bài giảng màng lọc

1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
CHƢƠNG 7
CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC
2011

2. GiỚI THIỆU
CHUNG
CÔNG THẦM THẤU
LÝ THUYẾT NGHỆ NGƯỢC, SIÊ
MÀNG LỌC MÀNG U LỌC, VI
LỌC LỌC
CÁC LOẠI
MÀNG
2

3. T SÔ T NGƢ RIÊNG
ng c - membrane m u - osmosis
ch m ( c trong) – permeate m u c (reverse osmosis -
(filtrate) RO)
ch c – retentate (concentrate) c nano (nanofiltration – NF)
Dung ch – solution Siêu c (ultrafiltration –UF):
Dòng lưu chất ban u – feed Vi c - (microfiltration – MF)
c vuông c (dead-end filtration)
c p n (crossflow filtration)
c - filtration
3

4. I. I M VÊ NH LỌC MÀNG
ng c – o n ngăn ch a
c pha, n chê sư n n qua
i a c cơ t t ch n
c.
• u c i ng c không i
ng
• Mang n ch âm/dương
• Trung a vê n ch
nh n n t t qua
ng:
 Do tư n ng
 Do ng đô
 Do p t
4

5. CƠ CHÊ C NG-PHƢƠNG PHÁP LỌC TIẾP TUYẾN
(CROSSFLOW FILTRATION)
• ng y theo 2 ng : vuông c va p n i bê t a
ng
• Permeate (filtrate)– ng m( c trong) = ng n m đi qua
ng
• Retentate – ng cô c ( ch c) = ng ng n m không đi
qua ng.
5

6. PHÂN I C NH C NG
 c nh a t n ch ( ch c phân tư, c nh a ly, n c a
c phân tư…)
 ng c n c t qua ng
 c nh i ng
 ch c a c n tư so i ch c a lô c….
ƢU M A CÔNG NGHÊ NG C
 Công nghê ch va dê n nh
 thê thay thê c u nh a ly n ng: c, chưng t,
trao i ion
 o ra n m t ng cao
 n i cho c t kê ng hê ng nh linh t cao
6

7. ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT MÀNG LỌC
 CNTP: lọc trong/xử lý nước uống
cô đặc nước trái cây, sữa
 CNMT: xử lý nước thải
khư ng va m m c,
khư u va c t u cơ a tan
 CNSH: thu hoạch sinh khối
cô đặc/ phân tách tế bào protein
 CNHH: tách dầu, trích ly dầu
tách muối
loại kim loại nặng
thu hồi chất xúc tác
 Y học: cô đặc chất kháng sinh trong dung môi hữu cơ
7

8. II. PHÂN I NG C
Phân i theo u u c ng ng
c
u c t ng ng
Phân i theo nh ng ng
ng
nh tru
Phân i theo n ng u cơ (polymer)
t a c
ng vô cơ (ceramic)
8

9. C NH A T SÔ I NG C
Màng hữu cơ Màng vô cơ
Cellulose acetate (CA) Polyamide Polysulfone Ceramic
• Tmax (oC) ≤35 40 • Tmax (oC) ≤ 50 • Tmax (oC) ≤ • Tmax (oC) ≤ 350
• pH = 3 8 • pH= 3 11 75 • pH= 0,5 13
• ưa c, • m n hơn i • pH =1 13 • trơ i c a
• ng nh lô c chlorine • n i t như acid, m,
thê dao ng t • ng permeate dê chlorine chlorine
ng t n c n u p c • kha dê vơ
• gia nh p m • gia nh cao,
• m n i c t • ky c • ng nh lô mao
y a công p như n n (d> 10-2 µm)
chlorine,
• dê phân y sinh
c
9

10. ĐẠI LƢỢNG ĐẶC TRƢNG CỦA MÀNG LỌC
 Đường kính lỗ mao dẫn
 Mật độ mao dẫn: tỷ lệ phần trăm giữa tổng diện tích mặt cắt các ống mao dẫn trên
toàn bộ diện tích bề mặt màng
 Độ xốp: tỷ lệ phần trăm giữa tổng thể tích các ống mao dẫn và thể tích màng
 Khả năng chịu nhiệt
 Khả năng chịu dung môi
 Độ bền sinh học
 Độ vô trùng
 Độ dày
 Độ tro: hàm lượng tro tính theo phần trăm so với tổng khối lượng chất khô trong
màng
 Tính ưa nước/ kỵ nước
 Độ chiết: tỷ lệ phần trăm giữa hàm lượng chất chiết được so với tổng lượng chất khô
trong màng. Độ chiết thể hiện mức độ tinh sạch của màng.
 Khả năng phân riêng
 Tốc độ qua màng của dòng permeate
10

11. YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NĂNG SUẤT LỌC
 Dòng lưu chất ban đầu: nồng độ, thành phần, kích thước phân tử, điện cực
các phân tử, độ nhớt, pH
 Đặc tính, cấu tạo của màng lọc: ưa nước, kỵ nước….
 Tương tác ions, điện cực giữa lưu chất ban đầu và màng lọc
 Điều kiện vật lý, động lực học của quá trình: áp suất qua màng, vận tốc lọc,
nhiệt độ
 Yêu cầu chất lượng của dịch sau khi lọc (permeate)
11

