Đồ án Ứng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các hợp chất từ thực vật

Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

ỨNG DỤNG KĨ THUẬT MEMBRANE TRONG TRÍCH LY CÁC HP CHẤT TỪ
THỰC VẬT
MỤC LỤC
Danh mục hình và bảng.................................................................................................1
1: Mở đầu......................................................................................................................3
2: Tổng quan.................................................................................................................4
2.1. Khái niệm về membrane và phân loại................................................................4
2.1.1. Khái niệm...................................................................................................4
2.1.2. Phân loại membrane...................................................................................4
2.1.3. Vật liệu membrane.....................................................................................7
2.2. Các kó thuật membrane......................................................................................11
2.2.1. Kó thuật vi lọc (microfiltration).................................................................11
2.2.2. Kó thuật siêu lọc (Ultrafiltration)..............................................................12
2.2.3. Kó thuật lọc nano (Nanofiltration).............................................................12
2.2.4. Kó thuật lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis)....................................12
2.3. Các dạng thiết bò:...............................................................................................13
2.3.1. Membrane dạng ống (Tubular module)....................................................13
2.3.2. Membrane dạng khung bản (Plate and Frame module)............................15
2.3.3. Membrane dạng cuộn xoắn (Spiral wound module).................................15
2.3.4. Membrane dạng sợi rỗng (Hollow fibre module).....................................17
2.4. Động học quá trình truyền khối membrane........................................................20
2.4.1. Mô hình phân riêng bằng membrane........................................................20
2.4.2. Động học của quá trình membrane...........................................................21
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình membrane................................................25
2.5.1. Đặc tính của membrane............................................................................25
2.5.2. Đặc tính của nguyên liệu..........................................................................26
2.5.3. Các thông số kó thuật của quá trình..........................................................28
2.6. Hiện tượng Fouling.............................................................................................31
2.7.1. Đònh nghóa................................................................................................32

2.7.2. Nguyên nhân gây ra fouling ....................................................................32
2.7. Ưu điểm và nhược điểm của kó thuật membrane...............................................37
3: Ứng dụng kó thuật membrane trong trích ly các hợp chất từ thực vật: ....................38
3.1. ng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly protein từ thực vật....................38
3.1.1. Nguyên liệu: Bột đậu nành tách béo........................................................39
3.1.2. Quy trình sản xuất soy protein..................................................................41
3.1.3. Phương pháp trích ly protein bằng membrane..........................................41
3.1.4. Các hệ thống cô đặc màng.......................................................................43
3.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng......................................................45
Trang 3


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

3.1.5.1. Khả năng phân riêng của membrane vào phân tử lượng.......................45
3.1.5.2. Bản chất nguyên liệu.............................................................................46
3.1.6. Sản phẩm của quá trình cô đăc dung dòch protein bằng siêu lọc.............48
3.2. Ứng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các hợp chất chống oxi hóa
từ thực vật....................................................................................................................50
3.2.1. Kỹ thuật trích ly các hợp chất chống oxi hóa từ thực vật.......................51
3.2.2. ng dụng membrane trong trích ly các hợp chất chống oxi hóa từ nho. . .52
3.2.3. ng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các hợp chất chống oxi hóa từ
olive mill wastewater ..................................................................................................53
3.2.4. ng dụng membrane trong làm sạch và thu hồi phenolic từ táo..............54
3.3. ng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly lipit từ thực vật.........................54
4. Kết luận...................................................................................................................56
Tài liệu tham khảo.

Trang 4

Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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 5


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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 6


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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 7


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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 8


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

Bảng 2.2: Tính chất và ứng dụng của một số loại membrane vi xốp
Kích thước lỗ
mao quản (m)
0,1 - 20
0,5 – 10
0,5 - 10
0,02 - 10
0,01 - 5

Vật liệu

Ceramic, kim loại
Polyethylene (PE)
Polytetrafluoroethylene (PTFE)
Polycarbonate (PC)
Cellulose nitrate (CN), Cellulose
acetate(CA)

Ứng dụng
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 9


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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.

