Tài liệu Đồ án Ứng dụng kỹ thuật membrane trong trích ly các hợp chất từ thực vật

Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane ỨNG DỤNG KĨ THUẬT MEMBRANE TRONG TRÍCH LY CAÙC HÔÏP CHAÁT TÖØ THÖÏC VAÄT MỤC LỤC Danh muïc hình vaø baûng.................................................................................................1 1: Môû ñaàu......................................................................................................................3 2: Toång quan.................................................................................................................4 2.1. Khaùi nieäm veà membrane vaø phaân loaïi................................................................4 2.1.1. Khaùi nieäm...................................................................................................4 2.1.2. Phaân loaïi membrane...................................................................................4 2.1.3. Vaät lieäu membrane.....................................................................................7 2.2. Caùc kó thuaät membrane......................................................................................11 2.2.1. Kó thuaät vi loïc (microfiltration).................................................................11 2.2.2. Kó thuaät sieâu loïc (Ultrafiltration)..............................................................12 2.2.3. Kó thuaät loïc nano (Nanofiltration).............................................................12 2.2.4. Kó thuaät loïc thaåm thaáu ngöôïc (Reverse Osmosis)....................................12 2.3. Caùc daïng thieát bò:...............................................................................................13 2.3.1. Membrane daïng oáng (Tubular module)....................................................13 2.3.2. Membrane daïng khung baûn (Plate and Frame module)............................15 2.3.3. Membrane daïng cuoän xoaén (Spiral wound module).................................15 2.3.4. Membrane daïng sôïi roãng (Hollow fibre module).....................................17 2.4. Ñoäng hoïc quaù trình truyeàn khoái membrane........................................................20 2.4.1. Moâ hình phaân rieâng baèng membrane........................................................20 2.4.2. Ñoäng hoïc cuûa quaù trình membrane...........................................................21 2.5. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình membrane................................................25 2.5.1. Ñaëc tính cuûa membrane............................................................................25 2.5.2. Ñaëc tính cuûa nguyeân lieäu..........................................................................26 2.5.3. Caùc thoâng soá kó thuaät cuûa quaù trình..........................................................28 2.6. Hieän töôïng Fouling.............................................................................................31 2.7.1. Ñònh nghóa................................................................................................32 2.7.2. Nguyeân nhaân gaây ra fouling ....................................................................32 2.7. Öu ñieåm vaø nhöôïc ñieåm cuûa kó thuaät membrane...............................................37 3: ÖÙng duïng kó thuaät membrane trong trích ly caùc hôïp chaát töø thöïc vaät: ....................38 