lọc tiếp tuyến (filtration tangentielle crossflow filtration) ứng dụng trong xử lý môi trường và công nghệ thực phẩm (chương 1-3)

LÝ THUYẾT Chương 1 – Tổng quát chung về màng lọc Chương 2 – Lọc thẳng đứng dead-end filtration và lọc tiếp tuyến crossflow filtration  Nguyên tắc hoạt động/ ưu_nhược điểm/ phạm vi ứng

Trường Đại Học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh

Bộ Môn Công Nghệ Hoá Học

LỌC TIẾP TUYẾN-

(FILTRATION TANGENTIELLE/ CROSSFLOW FILTRATION)

NỘI DUNG

PHẦN 1 LÝ THUYẾT

Chương 1 – Tổng quát chung về màng lọc

Chương 2 – Lọc thẳng đứng (dead-end filtration) và lọc tiếp tuyến

(crossflow filtration)

 Nguyên tắc hoạt động/ ưu_nhược điểm/ phạm vi ứng dụng

 Yếu tố ảnh hưởng đến năng suất lọc

Chương 3 – Các vấn đề liên quan đến lọc tiếp tuyến

 Các hiện tượng hạn chế/ ảnh hưởng của chúng

 Biện pháp hạn chế khắc phục

Chương 4 – Mô hình hóa quá trình lọc

 Đại lượng vật lý đặc trưng  Các định luật liên quan (Darcy, film )

Chương 5 – Ứng dụng lọc tiếp tuyến

Chương 6 – Chuẩn bị- thiết kế một QT lọc

PHẦN 2 THỰC HÀNH

Mođun 1: Ứng dụng lọc tiếp tuyến xử lý nước thải

Mođun 2: Ứng dụng lọc tiếp tuyến lọc nước trái cây

– Xác định đặc tính của dịch lọc ban đầu

– Chọn màng thích hợp/ đo lưu lượng nước, xác định tính thấm ban đầu của màng – Xác định thông số hoạt động thích hợp cho từng

quá trình (T0C, t, P, V)– Lưu lượng/ chất lượng của “permeat” thu được

– Rửa màng lọc

– Đo lưu lượng nước, tính thấm của màng sau khi lọc.– Tính năng suất lọc

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUÁT CHUNG VỀ MÀNG LỌC

ng l c h c có thể là:

Động lực học có thể là: ực học có thể là: ọc có thể là:

 Gradien áp suất: OI (thẩm thấu ngược), NF, MF

 Thế điện: ED (electrodialyse)

 Gradien nồng độ

Màng Perméat

Rétentat

P

C

Thế điện

Quá trình màng lọc:

- Tách/ cô đặc các phân tử hoặc ion trong dung dịch

- Tách các phần tử hoặc VSV ở dạng huyền phù

Permsélective

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUÁT CHUNG VỀ MÀNG LỌC

Tiêu chuẩn chọn lọc:

 Đặc tính của chất cần tách ( Kích thước phân tử, đặc tính

hóa lý, điện cực các phân tử )

 Đặc tính màng ( )

 Điều kiện thủy động học trong quá trình lọc (P, V, F… …)

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUÁT CHUNG VỀ MÀNG LỌC

Flux (dòng chảy, thông lượng )

TR = 1

Ptm

Lp Rm

Ptm

Định luật Darcy tại thời điểm t:

Jo: Flux nước tinh khiết (L.h-1.m-2) hoặc m.s-1

(1 m.s-1 = 3,6.106 L.h-1.m-2)Ptm: áp suất qua màng (bar hoặc atm)

: Độ nhớt động học (Pa.s)

Rm: trở kháng nội tại của màng (m-1)

Lp: tính thấm nước của màng

X: bề dày màng (m)

d: đường kinh lỗ lọc (m)

e: độ rỗng của màng (m)

2

32

ed X

Rm 

ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT MÀNG LỌC

Công nghệ thực phẩm: lọc trong/ xử lý nước uống,

nước trái cây, rượu …; cô đặc nước trái cây, sữa

Công nghệ môi trường: xử lý nước thải, xử lý thu hồi cao

su từ Skim latex (MT)

Công nghệ sinh học: thu hoạch sinh khối, cô đặc/ phân

tách tế bào_protein…(MT, UT)

Công nghệ hóa học: tách dầu, trích ly dầu, tách muối, loại kim loại nặng, thu hồi chất xúc tác, tách màu

