BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TS. Trần Lệ Thu (GVHD)
BÁO CÁO
ĐỒ ÁN KỸ THÂ-̣T THỰC PHẨM
ĐỀ TÀI
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
LỌC NƯỚC RO CÔNG SÂẤT 1000KG/H
(Hệ: Đại học)
1.
2.
Tên sinh viên
Nguyễn Phạm Cẩm Tiên
Bùi Thị Thu Sen
Lớp
05DHTP4
05DHTP2
Mã sinh viên
2005140609
2005140474
Thành phố Hồ Chí Minh – 2017
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Tp. Hồồ Chí Minh
Khoa: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
ĐÔỒ ÁN
MÔN HỌC: KỸỸ THUẬT THỰC PHẨM - Mã sồố:……………
Họ và tên sinh viên:
1. Bùi Thị Thu Sen
MSSV 2005140474
2. Nguyễn Phạm Cẩm Tiên
MSSV 2005140609
Lớp: 05DHTP2-05DHTP4
Ngành Công nghệ thực phẩm
I. Đầu đề đồ n ( Tên đồ n )
Tính toán và thiết kế hệ thống lọc nước RO công suất 1000 kg/h
II. Nhiệm vụ đồ n ( nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu ):
- Tìm hiểu các thiết bị lọc Membrane
- Tính toán và thiết kế hệ thống lọc RO công suất 1000kg/h
- Các thông số ban đầu tự chọn
III. Nội dung c c phần thuyết minh tính to n:
- Tổng quan về thiết bị chính
- Tính toán và bố trí thiết bị
- Các thông số ban đầu và tiêu chuẩn lựa chọn
- Sơ đồ công nghệ và giải thích công nghệ
- Tính toán cho thiết bị chính
-Sơ đồ thiết bị và giải thích thiết bị
- Sơ đồ bố trí mặt bằng và diễn giải
-Bảng dự trù thiết bị
2
IV.C c bản vẽ và đồ thị ( loại và kích thước bản vẽ ):
-
Bản vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị (A1)
-
Bản vẽ cấu tạo thiết bị chính (A1)
V. Ngày giao đồ n: 1/7/2017
VI. Ngày hoàn thành đồ n: 15/09/2017
VII. Ngày nộp đồ n: 26/9/2017
TpHCM ngày…….tháng …….năm 2017
TRƯỞNG BỘ MÔN KTTP
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
C n Bộ hướng dẫn. Nhận xét (CBHD ghi rõ đồ án được bảo vệ hay không)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
………
Điểm:………………………………
Chữ ký: ………………………………..
C n Bộ chấm hay Hội Đồng bảo vệ. Nhận xét:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
……………
Điểm:………………………………
Chữ ký: ………………………………..
Điểm tổng kết:……………………………
3
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐƠN VỊ : KHOA CNTP – BÔ MÔN KỸ THÂẬT THỰC PHẨM
PHIẾÂ THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN
MÔN HỌC: KỸ THÂẬT THỰC PHẨM
Sinh viên thực hiện đồ n: Bùi Thị Thu Sen
Nguyễn Phạm Cẩm Tiên
Ký tên:………………
Ký tên:………………
C n Bộ hướng dẫn: Trần Lệ Thu
Tên đồ n:
Tính toán và thiết kế hệ thống lọc nước RO công suất 1000 kg/h
STT
Ngày
Nội dung hướng dẫn
01
02
03
04
04
06
07
08
09
10
11
12
13
14
4
CBHD ký tên
MỤC LỤC
PHẦẦN 1. TỔNG QUAN........................................................................................................7
1.1. Cơ sở lý thuyếết thiếết bị chính...........................................................................7
1.1.1. Khái niệm vếề membrane và phân loại...................................................7
1.1.2. Các kyỹ thuật membrane...........................................................................11
1.1.3. Động học của quá trình membrane.....................................................17
1.2. Các yếếu tốế ảnh hưởng đếến quá trình chính..............................................23
1.2.1. Đặc tính của membrane..........................................................................23
1.2.2. Đặc tính của nguyến liệu.........................................................................25
1.2.3. Các thống sốế kyỹ thuật của quá trình....................................................27
1.3. Các thiếết bị và mố tả đặc tính của từng thiếết bị.....................................28
1.3.1. Mố hình ốếng (Tubular module).............................................................28
1.3.2. Membrane dạng khung bản (Plate and Frame Module)..............29
1.3.3. Membrane dạng cuộn xoắến (Spiral Wound Module)....................30
