CHƯƠNG 1. Giới thiệu chung về màng lọc và phương pháp tách bằng màng 1. Các quá trình màng dùng động lực áp suất [11, 20] Các quá trình màng động lực áp suất chủ yếu gồm: vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược. Việc phân chia các quá trình màng dựa theo kích thước lỗ của màng và cũng chỉ mang tính tương đối.
Sản phẩm của quá trình lọc màng gồm hai phần: dịch lọc và dịch lưu giữ. Quá trình màng có thể sử dụng để làm sạch dung môi hay làm đậm đặc một dung dịch hoặc phân tách một hỗn hợp. Màng vi lọc Màng vi lọc có thể là màng đối xứng hoặc bất đối xứng, kích thước lỗ màng trong khoảng 0. Vật liệu để chế tạo màng là các loại polyme như PTFE, teflon, PVDF, PP, PE, PES,… hoặc vật liệu vô cơ như Al2O3, ZrO2, TiO2.
Màng vi lọc (MF) dùng để loại bỏ các thành phần có kích thước tương đối lớn như chất lơ lửng, mảnh tế bào.Màng vi lọc thường được dùng để lọc làm sạch nước đơn giản ở các công đoạn cuối, lọc nước ép trái cây, sữa, rượu vang, bia và dược phẩm. Màng vi lọc có thể làm việc ở áp suất tương đối thấp, từ 1 đến 5 bar. Màng siêu lọc Siêu lọc (UF) là quá trình dùng để lọc tách các thành phần có kích thước nhỏ hơn so với vi lọc như dầu, hydroxit kim loại, chất keo, nhũ tương, vi khuẩn, các phân tử lớn trong nước và dung dịch. Màng siêu lọc có kích thước lỗ bề mặt phổ biến trong khoảng từ 10 đến 100 nm.
Vật liệu chế tạo màng là một số loại polyme như polysulfone, Polyethersulfone, Poly(vinylidende flouride), Polyacrylonitrile, cellulose acetate, Polyimit … Ngoài ra, một số vật liệu vô cơ (ceramic) cũng được sử dụng để chế tạo màng siêu lọc, đặc biệt là Al2O3 và ZrO2. Màng siêu lọc còn được dùng làm lớp đỡ cho màng composite dùng trong thẩm thấu ngược, lọc nano, tách khí. Màng UF được ứng dụng trong lọc dầu, nước ép trái cây, sữa, sơn, dược Nguyễn Thị Minh Phương 2 K24 - Kỹ thuật Hóa học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học phẩm, rượu bia, nước giải khát. Màng siêu lọc còn có ứng dụng trong xử lý nước thải của các ngành công nghiệp mạ điện, công nghiệp dệt nhuộm, công nghiệp giấy, công nghiệp sản xuất nước sạch và siêu sạch.
Màng lọc Nano Màng lọc Nano ( NF ) có kích thước lỗ nhỏ hơn 2nm, thường được sử dụng để loại bỏ các muối tan, các chất hữu cơ khối lượng phân tử thấp, có thể loại bỏ virus và hầu hết các hợp chất hữu cơ tự nhiên (NOM) trong nước. Các màng NF thường được dùng cho quá trình khử muối nước lợ, làm mềm nước cứng, loại bỏ thuốc trừ sâu, tách loại phẩm nhuộm, tách loại axit humic và các chất hữu cơ tự nhiên tan trong nước. Màng thẩm thấu ngược Màng thẩm thấu ngược ( RO ) có kích thước lỗ vô cùng nhỏ, khoảng 0. Màng RO được chia làm ba loại chính: desalination dùng cho tách nước ngọt từ nước biển, nước lợ, tách muối trong dung dịch nước nồng độ 0.5 đến 5 wt%; nanofiltration dùng cho tách loại muối trong nước có nồng độ 200- 5000 ppm; hyperfiltration thường dùng để tách các chất tan trong dung môi hữu cơ.
Ngoài việc loại bỏ tất cả các chất hữu cơ và virus, màng RO có khả năng loại bỏ được hầu hết các ion, các khoáng chất có trong nước. Màng RO được ứng dụng phổ biến trong khử muối, khử mặn, khử khoáng để sản xuất nước tinh khiết với tính kinh tế cao hơn nhiều so với phương pháp chưng cất. Từ vi lọc, siêu lọc, lọc nano tới thẩm thấu ngược, kích thước tiểu phân có thể được lưu giữ bởi màng giảm dần, trở khối của màng tăng dần, do đó động lực áp suất của quá trình tăng dần. So sánh sự khác nhau giữa các loại màng được đưa ra ở Bảng 1.
Giới hạn tách của các loại màng dùng động lực áp suất được biểu diễn trong Hình 1. Nguyễn Thị Minh Phương 3 K24 - Kỹ thuật Hóa học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học Bảng 1. So sánh giữa vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược Vi lọc Siêu lọc Lọc nano Thẩm thấu ngược Loại màng Đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng Vật liệu Polyme, sợi Polymer, Polyme Polyme gốm…. gốm… Kích thước 0.05-10 µm 10-100 nm < 2 nm Vô cùng nhỏ Áp suất (P) < 2 bar < 10 bar 15-25 bar > 25 bar Cơ chế tách Sàng lọc Sàng lọc Hòa tan Thấm khuếch tán khuếch tán Ứng dụng Lọc trong, Lọc tách (thực Làm ngọt Làm ngọt nước lọc tách phẩm, dược nước lợ, làm mặn, làm sạch phẩm, y tế.) sach nước ô nước ô nhiễm….
