CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu màng lọc 1. Màng lọc và quá trình tách bằng màng Màng lọc là một loại vật liệu được sử dụng trong quá trình tách một hỗn hợp đồng thể hay dị thể (lỏng – lỏng, lỏng – rắn, khí – rắn, khí – khí). Một cách khái quát, có thể coi màng là một lớp chắn có tính thấm chọn lọc đặt giữa hai pha – pha đi vào (feed) và pha thấm qua (filtrate).
Trong quá trình tách, màng có khả năng lưu giữ được một số cấu tử trong hỗn hợp và cho các cấu tử khác đi qua. Quá trình vận chuyển chất qua màng được thực hiện một cách tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động lực giữa hai phía màng. Động lực của quá trình tách qua màng là chênh lệch áp suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch nhiệt độ hay chênh lệch điện trường [13]. Phân loại màng lọc Dựa vào bản chất, người ta chia màng thành hai loại: màng sinh học và màng tổng hợp.
Đây là cách phân loại rõ ràng nhất vì hai loại màng này khác nhau hoàn toàn cả về cấu trúc và chức năng. Một cách phân loại khác là dựa vào cấu trúc màng, đây cũng là một cách phân loại quan trọng vì cấu trúc màng quyết định cơ chế tách và phạm vi ứng dụng của màng. Trong phạm vi các màng tổng hợp rắn, người ta chia thành hai loại: màng đối xứng và màng bất đối xứng [13]. Màng đối xứng là loại màng có cấu trúc đồng nhất từ trên xuống dưới với hai mặt hoàn toàn như nhau (ví dụ như màng xenlophan, cuprophan).
Độ dày của màng đối xứng (xốp hoặc không xốp) nằm trong khoảng từ 10 đến 200 μm, trở lực chuyển khối được quyết định bởi độ dày của toàn bộ màng, nếu giảm độ dày của màng thì sẽ làm tăng tốc độ thấm qua. Loại màng này thường được dùng trong các quá trình vi lọc để lọc các tiểu phân nhỏ hoặc hoặc dùng cho thẩm tách máu [15, 16]. 5 Một bước đột phá trong các ứng dụng công nghiệp là sự phát triển của màng bất đối xứng. Loại màng này có cấu trúc gồm hai lớp: lớp thứ nhất là lớp hoạt động rất mỏng (cỡ khoảng từ 0,1 μm đến 0,5 μm), lớp thứ hai là lớp đỡ xốp nằm ở dưới, lớp này dày hơn rất nhiều so với lớp hoạt động (cỡ khoảng 50 μm đến 150 μm).
Kích thước lỗ của lớp hoạt động nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước lỗ của lớp đỡ. Trở lực chuyển khối của màng hoàn toàn do lớp hoạt động quyết định, lớp đỡ có tác dụng làm tăng độ bền cơ học của màng, giữ cho lớp hoạt động khỏi bị rách nhưng không ảnh hưởng tới việc vận chuyển dung môi và các chất qua màng. Do đó, loại màng này có năng suất lọc rất cao. Các lớp đỡ thường có cấu trúc xốp kiểu ngón tay hoặc kiểu tổ ong [6, 14, 18].
Với cấu trúc đặc biệt như vậy, màng bất đối xứng có hiệu quả tách cao, có độ bền cơ học tốt và được ứng dụng nhiều trong quá trình siêu lọc, lọc nano, tách khí, thẩm thấu ngược,… Tùy theo điều kiện chế tạo màng ta có thể thay đổi chiều dày và kích thước lỗ của lớp hoạt động cũng như cấu trúc xốp của lớp đỡ. Màng composite là một trường hợp đặc biệt của màng bất đối xứng, lớp hoạt động và lớp đỡ xốp của nó được làm từ hai loại vật liệu khác nhau, mỗi lớp có thể được chế tạo tối ưu hóa một cách độc lập. Loại màng này có hiệu quả tách rất cao, có tính năng cơ học và hóa học rất tốt [16, 23, 42]. Quá trình tách bằng màng Trong quá trình tách, màng có khả năng lưu giữ được một số cấu tử trong hỗn hợp, và cho các cấu tử khác đi qua.
Quá trình vận chuyển chất qua màng được thực hiện một cách tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động lực giữa hai phía màng. Động lực của quá trình tách qua màng có thể là chênh lệch áp suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch nhiệt độ hay chênh lệch điện trường [13]. 6 Màng lọc (Pha đi vào) (Pha thấm qua) P, C, T,… Động lực Dung dịch tách Dịch lọc Hình 1. Sơ đồ quá trình tách qua màng [13] 1.
Tính năng lọc tách của màng Tính năng lọc tách của màng được đánh giá dựa trên hai thông số chính là năng suất lọc và độ lưu giữ. Năng suất lọc được xác định thông qua thể tích dịch lọc đi qua một đơn vị diện tích bề mặt màng lọc trong một đơn vị thời gian, ở áp suất xác định. Độ lưu giữ là khả năng giữ lại các chất tan cần tách trên bề mặt màng, độ lưu giữ càng cao thì quá trình tách càng triệt để. Bên cạnh đó, độ giảm năng suất lọc của màng theo thời gian lọc cũng là một tiêu chí quan trọng trong đánh giá khả năng lọc của màng, cho phép đáng giá mức độ tắc màng sau một thời gian lọc màng.
Độ giảm năng suất lọc càng nhỏ, mức độ tắc màng thấp, màng sử dụng càng lâu, chu trình rửa màng dài hơn, tiết kiệm được thời gian và chi phí cho quá trình lọc. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách lọc qua màng 1. Sự phân cực nồng độ và tắc màng (fouling) Sự phân cực nồng độ là hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng do dung môi vận chuyển được qua màng còn chất tan bị giữ lại. Hiện tượng này làm cho lưu lượng của màng giảm xuống trong quá trình tách.
