Đồ án Ứng dụng kỹ thuật membrane trong công nghiệp chế biến nước ép trái cây cô đặc

trong caùc kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc, loïc nano vaø sieâu loïc. Nhöôïc ñieåm lôùn nhaát cuûa vaät lieäu naøy laø keùm beàn ñoái vôùi nhieät ñoä vaø pH. Tuy nhieân, membrane ñöôïc cheá taïo baèng vaät lieäu naøy coù giaù thaønh töông ñoái reû, haùo nöôùc, vaø ít bò taéc ngheõn (fouling) hôn caùc loaïi membrane khaùc. Ñieàu caàn chuù yù laø membrane baèng cellulose acetate coù theå bò phaù huûy bôûi vi sinh vaät. Polysulfone (PS) Töø naêm 1975, polysulfone laø loaïi vaät lieäu ñöôïc söû duïng nhieàu trong kyõ thuaät sieâu loïc vaø vi loïc. Ñaây laø loaïi vaät lieäu coù khaû naêng chòu ñöôïc pH vaø nhieät ñoä cao. Thöïc teá cho thaáy polysulfone laø loaïi vaät lieäu ñöôïc söû duïng raát nhieàu trong caùc nhaø maùy thöïc phaåm, ñaëc bieät trong caùc nhaø maùy cheá bieán söõa. Veà nguyeân taéc, polysulfone laø vaät lieäu haùo nöôùc, khoâng theå söû duïng ñeå xöû lyù caùc chaát daàu, môõ hay caùc chaát öa beùo. Tuy nhieân, coù moät soá loaïi membrane polysulfone coù theå söû duïng ñeå xöû lyù caùc chaát nhuõ töông raát toát. Polyvinylidenedifluoride (PVDF) Polyvinylidenedifluoride (PVDF) laø loaïi vaät lieäu membrane truyeàn thoáng. Tuy nhieân, PVDF khoâng ñöôïc söû duïng nhieàu vì kyõ thuaät cheá taïo membrane töø vaät lieäu naøy raát khoù khaên vaø caùc tính chaát, caáu truùc cuûa membrane keùm oån ñònh. Caùc vaät lieäu khaùc Ceramic: caùc membrane ñöôïc cheá taïo baèng caùc vaät lieäu ceramic thöôøng coù caáu taïo daïng oáng (tubular type) vaø ñöôïc laép theo töøng heä thoáng. Öu ñieåm cuûa loaïi vaät lieäu naøy laø khoaûng nhieät ñoä vaø pH hoaït ñoäng roäng, coù ñoä beàn hoùa cao, thôøi gian söû duïng daøi, veä sinh ñôn giaûn. Tuy nhieân ñoä beàn cô hoïc khoâng cao, khoâng chòu ñöôïc hieän töôïng shock nhieät, giaù thaønh cao. Kim loaïi: kim loaïi thöôøng ñöôïc duøng ñeå cheá taïo membrane laø paladi hoaëc hôïp kim cuûa paladi vôùi moät soá kim loaïi khaùc nhö niken, baïch kim,... Loaïi membrane naøy ñöôïc söû duïng chuû yeáu trong quaù trình phaân rieâng khí ôû nhieät ñoä cao (ví duï quaù trình tinh saïch khí hydro töø khí thaûi). Beân caïnh ñoù coøn coù caùc loaïi vaät lieäu khaùc nhö moät soá polimer toång hôïp,... Baûng 2.3 . Ñoä beàn hoùa cuûa moät soá vaät lieäu membrane Caùc taùc nhaân Composite CA PSO PVDF SiO2 Cellulose 3 < pH <8 P P P P P P pH 8 P x P P P P Nhieät ñoä > 35 oC P x P P P P Protein P (P) P (P) P P Polysaccharide (P) x P x P x Hydrocacbon öa beùo x x x (P) P P Chaát thôm x x x P P (P) Chaát oxi hoaù x (P) P P P (P) Ketone, ester x x x P P (P) Röôïu P x P P P P Chuù thích: - P: ñoä beàn hoùa cao - (P): chöa ñöôïc xaùc ñònh roõ - x : ñoä beàn hoùa thaáp (Nguoàn: Jorgen Wagner, Membrane Filtration Handbook, Osmonics Inc., USA, 2000) Baûng 2.4: Caùc vaät lieäu söû duïng ñeå cheá taïo membrane Vaät lieäu MF UF RO Nhoâm X Carbon-carbon composites X Cellulose ester X Cellulose nitrate X Polyamide, aliphatic (nylon) X Polycarbonate X Polyester X Polypropylene X Polytetrafluoroethylene (PTFE) X Polyvinyl cloride (PVC) X Polyvinylidene flouride (PVDF) X Cellulose X X Ceramic composites X X Polyacrylonitrile (PAN) X X Polyvinyl alcohol (PVA) X X Polysulfone (PS) X X Polyethersulfone (PES) X X X Cellulose acetate (CA) X X X Cellulose triacetate (CTA) X X X Polyamide, aromatic (PA) X X Polyimide (PI) X Hoãn hôïp CA/CTA X Composites, polymeric thin film (PA hay polyetherurea treân polysulfone) X Polyetherimide (PEI) X (Munir Cheryan, Ph.D. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic publishing co., inc.) Caùc kyõ thuaät membrane [1, 5, 7, 14, 17, 19, 25] Hình 2.4 : Kích thöôùc mao quaûn vaø aùp suaát öùng vôùi caùc kyõ thuaät membrane Kyõ thuaät vi loïc - MF (Microfiltration) Kyõ thuaät vi loïc ñöôïc aùp duïng ñeå loaïi caùc chaát khoâng tan trong dung dòch nhö huyeàn phuø, vi sinh vaät. Ñöôøng kính loã mao quaûn cuûa membrane MF trung bình vaøo khoaûng 200nm. Kyõ thuaät vi loïc coù aùp suaát laøm vieäc thaáp nhaát trong caùc kyõ thuaät phaân rieâng baèng membrane, thöôøng dao doäng trong khoaûng 0,3 – 1bar. Ñaây laø kyõ thuaät ñöôïc aùp duïng caùc khaù phoå bieán trong cheá bieán thöïc phaåm nhö taùch vi sinh vaät töø söõa, nöôùc traùi caây (nöôùc taùo, nho,…) Hình 2.5: Heä thoáng vi loïc Kyõ thuaät sieâu loïc - UF (Ultrafiltration) Kyõ thuaät sieâu loïc laø quaù trình phaân rieâng choïn loïc caùc hôïp chaát vôùi aùp suaát laøm vieäc vaøo khoaûng 1 – 10 bar. Ñöôøng kính mao quaûn trung bình töø 2 ñeán 50 nm. Kyõ thuaät sieâu loïc ñöôïc aùp duïng ñeå taùch protein, thuoác nhuoäm, vaø caùc hôïp chaát coù khoái löôïng phaân töû lôùn hôn 10.000 Dalton. Kyõ thuaät loïc nano – NF (Nanofiltration) Trong kyõ thuaät loïc nano, mao quaûn coù ñöôøng kính trung bình khoaûng 2nm. AÙp suaát laøm vieäc trong quaù trình loïc nano caàn phaûi cao, thoâng thöôøng töø 20 – 40bar. Kyõ thuaät naøy ñöôïc aùp duïng trong quaù trình coâ ñaëc ñöôøng, caùc dung dòch chöùa goác muoái hoùa trò hai, chaát maøu hay caùc hôïp chaát coù khoái löôïng phaân töû lôùn hôn 1.000 Dalton. Kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc – RO (Reverse Osmosis) Kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc coøn ñöôïc goïi laø hyperfiltration, laø quaù trình phaân rieâng vôùi ñöôøng kính loã mao quaûn nhoû nhaát vaø cuõng laø kyõ thuaät phaân rieâng phöùc taïp nhaát trong caùc kyõ thuaät phaân rieâng baèng membrane. Kyõ thuaät naøy söû duïng membrane coù ñöôøng kính loã mao quaûn nhoû hôn 1nm, neân coù khaû naêng taùch caùc caáu töû coù kích thöôùc nhoû nhö caùc ion cuûa muoái nhö Na+, Cl-,... ra khoûi dung dòch. Vì vaäy, aùùp suaát laøm vieäc trong kyõ thuaät naøy phaûi ñuû lôùn (15 – 70bar), ñeå thaéng aùp suaát thaåm thaáu treân beà maët maøng. Hình 2.6: Moâ hình kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc (RO) Hình 2.7 : Heä thoáng membrane RO Baûng 2.5 : Ñaëc tính cuûa caùc quaù trình membrane So saùnh 4 quaù trình membrane Reverse Osmosis Nanofiltration Ultrafiltration Microfiltration Membrane Baát ñoái xöùng Baát ñoái xöùng Baát ñoái xöùng Baát ñoái xöùng Ñoái xöùng Beà daøy Lôùp film 150µm 1µm 150µm 1µm 150-250µm 1µm 10-150µm Kích thöôùc loã < 0.002µm < 0.002µm 0.2 - 0.02µm 4 – 0.02µm Vaät lieäu CA Lôùp moûng CA Lôùp moûng Ceramic PSO, PVDF, CA Lôùp moûng Ceramic PP, PSO, PVDF Khaû naêng taùch HMWC, LMWC NaCl, glucose, Aminoacids HMWC Mono-,di vaø oligosaccharide Ion ña hoùa trò Chaát coù phaân töû löôïng lôùn, protein, polysaccharide, virus Phaân töû lôùn, caùc haït raén, vi khuaån Moâ hình Daïng oáng Daïng cuoän xoaén Daïng taám baûn Daïng oáng Daïng cuoän xoaén Daïng taám baûn Daïng oáng Daïng cuoän xoaén Daïng taám baûn Daïng sôïi roãng Daïng oáng Daïng sôïi roãng Aùp suaát quaù trình 15 – 150 Bar 5 – 35 Bar 1- 10 Bar < 2 Bar (Munir Cheryan, Ph.D. