Kỹ Thuật Màng Ứng Dụng Bài 1: Khái quát kỹ thuật màng Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ mơn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Khái quát kỹ thuật màng Khái niệm Màng Membrane Sinh học - Là mội lớp mỏng bao phủ bề mặt phân chia phần, cấu trúc quan thể động thực vật - Màng tế bào Hóa học Mảnh vật chất mỏng làm từ vật liệu tự nhiên tổng hợp có khả thấm (cho qua) cách chọn lọc chất hỗn hợp dung dịch Khái quát kỹ thuật màng Thị trường màng toàn cầu năm 2000 Doanh số bán màng thiết bị màng (Triệu USD) Tốc độ tăng trưởng 16 150 150 150 350 14 200 12 100 10 400 Grow th rate (%/year) 350 2200 350 Hemodialysis/filtration Blood oxygenator Water desalination (w aste) Water purification Oxygen/nitrogen separation Food processing (bio) Chemical industry Electrochemical industry Analytical/ dianogstic n ti o ator n lt n t io n is/ fi x yge na n ti o lys o sali ica ara tio ss ing y d ia lood de ur if try ustr e p r oc e mo ter B rp ind indu s s tic ous ns p He Wa ate al og e l g e ood ro )W an ian m ic mica F he ste en/nit l/ d isc ell e a ca )C ch (w M ly ti xy g bio tr o a ( c O An Ele Miscellaneous /H Strathmann: Membrane Separation processes: Current relevance and future opportunities AIChE Journal 47(2001),5/ Khái quát kỹ thuật màng Cơng suất tính tồn giới số lượng thiết bị vi lọc/siêu lọc lắp đặt dùng cho trình xử lý nước /R Gimbel, G Hagmeyer Forum Forschung 2001/ Khái quát kỹ thuật màng Lịch sử phát triển kỹ thuật màng Khái quát kỹ thuật màng Lịch sử phát triển kỹ thuật màng J Abbe Nollet phát tượng thẩm thấu vào năm 1748 Bài báo khoa học công bố thẩm thấu: J.A Nollet, Lecons de physique experimentale, Hippolyte-Louis Guerin and Louis-Francios Delatour, Paris, 1748 Khái quát kỹ thuật màng Lịch sử phát triển kỹ thuật màng 1907 Bechold giới thiệu đến khái niệm siêu lọc 1950 Hassler đề cập đến trình tách muối từ nước biển 1958 Sidney Loeb S Sourirajan nghiên cứu chế tạo thành công màng Polymer 1961 Loeb-Sourirajan đăng ký phát minh cho phương pháp chế tạo màng 1962 Loeb-Sourirajan phát minh màng bất đối xứng Khái quát kỹ thuật màng Màng tế vi Microporous Membrane Khái quát kỹ thuật màng Màng không lỗ Nonpore Membrane Khái quát kỹ thuật màng Màng bất đối xứng Assymetric Membrane Khái quát kỹ thuật màng Màng gốm Ceramic Membrane Khái quát kỹ thuật màng Mô đun màng Đầu vào Feed Màng Dịch đặc Retentat Nước Permeat Mo đun: Một phần thiết bị khép kín có chứa màng Khái quát kỹ thuật màng Mô đun màng Khái quát kỹ thuật màng Đặc trưng trình tách dùng màng Khái quát kỹ thuật màng Phân loại Các trình màng Động lực Chênh lệch áp suất (chênh lệch hóa) Chênh lệch áp suất riêng phần Chênh lệch nồng độ Chênh lệch điện Cơ chế phân tách Cơ chế sàng (Lọc sâu/cake filtration) Hấp phụ + Khuêchtán Trạng thái tập hợp Lỏng (F) / Lỏng (F) Đối tượng phân tách Siêu lọc (UF) Lọc nano (NF) Vi lọc(MF) Thẩm thấu ngược (RO) Hấp phụ + Khuêch tán Bay Hấp phụ + Khuêch tán Lỏng (F) / Khí (G) Thấm bốc (PV) Khí (G)/Khí (G) Khí (G)/Khí (G) Tách (VP) Tách khí (GS) Hấp phụ + Khuêch tán Lỏng (F) / Lỏng (F) Thẩm tích(D) Thẩm tích khuêch Tán (DE) Độ linh động điện tích Lỏng (F) / Lỏng (F) Điện thẩm tích (ED) Điện thẩm tích lưỡng cực(BED) 1nm 0,1μm 10μm Khái quát kỹ thuật màng Siêu lọc vi lọc Vi lọc siêu lọc để xử lý nước • Dùng nguyên lý tách vật lý • Tiết kiệm chi phí xử lý sơ ( thay nhiều khâu xử lý sơ bộ) • Đáp ứng yêu cầu chất lượng ngày tăng • Dễ dàng tự động hóa Khái quát kỹ thuật màng Thẩm thấu ngược Khái quát kỹ thuật màng Lọc Nano Khái quát kỹ thuật màng Thấm bốc Mô Đun Màng Dịch đặc Hỗn hợp cần phân tách Bơm chân không Dịch Khái quát kỹ thuật màng Tách khí