Khi sự phân cực nồng độ lớn thì chất tan sẽ bám trên bề mặt màng khiến cho bề mặt làm việc của màng giảm xuống, đồng thời làm tăng vọt áp suất thẩm thấu, do đó hiệu quả làm việc của màng giảm [5, 7, 42]. 7 Có nhiều cách làm giảm sự phân cực trên màng bán thấm. Đối với nhiều thiết bị lớn, để làm mất đi sự phân cực nồng độ trên màng bán thấm người ta thường cho dung dịch trên màng vận chuyển với tốc độ lớn và tạo dòng xoáy. Còn đối với thiết bị phòng thí nghiệm người ta thường tạo ra dao động rung hoặc khuấy đảo để làm mất đi sự phân cực nồng độ trên màng [57].
Trong quá trình tách qua màng, có thể xảy ra hiện tượng chất tan bị hấp phụ trên bề mặt và trong các lỗ xốp của màng, làm cho năng suất lọc của màng giảm xuống theo thời gian, thậm chí màng có thể bị tắc nghẽn. Các yếu tố ảnh hưởng tới mức độ tắc nghẽn màng bao gồm nồng độ chất cần tách, pH, ái lực giữa chất cần tách và vật liệu màng [3]. Ảnh hưởng của áp suất làm việc Áp suất làm việc ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tách bằng màng thẩm thấu ngược. Khi áp suất tăng, lúc đầu lưu lượng lọc và độ lưu giữ đều tăng nhưng khi đạt đến một áp suất nào đó thì độ lưu giữ hầu như không thay đổi, trong khi lưu lượng lọc vẫn tăng theo áp suất.
Tuy nhiên, chỉ nên tăng áp suất tách tới một giá trị giới hạn xác định, để bảo vệ màng và an toàn cho thiết bị. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách Trong dung dịch chất tan được solvat hóa (hay còn gọi là hiđrat hoá, khi dung môi là nước). Các ion chất tan được bao bọc bởi hai lớp vỏ hiđrat hóa gần và hiđrat hóa xa. Hiđrat hóa gần là sự tương tác giữa chất tan với các phân tử nước ở gần nó, liên kết này khá bền nên các phân tử nước không chuyển động tự do mà gắn liền với ion chất tan.
Do tương tác tĩnh điện nên các phân tử nước ở lớp hiđrat thứ nhất có thể liên kết với các phân tử nước ở ngoài để thành lớp vỏ hiđrat thứ hai, hiện tượng này gọi là hiđrat hoá xa, tương tác này yếu hơn nên các phân tử nước ở lớp vỏ thứ hai không mất đi khả năng chuyển động tự do và tương đối linh động. Ở vùng nồng độ loãng, các ion chất tan bị bao bọc bởi hai lớp vỏ hiđrat, đồng thời trong dung dịch vẫn tồn tại các phân tử nước ở 8 trạng thái tự do. Nếu tăng nồng độ chất tan tới một giới hạn nào đó thì trong dung dịch không còn các phân tử nước ở trạng thái tự do nữa mà chỉ đủ để tạo thành hai hoặc một lớp vỏ hiđrat. Lúc này độ lưu giữ và lưu lượng qua màng giảm xuống rõ rệt.
Do hiện tượng hiđrat hoá nên các ion chất tan bị giữ lại trên màng trong khi nước hoặc dung môi có thể vận chuyển qua màng một cách dễ dàng. Bản chất của vật liệu màng Tùy vào mục đích và đối tượng lọc, màng lọc phải đạt được những yêu cầu cơ bản như độ xốp, tính ưa nước hay kị nước,…Vì vậy, bên cạnh yêu cầu về kỹ thuật tạo màng, bản chất của vật liệu làm màng là một đặc tính quan trọng. Vật liệu làm màng có tính thấm cao đối với dung môi cần lọc thì năng suất lọc sẽ cao và ngược lại [15]. Độ nhớt dung dịch Năng suất lọc tỷ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng cần lọc.
Độ nhớt của dung dịch càng cao thì năng suất lọc càng nhỏ. Độ nhớt cao làm giảm khả năng chảy qua màng của chất lỏng. Các yếu tố ảnh hưởng khác Các loại vi khuẩn cũng có ảnh hưởng rất lớn đến màng vì một số vi khuẩn có thể ăn các polyme, làm giảm chất lượng và thời gian làm việc của màng. Độ pH của dung dịch có ảnh hưởng đến tuổi thọ của màng.
Tuỳ từng loại màng mà điều chỉnh pH làm việc thích hợp. Nhiệt độ dung dịch tách cũng ảnh hưởng tới tính năng tách của màng. Khi tăng nhiệt độ dung dịch tách, năng suất lọc của màng tăng nhưng độ lưu giữ có thể giảm nhẹ. Hiện tượng tắc màng trong quá trình tách lọc 1.
Hiện tượng tắc màng Tắc màng (fouling) là một hiện tượng vô cùng phức tạp và khó có thể định nghĩa chính xác. Thuật ngữ này dùng để mô tả hiện tượng sự kết phủ 9 không mong muốn của các tiểu phân chất tan bị lưu giữ lại trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng trong quá trình tách lọc [25, 44]. Cơ chế tắc nghẽn màng: (a) Tắc nghẽn bên trên bề mặt màng và (b) tắc nghẽn bên trong mao quản của màng Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các tiểu phân gây tắc màng (foulants), có thể phân biệt một vài kiểu tắc màng xảy ra trên màng, như tắc màng gây bởi các hợp chất vô cơ (cặn), tắc màng gây bởi các hợp chất keo, tắc màng gây bởi các hợp chất hữu cơ, hay tắc màng sinh học [46, 58].