Y học : cô đặc chất kháng sinh trong dung môi hữu cơ

PHÂN LOẠI QUÁ TRÌNH LỌC

KT lỗ lọc “Dense” ≤ 1nm 1 - 100 nm 0,1 – 10 m

Retent Ions Ion đa hóa trị

và phân tử Phân tử lớn

Vi sinh vật/ phần tử hạt

Permeat Dung môi Dung môi, ion đơn hóa trị,

phân tử nhỏ

Dung môi, muối, phân tử nhỏ

Dung môi, phần tử hòa

tan Áp suất

Áp suất

thường dùng ≥ 20 bar 4- 20 bar 0,5 – 9 bar 0,1 – 5 bar

Phân loại quá trình lọc theo kích thước lọc dưới tác dụng của gradient áp suất

 OI : Tách muối  sản xuất nước uống

Sản xuất nước “siêu sạch” dùng trong CN dược phẩmCô đặc nước trái cây, kháng sinh, acid amin

Xử lý nước thải, tái sử dụng…

 NF: Xử lý nước (khử cứng nước ngầm/ nước bề mặt

CN sữa và thực phẩm: khử khoáng của lactoserum, tách acid amine và peptide…

Xử lý chất thải: CN giấy, gỗ, hoặc nhuộm

 MF:Làm sạch nước và dịch lỏng trong CNTP và CNSH

 UF: Khử trùng nước uống

Cô đặc proteine sữa, lactoserumTách nhũ tương dầu- nước

•Phân loại theo bản chất hoá học :

•Màng hữu cơ (organic): polymer

- Dẫn xuất cellulose: ưa nước, rẻ tiền, hấp phụï kém

- Polyamide: chịu nhiệt tốt (nhạy với một số chất oxy hóa) (OI, NF)

- Polyacrylonitrile (PAN), polysulfone (PS), polyflorure de vinylidene (PVDF): có khả năng chịu đựng cao trong môi trường oxy hóa, pH và T0 cao, khả năng hấp phụ cao

Màng mineral: ổn định nhiệt, tác động cơ_ hoá học tốt/ rất dễ vỡ, giá thành cao, thường ở dạng cấu trúc phức :

- Zircone ZnO2 trên chấât mang carbon lỗ lớn hoặc trên alumine Al2O3

- TiO2 trên Al2O3

PHÂN LOẠI MÀNG LỌC

* Phân loại theo cấu trúc :

- Màng lỗ rỗng (poreuses):

Macroporeuse: dp 100 nm; tác dụng rây≥ Microporeuse và mesoporeuse: 10 nm, tính tĩnh điện, ≤ tính

tan và sự khuếch tán tham gia quyết định QT

- Màng “dense”: 10 nm,≤ tỷ trọng lớn, tính tan và sự khuếch tán

quyết định QT

- Cấu trúc “không đối xứng” (asymetriques hoặc anisotropes): Peau: 0,1m; dense hoặc poreuse

Support: dày và poreuse chịu được tác động cơ học

* Phân loại theo hình dáng :

- Màng phẳng

- Hình trụ

PHÂN LOẠI MÀNG LỌC

Màng Ứng dụng Polysulfone (PS)

Polysulfone hydrophile (PSh)

Polyethylène (PE)

Polypropylène (PP)

Acetate de cellulose (CA)

Lọc trong nước trái cây Lọc bã men (rượu vang, bia) Xử lý nước

Cô đặc sữa, sữa đậu nành Thu hoạch/ cô đặc sinh khối Cô đặc pectine, gelatine

Polyfluorure vinylidène (PVDF) Tách dầu- nước

Lọc huyền phù (độ nhớt cao) Polytetrafluoroethylène (PTFE) Lọc không khí hoặc gaz

Polyethersulfone (PES) Công nghệ sinh học

Cô đặc/ phân tách proteine Lọc bùn/ Xử lý nước thải Ceramic Xử lý nước/ Skim latex (T 0 C>)

Polycarbonate

Ceramique

Đại lượng đặc trưng của màng lọc

2 Đặc tính cấu trúc: vật liệu cấu trúc màng

1 Xuất xứ: nhà sản xuất, nhãn hiệu, code của màng

3 Đặc tính hóa lý: đường kính trung bình lỗ lọc, “taux

de retention”,

4 Đặc tính của sự chuyển đổi vật chất qua màng:

flux nước (L/h.m2)

5 Đặc tính cơ- hóa- lý: khuyến cáo giới hạn áp suất sử

dụng, nhiệt độ, pH của dịch lọc, tính ưa-kỵ nước

6 Phạm vi ứng dụng

 Dòng chảy chỉ theo 1 hướng: ph ng vuông góc v i bề mặt ương vuông góc với bề mặt ới bề mặt của màng.