3.1. Öùng duïng kyõ thuaät membrane trong trích ly protein töø thöïc vaät....................38 3.1.1. Nguyeân lieäu: Boät ñaäu naønh taùch beùo........................................................39 3.1.2. Quy trình saûn xuaát soy protein..................................................................41 3.1.3. Phöông phaùp trích ly protein baèng membrane..........................................41 3.1.4. Caùc heä thoáng coâ ñaëc maøng.......................................................................43 3.1.5. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán chaát löôïng......................................................45 Trang 3 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 3.1.5.1. Khaû naêng phaân rieâng cuûa membrane vaøo phaân töû löôïng.......................45 3.1.5.2. Baûn chaát nguyeân lieäu.............................................................................46 3.1.6. Saûn phaåm cuûa quaù trình coâ ñaêc dung dòch protein baèng sieâu loïc.............48 3.2. ÖÙng duïng kyõ thuaät membrane trong trích ly caùc hôïp chaát choáng oxi hoùa töø thöïc vaät....................................................................................................................50 3.2.1. Kyõ thuaät trích ly caùc hôïp chaát choáng oxi hoùa töø thöïc vaät.......................51 3.2.2. Öùng duïng membrane trong trích ly caùc hôïp chaát choáng oxi hoùa töø nho. . .52 3.2.3. Öùng duïng kyõ thuaät membrane trong trích ly caùc hôïp chaát choáng oxi hoùa töø olive mill wastewater ..................................................................................................53 3.2.4. Öùng duïng membrane trong laøm saïch vaø thu hoài phenolic töø taùo..............54 3.3. Öùng duïng kyõ thuaät membrane trong trích ly lipit töø thöïc vaät.........................54 4. Keát luaän...................................................................................................................56 Taøi lieäu tham khaûo. Trang 4 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 1. MÔÛ ÑAÀU Hieän nay, khi caùc ngaønh coâng nghieäp khoâng ngöøng taêng tröôûng vaø phaùt trieån do ñoù vaán ñeà caàn quan taâm laø vaán ñeà veà naêng löôïng vaø caùc vaán ñeà veà baûo veä, choáng oâ nhieãm moâi tröôøng, kyõ thuaät phaân rieâng baèng membrane ñaõ trôû thaønh giaûi phaùp hieäu quaû trong vieäc tieát kieäm naêng löôïng, ñoàng thôøi coù theå haïn cheá nhöõng bieán ñoåi laøm giaûm chaát löôïng baùn thaønh phaåm vaø thaønh phaåm cuõng nhö xöû lyù nöôùc thaûi coâng nghieäp ñoäc haïi hay thu hoài caùc caáu töû quí baèng kyõ thuaät ñieän thaåm tích Caùc hôïp chaát töø thöïc vaät nhö protein, lipit, hôïp chaát choáng oxi hoùa… coù vai troø quan troïng trong ngaønh coâng ngheä thöïc phaåm vaø caùc ngaønh coâng ngheä khaùc cuõng nhö nhu caàu soáng cuûa con ngöôøi. Vieäc trích ly caùc hôïp chaát töø thöïc vaät baèng phöông phaùp truyeàn thoáng ñaõ laøm cho caùc hôïp chaát naøy maát ñi nhieàu tính chaát chöùc naêng. Ñeå caûi thieän caùc tính chaát chöùc naêng cuûa caùc hôïp chaát naøy ngöôøi ta öùng duïng kyõ thuaät membrane ñeå trích ly. Kyõ thuaät membrane öu theá hôn kyõ thuaät truyeàn thoáng laø khoâng söû duïng hoùa chaát vaø xöû lí nhieät neân caùc saûn phaåm ít bò tính chaát. Caùc öùng duïng cuûa membrane giôø ñaây khoâng coøn bò boù heïp trong vieäc phaân rieâng caùc caáu töû haùo hoïc ôû quy moâ phoøng thí nghieäm maø ñöôïc môû roäng trong coâng