1.3.4. Membrane dạng sợi rốỹng (Hollow fiber module)...........................31
1.4. Các hãng có thiếết bị tương ứng.....................................................................34
1.5. Ứng dụng trong chếế biếến thực phẩm.........................................................34
1.6. Các tài liệu tham khảo và website...............................................................36
PHẦẦN 2. TÍNH TOÁN VÀ BỐỐ TRÍ THIẾỐT BỊ...............................................................37
2.1. Các thống sốế ban đâều và lựa chọn tiếu chu ẩn..........................................37
2.2. Sơ đốề cống nghệ và giải thích cống nghệ..................................................42
2.3. Tính toán cho thiếết bị chính...........................................................................43
2.3.1. Lưu lượng câền lâếy mốỹi ngày...................................................................43
2.3.2. Tính bơm.......................................................................................................44
2.3.3. Hệ thốếng lọc RO..........................................................................................46
a. Lựa chọn màng lọc............................................................................................46
b. Tính toán sốế element câền sử dụng..............................................................48
d. Điếều kiện hoạt động tốếi ưu cho hệ thốếng RO..........................................51
2.3.4. Khử trùng nước bắềng Clo........................................................................52
2.4. Sơ đốề thiếết bị và giải thích thiếết bị..............................................................54
2.5. Sơ đốề bốế trí mặt bắềng và diếỹn giải...............................................................55
5
2.6. Bảng dự trù các thiếết bị...................................................................................56
2.7. Tài liệu tham khảo............................................................................................57
PHỤ LỤC 1: CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................58
PHỤ LỤC 2: BẢN VẼẼ THIẾỐT BỊ CHÍNH.......................................................................59
6
PHẦN 1.
1.1.
TỔNG QÂAN
Cơ sở lý thuyết thiết bị chính
Phương pháp phân riêng bằng membrane hay còn gọi phương pháp lọc màng
cho phép chúng ta 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. Phương pháp phân riêng bằng membrane có một số điểm tương tự như
phương pháp lọc. Membrane đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử. Tuy
nhiên, áp suất là động lực duy nhất trong kỹ thuật membrane.
-
Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate.
-
Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate.
Hình 1.1.1: Phân riêng bằng phương pháp sử dụng membrane
1.1.1. Kh i niệm về membrane và phân loại
a. Khái niệm
“Membrane” là thuật ngữ khoa học có nghĩa là “màng” là bề mặt mỏng cho
phép một số cấu tử khuếch tán qua nó. Thuật ngữ “Kỹ thuật membrane” bắt đầu xuất
hiện từ khi con người phát hiện khả năng bán thấm của các bộ phận nội tạng của động
vật như bong bóng cá, bàng quang lợn... sau đó, nhiều loại membrane nhân tạo đã ra
đời và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật phân riêng.
b. Phân loại
Membrane có thể được phân loại theo các cách sau:
Theo nguồn gốc
7
Theo nguồn gốc, membrane được chia thành 2 loại gồm: membrane tự nhiên và
membrane tổng hợp.
Membrane tự nhiên: là loại màng được chế tạo từ các vật liệu có trong tự
nhiên, trong đó chủ yếu là cellulose.
Membrane tổng hợp: là loại membrane được chế tạo từ các vật liệu tổng
hợp, được chia thành hai nhóm chính:
-
Membrane hữu cơ – organic (polymer của các hợp chất hữu cơ)
-
Membrane vô cơ – inorganic (ceramic hoặc kim loại...)
