CHƯƠNG 7 CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CHƯƠNG 7

CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC

2011


GiỚI THIỆU CHUNG

CÔNG
LÝ THUYẾT

NGHỆ

MÀNG LỌC

MÀNG

THẦM THẤU
NGƯỢC, SIÊU
LỌC, VI LỌC

LỌC

CÁC LOẠI MÀNG

2

Một số thuật ngữ riêng

Màng lọc - membrane

Thẩm thấu - osmosis

Dịch thấm (nước trong) – permeate (filtrate)

Thẩm thấu ngược (reverse osmosis -RO)

Dịch đặc – retentate (concentrate)

Lọc nano (nanofiltration – NF)

Dung dịch – solution

Siêu lọc (ultrafiltration –UF):

Dòng lưu chất ban đầu – feed

Vi lọc - (microfiltration – MF)

Lọc vuông góc (dead-end filtration)
Lọc tiếp tuyến (crossflow filtration)
Lọc - filtration

3

I. Khái niệm về quá trình lọc màng

Màng lọc – rào chắn ngăn cách giữa các pha, hạn chế sự vận
chuyển qua lại giữa các cơ chất một cách có chọn lọc.

• Cấu trúc đối xứng hoặc không đối xứng
• Mang điện tích âm/dương
• Trung hòa về điện tích

Quá trình vận chuyển vật chất qua
màng:
Do từ điện trường
Do nồng độ
Do áp suất
4


Cơ chế lọc màng-PHƯƠNG PHÁP LỌC TiẾP TUYẾN (CROSSFLOW FILTRATION)

• Dòng chảy theo 2 hướng : vuông góc và tiếp tuyến với bề mặt của màng
• Permeate (filtrate)– dòng thấm (nước trong) = dòng sản phẩm đi qua màng
• Retentate – dòng cô đặc (dịch đặc) = dòng dòng sản phẩm không đi qua màng.

5


Phân loại các quá trình lọc màng



Đặc tính của chất cần tách (kích thước phân tử, đặc tính hóa lý, điện cực của các phân tử…)



Động lực chuyển các chất qua màng



Đặc tính loại màng



Kích thước của các phần tử so với kích thước của lỗ lọc….

Ưu điểm của công nghệ màng lọc



Công nghệ sạch và dễ vận hành



Có thể thay thế được nhiều quá trình hóa lý truyền thống: lọc, chưng cất, trao đổi ion



Tạo ra sản phẩm có chất lượng cao



Thuận lợi cho việc thiết kế những hệ thống có tính linh hoạt cao

6


Ứng dụng của kỹ thuật màng lọc



CNTP:

lọc trong/xử lý nước uống
cô đặc nước trái cây, sữa



CNMT: xử lý nước thải
khử khoáng và làm mềm nước,
khử màu và các chất hữu cơ hòa tan



CNSH: thu hoạch sinh khối
cô đặc/ phân tách tế bào protein



CNHH: tách dầu, trích ly dầu
tách muối
loại kim loại nặng

thu hồi chất xúc tác



Y học: cô đặc chất kháng sinh trong dung môi hữu cơ

7


II. Phân loại màng lọc

Phân loại theo cấu trúc

Cấu trúc đẳng hướng
Cấu trúc bất đẳng hướng

Phân loại theo hình dạng

Màng phẳng
Hình trụ

Phân loại theo bản chất hóa học

Màng hữu cơ (polymer)
Màng vô cơ (ceramic)

8


Đặc tính của một số loại màng lọc

Màng hữu cơ

Cellulose acetate (CA)

• Tmax (oC) ≤35÷40
• pH = 3÷8
• ưa nước,
• đường kính lỗ lọc có thể dao động một
khoảng rất lớn

• giá thành thấp
• kém bền với các chất tẩy rửa công
nghiệp như chlorine,

Polyamide

• Tmax (oC) ≤ 50
• pH= 3÷11
• kém bền hơn với chlorine
• dòng permeate dễ bị tắc nghẽn

Màng vô cơ

Polysulfone

Ceramic

• Tmax (oC) ≤ 75
• pH =1÷13
• bền với chlorine

• Tmax (oC) ≤ 350
• pH= 0,5÷13
• trơ với các hóa chất như acid,

chịu áp lực kém

kiềm, chlorine

• kỵ nước

• khá dễ vơ
• giá thành cao,
• đường kính lỗ mao dẫn lớn (d>
10

-2

µm)

• dễ bị phân hủy sinh học

9


Đại lượng đặc trưng của màng lọc



Đường kính lỗ mao dẫn



Mật độ mao dẫn: tỷ lệ phần trăm giữa tổng diện tích mặt cắt các ống mao dẫn trên toàn bộ diện tích bề mặt màng



Độ xốp: tỷ lệ phần trăm giữa tổng thể tích các ống mao dẫn và thể tích màng



Khả năng chịu nhiệt



Khả năng chịu dung môi



Độ bền sinh học



Độ vô trùng



Độ dày



Độ tro: hàm lượng tro tính theo phần trăm so với tổng khối lượng chất khô trong màng



Tính ưa nước/ kỵ nước



Độ chiết: tỷ lệ phần trăm giữa hàm lượng chất chiết được so với tổng lượng chất khô trong màng. Độ chiết thể hiện mức độ tinh sạch của màng.



Khả năng phân riêng



Tốc độ qua màng của dòng permeate

10


YẾU TỐ Ảnh hưởng đến năng suất lọc



Dòng lưu chất ban đầu: nồng độ, thành phần, kích thước phân tử, điện cực các phân tử, độ nhớt, pH



Đặc tính, cấu tạo của màng lọc: ưa nước, kỵ nước….