nghieäp. Kyõ thuaät membrane ñöôïc xem laø moät trong nhöõng höôùng ñaàu tö muõi nhoïn vaø thieát yeáu trong töông lai thay theá daàn caùc kyõ thuaät truyeàn thoáng. ÔÛ nöôùc ta, vieäc nghieân cöùu vaø öùng duïng kyõ thuaät membrane coøn raát nhieàu haïn cheá. Chuùng ta chuû yeáu öùng duïng kyõ thuaät membrane ñeå xöû lyù nöôùc hoaëc aùp duïng ôû quy moâ thí nghieäm. Hieän taïi, soá löôïng coâng trình nghieân cöùu veà vieäc öùng duïng kyõ thuaät membrane trong saûn xuaát thöïc phaåm coøn khaù khieâm toán. Veà coâng ngheä cheá taïo thieát bò, nöôùc ta coøn haïn cheá trong coâng ngheä cuõng nhö trình ñoä kyõ thuaät, do ñoù lónh vöïc naøy chöa ñöôïc phaùt trieån taïi Vieät Nam. Muïc tieâu cuûa ñoà aùn naøy laø toång quan öùng duïng kyõ thuaät membrane trong trích ly caùc hôïp chaát töø thöïc vaät nhaèm bieát ñöôïc caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình membrane cuõng nhö chaát löôïng cuûa saûn phaåm. Trang 5 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 2. TOÅNG QUAN VEÀ KYÕ THUAÄT MEMBRANE 2.1 Khaùi nieäm veà membrane vaø phaân loaïi 2.1.1 Khaùi nieäm. “Membrane” laø thuaät ngöõ khoa hoïc coù nghóa laø “maøng” laø beà maët moûng cho pheùp moät soá caáu töû khueách taùn qua noù. Thuaät ngöõ “kyõ thuaät membrane” (membrane technology) baét ñaàu xuaát hieän töø khi con ngöôøi phaùt hieän khaû naêng baùn thaám cuûa caùc boä phaän noäi taïng cuûa ñoäng vaät nhö bong boùng caù, baøng quang lôïn….Sau ñoù, nhieàu loaïi membrane nhaân taïo ñaõ ra ñôøi vaø ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong kyõ thuaät phaân rieâng. Hieän nay, ñònh nghóa membrane nhö sau ñöôïc ña soá nhaø nghieân cöùu ñoàng yù: membrane laø loaïi maøng ñaëc bieät coù theå phaân rieâng moät caùch choïn loïc caùc caáu töû coù kích thöôùc khaùc nhau, töø nhöõng hôïp chaát cao phaân töû nhö tinh boät, protein cho ñeán caùc chaát coù kích thöôùc phaân töû thaáp nhö caùc ion hoùa trò moät. 2.1.2 Phaân loaïi Membrane coù theå ñöôïc phaân loaïi theo caùc caùch sau: Theo nguoàn goác Theo nguoàn goác, membrane ñöôïc chia thaønh 2 loaïi goàm: membrane töï nhieân vaø membrane toång hôïp.  Membrane töï nhieân Laø loaïi maøng ñöôïc cheá taïo töø caùc vaät lieäu coù trong töï nhieân, trong ñoù chuû yeáu laø cellulose.  Membrane toång hôïp Laø loaïi membrane ñöôïc cheá taïo töø caùc vaät lieäu toång hôïp. Membrane toång hôïp ñöôïc chia thaønh hai nhoùm chính:  Membrane höõu cô - organic (polymer cuûa caùc hôïp chaát höõu cô).  Membrane voâ cô - inorganic (ceramic hoaëc kim loaïi...). Trong ñoù, polymer (cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene polyamides, polysulfones,...) vaø ceramic (alumina, titania, and zirconia,...) ñöôïc söû duïng phoå bieán nhaát(Baker, 2000). Theo kích thöôùc loã mao quaûn Theo kích thöôùc loã mao quaûn, membrane ñöôïc chia thaønh 4 loaïi sau: maøng thaåm thaáu ngöôïc (RO - Reverse Osmosis), maøng loïc nano (NF - Nanofiltration), maøng sieâu loïc (UF - Ultrafiltration) vaø membrane vi loïc (MF - Microfiltration). Trang 6 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Baûng 2.1: Kích thöôùc loã mao quaûn cuûa moät soá loaïi membrane Loaïi membrane Kích thöôùc loã mao quaûn (nm) RO < 0,5 NF 1–2 UF 3 – 200 MF > 200 Nguoàn: Jorgen Wagner, Membrane Filtration Handbook, Osmonics Inc., USA, 2001 Theo caáu truùc membrane Theo caáu truùc, membrane ñöôïc chia thaønh caùc loaïi sau:  Membrane coù caáu truùc vi xoáp: döïa vaøo