Công nghệ màng và quá trình vi lọc microfiltration

MỞ ĐẦU
Hiện nay, khi các ngành công nghiệp không ngừng tăng trưởng và phát triển, kỹ thuật
phân riêng bằng membrane đã trở thành một trong những 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, xử lý nước thải công nghiệp độc hại, thu hồi các cấu tử quý .
Các hợp chất từ thực vật như protein, lipit, hợp chất chống oxi hóa,... có vai trò quan
trọng trong ngành công nghệ cũng như phục vụ nhu cầu sống thiết yếu 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 thông là không sử dụng hóa chất và xử lí nhiệt nên các sản phẩm ít bị biến chất. Các
ứng dụng của membrane giờ đây không còn bị bó hẹp trong việc phân riêng các cấu tử hóa
học ở quy mô phòng thí nghiệm mà còn 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 thông.
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 bị, nước ta còn hạn chế
trong công nghệ cũng như trình độ kỹ thuật, do đó lĩnh vực này chưa được phát triển tại Việt
Nam.

1


PHẦN 1 : QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH MÀNG
1.1.Khái quát về công nghệ membrane.
Thuật ngữ “membrane” (màng) 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, định nghĩa membrane như sau được đa số nhà nghiên cứu đồng ý như sau :

Membrane là loại màng đặc biệt được làm từ vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có khả năng
thấm (cho đi qua) một cách chọn lọc một câu tử có nào đó trong hỗn hợp hoặc dung dịch, 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 trị một.
Quá trình vận chuyển vật chất qua màng có thể do chênh lệch áp suất, nồng độ, do điện
trường.
1.2. Lịch sử công nghệ membrane
1748
1807
1854
1854
1877
1907

J. Abbe Nollet
Reuss
Graham
Fick
Pfeffer
Bechold

1920
1957
1958
1962

Zsigmondy
Hassler
Sidney Loeb và S.Sourirajan
S.Loeb và S.Sourirajan

Phát hiện ra hiện tượng thẩm thấu
Theo dõi quá trình/hiện tượng thẩm thấu
Sự phân tách thành phần trong máy thẩm tách
Hình thành định luật khuếch tán
Áp suất thẩm thấu của dung dịch đường
Giới thiệu khái niệm về siêu lọc
Màng Xenlulo Nitrat đầu tiên
Phát triển phương pháp chế tạo màng
Đề cập đến quá trình tách muối từ nước biển
Nghiên cứu chế tạo thành công màng polyme
Phát minh ra màng bất đối xứng
Màng thẩm thấu ngược tích hợp đầu tiên

1.3. Phân loại quá trình màng
1.3.1.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.

2


1.3.2. 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 lại chia ra làm hai loại sau:

+ Đối xứng: Cấu trúc của loại membrane này có vô sô" 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 định trong suốt chiều dày của membrane, các mao quản này song song với nhau.
Membrane vi xốp chế tạo bằng một sô kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha,... từ nhiều
loại vật liệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại hoặc các loại polymer.

+ Bất đối xứng : Loại này có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dày của
membrane, thường có 2 lớp: lớp trên dày 0,1 - 0,5 µm, đường kính mao quản nhỏ và lớp này
quyết định 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 sử dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm thấu
ngược, tinh sạch khí,...

3


Tính chất và ứng dụng một số loại membrane vi xốp

Vật liệu
Ceramic, kim loại
Polyethylene (PE)
Polytetrafluoroethylene (PTFE)

Polycarbonate (PC)
Cellulose nitrate (CN), Cellulose
acetate(CA)

Kích thước lỗ mao quản
(µm)
0,1 - 20
0,5 - 10
0,5 - 10
0,02 - 10
0,01 - 5

Ứng dụng
Vi lọc
Vi lọc
Vi lọc
Vi lọc
Vi lọc, Siêu
lọc

- Membrane đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane)
Membrane dạng lỏng là một lớp chât lỏng rất mỏng. Khó khăn nhất đối với loại
membrane này là duy trì lớp màng ổn định về mặt câu trúc cũng như đặc tính của nó. Để
tránh sự phá vỡ câu 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 câu 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 dâu (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 dâu với
membrane hơn là do kích thước lỗ mao quản. Sự phân riêng này bị ảnh hưởng bởi điện tích
và nồng độ của những ion trong dung dịch. Membrane trao đổi ion thường được dùng trong
kỹ thuật điện thẩm tích.
1.3.3. Theo động lực quá trình chuyển chất qua màng và cơ chế : Ta có thể chia thành một số
quá trình sau:
a. Quá trình vi lọc (MF):
- Động lực: chênh lệch áp suất (chênh lệch thế hoá).
- Cơ chế: tách vật lý thuần tuý theo cơ chế sàng.
4