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic publishing co., inc, 1998) Caùc daïng membrane. Membrane daïng oáng (Tubular module) Thieát bò membrane naøy coù daïng hình truï, beân trong chöùa nhieàu oáng truï nhoû ñaët song song vôùi nhau. Moãi oáng truï nhoû thöôøng ñöôïc cheá taïo baèng theùp khoâng ræ, coù ñöôøng kính dao ñoäng töø 12.5 ñeán 75 mm, chieàu daøi khoaûng 0,6 ñeán 64 m vaø coù khoan caùc loã nhoû treân thaân coù vai troø laø oáng ñôõ membrane vaø ñöôïc giöõ trong moät oáng theùp lôùn. Caùc taám membrane ñöôïc cuoän troøn vaø ñaët saùt thaønh trong caùc oáng truï nhoû. Doøng nhaäp lieäu ñöôïc bôm vaøo moät ñaàu cuûa thieát bò vaø ñöôïc phaân phoái vaøo beân trong caùc oáng truï nhoû. Caùc caáu töû coù kích thöôùc thích hôïp cuøng vôùi dung moâi qua membrane vaø theo caùc loã khoan ra ngoaøi taïo thaønh doøng permeate, phaàn coøn laïi tieáp tuïc ñi trong oáng nhoû veà cuoái thieát bò vaø ñöôïc thu hoài thaønh doøng retentate. Beân trong thieát bò membrane coù theå ñöôïc chia thaønh nhieàu khoang, moãi khoang goàm moät soá oáng truï nhoû song song naèm caïnh nhau. Ñaàu tieân nguyeân lieäu seõ ñöôïc bôm vaøo moät khoang trong thieát bò. Doøng retentate thoaùt ra khoûi khoang naøy ñi tieáp vaøo khoang thöù hai, coøn doøng retentate thoaùt ra töø khoang thöù hai seõ ñi tieáp vaøo khoang thöù ba…Nhö vaäy, doøng retentate thoaùt ra töø khoang cuoái cuøng seõ coù noàng ñoä ñaït giaù trò yeâu caàu. Thieát bò naøy thöôøng ñöôïc söû duïng trong caùc phoøng thí nghieäm vì deã tính heä soá Reynolds cuõng nhö deã daøng tính toaùn caùc thoâng soá trong quaù trình vaän chuyeån caùc caáu töû qua membrane. Öu ñieåm lôùn nhaát cuûa daïng thieát bò naøy laø coù theå laøm vieäc vôùi caùc chaát huyeàn phuø coù noàng ñoä cao. Membrane daïng oáng coù nhöõng nhöôïc ñieåm chung nhö: Vieäc thay ñoåi membrane khoù khaên vaø toán thôøi gian. Toång theå tích cuûa caùc oáng trong thieát bò lôùn, ñoøi hoûi quaù trình veä sinh thieát bò toán nhieàu hoùa chaát vaø nöôùc. Giaù thaønh cao. Hình 2.8. Moâ hình membrane daïng oáng Membrane daïng khung baûn (Plate and Frame Module) Moãi ñôn vò caáu taïo neân moâ hình baûng bao goàm moät taám ñôõ, hai mieáng ñeäm vaø hai membrane ñöôïc eùp saùt vaøo nhau. Caùc taám ñôõ coù daïng hình hoäp chöõ nhaät vôùi ñoä daøy raát moûng, dieän tích beà maët töø 0.11 – 0.35m2. Caùc mieáng ñeäm coù caáu truùc vi xoáp ñöôïc eùp saùt vaø phuû kín beà maët taám ñôõ. Caùc membrane daïng taám coù dieän tích beà maët baèng ñuùng vôùi dieän tích beà maët taám ñôõ vaø ñöôïc ñaët saùt leân caùc mieáng ñeäm. Trong thieát bò membrane, caùc ñôn vò treân ñöôïc ñaët song song vôùi nhau. Tuøy thuoäc vaøo soá ñôn vò ñöôïc laép raùp vaøo nhieàu hay ít maø toång dieän tích membrane söû duïng trong thieát bò coù theå dao ñoäng trong moät khoaûng raát lôùn, töø 0.1-100m2. Ñaây laø daïng moâ hình membrane ñöôïc saûn xuaát thöû nghieäm vaø thöông maïi hoùa ñaàu tieân. Loaïi membrane naøy ñöôïc taïo thaønh do caùc baûn ñôõ ñaët song song nhau caùch nhau moät khoaûng caùch khaù heïp taïo thaønh moät heä thoáng keânh daãn cho doøng permeate vaø retentate. Membrane ñöôïc phuû treân caùc taám giaù ñôõ (daïng plate) taïo söï phaân caùch giöõa hai doøng permeate vaø retentate. Doøng nhaäp lieäu chaûy vaøo moät ñaàu vaø ñöôïc phaân phoái vaøo caùc keânh daãn retentate, caùc caáu töû coù kích thöôùc thích hôïp seõ qua membrane vaø theo caùc keânh daãn cuûa doøng permeate ñi theo oáng daãn chính ra ngoaøi. Doøng nguyeân lieäu khoâng qua membrane ñöôïc gom laïi vaø ñöôïc phaân phoái laïi vaøo vuøng tieáp theo nhaèm naâng cao hieäu quaû quaù trình phaân rieâng. Thieát bò daïng naøy thöôøng ñöôïc söû duïng trong quaù trình sieâu loïc, loïc nano vaø thaåm thaáu ngöôïc. Öu ñieåm lôùn nhaát cuûa moâ hình baûng laø vieäc thaùo laép, veä sinh thieát bò raát ñôn giaûn. Ôû moät soá thieát bò, ngöôøi ta boá trí moät van thaùo saûn phaåm permeate öùng vôùi moãi taám membrane. Nhö vaäy, nhaø saûn xuaát deã phaùt hieän kîp thôøi membrane naøo bò hö hoûng trong quaù trình vaän haønh ñeå thay theá. Hình 2.9. Moâ hình membrane daïng khung baûn Membrane daïng cuoän xoaén (Spiral Wound Module) Membrane daïng cuoän xoaén bao goàm nhieàu lôùp membrane xen keõ vôùi nhöõng lôùp ñeäm ñoùng vai troø laø keânh phaân phoái nhaäp lieäu vaø keânh thu hoài doøng permeate. Taát caû ñöôïc quaán vôùi nhau quanh moät oáng thu gom ôû trung taâm. Nguyeân lieäu ñi vaøo töø moät ñaàu cuûa thieát bò, qua caùc keânh phaân phoái coù caáu taïo hình xoaén oác. Doøng saûn phaåm retentate seõ ñöôïc taäp trung vaø thoaùt ra ôû ñaàu kia cuûa thieát bò hình truï. Caùc caáu töû permeate seõ chui qua mao daãn cuûa hai membrane ñeå vaøo keânh daãn daønh rieâng cho chuùng. Keânh naøy cuõng coù tieát dieän hình xoaén oác vaø ñöôïc lieân thoâng vôùi oáng hình truï trung taâm. Töø oáng hình truï trung taâm, doøng permeate seõ ñöôïc taäp trung thoaùt ra khoûi thieát bò. Loaïi module naøy coù öu theá trong caùc thieát bò thaåm thaáu ngöôïc vaø ñöôïc söû duïng khaù roäng raõi vì giaù thaønh töông ñoái reû. Nhöng neáu moät phaàn membrane bò hoûng thì toaøn boä module phaûi huûy boû. Ñaây laø nhöôïc ñieåm lôùn nhaát cuûa loaïi membrane naøy. Hình 2.10. Moâ hình cuûa membrane daïng cuoän xoaén Membrane daïng sôïi roãng (Hollow fiber module) Membrane daïng sôïi roãng coù hình daïng töông töï nhö membrane daïng oáng. Thieát bò membrane ñöôïc cheá taïo baèng theùp khoâng ræ coù daïng hình truï vôùi ñöôøng kính thöôøng dao ñoäng trong khoaûng 2.5 – 12.7 cm; chieàu daøi: 18 – 120 cm. Beân trong thieát bò chöùa boù sôïi membrane. Moãi module chöùa töø 50 – 3000 sôïi. Ñöôøng kính sôïi thay ñoåi töø 0.2 – 3 