( − CH 2 − CF2 − ) n

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
Trang 10


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

kim của paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim,... Loại membrane 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
3 < pH <8

Composite
P

CA
P

PSO
P

PVDF
P

SiO2
P

Cellulose
P

pH < 3 hoặc pH > 8

P

x

P

P

P

P

Nhiệt độ > 35 oC

P

x

P

P

P

P

Protein

P

(P)

P

(P)

P

P

(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

Polysaccharide

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 11

Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

Bảng 2.4: Các vật liệu sử dụng để chế tạo membrane
Vật liệu
Nhôm
Carbon-carbon composites
Cellulose ester
Cellulose nitrate
Polyamide, aliphatic (nylon)
Polycarbonate
Polyester
Polypropylene
Polytetrafluoroethylene (PTFE)
Polyvinyl cloride (PVC)
Polyvinylidene flouride (PVDF)
Cellulose
Ceramic composites
Polyacrylonitrile (PAN)
Polyvinyl alcohol (PVA)
Polysulfone (PS)
Polyethersulfone (PES)
Cellulose acetate (CA)
Cellulose triacetate (CTA)
Polyamide, aromatic (PA)
Polyimide (PI)
Hỗn hợp CA/CTA
Composites, polymeric thin film (PA hay
polyetherurea trên polysulfone)
Polyetherimide (PEI)

MF
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X

UF

X
X
X
X
X
X

X
X
X

RO

X
X
X
X
X
X
X
X

(Nguồn: Munir Cheryan, Ph.D. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook,
Technomic publishing co., inc.)
Trang 12


Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane

Trang 13


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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 µ m mao dẫn 0,01-2 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 14


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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)

Bảng 2.5: Đặc tính của các quá trình membrane
So sánh 4 quá trình membrane
Nanofiltration
Ultrafiltration

Membrane

Reverse
Osmosis
Bất đối xứng

Bất đối xứng
Trang 15

Bất đối xứng

Microfiltratio
n
Bất đối xứng
Đối xứng


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

Bề dày

Lớp film
Kích thước lỗ
Vật liệu

150µm
1µm
< 0.002µm
CA
Lớp mỏng

150µm
1µm
< 0.002µm
CA
Lớp mỏng

Khả năng
tách

HMWC,
LMWC
NaCl, glucose,
Aminoacids

HMWC
Mono-,di và
oligosaccharide
Ion đa hóa trò

Mô hình

Dạng ống
Dạng cuộn
xoắn
Dạng tấm bản

Dạng ống
Dạng cuộn
xoắn
Dạng tấm bản

150-250µm
1µm
0.2 - 0.02µm
Ceramic
PSO, PVDF,
CA
Lớp mỏng
Chất có phân tử
lượng lớn,
protein,
polysaccharide,
virus
Dạng ống
Dạng cuộn
xoắn
Dạng tấm bản
Dạng sợi rỗng

10-150µm

4 – 0.02µm
Ceramic
PP, PSO,
PVDF
Phân tử lớn,
các hạt rắn,
vi khuẩn

Dạng ống
Dạng sợi rỗng

p suất quá
15 – 150 Bar
5 – 35 Bar
1- 10 Bar
< 2 Bar
trình
(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.
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.
Trang 16


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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.

Hình
2.6. Mô

hình
membrane
dạng ống
2.3.2 M
embrane
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 0.1-100m2.
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
Trang 17


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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
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.
Trang 18


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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.

Hình 2.8. Mô hình
của membrane dạng
cuộn xoắn
2.3.4
Membrane
dạng sợi rỗng
(Hollow fiber
module)
Trang 19


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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.

Hình 2.9. Membrane dạng
sợi rỗng

Trang 20


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

Bảng 2.6: So sánh ưu và nhược điểm của một số dạng membrane
Dạng membrane
Dạng ống
(tubular module)

Dạng khung bản
(plate & frame module)

Dạng cuộn xoắn
(spiral wound module)
Dạng sợi rỗng
(hollow fiber module)

Ưu điểm
Đơn giản, dễ vận

hành.
- Phù hợp với các dung
dòch huyền phù nồng độ
cao.
- Thích hợp cho phòng
thí nghiệm.
- Tính linh động cao.
- Dễ lắp đặt, sửa chữa.
- Phù hợp với kỹ thuật
MF, NF, RO.
- Giá thành rẻ.
- Thể tích nhỏ.
cao.
-

Dễ chế tạo.
Thể tích thiết bò nhỏ.
Giá thành rẻ.