- Trạng thái pha: L-L.
- Khả năng tách: tách những phân tử có kích thước, phân tử khối lớn khá lớn so với các
quá trình lọc thông thường khác như: vi khuẩn,vi sinh vât,các chất lơ lửng…kích thươc phân
tử tới 0,1µm.
b. Quá trình thấm siêu lọc (UF):
- Động lực: chênh lệch áp suất (chênh lệch thế hoá).
- Cơ chế: tách vật lý thuần tuý theo cơ chế sàng.
- Trạng thái pha: L-L.
- Khả năng tách: các hạt có kích thước tới 0.01µm, tách được virut,vi khuẩn, hiệu quả
trong việc tách hợp chất hưu cơ…
c. Quá trình lọc nano (NF):
- Động lực: chênh lệch áp suất (chênh lệch thế hoá).

- Cơ chế: Nằm giữa 2 cơ chế: sàng và khuếch tán –hoà tan nên cơ chế rất phức tạp.
- Trạng thái pha: L-L
- Khả năng tách: khả năng giữ các phân tử đường, muối kim loại hoá trị 2, vi khuẩn,
các hợp chất hữu cơ khác…
- Hiệu quả của quá trình chịu ảnh hưởng của điện tích phân tử,các hạt có điện tích càng
lớn thì càng dễ bị giữ lại.
d. Quá trình thẩm thấu ngược (RO):
- Động lực: Chênh lệch áp suất.
- Cơ chế: hoà tan-khuếch tán.
- Khả năng tách: Loại bỏ được các ion đơn hoá trị, các vi sinh vật, khoáng chất,đường
protein, đặc biệt là các muối vô cơ (phân tử lượng từ 50-250 Dalton), kích thước phân tử 110 Ao.
- Ứng dụng: làm ngọt nước biển…
e. Quá trình thấm bốc (PV):
- Động lực:chênh lệch áp suất riêng phần.
- Cơ chế phân tách: hoà tan-khuếch tán.
- Trạng thái tập hợp: L-K.
- Ứng dụng: Trong chưng cất nhiều với sử dụng màng bán thấm chỉ cho hơi đi qua…
5


1.4. Vật liệu chế tạo màng
1.4.1.Vật liệu hữu cơ (polymer)
- Các tiêu chí để lựa chọn màng polyme
Tiêu chuẩn cấu trúc vĩ mô:
-

Độ bền nhiệt
Độ bền hóa
Độ bền cơ

Tiêu chuẩn cấu trúc vi mô:
-

Độ thấm qua đối với một chất nào đó.

a. Cellulose acetate (CA)

Là vật liệu được sử dụng chế tạo và ứng dụng đầu tiên trong các kĩ thuật thẩm thấu
ngược, lọc nano và siêu lọc.
- Ưu điểm : giá thành rẻ ,háo nước , ít bị tắc nghẽn
- Nhược điểm: kém bền với nhiệt , ph và có thể bị phá hủy bới vi sinh vật.
b. Polyvinylidenedifluoride (PVDF)
(-CH2-CF2-)
Là vật liệu màng truyền thống. Tuy nhiên kĩ thuật chế tạo rất khó khăn và các tính chất
cấu trúc của nó kém ổn định nên ít được sử dụng.
c. Polysulfone

Là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong siêu lọc và vi lọc, có ưu điểm là có khả năng
chịu được ph và nhiệt độ cao. Loại vật liệu này được sử dụng rất nhiều trong nhà máy thực
phẩm, nhà máy chế biến sữa. Về nguyên tắc, nó là vật liệu háo nước, không sử dụng để xử lí
các chất dầu mỡ hay chất ưa béo. Tuy nhiên có thể sử dụng để xử lí các chất nhũ tương rất
tốt.