kích thöôùc vaø söï phaân boá caùc mao quaûn trong membrane, ngöôøi ta chia ra laøm hai loaïi sau: Hình 2.1. Caáu truùc beà maët membrane vi xoáp  Ñaúng höôùng (symmetric, isotropic) Caáu truùc cuûa loaïi membrane naøy coù voâ soá caùc loã xoáp beân trong döôùi daïng mao quaûn hoaëc caùc loã hoång ñöôïc hình thaønh moät caùch ngaãu nhieân. Ñöôøng kính cuûa mao quaûn oån ñònh trong suoát chieàu daøy cuûa membrane, caùc mao quaûn naøy song song vôùi nhau. Membrane vi xoáp cheá taïo baèng moät soá kyõ thuaät nhö: nung keát, keùo caêng, ñaûo Trang 7 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane pha,… töø nhieàu loaïi vaät lieäu khaùc nhau nhö ceramic, graphite, kim loaïi, oxit kim loaïi hoaëc caùc loaïi polymer. Hình 2.2. Caáu truùc membrane vi xoáp ñaúng höôùng  Baát ñaúng höôùng (asymmetric, anisotropic) Loaïi naøy coù ñöôøng kính mao quaûn thay ñoåi theo chieàu daøy cuûa membrane, thöôøng coù 2 lôùp: lôùp treân daøy 0,1 – 0,5µm, ñöôøng kính mao quaûn nhoû vaø lôùp naøy quyeát ñònh khaû naêng phaân rieâng cuûa maøng; lôùp döôùi daøy 100 - 200 µm, ñöôøng kính mao quaûn lôùn, thöôøng ñoùng vai troø laø khung ñôõ, vì theá caàn coù tính beàn cô cao. Membrane loaïi naøy thöôøng ñöôïc söûû duïng trong kyõ thuaät nano, kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc, tinh saïch khí,... Hình 2.3. Caáu truùc membrane vi xoáp baát ñaúng höôùng Trang 8 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Baûng 2.2: Tính chaát vaø öùng duïng cuûa moät soá loaïi membrane vi xoáp Kích thöôùc loã ÖÙng duïng mao quaûn (m) 0,1 - 20 Vi loïc 0,5 – 10 Vi loïc 0,5 - 10 Vi loïc 0,02 - 10 Vi loïc 0,01 - 5 Vi loïc, sieâu loïc Vaät lieäu Ceramic, kim loaïi Polyethylene (PE) Polytetrafluoroethylene (PTFE) Polycarbonate (PC) Cellulose nitrate (CN), Cellulose acetate(CA) Nguoàn: Mark C. Porter, Handbook of Industrial Membrane Technology, Noyes Publication, USA, 1990.  Membrane ñoàng theå daïng loûng (Homogeneous liquid Membrane) Membrane daïng loûng laø moät lôùp chaát loûng raát moûng. Khoù khaên nhaát ñoái vôùi loaïi membrane naøy laø duy trì lôùp maøng oån ñònh veà maët caáu truùc cuõng nhö ñaëc tính cuûa noù. Ñeå traùnh söï phaù vôõ caáu truùc cuûa membrane trong quaù trình phaân rieâng, hieän nay hai kyõ thuaät thöôøng ñöôïc duøng laø söû duïng caùc chaát nhuõ hoùa hoaëc duøng vaät lieäu polymer coù caáu truùc vi xoáp vôùi ñoä beàn cô cao ñeå chöùa chaát loûng beân trong. Membrane daïng loûng thöôøng duøng ñeå taùch caùc ion kim loaïi naëng, caùc chaát voâ cô töø nöôùc thaûi coâng nghieäp.  Membrane trao ñoåi ion (Ionic Membrane) Membrane trao ñoåi ion laø membrane maø treân beà maët coù nhieàu ñieän tích aâm hoaëc döông.. Coù hai loaïi membrane trao ñoåi ion  Membrane trao ñoåi ion döông  Membrane trao ñoåi ion aâm. Hai loaïi membrane naøy seõ haáp thu caùc ion coù ñieän tích traùi daáu (counter-ion) so vôùi caùc ion treân beà maët membrane (co-ion) vaø khoâng cho caùc ion naøy ñi qua. Söï phaân rieâng baèng membrane trao ñoåi ion ñaït ñöôïc chuû yeáu do quaù trình taùch nhöõng ion tích ñieän traùi daáu vôùi membrane hôn laø do kích thöôùc loã mao quaûn. Söï phaân rieâng naøy bò aûnh höôûng bôûi ñieän tích vaø noàng ñoä cuûa nhöõng ion trong dung dòch. Membrane trao ñoåi ion thöôøng ñöôïc duøng trong kyõ thuaät ñieän thaåm tích. 2.1.3 Vaät lieäu cheá taïo membrane. Cellulose Acetate (CA) Cellulose acetate (CA) laø vaät lieäu ñöôïc söû duïng Trang 9 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane cheá taïo vaø öùng duïng ñaàu tieân trong caùc kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc, loïc nano vaø sieâu loïc.  