quá trình tách bằng màng

CHÀO MỪNG CÔ VÀ CÁC BẠN ĐẾN VỚI BÀI
THUYẾT TRÌNH
NHÓM 2

QUÁ TRÌNH TÁCH BẰNG MÀNG


NỘI DUNG

• Khái niệm về quá trình tách màng
• Cơ chế của quá trình lọc màng
• Ứng dụng quá trình tách màng
• Nguyên lý, cấu tạo thiết bị màng


1. KHÁI NIỆM VỀ
QUÁ TRÌNH TÁCH MÀNG
a. Khái niệm màng:
- Màng lọc là một lớp màng vất liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc
tính vật lý và hoá học của chúng chịu một áp lực nhất định.
- Màng lọc ngăn cách giữa 2 pha, có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phần tử
có trong nước như cặn lơ lửng, ion, vi sinh vật … khi cho dung dịch đi qua màng.
- Màng lọc có thể áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dung dịch hay phân
tách một hỗn hợp.


- Ưu điểm của màng lọc:
+) Quá trình màng lọc xảy ra ở điều kiện bình thường và các dung dịch tham gia
không có thay đổi về pha.
+) Quá trình phân tách vật chất qua màng không cần có hoá chất phụ gia như một số
quá trình khác trong xử lý nước.

- Nguyên lý lọc màng :
◦ Dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua các vách ngăn (màng) nhờ lực
tác dụng.
◦ Lực tác dụng có thể chênh lệch áp suất (∆P), điện thế (∆E), nồng độ dung dịch
(∆C), nhiệt độ (∆C) …
◦ Các thông số cơ bản của quá trình lọc màng: i) Áp lực ; ii) Cơ chế phân tách; iii)
Cấu trúc màng; iv) Pha dung dịch .


b. Các loại màng lọc:
Phân loại:

Kích cỡ

Mức độ áp lực

Ngoài ra có thể phân loại:

Vật liệu cấu tạo màng

Hình dáng hình học


a,Màng lọc thẩm thấu ngược (reverse osmosis – RO)

- Kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0,1 – 1micromet (µm) hoạt động dưới áp suất
thông thường từ 10- 100psi, cho phép loại bỏ hầu hết các thành phần có
trong nước như cacbonhydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng,
các ion, amino axit,…., gần như chỉ còn nước nguyên chất chảy qua.

Cơ chế hoạt động của màng RO:
+ Sử dụng tính chất của màng bán thấm, tất cả các chất hòa tan bị giữ lại, trừ 1 vài
phần từ hữu cơ rất gần với nước có khối lượng mol nhỏ và phân cực mạnh. Khi
có sự chênh lệch về thế năng hóa học thì xu hướng làm nước chuyển từ ngăn có
thế năng hóa học thấp sang ngăn có thế năng hóa học cao để pha loãng, đó là
hiện tượng thẩm thấu tự nhiên.
+ Nếu muốn cản lại sự khuếch tán này, cần phải đặt 1 áp suất lên mặt dung dịch có
thế năng hóa học thấp, sự chênh lệch áp suất đc tạo ra được gọi là áp suất thẩm
thấu ngược của hệ thống


Đặc tính của 1 số loại màng và cơ chế tách lọc
Loại màng

Động lực điều khiển

Cơ chế tách lọc

Cấu trúc màng

Vi lọc

Áp suất

Sàng lọc

Lỗ rỗng lớn

Siêu lọc

Áp suất

Sàng lọc

Lỗ rỗng lớn

Lọc nano

Áp suất

sàng lọc + khuếch tán +

Lỗ rỗng nhỏ

chọn lọc

Thẩm thấu ngược

Áp suất

sàng lọc + khuếch tán +

Màng chặt sít

chọn lọc

Điện thẩm tách

Điện thế

Trao đổi ion

Trao đổi ion


b.Màng lọc nano:
Có kích thước lỗ rỗng khoảng 0,001µm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ
100-600 psi; là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc màng là RO và UF.
Nó có thể lọc được các phân tử muối hóa trị thấp và các chất khoáng
Ứng dụng:
+ lọc cặn các protein, gelatin,
+ công nghệ chế biến nước hoa quả,
+ phân ly chất rắn hòa tan trong dung dịch
+ sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt


Bảng tổng kết công nghệ màng sinh học
TT

1

Tên

MF

Kích thước lỗ rỗng Áp suất làm
(µm)

việc (bar)

