Tính toán hệ thống lọc nước RO công suất 1000kg h (link tải bản vẽ full nằm ở trang cuối)

Để tránh sự phá vỡ cấu trúc của membrane trong quá trình phân riêng, hiện nay hai kỹthuật thường được dùng là sử dụng các chất nhũ hóa hoặc dùng vật liệu polymer cócấu trúc vi xốp với độ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TS Trần Lệ Thu (GVHD)BÁO CÁO

Họ và tên sinh viên:

1 Bùi Thị Thu Sen MSSV 2005140474

2 Nguyễn Phạm Cẩm Tiên MSSV 2005140609

Lớp: 05DHTP2-05DHTP4

Ngành Công nghệ thực phẩm

I Đầu đề đồ án ( Tên đồ án )

Tính toán và thiết kế hệ thống lọc nước RO công suất 1000 kg/h

II Nhiệm vụ đồ án ( nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu ):

- Tìm hiểu các thiết bị lọc Membrane

- Tính toán và thiết kế hệ thống lọc RO công suất 1000kg/h

- Các thông số ban đầu tự chọn

III Nội dung các phần thuyết minh tính toán:

- Tổng quan về thiết bị chính

- Tính toán và bố trí thiết bị

- Các thông số ban đầu và tiêu chuẩn lựa chọn

- Sơ đồ công nghệ và giải thích công nghệ

- Tính toán cho thiết bị chính

-Sơ đồ thiết bị và giải thích thiết bị

- Sơ đồ bố trí mặt bằng và diễn giải

-Bảng dự trù thiết bị

ĐỒ ÁNMÔN HỌC: KỸ THUẬT THỰC PHẨM - Mã số:………

IV.Các bản vẽ và đồ thị ( loại và kích thước bản vẽ ):

- Bản vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị (A1)

- Bản vẽ cấu tạo thiết bị chính (A1)

V Ngày giao đồ án: 1/7/2017

VI Ngày hoàn thành đồ án: 15/09/2017

VII Ngày nộp đồ án: 26/9/2017

TpHCM ngày…….tháng …….năm 2017

TRƯỞNG BỘ MÔN KTTP CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán Bộ hướng dẫn Nhận xét (CBHD ghi rõ đồ án được bảo vệ hay không)

………

………

………

………

Điểm:……… Chữ ký: ………

Cán Bộ chấm hay Hội Đồng bảo vệ Nhận xét: ………

………

………

………

………

………

Điểm:……… Chữ ký: ………

Điểm tổng kết:………

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HỒ CHÍ MINHĐƠN VỊ : KHOA CNTP – BÔ MÔN KỸ THUẬT THỰC PHẨM PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

MÔN HỌC: KỸ THUẬT THỰC PHẨMSinh viên thực hiện đồ án: Bùi Thị Thu Sen Ký tên:………

Nguyễn Phạm Cẩm Tiên Ký tên:………

Cán Bộ hướng dẫn: Trần Lệ Thu

Tên đồ án:

Tính toán và thiết kế hệ thống lọc nước RO công suất 1000 kg/h

STT Ngày Nội dung hướng dẫn CBHD ký tên 01

MỤC LỤC

PH N 1 Ầ T NG QUAN Ổ 7

1.1 C s lý thuy t thi t b chính ơ ở ế ế ị 7

1.1.1 Khái ni m v membrane và phân lo i ệ ề ạ 7

1.1.2 Các kỹ thu t membrane ậ 11

1.1.3 Đ ng h c c a quá trình membrane ộ ọ ủ 17

1.2 Các y u t nh h ế ố ả ưở ng đ n quá trình chính ế 23

1.2.1 Đ c tính c a membrane ặ ủ 23

1.2.2 Đ c tính c a nguyên li u ặ ủ ệ 25

1.2.3 Các thông s kỹ thu t c a quá trình ố ậ ủ 27

1.3 Các thi t b và mô t đ c tính c a t ng thi t b ế ị ả ặ ủ ừ ế ị 28

1.3.1 Mô hình ng (Tubular module) ố 28

1.3.2 Membrane d ng khung b n (Plate and Frame Module) ạ ả 29

1.3.3 Membrane d ng cu n xo n (Spiral Wound Module) ạ ộ ắ 30

1.3.4 Membrane d ng s i r ng (Hollow fiber module) ạ ợ ỗ 31

1.4 Các hãng có thi t b t ế ị ươ ng ng ứ 34

1.5 Ứ ng d ng trong ch bi n th c ph m ụ ế ế ự ẩ 34

1.6 Các tài li u tham kh o và website ệ ả 36

PH N 2 Ầ TÍNH TOÁN VÀ B TRÍ THI T B Ố Ế Ị 37

2.1 Các thông s ban đ u và l a ch n tiêu chu n ố â ự ọ ẩ 37

2.2 S đ công ngh và gi i thích công ngh ơ ồ ệ ả ệ 42

2.3 Tính toán cho thi t b chính ế ị 43

2.3.1 L u l ư ượ ng c n l y m i ngày â ấ ỗ 43

2.3.2 Tính b m ơ 44

2.3.3 H th ng l c RO ệ ố ọ 46

a L a ch n màng l c ự ọ ọ 46

b Tính toán s element c n s d ng ố â ử ụ 48

d Đi u ki n ho t đ ng t i u cho h th ng RO ề ệ ạ ộ ố ư ệ ố 51

2.3.4 Kh trùng n ử ướ c b ng Clo ằ 52

2.4 S đ thi t b và gi i thích thi t b ơ ồ ế ị ả ế ị 54

2.5 S đ b trí m t b ng và di n gi i ơ ồ ố ặ ằ ễ ả 55

2.6 B ng d trù các thi t b ả ự ế ị 56

2.7 Tài li u tham kh o ệ ả 57

PH L C 1: CÁC TÀI LI U THAM KH O Ụ Ụ Ệ Ả 58

PH L C 2: B N VẼ THI T B CHÍNH Ụ Ụ Ả Ế Ị 59

PHẦN 1 TỔNG QUAN

1.1 Cơ sở lý thuyết thiết bị chính

Phương pháp phân riêng bằng membrane hay còn gọi phương pháp lọc màngcho phép chúng ta tách các cấu tử có phân tử lượng khác nhau nhưng cùng hòa tantrong một pha lỏng hoặc tách các cấu tử rắn có kích thước rất nhỏ ra khỏi pha lỏnghoặc pha khí Phương pháp phân riêng bằng membrane có một số điểm tương tự nhưphương pháp lọc Membrane đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử Tuynhiên, áp suất là động lực duy nhất trong kỹ thuật membrane

- Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate

- Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate

Hình 1.1.1: Phân riêng bằng phương pháp sử dụng membrane

1.1.1 Khái niệm về membrane và phân loại

a Khái niệm

“Membrane” là thuật ngữ khoa học có nghĩa là “màng” là bề mặt mỏng chophép một số cấu tử khuếch tán qua nó Thuật ngữ “Kỹ thuật membrane” bắt đầu xuấthiện từ khi con người phát hiện khả năng bán thấm của các bộ phận nội tạng của độngvật như bong bóng cá, bàng quang lợn sau đó, nhiều loại membrane nhân tạo đã rađời và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật phân riêng

b Phân loại

Membrane có thể được phân loại theo các cách sau:

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

- Membrane vô cơ – inorganic (ceramic hoặc kim loại )

Trong đó, polymer (cellulose acetate, cellulose esters, polypropylenepolyamides, polysulfones, ) và ceramic (alumina, titania and zirconia, ) được sửdụng phổ biến nhất (Baker, 2000)

 Theo kích thước lỗ mao quản

Theo kích thước lỗ mao quản, membrane được chia thành 4 loại sau: màng vilọc – MF ( Micro Filtration), màng siêu lọc – UF ( Ultra Filtration), màng lọc nano –

NF ( Nano Filtration), màng thẩm thấu ngược – RO ( Reverse Osmosis)

Bảng 1.1.1.1: Kích thước lỗ mao quản của một số loại membrane

Loại membrane Kích thước lỗ mao quản (nm)

Dựa vào kích thước và sự phân bố các mao quản

trong membrane, người ta chia ra làm hai loại:

Hình 1.1.1.1: Cấu trúc membrane vi xốp

- Đẳng hướng (symmetric, isotropic)

Cấu trúc của loại membrane này có vô số các lỗ xốp bên trong dưới dạng maoquản hoặc các lỗ hổng được hình thành một cách ngẫu nhiên Đường kính của maoquản ổn định trong suốt chiều dày của membrane, các mao quản này song song vớinhau Membrane vi xốp chế tạo bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảopha, từ nhiều loại vật lệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loạihoặc các loại polymer

Hình 1.1.1.2: Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng

- Bất đẳng hướng (asymmetric, anisotropic)

Loại này có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dày của membrane,thường có 2 lớp: lớp trên dày 0,1 – 0,5 , đường kính mao quản nhỏ và lớp này quyếtđịnh khả năng phân riêng của màng; lớp dưới dày 100 - 200, đường kính mao quảnlớn, thường đóng vai trò là khung đỡ, vì thế cần có tính bền cao

Membrane loại này thường được sử dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩmthấu ngược, tinh sạch khí,

Hình 1.1.1.3: Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng

Bảng 1.1.1.2: Tính chất và ứng dụng một số loại membrane vi xốp

Vật liệu Kích thước lỗ mao quản ( Ứng dụngCeramic, kim loại 0,1 – 20 Vi lọcPolyethylene (PE) 0,5 - 10 Vi lọcPolytetrafluoroethylene

Polycarbonate (PC) 0,02 - 10 Vi lọcCellulose nitrate (CN),

Cellulose acetate (CA) 0,01 - 5 Vi lọc, siêu lọc

 Membrane đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane)

Membrane dạng lỏng là một lớp chất lỏng rất mỏng khó khăn nhất đối với loạimembrane 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 nay hai kỹthuật thường được dùng là sử dụng các chất nhũ hóa hoặc dùng vật liệu polymer cócấu trúc vi xốp với độ bền cơ cao đề chứa chất lỏng bên trong Membrane dạng lỏngthường 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 hoặcdương Có hai loại membrane trao đổi ion: membrane trao đổi ion dương, membranetrao đổi ion âm

