CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG MÀNG LỌC Hiện nay, nhu cầu sử dụng màng lọc trong các lĩnh vực như xử lí nước, dược phẩm, thực phẩm, phân tách khí, hóa dầu[1-5] đang ngày càng tăng cao bởi các ưu điểm vượt trội mà công nghệ này mang lại. Trong đó, công nghệ màng được sử dụng rộng rãi ở hai lĩnh vực chính là xử lí nước và công nghệ thực phẩm với quy mô cực kì lớn cũng như khả năng phân riêng với hiệu quả cực kì cao. Sản xuất và tái tạo nguồn nước ngọt Tình trạng thiếu hụt nguồn nước ngọt hiện nay được xem là vấn đề lớn đối với xã hội [6-8].
Mặc dù khoảng 71% diện tích bề mặt Trái Đất là nước tuy nhiên chỉ có 2,5% là nước ngọt có thể sử dụng, trong đó tổng lượng nước ngọt tồn tại trên bề mặt chỉ khoảng 0,008%, phần lớn còn lại tồn tại dưới các mạch nước ngầm, các tảng băng lớn…[9]. Đồng thời, với tình trạng gia tăng dân số, nóng lên toàn cầu bởi biến đổi khí hậu hiện nay cùng với sự phát triển vượt bậc của các ngành công nghiệp cũng như sự tiêu thụ quá mức gây lãng phí đã dẫn đến nguồn nước ngọt bị khan hiếm và ô nhiễm cực kì nặng nề [10, 11]. Một số biện pháp đã được đưa ra nhằm giải quyết tình trạng trên, tuy nhiên chủ yếu tập trung vào hai hướng chính là xử lí nguồn nước ô nhiễm và khử mặn. Việc xử lí nguồn nước ô nhiễm được tập trung tại các thành phố lớn, khu đông dân cư cũng như các xí nghiệp, nhà máy nhằm đáp ứng với nhu cầu sử dụng cực kì lớn tại các khu vực này.
Trong khi đó, các công nghệ khử mặn được xây dựng và lắp đặt tập trung tại các khu vực thiếu hụt nguồn nước ngọt trầm trọng hay các thành phố, khu vực đông dân ven biển. a) Xử lí nguồn nước ô nhiễm Ngày nay, quá trình xử lí nguồn nước ô nhiễm đã và đang được thực hiện với nhiều biện pháp xử lí khác nhau cũng như trong nghiên cứu nhằm phát triển các phương pháp mới với mục đích nâng cao hiệu quả xử lí. Các phương pháp xử lí nguồn nước ô nhiễm[12],[13] Công Phương Đặc điểm nghệ pháp Xử lí các chất ô nhiễm bằng gốc OH- thông qua phản ứng Oxi hóa giữa H2O2 Sử dụng nguồn ozone có tính oxy hóa mạnh đối với các tác Ozon hóa nhân gây ô nhiễm Xử lí hóa học Sử dụng nguồn sáng (UV, bức xạ mặt trời, ánh sáng nhìn Quang hóa thấy) để xử lí các tác nhân gây ô nhiễm Sử dụng nguồn phát xạ của siêu âm, vi sóng tác động đến các Chiếu xạ tác nhân gây ô nhiễm Sử dụng quá trình oxi hóa-khử với sự có mặt của oxy và các Điện hóa chất xúc tác nhằm phân hủy các tác nhân gây ô nhiễm Phân hủy sinh học đối với các cấu tử hữu cơ từ sự hỗ trợ phát Xử lí sinh học triển của một số vi sinh vật, vi khuẩn và nấm. Sử dụng nguyên lí trao đổi ion nhằm hòa tan cấu tử ô nhiễm Trao đổi ion hoàn toàn trong nước Xử lí vật Tách lọc bằng Sử dụng các loại màng lọc, module màng nhằm phân riêng lí màng các cấu tử gây ô nhiễm Làm lắng, đông tụ các chất rắn lơ lửng có trong nước bởi các Kết tụ muối có khả năng kết tụ Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để xử lí nguồn nước ô nhiễm, tuy nhiên việc đánh giá chất lượng và tiêu chuẩn phù hợp với yêu cầu xả thải còn tùy thuộc vào đặc điểm và tính chất của từng phương pháp cụ thể.
Với sự phát triển nhanh chóng trong vài thập kỷ qua, công nghệ tách lọc bằng màng đang được xem là giải pháp tiên phong trong việc xử lí nguồn nước ô nhiễm. Công nghệ tách lọc bằng màng được biết đến là phương pháp có chi phí đầu tư và vận hành thấp, năng lượng tiêu thụ không cao hơn so với những phương pháp Trang 3 / 145 truyền thống cũng như hiệu quả xử lí cực cao. Mặt khác, với khả năng hoạt động trong môi trường không hóa chất, công nghệ màng lọc hoàn toàn tiếp cận dễ dàng với nhiều đối tượng sử dụng khác nhau vì không ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và thân thiện với môi trường. Từ đó, việc cân bằng giữa vấn đề kinh tế và bền vững dựa trên công nghệ lọc tách bằng màng đã mang lại nhiều hiệu quả hơn so với những phương pháp khác[14].
b) Khử mặn Với tình trạng dân số tăng nhanh dẫn đến việc thiếu hụt nguồn nước ngọt ngày càng lớn, dự báo đến năm 2025 sẽ có khoảng hai phần ba dân số trên thế giới sẽ đối mặt với tình trạng này. Do đó, việc chỉ tận dụng khả năng xử lí nguồn nước ô nhiễm vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu trên thế giới, chính vì vậy việc xem xét khử mặn nguồn nước biển thành nước ngọt đang được xem là giải pháp tối ưu hàng đầu. Công suất khử mặn không ngừng tăng nhanh theo từng năm (38 tỉ mét khối năm 2016, gấp đôi năm 2008), đáp ứng cho gần 300 triệu người (vào năm 2013).[15] Công nghệ khử mặn hiện nay bao gồm hai phương pháp sản xuất chính, đó là sử dụng quá trình nhiệt để làm bốc bay nguồn nước mặn và sử dụng công nghệ màng lọc. Trong đó, khoảng 63,7% lượng nước ngọt được sản xuất từ công nghệ màng lọc nước biển RO (SWRO) và 34,2% lượng nước ngọt được sản xuất từ các công nghệ xử lí dựa trên nguồn nhiệt (MSF và MED) [16], ngoài ra còn có một số phương pháp khác như thẩm phân điện (ED), lọc nano (NF)… tuy nhiên chiếm tỉ trọng không cao.