Trong đó, polymer (cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene
polyamides, polysulfones,...) và ceramic (alumina, titania and zirconia,...) được sử
dụng phổ biến nhất (Baker, 2000).
Theo kích thước lỗ mao quản
Theo kích thước lỗ mao quản, membrane được chia thành 4 loại sau: màng vi
lọc – MF ( Micro Filtration), màng siêu lọc – UF ( Ultra Filtration), màng lọc nano –
NF ( Nano Filtration), màng thẩm thấu ngược – RO ( Reverse Osmosis).
Bảng 1.1.1.1: Kích thước lỗ mao quản của một số loại membrane
Loại membrane
RO
NF
UF
MF
Kích thước lỗ mao quản (nm)
<0,5
1-2
3–200
>200
Theo cấu trúc membrane
Membrane có cấu trúc vi xốp:
Dựa vào kích thước và sự phân bố các mao quản
trong membrane, người ta chia ra làm hai loại:
Hình 1.1.1.1: Cấu trúc membrane vi xốp
-
Đẳng hướng (symmetric, isotropic)
8
Cấu trúc của loại membrane này có vô số các 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 membrane, các mao quản này song song với
nhau. Membrane vi xốp chế tạo bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo
pha,... từ nhiều loại vật lệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại
hoặc các loại polymer.
Hình 1.1.1.2: Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng
-
Bất đẳng hướng (asymmetric, anisotropic)
Loại này có đường kính mao quản thay đổi theo chiều dày của membrane,
thường có 2 lớp: lớp trên dày 0,1 – 0,5 μm, đường kính mao quản nhỏ và lớp này
quyết định khả năng phân riêng của màng; lớp dưới dày 100 - 200 μm, đường kính mao
quản lớn, thường đóng vai trò là khung đỡ, vì thế cần có tính bền cao.
Membrane loại này thường được sử dụng trong kỹ thuật nano, kỹ thuật thẩm
thấu ngược, tinh sạch khí,...
Hình 1.1.1.3: Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng
Bảng 1.1.1.2: Tính chất và ứng dụng một số loại membrane vi xốp
9
Vật liệu
Ceramic, kim loại
Polyethylene (PE)
Polytetrafluoroethylene
Kích thước lỗ mao quản ( μm ¿
0,1 – 20
0,5 - 10
Ứng dụng
Vi lọc
Vi lọc
0,5 - 10
Vi lọc
0,02 - 10
Vi lọc
0,01 - 5
Vi lọc, siêu lọc
(PTFE)
Polycarbonate (PC)
Cellulose nitrate (CN),
Cellulose acetate (CA)
Membrane đồng thể dạng lỏng (Homogeneous liquid Membrane)
Membrane dạng lỏng là một lớp chất lỏng rất mỏng. khó khăn nhất đối với loại
membrane 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 membrane trong quá trình phân riêng, hiện nay hai kỹ
thuật thường được dùng là sử dụng các chất nhũ hóa hoặc dùng vật liệu polymer có
cấu trúc vi xốp với độ bền cơ cao đề chứa chất lỏng bên trong. Membrane dạng lỏng
thường dùng để tách các ion kim loại nặng các chất vô cơ từ nước thải công nghiệp.
Membrane trao đổi ion (Ionic Membrane)
Membrane trao đổi ion là membrane mà trên bề mặt có nhiều điện tích âm hoặc
dương. Có hai loại membrane trao đổi ion: membrane trao đổi ion dương, membrane
trao đổi ion âm.
Hai loại membrane này sẽ hấp thu các ion có điện tích trái dấu (counter-ion) so
với các ion trên bề mặt membrane (co-ion) và không cho các ion này đi qua. Sự phân
riêng bằng membrane trao đổi ion đạt được chủ yếu do quá trình tách những ion tích
điện trái dấu với membrane hơn là do kích thước lỗ mao quản. sự phân riêng này bị
ảnh hưởng bởi điện tích và nồng độ của những ion trong dung dịch. Membrane trao
đổi ion thường được dùng trong kỹ thuật điện thẩm tích.
