một số thiết bò sử dụng trong kỹ thuật thẩm thấu ngược đã
cho dòng nguyên liệu đi vào khoảng không gian trống giữa các sợi membrane. Khi đó,
một số cấu tử sẽ chui qua mao dẫn membrane để vào bên trong sợi và tạo nên dòng
permeate.
Ưu điểm của mô hình sợi là thiết bò ít chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tích
membrnae sử dụng rất lớn, ít tốn năng lượng cho quá trình. Khuyết điểm của loại
module này là trong quá trình vận hành, một số sợi membrane dễ bò tổn thương và
việc thay thế chúng sẽ tốn kém và phức tạp. Hơn nữa, do đường kính sợi membrane
khá nhỏ, những nguyên liệu dạng keo dễ gây tắc nghẽn membrane trong quá trình sử
dụng và phải thay membrane mới nếu một vài sợi của membrane bò hỏng.
Trang 18
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Hình 2.9. Membrane dạng sợi rỗng
Trang 19
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Bảng 2.6: So sánh ưu và nhược điểm của một số dạng membrane
Dạng membrane Ưu điểm Nhược điểm
Dạng ống
(tubular module)
- Đơn
giản, dễ vận hành.
- Phù hợp
với các dung dòch huyền phù
nồng độ cao.

- Thích
hợp cho phòng thí nghiệm.
- Sửa
chữa khó khăn.
- Thể tích
lớn.
- Giá
thành cao.
Dạng khung bản
(plate & frame module)
- Tính
linh động cao.
- Dễ lắp
đặt, sửa chữa.
- Phù hợp
với kỹ thuật MF, NF, RO.
- Thể tích
lớn.
- Giá
thành cao.
Dạng cuộn xoắn
(spiral wound module)
- Giá
thành rẻ.
- Thể tích
nhỏ.
- Tính
linh động không cao.
Dạng sợi rỗng
(hollow fiber module)

- Dễ chế
tạo.
- Thể tích
thiết bò nhỏ.
- Giá
thành rẻ.
- Dễ bò
fouling.
- Khi vài
sợi bò hỏng, phải thay toàn
bộ membrane.
Trang 20
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
2.4 Động học của quá trình membrane
2.4.1 Các mô hình trong kỹ thuật membrane
Trong kỹ thuật membrane, có hai loại mô hình được áp dụng là Dead-end (Dead-
end separation) và Cross-flow (Cross-flow separation).
Hình 2.12. Mô hình dead-end và Cross-flow
 Mô hình Dead-end (Dead-end Separation).
Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane, dung
môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy qua
membrane bởi áp suất. Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗ
mao quản sẽ bò giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane. Theo thời gian các
phần tử đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượng
dòng permeate giảm dần. Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệ
sinh membrane.
Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình này là: kỹ thuật vi lọc với lưu
lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) và vi lọc
với áp suất không đổi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop). Trong kỹ

thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không đổi, người ta phải thay đổi áp lực đảm
bảo lưu lượng dòng permeate ổn đònh trong khi trở lực lọc tăng dần. Ngược lại, trong
kỹ thuật vi lọc với áp suất không đổi, lưu lượng dòng permeate sẽ giảm dần do trở lực
Trang 21
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
lọc tăng dần theo thời gian. Đây là mô hình chỉ sử dụng trong các phòng thí nghiệm
dùng để xử lý các dung dòch có thể tích nhỏ.
Hình 2.13. Mô hình Dead-End (Dead-End Separation)
 Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)
Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặt
membrane. Dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ
đi qua membrane nhờ áp lực của bơm và tạo thành dòng permeate, các phần tử còn lại
không đi được qua membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo thành dòng retentate, đồng
thời dòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt membrane. Vì vậy, mô hình
này ít bò tắc nghẽn hơn so với mô hình Dead-end và có thể hoạt động liên tục trong
thời gian dài.
Hình 2.14. Mô hình Cross-Flow (Cross-Flow Separation)
2.4.2 Động học của quá trình.
Trang 22
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Tốc độ dòng permeate chòu ảnh hưởng bởi độ chênh lệch áp suất hiệu dụng giữa
hai bên bề mặt membrane. Độ chênh lệch áp suất bề mặt được quyết đònh bởi 2 yếu
tố: độ chênh lệch áp suất giữa hai phía của membrane và độ chênh lệch áp suất thẩm
thấu ở hai phía của membrane.
Độ chênh lệch áp suất giữa hai phía của membrane:
Theo P.J.Fellow, áp suất chênh lệch giữa 2 bên màng membrane được xác đònh
như sau:
p

rf
P
PP
p −
+
=
2
Trong đó:
- P: độ chênh lệch áp suất (Pa) qua màng.
- P
f
: áp suất (Pa) của dòng nhập liệu.
- P
r
: áp suất (Pa) của dòng retentate.
- P
p
: áp suất (Pa) của dòng permeate.
p suất thẩm thấu trong một dòng lưu chất được xác đònh như sau:

M
CRT
=Π
Trong đó:
-
Π
: là áp suất thẩm thấu (Pa)
- C: nồng độ của cấu tử (mol/L)
- R: hằng số nhiệt động: 8.314 N.m/mol/
o

K.
- T: nhiệt độ dung dòch (
o
K).
- M: khối lượng phân tử (g/mol). Khi là hỗn hợp của nhiều cấu tử thì M là
khối lượng phân tử trung bình của tất cả các cấu tử trong hỗn hợp.
Khi đó độ chênh lệch áp suất hiệu dụng qua màng được xác đònh:
)(
pr
PP
∏−∏−=∆

Trong đó:
-
Π
r
: là áp suất thẩm thấu phía dòng retentate.
-
Π
p
: áp suất thẩm thấu phía dòng permeate.
Như vậy chúng ta thấy rằng, để dòng lưu chất có thể chuyển động từ phía dòng
retentate sang phía dòng permeate thì cần phải tạo ra một áp lực tối thiểu bằng với độ
chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa 2 phía của membrane.
Trang 23
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Bảng 2.7: Động lực của các quá trình membrane
Stt Quá trình Động lực Sản phẩm
retentate

Sản phẩm
permeate
1 Thẩm thấu
(osmosis)
Thế năng hóa học Nước, chất
tan
Nước, phân tử
nhỏ
2 Vi lọc
(microfiltration)
p lực Nước, cấu tử
lơ lửng
Nước, chất tan
3 Siêu lọc
(ultrafiltration)
p lực Nước, phân tử
lớn
Nước, phân tử
nhỏ
4 Lọc nano
(nanofiltration)
p lực Nước, acid
phân ly, muối
hóa trò II,
phân tử nhỏ
Nước, ion đơn
hóa trò, acid
không phân
ly…
5 Thẩm thấu ngược

(reverse osmosis)
p lực Nước, tất cả
các chất tan
Nước
6 Thẩm tích
(dialysis)
Chênh lệch nồng
độ
Nước, phân tử
lớn
Nước, phân tử
nhỏ
7 Điện thẩm tích
(electrodialysis)
Điện thế – dòng
điện
Nước, chất
tan không ion
hóa
Nước, chất tan
ion hóa
8 Tách cấu tử bay hơi
bằng membrane
(pervaporation)
p lực Nước, phân tử
không bay hơi
Nước, phân tử
nhỏ dễ bay hơi
Để đánh giá hiệu quả của quá trình phân riêng bằng membrane, người ta xác đònh
hai chỉ tiêu sau nay:

- Độ phân riêng (Rejection):
1
P
R
C
R
C
= −
Trong đó: C
p
- nồng độ cấu tử trong dòng permeate
C
R
- nồng độ cấu tử trong dòng rententate
Độ phân riêng R nói lean khả năng phân riêng của membrane đối với một cấu tử
có trong dung dòch nguyên liệu ban đầu. Khi giá trò R của cấu tử khảo sát càng cao thì
khả năng đi qua membrane của cấu tử đó sẽ càng thấp. Giá trò R dao động trong
khoảng [0, 1].
Trang 24
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
+ Khi cấu tử khảo sát không thể đi qua membrane theo dòng permeate, thì
C
p
=0, suy ra R=1.
+ Khi cấu tử khảo sát có thể đi qua được membrane với xác suất cao nhất
thì C
p
=C
R

, suy ra R=0.
- Lưu lượng dòng qua membrane (dòng permeate): trong trường hợp lý tưởng, theo
mô hình Hagen-Poiseuille thì lưu lượng dòng permeate được xác đònh như sau:

2
. .
32 .
p t
d P
J
x
ε
µ
=
∆

Trong đó: J – lưu lượng dòng qua membrane (L/m
2
.h)

ε
- độ xốp bề mặt của membrane (%)

2
.3,14.
4
p
d
N
S

ε
=
D
p
- đường kính mao dẫn (m)

x
∆
- chiều dài mao dẫn (m)

