Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu quá trình khử nước dung dịch cồn sinh học bằng công nghệ thẩm thấu - bốc hơi
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- HỒ MINH ĐẠT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHỬ NƯỚC DUNG DỊCH CỒN SINH HỌC BẰNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU-BỐC HƠI Chuyên ngành : Công nghệ chế biến thực phẩm đồ uống Mã số : 605402 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm2015 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Hiếu Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM Ngày tháng năm 2015 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1………………………………………………… 2………………………………………………… 3………………………………………………… 4………………………………………………… 5………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hồ Minh Đạt Ngày, tháng, năm sinh: 06/11/1988 Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm Đồ uống MSHV: 11110192 Nơi sinh: Bến Tre Mã số: 605452 I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu trình khử nước dung dịch cồn sinh học công nghệ thẩm thấu-bốc II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan: quy trình sản xuất cồn sinh học, phương pháp khử nước dung dịch cồn cao độ, công nghệ thẩm thấu-bốc hơi, điều kiện vận hành hệ thống thẩm thấu-bốc đến hiệu phân tách màng. - Thực nghiệm: dùng quy hoạch thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng điều kiện vận hành hệ thống thẩm thấu-bốc như: nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng dòng nhập liệu áp suất dòng thẩm thấu đến hiệu khử nước dung dịch cồn cao độ (lớn 80% khối lượng) màng thương mại poly(vinyl alcohol) (PVA) polyacrylonitrile (PAN) (PVA/PAN). Tối ưu hóa điều kiện vận hành để đạt hiệu làm việc màng tốt nhất. - Kết bàn luận - Kết luận - Tài liệu tham khảo III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2015 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2015 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Hữu Hiếu Tp. HCM, ngày CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO tháng năm 2015 TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gởi lời cám ơn chân thành cảm ơn chân thành đến thầy TS. Nguyễn Hữu Hiếu tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô thuộc môn Công nghệ thực phẩm, Bộ môn Công nghệ sinh học, Bộ môn máy thiết bị, Khoa Kỹ thuật hóa học trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, trang bị cho kiến thức nhiệt tình hỗ trợ thời gian học tập thực luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bạn Đặng Thị Minh Kiều, Nguyễn Thanh Bình, Dương Thắng hỗ trợ thời gian làm việc phòng thí nghiệm. Và cuối cùng, xin gởi lời cảm ơn đến thành viên gia đình, tạo điều kiện ủng hộ cho suốt thời gian học tập thực luận văn. Học viên thực Hồ Minh Đạt i TÓM TẮT Trong luận văn này, trình khử nước dung dịch cồn có nồng độ từ 80% đến 96% khối lượng công nghệ thẩm thấu-bốc nghiên cứu với màng thương mại poly(vinyl alcohol) (PVA) polyacrylonitrile (PAN) (PVA/PAN). Theo đó, luận văn gồm bốn chương với nội dung sau: Chương I. Tổng quan: Trình bày cồn sinh học: tính chất đặc trưng phương pháp sản xuất cồn sinh học, phương pháp khử nước dung dịch cồn. Đặc biệt chương giới thiệu công nghệ phân riêng màng: cụ thể công nghệ thẩm thấu-bốc hơi, ưu nhược điểm, ứng dụng công nghệ thẩm thấu-bốc hơi. Đồng thời, nêu lên tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu đề tài. Chương II. Thực nghiệm: trình bày hóa chất, cách bố trí quy hoạch thực nghiệm với bốn yếu tố làm việc: nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng dòng nhập liệu áp suất dòng thẩm thấu. Mô tả sơ đồ hệ thống thí nghiệm quy trình thí nghiệm. Chương III. Kết bàn luận: Trình bày kết quả, ảnh hưởng riêng rẽ đồng thời yếu tố vận hành lên hiệu làm việc màng PVA/PAN thông qua giá trị thông lượng độ chọn lọc màng. Chương IV. Kết luận: Trình bày kết đạt được. ii ABSTRACT In this thesis, the dehydration of 80-96 wt% ethanol solution by pervaporation technology using a commercial poly (vinyl alcohol) (PVA) based on polyacrylonitrile (PAN) (PVA/PAN) membrane was