Trang 21

Nhược điểm
Sửa chữa khó khăn.
Thể tích lớn.
Giá thành cao.

Thể tích lớn.
Giá thành cao.

Tính linh động không

- Dễ bò fouling.
- Khi vài sợi bò hỏng,
phải thay toàn bộ
membrane.


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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 (Deadend separation) và Cross-flow (Cross-flow separation).
Hình 2.12.
Mô hình
dead-end và
Cross-flow
 Mô
hình Deadend (Deadend
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
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.

Trang 22


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

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)
Trang 23


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

2.4.2 Động học của quá trình.
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=

Pf + Pr
2

− Pp

Trong đó:

- P: độ chênh lệch áp suất (Pa) qua màng.
- Pf: áp suất (Pa) của dòng nhập liệu.
- Pr: áp suất (Pa) của dòng retentate.
- Pp: áp suất (Pa) của dòng permeate.
p suất thẩm thấu trong một dòng lưu chất được xác đònh như sau:
CRT
M
Π

Π=

Trong đó:

- : là áp suất thẩm thấu (Pa)
- C: nồng độ của cấu tử (mol/L)
- R: hằng số nhiệt động: 8.314 N.m/mol/oK.
- T: nhiệt độ dung dòch (oK).
- 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:
∆P = P − (∏ r − ∏ p )

Trong đó:

- r: là áp suất thẩm thấu phía Π dòng retentate.
- p: áp suất thẩm thấu phía Π 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 24


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

Bảng 2.7: Động lực của các quá trình membrane
Stt

Quá trình

Động lực

1

Thẩm thấu
(osmosis)
Vi lọc
(microfiltration)
Siêu lọc
(ultrafiltration)
Lọc nano
(nanofiltration)

Thế năng hóa học

Thẩm thấu ngược
(reverse osmosis)
Thẩm tích
(dialysis)
Điện thẩm tích
(electrodialysis)

p lực

2
3
4

5
6
7

p lực
p lực
p lực

Chênh lệch nồng
độ
Điện thế – dòng
điện

8

Sản phẩm
Sản phẩm
retentate
permeate
Nước, chất
Nước, phân tử
tan
nhỏ
Nước, cấu tử Nước, chất tan
lơ lửng
Nước, phân tử Nước, phân tử
lớn
nhỏ
Nước, acid
Nước, ion đơn
phân ly, muối
hóa trò, acid
hóa trò II,
không phân

phân tử nhỏ
ly…
Nước, tất cả
Nước
các chất tan
Nước, phân tử Nước, phân tử
lớn
nhỏ
Nước, chất
Nước, chất tan
tan không ion
ion hóa
hóa
Nước, phân tử Nước, phân tử
không bay hơi nhỏ dễ bay hơi

Tách cấu tử bay hơi
p lực
bằng membrane
(pervaporation)
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):
R = 1−

CP
CR

Trong đó: Cp -nồng độ cấu tử trong dòng permeate
CR - 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].
+ Khi cấu tử khảo sát không thể đi qua membrane theo dòng permeate, thì
Cp=0, suy ra R=1.
+ Khi cấu tử khảo sát có thể đi qua được membrane với xác suất cao nhất
thì Cp=CR, suy ra R=0.
Trang 25


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

- 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:
ε .d p2 .Pt
J=
32∆x.µ Trong đó: J – lưu lượng dòng qua
membrane (L/m2.h)
- độ xốp bề mặt của membrane ε (%)
ε=

N .3,14.

d p2

S
∆x
µ

4

Dp - đường kính mao dẫn
(m)

- chiều dài mao dẫn (m)
- độ nhớt của mẫu
N - số mao dẫn trong membrane
S - diện tích bề mặt hoạt động của membrane (m2)
Pt - áp lực qua membrane

Hình 2.15. Lưu lượng dòng permeate thay đổi theo thời gian vận hành quá trình
membrane.

Bảng 2.8: Trở lực trung bình của membrane (Rm)
Trang 26


Tổng quan về ứng dụng kỹ thuật membrane

và áp suất chuyển qua màng (TMP)
trong kỹ thuật RO, NF, UF và MF
Quá trình
RO
NF
UF
MF

Rm (m-1)
1010

108
107
106

TMP (kPa)
800-8000
350-1000
50-700
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
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)
Trang 27