Hai loại membrane này sẽ hấp thu các ion có điện tích trái dấu (counter-ion) sovới các ion trên bề mặt membrane (co-ion) và không cho các ion này đi qua Sự phânriêng bằng membrane trao đổi ion đạt được chủ yếu do quá trình tách những ion tíchđiện trái dấu với membrane hơn là do kích thước lỗ mao quản sự phân riêng này bịảnh hưởng bởi điện tích và nồng độ của những ion trong dung dịch Membrane traođổi ion thường được dùng trong kỹ thuật điện thẩm tích

1.1.2 Các kỹ thuật membrane

Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane rất đa dạng và được ứng dụngtrong rất nhiều ngành kỹ thuật khác nhau Trong công nghiệp chế biến sữa, bốn quátrình sau được sử dụng rất rộng rãi:

- Vi lọc – MF ( Micro Filtration)

- Siêu lọc – UF ( Ultra Filtration)

- Lọc nano – NF ( Nano Filtration)

- Thẩm thấu ngược – RO ( Reverse Osmosis)

Hình 1.1.2.1: Các kỹ thuật membrane

a Kỹ thuật vi lọc – MF (Microfiltration)

Microfiltration (MF) hay còn gọi là vi lọc là quá trình lọc có khả năng tách cácphần tử có kích thước vài µm ra khỏi dòng thấm như : các vi khuẩn, vi sinh vật, cácchất lơ lững có kích thước nhỏ, các phân tử có phân tử lượng lớn, các hạt sơn trongcông nghệ sơn phun Kích thước thông thường của các phần tử này là 0.1-10µm Có

2 loại vi lọc phổ biến:

Lọc theo dòng chảy ngang (crossflow filtration): dòng lưu chất vận chuyểnsong song với màng, áp suất làm cho một phần dòng lưu chất thấm qua bên kia mànglọc, trong khi các phần tử có kích thước lớn hơn mao quản màng (lỗ màng) sẽ đượcgiữ lại và theo dòng đậm đặc ra ngoài

Lọc theo dòng chảy vuông góc (dead-end filtration) : hầu hết lưu chất đều điqua màng và tất cả các phần tử rắn có kích thước lớn hơn lỗ màng sẽ bị giữ lại

Hình

lọc MF

Hình 1.1.2.3: Lọc dòng vuông góc (a) và dòng ngang (b)

b Kỹ thuật siêu lọc – UF (Ultrafiltration)

Ultrafiltration (UF) là quá trình sử dụng màng để phân tách dòng chất lỏnghoặc loại các phần tử chất hoà tan có trong dòng Về cơ bản UF không cho hiệu quảcao như NF (nanofiltration) nhưng lại không đòi hỏi nhiều năng lượng như NF UF có

khả năng loại trừ vi khuẩn, một vài loại protein, thuốc nhuộm và các cơ chất có phân

tử lượng lớn hơn 10.000 dalton và các hạt có kích thước từ 10-1000 A0 UF rất hiệuquả trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ

Hình 1.1.2.4: Kỹ thuật lọc UF

c Kỹ thuật lọc nano – NF (Nanofiltration)

Nanofiltration (NF) là quá trình sử dụng màng để tách dòng chất lỏng hoặc cácphân tử có trong dòng Về cơ bản, NF không cho hiệu quả cao như RO (Reverseosmosis) nhưng không tốn nhiều năng lượng như RO NF có khả năng giữ các phân tửđường, muối kim loại hoá trị II, vi khuẩn, proteins,…Hiệu quả NF chịu ảnh hưởng bởiđiện tích phân tử, các hạt có điện tích càng lớn càng dễ bị giữ lại Màng lọc NFthường làm bằng cellulose acetate hoặc polyarmide có khả năng loại trừ 95% muốikim loại hoá trị II, 40% muối của kim loại hoá trị I và các hợp chất hữu cơ khối lượngphân tử từ 300 trở lên

Hình 1.1.2.5:

NF

d Kỹ thuật thẩm thấu ngược – RO (Reverse Osmosis)

Hiện tượng thẩm thấu ngược RO (Reverse Omosis)

Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên Nước bao giờ cũng chuyển dịch từ nơi

có nồng độ muối/ khoáng thấp đến nơi có nồng độ cao hơn Quá trình diễn ra cho đếnkhi nồng độ muối khoáng từ 2 nơi này cân bằng

Để làm điều ngược lại (thẩm thấu ngược), người ta dùng một áp lực đủ để đẩyngược nước từ nơi có hàm lượng muối/ khoáng cao “thấm” qua một loại màng đặcbiệt để đến nơi không có hoặc có ít muối/ khoáng hơn

Nước từ nơi sạch đến nơi có nồng độ muối

cao hơn

Áp suất cao đẩy nước qua màng, đến nơi tinh

khiết

Hình 1.1.2.6: Quá trình thẩm thấu tự nhiên và thẩm thấu ngược

Màng RO có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau như: CelluloseAcetate, Aromatic Polyamide, Polymide hoặc màng TFC có những lỗ nhỏ tới 0.001micron Tất cả các màng này đều chịu áp suất cao nhưng khả năng chịu pH vàchlorine không giống nhau Tốc độ dòng chảy qua màng bán thấm rất chậm nên cần

một diện tích màng lớn, do đó màng thường được quấn thành vòng xoắn hoặc quấntạo thành từng ống có đầu bịt phía cuối.

