Đặt Vấn Đề GVHD: PGS. TS Mai Thanh Phong “Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc UF Polysulfone trong xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp biến tính bề mặt”. MỤC TIÊU LUẬN VĂN Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc UF polysulfone bằng phƣơng pháp biến tính bề mặt với lớp phủ PVA. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Biến tính bề mặt màng UF polysulfone bằng lớp phủ PVA với các điều kiện khác nhau: thay đổi nồng độ PVA, nồng độ chất nối mạng acid malic, thời gian phủ, số lần phủ, nhiệt độ xử lý nhiệt, thời gian xử lý nhiệt để đánh giá khả năng chống tắc nghẽn.
Khảo sát khả năng phục hồi thông lƣợng của màng lọc UF polysulfone khi vệ sinh màng bằng nƣớc và hóa chất Khảo sát hiệu quả xử lý nƣớc thải của màng lọc UF polysulfone đã đƣợc biến tính bề mặt bằng PVA trong điều kiện phòng thí nghiệm. - Nƣớc giả thải thành phần hữu cơ: Alginate, chất màu Xanh Methylene - Hiệu quả hoạt động của màng đƣợc đánh giá qua các yếu tố: thông lƣợng nƣớc thẩm thấu qua màng, mức độ tắc nghẽn, khả năng phục hồi thông lƣợng. Trang 8 Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết GVHD: PGS. TS Mai Thanh Phong CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.MÀNG UF VÀ QUÁ TRÌNH SIÊU LỌC Quá trình siêu lọc sử dụng màng xốp UF có khả năng phân tách nƣớc và các chất tan kích thƣớc <1 µm từ hệ keo, nhũ tƣơng.
Đƣờng kính lỗ xốp trung bình của màng UF khoảng 0.1µm và áp suất vận hành có thể lên đến 10 bar. Ngoài ra kích thƣớc màng có thể đƣợc đánh giá bằng MWCO – khối lƣợng phân tử của các đại phân tử (protein, polymer) đƣợc giữ lại >90% trong quá trình lọc [1]. 1 Phân lọc màng lọc theo kích thƣớc và áp suất làm việc[1] Hình 2. 2 Phân loại các cấu tử bị loại bỏ bởi các loại màng khác nhau [1].
Trang 9 Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết GVHD: PGS. TS Mai Thanh Phong Màng siêu lọc có cấu trúc bất đẳng hƣớng. Lớp bên trên của màng đóng vai trò là lớp chọn lọc có kích thƣớc lổ xốp nhỏ hơn và lớp màng vi xốp bên dƣới có tác dụng đảm bảo cơ tính của màng. Các phân tử đƣợc giữ lại chủ yếu nhờ vào lớp chọn lọc trên bề mặt.
Lớp chọn lọc thƣờng đƣợc chế tạo từ các hợp chất polymer nhƣ: polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), polyacrylonitrile (PAN) và cellulose acetate. Trong đó, PS và PES là vật liệu đƣợc sử dụng nhiều nhất do đặc tính ổn định nhiệt, cơ tính cao, chịu hóa chất tốt và độ xốp lớn. Tuy nhiên, đặc tính kỵ nƣớc của các vật liệu này là nguyên nhân làm tăng hiện tƣợng tắc ngẽn màng trong quá trình vận hành [4]. 3 Cấu trúc màng siêu lọc (UF) (a) lớp vi xốp (b) lớp chọn lọc UF[1] Trong công nghệ màng có 2 chế độ hoạt động khác nhau tùy thuộc vào 2 kiểu dòng chảy: kiểu dòng chảy ngang (cross-flow) và kiểu dòng chảy đứng (dead-end) [1].
4 Kiểu dòng chảy Dead-end và kiểu dòng chảy Cross-flow[2] Kiểu dòng chảy dead-end, dòng lƣu chất có áp suất hƣớng vuông góc với màng sẽ đi qua màng các hạt có kích thƣớc lớn bị giữ lại trên bề mặt màng dẫn đến hiện tƣợng Trang 10 Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết GVHD: PGS. TS Mai Thanh Phong phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng nhanh hơn. Do đó, thông lƣợng nƣớc thẩm thấu qua màng giảm. Để duy trì thông lƣợng, hệ thống cần phải ngừng hoạt động và vệ sinh, rửa màng định kỳ.
