Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 3 : Qúa trình phân riêng bằng Membrane

Chương 3 : Qúa trình phân riêng bằng Membrane

Tải bản đầy đủ - 0trang





Membrane tổng hợp: là loại màng chế tạo từ các vật liệu tổng hợp. Được chia làm hai



nhóm chính:



Trong







Membrane hữu cơ –organic (polymer của các hợp chất hữu cơ)







Membrane vô cơ –inorganic (Ceramic hoặc kim loại)

đó,



polymer



(cellulose



acetate,



cellulose



esters,



polypropylene



polyamides,



polysulfones…) và ceramic ( alumiana, titania, zirconia,…) sử dụng phổ biến nhất.

Theo kích thước mao quản

Theo kích thước lỗ mao quản được chia ra làm 4 loại: màng thẩm thấu ngược (RO –Reverse Osmosis),

màng lọc nano (NF –Nanofiltration), màng siêu lọc (UF –Ultrafiltration) và membrane vi lọc (MF –

Microfiltration) [26]



Hình 21.Phân loại membrane theo kích thước mao quản



Theo cấu trúc membrane





Membrane có cấu trúc vi xốp: dựa vào kích thước và sự phân bố các mao quản trong



membrane, người ta chia ra làm hai loại :



Hình 22.Cấu trúc bề mặt Membrane vi xốp





Đẳng hướng:







Khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử, membrane có cấu trúng đẳng hướng bao gồm một



lớp màng duy nhất với độ dày trung bình 0,050,2 m. Các ống mao dẫn trên membrane có

đường kính khơng đổi, được bố trí song song với nhau và cùng vng góc trên bề mặt membrane.





Membrane vi xốp được chế tạo bằng một số kĩ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha…



từ nhiều vật liệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại hoặc các polymer.



Cấu trúc lỗ hình trụ



Cấu trúc vi xốp



Cấu trúc đồng thể



Hình 23.Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng





Bất đẳng hướng:







Membrane được cấu tạo từ hai lớp màng kết dính vào nhau. Lớp trên cũng được gọi là lớp



bề mặt có độ dày từ 0.1  0,5 m. Đường kính các mao dẫn của lớp bề mặt thường rất nhỏ. Lớp

bên dưới có độ dày dao động trong khoảng 100200 m. Đường kính các lỗ mao dẫn của lớp này

khác lớn. Lớp bên dưới có chức năng làm tăng độ bền cơ học cho membrane.







Membrane loại này thường được sử dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm thấu ngược,



tinh sạch khí…

Bảng 2.Tính chất và ứng dụng của một số loại membrane vi xốp

Kích thước lỗ mao quản (m)



Ứng dụng



Ceramic, kim loại



0,1 -20



Vi lọc



Polyethylene (PE)



0,5 -10



Vi lọc



Polytetrafluoroethylene (PTFE)



0,5 -10



Vi lọc



Polycarbonate (PC)



0,02 -10



Vi lọc



Cellulose nitrate (CN), Cellulose acetate (CA)



0,01 -5



Vi lọc, siêu lọc



Vật liệu







Membrane đồn g thể dạng lỏng (Homogeneous liqiud Membrane): Là một lớp



chất lỏng rất mỏng. Khó khăn nhất đối với loại membrane này là duy trì lớp màng ổn định về mặt

cấu trúc cũng như đặc tính của nó. Để tránh sự phá vỡ cấu trúc của membrane trong quá trình

phân riêng, hiện này hai kĩ thuật thường được dùng là sử dụng chất nhũ hóa hoặc các vật liệu

polymer có cấu trúc vi xốp với độ bền cơ cao để chứa chất lỏng bên trong. Membrane dạng lỏng

thường dược dùng để tách các ion kim loại nặng, các chất vô cơ từ nước thải công nghiệp.





Membrane trao đổi ion (Ionic Membrane)



Membrane trao đổi ion là membrane mà trên bề mặt có nhiều điện tích âm hoặc dương.

Có hai loại trao đổi ion:





Membrane trao đổi ion âm







Membrane trao đổi ion dương



Hai loại membrane này sẽ hấp thu các ion có điện tích trái dấu so với ion trên bề mặt membrane và

không cho các ion này đi qua. Sự phân riêng bằng membrane trao đổi ion đạt được chủ yếu do q trình

tách những ion tích điện trái dấu với membrane hơn là do kích thước lỗ mao quản. Sự phân riêng này bị

ảnh hưởng bởi điện tích và nồng độ của những ion trong dung dịch. Membrane trao đổi ion thường được

dùng trong kỹ thuật điện thẩm tích.