6


d. Polysulfone (PSU) và Polyethersulfone (PES):

Màng được chế tạo bằng phương pháp đảo pha. Vật liệu polymer được dùng rộng rãi
nhất để chế tạo màng siêu lọc là Polysulfone (PSU) hoặc Polyethersulfone (PES). Màng PSU

được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1960 để thay thế cho màng cellulose. Kể từ đó,
đã có nhiều mẫu được chế tạo và trình bày trong các tài liệu của màng PSU, nhiều trường hợp
sử dụng PSU Udel-3500 có khối lượng phân tử lớn đã được thương mại hóa bởi Solvay. Một
ưu điểm khi so sánh PSU với cellulose acetate là khả năng làm việc ở môi trường có pH khắc
nghiệt, cũng như là khả năng bền nhiệt của nó. PSU có nhiệt độ biến dạng vào khoảng 195oC
và PES còn cao hơn, 230oC. Cả PSU và PES đều bị hòa tan trong dung dịch Chloroform và
Dimethylformamide, và dễ dàng chế tạo được bằng phương pháp đảo pha. Khả năng tan dễ
dàng của PSU cũng chính là điểm yếu, bỏ đi khả năng ứng dụng của Polysulfone – chất hỗ
trợ trong quá trình (solvent – base feed solution). Đó cũng chính là vấn đề khi phủ PSU bằng
polymer, vì nó chỉ tan trong dung dịch hữu cơ. Một điểm yếu nữa của PSU và PES là tính kỵ
nước, nó sẽ ngăn thấm ướt với dung dịch chứa nước. Do đó, màng phải tránh bị khô hoàn
toàn, hoặc phải được xử lý bằng một chất kỵ nước, glycerin… Một vấn đề quan trọng khác
của các vật liệu kỵ nước là chúng có khả năng hấp phụ không thực sự cao. Hiện tượng này
được gọi là tắc nghẽn, sẽ làm giảm tính thấm của màng rất nhanh.
e. Poly (vinylidene flouride) – (PVDF):
PVDF là polymer khá thú vị trong chế tạo màng UF vì tính chịu hóa chất của nó.
PVDF chịu được hầu hết acid vô cơ và hữu cơ, và có hoạt động được trong khoảng pH rộng.
Nó cũng bên với các hydrocacbon thơm, rượu, tetrahydrofurane và dung môi halogen. Ngoài
ra, nó còn chịu được sự oxy hóa tự nhiên, ngay cả với Ozone trong khử trùng nước. PVDF là
một chất bán kết tinh, với nhiệt độ chuyển hóa tinh thể cực thấp là -40oC, khá dẻo và phù hợp
khi ứng dụng cho màng hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -50oC đến 140oC. Ngay cả khi
bền với hầu hết dung môi hữu cơ, PVDF vẫn bị hòa tan trong dimethyl formamide, dimethyl
actetamide (DMAc), N-methyl pyrrolidone (NMP), và dimethyl sulfoxide, như vậy chúng ta
hoàn toàn có thể chế tạo được màng từ PVDF bằng phương pháp đảo pha. Trong những bằng
sáng chế trước của màng PVDF, hỗn hợp bao gồm 20% PVDF trong DMAc được tạo hình và
ngâm trong dung dịch methanol. Sau đó dùng dung dịch tạo hình trong DMAc, bao gồm 17%
isopropanol và dùng bể ngâm dung dịch chưa 40% nước, 50% DMAc và 7% isopropanol.
Màng này cũng được chế tạo từ hỗn hợp trong NMP, có chứ lithium chloride và ngâm trong
7

bể chứa methanol… Giống như PSU, PVDF cũng kỵ nước và có rất nhiều phương án đưa ra
nhằm tăng tính thấm ướt cho màng này. Một mẫu thử xử lý bằng hóa chất đã được áp dụng là
dùng một hỗn hợp kiềm mạnh trong tác nhân oxi hóa hoặc là trùng hợp với acrylic acid.
Bề mặt màng luôn được phủ polyacrylamide, poly (acrylic acid), poly (vinyl alcohol)
và dẫn xuất cellulose. Cách khác để tăng tính chất của màng là trộn các loại polymer với
nhau. Trộn PVDF/PVP, PVDF/poly (ethylene glycol) PEG, PVDF/Polystyrene sulfonat,
PVDF/Poly (vinyl acetate) và PVDF/poly (methyl methacrylate) đã được dùng trong chế tạo
các loại màng xốp.