mm. Trong quaù trình thaåm thaáu ngöôïc, ñöôøng kính sôïi söû duïng coù theå giaûm xuoáng 0.04mm. Thoâng thöôøng chieàu daøy membrane töø 100 - 400µm. Khi hoaït ñoäng, nguyeân lieäu ñöôïc bôm vaøo beân trong thieát bò vaø chui vaøo trong caùc sôïi membrane. Doøng ra retentate seõ ñi heát theo chieàu daøi sôïi vaø taäp trung thoaùt ra ôû ñaàu coøn laïi cuûa thieát bò. Doøng ra permeate seõ chui qua caùc loã mao daãn membrane, thoaùt ra ngoaøi sôïi roài ñöôïc taäp trung veà cöûa ra naèm treân thaân thieát bò. Rieâng haõng Dupont thieát keá moät soá thieát bò söû duïng trong kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc ñaõ cho doøng nguyeân lieäu ñi vaøo khoaûng khoâng gian troáng giöõa caùc sôïi membrane. Khi ñoù, moät soá caáu töû seõ chui qua mao daãn membrane ñeå vaøo beân trong sôïi vaø taïo neân doøng permeate. Öu ñieåm cuûa moâ hình sôïi laø thieát bò ít chieám dieän tích nhaø xöôûng duø dieän tích membrnae söû duïng raát lôùn, ít toán naêng löôïng cho quaù trình. Khuyeát ñieåm cuûa loaïi module naøy laø trong quaù trình vaän haønh, moät soá sôïi membrane deã bò toån thöông vaø vieäc thay theá chuùng seõ toán keùm vaø phöùc taïp. Hôn nöõa, do ñöôøng kính sôïi membrane khaù nhoû, nhöõng nguyeân lieäu daïng keo deã gaây taéc ngheõn membrane trong quaù trình söû duïng vaø phaûi thay membrane môùi neáu moät vaøi sôïi cuûa membrane bò hoûng. Hình 2.11: membrane daïng sôïi roãng Baûng 2.6: So saùnh öu vaø nhöôïc ñieåm cuûa moät soá daïng membrane Daïng membrane Öu ñieåm Nhöôïc ñieåm Daïng oáng (tubular module) Ñôn giaûn, deã vaän haønh. Phuø hôïp vôùi caùc dung dòch huyeàn phuø noàng ñoä cao. Thích hôïp cho phoøng thí nghieäm. Söûa chöõa khoù khaên. Theå tích lôùn. Giaù thaønh cao. Daïng khung baûn (plate & frame module) Tính linh ñoäng cao. Deã laép ñaët, söûa chöõa. Phuø hôïp vôùi kyõ thuaät MF, NF, RO. Theå tích lôùn. Giaù thaønh cao. Daïng cuoän xoaén (spiral wound module) Giaù thaønh reû. Theå tích nhoû. Tính linh ñoäng khoâng cao. Daïng sôïi roãng (hollow fiber module) Deã cheá taïo. Theå tích thieát bò nhoû. Giaù thaønh reû. Deã bò fouling. Khi vaøi sôïi bò hoûng, phaûi thay toaøn boä membrane. Ñoäng hoïc cuûa quaù trình membrane [1, 3, 5, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 21, 25] Caùc moâ hình trong kyõ thuaät membrane Trong kyõ thuaät membrane, coù hai loaïi moâ hình ñöôïc aùp duïng laø Dead-end (Dead-end separation) vaø Cross-flow (Cross-flow separation). Hình 2.11 : Moâ hình dead-end vaø Cross-flow Moâ hình Dead-end (Dead-end Separation). Dead-end laø moâ hình trong ñoù doøng nhaäp lieäu chaûy vuoâng goùc vôùi membrane, dung moâi vaø caùc phaàn töû coù kích thöôùc vaø khoái löôïng phaân töû thích hôïp seõ chaûy qua membrane bôûi aùp suaát. Caùc phaàn töû coù kích thöôùc lôùn hôn hoaëc baèng ñöôøng kính loã mao quaûn seõ bò giöõ laïi beân treân beà maët hoaëc beân trong membrane. Theo thôøi gian caùc phaàn töû ñoù seõ tích tuï, laøm taêng trôû löïc cuûa quaù trình phaân rieâng vaø laøm cho löu löôïng doøng permeate giaûm daàn. Ñeå tieáp tuïc quaù trình phaân rieâng, ngöôøi ta phaûi thay hoaëc veä sinh membrane. Hai kyõ thuaät membrane thöôøng söû duïng moâ hình naøy laø: kyõ thuaät vi loïc vôùi löu löôïng doøng permeate khoâng ñoåi (Dead-end microfiltration with constant flux) vaø vi loïc vôùi aùp suaát khoâng ñoåi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop). Trong kyõ thuaät vi loïc vôùi löu löôïng doøng permeate khoâng ñoåi, ngöôøi ta phaûi thay ñoåi aùp löïc ñaûm baûo löu löôïng doøng permeate oån ñònh trong khi trôû löïc loïc taêng daàn. Ngöôïc laïi, trong kyõ thuaät vi loïc vôùi aùp suaát khoâng ñoåi, löu löôïng doøng permeate seõ giaûm daàn do trôû löïc loïc taêng daàn theo thôøi gian. Ñaây laø moâ hình chæ söû duïng trong caùc phoøng thí nghieäm duøng ñeå xöû lyù caùc dung dòch coù theå tích nhoû. Hình 2.12. Moâ hình Dead-End (Dead-End Separation) Moâ hình Cross-Flow (Cross-flow Separation) Cross-flow laø moâ hình trong ñoù doøng nhaäp lieäu chaûy song song vôùi beà maët membrane. Dung moâi vaø caùc phaàn töû coù kích thöôùc vaø khoái löôïng phaân töû thích hôïp seõ ñi qua membrane nhôø aùp löïc cuûa bôm vaø taïo thaønh doøng permeate, caùc phaàn töû coøn laïi khoâng ñi ñöôïc qua membrane seõ tieáp tuïc chaûy ra ngoaøi taïo thaønh doøng retentate, ñoàng thôøi doøng naøy seõ keùo theo caùc phaàn töû baùm treân beà maët membrane. Vì vaäy, moâ hình naøy ít bò taéc ngheõn hôn so vôùi moâ hình Dead-end vaø coù theå hoaït ñoäng lieân tuïc trong thôøi gian daøi. Hình 2.13. Moâ hình Cross-Flow (Cross-Flow Separation) Ñoäng hoïc cuûa quaù trình. Toác ñoä doøng permeate chòu aûnh höôûng bôûi ñoä cheânh leäch aùp suaát hieäu duïng giöõa hai beân beà maët membrane. Ñoä cheânh leäch aùp suaát beà maët ñöôïc quyeát ñònh bôûi 2 yeáu toá: ñoä cheânh leäch aùp suaát giöõa hai phía cuûa membrane vaø ñoä cheânh leäch aùp suaát thaåm thaáu ôû hai phía cuûa membrane. Ñoä cheânh leäch aùp suaát giöõa hai phía cuûa membrane: Theo P.J.Fellow, aùp suaát cheânh leäch giöõa 2 beân maøng membrane ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: Trong ñoù: P : ñoä cheânh leäch aùp suaát (Pa) qua maøng. Pf : aùp suaát (Pa) cuûa doøng nhaäp lieäu. Pr : aùp suaát (Pa) cuûa doøng retentate. Pp : aùp suaát (Pa) cuûa doøng permeate. Aùp suaát thaåm thaáu trong moät doøng löu chaát ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: Trong ñoù: - : laø aùp suaát thaåm thaáu (Pa) - C : noàng ñoä cuûa caáu töû (mol/L) - R : haèng soá nhieät ñoäng: 8.314 N.m/mol/oK. - T : nhieät ñoä dung dòch (oK). - M : khoái löôïng phaân töû (g/mol). Khi laø hoãn hôïp cuûa nhieàu caáu töû thì M laø khoái löôïng phaân töû trung bình cuûa taát caû caùc caáu töû trong hoãn hôïp. Khi ñoù ñoä cheânh leäch aùp suaát hieäu duïng qua maøng ñöôïc xaùc ñònh: Trong ñoù: - r : laø aùp suaát thaåm thaáu phía doøng retentate. - p : aùp suaát thaåm thaáu phía doøng permeate. Nhö vaäy chuùng ta thaáy raèng, ñeå doøng löu chaát coù theå chuyeån ñoäng töø phía doøng retentate sang phía doøng permeate thì caàn phaûi taïo ra moät aùp löïc toái thieåu baèng vôùi ñoä cheânh leäch aùp suaát thaåm thaáu giöõa 2 phía cuûa membrane. Baûng 2.7: Ñoäng löïc cuûa caùc quaù trình membrane Stt Quaù trình Ñoäng löïc Saûn phaåm