1.1.2. C c kỹ thuật membrane
10
Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane rất đa dạng và được ứng dụng
trong rất nhiều ngành kỹ thuật khác nhau. Trong công nghiệp chế biến sữa, bốn quá
trình sau được sử dụng rất rộng rãi:
-
Vi lọc – MF ( Micro Filtration).
-
Siêu lọc – UF ( Ultra Filtration).
-
Lọc nano – NF ( Nano Filtration).
-
Thẩm thấu ngược – RO ( Reverse Osmosis).
Hình 1.1.2.1: Các kỹ thuật membrane
a. Kỹ thuật vi lọc – MF (Microfiltration)
Microfiltration (MF) hay còn gọi là vi lọc là quá trình lọc có khả năng tách các
phần tử có kích thước vài µm ra khỏi dòng thấm như : các vi khuẩn, vi sinh vật, các
11
chất lơ lững có kích thước nhỏ, các phân tử có phân tử lượng lớn, các hạt sơn trong
công nghệ sơn phun... Kích thước thông thường của các phần tử này là 0.1-10µm. Có
2 loại vi lọc phổ biến:
Lọc theo dòng chảy ngang (crossflow filtration): dòng lưu chất vận chuyển
song song với màng, áp suất làm cho một phần dòng lưu chất thấm qua bên kia màng
lọc, trong khi các phần tử có kích thước lớn hơn mao quản màng (lỗ màng) sẽ được
giữ lại và theo dòng đậm đặc ra ngoài.
Lọc theo dòng chảy vuông góc (dead-end filtration) : hầu hết lưu chất đều đi
qua màng và tất cả các phần tử rắn có kích thước lớn hơn lỗ màng sẽ bị giữ lại.
Hình
1.1.2.2:
Kỹ thuật
lọc MF
Hình 1.1.2.3: Lọc dòng vuông góc (a) và dòng ngang (b)
b. Kỹ thuật siêu lọc – UF (Ultrafiltration)
Ultrafiltration (UF) là quá trình sử dụng màng để phân tách dòng chất lỏng
hoặc loại các phần tử chất hoà tan có trong dòng. Về cơ bản UF không cho hiệu quả
cao như NF (nanofiltration) nhưng lại không đòi hỏi nhiều năng lượng như NF. UF có
khả năng loại trừ vi khuẩn, một vài loại protein, thuốc nhuộm và các cơ chất có phân
12
tử lượng lớn hơn 10.000 dalton và các hạt có kích thước từ 10-1000 A 0. UF rất hiệu
quả trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ.
Hình 1.1.2.4: Kỹ thuật lọc UF
c. Kỹ thuật lọc nano – NF (Nanofiltration)
Nanofiltration (NF) là quá trình sử dụng màng để tách dòng chất lỏng hoặc các
phân tử có trong dòng. Về cơ bản, NF không cho hiệu quả cao như RO (Reverse
osmosis) nhưng không tốn nhiều năng lượng như RO. NF có khả năng giữ các phân tử
đường, muối kim loại hoá trị II, vi khuẩn, proteins,…Hiệu quả NF chịu ảnh hưởng bởi
điện tích phân tử, các hạt có điện tích càng lớn càng dễ bị giữ lại. Màng lọc NF
thường làm bằng cellulose acetate hoặc polyarmide có khả năng loại trừ 95% muối
kim loại hoá trị II, 40% muối của kim loại hoá trị I và các hợp chất hữu cơ khối lượng
phân tử từ 300 trở lên.
13
Hình 1.1.2.5: Kỹ thuật lọc NF
d. Kỹ thuật thẩm thấu ngược – RO (Reverse Osmosis)
Hiện tượng thẩm thấu ngược RO (Reverse Omosis)
Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên. Nước bao giờ cũng chuyển dịch từ nơi
có nồng độ muối/ khoáng thấp đến nơi có nồng độ cao hơn. Quá trình diễn ra cho đến
khi nồng độ muối khoáng từ 2 nơi này cân bằng.