Nhöôïc ñieåm vaät lieäu naøy laø keùm beàn ñoái vôùi nhieät ñoä, pH vaø coù theå bò phaù huûy bôûi vi sinh vaät.  Tuy nhieân, 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 Polyvinylidenedifluoride (PVDF) Polyvinylidenedifluoride (PVDF) laø loaïi vaät lieäu membrane truyeàn thoáng. Tuy nhieân, kyõ thuaät cheá taïo membrane töø vaät lieäu naøy raát khoù khaên vaø caùc tính chaát, caáu truùc cuûa membrane keùm oån ñònh neân ít ñöôïc söû duïng.   CH 2  CF2  n Polysulfone (PS) Polysulfone laø loaïi vaät lieäu ñöôïc söû duïng nhieàu trong kyõ thuaät sieâu loïc vaø vi loïc. Öu ñieåm coù khaû naêng chòu ñöôïc pH vaø nhieät ñoä cao. Loaïi vaät lieäu naøy 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. Caùc vaät lieäu khaùc - Ceramic: caùc membrane ñöôïc cheá taïo baèng caùc vaät lieäu ceramic thöôøng coù caáu taïo daïng oáng 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.  Nhöng beân caïnh ñoù 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,... Trang 10 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Baûng 2.3: Ñoä beàn hoùa cuûa moät soá vaät lieäu membrane Caùc taùc nhaân 3 < pH <8 Composite  CA  PSO  PVDF  SiO2  Cellulose  pH < 3 hoaëc pH > 8  x     Nhieät ñoä > 35 oC  x     Protein  ()  ()   () x  X  x Hydrocacbon öa beùo x x x ()   Chaát thôm x x x   () Chaát oxi hoaù x ()    () Ketone, ester x x x   () Röôïu  x     Polysaccharide Chuù thích: - : ñoä beàn hoùa cao - (): chöa ñöôïc xaùc ñònh roõ - x : ñoä beàn hoùa thaáp (Nguoàn: Jorgen Wagner, Membrane Filtration Handbook, Osmonics Inc., USA, 2000) Trang 11 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Baûng 2.4: Caùc vaät lieäu söû duïng ñeå cheá taïo membrane Vaät lieäu Nhoâm Carbon-carbon composites Cellulose ester Cellulose nitrate Polyamide, aliphatic (nylon) Polycarbonate Polyester Polypropylene Polytetrafluoroethylene (PTFE) Polyvinyl cloride (PVC) Polyvinylidene flouride (PVDF) Cellulose Ceramic composites Polyacrylonitrile (PAN) Polyvinyl alcohol (PVA) Polysulfone (PS) Polyethersulfone (PES) Cellulose acetate (CA) Cellulose triacetate (CTA) Polyamide, aromatic (PA) Polyimide (PI) Hoãn hôïp CA/CTA Composites, polymeric thin film (PA hay polyetherurea treân polysulfone) Polyetherimide (PEI) MF X X X X X X X X X X X X X X X X X X X UF X X X X X X X X X RO X X X X X X X X (Nguoàn: Munir Cheryan, Ph.D. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic publishing co., inc.) Trang 12 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 2.2 Caùc kyõ thuaät membrane Hình 2.4. Kích thöôùc mao quaûn vaø aùp suaát öùng vôùi caùc kyõ thuaät membrane 2.2.1 Kyõ thuaät vi loïc - MF (Microfiltration) Membrane vi loïc vôùi ñöôøng kính  m mao daãn 0,01-2 seõ giöõ laïi caùc caáu töû lô löûng coù kích thöôùc raát nhoû nhö caùc teá baøo vi sinh vaät. Coù aùp suaát laøm vieäc 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,…) 2.2.2 Kyõ thuaät sieâu loïc - UF (Ultrafiltration) Trang 13 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 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. 2.2.3 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. 