retentate Saûn phaåm permeate 1 Thaåm thaáu (osmosis) Theá naêng hoùa hoïc Nöôùc, chaát tan Nöôùc, phaân töû nhoû 2 Vi loïc (microfiltration) Aùp löïc Nöôùc, caáu töû lô löûng Nöôùc, chaát tan 3 Sieâu loïc (ultrafiltration) Aùp löïc Nöôùc, phaân töû lôùn Nöôùc, phaân töû nhoû 4 Loïc nano (nanofiltration) Aùp löïc Nöôùc, acid phaân ly, muoái hoùa trò II, phaân töû nhoû Nöôùc, ion ñôn hoùa trò, acid khoâng phaân ly… 5 Thaåm thaáu ngöôïc (reverse osmosis) Aùp löïc Nöôùc, taát caû caùc chaát tan Nöôùc 6 Thaåm tích (dialysis) Cheânh leäch noàng ñoä Nöôùc, phaân töû lôùn Nöôùc, phaân töû nhoû 7 Ñieän thaåm tích (electrodialysis) Ñieän theá – doøng ñieän Nöôùc, chaát tan khoâng ion hoùa Nöôùc, chaát tan ion hoùa 8 Taùch caáu töû bay hôi baèng membrane (pervaporation) Aùp löïc Nöôùc, phaân töû khoâng bay hôi Nöôùc, phaân töû nhoû deã bay hôi Söï thaåm thaáu cuûa doøng qua membrane saïch. Hieäu quaû cuûa quaù trình membrane ñöôïc ñaëc tröng bôûi thoâng soá J – doøng permeate chuyeån qua moät ñôn vò dieän tích membrane trong moät ñôn vò thôøi gian. Theo ñoù, dieän tích membrane caàn thieát cho quaù trình vaän haønh caøng nhoû thì chi phí cho quaù trình membrane caøng thaáp. Chi phí cho vieäc thay theá vaø söûa chöõa membrane cuõng laø moät yeáu toá phaûn aùnh giaù trò cuûa membrane. Baèng vieäc giaûm dieän tích membrane phaûi thay theá, doøng permeate cao thì chi phí cho quaù trình thaáp. Giaù trò J cuûa doøng nöôùc saïch thaåm thaáu qua membrane maø khoâng coù caùc yeáu toá gaây caûn trôû treân beà maët membrane hay treân caùc loã ñöôïc moâ taû bôûi phöông trình Darcy: Trong ñoù: - : aùp suaát qua maøng - : ñoä nhôùt cuûa dung dòch. - Rm : trôû löïc cuûa maøng saïch vôùi thöù nguyeân cuûa chieàu daøi. Hoaëc seõ phuï thuoäc vaøo moái quan heä vôùi aùp suaát thaåm thaáu ngöôïc theo phöông trình sau: (2) Trong ñoù: - : laø moät haèng soá theo kinh nghieäm. - : Cheânh leäch aùp suaát thaåm thaáu qua maøng. Neáu doøng permeate chuyeån qua caùc mao quaûn cuûa membrane nhö ñoái vôùi UF hay MF thì noù coøn phuï thuoäc vaøo kích thöôùc caùc mao quaûn: Trong ñoù: - f : laø phaàn dieän tích mao quaûn treân beà maët membrane. - : laø ñoä uoán khuùc cuûa membrane. - : beà daøy cuûa membrane. Ta thaáy raèng löu löôïng doøng permeate taêng khi beà daøy membrane giaûm. Kích thöôùc mao quaûn cuûa caáu truùc choáng ñôõ beân döôùi lôùp naøy phaûi phuø hôïp ñeå coù theå choáng ñôõ, khoâng sinh ra baát cöù trôû löïc naøo coù theå laøm giaûm löu löôïng doøng permeate. Theo caùc phöông trình treân thì löu löôïng doøng permeate seõ taêng khi taêng, kích thöôùc mao quaûn taêng. Vì theá, membrane MF coù löu löôïng doøng permeate lôùn hôn so vôùi membrane UF vaø membrane UF laïi cho löu löôïng doøng permeate lôùn hôn so vôùi membrane NF,…Tuy nhieân söï giaûm löu löôïng doøng permeate khi kích thöôùc loã mao quaûn giaûm chæ dieãn ra nhieàu trong thôøi gian ñaàu cuûa quaù trình bôûi thaät ra thì f coù khuynh höôùng taêng vaø beà daøy membrane coù khuynh höôùng giaûm khi kích thöôùc mao quaûn giaûm. Baûng 2.8: Trôû löïc trung bình cuûa membrane (Rm) vaø aùp suaát chuyeån qua maøng (TMP) trong kyõ thuaät RO, NF, UF vaø MF Quaù trình Rm (m-1) TMP (kPa) RO 1010 800-8000 NF 108 350-1000 UF 107 50-700 MF 106 30-300 Caùc thoâng soá ñaùnh giaù quaù trình membrane. Toác ñoä doøng permeate: Ñaây laø moät trong nhöõng thoâng soá cô baûn cuûa quaù trình truyeàn khoái. Toác ñoä doøng permeate theû hieän naêng suaát cuûa quaù trình naøy. Hình 2.14 : Löu löôïng doøng permeate thay ñoåi theo thôøi gian vaän haønh quaù trình membrane. Ñoä phaân rieâng. Trong kyõ thuaät membrane, ñoä phaân rieâng (rejection) laø thoâng soá ñeå ñaùnh giaù khaû naêng taùch caùc caáu töû. Ñoä phaân rieâng ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: Trong ñoù: CP : Noàng ñoä caáu töû trong doøng permeate (g/L) Cr : Noàng ñoä caáu töû trong doøng retentate (g/L) Nhö vaäy, ñoä phaân rieâng theå hieän söï cheânh leäch veà noàng ñoä giöõa hai doøng löu chaát. Ngoaøi ra, ñeå ñaùnh giaù quaù trình phaân rieâng ngöôøi ta coøn döïa vaøo caùc thoâng soá sau: Tyû leä coâ ñaëc theå tích (VCR – Volume concentration ratio) Trong ñoù : V0 : Theå tích cuûa maãu nguyeân lieäu. Vr : Theå tích cuûa doøng retentate. Tyû leä % giaûm theå tích (PVR – Percent volume reduction) Trong ñoù: Vo : theå tích cuûa maãu nguyeân lieäu. Vp : theå tích cuûa doøng permeate. Hieäu suaát thu hoài caáu töû trong doøng retentate (Y – Yield) Trong ñoù: C0 , Cr laàn löôït laø noàng ñoä caáu töû trong doøng nguyeân lieäu vaø retentate V0 , Vr laàn löôït laø theå tích cuûa maãu nguyeân lieäu vaø doøng retentate. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình membrane [1, 2, 6, 7, 8] Trong quaù trình phaân rieâng, hai thoâng soá quan troïng ñaùnh giaù hieäu quaû cuûa quaù trình laø löu löôïng doøng permeate (Flux) vaø ñoä phaân rieâng (Rejection). Cô cheá cuûa quaù trình phaân rieâng raát phöùc taïp, noù lieân quan ñeán söï töông taùc vaät lyù, hoùa hoïc giöõa membrane vôùi caùc caáu töû coù trong nguyeân lieäu vaø cheá ñoä laøm vieäc cuûa quaù trình (Mallevialle vaø coäng söï, 1996). Ñaëc tính cuûa membrane Kích thöôùc loã mao quaûn, vaät lieäu cheá taïo, tính haùo nöôùc hay kî nöôùc, ñieän tích treân beà maët membrane,… laø nhöõng ñaëc tính quan troïng aûnh höôûng ñaùng keå ñeán hieäu quaû cuûa quaù trình phaân rieâng. Kwak vaø coäng söï (1997) ñaõ nghieân cöùu aûnh höôûng cuûa caáu truùc membrane RO (baèng vaät lieäu polyester) ñeán hieäu quaû cuûa quaù trình phaân rieâng. Hoï ñaõ thay theá goác phenyl cuûa membrane RO baèng goác methyl vaø halogen. Keát quaû cho thaáy caû hai tröôøng hôïp thay theá ñoù ñeàu coù aûnh höôûng ñaùng keå ñeán ñoä phaân rieâng vaø löu löôïng doøng permeate. Khi thay theá goác phenyl baèng goác methyl, ñoä phaân rieâng giaûm vaø löu löôïng doøng permeate qua maøng taêng. Ngöôïc laïi, khi thay theá baèng goác halogen thì ñoä phaân rieâng taêng, löu löôïng doøng permeate qua maøng giaûm. Vôùi khaûo saùt töông töï, Vrijenhoek vaø coäng söï (2001) ñaõ giaûi thích söï aûnh höôûng cuûa vaät lieäu maøng ñeán hieäu quaû quaù trình phaân rieâng moät caùch khaù thuyeát phuïc. Khi beà maët cuûa membrane coù hình daïng loài loõm (“peak and valley”), chính nhöõng choã loài loõm naøy