Với tốc độ và áp lực cực lớn, dòng nước chảy liên tục trên bề mặt của màng

RO Một phần trong số những phân tử nước “chui” qua được những lỗ lọc Các tạpchất bị dòng nước cuốn trôi và “thải” bỏ ra ngoài Với cách thức này, bề mặt của màng

RO liên tục được rửa sạch và có tuổi thọ tới 2 - 5 năm

Màng lọc RO có khả năng loại trừ các loại vi sinh vật, khoáng chất, protein,thuốc nhuộm và đặc biệt là các muối vô cơ Các hợp chất này có phân tử lượng từ150-250 daltons và kích thước từ 1-10 A0 Các loại tạp chất không qua được lỗ lọc, bịdòng nước rửa trôi trên bề mặt màng lọc và thải ra ngoài

RO được ứng dụng sản xuất nước tinh khiết hoặc các dung môi hữu cơ nhưethanol, glycol Các dung chất này có thể đi qua màng lọc trong khi các ion khác bịgiữ lại trên bề mặt màng RO phổ biến nhất là sử dụng dòng chảy ngang, phương phápnày cho phép bề mặt màng luôn được làm sạch bởi dòng nước chảy ngang bề mặt, hạnchế tích tụ cặn Quá trình này đòi hỏi một đông lực khá lớn để chuyển nước đi qua bềmặt màng, động lực này thường được tạo ra bởi các bơm cao áp Áp lực tạo ra càngcao thì động lực càng lớn, màng lọc sẽ bị nén chặt dẫn đến giảm độ thấm qua màng.Khi nồng độ các dòng chất đưa vào càng cao thì đòi hỏi phải tạo ra động lực càng lớn

Quá trình tách chất bởi RO được tăng thêm hiệu quả nhờ điện tích của chínhcác ion Điện tích ion càng lớn càng dễ bị màng giữ lại, chẳng hạn như các hợp chấtkhoáng thì dễ bị loại trừ

ra khỏi dòng hơn so với

các hợp chất hữu cơ

không mang điện

Hình 1.1.2.7: Kỹ thuật thẩm thấu ngược RO

 Đặc điểm quy trình lọc RO

RO có thể xử lý hầu hết các nguồn nước, tuy nhiên khi độ mặn của nước nguồn

càng lớn thì hiệu quả xử lý càng thấp

Sản lượng nước thu được có thể lên tới 70% đối với nước lợ Công suất tiêu

biểu từ vài lít/ngày đến 20.000m3/ngày và có thể lắp đặt dây chuyền để đạt công suất

cần thiết

Tổng chất rắn hòa tan đầu ra tiêu biểu (TDS) là 20mg/l đối với nước lợ

Nhà máy vận hành ở nhiệt độ thường, áp suất khoảng 15-25 bar cho nước lợ

Nếu áp suất vận hành càng lớn thì lưu lượng dòng thấm càng lớn, tỉ lệ dòng thấm

nước đầu vào có thể từ 15-80%

Khi hàm lượng TDS càng cao làm cho áp suất thẩm thấu càng cao dẫn đến áp

suất vận hành càng cao làm tăng chi phí xử lý Ngoài ra khi TDS lớn sẽ dễ gây nghẹt

màng và làm giảm tuổi thọ của màng Do đó cần có hệ thống xử lý sơ bộ để loại TDS

trước khi dẫn dòng nước vào hệ thống RO

Nhà máy RO chỉ đòi hỏi điện năng Năng lượng tiêu thụ trung bình cho nước lợ

là 1-2.5kWh/m3

Bảng 1.1.2.1: Đặc tính của các quá trình membrane

Reverse Osmosis Nanofiltration Ultrafiltration MicrofiltrationMembrane Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng

CeramicPSO, PVDF, CALớp mỏng

Ceramic

PP, PSO,PVDF

Mô hình

Dạng ốngDạng cuộn xoắnDạng tấm bản

Dạng ốngDạng cuộn xoắnDạng tấm bản

Dạng ốngDạng cuộn xoắnDạng tấm bảnDạng sợi rỗng

Dạng ốngDạng sợi rỗng

Khả năng tách HMWC, LMWC

NaCl, glucose,

HMWCMono - di và

Chất có phân tửlượng lớn, protein,

Phân tử lớn,các hạt rắn,

aminoacids oligosaccharide

Ion đa hóa trị

polysaccharide,virus vi khuẩn

Áp suất quá

trình 15 – 150 Bar 5 – 35 Bar 1 – 10 Bar < 2 Bar

1.1.3 Động học của quá trình membrane

a Các mô hình trong kỹ thuật membrane

Trong kỹ thuật membrane, có hai loại mô hình được áp dụng là Dead-end(Dead-end separation) và Cross-flow (Cross-flow separation)

Hình 1.1.3.1: Mô hình Dead-end và Cross-flow

Hình 1.1.3.2: Mô hình Dead-end và Cross-flow

 Mô hình Dead-end (Dead-end Separation)

Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane,dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy qua

membrane bởi áp suất Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗmao quản sẽ bị giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane Theo thời gian cácphần tử đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượngdòng permeate giảm dần Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệsinh membrane.

Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình này là: kỹ thuật vi lọc với lưu

lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) và vi lọc với áp suất không đổi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop).

Trong kỹ thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không dổi, người ta phải thay đổi

áp lực đảm bảo lưu lượng dòng permeate ổn định trong khi trở lực lọc tăng dần.Ngược lại, trong kỹ thuật vi lọc với áp suất không dổi, lưu lượng dòng permeate sẽgiảm dần do trở lực lọc tăng dần theo thời gian Đây là mô hình chỉ sử dụng trong cácphòng thí nghiệm dùng dể xử lý các dung dịch có thể tích nhỏ

Hình 1.1.3.3: Mô hình Dead-end (Dead-end Separation)

 Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)

Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặtmembrane Dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ

đi qua membrane nhờ áp lực của bơm và tạo thành dòng permeate, các phần lử còn lạikhông đi được qua membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo thành dòng retentate, đồngthời dòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt membrane Vì vậy, mô hình

này ít bị tắc nghẽn hơn so với mô hình

Dead-end và có thể hoạt động liên t cụ

trong th i gian dài.ờ

Hình 1.1.3.4: Mô

hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)

b Đ ng h c c a quá trìnhộ ọ ủ

T c đ dòng ố ộ permeate ch u nh hị ả ưởng b i đ chênh l ch áp su t hi uở ộ ệ ấ ệ

d ng gi a hai bên b m t ụ ữ ề ặ membrane Đ chênh l ch áp su t b m t độ ệ ấ ề ặ ược quy tế

đ nh b i 2 y u t : đ chênh l ch áp su t gi a hai phía c a ị ở ế ố ộ ệ ấ ữ ủ membrane và độchênh l ch áp ệ su t ấ th m th u hai phía c a ẩ ấ ở ủ membrane

Đ chênh l ch áp su t gi a hai phía c a ộ ệ ấ ữ ủ membrane:

Theo P.J.Fellow, áp su t chênh l ch gi a 2 bên màng ấ ệ ữ membrane được xác

- T: nhi t đ dung d ch (°K)ệ ộ ị

- M: kh i lố ượng phân t (g/mol) Khi ử là h n h p c a nhi u c u t thì M ỗ ợ ủ ề ấ ử là

kh i lố ượng phân t trung bình c a t t c các c u t trong h n h p.ử ủ ấ ả ấ ử ỗ ợ

Khi đó đ chênh l ch áp su t hi u d ng qua màng độ ệ ấ ệ ụ ược xác đ nh:ị

Trong đó:

- là áp su t th m th u phía dòng ấ ẩ ấ retentate

- : áp su t th m th u phía dòng permeate.ấ ẩ ấ

Nh v y chúng ta th y r ng, đ dòng l u ch t có th chuy n đ ng tư ậ ấ ằ ể ư ấ ể ể ộ ừphía dòng retentate sang phía dòng permeate thì c n ph i t o ra m t áp l c t iầ ả ạ ộ ự ốthi u b ng v i đ chênh l ch áp su t th m th u gi a 2 phía membrane.ể ằ ớ ộ ệ ấ ẩ ấ ữ

B ng 1.1.3.1: Các quá trình l cả ọ

Stt Quá trình Động lực Sản phẩm

retantate

Sản phẩmpermeate

Nước, acid phân

ly, muối hóa trị II,phân tử nhỏ

Nước, ion đơn hóatrị, acid khôngphân ly

5 Thấm thấu ngược

(reverse osmosis) Áp lực

Nước, tất cả cácchất tan Nước

Nước, chất tankhông ion hóa

Nước, chất tan ion

hóa

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 thìkhả năng đi qua membrane của cấu tử đó sẽ càng thấp Giá trị R dao động trongkhoảng [0,1]

+ Khi cấu tử khảo sát không thể đi qua membrane theo dòng permeate, thì suy

Trong đó:

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

- độ xốp bề mặt của membrane (%)

- Dp: đường kính mao dẫn (m)

- chiều dài mao dẫn (m)

- độ nhớt của mẫu

- số mao dẫn trong membrane

- diện tích bề mặt hoạt đồng của membrane (m2)

PF : Áp lực từ phía trong dòng vào ( Áp lực bơm)

PP : Áp lực từ phía permeate trong thiết bị membrane

Ptf : Áp lực thẩm thấu trong dòng nguyên liệu vào

Ptp : Áp lực thẩm thấu trong dòng ra permeate

Giá trị lưu lượng dòng qua membrane nói lên tốc độ nhanh hoặc chậm của quátrình phân riêng, từ đó cho phép chúng ta dự đoán về năng suất hoạt động của thiết bị

và hiệu quả kinh tế của quá trình phân riêng bằng membrane

Trong quá trình phân riêng thường xuất hiện hai hiện tượng sau:

 Hiện tượng tập trung nồng độ

Đây là hiện tượng một số cấu tử trong mỗi nguyên liệu sẽ phân bố tập trungtrên vùng bề mặt hoạt động của membrane Nồng độ cấu tử tại vùng bề mặt membrane

sẽ cao hơn so với mẫu nguyên liệu ban đầu Hiện tượng này có thể làm giảm lưulượng dòng permeate Để hạn chế hiện tượng tập trung nồng độ, các nhà sản xuất cầnthực hiện sự khuấy trộn mẫu trong khoảng không gian phía trên bề mặt họat động củamembrane hoặc gia tăng giá trị áp lực của membrane Pt

 Hiện tượng fouling

Đây là hiện tượng tắt nghẽn mao dẫn membrane trong một số cấu tử nguyênliệu hấp thụ lên bề mặt membrane hoặc tương tác với các thành phần hóa học củamembrane Hiện tượng này cũng làm giảm lưu lượng của dòng permeate Để khắcphục hiện tượng fouling, người ta sử dụng một số phương pháp vệ sinh membrane đểgiải hấp phụ các cấu tử từ vùng bề mặt của membrane hoặc làm yếu đi tương tác giữamembrane và các cấu tử có trong mẫu nguyên liệu cần phân riêng

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chính

1.2.1 Đặc tính của membrane

Kích thước lỗ mao quản, vật liệu chế tạo, cấu trúc bề mặt membrane, điện tíchtrên bề mặt membrane, là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến hiệuquả của quá trình phân riêng Kwak và cộng sự (1997) đã nghiên cứu ảnh hưởng củacấu trúc membrane RO (bằng vật liệu polyester) đến hiệu quả của quá trình phânriêng Họ đã thay thế gốc phenyl của membrane RO bằng gốc methyl và halogen Kếtquả cho thấy cả hai trường hợp thay thế đó đều có ảnh hưởng đáng kể đến độ phânriêng và lưu lượng dòng permeate Khi thay thế gốc phenyl bằng gốc methyl, độ phânriêng giảm và lưu lượng dòng permeate qua màng tăng Ngược lại, khi thay thế bằnggốc halogen thì độ phân riêng tăng, lưu lượng dòng permeate qua màng giảm Vớikhảo sát tương tự, Vrijenhoek và cộng sự (2001) đã giải thích sự ảnh hưởng của vậtliệu màng đến hiệu quả quá trình phân riêng một cách khá thuyết phục Khi bề mặtcủa membrane có hình dạng lồi lõm ("peak and valley"), chính những chỗ lồi lõm này

làm tăng khả năng bám dính của các cấu tử lên membrane, và gây nên tắc nghẽn, cảntrở dòng chảy làm giảm lưu lượng dòng permeate.

Yeom và cộng sự (2002) đã khảo sát sự ảnh hưởng của điện tích trên membraneđến độ phân riêng Nghiên cứu cho thấy khi membrane tích điện mạnh có khả năngtách muối cao nhờ tương tác tĩnh điện giữa muối trong nguyên liệu và điện tích trên

bề mặt membrane Đối với membrane tích điện yếu hoặc không tích điện thì khả năngphân riêng tùy thuộc vào kích thước của các cấu tử, nên khả năng giữ muối kém hơn.Đặc tính của membrane ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của quá trình phân riêng vàcòn phụ thuộc vào tương tác giữa membrane và nguyên liệu

a Vật liệu membrane

Các loại vật liệu làm membrane có thể được chia thành hai nhóm: ưa nước và

kỵ nước Trong ngành công nghiệp thực phẩm, chúng ta thường phân riêng nhữngdung dịch với dung môi là nước Nếu chúng ta sử dụng membrane được làm từ vậtliệu kỵ nước thì các thành phần kỵ nước trong dung dịch cần phân riêng sẽ tương tácvới membrane gây tắc nghẽn Trong công nghiệp chế biến sữa, do có thành phần chấtbéo nên người ta thường sử dụng membrane từ những vật liệu ưa nước như : celluloseacetate, ceramic,

b Cấu trúc bề mặt membrane

Tùy theo loại vật liệu và phương pháp sản xuất mà bề mặt membrane có thểphẳng hay lồi lõm, ghồ ghề Nếu bề mặt lọc bị ghồ ghề, lồi lõm thì có hiện tượng hấpphụ lên bề mặt membrane Từ đó, tốc độ dòng permeate sẽ giảm và kéo dài quá trìnhphân riêng Vì thế, người ta luôn chọn bề mặt membrane nhẵn đồng nhất, những maoquản của chúng ít bị tắc nghẽn trong quá trình sử dụng

quản tối ưu Khi đó, quá trình phân riêng sẽ nhanh và hạn chế được các hiện tượng tắcnghẽn.

