- Zeolite: là loại alumino silicat kết tinh có thể gặp ở trạng thái tự nhiên hoặc tổng hợp bằng phương pháp nhân tạo.
3.3. LỌC MÀNG – MEMBRANE FILTRATION 1 Cơ sở khoa học
3.3.1. Cơ sở khoa học
Phân riêng bằng màng là quá trình tách các cấu tử có phân tử lượng khác nhau nhưng cùng hòa tan trong một pha lỏng hoặc tách các cấu tử rắn có kích thước rất nhỏ ra khỏi pha lỏng hoặc pha khí.
Khi ta bơm dung dịch nguyên liệu vào thiết bị lọc màng, một số cấu tử có phân tử lượng nhỏ sẽ đi qua màng, cịn các cấu tử có phân tử lượng lớn sẽ bị giữ lại trên bề mặt màng. Quá trình phân riêng bằng màng sẽ cho ta hai dòng sản phẩm:
- Dòng sản phẩm đi qua màng được gọi là permeate. - Dịng sản phẩm khơng qua màng được gọi là retentate.
Hình 3.11. Phân riêng bằng phương pháp sử dụng màng 1. Nguyên liệu; 2. Bơm; 3. Màng lọc
Động lực của quá trình phân riêng là sự chênh lệch áp suất ở hai bên bề mặt của màng và sự chênh lệch áp suất này được tạo ra là nhờ hoạt động của bơm để đưa nguyên liệu vào thiết bị phân riêng. Điểm khác biệt cần lưu ý là các mao dẫn trên màng có kích thước rất nhỏ so
với trên vách ngăn trong quá trình lọc và thiết bị phân riêng bằng màng ln hoạt động trong điều kiện kín dưới một áp lực nhất định. Hiện nay các quá trình phân riêng bằng màng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ thực phẩm, sinh học, xử lý mơi trường, phân tích định tính và định lượng,…
Phân loại:
Màng có thể được phân loại theo các cách sau:
Theo nguồn gốc: màng tự nhiên và màng tổng hợp.
- Màng tự nhiên: là loại màng được chế tạo từ các vật liệu có trong tự nhiên, trong đó chủ yếu là cellulose.
- Màng tổng hợp: là màng được chế tạo từ các vật liệu tổng hợp. Màng tổng hợp được chia thành hai nhóm chính:
+ Màng hữu cơ – organic (polymer của các hợp chất hữu cơ).
+ Màng vô cơ – inorganin (ceramic hoặc kim loại,…). Trong đó polymer (cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene polyamides, polysufones,…) và ceramic (alumina, titania, và zirconia,…) được sử dụng phổ biến.
Theo kích thước lỗ mao quản:
Theo kích thước lỗ mao quản, màng được chia thành 4 loại: màng vi lọc (Microfiltration MF), màng siêu lọc (Ultrafiltration), màng lọc nano (Nanofiltration NF) và màng thẩm thấu ngược (Reversed osmosis RO).
Bảng 3.3. Kích thước màng lỗ Loại màng Kích thước lỗ mao quản (nm) Vi lọc – MF > 200 Siêu lọc – UF 3 – 200 Nano lọc – NF 1 – 2 Lọc thẩm thấu – RO < 0,5
Hình 3.12. Kích thước lỗ mao quản của một số loại màng
Theo cấu trúc màng:
Màng có cấu trúc vi xốp: dựa vào kích thước và sự phân bố các mao quản trong màng, người ta chia làm hai loại sau:
- Đẳng hướng (isotropic, symmetric): Cấu trúc của loại màng này có vơ số lỗ xốp bên trong dưới dạng mao quản hoặc các lỗ hổng được hình thành một cách ngẫu nhiên. Đường kính của mao quản ổn định trong suốt chiều dày của màng, các mao quản này song song với nhau. Màng vi xốp được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau như: ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại hoặc các loại polymer.