laøm taêng khaû naêng baùm dính cuûa caùc caáu töû leân membrane, vaø gaây neân taéc ngheõn, caûn trôû ñoøng chaûy laøm giaûm löu löôïng doøng permeate. Yeom vaø coäng söï (2002) ñaõ khaûo saùt söï aûnh höôûng cuûa ñieän tích treân membrane ñeán ñoä phaân rieâng. Nghieân cöùu cho thaáy khi mebrane tích ñieän maïnh coù khaû naêng taùch muoái cao nhôø töông taùc tónh ñieän giöõa muoái trong nguyeân lieäu vaø ñieän tích treân beà maët membrane. Ñoái vôùi membrane tích ñieän yeáu hoaëc khoâng tích ñieän thì khaû naêng phaân rieâng tuøy thuoäc vaøo kích thöôùc cuûa caùc caáu töû, neân khaû naêng giöõ muoái keùm hôn. Ñaëc tính cuûa membrane aûnh höôûng raát lôùn ñeán hieäu quaû cuûa quaù trình phaân rieâng vaø coøn phuï thuoäc vaøo töông taùc giöõa membrane vaø nguyeân lieäu. Ñaëc tính cuûa nguyeân lieäu (Feed) Beân caïnh yeáu toá vaät lieäu cheá taïo membrane, ñaëc tính cuûa doøng nguyeân lieäu laø yeáu toá aûnh höôûng saâu saéc ñeán quaù trình phaân rieâng. Yeáu toá naøy khoâng aûnh höôûng ñôn leû maø töông taùc vôùi vaät lieäu membrane. Ivetta Vincze vaø Gyula Vatai (2004) ñaõ khaûo saùt söï aûnh höôûng cuûa noàng ñoä doøng nguyeân lieäu ñeán löu löôïng doøng permeate trong quaù trình coâ ñaëc dòch chieát caø pheâ. Keát quaû cho thaáy khi noàng ñoä doøng nguyeân lieäu caøng taêng, löu löôïng doøng permeate caøng giaûm. Xu vaø coäng söï (1999) ñaõ chöùng minh ñöôïc noàng ñoä nguyeân lieäu laø yeáu toá aûnh höôûng ñaùng keå ñeán ñoä phaân rieâng. Hoï keát luaän raèng khi taêng noàng ñoä cuûa doøng nhaäp lieäu thì ñoä phaân rieâng giaûm vaø ngöôïc laïi. Löôïng vi sinh vaät coù trong nguyeân lieäu cuõng coù aûnh höôûng ñaùng keå ñeán hieäu quaû cuûa quaù trình phaân rieâng. Ñoù cuõng laø moät trong nhöõng nguyeân nhaân gaây ra hieän töôïng fouling (Baker vaø Dudley, 1998). Hình 2.15. AÛnh höôûng cuûa noàng ñoä nguyeân lieäu ñeán löu löôïng doøng permeate Keát quaû cuûa moät soá nghieân cöùu cho thaáy pH nguyeân lieäu coù aûnh höôïng ñaùng keå ñeán hieäu quaû cuûa quaù trình phaân rieâng. Söï aûnh höôûng tuøy thuoäc vaøo ñieän tích cuûa membrane vaø khoâng theo moät qui luaät roõ raøng. Hình 2.16. AÛnh höôûng cuûa pH doøng nhaäp lieäu ñeán löu löôïng doøng permeate (Nguyeân lieäu laø dung dòch NaNO3 noàng ñoä 10mM) Hình 2.17. AÛnh höôûng cuûa pH doøng nhaäp lieäu ñeán ñoä phaân rieâng Caùc thoâng soá kyõ thuaät cuûa quaù trình Ñaëc tính cuûa membrane vaø nguyeân lieäu laø hai yeáu toá khoù thay ñoåi trong quaù trình phaân rieâng. Yeáu toá maø chuùng ta coù theå ñieàu khieån ñöôïc moät caùch deã daøng vaø coù hieäu quaû laø cheá ñoä laøm vieäc cuûa quaù trình phaân rieâng. Caùc nghieân cöùu nhaèm naâng cao hieäu quaû cuûa quaù trình phaân rieâng chuû yeáu taäp trung vaøo caùc thoâng soá kyõ thuaät, bao goàm: aùp suaát laøm vieäc, nhieät ñoä laøm vieäc, löu löôïng doøng nhaäp lieäu. Moät soá nghieân cöùu thöïc hieän treân membrane MF vaø UF thu ñöôïc keát quaû cho thaáy khi taêng toác ñoä doøng nhaäp lieäu, löu löôïng cuûa doøng permeate taêng theo vaø löu löôïng doøng permeate cuûa membrane MF lôùn hôn membrane UF . Hình 2.18. AÛnh höôûng cuûa toác ñoä nhaäp lieäu ñeán löu löôïng doøng permeate Khi Roberto Ferrarini vaø caùc coäng söï (2000) nghieân cöùu vaø so saùnh hieäu quaû cuûa quaù trình coâ ñaëc dòch nho eùp baèng maøng RO vaø NF ñaõ thu ñöôïc keát quaû cho thaáy, ñoái vôùi nguyeân lieäu laø dòch nho eùp thì hieäu quaû cuûa quaù trình coâ ñaëc baèng maøng NF cao hôn maøng RO. Hoï ñaõ choïn ñöôïc aùp suaát toái öu cho quaù trình coâ ñaëc baèng maøng NF laø 40bar. Veà nhieät ñoä laøm vieäc, keát quaû nghieân cöùu cho thaáy khi taêng nhieät ñoä laøm vieäc thì löu löôïng doøng permeate taêng vaø ñoä phaân rieâng giaûm. Baûng 2.9. AÛnh höôûng cuûa aùp suaát laøm vieäc ñeán ñoä phaân rieâng cuûa caùc caáu töû coù trong nöôùc nho ôû nhieät ñoä 15oC Teân caùc caáu töû AÙp suaát (bar) 32 40 45 Ñöôøng 80 87 86 Toång Polyphenol 74 83 83 K 3 5 6 Na 97 97 97 Mg 98 99 99 (Nguoàn: Roberto Ferrarini vaø coäng söï (2000)) Hình 2.19 : AÛnh höôûng cuûa aùp suaát leân löu löôïng doøng Permeate cuûa UF Hình 2.20 : AÛnh höôûng cuûa aùp suaát leân trôû löïc cuûa caùc lôùp gel hình thaønh Baûng 2.10. AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán ñoä phaân rieâng cuûa caùc caáu töû trong nöôùc nho (vôùi p = 32bar) Teân caùc caáu töû Nhieät ñoä laøm vieäc (oC) 15 25 Ñöôøng 80 63 Toång Polyphenol 74 72 K 3 2 Na 97 94 Mg 98 96 Theo coâng thöùc ñaõ ñöa ra ôû phaàn treân ta thaáy raèng löu löôïng doøng permeate seõ taêng khi ñoä nhôùt cuûa dung dòch giaûm. Vì theá, toác ñoâï thaåm thaáu coù theå ñöôïc caûi thieän ôû nhieät ñoä cao hôn. Caùc nghieân cöùu cho thaáy aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân toác ñoä cuûa doøng permeate tuaân theo phöông trình Arrehnius: Trong ñoù: JT : laø löu löôïng doøng permeate taïi nhieät ñoä T. J20 : laø löu löôïng doøng permeate taïi nhieät ñoä so saùnh 200C. s : haèng soá ñaëc tröng bôûi moãi membrane vaø caùc nhieät ñoä so saùnh khaùc nhau. Khi tieán haønh nghieân cöùu ôû nhieät ñoä 250C, Pohland ñöa ra bieåu thöùc sau cho thaáy söï phuï thuoäc cuûa löu löôïng doøng permeate vaøo nhieät ñoä: Hình 2.21. AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán löu löôïng doøng permeate Hieän töôïng fouling Hình 2.22. Hieän töôïng fouling Ñònh nghóa. Hieän töôïng fouling laø hieän töôïng taéc ngheõn membrane trong quaù trình vaän haønh, khi ñoù löu löôïng doøng permeate giaûm daàn. Khi coù söï laéng ñoïng vaø tích tuï cuûa caùc thaønh phaàn cuûa doøng nhaäp lieäu treân beà maët membrane hay treân caùc mao quaûn cuûa maøng, chuùng coù theå laøm giaûm khaû naêng thaåm thaáu qua maøng cuûa dung dòch, ví duï: caùc phaàn töû huyeàn phuø, caùc chaát hoøa tan maø khoâng thaám qua membrane ñöôïc, hay thaäm chí laø caùc chaát tan coù theå thaám qua... Chuùng bít caùc mao quaûn hay laøm giaûm kích thöôùc cuûa caùc mao quaûn, bôûi söï hình thaønh leân caùc lôùp tích tuï gaây trôû löïc cho doøng chuyeån qua membrane. Söï suùt giaûm doøng permeate theo thôøi gian coù theå gaây ra söï toån thaát ñaùng keå hieäu suaát cuûa quaù trình membrane. Theo caùc nghieân cöùu thì söï suy giaûm naøy coù theå leân ñeán 2/3 löu löôïng doøng sau 80 phuùt. Vì theá, söï giaûm suùt doøng permeate vaø caùc