8


f. Poyetherimide (PEI):

PEI là một loại polymer được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ cao hơn PVDF và
có độ bền rất cao. Độ bền hóa cũng cao hơn polymer cellulose, nhưng thấp hơn PVDF. PEI
không dùng với chloroform và dichloromethane. Nó cũng sẽ bị ăn mòn bởi tetrahydrofurane.
Độ bền trong môi trường pH lớn thấp hơn PVDF, PSU và PAN. Quy trình chế tạo màng từ
PEI xử dụng một lượng lớn các cấu trúc xốp bất đối xứng, các cấu trúc này có thể điều khiển
được nhờ vào thay đổi thành phần hỗn hợp. Loại polymer hiện dùng thường là Ultem® 1000,
được chế tạo bởi General Electric (GE). Màng bất đối xứng được xử dụng nhiều trong công
nghệ tách khí, đặc biệt là trong quy trình thu hồi khí Helium. Ngoài ra lớp PEI hỗ trợ bất đối
xứng còn được dùng trong siêu lọc để làm nền cho màng composite. Có độ xốp cao hơn và
kích thước lỗ trung bình nhỏ hơn so với các loại màng PVDF. Cách thức chế tạo các sợi rỗng
từ dung dịch PEI trong hỗn hợp NMP và GBL hoặc DMAc và GBL được mô tả bởi Kneifel
và Peinemann.

9

Màng Polyetherimide: a) Mặt cắt ngang. b) Bề mặt màng.

10


g. Poly (acrylo nitrile) – PAN:

PAN đã được dùng trong chế tạo màng siêu lọc một thời gian khá dài, vì khả năng chịu
sự thủy phân và chịu sự oxi hóa. PAN ở dạng tinh thể và khá ưa nước, và thường đồng trùng
hợp với các monomer ưa nước, giúp nó bớt giòn hơn và dễ ra công. Sợi rỗng chế tạo từ PAN
bị hòa tan trong dung dịch acid nitric. Chế tạo được màng từ PAN bằng phương pháp đảo pha
từ dung dịch DMAc, DMF, hoặc NMP.
GE Osmonics đã thương mại hóa màng vi lọc ưa nước PAN, được phát triển và sáng
chế bởi Membrex, Inc. Dùng trong thiết bị tách có đĩa quay. Màng có ký hiệu M, của
UltraFilic có độ thấm nước cực cao, với góc tiếp xúc với nước bằng 4, thấp hơn nhiều so với
các loại màng PAN chưa cải tiến là 46. Điều đó cho phép nước đi qua màng vô cùng dễ dàng,
trong khi dầu, mỡ và các chất béo bị tách ra. Đây là điểm tuyệt vời của màng siêu lọc trong
tách nước khỏi dầu mỏ. Khi cần làm sạch màng, chỉ cần xả nước nóng vào là đủ, trong khi
với hầu hết các loại màng thông thường, quy trình phức tạp hơn nhiều.

11


Màng Polyacrylo nitrile: a) Mặt cắt ngang. b) Bề mặt màng
h. Cellulose:

Màng Cellulose dùng khi yêu cầu màng có khả năng tắc nghẽn tương đối thấp.
Cellulose có cấu trúc khá đều đặn, và có thể hình thành liên kết hydro với các phân tử mạnh
giữa nhiều nhóm hydroxy. Vậy nên, cellulose không tan trong hầu hết các dung môi. Cách

duy nhất là pha loãng dung dịch trong DMAc hoặc NMP với một ít lithium chlorine. Màng
cellulose được chế tạo bằng các phương pháp về cơ bản là kết tủa từ một dung dịch biến đổi
hóa học có thành phần cellulose (xơ bông, v..v..) Cho đến 3 năm gần đây, 3 phương pháp đều
dựa trên Cellophane, Cuprophane và cuenophane. Màng Cellophane được chế tạo bằng quy
trình visco. Trong đó, cellulose được tái tạo lại từ dung dịch cellulose xanthate. Màng
Cuprophane được chế tạo tương tự, tái tạo cellulose từ phức đồng tạo bởi phản ứng với đồng
sulfate amoniac. Để có được màng Cuenophane, cellulose được tái sinh sau khi hòa tan nó
trong cupriethylen diamine. Để tái sinh cellulose từ dung dịch, ta cần đông tụ nó trong dung
dịch kiềm mạnh. Ngày nay, phần lớn màng cellulose được chế tạo bằng cách thủy phân màng
bất đối xứng cellulose acetate cũng trong dung dịch kiềm mạnh. Hoặc phương pháp khác thay
cho màng cellulose acetate là thủy phân acid của trimethyl silyl cellulose.
k. Màng kháng dung môi trong siêu lọc:
PVDF xốp dùng làm đệm cho lớp phủ cellulose đã được thương mại hóa bởi Dow
(màng ETNA). PVDF hòa tan trong một số dung môi hữu cơ như dimethyl acetamide.