Giới hạn tách của các loại màng lọc dùng động lực áp suất 1. Cơ chế tách qua màng Thuyết sàng lọc Thuyết này cho rằng màng gồm nhiều mao quản có kích thước lỗ xác định. Cấu tử nào có kích thước bé hơn kích thước mao quản thì sẽ vận chuyển qua màng, Nguyễn Thị Minh Phương 4 K24 - Kỹ thuật Hóa học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học còn cấu tử có kích thước lớn hơn thì bị giữ lại. Thuyết này chỉ phù hợp để giải thích cho các quá trình siêu lọc và vi lọc.
Thuyết hòa tan khuếch tán Thuyết này cho rằng dưới động lực áp suất cao, dung môi và chất tan đều khuếch tán qua màng. Các phân tử sau khi thẩm thấu vào màng sẽ khuếch tán, nhưng dòng khuếch tán chất tan và dòng khuếch tán dung môi khác nhau về tốc độ, tốc độ này tỉ lệ với hệ số khuếch tán của chúng trong màng. Hệ số khuếch tán của dung môi càng lớn và của chất tan càng nhỏ thì quá trình tách càng hiệu quả. Thuyết này cho thấy ảnh hưởng của vật liệu tạo màng đến hiệu quả tách.
Thuyết mô hình mao quản Thuyết này cho rằng màng bán thấm được cấu tạo từ nhiều mao quản, trên bề mặt màng bán thấm và trong ống mao quản hình thành một lớp nước liên kết hấp phụ. Do tác dụng của các lực hoá lý, lớp nước hấp phụ này đã mất đi một phần hay toàn bộ khả năng hoà tan chất tan, vì thế nó không cho chất tan đi qua các ống mao quản. Nếu các ống mao quản có đường kính đủ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nước liên kết hấp phụ thì màng chỉ cho nước tinh khiết đi qua. Thuyết hòa tan khuếch tán và mô hình mao quản có thể dùng để giải thích cho các quá trình lọc nano và thẩm thấu ngược.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng Sự phân cực nồng độ 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 có thể kết tủa trên bề mặt màng, đồng thời làm tăng vọt áp suất thẩm thấu, do đó hiệu quả tách của màng giảm đi nhiều. Nguyễn Thị Minh Phương 5 K24 - Kỹ thuật Hóa học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học Có nhiều cách có thể dùng để làm giảm sự phân cực nồng độ trên bề mặt màng như: cho dung dịch trượt trên bề mặt màng với tốc độ lớn hoặc tạo dòng xoáy.
Đối với thiết bị phòng thí nghiệm có thể tạo ra dao động rung hoặc khuấy để làm mất đi sự phân cực nồng độ trên bề mặt màng. Ảnh hưởng của áp suất làm việc Áp suất làm việc ảnh hưởng nhiều đến quá trình tách bằng màng. Đối với quá trình tách qua 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 R hầu như không thay đổi, trong khi lưu lượng lọc vẫn tăng theo áp suất. Tuy nhiên, chỉ nên tăng áp suất tới một giá trị xác định, để bảo vệ màng và thiết bị.
Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách Trong dung dịch chất tan được sonvat hóa (hay còn gọi là hydrat hoá khi dung môi là nước). Các ion chất tan được bao bọc bởi hai lớp vỏ hydrat hóa gần và hydrat hóa xa. Hydrat 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 hyđrat thứ nhất có thể liên kết với các phân tử nước ở ngoài để thành lớp vỏ hydrat thứ hai, hiện tượng này gọi là hydrat 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 hydrat, đồng thời trong dung dịch vẫn tồn tại các phân tử nước ở 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 hydrat. Do hiện tượng hydrat hoá nên các ion chất tan bị giữ laị trên màng thẩm thấu ngược và lọc nano, trong khi nước hoặc dung môi có thể vận chuyển qua màng một cách dễ dàng. Đặc tính vật liệu màng lọc Các tính chất của vật liệu màng lọc đóng vai trò quyết định đến hiệu quả tách của một quá trình màng.
Bên cạnh các đặc tính cấu trúc như kích thước lỗ, mật độ Nguyễn Thị Minh Phương 6 K24 - Kỹ thuật Hóa học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Khoa học lỗ, độ xốp, chiều dày. thì bản chất của vật liệu màng lọc như tính ưa nước hay ưa dung môi cần lọc, độ bền nhiệt, bền hóa học, bền cơ học cũng là các yếu tố rất quan trọng [26]. Ngoài ra, một trong những vấn đề hết sức có ý nghĩa đối với các quá trình lọc màng là khả năng chống tắc (fouling) của vật liệu màng. Màng lọc tốt phải có năng suất lọc tốt và độ lưu giữ cao, có khả năng chống tắc tốt, tuổi thọ cao và dễ làm sạch.