Để làm điều ngược lại (thẩm thấu ngược), người ta dùng một áp lực đủ để đẩy
ngược nước từ nơi có hàm lượng muối/ khoáng cao “thấm” qua một loại màng đặc
biệt để đến nơi không có hoặc có ít muối/ khoáng hơn.
Nước từ nơi sạch đến nơi có nồng độ muối
cao hơn
Áp suất cao đẩy nước qua màng, đến nơi tinh
khiết
Hình 1.1.2.6: Quá trình thẩm thấu tự nhiên và thẩm thấu ngược
Màng RO có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau như: Cellulose
Acetate, Aromatic Polyamide, Polymide hoặc màng TFC có những lỗ nhỏ tới 0.001
micron. Tất cả các màng này đều chịu áp suất cao nhưng khả năng chịu pH và
chlorine không giống nhau. Tốc độ dòng chảy qua màng bán thấm rất chậm nên cần
một diện tích màng lớn, do đó màng thường được quấn thành vòng xoắn hoặc quấn
tạo thành từng ống có đầu bịt phía cuối.
Với tốc độ và áp lực cực lớn, dòng nước chảy liên tục trên bề mặt của màng
RO. Một phần trong số những phân tử nước “chui” qua được những lỗ lọc. Các tạp
14
chất bị dòng nước cuốn trôi và “thải” bỏ ra ngoài. Với cách thức này, bề mặt của
màng RO liên tục được rửa sạch và có tuổi thọ tới 2 - 5 năm.
Màng lọc RO có khả năng loại trừ các loại vi sinh vật, khoáng chất, protein,
thuốc nhuộm và đặc biệt là các muối vô cơ. Các hợp chất này có phân tử lượng từ
150-250 daltons và kích thước từ 1-10 A 0. Các loại tạp chất không qua được lỗ lọc, bị
dòng nước rửa trôi trên bề mặt màng lọc và thải ra ngoài.
RO được ứng dụng sản xuất nước tinh khiết hoặc các dung môi hữu cơ như
ethanol, glycol. Các dung chất này có thể đi qua màng lọc trong khi các ion khác bị
giữ lại trên bề mặt màng RO phổ biến nhất là sử dụng dòng chảy ngang, phương pháp
này cho phép bề mặt màng luôn được làm sạch bởi dòng nước chảy ngang bề mặt, hạn
chế tích tụ cặn. Quá trình này đòi hỏi một đông lực khá lớn để chuyển nước đi qua bề
mặt màng, động lực này thường được tạo ra bởi các bơm cao áp. Áp lực tạo ra càng
cao thì động lực càng lớn, màng lọc sẽ bị nén chặt dẫn đến giảm độ thấm qua màng.
Khi nồng độ các dòng chất đưa vào càng cao thì đòi hỏi phải tạo ra động lực càng lớn.
Quá trình tách chất bởi RO được tăng thêm hiệu quả nhờ điện tích của chính
các ion. Điện tích ion càng lớn càng dễ bị màng giữ lại, chẳng hạn như các hợp chất
khoáng thì dễ bị loại trừ
ra khỏi dòng hơn so với
các hợp chất hữu cơ
không mang điện.
Hình 1.1.2.7: Kỹ thuật thẩm thấu ngược RO
Đặc điểm quy trình lọc RO
RO có thể xử lý hầu hết các nguồn nước, tuy nhiên khi độ mặn của nước nguồn
càng lớn thì hiệu quả xử lý càng thấp.
15
Sản lượng nước thu được có thể lên tới 70% đối với nước lợ. Công suất tiêu
biểu từ vài lít/ngày đến 20.000m3/ngày và có thể lắp đặt dây chuyền để đạt công suất
cần thiết.
Tổng chất rắn hòa tan đầu ra tiêu biểu (TDS) là 20mg/l đối với nước lợ.
