Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tách thu hồi thuốc nhuộm dư trong nước thải nhuộm bằng màng lọc và khả năng giảm thiểu fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn đi nghiên cứu tách thu hồi thuốc nhuộm dư trong nước thải nhuộm bằng màng lọc và khả năng giảm thiểu fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tách thu hồi thuốc nhuộm dư trong nước thải nhuộm bằng màng lọc và khả năng giảm thiểu fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ........................................ CÙ THỊ VÂN ANH NGHIÊN CỨU TÁCH THU HỒI THUỐC NHUỘM DƯ TRONG NƯỚC THẢI NHUỘM BẰNG MÀNG LỌC VÀ KHẢ NĂNG GIẢM THIỂU FOULING CHO QUÁ TRÌNH LỌC TÁCH THUỐC NHUỘM QUA MÀNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI, 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ........................................
LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Trần Thị Dung, người đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. ̀ ảm ơn các Thầy Cô và các anh chị công tác tại Phòng thí Tôi xin chân thanh c nghiệm Nghiên cứu màng lọc, Phòng thí nghiệm Hóa môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQGHN, đã động viên và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luân văn. ̣ Tôi cung xin chân thành c ̃ ảm ơn các anh chị, các bạn làm việc tại Trung tâm CETASD – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện luân văn này. ̣ Tôi xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2012 H ọc viên Cù Thị Vân Anh
MỤC LỤC 2.2.2. Xác định độ giảm năng suất lọc theo thời gian ................................................ 37 MỤC LỤC HÌNH 2.2.2. Xác định độ giảm năng suất lọc theo thời gian ................................................ 37 MỤC LỤC BẢNG 2.2.2. Xác định độ giảm năng suất lọc theo thời gian ................................................ 37
BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT AA: axit acrylic AFM: chụp phổ hiểm vi lực nguyên tử BOD: Nhu cầu oxy sinh hóa COD: Nhu cầu oxy hóa học DR: trực tiếp DS: phân tán FTIR – ATR: phổ hồng ngoại phản xạ ngoài MA: axit maleic MN: Màng nền PP: phương pháp SEM: chụp hiểm vi điện tử quét SS: song song TSS: Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng
MỞ ĐẦU Ngành dệt nhuộm đã có từ lâu đời vì nó gắn liền với một trong những nhu cầu cơ bản của con người là may mặc. Sản lượng dệt trên thế giới ngày càng tăng, không chỉ về chất lượng mà còn đa dạng về mẫu mã, màu sắc của sản phẩm. Ở Ấn Độ, hàng năm sản xuất khoảng trên 4000 triệu mét vải. Ở Việt nam, ngành công nghiệp dệt may đang trở thành một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, hàng năm sản xuất khoảng trên 2000 triệu mét vải và trong các năm tới sẽ còn tăng thêm. Tuy nhiên, một vấn đề luôn đi kèm theo qui mô sản xuất là vấn đề chất thải của ngành này, trong đó có nước thải. Nước thải phát sinh trong ngành công nghiệp dệt nhuộm xuất phát từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm... Nếu lượng nước thải này chỉ xử lý sơ bộ, sau đó xả ra môi trường sau mỗi chu trình thì không chỉ gây thiệt hại cho nguồn tài nguyên nước mà còn làm ô nhiễm môi trường nước và không tận dụng hết thuốc nhuộm còn tồn