studied. According to this approach, the thesis consists of four chapters with the following contents: Chapter I. Overview: This chapter provides an overview of the properties and production of bioethanol, dehydration processes for ethanol solution. Especially, the membrane separation technology that includes pervaporation process is also presented. The advantages and disadvantages, and applications of pervaporation are described. Furthermore, the novelty, objectives, content, and methodology are also presented. Chapter II. Experimental: This chapter presents chemicals, facilities, experimental design with four operating conditions: feed temperature, feed concentration, feed flow rate, and permeate pressure. This chapter also describes the pervaporation system, experimental procedures to investigate effect of operating conditions on the pervaporation performance of PVA/PAN membrane in terms of permeate flux and selectivity. Chapter III. Results and discussion: This chapter shows the results of the effects of individual and simultaneous operating conditions on the pervaporation performance of PVA/PAN membrane via the permeate flux and selectivity. Additionally, the individual and multiresponse optimization based on the desirability function for the pervaporation process also are presented. Chapter IV. Conclusions: This chapter summarizes the main achieved results of this thesis. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN . i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii MỤC LỤC . iv DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG . viii MỞ ĐẦU ix CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Cồn sinh học . 1.1.1.Khái niệm tính chất 1.1.2.Ưu điểm-khuyết điểm cồn sinh học . 1.1.3.Tình hình sử dụng cồn sinh học giới . 1.1.4.Công nghệ sản xuất cồn sinh học . 1.1.5.Các phương pháp nâng cao độ cồn . 1.2. Công nghệ thẩm thấu-bốc (Pervaporation) 16 1.2.1.Giới thiệu 16 1.2.2.Ưu-nhược điểm công nghệ thẩm thấu-bốc 23 1.2.3.Màng dùng cho trình thẩm thấu-bốc . 24 1.2.4.Ứng dụng khử nước trình thẩm thấu-bốc . 29 1.3. Tính cấp thiết mục tiêu 33 1.3.1 Tính cấp thiết 33 1.3.2.Mục tiêu nghiên cứu . 34 1.3.3.Nội dung nghiên cứu 34 1.3.4.Phương pháp nghiên cứu 35 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 38 2.1. Hóa chất, dụng cụ thiết bị 38 2.1.1.Hóa chất 38 iv 2.1.2.Dụng cụ thiết bị . 38 2.1.3.Hệ thống thẩm thấu-bốc . 38 2.2. Khảo sát ảnh hưởng điều kiện vận hành 42 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . 44 3.1. Ảnh hưởng yếu tố 47 3.1.1.Ảnh hưởng nhiệt độ . 47 3.1.2.Ảnh hưởng nồng độ . 48 3.1.3.Ảnh hưởng lưu lượng . 48 3.1.4.Ảnh hưởng áp suất . 48 3.2. Ảnh hưởng đồng thời yếu tố 49 3.2.1.Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất 49 3.2.2.Ảnh hưởng nhiệt độ nồng độ 50 3.2.3.Ảnh hưởng nồng độ áp suất 52 3.2.4.Ảnh hưởng nhiệt độ lưu lượng 54 3.2.5.Ảnh hưởng áp suất lưu lượng . 56 3.2.6.Ảnh hưởng nồng độ lưu lượng 57 3.3. Tối ưu hóa điều kiện vận hành . 59 3.3.1.Phương trình hồi quy 59 3.3.2.Độ tương thích mô hình . 59 3.3.3.Tối ưu hàm mục tiêu 60 3.3.4.Tối ưu đồng thời hai hàm mục tiêu 61 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN . 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 64 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc phân tử ethanol . Hình 1.2: Giản đồ cân pha lỏng-hơi ethanol-nước 1atm Hình 1.3: Quá trình xử lý lignocellose Hình 1.4: Quy trình sản xuất cồn sinh học từ biomass . Hình 1.5: Quy trình chưng cất hỗn hợp đẳng phí Hình 1.6: Quy trình chưng cất chân không . 10 Hình 1.7: Cấu tạo phân tử zeolit 12 Hình 1.8: a. Tứ diện SiO4 13 Hình 1.9: Quy trình hấp phụ 14 Hình 1.10: Quy trình hấp phụ thay đổi áp suất 14 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý trình thẩm thấu-bốc dùng bơm chân không 17 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý trình thẩm thấu-bốc dùng dòng khí quét 17 Hình 1.13: Lịch sử hình thành phát triển trình thẩm thấu-bốc [15] 19 Hình 1.14: Sơ đồ thẩm thấu dùng bơm chân không . 