0,1-1

1-8,6

Khả năng xử lý

Chi phí sản xuất

Độ đục chất lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử, vi

Thấp

khuẩn hoặc chất rắn hòa tan lớn hơn kích thước lỗ rỗng

2

UF

0,01-01

4,8-13,8

Như MF ngoài ra còn giữ được vi rút, proteins có khối lượng

Trung bình

mol nhỏ, enzymes, cacbonhydrat

3

NF

0,01-0,001

6,9-41,4

Như UF ngoài ra còn giữ đc phân tử muối hóa trị thấp, các chất

Cao

khoáng, protein, gelatin

4

RO

<0.001

27,6-68,9

Gần như hoàn toàn chỉ có nước nguyên chất

Rất cao


c. Đặc điểm chung của màng:
* Màng lọc có thể được chia ra làm màng đối xứng và không đối xứng.
- Màng đối xứng là màng đồng nhất có các lỗ rỗng được tạo thành do quá trình bắn phá
bằng chum tia, sau đó cho hoá chất cố dịnh lại.

- Màng không đối xứng là màng hỗn hợp, thường làm từ vật liệu polyme, composite
gồm nhiều lớp mỏng có kích thước lỗ rỗng khác nhau theo thứ tự giảm dần đọ rỗng
xếp chồng lên nhau, giữa các lớp là các sợi đỡ; muacj đích làm ngăn cản các phần tử
có kích thước khác nhau và chúng dược phân bố đồng đều trên các lớp.
Loại này có độ bền cơ học cao và được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ màng lọc
hiện nay.


d. Vật liệu của màng lọc:
-Màng có thể là đồng chất hay nhiều thành phần khác nhau hợp thành, chúng được chế
tạo từ các vật liệu có nguồn góc như gốm nung chảy, các hợp chất cacbon,
silic,zircon, hoặc từ nguồn góc hưu cơ như cao su, vải amiang, axetat xellulo,
polyethylene, polypropylene.
- Bề dày màng từ 0,05mm ÷ 2mm
- Các lỗ nhỏ trên màng được chế tạo bằng cách chiếu tia bức xạ, lazer, các phẳn ứng
hoá học …
- Hầu hết các phản ứng hoá học MF,UF, RO,NF được làm từ vật liệu polime.


- Màng còn có thể chế tạo từ vật liệu vô cơ như gốm và kim loại:
◦ Màng gốm là loại màng có lỗ rỗng, chịu nhiệt và trơ với hoá chất , chúng
thường dùng cho màng lọ MF tuy nhiên màng này có chi phí cao, dễ vỡ nên chưa
được sử dụng rộng rãi.
◦ Màng kim loại thường làm từ sắt không gỉ và có thể có kích thước lỗ rỗng
rất bé, chúng được dung cho các quá trình phân tách khí và một số quá trình lọc
nước ở nhiệt độ cao.
 


2. CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH LỌC MÀNG

Nguyên tắc :Dùng áp lực để tách các chất hòa tan trong nước bằng cách sử dụng
màng bán thấm.Màng sẽ giữ lại những phần tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ
rỗng
Dòng chất lỏng dẫn vào màng được phân ra 2 dòng:
-Dòng thải:gồm nước và phần tử vật chất có kích thước lớn hơn lỗ rỗng.Hàm lượng
chất bẩn của dòng này cao hơn so với dòng chất lỏng đầu vào
-Dòng sản phẩm thu được sau lọc:gồm nước và phần tử vật chất có kích thước nhỏ
hơn lỗ rỗng.Hàm dòng lượng chất bẩn trong dòng này nhỏ hơn so với dòng chất
lỏng đầu vào
Các quá trình màng có thể bố trí theo cách lọc trượt hay lọc chặn


a,Lọc chặn

Nước đưa vào bề mặt màng được ép qua màng ,khi đó,một số chất rắn và thành
phần khác bị giữ lại trên màng nên nước chịu một sức cản lớn khi qua
màng.Khi trở lực màng tăng,vân tốc dòng chảy sẽ giảm ,và sau một thời
gian,vận tốc chảy quá chậm(cần làm sạch màng)


- Năng lượng tạo áp lực cho nước đều dùng đẩy nước qua màng nên
tổn hao năng lượng thấp hơn lọc trượt
- Màng được rửa bằng nước ,hóa chất hay biện pháp cơ học.


b,Lọc trượt
-Trong quá trình này,một lượng nước nạp được hồi lưu. Nước nạp chảy song song với
màng,chỉ một phần nhỏ chảy qua màng và phần lớn thoát ra khỏi modun nên quá trình
tốn năng lượng lớn do phải tạo áp lực cho nước nạp .