dư. Hiện nay, các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm đòi hỏi khá nhiều chi phí, kỹ thuật phức tạp mà hiệu quả không cao. Thành phần gây ô nhiễm chính trong nước thải dệt nhuộm là lượng thuốc nhuộm tồn dư trong dòng thải sau công đoạn nhuộm. Do đó, việc tách thu hồi thuốc nhuộm tồn dư ngay tại công đoạn phát sinh là một trong những giải pháp hữu ích để xử lý và giảm thiểu ô nhiễm nước thải dệt nhuộm. So với các phương pháp xử lý thông thường, ngoài mục đích tách thuốc nhuộm dư trong nước thải nhuộm, kỹ thuật lọc màng còn cho phép tái sử dụng lại dung dịch nhuộm và nước sạch sau khi đã tách thuốc nhuộm, đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm và đã được áp dụng ở một số nước. Ở nước ta, việc áp dụng kỹ thuật lọc màng trong xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề còn rất mới. Phương pháp tách bằng màng là một trong những kỹ thuật tách hiện đại và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong khoảng vài chục năm trở 1
lại đây, kỹ thuật lọc màng đã có những bước tiến bộ vượt bậc và được áp dụng rộng rãi ở qui mô công nghiệp cho nhiều mục đích khác nhau, như sản xuất nước sạch và siêu sạch, lọc hoá dầu, dược phẩm, thực phẩm, hoá chất, y tế, môi trường … Ưu điểm của phương pháp lọc bằng màng là có thể tách được các cấu tử có kích thước rất khác nhau, từ cỡ hạt tới cỡ ion mà không cần phải sử dụng thêm các hoá chất khác, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, là phương pháp tách hiện đại, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Trong luận văn này, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tách thu hồi thuốc nhuộm dư trong nước thải nhuộm bằng màng lọc và khả năng giảm thiểu fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng” Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu màng lọc, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2
CH ƯƠ NG 1. T Ổ NG QUAN 1.1. Nước thải dệt nhuộm và các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm 1.1.1. Công nghệ sản xuất và nguồn phát sinh nước thải Ngành dệt nhuộm là ngành công nghiệp có dây chuyền công nghệ sản xuất khá phức tạp với nhiều loại hình công nghệ khác nhau. Quá trình sản xuất sử dụng các nguồn nguyên liệu, hóa chất khác nhau để sản xuất các mặt hàng với mẫu mã, màu sắc, chủng loại rất đa dạng. Nguyên liệu chủ yếu là xơ bông, xơ nhân tạo để sản xuất các loại vải cotton và vải pha, ngoài ra còn dùng các nguyên liệu như lông thú, đay gai, tơ tằm … Thông thường công nghệ dệt nhuộm gồm ba quá trình cơ bản: Kéo sợi, dệt vải và xử lý (nấu tẩy), nhuộm và hoàn thiện vải. Các công đoạn chính gồm[1442]: Làm sạch nguyên liệu: Nguyên liệu bông thô chứa các sợi bông có kích thước khác nhau cùng với các tạp chất cơ học được đánh tung, làm sạch và trộn đều. Chải: Các sợi bông được chải song song và tạo thành các sợi thô. Kéo sợi, đánh ống, mắc sợi: Kéo sợi thô tại các máy sợi con để giảm kích thước sợi, tăng độ bền và quấn sợi vào các ống thích hợp. Sợi con trong các ống nhỏ được đánh ống thành các quả to để chuẩn bị dệt vải. Mắc sợi để chuẩn bị cho công đoạn hồ sợi. 3