2.2.4 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 2.5. Moâ hình kyõ thuaät thaåm thaáu ngöôïc (RO) Baûng 2.5: Ñaëc tính cuûa caùc quaù trình membrane So saùnh 4 quaù trình membrane Nanofiltration Ultrafiltration Membrane Reverse Osmosis Baát ñoái xöùng Baát ñoái xöùng Baát ñoái xöùng Beà daøy 150µm 150µm 150-250µm Trang 14 Microfiltratio n Baát ñoái xöùng Ñoái xöùng 10-150µm Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Lôùp film Kích thöôùc loã Vaät lieäu 1µm < 0.002µm CA Lôùp moûng 1µm < 0.002µm CA Lôùp moûng Khaû naêng taùch HMWC, LMWC NaCl, glucose, Aminoacids HMWC Mono-,di vaø oligosaccharide Ion ña hoùa trò Moâ hình Daïng oáng Daïng cuoän xoaén Daïng taám baûn Daïng oáng Daïng cuoän xoaén Daïng taám baûn 1µm 0.2 - 0.02µm Ceramic PSO, PVDF, CA Lôùp moûng Chaát coù phaân töû löôïng lôùn, protein, polysaccharide, virus Daïng oáng Daïng cuoän xoaén Daïng taám baûn Daïng sôïi roãng 4 – 0.02µm Ceramic PP, PSO, PVDF Phaân töû lôùn, caùc haït raén, vi khuaån Daïng oáng Daïng sôïi roãng Aùp suaát quaù 15 – 150 Bar 5 – 35 Bar 1- 10 Bar < 2 Bar trình (Nguoàn: Munir Cheryan, Ph.D. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic publishing co., inc, 1998) 2.3 Caùc daïng thieát bò. 2.3.1 Moâ hình oáng (Tubular module) Thieát bò laø hai oáng hình truï ñoàng truïc baèng theùp khoâng ræ, ñöôøng kính khaùc nhau vaø ñöôïc ñaët loàng vaøo nhau. Oáng hình truï beân trong coù thaân ñöôïc ñuïc loã. Moät membrane daïng taám ñöôïc cuoän troøn laïi ñeå taïo thaønh hình oáng vaø ñöôïc loàng eùp saùt vaøo thaønh beân trong cuûa oáng hình truï coù ñöôøng kính nhoû Khi hoaït ñoäng doøng nhaäp lieäu ñöôïc bôm vaøo moät ñaàu cuûa thieát bò vaø ñöôïc phaân phoái vaøo beân trong caùc oáng truï nhoû.Doøng retentate seõ thoaùt taïi ñaàu beân kia cuûa oáng hình truï naøy. Coøn doøng permeate seõ chui qua caùc mao quaûn cuûa membrane vaø thoaùt ra thaønh beân ngoaøi cuûa oáng hình truï nhoû roài theo ñöôøng daãn ñeå ra beân ngoaøi thieát bò. Ñeå taêng dieän tích beà maët phaân rieâng trong thieát bò, ngöôøi ta coù theå laép ñaët moät chuøm oáng hình truï ñöôøng kính nhoû ñöôïc quaán membrane beân trong thaân roài ñaët song song nhau vaøo ôû beân trong thaân ñöôøng lôùn. 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. Ngoaøi ra, ngöôøi ta cuõng coù theå chia oáng hình truï thaønh nhieàu khoang. Dung dòch nguyeân lieäu seõ ñöôïc bôm vaøo trong caùc khoang naøy theo nguyeân taéc noái tieáp hoaëc song song nhau. Trang 15 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Membrane daïng oáng coù nhöõng öu, nhöôïc ñieåm chung nhö:  Öu ñieåm - Deã taïo doøng chaûy roái trong quaù trình vaän haønh neân coù theå haïn cheá ñöôïc hieän töôïng taäp trung noàng ñoä, deã veä sinh thieát bò vaø thay theá membrane khaù ñôn giaûn vaø deã thöïc hieän  Nhöôïc ñieåm - Thieát bò khaù coàng keành vaø chieám nhieàu dieän tích nhaø xöôûng. Ngoaøi ra, toác ñoä doøng nhaäp lieäu khi ñi vaøo thieát bò seõ bò giaûm daàn neáu chieàu cao cuûa thieát bò khaù lôùn, giaù thaønh cao. Hình 2.6. Moâ hình membrane daïng oáng 2.3.2 M embrane daïng khung baûn (Plate and Frame Module) Moãi ñôn vò caáu taïo neân moâ hình baûng bao goàm moät taám ñôõ ñöôïc laøm baèng vaät lieäu xoáp vaø hai taám membrane ñöôïc eùp saùt vaøo hai beân taám ñôõ. Beà maët hoaït ñoäng cuûa hai taám membrane ñeàu ñöôïc quay ra beân ngoaøi. 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. 