 Phần tử lọc bám trên bề mặt màng rất nhanh  hiện tượng nghẽn màng lọc xảy ra rất nhanh  hiệu suất lọc kém

Perméat

 1 in (alimentation)/ 1 out (permeat)

Chương 2 – Nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật lọc

 Lọc thẳng đứng (dead-end filtration)

 Sử dụng trong phòng TN với cellule lọc khoảng vài lit; ít được sử dụng ở quy mô công

nghiệp

 Sử dụng để kiểm tra đặc tính và độ thuần khiết của màng

 Không cần bơm áp lực/áp suất tĩnh (khí lỏng/ azote)

 Đơn giản, dễ thiết kếâ và sử dụng; chi phí thấp

Figure 17 Modèle de laboratoire de filtration frontale.

Membrane P

 Dòng chảy theo 2 hướng

Tiếp tuyến (//)

 Dòng chảy tiếp tuyến có sự ma sát giảm sự bít nghẽn màng năng suất lọc tăng

 1 in (alimentation)/ 2 out (permeat và retentat)

 Lọc tiếp tuyến (dòng chảy) (cross-flow filtration)

 Sử dụng ở quy mô công nghiệp/ phòng TN

nhưng thể tích lớn hơn end

dead- Chi phí thiết bị cao (bơm áp lực, áp suất kế, )

Figure 18 Modèle pilote de filtration tangentielle.

So sánh lọc thẳng đứng và lọc tiếp tuyến

Dòng chảy

Thấp Qui mô nhỏ (PTN) Lớn Qui mô công nghiệpNăng suất

Thấp/ đơn giản Cao/ phức tạp (bơm áp

lực, dòng hồi lưu )Chi phí

Ma sát + vận tôc tiếp tuyến (Vt) cake chậm Thay đổi theo Vt & P

Cake /

Fouling Nhanh/độc lập với vận tốc

Yếu tố ảnh hưởng đến năng suất lọc??

 Dịch lọc: 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, kích

thước )

 Màng lọc – tương tác ions, điện cực…giữa

màng lọc và dịch

lọc

 Các điều kiện vật lý, động học của quá trình:

áp suất qua màng, vận tốc lọc, nhiệt độ …

 Yêu cầu chất lượng của dịch sau khi lọc (permeat)

Chương 3– Vấn đề liên quan đến QT lọc

I: Giảm nhanh II: Trung bình III: Giảm chậm

 Polarization of concentration

 Sự tắc nghẽn quá trình lọc (fouling) Nghẽn lỗ lọc

Cake trên bề mặt

Polarization of concentration

Ptm (bar)

Flux permeat (l.h -1 m -2 )

J tơi hạn (critic)

0

Polarization secondaire “gel”

(2)

Dm

tinh

khiêt

Polarization primaire (1)

J giơi hạn (limit)

Thuận nghịch

Không thuận nghịch

 2 pha “ 1”: flux tăng theo P

“ 2”: flux độc lập P

 Flux giới hạn

 Flux tới hạn:

 Có tính thuận nghịch hoặc không

 Phụ thuộc vào các điều kiện thủy động/ sự tương tác giữa màng và dịch lọc/ tính chất, thành phần của dịch lọc

 Vi sinh: phát triển trên bề mặt, tổng hợp các chất ngoại bào  biofilm

 Phân tử vô cơ không tan/ chất hữu cơ hòa tan  1,2,3.

Fouling (hiện tượng bít nghẽn)

Fouling (hiện tượng bít nghẽn)

) ( Rm Rc

Ptm J







J: Flux permeat (L.h-1.m-2) hoặc m.s-1

Ptm: áp suất qua màng (bar hoặc atm)

: Độ nhớt động học (Pa.s)

Rm: trở kháng nội tại của màng (m-1)

Rc: trở kháng bổ sung do fouling (m-1)

Phương pháp hạn chế??