Hồ sợi dọc: Hồ sợi bằng hồ tinh bột và tinh bột biến tính để tạo màng hồ bao quanh sợi, tăng độ bền, độ trơn và độ bóng của sợi. Ngoài ra còn dùng các loại hồ nhân tạo như polyvinylalcol PVA, polyacrylat … Dệt vải: Kết hợp sợi ngang và sợi dọc để hình thành tấm vải mộc. Giũ hồ: Tách các thành phần hồ bám trên vải mộc bằng enzim hoặc axit sunfuric 0.5%, sau đó giặt bằng nước, xà phòng, xút, chất ngấm rồi đưa sang nấu tẩy. Nấu vải: Loại trừ phần hồ còn lại và các tạp chất thiên nhiên của xơ sợi. Vải được nấu trong dung dịch kiềm và các chất tẩy giặt ở áp suất 2 đến 3 at, nhiệt độ 120 đến 1300C, sau đó vải được giặt nhiều lần. Làm bóng vải: Mục đích làm trương nở sợi cotton, xơ sợi trở nên xốp, thấm nước, bóng hơn, tăng khả năng bắt màu thuốc nhuộm. Thường dùng dung dịch NaOH nồng độ 300 ppm, nhiệt độ 100C đến 200C, sau đó vải được giặt nhiều lần. Tẩy trắng: Các chất tẩy thường dùng là NaClO2, NaOCl hoặc H2O2 cùng với các hóa chất phụ trợ khác. Nhuộm vải và hoàn thiện: Thường sử dụng các loại thuốc nhuộm tổng hợp và các hóa chất trợ nhuộm để tăng sự gắn màu của vải. Phần thuốc nhuộm dư không gắn vào vải sẽ đi vào nước thải. Tỷ lệ màu gắn vào sợi nằm trong khoảng 50 đến 98%, tùy thuộc vào công nghệ nhuộm, loại vải, độ màu yêu cầu … Để tăng hiệu quả quá trình nhuộm, các hóa chất được sử dụng là các loại axit H2SO4, CH3COOH, các muối sunfat natri, các chất cầm màu như syntephix, tinofix. Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất, trong đó lượng nước thải chủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn, và nước thải công đoạn giặt sau nhuộm chiếm từ 20 đến 60 % tổng lượng nước thải. 4
1.1.2. Đặc trưng nước thải dệt nhuộm và các tác động đến môi trường Vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong công nghiệp dệt nhuộm là ô nhiễm nước thải. Các chất thải trong nước thải dệt nhuộm bao gồm: Các thành phần nguyên liệu (tạp chất thiên nhiên, muối, dầu, mỡ trong bông và len, xơ sợi), hóa chất, thuốc nhuộm còn tồn dư sau khi hoàn thành công đoạn nhuộm, in hoa và chất thải của các công đoạn phụ trợ. Mức độ ô nhiễm nước thải phụ thuộc chủ yếu vào loại và lượng các hóa chất, chất trợ thuốc nhuộm sử dụng, phụ thuộc vào công nghệ và các máy móc thiết bị trong dây chuyền công nghệ áp dụng. Các chất gây ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm được chia thành ba nhóm chính gồm: * Các chất độc với vi sinh và tôm cá gồm xút, natricabonat, axit vô cơ, các chất khử vô cơ như natrisunfua và natrihidrosunfit, dung môi hữu cơ clo hóa, các dẫn xuất phenol và đi phenol, các hợp chất kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ hay dung môi. * Các chất khó phân giải vi sinh gồm phần lớn thuốc nhuộm và chất tăng trắng quang học, các chất tạo phứccàng hóa, nhũ hóa, làm mềm, các chất hồ sợi, các chất giặt vòng thơm, ankylenoxit dài hay mạch nhánh ankyl. * Các chất tương đối không độc và có thể phân giải vi sinh gồm xơ sợi và các tạp chất thiên nhiên của chúng, bột sắn không biến tính hóa học dùng để hồ sợi, các chất giặt ankyl mạch thẳng, axit axetic và axit fomic, muối trung tính nồng độ thấp. Các thông số đặc trưng cho tính chất nước thải dệtnhuộm gồm các thông số vật lý (nhiệt độ, pH, màu sắc, tổng lượng chất rắn lơ lửng, tổng lượng chất rắn hòa tan), các thông số sinh học, sinh thái (BOD, COD, tổng cacbon hữu cơ TOC, cacbon hữu cơ hòa tan DOC, kim loại nặng, halogen hữu cơ AOX) và các thông số hóa học (clo tự do trong nước, nito amoni, nito tổng, phosphor tổng, 5