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 Trang 16 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 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 kòp thôøi membrane naøo bò hö hoûng trong quaù trình vaän haønh ñeå thay theá. Tuy nhieân moâ hình naøy cuõng chieám dieän tích nhaø xöôûng khaù lôùn Hình 2.7. Moâ hình membrane daïng khung baûn 2.3.3 Membrane daïng cuoän xoaén (Spiral Wound Module) Thieát bò goàm hai hình truï ñoàng truïc nhöng coù ñöôøng kính khaùc nhau vaø ñöôïc loàng vaøo nhau. Chuùng ñöôïc cheá taïo baèng theùp khoâng ræ. Oáng hình truï ñöôøng kính nhoû ñöôïc ñuïc loã treân thaân vaø laø nôi taäp trung caùc caáu töû cuûa doøng permeate. Khoaûng khoâng gian ñöôïc giôùi haïn bôûi maët ngoaøi thaân truï ñöôøng kính nhoû vaø maët trong thaân truï ñöôøng kính lôùn laø moät taám ñeäm xoáp ñöôïc cuoän theo hình xoaén oác. Taám ñeäm naøy ñöôïc laøm baèng vaät lieäu polypropylene. Hai beân taám ñeäm laø hai taám membrane vôùi beà maët hoaït ñoäng ñeàu ñöôïc quay ra höôùng ngoaøi. Dung dòch nguyeân lieäu seõ ñöôïc bôm vaøo taïi moät ñaàu thaân truï vaø di chuyeån theo thaân truï bôûi moät keânh daãn coù tieát dieän 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 ñöôøng kính nhoû. Töø oáng hình truï ñöôøng kính nhoû, doøng permeate seõ ñöôïc taäp trung thoaùt ra khoûi thieát bò. Trang 17 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 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. Ngöôøi ta coù theå choïn cheá ñoä chaûy roái hoaëc chaûy doøng tuy theo tính chaát cuûa nguyeân lieäu caàn phaân rieâng. 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 2.8. Moâ hình cuûa membrane daïng cuoän xoaén 2.3.4 Membrane daïng sôïi roãng (Hollow fiber module) Trang 18 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 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 ñöôïc xeáp song song vôùi nhau. 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, dung dòch 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 2.9. Membrane daïng sôïi roãng Trang 19 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Baûng 2.6: So saùnh öu vaø nhöôïc ñieåm cuûa moät soá daïng membrane Daïng membrane Daïng oáng (tubular module) Daïng khung baûn (plate & frame module) Daïng cuoän xoaén (spiral wound module) Daïng sôïi roãng (hollow fiber module) Öu ñieåm Ñôn giaûn, deã vaän haønh. - Phuø hôïp vôùi caùc dung dòch huyeàn phuø noàng ñoä cao. - Thích hôïp cho phoøng thí nghieäm. - Tính linh ñoäng cao. - Deã laép ñaët, söûa chöõa. - Phuø hôïp vôùi kyõ thuaät MF, NF, RO. - Giaù thaønh reû. - Theå tích nhoû. cao. - Deã cheá taïo. Theå tích thieát bò nhoû. Giaù thaønh reû. Trang 20 Nhöôïc ñieåm Söûa chöõa khoù khaên. Theå tích lôùn. Giaù thaønh cao. Theå tích lôùn. Giaù thaønh cao. Tính linh ñoäng khoâng - Deã bò fouling. - Khi vaøi sôïi bò hoûng, phaûi thay toaøn boä membrane. Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane 2.4 Ñoäng hoïc cuûa quaù trình membrane 2.4.1 Caùc moâ hình trong kyõ thuaät membrane Trong kyõ thuaät membrane, coù hai loaïi moâ hình ñöôïc aùp duïng laø Dead-end (Deadend separation) vaø Cross-flow (Cross-flow separation). Hình 2.12. Moâ hình dead-end vaø Cross-flow  Moâ hình Deadend (Deadend 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. Trang 21 Tổng quan về öùng duïng kỹ thuật membrane Hình 2.13. 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. Hìn h 2.14. Moâ hình CrossFlow (CrossFlow Separation) 2.4.2 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: p Pf  Pr  Pp 2 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: Trang 22