12


Cellulose rất bền với dung môi hữu cơ và nước. Tuy nhiên, vì khả năng khó hòa tan của nó
nên việc chế tạo màng cellulose không hề đơn giản.
1.4.2.Vật liệu vô cơ:
a. Kim loại: Các kim loại dùng để chế tạo màng là paladi hoặc hợp kim của nó với
niken, bạch kim… có kích thước lỗ rỗng rất bé. Loại màng này thường được xử dụng trong
phân riêng khí và lọc nước ở nhiệt độ cao như quá trình tinh sạch khí hidro từ khí thải.
b. Gốm: Màng gốm có lỗ rỗng, chịu nhiệt và trơ với hóa chất và thường dùng cho màng
lọc MF.
Ceramic: Các màng được chế tạo bằng vật liệu này thường có cấu tạo dạng ống và lắp
theo từng hệ thống.
- Ưu điểm: có nhiệt độ và ph rộng, độ bền cao, dễ vệ sinh, thời gian làm việc dài.
- Nhược điểm: độ bền cơ học không cao, không chịu được hiện tượng sốc nhiệt, giá

thành cao.
c. Cacbua silic
1.4.3. Các loại vật liệu khác
Composit là vật liệu lai giữa các vật liệu với nhau nhằm tăng cường tính bền cũng như
độ chọn lọc cho màng.
- Composit polime hữu cơ
- Composit polime - vô cơ

13


Một số thông số của vật liệu màng
1. Độ bền hóa của một số vật liệu màng

14


2. Bảng một số vật liệu để chế tạo màng

15


1.5. Mô đun màng:
1.5.1. Khái niệm :
- Modun màng là một kết cấu kĩ thuật dùng màng, là phần thiết bị có thể phân tách ra
được.
- Yêu cầu với modun màng :
+ Bảo đảm ngay trên bề mặt màng ngăn có sự lưu thông chất lỏng để có giảm hiển
tượng phân cực nồng độ, hiện tượng kết tủa, dòng thấm qua màng lớn, đều, không có khu vực
chết.

+ Bền nhiệt, bền hóa, bền cơ học.
+ Giá thành rẻ.
+ Mất mát áp suất ít.
+ Các modun được chế tạo gọn, chắc chắn tăng độ bền của màng, có bề mặt trao đổi
chất đạt lớn nhất
1.5.2. Các loại modun chủ yếu
a. Modun ống (Tubular module)
Thiết bị là hai ống hình trụ đồng trục bằng thép không rỉ, đường kính khác nhau và
được đặt lồng vào nhau. Ống 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
ông hình trụ có đường kính nhỏ.
Khi hoạt động dòng nhập liệu được bơm vào một đầu của thiết bị 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
ông hình trụ nhỏ rồi theo đường dẫn để ra bên ngoài thiết bị.
Để tăng diện tích bề mặt phân riêng trong thiết bị, 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 ông trụ nhỏ thường được chế tạo bằng thép không gỉ, 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 ông đỡ membrane và được giữ trong một ông thép lớn. Ngoài ra,
người ta cũng có thể chia ống hình trụ thành nhiều khoang. Dung dịch nguyên liệu sẽ được
bơm vào trong các khoang này theo nguyên tắc nôi 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 bị và thay thế membrane khá đơn giản và dễ thực
hiện
- Nhược điểm: Thiết bị khá cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng. Ngoài ra,
tốc độ dòng nhập liệu khi đi vào thiết bị sẽ bị giảm dần nếu chiều cao của thiết bị khá lớn, giá
thành cao.