1.3.Vật liệu chế tạo membrane

Cellulose acetate (CA)







Cellulose acetate là polymer của các phân tử -glucose liên kết với nhau bởi -1,4



glucoside và được acetyl hóa chủ yếu tạo vị trí –OH của C2, C3 hoặc C6 còng hexose. Cellulose

acetate được sản xuất bằng phương pháp acetyl hóa cellulose với acetic anhydride,acetic acid và

sunfuric acid. Sau phản ứng nếu có hơn 92,5% sốc hydrosyl –OH tự do trong phân tử cellulose bị

acetyl hóa thì sản phẩm thu được là cellulose triacetate. Các sản phẩm triacetate thương mại có

độ polymer hóa từ 100300, tương đương với phân tử lượng khoảng 2500080000.





Cellulose acetate (CA) là vật liệu được sử dụng chế tạo và úng dụng đầu tiên trong



các kỹ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano, siêu lọc



Hình 24.Phân tử cellulose





Nhược điểm của vật liệu này là kém bền đối với nhiệt độ, pH và có thể bị phá hủy



bởi vi sinh vật,





Tuy nhiên, chế tạo bằng vật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước và ít bị



tắt nghẽn (fouling) hơn các loại membrane khác.

Polyvinylidenedifluoride (PVDF)

Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống. Tuy nhiên, kỹ thuật chế

tạo membrane từ vật liệu này rất khó khăn và các tính chất, cấu trúc kém ổn định nên ít được sử dụng

( CH2 CF2)n

Polysulfone (PS)

Polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọc và vi lọc

Ưu điểm có khả năng chịu được pH và nhiệt độ cao. Loại vật liệu này được sử dụng rất nhiều trong

các nhà máy thực phẩm, đặc biệt trong các nhà máy chế biến sữa. Về nguyên tắc,



polysulfone là vật liệu háo nước, không thế sử dụng để xử lý các chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo. Tuy

nhiên, có một số loại membrane polysulfone có thể được sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt.

Các vật liệu khác





Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường có cấu tạo



dạng ổng và lắp theo từng hệ thống.





Ưu điểm: khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng, có độ bền hóa cao và thời gian



sử dụng dài, vệ sinh đơn giản





Nhược điểm: độ bền cơ học không cao, không chịu được hiện tượng shock nhiệt,



giá thành cao.





Kim loại: kim loại thường được chế tạo membrane là paladi hoặc hợp kim của



paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim… loại membrane này được sử dụng chủ yếu

trong q trình phân riêng khí ở nhiệt độ cao (q trình tinh sạch khí Hydro từ khí thải). Bên cạnh

đó còn có các loại vật liệu khác như một số polymer tổng hợp

1.4.Cơ sở khoa học của q trình phân riêng bằng membrane

Membrane thường có độ dày rất nhỏ so với các màng lọc thông thường, độ dày tối da của membrane

chỉ lên đến vài trăm m. Đường kính các lỗ mao dẫn trên membrane cũng rất nhỏ từ 10 -4 m đến 10m. Do

đó các cấu tử rắn và các phân tử kích thước lớn khó có thể chui qua được membrane. Dưới áp lực của dòng

vào, chúng sẽ bị cuốn đi và thốt ra khỏi hệ thống tạo nên dòng retentate [27].

Cơ ché quá trình phân riêng bằng membrane là dưới tác động của các yếu tơ như áp lực, điện trường

thì các cấu tử có đường kính nhỏ hơn đường kính mao quản của membrane sẽ đi qua membrane và được gọi

là dòng permeate, còn csasc cấu tử khơng đi qua membrane gọi là dòng retentate

Tốc độ dòng permeate chịu ảnh hưởng bởi độ chênh lệch áp suất hiệu dụng giữ hai bên bề mặt

membrane. Độ chênh lệch áp suất được quyết dịnh bởi 2 yếu tố: độ chênh lệch áp suất giữa hai phía

membrane và dộ chênh lệch áp suất thẩm thấu ở hai phía của membrane [28].