22 Hình 1.15: Các loại môđun màng bản: (a) dạng phẳng, (b) dạng xoắn ốc, (c) dạng ống, (d) dạng sợi rỗng 25 Hình 1.16: So sánh trình khử nước hệ ethanol-nước phương pháp chưng cất (đường cong dưới) thẩm thấu-bốc (đường cong trên) [39] 30 Hình 1.17: Nội dung nghiên cứu . 34 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống thẩm thấu-bốc . 38 Hình 2.2: Ảnh hệ thống thẩm thấu-bốc 40 Hình 2.3: Quy trình vận hành hệ thống . 41 Hình 3.2: Mức độ ảnh hưởng riêng rẽ đồng thời yếu tố lên thông lượng dòng thẩm thấu . 46 Hình 3.3: Mức độ ảnh hưởng riêng rẽ đồng thời yếu tố lên độ chọn lọc màng……… 47 Hình 3.4: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ áp suất lên thông lượng lưu lượng 80 l/h nồng độ 88% . 49 vi Hình 3.5: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ áp suất lên độ chọn lọc lưu lượng 80 l/h nồng độ 88% 50 Hình 3.6: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ nồng độ lên thông lượng lưu lượng 80 l/h áp suất 11 kPa . 51 Hình 3.7: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ nồng độ lên độ chọn lọc lưu lượng 80 l/h áp suất 11 kPa 52 Hình 3.8: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nồng độ, áp suất lên thông lượng nhiệt độ 40 C lưu lượng 80 l/h . 53 Hình 3.9: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nồng độ, áp suất lên độ chọn lọc nhiệt độ 40 C lưu lượng 80 l/h 54 Hình 3.10: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ, lưu lượng lên thông lượng áp suất 11 kPa nồng độ, 88% 54 Hình 3.11: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ, lưu lượng lên độ chọn lọc áp suất 11 kPa nồng độ, 88% . 55 Hình 3.12: Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời lưu lượng áp suất lên thông lượng nhiệt độ 40C áp suất 88% . 56 Hình 3.13: Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời lưu lượng áp suất lên độ chọn lọc nhiệt độ 40C áp suất 88% 57 Hình 3.14: : Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời nồng độ lưu lượng lên thông lượng nhiệt độ 40C áp suất 11 kPa 57 Hình 3.15: Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời nồng độ lưu lượng lên độ chọn lọc nhiệt độ 40C áp suất 11 kPa . 58 Hình 3.16: So sánh giá trị thực nghiệm mô (a) thông lượng (b) độ chọn lọc…… 60 Hình 3.17: Tối ưu hóa đồng thời thông lượng độ chọn lọc 61 vii (a) (b) Hình 3.9: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nồng độ, áp suất lên độ chọn lọc nhiệt độ 40 C lưu lượng 80 l/h 3.2.4. Ảnh hưởng nhiệt độ lưu lượng (a) (b) Hình 3.10: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ, lưu lượng lên thông lượng áp suất 11 kPa nồng độ 88% 54 Như nhận xét phần ảnh hưởng yếu tố, lưu lượng dòng nhập liệu có ảnh hưởng không đáng kể đến thông lượng thẩm thấu độ chọn lọc màng. Tương tự, tương tác nhiệt độ lưu lượng dòng nhập liệu ảnh hưởng đến thông lượng, thể qua giá trị P = 0,4821 Hình 3.2. Theo Hình 3.10, thông lượng đạt khoảng giá trị cực đại nhiệt độ dòng nhập liệu lớn 45 C lưu lượng 90 l/h. Đối với độ chọn lọc màng, tương tác nhiệt độ lưu lượng dòng nhập liệu lại có ảnh hưởng rõ ràng, thể qua giá trị P = 0,0185 Hình 3.3. Qua Hình 3.11 cho thấy độ chọn lọc màng đạt khoảng giá trị cực tiểu nhiệt độ dòng nhập khoảng 40-45 C lưu lượng khoảng 60-100 l/h. (a) (b) Hình 3.11: Bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) thể ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ, lưu lượng lên độ chọn lọc áp suất 11 kPa nồng độ 88% 55 3.2.5. Ảnh hưởng lưu lượng áp suất Tương tự trên, tương tác lưu lượng dòng nhập liệu áp suất dòng thẩm thấu ảnh hưởng lên thông lượng độ chọn lọc không đáng kể thể qua giá trị mức ý nghĩa tương ứng với thông lượng độ chọn lọc 0,0985 0,2708 lớn 0,05 Hình 3.2 3.3. (a) (b) Hình 3.12: Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời lưu lượng áp suất lên thông lượng nhiệt độ 40C áp suất 88% Theo hình 3.12 cho thấy thông lượng thẩm thấu đạt giá trị cực đại áp suất dòng thẩm thấu kPa kèm theo lưu lượng dòng nhập liệu đạt giá trị 100 l/h. Khi áp suất tăng cao kPa lưu lượng dòng nhập liệu cao 100 l/h, thông lượng thẩm thấu có xu hướng giảm xuống. Hình 3.13 cho thấy độ chọn lọc màng tỷ lệ thuận với nồng độ dòng nhập liệu tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dòng