12. MỘT SỐ ĐẠI LƢỢNG ĐẶC TRƢNG CHO QUÁ TRÌNH LỌC
1.Vận tốc tiếp tuyến Uc (m/s):
Uc = Q/ S
Q – lưu lượng dịch đặc (retentate) (l/h)
S – diện tích màng lọc (m2)
2. Hằng số Reynolds (Re)
Re = Uc*p*d/ µ*T
µ - độ nhớt của lưu chất ban đầu(Pa.s)
p- khối lượng riêng của lưu chất ban đầu (kg/m3)
d – đường kính trong của màng (m)
3. Định luật Darcy tại thời điểm t
Jo = Ptm/ µ*Rm = Lp * Ptm
Rm= 32*X/e*d2
Jo – dòng thấm (l.h-1.m-2) hoặc m.s-1 (1m .s-1=3,6.10-6 l.h-1.m-2)
Ptm – áp suất qua màng (bar hoặc atm)
Rm – trở kháng nội tại của màng (m-1)
Lp – tính thấm nước của màng
X – bề dày của màng (m)
d – đường kính lỗ lọc (m)
e – độ rỗng của màng (m) 12

13. III. C PHƢƠNG P C NG
13

14. • Gia nh i ng
RO> NF>UF>MF
14

15. nh u c màng lọc i ng
Vi c Vi p i ng Cellulose nitrate or
Microfiltration (symmetric microporous) acetate, polyvinylidene
(MF) difluoride (PVDF),
polyamides, polysulfone,
polytetrafluoroethylene
(PTFE)
Siêu c Vi p không i ng Polysulfone,
Ultrafiltration (Asymmetric microporous) polypropylene, PTFE,
(UF) polyvinyl chloride (PVC)
c nano Thin-film membrane Cellulose acetate, aromatic
Nanofiltration(N polyamide
F)
m u c Asymmetic skin-type Cellulose acetate, aromatic
Reverse osmosis polyamide
(RO) 15

16. 1.VI C (MICROFILTRATION – MF)
• ch lọc ng n tư ch c, phân tư i khá n so với các quá
trình màng khác như: c vi n, vi sinh t, c t lơ ng kha nho, c
phân tư phân tư ng n, c t sơn trong công nghê sơn phun…..kích
thước của các phần tử này d = 0,1 10 µm
2.SIÊU C (ULTRAFILTRATION – UF)
 Sử dụng màng hoặc để phân tách dòng chất lỏng hoặc để loại các phân tử
hòa tan có trong dòng.
 Loại trừ vi khuẩn, một vài loại protein, thuốc nhuộm và các cơ chất có
phân tử lượng lớn hơn 10.000dalton, và các hạt có kích từ 10-1000Å.
 Hiệu quả UF phụ thuộc vào khối lượng của phần tử muốn tách và kích
thước của chúng
 UF rất hữu hiệu trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ.
16

17. 3.LỌC NANO (NANOFILTRATION –NF)
 Sử dụng màng để tách dòng chất lỏng hoặc các phân tử chất có trong
dòng.
 Có khả năng giữ các phân tử đường, muối kim loại hóa trị II, vi khuẩn,
proteins, các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ ,các phần tử hòa tan
có khối lượng phân tử lớn hơn 1000daltons.
 Hiệu quả của NF chịu ảnh hưởng bởi điện tích phân tử, các hạt có điện
tích càng lớn thì càng dễ bị giữ lại.
M U C (REVERSE OSMOSIS -RO)
• Loại bỏ các loại ion ,vi sinh vật, khoáng chất, đường, protein, thuốc
nhuộm, đặc biệt là các muối vô cơ (phân tử lượng 150-250 daltons, kích
thước 1-10Å)
• Sản xuất nước tinh khiết đóng chai
• Tái sử dụng (lọc lại) nước tiểu của các nhà du hành vũ trụ thành nước
uống trên các trạm vũ trụ
• Lọc nước biển thành nước ngọt
17

18. CƠ CHẾ CỦA M U C (REVERSE OSMOSIS -RO):
m u (osmosis): m u c (reverse
osmosis):
18

19. 19

20. Gián
đoạn
QUÁ TRÌNH
PHÂN
RIÊNG
BẰNG
MEMBRANE
Liên
tục

21. QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG GIÁN ĐOẠN
a. Mô hình hồi lƣu toàn phần
retentate
1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- thiết bị lọc
4- thiết bị membrane
5- van điều chỉnh
6- thiết bị trao đổi nhiệt

22. QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG GIÁN ĐOẠN
b. Mô hình hồi lƣu một phần
retentate
1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- bơm hồi lưu
4- thiết bị membrane

23. QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC
a. Mô hình đơn giản
1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- thiết bị membrane

24. QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC
b. Mô hình hồi lƣu một phần retentate
retentate
1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- bơm hồi lưu
4- thiết bị membrane

25. QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG LIÊN TỤC
c. Mô hình nhiều giai đoạn
1- bồn nguyên liệu
2- bơm nguyên liệu
3- bơm hồi lưu
4- thiết bị membrane
5- van điều chỉnh

26. MÔ HÌNH
ỐNG
THIẾT BỊ MÔ HÌNH
MÔ HÌNH
CUỘN
SỢI MEMBRANE XOẮN
MÔ HÌNH
BẢNG/
TẤM

27. 1.MÔ HÌNH ỐNG (TUBULAR MODULE)
d =12,5 75 mm
l = 0,6 6,4 m 27

28. 1.MÔ HÌNH ỐNG (TUBULAR MODULE)
28

29. 1.MÔ HÌNH ỐNG (TUBULAR MODULE)
29

30. MÔ HÌNH SỢI (HOLLOW FIBER MODULE)
d =2,5 12,7 cm d =0,2 3 mm
l = 18 120 cm d =0,04 mm
50 3000 sợi 30

31. MÔ HÌNH SỢI (HOLLOW FIBER MODULE)
31

32. MÔ HÌNH SỢI (HOLLOW FIBER MODULE)
32

33. MÔ HÌNH BẢNG/TẤM (PLATE MODULE)
33

34. MÔ HÌNH CUỘN XOẮN (SPIRAL - WOUND MODULE)
34

35. 35