Nhà máy vận hành ở nhiệt độ thường, áp suất khoảng 15-25 bar cho nước lợ.
Nếu áp suất vận hành càng lớn thì lưu lượng dòng thấm càng lớn, tỉ lệ dòng thấm
nước đầu vào có thể từ 15-80%.
Khi hàm lượng TDS càng cao làm cho áp suất thẩm thấu càng cao dẫn đến áp
suất vận hành càng cao làm tăng chi phí xử lý. Ngoài ra khi TDS lớn sẽ dễ gây nghẹt
màng và làm giảm tuổi thọ của màng. Do đó cần có hệ thống xử lý sơ bộ để loại TDS
trước khi dẫn dòng nước vào hệ thống RO.
Nhà máy RO chỉ đòi hỏi điện năng. Năng lượng tiêu thụ trung bình cho nước lợ
là 1-2.5kWh/m3.
Bảng 1.1.2.1: Đặc tính của các quá trình membrane
Reverse Osmosis
Nanofiltration
Ultrafiltration
Membrane
Bất đối xứng
Bất đối xứng
Bất đối xứng
Bề dày
Lớp film
Kích thước lỗ
150 μm
1 μm
< 0,002 μm
150 μm
1 μm
< 0,002 μm
CA
CA
150 - 250 μm
1 μm
0,2 – 0,02 μm
Ceramic
Lớp mỏng
Lớp mỏng
Dạng ống
Dạng ống
Dạng cuộn xoắn
Dạng cuộn xoắn
Dạng tấm bản
Dạng tấm bản
Vật liệu
Mô hình
HMWC, LMWC
Khả năng tách
NaCl, glucose,
aminoacids
Áp suất quá
15 – 150 Bar
Đối xứng
10 - 150 μm
4 – 0,02 μm
Ceramic
PSO, PVDF, CA
PP, PSO,
Lớp mỏng
Dạng ống
PVDF
Dạng cuộn xoắn
Dạng ống
Dạng tấm bản
Dạng sợi rỗng
HMWC
Dạng sợi rỗng
Chất có phân tử
Mono - di và
lượng lớn, protein,
oligosaccharide
polysaccharide,
Ion đa hóa trị
5 – 35 Bar
virus
1 – 10 Bar
16
Microfiltration
Bất đối xứng
Phân tử lớn,
các hạt rắn,
vi khuẩn
< 2 Bar
trình
1.1.3. Động học của qu trình membrane
a. Các mô hình trong kỹ thuật membrane
Trong kỹ thuật membrane, có hai loại mô hình được áp dụng là Dead-end
(Dead-end separation) và Cross-flow (Cross-flow separation)
Hình 1.1.3.1: Mô hình Dead-end và Cross-flow
Hình 1.1.3.2: Mô hình Dead-end và Cross-flow
Mô hình Dead-end (Dead-end Separation)
Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane,
dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy qua
membrane bởi áp suất. Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗ
mao quản sẽ bị giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane. Theo thời gian các
phần tử đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượng
17
dòng permeate giảm dần. Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệ
sinh membrane.
Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình này là: kỹ thuật vi lọc với lưu
lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) và vi
lọc với áp suất không đổi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop).
Trong kỹ thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không dổi, người ta phải thay đổi
áp lực đảm bảo lưu lượng dòng permeate ổn định trong khi trở lực lọc tăng dần.
Ngược lại, trong kỹ thuật vi lọc với áp suất không dổi, lưu lượng dòng permeate sẽ
giảm dần do trở lực lọc tăng dần theo thời gian. Đây là mô hình chỉ sử dụng trong các
phòng thí nghiệm dùng dể xử lý các dung dịch có thể tích nhỏ.
Hình 1.1.3.3: Mô hình Dead-end (Dead-end Separation)
Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)
Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặt
membrane. Dung môi và các phần tử có
kích thước và khối lượng phân tử thích
hợp sẽ đi qua membrane nhờ áp lực của
bơm và tạo thành dòng permeate, các
phần lử còn lại không đi được qua
membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo
thành dòng retentate, đồng thời dòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt
18
membrane. Vì vậy, mô hình này ít bị tắc nghẽn hơn so với mô hình Dead-end và có
thể hoạt động liên tục trong thời gian dài.