sulfua, sulfite, sunfat, hidrocacbon tổng, các chất thơm, các chất hoạt động bề mặt..). Đặc tính nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải ngành dệt nhuộm được thể hiện trong bảng sau. Bảng 1.1. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính của nước thải ngành dệtnhuộm [14 ] Công đoạn Chất ô nhiễm trong nước thải Đặc tính của nước thải Hồ sợi, giũ Tinh bột, glucose, carboxy metyl xenlulo, BOD cao (34 đến 50 % hồ polyvinyl alcol, nhựa, chất béo và sáp tổng BOD) Nấu tẩy NaOH, chất sáp và dầu mỡ, tro, soda, Độ kiềm cao, màu tối, silicat natri và xơ sợi vụn BOD cao (30 % tổng BOD) Tẩy trắng Hypoclorit, hợp chất chứa clo, NaOH, Độ kiềm cao, chiếm 5 % AOX, axit … BOD Làm bóng NaOH, tạp chất Độ kiềm cao, BOD thấp (dưới 1% tổng BOD) Nhuộm Các loại thuốc nhuộm, axit axetic và các Độ màu rất cao, BOD khá muối kim loại cao, TS cao In Chất màu, tinh bột, dầu, đất sét, muối, Độ màu cao, BOD cao và kim loại, axit … dầu mỡ Hoàn thiện Vết tinh bột, mỡ động vật, muối Kiềm nhẹ, BOD thấp Trong các chất thải dệt nhuộm thì thuốc nhuộm là một trong những thành phần rất được quan tâm. Thuốc nhuộm đi vào nước thải do còn tồn dư sau khi hoàn tất công đoạn nhuộm. Các thuốc nhuộm thường có trong nước thải xưởng nhuộm ở nồng độ 1050 mppm. Tuy nhiên, tùy thuộc vào qui mô và công nghệ áp dụng, nồng độ thuốc nhuộm trong nước thải có thể cao hơn nhiều. Cho đến nay, việc xử lý thuốc nhuộm tồn dư trong nước thải dệt nhuộm vẫn là một thách thức đáng kể với ngành công nghiệp này. 1.1.3. Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu và xử lý nước thải dệt nhuộm 6
Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu ô nhiễm nước thải ngành dệt nhuộm có thể thực hiện trong quá trình sản xuất như: Giảm nhu cầu sử dụng nước bằng cách thường xuyên kiểm tra hệ thống nước cấp, tránh rò rỉ nước. Sử dụng công nghệ tẩy, nhuộm, giặt hợp lý. Tuần hoàn, sử dụng lại các dòng nước giặt ít ô nhiễm và nước làm nguội. Hạn chế sử dụng các hóa chất trợ, thuốc nhuộm ở dạng độc hay khó phân hủy sinh học. Giảm các chất gây ô nhiễm nước thải trong quá trình tẩy, giảm ô nhiễm kiềm trong nước thải từ công đoạn làm bóng. Thu hồi và sử dụng lại dung dịch hồ từ công đoạn hồ sợi và giũ hồ, phương pháp lọc màng dùng để thu hồi PVA được ứng dụng lần đầu tiên ở Mỹ năm 1974 và cho đến nay đã được áp dụng ở nhiều nước châu Âu. Sử dụng nhiều lần dịch nhuộm vừa tiết kiệm hóa chất, thuốc nhuộm và giảm được ô nhiễm môi trường. Các loại thuốc nhuộm cho phép sử dụng lại nhiều lần gồm: Thuốc nhuộm axit dùng cho len và polyamit, thuốc nhuộm bazo dùng cho polyacrylonitril, thuốc nhuộm trực tiếp cho mặt hàng bông, thuốc nhuộm phân tán cho sợi tổng hợp như polyester. Cho đến nay, việc thu hồi thuốc nhuộm từ dịch nhuộm bằng phương pháp lọc màng đã được thực hiện thành công ở một số nước để thu hồi thuốc nhuộm indigo từ quá trình nhuộm sợi bông. Sau khi nhuộm thì phần thuốc nhuộm không gắn vào sợi sẽ đi vào nước giặt với nồng độ 0,1 ppm. Để thu