µ
- độ nhớt của mẫu
N - số mao dẫn trong membrane
S - diện tích bề mặt hoạt động của membrane (m
2
)
P
t
- áp lực qua membrane

Hình 2.15. Lưu lượng dòng permeate thay đổi theo thời gian vận hành quá trình
membrane.
Trang 25
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
Bảng 2.8: Trở lực trung bình của membrane (R
m
)
và áp suất chuyển qua màng (TMP)
trong kỹ thuật RO, NF, UF và MF

Quá trình R
m
(m
-1
) TMP (kPa)
RO 10
10
800-8000
NF 10
8
350-1000
UF 10
7
50-700
MF 10
6
30-300
2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình membrane
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân riêng bằng membrane. Chúng được
chia thành ba nhóm có liên quan đến nguyên liệu cần phân riêng, membrane và các
thống số kỹ thuật để thực hiện quá trình phân riêng.
2.5.1 Đặc tính của membrane
Kích thước lỗ mao quản, vật liệu chế tạo, cấu trúc bề mặt membrane, điện tích trên
bề mặt membrane,… là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả
của quá trình phân riêng. Kwak và cộng sự (1997) đã nghiên cứu ảnh hưởng của cấu
trúc membrane RO (bằng vật liệu polyester) đến hiệu quả của quá trình phân riêng.
Họ đã thay thế gốc phenyl của membrane RO bằng gốc methyl và halogen. Kết quả
cho thấy cả hai trường hợp thay thế đó đều có ảnh hưởng đáng kể đến độ phân riêng
và lưu lượng dòng permeate. Khi thay thế gốc phenyl bằng gốc methyl, độ phân riêng
giảm và lưu lượng dòng permeate qua màng tăng. Ngược lại, khi thay thế bằng gốc

halogen thì độ phân riêng tăng, lưu lượng dòng permeate qua màng giảm. Với khảo
sát tương tự, Vrijenhoek và cộng sự (2001) đã giải thích sự ảnh hưởng của vật liệu
màng đến hiệu quả quá trình phân riêng một cách khá thuyết phục. Khi bề mặt của
membrane có hình dạng lồi lõm (“peak and valley”), chính những chỗ lồi lõm này làm
tăng khả năng bám dính của các cấu tử lên membrane, và gây nên tắc nghẽn, cản trở
đòng chảy làm giảm lưu lượng dòng permeate.
Yeom và cộng sự (2002) đã khảo sát sự ảnh hưởng của điện tích trên membrane
đến độ phân riêng. Nghiên cứu cho thấy khi mebrane tích điện mạnh có khả năng tách
muối cao nhờ tương tác tónh điện giữa muối trong nguyên liệu và điện tích trên bề mặt
membrane. Đối với membrane tích điện yếu hoặc không tích điện thì khả năng phân
riêng tùy thuộc vào kích thước của các cấu tử, nên khả năng giữ muối kém hơn. Đặc
Trang 26
Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane GVHD: Châu Trần Diễm
Ái
tính của membrane ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của quá trình phân riêng và còn
phụ thuộc vào tương tác giữa membrane và nguyên liệu.
2.5.2 Đặc tính của nguyên liệu (Feed)
Bên cạnh yếu tố vật liệu chế tạo membrane, đặc tính của dòng nguyên liệu là yếu
tố ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình phân riêng. Yếu tố này không ảnh hưởng đơn lẻ
mà tương tác với vật liệu membrane.
Ivetta Vincze và Gyula Vatai (2004) đã khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ dòng
nguyên liệu đến lưu lượng dòng permeate trong quá trình cô đặc dòch chiết cà phê.
Kết quả cho thấy khi nồng độ dòng nguyên liệu càng tăng, lưu lượng dòng permeate
càng giảm. Xu và cộng sự (1999) đã chứng minh được nồng độ nguyên liệu là yếu tố
ảnh hưởng đáng kể đến độ phân riêng. Họ kết luận rằng khi tăng nồng độ của dòng
nhập liệu thì độ phân riêng giảm và ngược lại.
Lượng vi sinh vật có trong nguyên liệu cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả
của quá trình phân riêng. Đó cũng là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng
fouling
Hình 2.16. Ảnh hưởng của nồng độ nguyên liệu đến lưu lượng dòng permeate

Kết quả của một số nghiên cứu cho thấy pH nguyên liệu có ảnh hượng đáng kể
đến hiệu quả của quá trình phân riêng. Sự ảnh hưởng tùy thuộc vào điện tích của
membrane và không theo một qui luật rõ ràng.
Trang 27