Tài liệu Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màng doc

Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màngGiảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Khái niệm Màng Membrane Sinh h

Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màng

Giảng viên: Nguyễn Minh Tân

Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn

Khái niệm Màng

Membrane

Sinh học

- Là mội lớp mỏng bao phủ bề mặt

hoặc phân chia các phần, cấu trúc

hoặc cơ quan trong cơ thể động

hoặc thực vật

- Màng tế bào

Hóa học

Mảnh vật chất mỏng được làm từ

vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có

khả năng thấm (cho đi qua) một

cách

chọn lọc một chất nào đó trong

Khái quát về kỹ thuật màng

Hemo lys iltration Blo oxy ator Wa desalin ation (waste ) W

r pu ation

Oxyge n/nge eparati on

Food cessin g (bio) C hemica dustry Electro mical i ndu

An tica l/ dianogs tic Miscel laneou s

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Grow th rate (%/year)

Thị trường màng toàn cầu năm 2000

/H Strathmann: Membrane Separation processes: Current relevance and

future opportunities AIChE Journal 47(2001),5/

2200 350

350

400

100

200

150 150

150 350

Hemodialysis/filtration Blood oxygenator Water desalination

(w aste) Water purification Oxygen/nitrogen separation Food processing

(bio) Chemical industry Electrochemical industry Analytical/ dianogstic

Miscellaneous

Doanh số bán màng và thiết bị màng

Công suất tính trên toàn thế giới và số lượng thiết bị

vi lọc/siêu lọc đã được lắp đặt dùng cho quá trình xử lý nước

Khái quát về kỹ thuật màng

Lịch sử phát triển kỹ thuật màng

Lịch sử phát triển kỹ thuật màng

J Abbe Nollet phát hiện ra hiện tượng thẩm

thấu vào năm 1748

Bài báo khoa học đầu tiên được công bố về

thẩm thấu:

J.A Nollet, Lecons de physique

experimentale,

Hippolyte-Louis Guerin and Louis-Francios

Delatour,

Paris, 1748.

Khái quát về kỹ thuật màng

Lịch sử phát triển kỹ thuật màng

1907 Bechold giới thiệu đến khái niệm về siêu lọc

1950 Hassler đề cập đến quá trình tách muối từ

nước biển

1958 Sidney Loeb và S Sourirajan nghiên cứu chế

tạo thành công màng Polymer

1961 Loeb-Sourirajan đăng ký phát minh cho

phương pháp chế tạo màng của mình

1962 Loeb-Sourirajan phát minh ra màng bất đối

xứng

Màng tế vi Microporous Membrane

Khái quát về kỹ thuật màng

Màng không lỗ

Nonpore Membrane

Màng bất đối xứng

Assymetric Membrane

Khái quát về kỹ thuật màng

Màng gốm Ceramic Membrane

Mô đun màng

Khái quát về kỹ thuật màng

Mo đun: Một phần thiết bị khép kín có chứa màng

Màng

Đầu vào

Feed

Dịch đặc

Retentat

Nước trong

Permeat

Mô đun màng

Đặc trưng của các quá trình tách dùng màng

Khái quát về kỹ thuật màng

Phân loại Các quá trình màng

10 μm

0,1 μm

1nm

Điện thẩm tích (ED) Điện thẩm tích lưỡng cực(BED)

Lỏng (F) / Lỏng (F)

Độ linh động điện

tích

Chênh lệch

điện thế

Thẩm tích(D) Thẩm tích khuêch Tán (DE) Lỏng (F) / Lỏng (F)

Hấp phụ +

Khuêch tán

Chênh lệch

nồng độ

Thấm bốc (PV) Tách hơi (VP) Tách khí (GS)

Lỏng (F) / Khí (G) Khí (G)/Khí (G) Khí (G)/Khí (G)

Hấp phụ +

Khuêch tán Bay hơi

Hấp phụ +

Khuêch tán

Chênh lệch áp

suất riêng phần

Vi lọc(MF) Siêu lọc (UF)

Lọc nano (NF) Thẩm thấu ngược (RO)

Lỏng (F) / Lỏng (F)

Cơ chế sàng

(Lọc sâu/cake

filtration) Hấp phụ +

Khuêchtán

Chênh lệch áp

suất

(chênh lệch thế

hóa)

Đối tượng phân tách

Trạng thái tập hợp

Cơ chế phân tách

Động

lực

Siêu lọc và vi lọc

• Dùng nguyên lý tách thuần vật lý

• Tiết kiệm được chi phí xử lý sơ bộ ( do có thể thay thế nhiều khâu xử lý sơ bộ)