nhập liệu. Độ chọn lọc màng đạt giá khoảng trị cực đại lưu lượng dòng thẩm thấu 40 l/h áp suất dòng thẩm thấu kPa. Giá trị giảm dần lưu lượng dòng nhập liệu áp suất dòng thẩm thấu tăng. 56 (a) (b) Hình 3.13: Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời lưu lượng áp suất lên độ chọn lọc nhiệt độ 40C áp suất 88% 3.2.6. Ảnh hưởng nồng độ lưu lượng (a) (b) Hình 3.14: : Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời nồng độ lưu lượng lên thông lượng nhiệt độ 40C áp suất 11 kPa 57 Tương tự ảnh hưởng nhiệt độ lưu lượng, tương tác nồng độ lưu lượng ảnh hưởng không đáng kể đến thông lượng thẩm thấu, lại có ảnh hưởng rõ rệt lên độ chọn lọc màng, thể qua giá trị mức ý nghĩa thông lượng độ chọn lọc 0,3892 > 0,05 0,001 < 0,05 Hình 3.2 3.3. Hình 3.14 thể thông lượng thẩm thấu đạt giá trị cực đại nồng độ 85% lưu lượng 80 l/h. Độ chọn lọc màng đạt cực tiểu nồng độ lưu lượng dòng nhập liệu 80% 80 l/h đạt cực đại nồng độ dòng nhập liệu 95%, lưu lượng 60 l/h Hình 3.15. (a) (b) Hình 3.15: Đồ thị bề mặt đáp ứng (a) đường đồng mức (b) ứng thể ảnh hưởng đồng thời nồng độ lưu lượng lên độ chọn lọc nhiệt độ 40C áp suất 11 kPa Theo kết thể ảnh hưởng đồng thời cặp yếu tố cho thấy tương tác nhiệt độ nhiệt độ nồng độ dòng nhập liệu, nhiệt độ dòng nhập liệu áp suất dòng thẩm thấu ảnh hưởng đáng kể đến thông lượng thẩm thấu độ chọn lọc màng. 58 3.3. Tối ưu hóa điều kiện vận hành 3.3.1. Phương trình hồi quy Từ kết khảo sát ảnh hưởng yếu tố vận hành lên hai hàm mục tiêu thông lượng độ chọn lọc, hai mô hình toán mô tả quan hệ hai hàm mục tiêu biến thu sau: Thông lượng J, kg/m2h J 0,0588 0,0095 A 0,0047 B 0,0092C 0,0007 D 0,0089 AB 0,0012 AC 0,0041AD 0,0015BC 0,0023BD 0,0378CD (3.1) 0,0033 A2 0,0027 B 0,0030C 0,0048D Độ chọn lọc a 1,9952 0,3029 A 0, 4917 B 0,0856C 0,1080 D 0, 2817 AB 0, 2786 AC 0,0246 AD 0, 4253BC 0,0905 BD 0,1212CD 0,3345 A 0,1222 B 0,1534C 0,1735 D (3.2) 3.3.2. Độ tương thích mô hình Hình 3.16 trình bày so sánh giá trị thực nghiệm mô từ phương trình hồi quy (3.1) (3.2). Qua đó, cho thấy mức độ tương thích mô hình thực nghiệm thông qua hệ số tương quan R2 J 0,90 0,87. Theo đó, mức độ tương thích mô hình thực nghiệm độ chọn lọc không cao. 59 (a) (b) Hình 3.16: So sánh giá trị thực nghiệm mô (a) thông lượng (b) độ chọn lọc 3.3.3. Tối ưu hàm mục tiêu Từ mô hình toán học suy giá trị cực đại, cực tiểu thông lượng độ chọn lọc: Jmin = 0,01 Jmax = 0,09 min = 0,5 max = 5,5 Hàm kỳ vọng di xác định theo hàm mục tiêu J sau: Thông lượng dòng thẩm thấu J, kg/m2h d1 0,6101 0,1186 A 0,0585B 0,0055C 0,1148 D 0,0089 AB 0,0155 AC 0,0518 AD 0,0191BC 0,0283BD 0,0378CD (3.3) 0,0406 A2 0,0338B 0,0376C 0,0594 D Độ chọn lọc d 0, 2990 0,0606 A 0,0983B 0,0171C 0,0216 D 0,0563 AB 0,0577 AC 0,0049 AD 0,0851BC 0,0181BD 0,0243CD (3.4) 0,0669 A2 0,0244 B 0,0307C 0,0347 D 60 Tối ưu hóa hàm kỳ vọng thu kết sau: Đối với thông lượng thẩm thấu: Điều kiện vận hành: nhiệt độ dòng nhập liệu 44,46 C, nồng độ dòng nhập liệu 85%, lưu lượng dòng nhập liệu 80 l/h, áp suất dòng thẩm thấu kPa. Giá trị thông lượng tối ưu điều kiện vận hành 7,589x102 kg/m2h. Đối với độ chọn lọc màng: Điều kiện vận hành: nhiệt độ dòng nhập liệu 35 C, nồng độ dòng nhập liệu 92 %, lưu lượng dòng nhập liệu 60 l/h, áp suất dòng thẩm thấu kPa. Giá trị độ chọn lọc tối ưu điều kiện vận hành 4,6953. 3.3.4. Tối ưu đồng thời hai hàm mục tiêu Hình 3.17: Tối ưu hóa đồng thời thông lượng độ chọn lọc 61 Tối ưu hóa đồng thời hai hàm kỳ vọng d1, d2, thông qua hàm kỳ vọng kết hợp, D, từ phương trình (3.3) (3.4) sau: 1/2 0,6101 0,1186 A 0,0585 B 0,0055C 0,1148 D 0,0089 AB D 0,0155 AC 0,0518 AD 0,0191BC 0,0283BD 0,0378CD 0,0406 A2 0,0338B 0,0376C 0,0594 D 1/2 0, 2990 0,0606 A 0,0983B 0,0171C 0,0216 D 0,0563 AB 0,0577 AC 0,0049 AD 0,0851BC 0,0181BD 0,0243CD 0,0669 A2 0,0244 B 0,0307C 0,0347 D (3.5) Kết tối ưu hóa phương trình 3.5 cho Dmax = 0,716 35 C, 92 %, 60 l/h , kPa ứng với thông lượng 5,3454x10-2 kg/m2.h độ chọn lọc 4,6953. 62 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN Trong luận văn này, trình khử dung dịch cồn có nồng độ 80-96 %kl công nghệ thẩm thấu-bốc nghiên cứu với màng thương mại PVA/PAN. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm quay bậc hai Box-Hunter sử dụng để khảo sát ảnh hưởng điều kiện vận hành nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng dòng nhập liệu áp suất dòng thẩm thấu đến thông lượng thẩm thấu độ chọn lọc màng. Kết khảo sát ảnh hưởng yếu tố cho thấy: nhiệt độ, nồng độ dòng nhập liệu áp suất dòng thẩm thấu có ảnh hưởng đáng kể thông lượng thẩm thấu độ chọn lọc màng. Kết khảo sát ảnh hưởng đồng thời cặp yếu tố cho thấy: tương tác nhiệt độ với nồng độ dòng nhập liệu; nhiệt độ dòng nhập liệu với áp suất dòng thẩm thấu có ảnh hưởng đáng kể đến thông lượng thẩm thấu độ chọn lọc màng. Tối ưu hóa điều kiện vận hành cho hàm mục tiêu thu kết quả: - Thông lượng thẩm thấu đạt giá trị 7,589x102 kg/m2h ứng với nhiệt độ dòng nhập liệu 44,46 C, nồng độ nhập liệu 85 %, lưu lượng dòng nhập liệu 80 l/h áp suất dòng thẩm thấu kPa. - Độ chọn lọc có giá trị 4,6953 ứng với nhiệt độ dòng nhập liệu 35 C, nồng độ nhập liệu 92 %, lưu lượng dòng nhập liệu 60 l/h áp suất dòng thẩm thấu kPa. Tối ưu hóa điều kiện vận hành cho đồng thời hai hàm mục tiêu thu kết quả: nhiệt độ dòng nhập liệu 35 oC, nồng độ nhập liệu 92%, lưu lượng nhập liệu 60 l/h áp suất dòng thẩm thấu kPa màng làm việc với thông lượng thẩm thấu 5,3454x10-2 kg/m2h độ chọn lọc 4,6953. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mustafa Balat, Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review, Energy Conversion and Management 52 (2011) 858–875. [2] Don W.Green and Robert H.Perry, Perry’s chemical engineers’ hand book – 8th edition, McGraw-Hill, (2007) [3] Trần Xoa, Trần Trọng Khuông Hồ Lê Viên, Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa học – Tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật. [4] J. Sheehan, The road to bioethanol: a strategic perpective of the US Department of Energy ‘s national ethanol program, American Chemical Society (2001) 2-25. [5] Wladyslaw Kaminski, Joanna Marszalek, Agnieszka Ciolkowska, Renewable energy source – Dehydrated ethanol, Chemical Engineering Journal 135 (2008) 95102. [6] Sohrab Haghighi Mood, Amir Hossein Golfeshan, Meisam Tabatabaei, Gholamreza Salehi Jouzani, Gholam Hassan Najafi, Mehdi Gholami, Mehdi Ardjmand, Lignocellulosic biomass to bioethanol, a comprehensive review with a focus on pretreatment, Renewable and Sustainable Energy Reviews27 (2013) 77– 93. [7] Dong-June Seo, Hirotaka Fujita, Akiyoshi Sakoda, Effects of a non-ionic surfactant, Tween 20, on adsorption/desorption of saccharification enzymes onto/from lignocelluloses and saccharification rate, Adsorption 17 (2011) 813-822. [8] Masaki Sagehashi, Noritaka Miyasaka, Hiromu Shishido, Akiyoshi Sakoda, Superheated steam pyrolysis of biomass elemental components and Sugi (Japanese cedar) for fuels and chemicals, Bioresource Technology 97 (2006) 1272-1283. [9] S. Ohara, Y. Terajima, A. Sugimoto, T. Hayano, K. Ujihara, M. Sagehashi, A. Sakoda, Biomass cồn production from sugarcane for energy generation to support sugar production, Journal of the Japan Institute of Energy 84 (2005) 923-928. 64 [10] S.M. Sadati.T1, K. Ghasemzadeh1, N. Jafarharasi and P. Vousoughi, An Overviwe on the Bioethanol Production using Membrane Technologies, International Journal of Membrane Science and Technology (2014) 9-22. [11] Pia-Maria Bondesson, Aurélie Dupuy, Mats Galbe, Guido Zacchi, Optimizing Ethanol and Methane Production from Steam-pretreated, Phosphoric Acidimpregnated Corn Stover, Appl Biochem Biotechnol 175 (2015) 1371–1388 [12] Naim Kosaric, Zdravko Duvnjak, Adalbert Farkas, Hermann Sahm, Stephanie Bringer-Meyer, Otto Goebel and Dieter Mayer in "Ethanol" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2011”, Wiley-VCH, Weinheim. [13] Nguyễn Văn Phước, Kỹ thuật sản xuất rượu etylic, Bộ lương thực thực phẩm. [14] Đinh Thị Ngọ, Hóa học dầu mỏ khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (2006). [15] Richard W. Baker, Membrane Technology and Applications – 2nd Edition, Membrane Technology and Research, Inc, Menlo Park, California. [16] E. Steven Tarleton, Progress in Filtration and Separation, Loughborough University (2014). [17] Feng, X., Huang, R.Y.M., Liquid separation by membrane pervaporation: a review, Ind. Eng. Chem. Res. 36 (1997) 1048–1066. [18] Kujawski, W., Application of pervaporation and vapour permeation in environmental protection, J. Environ. Stud. (2000) 13–26. [19] Morigami, Y., Kondo, M., Abe, J., Kita, H., Okamoto, K., The first large-scale pervaporation plant using tubular-type module with zeolite NaA membrane, Sep. Purif. Technol. 