Tương tác ions, điện cực giữa lưu chất ban đầu và màng lọc



Điều kiện vật lý, động lực học của quá trình: áp suất qua màng, vận tốc lọc, nhiệt độ



Yêu cầu chất lượng của dịch sau khi lọc (permeate)

11


MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO QUÁ TRÌNH LỌC
1.Vận tốc tiếp tuyến Uc (m/s):
Uc = Q/ S
Q – lưu lượng dịch đặc (retentate) (l/h)
2
S – diện tích màng lọc (m )
2. Hằng số Reynolds (Re)
Re = Uc*p*d/ µ*T
µ - độ nhớt của lưu chất ban đầu(Pa.s)
3
p- khối lượng riêng của lưu chất ban đầu (kg/m )
d – đường kính trong của màng (m)
3. Định luật Darcy tại thời điểm t

Jo = Ptm/ µ*Rm = Lp * Ptm
Rm= 32*X/e*d

2

-1 -2
-1
-1
-6 -1 -2
Jo – dòng thấm (l.h .m ) hoặc m.s (1m .s =3,6.10 l.h .m )
Ptm – áp suất qua màng (bar hoặc atm)
-1
Rm – trở kháng nội tại của màng (m )
Lp – tính thấm nước của màng
X – bề dày của màng (m)
d – đường kính lỗ lọc (m)
e – độ rỗng của màng (m)

12


III. Các phương pháp lọc màng

13


• Giá thành loại màng RO>
NF>UF>MF

14

Quá trình
Vi lọc Microfiltration (MF)

Cấu trúc màng lọc

Loại màng

Vi xốp đối xứng

Cellulose nitrate

or acetate, polyvinylidene

(symmetric microporous)

difluoride (PVDF), polyamides, polysulfone,
polytetrafluoroethylene (PTFE)

Siêu lọc Ultrafiltration (UF)

Vi xốp không đối xứng

Polysulfone, polypropylene, PTFE, polyvinyl

(Asymmetric microporous)

chloride (PVC)

Lọc nano Nanofiltration(NF)

Thin-film membrane

Cellulose acetate, aromatic polyamide

Thẩm thấu ngược

Asymmetic skin-type

Cellulose acetate, aromatic polyamide

Reverse osmosis (RO)

15


1.Vi lọc (microfiltration – MF)

•Tách lọc những

phần tử có kích thước, phân tử khối khá lớn so với các quá trình màng khác như: các vi khuẩn, vi sinh vật, các chất lơ

lửng khá nhỏ, các phân tử có phân tử lượng lớn, các hạt sơn trong công nghệ sơn phun…..kích thước của các phần tử này d = 0,1 ÷10 µm

2.siêu lọc (ultrafiltration – uF)




Sử dụng màng hoặc để phân tách dòng chất lỏng hoặc để loại các phân tử hòa tan có trong dòng.
Loại trừ vi khuẩn, một vài loại protein, thuốc nhuộm và các cơ chất có phân tử lượng lớn hơn 10.000dalton, và các hạt có kích từ 101000Å.




Hiệu quả UF phụ thuộc vào khối lượng của phần tử muốn tách và kích thước của chúng
UF rất hữu hiệu trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ.

16


3.LỌC NANO (NANOFILTRATION –NF)




Sử dụng màng để tách dòng chất lỏng hoặc các phân tử chất có trong dòng.
Có khả năng giữ các phân tử đường, muối kim loại hóa trị II, vi khuẩn, proteins, các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ ,các
phần tử hòa tan có khối lượng phân tử lớn hơn 1000daltons.



Hiệu quả của NF chịu ảnh hưởng bởi điện tích phân tử, các hạt có điện tích càng lớn thì càng dễ bị giữ lại.

4.Thẩm thấu ngược (reverse osmosis -RO)

•

Loại bỏ các loại ion ,vi sinh vật, khoáng chất, đường, protein, thuốc nhuộm, đặc biệt là các muối vô cơ (phân tử lượng 150-250

daltons, kích thước 1-10Å)

•
•
•

Sản xuất nước tinh khiết đóng chai
Tái sử dụng (lọc lại) nước tiểu của các nhà du hành vũ trụ thành nước uống trên các trạm vũ trụ
Lọc nước biển thành nước ngọt

17


CƠ CHẾ CỦA Thẩm thấu ngược (reverse osmosis -RO):

a.Thẩm thấu (osmosis):

b.Thẩm thấu ngược (reverse osmosis):

18


19


Gián
đoạn
QUÁ TRÌNH
PHÂN RIÊNG
BẰNG

MEMBRANE

Liên
tục


QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG GIÁN ĐOẠN

a.

Mô hình hồi lưu toàn phần retentate

1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- thiết bị lọc
4- thiết bị membrane
5- van điều chỉnh
6- thiết bị trao đổi nhiệt


QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG GIÁN ĐOẠN

b.

Mô hình hồi lưu một phần retentate

1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- bơm hồi lưu
4- thiết bị membrane

QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC

a.

Mô hình đơn giản

1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- thiết bị membrane


QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC

b.

retentate

Mô hình hồi lưu một phần retentate

1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- bơm hồi lưu
4- thiết bị membrane


QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC

c.

Mô hình nhiều giai đoạn

1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- bơm hồi lưu
4- thiết bị membrane
5- van điều chỉnh