• Đáp ứng được yêu cầu chất lượng ngày càng tăng

• Dễ dàng tự động hóa

Vi lọc

và siêu lọc

để xử lý nước

Khái quát về kỹ thuật màng

Thẩm thấu ngược

Lọc Nano

Khái quát về kỹ thuật màng

Thấm bốc

Hỗn hợp cần

phân tách

Bơm chân không

Mô Đun Màng

Dịch đặc

Dịch trong

Tách khí

Khái quát về kỹ thuật màng

Không khí

Máy nén

Lọc, làm khô Màng

Khí thải

Điện thẩm tích

Nước biển

Các khái niệm cơ bản

Khái quát về kỹ thuật màng

Cấu trúc phát triển các quá

trình màng

Phân tố màng

Quá trình

Bố trí

mô đun

Mô đun màng

Các khái niệm cơ bản

i

m &

Độ chọn lọc/Mức giữ lại – Dòng nước trong

- ĐỘ CHỌN LỌC (Sij) của màng thể hiện khả năng lựa chọn cho phép một

cấu tử nhất định nào đó thấm qua

-Năng suất của màng được đánh giá qua DÒNG NƯỚC TRONG ( ) đạt

được trong điều kiện vận hành nhất định

- Độ chọn lọc và dòng nước trong là các thông số cục bộ, thay đổi theo loại

mô đun màng, vị trí khảo sát

Khái quát về kỹ thuật màng

Dịch vào

Dịch vào

Dòng

Dịch đặc

Nước trong

Các khái niệm cơ bản

Động lực – Trở lực Dòng = Động lực/Trở lực

Phân tách H2/N2, CO2/CH4 O2/N2

Màng bất đối xứng không lỗ

Tăng áp suất phía dịch đặc lên tới 80 bar hoặc hạ áp suất phía nước trong ->

chênh lệch áp suất riêng phần

H/H Thẩm thấu khí

Phân tách các hỗn hợp chất hữu cơ

Màng bất đối xứng không lỗ

Hạ áp suất phía nước trong L/H

Thấm bốc PV

Thận nhân tạo, tuần hoan các axit

Màng đối xứng có đính các nhóm ion

Điện trường vuông góc với bề mặt màng L/L

ED

Cô đặc, phân loại các dung dịch cao phân tử,…

Màng bất đối xứng, lỗ

∆p đến 10bar L/L

UF

Phân riêng các chất tan trong dung dịch với nước

Bất đối xứng

∆p đến 60bar L/L

NF

Xử lý nước, và các dung dịch với nước

Bất đối xứng

∆p đến 200bar L/L

RO

Ứng dụng Loại màng

Động lực Pha

Quá trình

Các khái niệm cơ bản

Khái quát về kỹ thuật màng

Nguyên lý hoạt động của một số quá trình màng tiêu biểu

Thẩm thấu ngược Tách khí ( áp suất dư)

Thấm bốc Thẩm khí ( áp suất chân không)

Dịch đặc

Nước trong (lỏng)

Dịch

Nước trong (hơi)

Dịch

Dịch đặc

Nước trong

Dịch vào

(hơi)

Nước trong

Dịch đặc

Dịch vào

(lỏng)

Nước trong (lỏng) Khí trơ

Hơi

Các khái niệm cơ bản

( i) i

iT p x dx

W = ∫2

1 2 /

Động lực tổng quát – Chênh lệch thế hóa

Thế hóa của cấu tử i

Thế hóa tương ứng với công nhỏ nhất của hệ thống phải nhận được khi thực hiện sự thay

đổi nồng độ 1-> 2

k

i x x T i i

x

G

≠

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂

=

, μ

, , ln ,

0 ,

μ

Với khí lý tưởng

ln

p

p RT T

i

μ

Áp suất thẩm thấu

i i

V

RT ln ~

−

=

π

Các khái niệm cơ bản

Khái quát về kỹ thuật màng

Động lực tổng quát – Chênh lệch thế hóa

Quá trình vận chuyển cấu tử i trong quá trình Thẩm thấu ngược:

Đối với quá trình Thấm bốc (PV), có thể viết:

RO

i

~

~

, ,

nhỏ không đáng kể, có thể bỏ qua

~

p

p

Do

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

=

=

=

i iP

iS i

iP

iS i iF

iP

iS iF PV

i

y p

p V

RT V p

p x RT p

p a

μ

Đối với quá trình tách khí (GP), có thể viết:

i P

i F

iP

iS GP

i

y p

x p RT p

p

RT ln = ln

= Δμ

Các khái niệm cơ bản

Các loại trở lực của quá trình màng

- Trở lực của lớp màng (lớp hoạt động)

- Trở lực thủy lực bên phía nước trong và dịch đặc (giảm động lực chung)

- Phân cực nồng độ trên bề mặt màng

- Trở lực chuyển khối của lớp phụ trợ

- Trở lực truyền nhiệt (phân cực nhiệt độ) đối với quá trình PV

Các khái niệm cơ bản

Khái quát về kỹ thuật màng

Ảnh hưởng của tổn thất áp suất đến động lực của quá trình

Ảnh hưởng của tổn thất áp suất