Kiểu dòng chảy cross-flow, dòng lƣu chất có áp suất chảy ngang trên bề mặt màng màng ở tốc độ cao làm hạn chế sự tắc nghẽn và phân cực nồng độ bên trên bề mặt màng. Hay nói cách khác kiểu dòng chảy cross-flow khắc phục nhƣợc điểm gây tắc nghẽn, giảm thông lƣợng nhanh của kiểu dead-end nhờ vào chính dòng chảy ngang của dòng lƣu chất làm dòng nƣớc rửa màng.CƠ CHẾ TRUYỀN VẬN QUA MÀNG UF [1,2,4]: Quá trình truyền khối qua màng UF có thể đƣợc xem nhƣ là lọc rây sàng. Nhiều mô hình đã đƣợc đề xuất để mô tả quá trình truyền khối qua màng UF nhƣ: (1) Mô hình lỗ xốp, dựa trên cấu trúc lỗ xốp và bỏ qua các ảnh hƣởng của lớp biên; (2) Mô hình dựa trên quá trình nhiệt động lực học không thuận nghịch và cũng bỏ qua ảnh hƣởng của lớp biên; (3) Mô hình lớp biên, dựa trên ảnh hƣởng của lớp biên –hiện tƣợng phân cực nồng độ đến quá trình. Thực tế, không mô hình nào giải thích một cách chính xác quá trình truyền khối cho tất cả các trƣờng hợp và quá trình siêu lọc.
Do đó, hai hoặc ba mô hình đƣợc kết hợp để phân tích kết quả thực nghiệm.Mô hình lỗ xốp Quá trình truyền vận của chất tan và dung môi (nƣớc) qua vật liệu xốp có thể đƣợc xác định bằng mô hình động lực học và đƣợc mô tả bằng định luật Darcy: (2.1) Trong đó, JV là thông lƣợng nƣớc thẩm thấu qua màng; K, hệ số lọc; µ, độ nhớt của nƣớc; 𝛅m, bề dày của màng; và K/( µ. 𝛅m) là độ thẩm thấu của màng; ΔP, chênh lệch áp suất qua màng. Chất tan có kích thƣớc lớn hơn kích thƣớc lổ xốp của màng sẽ đƣợc phân tách. Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp thực tế, màng UF không chỉ làm việc theo cơ chế rây sàng mà còn dựa trên sự tƣơng tác giữa màng và chất tan.
Các yếu tố nhƣ hình dạng, sự biến dạng và phân ly của các đại phân tử đƣợc xem xét khi đánh giá khả năng phân tách của màng. Độ loại bỏ của màng đƣợc tính nhƣ sau: (2.2) Trang 11 Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết GVHD: PGS. TS Mai Thanh Phong Trong đó, Ai là diện tích các lỗ xốp mà chất tan truyền qua màng; Aw là diện tích các lỗ xốp mà nƣớc truyền qua màng; Ap là tổng diện tích các lỗ xốp của màng.Mô hình nhiệt động lực học không thuận nghịch Trong mô hình này, màng đƣợc xem là một hộp đen. Do đó, mô hình này không đề cập đến cấu trúc của màng mà quan tâm đến dòng thẩm thấu qua màng nhƣ là kết quả của chênh lệch thế truyền vận do áp lực dòng chảy nhập liệu.
Mô hình Kedem−Katchalsky và Spiegler−Kedem là mô hình dựa trên cách tiếp cận này. Kedem-Katchalsky mô tả quá trình truyền vận của dung môi (nƣớc) và chất tan trong hệ thống màng đẳng nhiệt: (2.3) Trong đó, JV, Js tƣơng ứng là thông lƣợng thể tích của dung môi và chất tan; Lp, độ thẩm thấu thủy lực của màng; ω, độ thẩm thấu của chất tan; σ, hệ số phản ánh, biểu thị độ loại bỏ chất tan của màng, σ= 0 – màng không loại bỏ đƣợc, σ= 1 – màng loại bỏ đƣợc 100% chất tan; C, nồng độ tại bề mặt màng; Cp, nồng độ dòng thẩm thấu; ∆π, chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa 2 phía của màng.Mô hình lớp biên Trong các mô hình trên đã xác định quá trình truyền khối của nƣớc và chất tan qua màng UF. Tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng không đƣợc xem xét trong các mô hình trên là tốc độ truyền khối của chất tan qua lớp biên sát bề mặt màng. Quá trình truyền khối khuếch tán và đối lƣu qua màng với áp suất là động lực quá trình.