1.2.2 Đặc tính của nguyên liệu

Bên cạnh yếu tố vật liệu chế tạo membrane, đặc tính của dòng nguyên liệu làyếu tố ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình phân riêng Yếu tố này không ảnh hưởng đơn

lẻ mà tương tác với vật liệu membrane

a Nồng độ chất khô của dung dịch nguyên liệu

Nồng độ chất khô trong nguyên liệu sẽ ảnh hưởng đến giá trị áp suất thẩm thấucủa nguyên liệu (Ptf) do đó ảnh hưởng đến giá trị áp lực qua membrane (Pt)

Khi nồng độ chất khô trong dòng nhập liệu càng cao thì giá trị áp suất thẩmthấu của nguyên liệu càng lớn, do đó áp lực qua membrane sẽ giảm Điều này làm cholưu lượng dòng permeate sẽ bị giảm đi Ngoài ra, khi nguyên liệu có nồng độ chất khôcao dễ làm xảy ra hiện tượng tập trung nồng độ trên bề mặt hoạt động của membrane,

từ đó cũng làm giảm lưu lượng của dòng permeate Một vấn đề khác cần lưu ý là nồng

độ chất khô cao sẽ làm tăng độ nhớt của nguyên liệu, khi đó sự khuếch tán của các cấu

tử qua membrane cũng sẽ bị hạn chế

Ivetta Vincze và Gyula Vatai (2004) đã khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độdòng nguyên liệu đến lưu lượng dòng permeate trong quá trình cô đặc dịch chiết càphê Kết quả cho thấy khi nồng độ dòng nguyên liệu càng tăng, lưu lượng dòngpermeate càng giảm Xu và cộng sự (1999) đã chứng minh được nồng độ nguyên liệu

là yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến độ phân riêng Họ kết luận rằng khi tăng nồng độ củadòng nhập liệu thì độ phân riêng giảm và ngược lại

Lượng vi sinh vật có trong nguyên liệu cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệuquả của quá trình phân riêng Đó cũng là một trong những nguyên nhân gây ra hiệntượng fouling

b Thành phần hóa học của dung dịch nguyên liệu

Thành phần hóa học của dung dịch nguyên liệu: các hợp chất hóa học có trongnguyên liệu sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đến quá trình phân riêng bằngmembrane Ví dụ như protein là một chất hóa học có chứa những nhóm chức tích điện

và những nhóm kỵ nước Chúng có thể tương tác với các nhóm kỵ nước củamembrane và gây ra hiện tượng fouling, từ đó làm giảm lưu lượng dòng permeate

Để hạn chế những vấn đề trên, tùy theo thành phần hóa học của nguyên liệu mà chúng

ta cần chọn membrane với bản chất hóa học phù hợp

 Protein

Protein sữa là một trong những cấu tử thường gây hiện tượng tắc nghẽn maodẫn membrane Do chúng có chứa một số nhóm chức kỵ nước và một số nhóm chứctích điện Các nhóm chức này có thể tương tác hoặc tạo phức với một số nhóm chứccủa membrane Hơn nữa, với cấu trúc không gian phức tạp, các phân tử protein sữa cóthể chui vào mao dẫn làm tắc nghẽn dòng permeate

 Lipid

Với bản chất kỵ nước, lipid thường tạo ra một màng bao phủ membrane đượcsản xuất từ những vật liệu kỵ nước như: polyvinylidene fluoride, polysulfone, từ

đó gây nên hiện tượng tắc nghẽn dòng permeate Trong trường hợp này, chúng ta nên

sử dụng membrane ưa nước như vật liệu polyacrylonitrile cải biến, được gắn lên một

số nhóm chức ưa nước Khi đó, sự tắc nghẽn dòng permeate được hạn chế đáng kể

 Muối

Các muối có trong sữa cũng là nguyên nhân gây hiện tượng tắc nghẽn dòngpermeate Chúng có thể kết tủa và bám lên thành mao dẫn do độ hòa tan kém hay liênkết với các gốc điện tích của vật liệu membrane Ion Ca2+ có vai trò như cầu nối, liênkết một số nhóm chức giữa membrane và protein sữa, từ đó làm giảm tốc độ dòngpermeate Để khắc phục tình trạng này, chúng ta có thể tách Ca ra khỏi sữa nằngphương pháp ly tâm, thẩm điện tích, trao đổi ion

c pH

Giá trị pH sẽ ảnh hưởng đến sự tích điện và sự phân ly của một số cấu tử trongdòng nhập liệu Do đó các nhà sản xuất cần lựa chọn và hiệu chỉnh giá trị pH thíchhợp cho dung dịch nguyên liệu trong quá trình phân riêng Ví dụ như đối với nguyênliệu có chứa protein, ta cần chọn giá trị pH dung dịch nguyên liệu lệch xa giá trị pI và

ở giá trị pI thì các phân tử protein sẽ trung hòa về điện và đông tụ Khi đó, sự tắcnghẽn membrane sẽ dễ xảy ra hơn.