16


b. Modun dạng khung bản (Plate and Frame Module)
Mỗi đơn vị cấu tạo nên modun bản 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 bị membrane, các đơn vị trên được đặt song song với
nhau. Tùy thuộc vào số đơn vị được lắp ráp vào nhiều hay ít mà tổng diện tích membrane sử
dụng trong thiết bị 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 câu 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 phôi lại vào vùng tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả quá trình phân riêng.
Thiết bị dạng này thường được sử dụng trong quá trình siêu lọc, lọc nano và thẩm thâu
ngược.
Ưu điểm lớn nhất của mô hình bảng là việc tháo lắp, vệ sinh thiết bị rất đơn giản. Ở
một số thiết bị, người ta bố trí một van tháo sản phẩm permeate ứng với mỗi tấm membrane.
Như vậy, nhà sản xuất dễ phát hiện kịp thời membrane nào bị hư hỏng trong quá trình vận
hành để thay thế. Tuy nhiên mô hình này cũng chiếm diện tích nhà xưởng khá lớn.

17


c. Modun dạng cuộn xoắn (Spiral Wound Module)
Thiết bị gồm hai hình trụ đồng trục nhưng có đường kính khác nhau và được lồng vào
nhau. Chúng được chế tạo bằng thép không gỉ. Ống 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 dịch 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 bị 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 hên thông với ông hình trụ đường kính nhỏ.
Từ ống hình trụ đường kính nhỏ, dòng permeate sẽ được tập trung thoát ra khỏi thiết bị.
Loại modun này có ưu thế trong các thiết bị 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 bị hỏng thì toàn bộ
modun phải hủy bỏ. Đây là nhược điểm lớn nhất của loại membrane này.

18


d. Modun dạng sợi rỗng (Hollow fiber module)
Membrane dạng sợi rỗng có hình dạng tương tự như membrane dạng ống. Thiết bị
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 bị chứa bó sợi membrane
được xếp song song với nhau. Mỗi modun 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
19


0.04mm. Thông thường chiều dày membrane từ 100 - 400pm.
Khi hoạt động, dung dịch nguyên liệu được bơm vào bên trong thiết bị 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 bị. 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 bị. Riêng hãng Dupont thiết kế một
số thiết bị 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 bị 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 modun này
là trong quá trình vận hành, một số sợi membrane dễ bị 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 bị hỏng.

20


BẢNG SO SÁNH MỘT SỐ LOẠI MODUN THƯỜNG GẶP
Dang modun
Dạng ống (tubular module)

Ưu điểm
- Đơn giản, dễ vận hành
- Ít đóng cặn, phù hợp với
các dung dịch huyền phù
nồng độ cao
- Dễ dàng rửa vệ sinh
- Trở lực nhỏ
- Thích hợp cho phòng thí
nghiệm
Dạng khung bản (plate &
- Tính linh động cao
frame module)

- Dễ lắp đặt sửa chữa, thay
thế
- Ít đóng cặn
- Phù hợp với kĩ thuật MF,
NF, RO
- Giá thành rẻ, chế tạo đơn
Dạng cuộn xoắn (spiral
giản.
xvound moduỉe)
- Thể tích nhỏ
Dạng sợi rỗng (hollow fiber - Dễ chế tạo
- Thể tích nhỏ, diện tích
module)
riêng lớn
- Chịu áp tốt
- Giá thành rẻ
1.6. Ứng dụng công nghệ màng:

Nhược điểm
- Sửa chữa khó khăn
- Thể tích lớn, diện tích
riêng nhỏ
- Giá thành cao

- Thể tích lớn
- Giá thành cao

- Tính linh động không cao
- Khó vệ sinh
- Dễ bị fouling (dễ bẩn và

tắc)
- Tổn thất áp suất lớn
- Khi một phần sợ bị hỏng
phải thay toàn bộ modun.

 CN Thực phẩm: lọc trong/xử lý nước uống, cô đặc nước trái cây, sữa,…
 CN Môi trường: xử lý nước thải ,khử khoáng và làm mề m nước, khử màu và các chấ t
hữu cơ hòa tan, thu hồi các cấu tử quý,...
 CN Sinh học: thu hoạch sinh khối, cô đặc/ phân tách tế bào protein.
 CN Hóa học: tách dầu, trích ly dầu, tách muối làm ngọt nước biển, loại kim loại
nặng, thu hồi chất xúc tác
 Y học: Cô đặc chất kháng sinh trong dung môi hữu cơ, thận nhân tạo,…
1.7. Ưu điểm của công nghệ màng:
 Công nghê ̣ sa ̣ch và dễ vâ ̣n hành
 Có thể thay thế đươ ̣c nhiề u quá trın
̀ h hóa lý truyề n thố ng: lo ̣c, chưng cấ t, trao đổ i ion
 Ta ̣o ra sản phẩ m có chấ t lươ ̣ng cao
 Thuâ ̣n lơ ̣i cho viê ̣c thiế t kế những hê ̣ thố ng có tı́nh linh hoa ̣t cao.
 Tuy nhiên chi phí chế tạo hệ thống khá đắt mặc dù một số loại màng rất rẻ.
1.8.Tương lai phát triển.