phöông phaùp ñeå giöõ doøng permeate khoâng bò giaûm phaûi ñöôïc tính toaùn ngay khi thieát keá vaø khaéc phuïc lieân tuïc trong khi vaän haønh quaù trình membrane. Söï giaûm suùt doøng permeate raát khoù traùnh khoûi naøy ñöôïc thì goïi laø söï taéc ngheõn membrane (membrane fouling). Vaø caùc chaát gaây ra söï taéc ngheõn daãn ñeán söï giaûm doøng ñoù goïi laø caùc chaát gaây taéc ngheõn (foulants) . Hieän töôïng fouling laø moät tính chaát ñöôïc coi laø laøm thay ñoåi doøng chaûy raát khoù traùnh khoûi. Tuøy töøng heä thoáng, söï thay ñoåi coù theå dieãn ra trong moät hay nhieàu giai ñoaïn, thöôøng dieãn ra ôû toác ñoä nhanh trong moâït vaøi phuùt ñaàu, sau ñoù söï thay ñoåi giaûm daàn. Caùc phöông phaùp khaéc phuïc coù theå chæ laøm taêng doøng chaûy moät caùch taïm thôøi hay ñoù chæ laø loaïi boû söï aûnh höôûng trong moät giai ñoaïn ngaén maø thoâi, chöù khoâng hoaøn toaøn loaïi boû ñöôïc hieän töôïng naøy. Vieäc ta coù theå laøm ñöôïc laø toái öu hoaù heä thoáng ñeå doøng chaûy khoâng giaûm maïnh trong thôøi gian vaän haønh. Haàu heát moïi thaønh phaàn cuûa doøng nhaäp lieäu ñeàu goùp phaàn laøm taéc ngheõn membrane ôû moät möùc ñoä naøo ñoù. Baûn chaát vaø möùc ñoä taéc ngheõn bò aûnh höôûng maïnh bôûi baûn chaát hoùa hoïc cuûa membrane,baûn chaát cuûa caùc chaát tan vaø töông taùc giöõa chuùng. Tìm hieåu vaø nghieân cöùu caùc töông taùc hoùa hoïc beà maët, chaát tan - chaát tan, vaø chaát tan – membrane laø caùc chìa khoùa ñeå tìm hieåu hieän töôïng taéc ngheõn membrane (membrane fouling). Theo giaûi thích cuûa phöông phaùp hieän töôïng hoïc thì membrane fouling töông töï hieän töôïng fouling cuûa söï trao ñoåi nhieät, ngoaïi tröø vieäc membrane coù beà maët hoaït ñoäng hôn, vì theá membrane fouling laø moät hieän töôïng töông ñoái phöùc taïp hôn. Nguyeân nhaân gaây ra fouling. Söï tích luõy nguyeân lieäu trong membrane laøm taêng trôû löïc cuûa membrane theo thôøi gian. Lôùp gel hay caùc baùnh nguyeân lieäu tích tuï treân beà maët cuûa membrane vaø lôùp taäp trung noàng ñoä cuûa nguyeân lieäu laøm taêng trôû löïc cho doøng permeate. Ñoä lôùn trôû löïc seõ khaùc nhau khi thaønh phaàn hoaù hoïc vaø ñoä daøy cuûa caùc lôùp tích tuï khaùc nhau, ñieàu naøy ñöôïc quyeát ñònh bôûi chaát löôïng cuûa nguyeân lieäu vaø tính chaát truyeàn khoái trong moâ hình membrane. Söï hình haønh caùc “baùnh” (cake formation). Caùc baùnh noàng ñoä hình thaønh, bít caùc loã, vaø söï haáp thuï caùc foulants leân thaønh mao quaûn xuaát hieän laø caùc nguyeân nhaân deã nhaän thaáy trong söï giaûm doøng permeate theo thôøi gian ñoái vôùi membrane. Thoâng thöôøng thì trôû löïc gaây ra do söï taäp trung noàng ñoä nhoû hôn raát nhieàu so vôùi trôû löïc do caùc baùnh noàng ñoä taïo neân. Do ñoù neáu coù söï hình thaønh caùc baùnh noàng ñoä naøy thì trôû löïc do taäp trung noàng ñoä thöôøng ñöôïc boû qua. Trôû löïc do caùc baùnh noàng ñoä taïo ra seõ taêng khi caùc phaàn töû caáu thaønh leân caùc baùnh ñoù giaûm kích thöôùc. Caùc lôùp gel cuûa caùc nguyeân lieäu coù thaønh phaàn laø caùc phaân töû lôùn sinh ra trôû löïc khaù ñaùng keå. Caùc baùnh noàng ñoä vaø caùc lôùp gel ñoùng vai troø nhö nhöõng thieát bò loïc hay laø moät membrane thöù hai loaïi ñi nhöõng phaân töû chaát tan trong doøng löu chaát. Hình 2.23: Söï hình thaønh lôùp gel theo thôøi gian Hình 2.24: Trôû löïc do lôùp gel gaây ra khi ñoä daøy cuûa lôùp gel thay ñoåi ôû caùc aùp suaát khaùc nhau Caùc baùnh noàng ñoä naøy gaây ra trôû löïc lôùn laøm giaûm löu löôïng doøng permeate. Toác ñoä giaûm naøy tæ leä thuaän vôùi khoái löôïng cuûa caùc chaát tích tuï treân maøng. Trong moät thôøi gian ngaén, doøng permeate giaûm ñeán khi söï dòch chuyeån caùc phaân töû tôùi tích tuï treân maøng caân baèng söï thoaùt ra cuûa caùc phaân töû tích tuï treân maøng khoûi maøng, vaø khi ñoù löu löôïng doøng permeate giöõ ôû moät giaù trò oån ñònh. Khi toác ñoä doøng cross-flow taêng thì giaù trò löu löôïng oån ñònh cuûa doøng permeate khi ôû traïng thaùi oån ñònh cuõng taêng. Tuy nhieân trong thôøi gian ñaàu cuûa quaù trình suy giaûm doøng permeate, toác ñoä giaûm doøng vaø khoái löôïng tích tuï gaàn nhö ñoäc laäp vôùi toác ñoä cuûa doøng cross-flow. Fouling do söï keát tuûa. Söï hình thaønh keát tuûa vaø caùc caùu caën treân membrane coù theå xuaát hieän khi caùc muoái trong nguyeân lieäu coù noàng ñoä quaù khaû naêng hoøa tan cuûa chuùng. Trong quaù trình phaân rieâng, döôùi taùc ñoäng cuûa aùp löïc, caùc chaát hoøa tan, caùc chaát keo, caùc chaát coù khoái löôïng phaân töû lôùn coù khuynh höôùng taäp trung ôû beà maët membrane. Söï taäp trung naøy ñaõ daãn ñeán söï hình thaønh lôùp keo saùt beà maët maøng vaø keá ñeán laø lôùp bieân noàng ñoä. Trong quaù trình phaân rieâng, lôùp keo naøy haàu nhö khoâng theå taùch ra khoûi maøng. Ngöôïc laïi, caùc caáu töû ôû lôùp bieân noàng ñoä vöøa bò doøng permeate keùo theo qua maøng vöøa khueách taùn ngöôïc trôû laïi vuøng ngoaïi bieân do söï cheânh leäch noàng ñoä (Mallevialle vaø coäng söï, 1996). Fouling do söï haáp thuï. Söï haáp thuï hay söï tích tuï cuûa caùc nguyeân lieäu theo thôøi gian trong caùc mao quaûn daãn tôùi giaûm f hay kích thöôùc mao quaûn rpore vaø taêng trôû löïc Rm , ñaây laø ñieàu thöôøng khoù ñöôïc khaéc phuïc moät caùch trieät ñeå. Söï haáp thuï caùc vaät lieäu leân beà maët membrane laø khaùc nhau khi caùc vaät lieäu laøm membrane khaùc nhau. Ví duï, acid humic vaø caùc vaät lieïâu höõu cô töï nhieân coù taùc ñoäng maïnh hôn leân söï giaûm löu löôïng doøng so vôùi caùc haït keo voâ cô khaùc, thaäm chí ngay caû ôû noàng ñoä thaáp. Tính chaát cuûa caùc vaät lieäu höõu cô coù moái lieân quan ñeán söï taéc ngheõn membrane bao goàm: söï töông ñoàng cuûa chuùng vôùi membrane, khoái löôïng phaân töû, caùc nhoùm chöùc vaø hình daïng. Söï taéc ngheõn membrane cuõng lieân quan chaët cheõ vôùi töông taùc kî nöôùc cuûa caùc vaät lieäu laøm membrane. Theo ñoù, mambrane cheá taïo töø caùc vaät lieäu coù tính öa nöôùc thì thöôøng ít gaây taéc membrane hôn caùc membrane ñöôïc cheá taïo töø caùc vaät lieäu coù tính kî nöôùc. Fouling do vi sinh vaät (Biofouling) Khi dung dòch nguyeân lieäu coù chöùa vi sinh vaät, chuùng seõ baùm treân beà maët membrane vaø laøm taéc ngheõn membrane. Trong quaù trình phaân rieâng, treân beà maët