Trang 12 Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết GVHD: PGS. TS Mai Thanh Phong Dòng đối lưu Dòng khuếch tán Dòng truyền vận chất tan qua ngược lại màng (dòng đối lưu) = Jv. Cb 𝜕𝐶 Dòng khuếch tán ngược lại = 𝐷. 𝜕𝑦 Tốc độ dòng truyền vận chất tan qua màng, Ns= Jv.
5 Quá trình truyền khối trong lớp biên phân cực nồng độ có bề dày δbl[2]. Phân cực nồng độ (CP) là hiện tƣợng các chất tan bị giữ lại và tích lũy trên bề mặt màng để hình thành gradient nồng độ tại lớp biên có bề dày δbl, sát bề mặt màng. Phân cực nồng độ có thể ảnh hƣởng đến thông lƣợng dòng thẩm thấu qua màng theo 3 hƣớng. Đầu tiên, sự tích lũy chất tan có thể làm giảm áp suất truyền qua màng, do đó tốc độ thẩm thấu của nƣớc qua màng cũng sẽ giảm.
Hơn nửa, sự giảm thông lƣợng thẩm thấu do hiện tƣợng phân cực nồng độ đƣợc gây ra do dòng khuếch tan ngƣợc khi chất tan có nồng độ cao tại bề mặt màng hơn so với nồng độ chất tan trong dung dịch nhập liệu. Thứ hai, chất tan bị tích lũy có thể hình thành lớp trở lực thủy lực đối với dòng nƣớc thẩm thấu qua màng. Thứ ba, sự tích lũy chất tan cũng có thể là các chất gây tắc nghẽn không thuận nghịch, nó làm thay đổi độ thẩm thấu thủy lực và độ loại bỏ chất tan của màng. Thông lƣợng nƣớc và chất tan thẩm thấu qua màng đƣợc đánh giá nhƣ sau: (2.5) Trong đó, Jv, Ns tƣơng ứng là thông lƣợng nƣớc và chất tan thẩm thấu qua màng.
Cf và Cw tƣơng ứng là nồng độ chất tan trong dòng thẩm thấu và tại bề mặt màng. Sa là hệ số phân tách thực của màng. Mô hình lớp biên là nền tảng phát triển của các mô hình sau: mô hình lý thuyết lớp phim, mô hình áp suất thẩm thấu, mô hình lớp keo. Trang 13 Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết GVHD: PGS.
TS Mai Thanh Phong II.Mô hình lý thuyết lớp phim Trạng thái ổn định, dòng chất tan vận chuyển qua màng gây ra bởi tác động của áp suất và dòng chất tan khuếch tán ngƣợc lại phía dung dịch nhập liệu cân bằng với nhau. Giả sử bỏ qua ảnh hƣởng của quá trình khuếch tán chất tan theo phƣơng X đối với tốc độ thẩm thấu qua màng. Phƣơng trình 2.6 mô tả mô hình lớp phim cố định: (2.7) Tích phân phƣơng trình 2.12 từ 0 đến y và từ Cw đến C, ta đƣợc: (2.8) Áp dụng phƣơng trình 2.8 với điều kiện biên (y=0, C= Cw và y = δbl , C = Cb) ta xác định đƣợc thông lƣợng nƣớc thẩm thấu qua màng thông qua nồng độ chất tan, hệ số khuếch tán và bề dày lớp biên: (2.9) Với hệ số truyền khối K= D/ δbl, phƣơng trình trở thành: (2.10) Đây là phƣơng trình của mô hình lớp phim cố định. Hệ số truyền khối đƣợc xác định theo phƣơng trình Sherwood.
Mô hình áp suất thẩm thấu Trong mô hình lý thuyết lớp phim, thông lƣợng nƣớc thẩm thấu không đƣợc xác định thông qua áp suất thẩm thấu. Nó dựa trên giả thuyết áp suất thẩm thấu của các dung dịch cao phân tử rất nhỏ so với áp suất làm việc. Tuy nhiên, Vilker và Jonsson [2] Trang 14 Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết GVHD: PGS. TS Mai Thanh Phong cho rằng áp suất thẩm thấu tăng khi nồng độ chất tan tăng.