Hình 1.1.3.4: Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)
b. Động học của quá trình
Tôốc độ dòng permeate chịu ảnh hưởng bởi độ chênh lệch áp suấốt hiệu dụng
giữa hai bên bêề mặt membrane. Độ chênh lệch áp suấốt bêề mặt được quyêốt định bởi
2 yêốu tôố: độ chênh lệch áp suấốt giữa hai phía của membrane và độ chênh lệch áp
suấốt thẩm thấốu ở hai phía của membrane.
Độ chênh lệch áp suấốt giữa hai phía của membrane:
Theo P.J.Fellow, áp suấốt chênh lệch giữa 2 bên màng membrane được xác
định như sau:
P=
Pf + P r
−P p
2
Trong đó:
-
P: độ chênh lệch áp suấốt (Pa) qua màng.
-
Pf : áp suấốt (Pa) của dòng nhập liệu.
-
Pr : áp suấốt (Pa) của dòng retentate.
-
P p: áp suấốt (Pa) của dòng permeate.
Áp suấốt thẩm thấốu trong một dòng lưu chấốt được xác đ ịnh nh ư sau:
∏=
CRT
M
Trong đó:
-
∏: là áp suấốt thẩm thấốu (Pa)
-
C: nôềng độ của cấốu tử (mol/l)
-
R: hằềng sôố nhiệt dộng: 8.314 N.m/mol/oK
-
T: nhiệt độ dung dịch (°K)
19
-
M: khôối lượng phấn tử (g/mol). Khi là hôỗn hợp của nhiêều cấốu tử thì M
là khôối lượng phấn tử trung bình của tấốt cả các cấốu tử trong hôỗn h ợp.
Khi đó độ chênh lệch áp suấốt hiệu dụng qua màng được xác đ ịnh:
∆ P=P−(∏r−∏ p)
Trong đó:
-
∏r :là áp suấốt thẩm thấốu phía dòng retentate.
-
∏ p: áp suấốt thẩm thấốu phía dòng permeate.
Như vậy chúng ta thấốy rằềng, để dòng lưu chấốt có th ể chuy ển đ ộng t ừ phía
dòng retentate sang phía dòng permeate thì cấền phải tạo ra một áp lực tôối thi ểu
bằềng với độ chênh lệch áp suấốt thẩm thấốu giữa 2 phía membrane.
Bảng 1.1.3.1: Các quá trình lọc
Stt
1
2
3
4
5
6
7
8
Quá trình
Thẩm thấu
(osmosis)
Vi lọc
(microfiltration)
Siêu lọc
(ultrafiltration)
Lọc nano
(nanofiltration)
Thấm thấu ngược
Động lực
Thế năng hóa học
Sản phẩm
Sản phẩm
retantate
permeate
Nước, chất tan
Nước, phân tử nhỏ
Nước, cấu tử lơ
Áp lực
lửng
Áp lực
Áp lực
Áp lực
(reverse osmosis)
Thẩm tích
Chênh lệch nồng
(dialysis)
Điện thẩm tích
độ
Điện thế - dòng
(electrodialysis)
Tách cấu tử bay
điện
Áp lực
Nước, phân tử lớn
Nước, phân tử nhỏ
Nước, acid phân
Nước, ion đơn hóa
ly, muối hóa trị II,
trị, acid không
phân tử nhỏ
Nước, tất cả các
phân ly...
chất tan
hơi bằng
membrane
20
Nước, chất tan
Nước
Nước, phân tử lớn
Nước, phân tử nhỏ
Nước, chất tan
Nước, chất tan ion
không ion hóa
Nước, phân tử
hóa
Nước, phân tử nhỏ
không bay hơi
dễ bay hơi
- Xem thêm -