- Bất đẳng hướng (asymmetric, anisotropic): Loại này có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dài của màng, thường có 2 lớp: lớp trên dày 0,1 – 0,5μm, đường kính mao quản nhỏ và lớp này quyết định khả năng phân riêng của màng; lớp dưới dày 100 - 200μm, đường kính mao quản lớn, thường đóng vai trị là khung đỡ, vì thế có tính bền cơ học cao. Màng loại này thường được sử dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm thấu ngược, tinh sạch khí,…
Bảng 3.4. Kích thước lỗ theo vật liệu
Vật liệu Kích thước lỗ
mao quản (μm) Ứng dụng
Ceramic, kim loại 0.1 – 20 Vi lọc
Polyethylene (PE) 0.5 – 10 Vi lọc
Polytetrafluorethylene (PTFE) 0.5 – 10 Vi lọc
Polycarnonate 0.02 - 10 Vi lọc
Cellulose nitrate (CN), Cellulose
acetate (CA) 0.01 – 5 Vi lọc, siêu lọc
Màng đồng thể dạng lỏng: Là một lớp chất lỏng rất mỏng. Khó khăn nhất đối với loại 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 màng trong quá trình phân riêng, hiện nay có hai kỹ thuật thường dùng đó là sử dụng các chất nhũ hóa hoặc dùng vật liệu polymer có cấu trúc vi xốp với độ bền cơ học cao để chứa các chất lỏng bên trong. Màng dạng lỏng thường dùng để tách các ion kim loại nặng, các chất vô cơ từ nước thải công nghiệp.
Màng trao đổi ion: là màng mà trên bề mặt có nhiều điện tích âm hoặc dương, có hai loại trao đổi ion đó là: màng trao đổi ion dương và màng trao đổi ion âm
Hai loại màng này sẽ hấp thu các ion có điện tích trái dấu so với các ion trên bề mặt và không cho các ion này đi qua. Sự phân riêng bằng màng trao đổi ion đạt được chủ yếu do quá trình tách những ion tích điện trái dấu với màng hơn là do kích thước lỗ mao quản. Sự phân riêng này bị ảnh hưởng bởi điện tích và nồng độ của các ion có trong dung dịch, thường dùng trong kỹ thuật điện thẩm tích.
Bảng 3.5. Các vật liệu được dùng làm màng lọc Vật liệu MF – Vi lọc UF – Siêu lọc RO – thẩm thấu ngược Nhôm X
Carbon – carbon composites X
Cellulose ester X
Cellulose nitrate X
Polyamide, aliphatic (nylon) X
Polycarbonate X Polyester X Polypropylene X Polytetrafluorethylen (PTFE) X Polyvinyl cloride (PVC) X Polyvinylidene flouride (PVDF) Cellulose X X Cellulose 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
Hỗn hợp CA/CTA X
Composites, polymeric thin film (PA hay polyetherurea trên polysulfone)
Các kỹ thuật màng:
- Màng vi lọc: có đường kính mao dẫn từ 0,01 - 2μm sẽ giữ lại các cấu tử lơ lửng có kích thước rất nhỏ như các tế bào vi sinh vật. Còn các cấu tử hòa tan trong dung dịch nguyên liệu sẽ đi qua màng vi lọc. Áp suất làm việc của màng dao động trong khoảng 0,3 – 1bar. Đây là kỹ thuật được áp dụng khá phổ biến trong chế biến thực phẩm như tách vi sinh vật từ sữa, nước trái cây,…
- Màng siêu lọc: là quá trình phân riêng chọn lọc các hợp chất với áp suất làm việc khoảng 1 - 10 bar. Đường kính mao quản trung bình từ 2 – 50nm, thường được sử dụng để tách protein, dextrin,… các hợp chất có khối lượng trong khoảng 2,000 – 300.000 Da.
- Kỹ thuật lọc nano: Mao quản có đường kính trung bình khoảng 2 nm. Áp suất làm việc trong màng lọc nano cần phải cao, thông thường từ 20 – 40 bar, thường dùng tách các phân tử với phân tử lượng nằm trong khoảng 300 – 1.000 Da.
- Màng thẩm thấu ngược: là q trình phân riêng với đường kính lỗ mao quản nhỏ nhất và cũng là kỹ thuật phân riêng phức tạp nhất. Kỹ thuật này sử dụng màng có kích thước với đường kính lỗ mao quản nhỏ hơn 1nm, nên có khả năng tách các cấu tử có kích thước nhỏ như ion của các muối như Na+, Cl-,… ra khỏi dung dịch.
Vì vậy, áp suất làm việc màng loại này phải lớn, từ 15 – 70 bar.