-Tốc độ chảy của nước nạp song song với màng cao nên chất rắn lơ lửng ít đọng lại
trên bề mặt màng,chúng chảy cùng dòng nước và như thế độ dày lớp cặn lọc
được kiểm soát.Tuy nhiên,màng cần được rửa theo chu kì bằng phương pháp
phun ngược hay hóa chất
-Ứng dụng:thẩm thấu ngược,nano ,siêu lọc và vi lọc


c,Cơ chế chuyển khối qua màng nano
- Sự chia tách được thực hiện
bằng cơ chế dòng chất lỏng
được chuyển qua màng có
chọn lọc,thành phần khác
của chất lỏng được giữ lại
trên mặt môi trường xốp
- Với trường hợp lí tưởng,ta mong muốn có màng chỉ thẩm thấu nước.còn những trường hợp
khác,các màng sử dụng cho phép chuyển dịch có ion không ,các màng này có thể trung
hòa hay tích điện,khi tích điện chúng vận chuyển ion cùng dấu đi ngược lại nên cấu tạo
màng chỉ cản cation hay anion


•

Cơ chế chất lỏng lọc qua màng được biểu diễn theo công thức:
(1)

NA:dòng vật chất qua màng (g/cm2/s;cm3/cm2/s)
: Nồng độ của chất A
v:vận tốc trung bình dòng vật chất qua màng
DAB : hệ số khuếch tán chất A trong màng lọc

: gradien nồng độ khối


•

Khi dòng vật chất qua lỗ rỗng của màng chiếm phần lớn so với màng ban đầu thì
công thức định luật darcy áp dụng xác định vận tốc trung bình của dòng vật chất
qua màng
(2)

K: độ thẩm thấu darcy của vật liệu học
: độ nhớt động học
: nồng độ dung dịch
g :vecto trọng lực


Thay (2) vào (1) và giới hạn chiều chuyển động của chất lỏng chỉ theo chiều ngang
và bỏ qua lực hấp dẫn ta được:

Từ công thức: Dòng chất lỏng qua màng gồm dòng khối qua khe dẫn của màng
dưới tác dụng của áp suất và dòng khối qua màng nhờ khuyếch tán.Trường hợp
này,dòng chất lỏng tỉ lệ trực tiếp với gradien áp suất ,áp suất lên màng có giá trị
khác nhau ở vị trí khác nhau của màng,đây chính là động lực điều khiển sự
chuyển khối của dòng chất lỏng qua lỗ rỗng của màng.


3. ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH TÁCH BẰNG MÀNG
Xử lý nước thải

Xử lý khí thải

Khử muối

Túi lọc

Làm trong và khử trùng nước

Màng sinh học

Sản xuất nước siêu sạch

Xử lý tuần hoàn nước đô thị

Xử lý nước thải công nghiệp

Sử dụng trong bể xử lý sinh học


4. NGUYÊN LÝ,CẤU TẠO
THIẾT BỊ MÀNG
Các thiết bị tách đơn (gọi là các mô đun) sử dụng các màng ngăn được thiết kế cần
đạt 2 mục đích cơ bản:
-Bảo đảm ở ngay bề mặt của màng ngăn có sự lưu thông chất lỏng đủ lớn để hạn
chê shiện tượng phân cực nồng độ và các hạt kết tủa
-Các mô đun được chế tạo gọn, chắc, có bề mặt trao đổicực đại cho một đơn vị
thể tích
Giảm giá thành trong sản xuất một thể tích chất lỏng cần xử lý đã cho, giúp
cho quá trình rửa lọc, tháo lắp được dễ dàng, nhưng gây tổn thất áp lực lớn do
vận tốc dòng chảy cao, tiêu tốn nhiều năng lượng

a.Môđun dạng khung tấm
- Là dạng đơn giản nhất
- Cấu tạo gồm:
+ 2 tấm bản đáy
+ Màng lọc dạng bản mỏng
+Miếng đệm
- Môđun được cấu tạo từ việc gắn các màng lên các tấm đỡ, thiết kế theo nguyên lý lọc
ép. Chất lỏng xử lý được lưu thông giữa các màng của hai tấm kề nhau
- Sự bố trí các tấm đỡ cho phép nước lưu thông song song hoặc nối tiếp