Các công nghệ khử mặn được sử dụng hiện nay. a) Công nghệ khử mặn đa hiệu ứng; b) công nghệ khử mặn đa giai đoạn và c) công nghệ khử mặn bằng màng.[17] Từ những vấn đề trên, nhận thấy rằng công nghệ màng lọc chiếm phần lớn thị phần so với các công nghệ còn lại nhờ vào hiệu quả tách lọc cao cũng như chi phí xây dựng và vận hành cực kì thấp, đặc biệt khả năng tiêu thụ năng lượng không đáng kể. Điều này đã làm giảm sự tác động gián tiếp của quá trình xử lí và tái tạo nguồn nước ngọt thông qua công nghệ màng lọc đến môi trường. Do đó, việc đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển công nghệ màng được xem là giải pháp cần thiết để giải quyết các vấn đề thiếu hụt nguồn nước ngọt hiện nay cũng như đáp ứng kịp thời các nhu cầu trên mọi lĩnh vực.
Công nghệ màng lọc trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm Trong lĩnh vực thực phẩm, hệ thống màng được sử dụng phổ biến cho các quy trình tách lọc với các công nghệ màng đặc trưng như lọc vi lọc – MF, lọc nano – NF[18-21]. Có hai giai đoạn chính trong lĩnh vực này liên quan đến quá trình phân tách: (i) Phân riêng pha hỗn hợp và (ii) xử lí nguồn nước thải sau quá trình sản xuất. Đối với phân riêng pha, công nghệ màng được sử dụng cho việc phân tách hoàn toàn hai pha riêng biệt có trong hỗn hợp, Trang 5 / 145 thường là rắn-lỏng (ví dụ: sản xuất nước ép, bia, chiết tách…). Trong khi đó, quá trình xử lí nguồn nước thải sau cùng thông qua công nghệ màng với mục đích loại bỏ tối đa các cấu tử gây ô nhiễm phát sinh trong quá trình chế biến, chiết tách… trước khi đưa nguồn nước ngọt trở lại môi trường.
Do đó, chức năng chính của công nghệ màng trong lĩnh vực thực phẩm bao gồm: hoàn nguyên và tái tạo nguồn nước sử dụng; cô đặc/chiết xuất và tách giai đoạn[22]. Kích thước các cấu tử và phạm vi loại bỏ hiệu quả của các màng động lực áp suất trong lĩnh vực tách lọc thực phẩm. Các kiểu màng phổ biến hiện nay được áp dụng trong lĩnh vực thực phẩm có thể kể đến như: nhóm màng động lực áp suất; màng thẩm tách và màng khử muối[22, 23]. Tùy thuộc vào cơ chế tách lọc mà có thể áp dụng phù hợp các công nghệ màng cụ thể cho từng quy trình, giai đoạn xử lí khác nhau.
Bên cạnh hiệu quả mang lại cho lĩnh vực thực phẩm, công nghệ màng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm lớn như: tắc nghẽn màng[20], dễ dàng bị ảnh hưởng bởi điều kiện thông số môi trường hoạt động, khó khăn trong quá trình vệ sinh[24]. Bên cạnh đó, do nhu cầu tách lọc tăng cao cùng với đối tượng phân riêng ngày Trang 6 / 145 càng phức tạp cũng như quá trình xử lí dòng thải đòi hỏi hiệu quả hoàn nguyên nguồn nước tốt hơn, những điều này đang đẩy các công nghệ màng đến với nhiều thách thức và khó khăn. Chính vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển cũng như cải thiện các công nghệ màng đang được xem là hướng đi chính hiện nay nhằm giải quyết các nhược điểm còn tồn đọng cũng như nâng cao hiệu quả tách lọc của màng trong lĩnh vực thực phẩm. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG LỌC THẾ GIỚI 1.
Tình hình chung Ngày nay, công nghệ màng lọc được phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi vào các mục đích khác nhau nhờ vào các đặc tính nổi bật như thông lượng dòng thấm qua màng lớn, hiệu suất tách lọc, khử mặn cao và linh hoạt[25]. Được biết, công nghệ màng lọc hiện nay đang là giải pháp tối ưu nhằm giải quyết tình trạng khan hiếm nguồn nước ngọt trên toàn cầu và chiếm 53% tổng thị phần trên thế giới[26, 27]. Đối với lĩnh vực nghiên cứu, tính từ năm 1960 đã có khoảng >50,000 bài báo liên quan đến công nghệ màng nói chung, trong đó khoảng hai phần ba bài được xuất bản từ năm 2008 đến 2017 [28]. Các công nghệ màng hiện nay được sử dụng rộng rãi phần lớn là các màng sử dụng động lực áp suất như màng vi lọc (MF), màng siêu lọc (UF), màng lọc nano (NF) và đặc biệt là màng thẩm thấu ngược (RO) [29].
Dựa trên loại vật liệu chế tạo, màng được phân loại thành màng vô cơ và màng hữu cơ.