membrane coù theå coù ñeán 106CFU/cm2, bao goàm vi khuaån, naám moác vaø naám men (Baker vaø Dudley, 1998). Fouling do caùc nguyeân nhaân khaùc. Ngoaøi caùc yeáu toá treân, hieän töôïng fouling coøn chòu aûnh höôûng bôûi nhieàu yeáu toá khaùc trong quaù trình phaân rieâng: Tính chaát cuûa membrane. Söï thay ñoåi trong tính chaát cuûa membrane: xuaát hieän do keát quaû cuûa söï hö hoûng vaät lí hay hoùa hoïc cuûa membrane. Vì quaù trình membrane laø moät quaù trình phuï thuoäc vaøo aùp suaát neân döôùi aùp suaát cao, membrane coù theå bò daõo hoaëc coù hieän töôïng ñoùng chaéc, coù theå laøm thay ñoåi khaû naêng thaám qua maøng. Ñieàu naøy thöôøng xuaát hieän khi aùp suaát treân 100pounds/in2 vaø thöôøng khoâng ñaùng lo ñoái vôùi kyõ thuaät vi loïc vaø sieâu loïc vì aùp suaát cuûa 2 kyõ thuaät naøy thöôøng thaáp. Ngöôïc laïi, söï hö hoûng hoùa hoïc coù theå xuaát hieän neáu pH, nhieät ñoä vaø caùc yeáu toá moâi tröôøng khaùc khoâng thích hôïp vôùi caùc phaàn töû membrane. Söï xuø xì thoâ raùp vaø yeâu caàu thöôøng xuyeân laøm veä sinh maøng trong coâng ngheä thöïc phaåm vaø sinh hoïc seõ giaûm ñaùng keå ñoä beàn cuûa membrane, aûnh höôûng ñeán chaát löôïng doøng chaûy qua membrane. Söï thay ñoåi trong tính chaát doøng nhaäp lieäu: dung moâi chuyeån ñoäng qua caùc mao quaûn cuûa maøng MF vaø UF thöôøng phaûi ñöôïc tính toaùn kyõ ñeán vieäc haïn cheá hieän töôïng chaûy nhôùt. Vì khi ñoä nhôùt vaø tæ troïng cuûa doøng nhaäp lieäu taêng, söï khueách taùn cuûa chaát raén taêng, doøng chaûy seõ chuyeån ñoäng chaäm hôn doøng chaûy cuûa nöôùc. Tính thaám nöôùc cuûa membrane: vôùi caùc doøng nhaäp lieäu coù nöôùc, membrane seõ huùt nöôùc. Neáu nguyeân lieäu coù tính kî nöôùc, noù seõ haáp thuï caùc thaønh phaàn coù tính kî nöôùc hay löôõng tính, keát quaû laø gaây taéc ngheõn. Moät phöông phaùp ñaùnh giaù tính chaát öa nöôùc cuûa membrane laø döïa vaøo “goùc tieáp xuùc” – ñaùnh giaù ñoä dính öôùt beà maët. Neáu ñeå gioït nöôùc leân membrane laøm baèng vaät lieäu coù tính öa nöôùc, gioït nöôùc seõ traûi ra treân beà maët, goùc dính öôùt laø nhoû hoaëc baèng khoâng. Ngöôïc laïi, moät nguyeân lieäu kî nöôùc seõ khoâng dính öôùt vaø goùc dính öôùt laø raát lôùn. Caùc nguyeân lieäu coù tính kî nöôùc seõ coù töông taùc vôùi daàu trong doøng nguyeân lieäu coù daàu. Nhöng tính öa nöôùc cuûa membrane coù theå giaûm toái thieåu söï taéc ngheõn daàu. Hình 2.25: Hieän töôïng dính öôùt. Theo keát quaû nghieân cöùu thu ñöôïc thì vaät lieäu kî nöôùc (PTFE, PP) coù goùc dính öôùt lôùn (>100o), trong khi caùc vaät lieäu coù tính öa nöôùc (cellulose, ceramic...) thì coù goùc dính öôùt thaáp (< 300), cho thaáy membrane cheá taïo baèng cellulose ít laøm taéc ngheõn hôn raát nhieàu so vôùi caùc membrane laøm baèng caùc vaät lieäu kî nöôùc khaùc. Hình 2.26: Söï haáp thuï cuûa protein cuûa caùc loaïi vaät lieäu membrane khaùc nhau Tuy nhieân, khi xeùt ñeán toaøn cuïc thì moái quan heä giöõa ñoä dính öôùt vaø khuynh höôùng taéc ngheõn khoâng phaûi laø nguyeân nhaân chuû yeáu. Ñaây laø söï phaûn aùnh moät phaàn söï khoù khaên khi muoán coù ñöôïc ñoä dính öôùt mong muoán, ñoä dính öôùt bò chi phoái bôûi ñoä nhaùm beà maët, ñoä tinh saïch cuûa nöôùc, vaø phöông phaùp maø caùc nhaø nghieân cöùu söû duïng. Hôn nöõa, baûn chaát cuûa vaät lieäu laøm membrane trôû thaønh yeáu toá phuï neáu söï taäp trung noàng ñoä lôùn vaø söï laéng ñoïng protein lôùn. Hình daïng beà maët: moät lyù do khaùc giaûi thích taïi sao membrane cellulose ít bò taéc ngheõn hôn caùc loaïi membrane baèng polimer khaùc coù theå lieân quan ñeán ñoä nhaùm beà maët cuûa chuùng. Beà maët cuûa membrane cellulose acetate phaúng vaø ñeàu. Ngöôïc laïi, membrane baèng composite coù nhöõng choã loài loõm treân beà maët, coù theå giöõ nhöõng huyeàn phuø coù trong doøng nhaäp lieäu, laøm cho ngheõn maøng nhieàu hôn. Ñieàu naøy cuõng giaûi thích taïi sao membrane coù nguoàn goác polyamide coù khuynh höôùng hay bò ngheõn hôn laø membrane CA, ñaëc bieät laø fouling do vi sinh vaät. Ñieän tích treân maøng: haàu heát membrane tích ñieän aâm trong ñieàu kieän quaù trình vaän haønh. Söï tích ñieän cuûa membrane trôû neân quan troïng neáu caùc phaàn töû mang ñieän laø caùc phaàn töû ñang tham gia vaøo quaù trình ñoù. Kích thöôùc mao quaûn: moái quan heä kích thöôùc loã vaø caùc chaát tan trong doøng nhaäp lieäu raát quan troïng. Caùc membrane coù kích thöôùc mao quaûn lôùn ban ñaàu coù doøng chuyeån qua lôùn hôn nhöõng membrane coù kích thöôùc loã nhoû nhöng theo thôøi gian thì daàn daàn löu löôïng doøng chuyeån qua laïi nhoû ñi. Neáu kích thöôùc cuûa caùc phaàn töû muoán taùch ra gaàn baèng kích thöôùc cuûa mao quaûn thì moät vaøi phaàn töû nhoû trong doøng nhaäp lieäu seõ coù theå naèm laïi trong loã mao quaûn maø khoâng chuyeån qua maøng. Söï bao vaây caùc loã naøy seõ gaây ra söï giaûm nhanh doøng chaûy trong moät vaøi phuùt ñaàu cuûa quaù trình. Ngöôïc laïi neáu caùc loã nhoû hôn caùc phaân töû caàn phaân taùch raát nhieàu thì caùc phaân töû seõ khoâng bò maéc laïi maø seõ troâi qua döôùi löïc keùo lôùn cuûa doøng chaûy. Vì theá khi söû duïng membrane coù kích thöôùc mao quaûn baèng hay nhoû hôn khoâng ñaùng keå so vôùi kích thöôùc cuûa caùc phaàn töû muoán taùch thì doøng chaûy ban ñaàu seõ thuaän lôïi nhöng ñoù chæ dieãn ra trong thôøi gian ngaén, sau ñoù laø söï khoù khaén hôn vì söï taéc ngheõn doøng chaûy seõ dieãn ra nhanh hôn. Tuy nhieân, caùc nghieân cöùu cuõng cho thaáy raèng khoâng phaûi kích thöôùc mao quaûn caøng nhoû thì löu löôïng doøng caøng cao maø toàn taïi moät ñieåm giôùi haïn kích thöôùc maø taïi ñoù hieäu quaû cuûa maøng laø cao nhaát. Neáu kích thöôùc mao quaûn nhoû hôn nöõa thì löu löôïng doøng chaûy seõ trôû leân keùm. Hình 2.27: Aûnh höôûng cuûa kích thöôùc mao quaûn ñeán löu löôïng doøng Tính chaát cuûa chaát tan Vì fouling laø keát quaû cuûa caùc töông taùc ñaëc bieät giöõa membrane vaø caùc chaát tan khaùc trong doøng löu chaát nhaäp lieäu neân caàn phaûi hieåu tính chaát hoùa lyù cuûa caùc thaønh phaàn coù trong doøng nhaäp lieäu ñoái vôùi caùc quaù trình membrane ñeå töø ñoù coù caùc phöông höôùng ñeå khaéc phuïc. Moät soá thaønh phaàn ñaëc tröng coù trong nguyeân lieäu caàn löu yù nhö sau: Protein: laø chaát gaây ra fouling chính trong quaù trình membrane. Vôùi