Độ chênh lệch áp suất giữa hai phía của membrane: theo P.J.Fellow, áp suất chênh lệch giữa hai

màng membrane được xác định như sau:

p



��−��

2



P p



Trong đó:

- P: độ chênh lệch áp suất (Pa) qua màng

- Pf: áp suất (Pa) của dòng nhập liệu

- Pr: áp suất (Pa) của dòng retentate

- Pp : áp suât (Pa) của dòng permeate.

Áp suất thẩm thấu trong một dòng lưu chất được xác định như sau:







CRT

M



Trong đó:

- : là áp suất thẩm thấu (Pa)

-C: nồng độ của cấu tử (mol/L)

- R: hằng số nhiệt động 8.314 N.m/mol.K-1

- T: Nhiệt độ dung dịch (K)

- M: Khối lượng phân tử (g/mol). Khi là hỗn hợp của nhiều cấu tử thì M là khối lương

phân tử trung bình của tất cả cấu tử trong hỗn hợp.

Khi đó độ chênh lệch áp suât hiệu dụng qua màng được xác định:



P = P  (r p)

Trong đó:

- r: là áp suất thẩm thấu phía dòng retentate

- p: là áp suất thẩm thấu phía dòng permeate.

Như vậy, chúng ta thấy rằng, để dòng lưu chất có thể chuyển động từ phía dòng retentate sang phía

dòng permeate thì cần phải tạo ra một áp lực tối thiếu bằng tốc độ chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa 2 phía

của membrane [29].

STT

1

2

3



Q trình

Thẩm thấu

( osmosis)

Vi lọc

(microfiltration)

Siêu lọc

(ultrafiltration)



Động lực

Thế năng hóa học

Áp lực

Áp lực



Sản phẩm



Sản phẩm



retentate



permeate



Nước, chất tan

Nước, cấu tử lơ

lửng

Nước, phân tử lớn



Nước, phân tử

nhỏ

Nước, chất tan

Nước, phân tử

nhỏ



4



5

6

7



Lọc nano



Áp lực



(nanofiltration)

Thẩm thấu ngược



muối hóa trị II,



hóa trị, acid



phân tử nhỏ



khơng phân ly



chất tan



Nước



Thẩm tích



Chênh lệch nồng



(dialysis)



độ



Điện thẩm tích



Điện thế - dòng



Nước, chất tan



Nước, chất tan



(electrodialysis)



điện



khơng ion hóa



ion hóa



Nước, phân tử bay



Nước, phân tử



hơi



nhỏ dễ bay hơi



Tách cấu tử bay hơi bằng

8



Nước, ion đơn



Nước, tất cả các



Áp lực



(reverse osmosis)



Nước, acid phân ly,



Áp lực



membrane

(pervaporation)



Nước. phân tử lớn



Nước, phân tử

nhỏ



Để đánh giá hiệu quả của quá trình phân riêng bằng membrane, người ta dựa vào hai chỉ tiêu sau [30]:

 Độ phân riêng (Rejection):





R1�



��



Trong đó: Cp là nồng độ cấu tử trong dòng permeate

CR là nồng độ cấu tử trong dòng retentate

Độ phân riêng R nói lên khả năng phân riêng của membrane đối với một cấu tử có trong dung dịch

nguyên liệu ban đầu. Khi giá trị R của cấu tử khảo sát càng cao thì khả năng đi qua membrane của cấu tử đó

càng thấp. Giá trị R dao động trong khoảng [0;1]

+ Khi cấu tử khảo sát khơng đi qua membrane theo dòng permeate thì Cp=0, suy ra R=1.

+ Khi cấu tử khảo sát có thể đi qua được membrane với xác suất cao nhất thì Cp=CR, suy ra R=0.

 Lưu lượng dòng qua membrane (dòng permeate)

Trong trường hợp lý tưởng, theo mơ hình Hagen –Poiseuille thì lưu lượng dòng permeate được xác định

như sau:



.��.�2�

J32.

= 𝑥. �



Trong đó:

J là lưu lượng dòng qua membrane (L/m2.h)

 là độ xốp bề mặt của membrane (%)

2



𝑁.3,14.� �



  �4

Dp- đường kính mao dẫn (m)

x- chiều dài mao dẫn (m)

- độ nhớt của mẫu

N- số mao dẫn trong membrane



S- diện tích bề mặt hoạt động của membrane (m2)

Pt- áp lực qua membrane

1.5.Các quá trình phân riêng membrane

1.5.1. Quá trình phân riêng gián đoạn



Mơ hình hồi lưu tồn phần retentate







Đây là mơ hình đơn giản nhất. Nó thường được sử dụng ở quy mơ phòng thí nghiệm và



quy mơ pilot khi muốn tách các phân tử lượng nhỏ và làm tăng nồng độ chất phân tử lượng cao

trong mẫu khảo sát.