25 (2001) 251–260. [20] Jonqui_eres, A., Clément, R., Lochon, P., Néel, J., Dresch, M., Chrétien, B., Industrial state-of-the-art of pervaporation and vapour permeation in the western countries, J. Membr. Sci. 206 (2002) 87–117. [21] Peng, M., Vane, L.M., Liu, S.X., Recent advances in VOCs removal from water by pervaporation, J. Hazard. Mater. 98 (2003) 69–90. [22] Smitha, B., Suhanya, D., Sridhar, S., Ramakrishna, M., Separation of organic– organic mixtures by pervaporationda review, J. Membr. Sci. 241 (2004) 1–21. 65 [23] Van der Bruggen, B., Drioli, E., Giorno, L., Pervaporation membrane reactors, Comprehensive Membrane Science and Engineering, vol. 3. Academic Press, Oxford (2010) 135–163. [24] Van der Bruggen, B., Jansen, J.C., Figoli, A., Geens, J., Boussu, K., Drioli, E., Characteristics and performance of a ‘universal’ membrane suitable for gas separation, pervaporation and nanofiltration applications, J. Phys. Chem. B 110 (2006) 13799–13808. [25] Bolto, B., Hoang, M., Xie, Z.L., A review of membrane selection for the dehydration of aqueous cồn by pervaporation, Chem. Eng. Proc. Intens. 50 (2011) 227–235. [26] Wladyslaw Kaminski, Renewable energy source Dehydrated ethanol, Faculty of Process and Environmental Engineering, Technical University of Lodz, Wolczanska 215, 90 924 Lodz, Poland (2008). [27] Lipnizki, F., Field, R.W., Ten, P.-K., Pervaporation-based hybrid process: a review of process design, applications and economics, J. Membr. Sci. 153 (1999b) 183– 210. [28] Liang, L., Dickson, J.M., Jiang, J., Brook, M.A., Effect of low flow rate on pervaporation of 1,2-dichloroethane with novel polydimethylsiloxane composite membranes, J. Membr. Sci. 231 (2004) 71–79. [29] Panek, D., Konieczny, K., Applying filled and unfilled polyether-block-amide membranes to separation of toluene from wastewaters by pervaporation, Desalination 222 (2008) 280–285. [30] Singha, N.R., Ray, S.K., Removal of pyridine from water by pervaporation using crosslinked and filled natural rubber membranes, J. Appl. Polym. Sci. 124 (2012) 99–107. [31] Smitha, B., Suhanya, D., Sridhar, S., Ramakrishna, M., Separation of organic– organic mixtures by pervaporationda review, J. Membr. Sci. 241 (2004) 1–21. 66 [32] Gu, J., Zhang, C.F., Bai, Y.X., Zhang, L., Sun, Y.P., Chen, H.L., Divinyl benzene cross-linked HTPB-based polyurethaneurea membranes for separation of p-/oxylene mixtures by pervaporation, J. Appl. Polym. Sci. 123 (2012) 1968–1976. [33] Van Veen, H.M., Van Delft, Y.C., Engelen, C.W.R., Pex, P.P.A.C., Dewatering of organics by pervaporation with silica membranes, Sep. Purif. Technol. 22-23 (2001) 361–366. [34] Sekulic, J., Luiten, M.W.J., ten Elshof, J.E., Benes, N.E., Keizer, K., Microporous silica and doped silica membrane for alcohol dehydration by pervaporation, Desalination 148 (2002) 19–23. [35] Bowen, T.C., Noble, R.D., Falconer, J.L., Fundamentals and applications of pervaporation through zeolite membranes, J. Membr. Sci. 245 (2004) 1–33. [36] Matsuda, H., Yanagishita, H., Negishi, H., Kitamoto, D., Ikegami, T., Haraya, K., Nakane, K., Idemoto, Y., Koura, N., Sano, T., Improvement of ethanol selectivity of silicalite membrane in pervaporation by silicone rubber coating, J. Membr. Sci. 210 (2002) 433–437. [37] Shirazi, Y., Ghadimi, A., Mohammadi, T., Recovery of alcohols from water using polydimethylsiloxane-silica nanocomposite membranes: characterization and pervaporation performance, J. Appl. Polym. Sci. 124 (2012) 