Khơng khí Máy nén Lọc, làm khơ Màng Khí thải 10 Khái quát kỹ thuật màng Điện thẩm tích Nước biển HCl NaOH Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Phân tố màng Mô đun màng Cấu trúc phát triển trình màng Bố trí mơ đun Q trình tổng thể RO Bốc 11 Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Độ chọn lọc/Mức giữ lại – Dòng nước - ĐỘ CHỌN LỌC (Sij) màng thể khả lựa chọn cho phép cấu tử định thấm qua -Năng suất màng đánh giá qua DÒNG NƯỚC TRONG (mi) đạt & điều kiện vận hành định - Độ chọn lọc dịng nước thơng số cục bộ, thay đổi theo loại mơ đun màng, vị trí khảo sát Khái quát kỹ thuật màng Dịch đặc Dịch vào Nước Màng Dịch vào Nước Dòng 12 Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Động lực – Trở lực Q trình Dịng = Động lực/Trở lực Pha Động lực Loại màng Ứng dụng RO L/L ∆p đến 200bar Bất đối xứng Xử lý nước, dung dịch với nước NF L/L ∆p đến 60bar Bất đối xứng Phân riêng chất tan dung dịch với nước UF L/L ∆p đến 10bar Màng bất đối xứng, lỗ Cô đặc, phân loại dung dịch cao phân tử,… ED L/L Điện trường vng góc với bề mặt màng Màng đối xứng có đính nhóm ion Thận nhân tạo, tuần hoan axit Thấm bốc PV L/H Hạ áp suất phía nước Màng bất đối xứng không lỗ Phân tách hỗn hợp chất hữu Thẩm thấu khí H/H Tăng áp suất phía dịch đặc lên tới 80 bar hạ áp suất phía nước -> chênh lệch áp suất riêng phần Màng bất đối xứng không lỗ Phân tách H2/N2, CO2/CH4 O2/N2 Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Nguyên lý hoạt động số trình màng tiêu biểu Thẩm thấu ngược Dịch vào (lỏng) Tách khí ( áp suất dư) Dịch đặc Nước (lỏng) Thấm bốc Khí trơ Hơi (hơi) Dịch đặc Nước (hơi) Thẩm khí ( áp suất chân không) Dịch vào Dịch vào (lỏng) Dịch vào Dịch đặc Nước (lỏng) (hơi) Dịch đặc Nước Nước 13 Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Động lực tổng quát – Chênh lệch hóa Thế hóa cấu tử i ⎛ ∂G ⎞ μi = ⎜ ⎜ ∂x ⎟ ⎟ ⎝ i ⎠ p ,T , x ≠ x i k Thế hóa tương ứng với cơng nhỏ hệ thống phải nhận thực thay đổi nồng độ 1-> 2 W1/ = ∫ μi (T , p, xi )dxi μi (T , p, xi ) = μ 0i (T , p ) + RT ln (T , p , xi ) + Vi ( p − p ) Với khí lý tưởng ~ μi (T ) = μi0 (T ) + RT ln Áp suất thẩm thấu pi p0 RT Vi π i = − ~ ln Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Động lực tổng qt – Chênh lệch hóa Q trình vận chuyển cấu tử i trình Thẩm thấu ngược: Δμi RO [ ] ~ ~ = Vi p F − p p − (π i , F − π i , P ) = Vi (Δp − Δπ ) Đối với q trình Thấm bốc (PV), viết: Δμi PV ~ = RT ln ( Do Vi p F − p ⎤ aiF piS γ xp p ~ ⎡ RT = RT ln iF i iS = Vi ⎢ ~ ln iS − π i , F ⎥ piP piP piP yi ⎦ ⎣V ) nhỏ khơng đáng kể, bỏ qua Đối với q trình tách khí (GP), viết: Δμi GP = RT ln piS p x = RT ln F i piP p P yi 14 Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Các loại trở lực trình màng - Trở lực lớp màng (lớp hoạt động) - Trở lực thủy lực bên phía nước dịch đặc (giảm động lực chung) - Phân cực nồng độ bề mặt màng - Trở lực chuyển khối lớp phụ trợ - Trở lực truyền nhiệt (phân cực nhiệt độ) trình PV Khái quát kỹ thuật màng Các khái niệm Ảnh hưởng tổn thất áp suất đến động lực trình Ảnh hưởng tổn thất áp suất 15 ... Khái quát kỹ thuật màng Màng không lỗ Nonpore Membrane Khái quát kỹ thuật màng Màng bất đối xứng Assymetric Membrane Khái quát kỹ thuật màng Màng gốm Ceramic Membrane Khái quát kỹ thuật màng. .. hóa Khái quát kỹ thuật màng Thẩm thấu ngược Khái quát kỹ thuật màng Lọc Nano Khái quát kỹ thuật màng Thấm bốc Mô Đun Màng Dịch đặc Hỗn hợp cần phân tách Bơm chân không Dịch Khái quát kỹ thuật màng. .. đun màng Đầu vào Feed Màng Dịch đặc Retentat Nước Permeat Mo đun: Một phần thiết bị khép kín có chứa màng Khái qt kỹ thuật màng Mô đun màng Khái quát kỹ thuật màng Đặc trưng trình tách dùng màng