21


Ở nước ta, việc nghiên cứu và ứng dụng kĩ thuật màng còn rất nhiều hạn chế. Chúng
ta chủ yếu ứng dụng kĩ thuật màng để xử lý nước hoặc áp dụng ở quy mô thí nghiệm. Hiện
tại, số lượng công trình nghiên cứu về việc ứng dụng kí thuật màng trong sản xuất thực phẩm
còn khá khiêm tốn. về công nghệ chế tạo thiết bị, nước ta còn hạn chế trong công nghệ cũng
như trinh đọ kĩ thuật, do đó lĩnh vực này chưa được phát triển tại Việt Nam.
Tuy nhiên trong tương lai kỹ thuật màng được xem là hướng đầu tư mũi nhọn và thiết

yếu để dần thay thế các kỹ thuật truyền thống khác nhằm nâng cao chất lượng, năng suất, giá
thành sản phẩm.

22


PHẦN 2 : QUÁ TRÌNH THẤM VI LỌC (MF)
2.1. Khái niệm, đặc điểm :
Vi lọc (Microfiltration – MF) là quá trình lọc màng thực hiện ở áp suất thấp không quá
2 bar Vi lọc không làm biến chất các thành phần của dung dịch lọc, chỉ giữ lại các phần tử
huyền phù hoặc keo ion mà có trọng lượng phân tử trên 50.000 hoặc kích thước lớn hơn 0,1
micromet.
Các đặc tính cụ thể
- Loại màng : Đối xứng. Độ dày màng 10 – 150 µm. Kích thước lỗ xốp : 0,1-1µm.
- Áp suất động lực : 0,1-2 bar
- Cơ chế hoạt động : Cơ chế sàng lọc.
- Vật liệu chế tạo màng : Polyme, sợi, gốm sứ.
- Khả năng loại bỏ được : Chất rắn lơ lửng, huyền phù, keo, men, vi khuẩn, phân tử
protein có trong sữa hay ngũ cốc,…
2.2. Các quá trình, mô hình hóa áp dụng
2.2.1 Các quá trình phân tách:
Lọc một chiều tĩnh (Dead-End)

Lọc chéo dòng (Cross-flow)

a. Hình thức lọc tĩnh (Dead-end Separation):
Dead-end là hình thức lọc trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane,
dung môi và các phần tử có kích thước và khôi 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 bị 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.

23


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 định 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 dịch có thể tích
nhỏ.
- Ưu điểm:
Chất lượng dòng nước trong tốt.
Lượng nước thải ít.
- Nhược điểm: Hình thành lớp cặn lớn bám trên bề mặt, cản trở quá trình lọc, làm giảm
năng suất, màng lọc có tuổi thọ không cao.

- Giải pháp khắc phục : Sục rửa lớp cặn. Tuy nhiên, sục rửa lớp cặn chỉ loại bỏ lớp cặn một
cách nhất định mà không triệt để. Đến thời điểm, lượng nước trong không đáp ứng được yêu
cầu về chất lượng, lưu lượng thì giải pháp tiếp theo là thay thế màng lọc.

24


b. Hình thức lọc chéo dòng (Cross-flow Separation)
Cross-flow là hình thức lọc trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặt
membrane. Dung môi và các phần tử có kích thước và khôi 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 bị tắc nghẽn hơn so
với mô hình Dead-end và có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài.
- Ưu điểm:
Lớp cặn bám trên màng lọc nhỏ
Chất lượng dòng lọc tốt
Năng suất lớn
- Nhược điểm: Tốn nhiều lượng nước thải không cần thiết.
- Để hạn chế lượng nước thải ta có thể cho nước sau khi lọc ta cho tuần hoàn trở lại.

25