2871–2882. [38] Satyanarayana, S.V., Sharma, A., Bhattacharya, P.K., Composite membranes for hydrophobic pervaporation: study with the toluene water system. Chem. Eng. J. 102 (2004) 171–184. [39] Kujawski, W.,. Application of pervaporation and vapour permeation in environmental protection, J. Environ. Stud. (2000) 13–26. [40] Shao, P., Huang, R.Y.M., Polymeric membrane pervaporation, J. Membr. Sci. 287 (2007) 162–179. [41] Rachipudi, P.S., Kariduraganavar, M.Y., Kittur, A.A., Sajjan, A.M., Synthesis and characterization of sulfonated-poly(vinyl alcohol) membranes for the pervaporation dehydration of isopropanol, J. Membr. Sci. 383 (2011) 224–234. 67 [42] Zhao, Q., Qian, J., An, Q., Zhu, M.H., Yin, M.J., Sun, Z.W., Poly(vinyl alcohol)/polyelectrolyte complex blend membrane for pervaporation dehydration of isopropanol, J. Membr. Sci. 343 (2009), 53–61. [43] Svang-Ariyaskul, A., Huang, R.Y.M., Douglas, P.L., Pal, R., Feng, X., Chen, P., Liu, L., Blended chitosan and polyvinyl alcohol membranes for the pervaporation dehydration of isopropanol. J. Membr. Sci. 280 (2006) 815–823. [44] Liu, Y.L., Lee, K.R., Lai, J.Y., Crosslinked organic-inorganic hybrid chitosan membranes for pervaporation dehydration of isopropanol-water mixtures with a long-term stability, J. Membr. Sci. 251 (2005), 233–238. [45] Choudhari, S.K., Kariduraganavar, M.Y., Development of novel composite membranes using quaternized chitosan and Naþ-MMT clay for the pervaporation dehydration of isopropanol, J. Coll. Interf. Sci. 338 (2009) 111–120. [46] Liu, G., Yang, D., Zhu, Y.Y., Ma, J., Nie, M.C., Jiang, Z.Y., Titanate nanotubesembedded chitosan nanocomposite membranes with high isopropanol dehydration performance, Chem. Eng. Sci. 66 (2011) 4221–4228. [47] Bhat, S.D., Aminabhavi, T.M., Pervaporation separation using sodium alginate and its modified membranes – a review, Sep. Purif. Rev. 36 (2007), 203–229. [48] Van Hoof, V., Dotremont, C., Buekenhoudt, A., Performance of Mitsui NaA type zeolite membranes for the dehydration of organic solvents in comparison with commercial polymeric pervaporation membranes, Sep. Purif. Technol. 48 (2006) 304–309. [49] Ž. R. Lazíc, Design of experiments in chemical engineering - A practical guide, WILEY-VCH, Federal Republic of Germany (2004). [50] D. Fuller and W. Scherer, The desirability function: Underlying assumptions and application implications, University of Virginia Charlottesville (1998). [51] Wee Shin Ling, Tye Ching Thian, Subhash Bhatia, Process optimization studies for the dehydration of alcohol–water system by inorganic membrane based pervaporation separation using design of experiments (DOE), Separation and Purification Technology 71 (2010) 192–199. 68 [52] Huu Hieu Nguyen, Multiresponse optimization based on the desirability function for a pervaporation processfor producing anhydrous ethanol, Korean J. Chem. Eng. 26 (2009) 1-6. [53] Gh. Khatinzadeh, M. Mahdyarfar and A. Mehdizadeh, The Effect of Operating Conditions on Permeation of Water-methanol Mixtures by a Pervaporation Membrane System, Petroleum Science and Technology Vol 31, Issue 13 (2013) 1313–1319. [54] N. Durmaz-Hilmioglu, A.E. Yildirim, A.S. Sakaoglu, S. Tulbentci, Acetic acid dehydration by pervaporation, Chemical Engineering and Processing 40 (2001) 263–267. 69 [...]... tử nước trong dung dịch cồn chỉ cho nước và một lượng rất ít cồn khuếch tán qua Như vậy khi cho cồn tiếp xúc trên bề mặt màng thì ta được hai dòng: dòng cồn tinh luyện trên màng và dòng thẩm thấu qua màng có nồng độ cồn thấp Công nghệ màng dùng để khử nước dung dịch cồn bao gồm: quá trình thẩm thấu hơi và quá trình thẩm thấu- bốc hơi Thẩm thấu- bốc hơi: là quá trình kết hợp giữa hai quá trình thẩm thấu. .. dụng tương tự [24] Công nghệ thẩm thấu hơi cũng có nguyên tắc hoạt động giống công nghệ thẩm thấu- bốc hơi, sự khác biệt là ở dòng nhập liệu thay vì ở pha lỏng như trong công nghệ thẩm thấu- bốc hơi thì trong công nghệ thẩm thấu hơi dòng nhập liệu là pha hơi (hình 1.13) Sự khác biệt của 2 quá trình thẩm thấu hơi, lọc nano với thẩm thấu- bốc hơi chủ yếu là động lực quá trình, thẩm