 Rửa hóa học : chất hóa học khác nhau/ tần suất/ điều kiện rửa khác nhau tùy thuộc vào bản chât câu tạo của màng và cake

 Contre - lavage : Rửa ngược loại chất bám trên màng

và trong các lỗ

màng

 Dòng chảy rối (lớp giới hạn)/ không tách được

những phân tử kéo bám trong lỗ màng

 Đông tụ : cho đông tụ/ kết bông trước khi qua màng tăng kích

thước tế bào của huyền phù; giảm sự tương tác với

màng

CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

Mục đích của QT: cô

đặc, lọc trong, tái chê, Xử lý…sơ bộ Đặc tính dịch lọc

TN trên màng có diện tích nhỏ

Xác định ngưỡng lọcLựa chọn cấu trúc, mô hình lọc

Thí nghiệm trên pilote

XỬ LÝ SƠ BỘ (PRETRAITEMENT)

Mục đích:

- Protection: bảo vệ màng tránh các điều kiện hạn chế/ cấm kỵ có thể làm hư hỏng màng

- Tối ưu hóa chức năng hoạt động của màng

 Đạt được năng suất tối đa

 Đảm bảo tính chọn lọc của màng

 Giảm chi phí của QT

Phương pháp??????

Ưu điểm Nhược điểm

Sự gạn lọc - Đơn giản

- Dành cho huyền phù C lớn

- Có khả năng tách bùn, dầu và nước

- QT liên tục

- Hao tổn năng lượng lớn

- Gây tiếng ồn

- Chi phí cao

- Hiệu quả cao khi:

+ Bùn có đặc tính ổn định + Nồng độ ổn định

Rây lọc

- Phần tử lớn

- Bảo hành dễ dàng

- Ít tốn hao năng lượng

- Dễ vỡ, kém bền

- Tắc nghẽn

- Lưu lượng kém

- Chỉ có hiệu quả trên các phần tử không biến dạng

Lọc qua cát - Đơn giản

- Ít tốn kém

- Chậm

- Dễ bị nhiễm khuẩn

Đông tụ/ kết

- Chi phi thấâp

- Độc hại do dư thừa acid

- Liều lượng hóa chấât sử dụng

- Thể tích bùn (theo lượng kết)

- Cần nồng độ ổn định

Than hoạt tinh - Tự tái sinh

- Dạng bột: rẻ, dễ sử dụng

- Dễ nhiễm khuẩn

- Năng suất và chất lượng tốt

Thay đổi pH

- Đơn giản

- Hiệu quả cao đốâi vơi muối kim loại

- Thời gian, thiết bị

- Dư lượng chất hóa học

- Liều lượng thay đổi theo nồng độ

PHÂN TÍCH DỊCH TRƯỚC KHI LỌC

MỤC ĐÍCH:

- Xác định “đối tượng” lọc (cấu tạo, nguồn gốc, số

lượng, hòa tan hay ở dạng thể vẩn, kích thước, nồng độ…)

- Lựa chọn quá trình lọc: MF hoặc UF

- Lựa chọn đặc tính của màng: cấu tạo học, hình dạng…

- Thiết kế mô hình lọc: các giai đoạn xử lý, nhiệt độ, …

XỬ LY DỊCH LỌC

1 Thể lỏng, các chất có thể gạn lọc được:

- Màu: chất bẩn vô cơ hoặc hữu cơ/ pp so màu, hoặc quang phổ UV…

- Mùi: nhiễm khuẩn?/ pp sắc ký khí

- Chất lỏng ở dạng nhũ tương hay xà phòng ?  kết tủa xử lý sơ bộ?

2 Các yếu tố pH, nhiệt độ hoặc độ nhớt:

- pH  các phân tử ở dạng ion hóa hay không?

(tĩnh điện của màng lọc)

- T0C: màng hữu cơ chịu T0C < 50/ ảnh hưởng đếân chất lượng dịch lọc (kết tủa, fouling )

- Độ nhớt: định luật Darcy  chọn hình dạng và cấu

trúc màng

3 Phần tử trong huyền phù:

- MES và độ đục: kÍch thước < 1m, chất vô cơ (cát, kim loại, muối khoáng ), vi khuẩn, VSV; độ lắng? / pp ?