voâ soá nhoùm chöùc naêng khaùc nhau, möùc ñoä kî nöôùc khaùc nhau, caáu truùc phöùc taïp baäc 2 vaø baäc 3... cho pheùp protein töông taùc vôùi caùc thaønh phaàn khaùc trong doøng nhaäp lieäu. Hình 2.28: Moái quan heä giöõa söï haáp thuï protein leân beà maët maøng ñeán löu löôïng doøng ôû caùc nhieät ñoä khaùc nhau Muoái: muoái khoaùng coù moät aûnh höôûng saâu roäng ñeán fouling. Chuùng coù theå keát tuûa treân membrane vì tính tan keùm hay noù coù theå laøm bít membrane bôûi caùc töông taùc tónh ñieän. pH: nhìn chung doøng chaûy seõ keùm nhaát taïi pH ñaúng ñieän cuûa protein. Thay ñoåi pH aûnh höôûng ñeán tính tan vaø caáu taïo cuûa caùc thaønh phaàn doøng nhaäp lieäu. Hình 2.29: Aûnh höôûng cuûa pH leân löu löôïng. Lipid, daàu, môõ: vôùi caùc loaïi maøng coù tính kî nöôùc, caùc chaát beùo töï do seõ bao laáy maøng, keát quaû laø giaûm doøng chaûy. Caùc chaát phaù boït: ñöôïc söû duïng ñeå ngaên boït trong quaù trình boác hôi vaø leân men. Raát nhieàu chaát phaù boït treân thò tröôøng gaây ngheõn raát xaáu ñeán membrane coù tính kî nöôùc. Caùc membrane coù tính öa nöôùc ít bò aûnh höôûng hôn bôûi caùc chaát naøy. Caùc chaát muøn: ñaây laø caùc chaát ñieän ly coù tính axit yeáu. Chuùng trôû neân kî nöôùc hôn khi pH giaûm vì vaäy seõ taêng khaû naêng gaây ngheõn nhöõng membrane coù tinh kî nöôùc ôû pH thaáp. (Jucker vaø Clark, 1994). Caùc thaønh phaàn khaùc bò cho laø coù gaây neân fouling bao goàm caùc chaát nhôùt do vi khuaån, caùc hôïp chaát thôm vaø caùc polysaccharide ( Defrise vaø Gekas , 1988). Caùc thoâng soá kyõ thuaät Beân caïnh caùc töông taùc hoùa lyù phöùc taïp cuûa caùc thaønh phaàn nguyeân lieäu, caùc thoâng soá cuûa quaù trình nhö nhieät ñoä, vaän toác doøng, aùp suaát, noàng ñoä nguyeân lieäu, vaø thieát bò coù aûnh höôûng lôùn ñeán söï taéc ngheõn membrane. Nhieät ñoä: nhieät ñoä aûnh höôûng khoâng roõ raøng leân hieän töôïng fouling. Taêng nhieät ñoä cuõng coù theå laøm taêng löu löôïng doøng nhöng cuõng coù theå laøm giaûm löu löôïng doøng, tuøy thuoäc vaøo nguyeân lieäu. Ví duï ñoái vôùi cheese whey, taïi nhieät ñoä 300C, doøng giaûm khi taêng nhieät bôûi vì tính tan cuûa CaSO4 giaûm. Tuy nhieân khi nhieät ñoä tieáp tuïc taêng xa ñieåm 300C thì caùc hieäu öùng coù lôïi (ñoä nhôùt giaûm, khaû naêng khueách taùn taêng) seõ laøm giaûm caùc aûnh höôûng baát lôïi vaø doøng chaûy taêng. Taát nhieân veà maët sinh hoïc thì ôû nhieät ñoä quaù cao protein seõ bò bieán tính vaø seõ laøm giaûm löu löôïng doøng. Söï haáp thuï cuûa caùc phaân töû protein trong khoaûng nhieät ñoä 30 - 600C nhìn chung laø taêng khi nhieät ñoä taêng. Hình 2.30: AÛnh höôûng cuûa toác ñoä doøng Cross-flow vaø nhieät ñoä ñeán fouling Toác ñoä doøng vaø söï xaùo troän doøng: vaâïn toác doøng treân beà maët membrane cao nhìn chung coù khuynh höôùng keùo ñi caùc nguyeân lieäu laéng ñoïng, do ñoù giaûm trôû löïc nöôùc cuûa lôùp fouling. Tuy nhieân ñieàu naøy khoâng luoân luoân xaûy ra neáu aùp suaát quaù cao so vôùi toác ñoä doøng permeate. Khi ñoù caùc phaân töû lôùn seõ coù khuynh höôùng bò ñaåy ngöôïc trôû laïi vaø caùc phaân töû nhoû taäp trung treân beà maët maøng, gaây ra söï taéc ngheõn. Hình 2.31: Fouling khi caùc phaân töû coù kích thöôùc khoâng ñoàng ñeàu AÙp suaát: löu löôïng doøng taêng khi aùp suaát taêng, nhöng khoâng theo quuy luaät tuyeán tính. Khi aùp suaát taêng quaù cao, lôùp taäp trung noàng ñoä tieán tôùi moät noàng ñoä tôùi haïn vaø doøng trôû neân khoâng phuï thuoäc vaøo aùp suaát. Hieän töôïng fouling aûnh höôûng ñeán tuoåi thoï cuûa membrane, taàn soá veä sinh membrane, cheá ñoä tieàn xöû lyù nguyeân lieäu, ñieàu kieän laøm vieäc, chi phí vaän haønh vaø hieäu suaát laøm vieäc cuûa thieát bò (Mallevialle vaø coäng söï, 1996). Moät haäu quaû raát roõ khi hieän töôïng fouling xaûy ra laø löu löôïng trung bình cuûa doøng permeate thaáp hôn qua töøng chu kì saûn xuaát. Hôn nöõa, tuøy baûn chaát vaø möùc ñoä taéc ngheõn, ñeå khoâi phuïc coù theå phaûi duøng nhöõng chaát taåy coù hoaït tính maïnh maø coù theå gaây haïi, laøm giaûm ñoä beàn cuûa membrane. Ñaây tieáp tuïc laø khoù khaên ñoái vôùi maøng cellulose acetate (CA), loaïi maøng coù moät giôùi haïn pH, nhieät ñoä, vaø möùc ñoä chlorine cho pheùp töông ñoái thaáp, trong khi caùc khoù khaên ñoù ñoái vôùi caùc loaïi maøng khaùc nhö polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), polypropylen (PP) vaø polytetraflouroethylene (PTFE) laø ôû möùc ñoä thaáp, vaø nguy cô naøy xaûy ra thaáp hôn nhieàu khi membrane ñöôïc cheá taïo baèng vaät lieäu ceramic hay caùc loaïi vaät lieäu voâ cô khaùc, vì chuùng coù ñoä beàn hoaù hoïc cao, do ñoù coù khaû naêng chòu ñöïng ñöôïc söï taán coâng cuûa caùc hoaù chaát trong quaù trình laøm saïch. Moät vaøi haõng saûn xuaát membrane seõ ñaûm baûo thôøi gian söû duïng membrane cuûa hoï chæ vôùi ñieàu kieän laø caùc yeâu caàu cuûa hoï veà vaán ñeà laøm saïch phaûi ñöôïc caùc nhaø söû duïng tuaân thuû nghieâm ngaët. Naêng suaát vaø söï taùch loaïi cuõng bò aûnh höôûng. Neáu söï tích tuï chaát raén treân membrane ñuû nhieàu, noù seõ coù vai troø nhö laø moät membrane phuï vaø laøm thay ñoåi hieäu quaû raây vaø tính chaát vaän chuyeån cuûa heä thoáng. Öu ñieåm vaø nhöôïc ñieåm cuûa kyõ thuaät membrane. Kyõ thuaät membrane ngaøy caøng ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong coâng nghieäp do coù moät soá öu ñieåm sau: Haïn cheá ñöôïc söï bieán ñoåi cuûa caùc caáu töû nhaïy caûm vôùi nhieät ñoä, ñaëc bieät laø trong coâng ngheä cheá bieán thöïc phaåm vaø coâng ngheä sinh hoïc. Tieát kieäm naêng löôïng hôn so vôùi caùc kyõ thuaät truyeàn thoáng khaùc. Thaân thieän vôùi moâi tröôøng. Heä thoáng ñöôïc laép ñaët deã daøng, chi phí vaän haønh thaáp. Khoâng toán nhieàu chi phí cho thieát bò phuï trôï. Khaû naêng taùi söû duïng cao. Beân caïnh ñoù, kyõ thuaät membrane cuõng coøn moät soá maët coøn haïn cheá nhö sau: Noàng ñoä chaát khoâ cuûa doøng retentate toái ña thöôøng vaøo khoaûng 30% (w/w). Ñaây laø noàng ñoä töông ñoái thaáp trong quaù trình coâ ñaëc. Chi phí ñaàu tö thieát bò töông ñoái cao so vôùi kyõ thuaät truyeàn thoáng. Tuy nhieân hieän nay ñieàu naøy ngaøy caøng ñöôïc khaéc phuïc do söï tieán boä cuûa caùc ngaønh khoa hoïc kyõ thuaät lieân quan. Hieän töôïng fouling trong quaù trình vaän haønh.