thấu hơi và lọc nano đòi... thương mại hóa màng ưu chất hữu cơ để tinh lọc mcồn hoặc cồn từ những hỗn hợp chất hữu cơ hoàn toàn [22] 20 Cấu trúc kết hợp là ứng dụng quan trọng của thẩm thấu- bốc hơi hiện nay (cùng với quá trình khử nước của dung dịch, thẩm thấu- bốc hơi có thể được xem là một quá trình tiêu chuẩn với những hiệu quả đã được chứng minh) Do cơ chế khử nước trong thẩm thấu- bốc hơi dựa theo một cơ chế hoàn toàn khác với... hydrocarbon, các đồng phân mạch thẳng thấm thấu qua màng nhanh hơn các đồng phân nhánh Ngoài ra, họ cũng có những nghiên cứu về khả năng phân tách của các hỗn hợp khác như: cồn/ benzene, cồn /nước và pyridine /nước bằng công nghệ thẩm thấu- bốc hơi 18 Hình 1.13: Lịch sử hình thành và phát triển của quá trình thẩm thấu- bốc hơi [15] Những đột phá của thẩm thấu- bốc hơi lần lượt xuất hiện khi các tiềm năng của... của quá trình thẩm thấu- bốc hơi dùng dòng khí quét 17 Hình 1.12 trình bày sơ đồ nguyên lý của quá trình thẩm thấu- bốc hơi dùng dòng khí quét Tương tự với hệ thống thẩm thấu- bốc hơi dùng bơm chân không, sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của các cấu tử ở hai phía của màng trong hệ thống sử dụng khí quét được tạo ra do sử dụng dòng khí quét ở dưới màng với vận tốc lớn Những tài liệu về thẩm thấu- bốc hơi. .. chất hữu cơ-chất hữu cơ, và phân riêng trong hệ thống thẩm thấu- bốc hơi kết hợp, và những ứng dụng tham khảo vẫn giữ đến bây giờ Tuy nhiên, những nghiên cứu cũng cho thấy tiềm năng lớn hơn của công nghệ thẩm thấu- bốc hơi để phân riêng chất hữu cơ-hữu cơ trong công nghiệp dược và hóa dầu dù gặp nhiều khó khăn [22] 21 Xét về cấu trúc màng, thẩm thấu- bốc hơi có liên quan chặt chẽ với thẩm thấu hơi, lọc... màng phụ thuộc vào khả năng phân cực của dung dịch và kích thước phân tử Bởi vì dung dịch các chất hữu cơ có sự thay đổi về thông số khi tỷ lệ nước thay đổi nên đây là một trong những ứng dụng chính của thẩm thấu- bốc hơi, bên cạnh ứng dụng tách các chất hữu cơ từ một dung dịch 16 Thẩm thấu- bốc hơi là quá trình kết hợp của hai quá trình thẩm thấu (permeation) và bốc hơi (evaporation) qua bề mặt màng chọn... tăng trưởng đáng kể và được mong đợi [23] Thẩm thấu- bốc hơi có sự liên quan chặt chẽ với quá trình thẩm thấu hơi, là quá trình phân riêng mà một hỗn hợp hơi được phân tách bằng màng đặc hoặc màng xốp bởi sự khác biệt áp suất hơi giữa hai bề mặt của màng Điểm khác biệt duy nhất của thẩm thấu hơi so với thẩm thấu- bốc hơi đó chính là pha của dòng nhập liệu (pha hơi và pha lỏng), cơ chế phân tách thậm chí... về thẩm thấu- bốc hơi được công bố từ 1956, những báo cáo này tập trung về việc sử dụng công nghệ này để phân riêng hỗn hợp cồn Kober (1917) lần đầu tiên giới thiệu về thẩm thấu- bốc hơi đã nghiên cứu về khả năng thấm có chọn lọc của nước trong dung dịch của albumin và toluene qua màng cellulose nitrate [15] Từ đây, tác giả định nghĩa đơn giản quá trình thẩm thấu- bốc hơi là quá trình thấm có chọn lọc của... nguồn nguyên liệu dồi dào cho ngành công nghiệp sản xuất cồn thì khả năng công nghệ thẩm thấu- bốc hơi để sản xuất cồn cao độ đáp ứng cho nhiều ngành công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ dược phẩm, thực phẩm ix CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Cồn sinh học 1.1.1 Khái niệm và tính chất Cồn sinh học có thành phần tương tự như cồn thông thường, chỉ khác là cồn sinh học được sản xuất từ nguồn nguyên liệu: . ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ MINH ĐẠT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHỬ NƯỚC DUNG DỊCH CỒN SINH HỌC BẰNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU-BỐC HƠI Chuyên ngành : Công. năm sinh: 06/11/1988 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm và Đồ uống Mã số: 605452 I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu quá trình khử nước dung dịch cồn sinh học bằng công nghệ thẩm thấu- bốc. thấu- bốc hơi II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan: quy trình sản xuất cồn sinh học, các phương pháp khử nước dung dịch cồn cao độ, công nghệ thẩm thấu- bốc hơi, điều kiện vận hành hệ thống thẩm