- Định lượng chất keo và «chỉ số» fouling

+ Chất keo: tĩnh điện (-)+ «Chỉ số» fouling:

Ví dụ: dead-end (acetat cellulose 0,45m/ 15 mn)

thời điểm tm=0, t= 28s/ 500ml thời điểm tm=15, t= 44s/ 500ml

4 ,

2 15

) 44 /

28 1

XỬ LÝ DỊCH LỌC

3 Phần tử trong huyền phù (tt):

- Sự thống kê và đo hạt granulometrie các phần tử:

Xác định kích thước và số lượng phần tử

Granulometrie (nhiễu xạ laze): 0, 02m  2mm ( thể keo, virus, protein, vi khuẩn )

Quang phổ học: 1nm 3m

- Phân tích vi sinh : ảnh hưởng đếân dịch lọc, fouling và màng lọc,

4 Chất hòa tan:

- Muối hòa tan:

- Phospho, KL nặng, thuốc trừ sâu,…

Vật liệu màng:

- Đặc tính của dịch lọc

- Điều kiện hoạt động của quá trình: nhiệt độ, pH, sự hiện diện các thành phần có tác động ảnh hưởng đến màng

(vd: màng hữu cơ vô cơ/ chọn pp xử lý sơ bộ hợp lý)

LỰA CHỌN MÀNG LỌC

Sau khi xác định được đặc tính của dịch lọc (UF, MF)

 Chọn vật liệu màng ngưỡng lọc hình dạng

- Chi phí màng và chi phí lắp đặt:

Chi phí khấu hao thiết bị + chi phí màng + chi phí năng lương + chi phí rửa màng+ chí phí nhân công  trong điều kiện hoạt động tối ưu cho năng suất cao nhất (tính giá theo năng suất hoạt động /m3)

2300 - 7500 /m2 (ceramic); 300 – 750 /m2 (hữu cơ)

LỰA CHỌN MÀNG LỌC

môi

Bền tốt trong môi trường dm hữu cơ thông thường

Dung môi hữu cơ: kém bềnThay đổi tùy theo loại dm, nồng độ tùy thuộc nhà cung cấp

PAN: polyacrylonitrile; PS: polysulfone; PVDF: fluorure de polyvinylidene

Vật liệu màng

LỰA CHỌN MÀNG LỌC

Vật liệu màng

- Sự tương tác giữa một vài thành phần trong dịch lọc với

màng: có thề sẽ gây ra hiện tượng bít nghẽn màng lọc

(fouling)

Vd: màng TiO2 : PIE= 6  tích điện (-): pH >6  ptử retentat (+)

tích điện (+): pH <6 ptử retentat (-)

 Khi có sự hiện diện của proteine hoặc polysaccharide

trong dung dịch, cần thiê1t phải đo điểm đẳng điện PIE

(iso-electric) của phân tử và của màng ( ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu màng và các điều kiện hoạt động của quá trình)

LỰA CHỌN MÀNG LỌCCấu trúc hình học của màng:

 Loại lọc (MF, UF)

 Độ nhớt của dịch lọc (vd: tubulaire hoặc fibres creuses?)

 Các phần tử trong dịch lọc (vd: xử lý sơ bộ trước khi lọc khung bản hoặc dạng màng xoắn)

 Khả năng rửa màng

 Tiêu chuẩn, điều kiện về vệ sinh an toàn

LỰA CHỌN MÀNG LỌCCấu trúc hình học của màng:

Tiêu chuẩn Màng

phẳng Spirale Tubulaire Fibre creuse

LỰA CHỌN MÀNG LỌC

Chọn kích thước lỗ lọc:

- Tỷ lệ thu hồi

- Lưu lượng theo thời gian

- Kh n ng rửa màngả năng rửa màng ăng rửa màng

Lựa chọn module lọc:

- Lựa chọn c u tạo hình học của màng (diện tích lọc, l, d, )ấu tạo hình học của màng (diện tích lọc, l, d, )

- Lựa chọn các yếu tố bổ sung ( joint, điều kiện vệ sinh )

- Lắp đứng hay lắp ngang…

Lựa chọn pilote lọc:

- Chế độ hồi lưu hay không hồi lưu,/ liên tục hoặc không

- Chọn bơm (ly tâm, nhồi, hút ?)

- Phụ kiện lắp đặt (vật liệu- màng, vệ sinh, tính an toàn, )

- Hệ thông rửa bằng dòng chảy nghịch

Xác định module lọc và màng lọc

Thử nghiệm với nước

“Tính khả thi”

Xác định điều kiện hoạt động của QT

định nồng độ của dịch lọc tại Vmax và PTM xác định

Định hướng lựa chọn màng và pp xử lý sơ bộ Ảnh hưởng của Vtm lên flux permeat

Xác định năng suất lọc

Thử nghiệm trong điều kiện thực tế

Thực hiện QT rửa màng, hạn chế fouling  xác

định chu kỳ rửa, chi phí…

Thực hiện QT trong điều kiện các

thông số xác định lúc đầu

Lặp đi lặp lại TN nhiều lần