Hệ thống gồm nhiều thiết bị membrane, một bồn chứa nguyên liệu, một bơm, một thiết bị



lọc và một thiết bị trao đổi nhiệt. Bơm sẽ đứa nguyên liệu qua thiết bị lọc để tách các tạp chất tho



rồi cho vào thiết bị membrane. Dòng ra permeate sẽ được thu hồi riêng, còn dòng ra retentate sẽ đi qua một

thiết bị trao đổi nhiệt để ổn định nhiệt độ rồi được hồi lưu tồn phần về bồn chứa ngun liệu. Q trình sẽ

được tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tử trong retentate tăng đến giá trị mong muốn.





Mơ hình này được áp dụng để cô đặc mẫu khảo sát trong thời gian ngắn và tiết kiệm diện



tích membrane sử dụng. Trong công nghệ chế biến sữa, người ta sử dụng để cô đặc sữa hoặc

huyết thanh sữ a để thu nhận chế phẩm protein.





Mơ hình hồi lưu một phần retentate :







Đối với mơ hình này, một phân retentate sẽ được hồi lưu trở lại thiết bị membrane nhờ



một bơm hồi lưu riêng. Quá trình sẽ tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tử trong dòng retentate

đạt được giá trị mong muốn. Mơ hình này thích hợp cho phòng thí nghiệm hoặc quy mơ pilot.

1.5.2. Q trình phân riêng liên tục



Mơ hình đơn giản



Trong mơ hình này, ngun liệu từ bồn chứa sẽ được bơm vào thiết bị membrane. Chúng ta thu được

hai dòng sản phẩm ra là permeate và retentate. Khi đó, thời gian lưu của các cấu tử trong thiết bị membrane

là ngắn nhất. Mơ hình này chỉ thích hợp khi khơng đòi hỏi tốc độ cao và các cấu tử trong nguyên liệu không

tương tác với vật liệu membrane, dẫn đến hiện tượng nghẹt mao dẫn.





Mơ hình hồi lưu một phần retentate :







Khác với mơ hình đơn giản trong phân riêng liên tục, ở đây một phần retentate sẽ được



bơm hồi lưu đưa trở lại thiết bị membrane. Như vậy, chúng ta cần có hai bơm : một là cho nguyên

liệu để tạo ra một áp lực chung cho hệ thống và một bơm cho phần retentate –là động lực đẩy các

cấu tử qua màng tạo nên dòng permeate.







Mơ hình này sử dụng ở quy mơ cơng nghiệp với diện tích membrane trong hệ thống thiết



bị tử 100 m2 trở lên.





Mơ hình nhiều giai đoạn :







Ở quy mô công nghiệp, người ta sử dụng mô hình từ 3 đến 8 giai đoạn. Số bơm hồi lưu



sử dụng sẽ bằng với số giai đoạn. Ở giai đoạn đầu, tốc độ dòng đạt giá trị cao nhất nhưng trong

nồng độ cấu tử trong dòng retentate thấp nhất. Ngược lại, ở giai đoạn cuối tốc độ dòng thấp

nhưng tốc độ cấu tử trong retentate đạt giá trị cao nhất.

1.6. Các kỹ thuật Membrane

1.6.1. Kỹ thuật vi lọc (MF- Microfiltration)

Màng vi lọc Microfiltration đề cập đến quá trình sử dụng màng xốp đế tách riêng các hạt lơ lửng có

đường kính từ 0.1 đến 10 m [31].

Ứng dụng màng vi lọc đầu tiên trên quy mô lớn được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để ni vi

sinh vật trong nước uống. Đây là một phương pháp nhanh chóng để theo dõi nước bị ơ nhiễm.

Thí nghiệm đầu tiên được thực hiên bới Mueller và những người khác tại Đại học Hamburg đã dùng

một lít nước lọc qua màng lọc vi Sartorius. Vi khuẩn đã bị bắt lại bởi bộ lọc và màng sau đó đặt lên miếng

dung dịch dinh dưỡng trong thời gian 24 giờ. Các chất dinh dưỡng nuôi vi khuẩn thành khuẩn lạc đủ lớn để

đếm dưới kính hiển vi.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 3 : Qúa trình phân riêng bằng Membrane

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×