1.2.3 Các thông số kỹ thuật của quá trình

Đặc tính của membrane và nguyên liệu là hai yếu tố khó thay đổi trong quátrình phân riêng Yếu tố mà chúng ta có thể điều khiển được một cách dễ dàng và cóhiệu quả là chế độ làm việc của quá trình phân riêng Các nghiên cứu nhằm nâng caohiệu quả của quá trình phân riêng chủ yếu tập trung vào các thông số kỹ thuật, baogồm: áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc, lưu lượng dòng nhập liệu

a Nhiệt độ

Khi tăng nhiệt độ, độ nhớt sẽ giảm đồng thời sự chuyển động của các cấu tửtrong dung dịch nguyên liệu sẽ gia tăng Khi đó sẽ hạn chế được hiện tượng tập trungnồng độ, kết quả là lưu lượng của dòng permeate sẽ gia tăng

b Áp lực qua màng

Đây là động lực quá trình phân riêng bằng membrane Áp lực qua màng đượcxác định bằng công thức sau:

= (PF – PP) – (Ptf – Ptp )

PF : Áp lực từ phía trong dòng vào ( Áp lực bơm)

PP : Áp lực từ phía permeate trong thiết bị membrane

Ptf : Áp lực thẩm thấu trong dòng nguyên liệu vào

Ptp : Áp lực thẩm thấu trong dòng ra permeate

Dựa vào công thức tính , ta thấy để tăng giá trị thì chúng ta có thể tăng áp lựcbơm dung dịch nguyên liệu và giảm áp lực từ phía permeate trong thiết bị membrane

c Tốc độ dòng vào và chảy rối

Nếu bơm nguyên liệu vào với tốc độ cao và bên trong có cánh khuấy sẽ xuấthiện những dòng chảy rối trên bề mặt membrane thì hiện tượng nghẽn mao mạch đượchạn chế tối đa và tốc độ dòng permeate được cải thiện đáng kể Nếu tốc độ dòng vàochậm, sự trượt của các cấu tử có phân tử lượng lớn bị giới hạn Khi đó, trên membrane

thường xuất hiện hiện tượng phân tầng với nhiều lớp cấu tử có kích thước khác nhaunằm xếp chồng lên nhau, từ đó làm giảm tốc độ dòng permeate.

1.3 Các thiết bị và mô tả đặc tính của từng thiết bị

1.3.1 Mô hình ống (Tubular module)

Thiết bị là hai ống hình trụ đồng trụ bằng thép không rỉ, đường kính khác nhau

và được đặt lồng vào nhau Ống hình trụ bên trong có thân được đục lỗ Mộtmembrane dạng tấm được cuộn tròn lại để tạo thành hình ống và được lồng ép sát vàothành bên trong của ống hình trụ có đường kính nhỏ

Khi hoạt động dòng nhập liệu được bơm vào một đầu của thiết bị và được phânphối vào bên trong các ống trụ nhỏ Dòng retentate sẽ thoát tại đầu bên kia của ốnghình trụ này Còn dòng permeate sẽ chui qua các mao quản của membrane và thoát rathành bên ngoài của ống hình trụ nhỏ rồi theo đường dẫn để ra bên ngoài thiết bị

Để tăng diện tích bề mặt phân riêng trong thiết bị, người ta có thể lắp đặt mộtchùm ống hình trụ đường kính nhỏ được quấn membrane bên trong thân rồi đặt songsong nhau vào ở bên trong thân đường lớn Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằngthép không rỉ, có đường kính dao động 12,5 – 75 nm, chiều dài khoảng 0,6 – 64 m cókhoang các lỗ nhỏ trên thân có vai trò là ống đỡ membrane và được giữ trong một ốngthép lớn Ngoài ra, người ta cũng có thể chia ống hình trụ thành nhiều khoang Dungdịch nguyên liệu sẽ được bơm vào trong các khoang này theo nguyên tắc nối tiếp hoặcsong song nhau

 Ưu điểm: dễ tạo dòng chảy rối trong quá trình vận hành nên có thể hạn chếđược hiện tượng tập trung nồng độ, dễ vệ sinh thiết bị và thay thế membrane khá đơngiản và dễ thực hiện

 Nhược điểm: thiết bị khá cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng Ngoài

ra, tốc độ dòng nhập liệu khi đi vào thiết bị sẽ bị giảm dần nếu chiều cao của thiết bịkhá lớn, giá thành cao

Hình 1.3.1.1: Thiết bị membrane dạng ống

1.3.2 Membrane dạng khung bản (Plate and Frame Module)

Mỗi đơn vị cấu tạo nên mô hình bảng gồm một tấm đở hai tấm đệm vàmembrane được ép sát vào nhau Các tấm đỡ dạng hình chữ nhật có độ dày rất mỏng,diện tích bề mặt từ 0,11 -0,35 m2 Các tấm đệm có cấu trúc vi xốp được ép cát và phủkín bề mặt tấm đỡ Các membrane có diện tích bề mặt đúng bằng với diện tích bề mặttấm đỡ và được đặt sát lên các miếng đệm Trong thiết bị membrane, các tấm trênđược xếp song song với nhau Tùy thuộc vào số đơn vị được lắp ráp mà diện tíchmembrane được sử dụng trong thiết bị dao động từ 0,1 – 100 m2

Loại membrane này được tạo thành do các bản đỡ đặt song song nhau cáchnhau một khoảng cách khá hẹp tạo thành một hệ thồng kênh dẫn cho dòng permeate

và retentate Membrane được phủ trên các tấm giá đỡ (dạng plate) tạo sự phân cáchgiữa hai dòng permeate và retentate Dòng nhập liệu chảy vào một đầu và được phânphối vào các kênh dẫn retentate, các cấu tử có kích thước thích hợp sẽ qua membrane