hồi thuốc nhuộm, dùng phương pháp lọc màng để nâng nồng độ thuốc nhuộm sau lọc lên 60 đến 80 ppm và có thể đưa vào bể nhuộm để sử dụng lại. Do đặc thù của công nghệ, nước thải ngành dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chất rắn, độ màu, BOD, COD cao. Việc lựa chọn phương pháp xử lý cần phải dựa vào nhiều yếu tố như lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêu chuẩn thải … Về nguyên lý, hiện có các phương pháp sau được áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm: 7
* Phương pháp đông keo tụ: Đây là phương pháp khá thông dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Trong phương pháp này người ta dùng phèn nhôm hoặc phèn sắt cùng với sữa vôi khử màu và một phần COD. Điều chỉnh pH thích hợp cho từng loại phèn và loại nước thải cần xử lý. Về nguyên tắc, trong hệ phản ứng có các bông hydroxit sắt hoặc nhôm sẽ hấp phụ các hợp chất màu và các chất khó phân hủy sinh học, lắng xuống tạo thành bùn. Phương pháp này ứng dụng để khử màu của nước thải và cho hiệu suất khá cao với thuốc nhuộm phân tán. Có thể áp dụng phương pháp keo tụ điện hóa để tăng sự tạo bông và áp dụng trên quy mô lớn. Để tăng sự tạo bông và trợ lắng người ta thường cho thêm các polime hữu cơ. Tuy nhiên phương pháp này tạo ra lượng lớn bùn (từ 0,5 đến 2,5 kg/1 m3 nước thải), bùn này sau đó phải tách nước và chôn lấp đặc biệt, nhưng COD chỉ giảm từ 60 đến 70%. * Phương pháp hấp phụ: Dùng để xử lý các chất thải không có khả năng phân hủy sinh học và các chất hữu cơ không hoặc khó xử lý bằng phương pháp sinh học, nước thải dệt nhuộm có thuốc nhuộm hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính. Cơ sở của quá trình là hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn xốp (chất hấp phụ). Các chất hấp phụ thường là than hoạt tính, than nâu, đất sét, cacbonat, magie, trong đó than hoạt tính có bề mặt riêng lớn từ 400 đến 500 m 2/g. Tuy nhiên phương pháp này cũng chỉ giảm tối đa 70% COD. * Phương pháp oxi hóa: Các chất nhuộm vải hầu hết đều là các chất bền hóa học nên phải dùng các chất oxi hóa mạnh. Nhiều kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi dùng ozon hoặc không khí có chứa hàm lượng ozon nhất định có khả năng khử màu tốt, đặc biệt cho nước thải có chứa thuốc nhuộm hoạt tính. Theo tài liệu cứ 1g thuốc nhuộm hoạt tính cần 0,5g O3. Tuy nhiên giá thành cho việc sản xuất ozon khá cao. Dùng khí clo là phương pháp kinh tế để khử màu nước thải dệt nhuộm. Xử lý vi sinh tiếp theo sẽ giảm đáng kể tải lượng COD và độ độc. Tuy nhiên, phương pháp này có bất lợi là sinh ra hợp chất clo hữu cơ, do đó làm tăng tổng lượng halogen hữu cơ AOX trong nước thải. Nếu dùng peroxit H2O2 8
trong môi trường axit với chất xúc tác muối sắt (II) thì gốc hydroxyl trung gian được tạo ra có thể có khả năng oxi hóa cao hơn cả ozon, tuy vậy phương pháp này cũng khá tốn kém. * Phương pháp sinh học: Mặc dù thuốc nhuộm hầu hết đều là các chất khó phân hủy nhưng trong thành phần nước thải dệt nhuộm cũng có chứa nhiều chất có thể phân hủy sinh học. Tuy nhiên trong nước thải dệt nhuộm có nhiều chất gây độc cho vi sinh vật như chất thải vô cơ, fomandehit, kim loại nặng.... và các chất khó phân hủy sinh học như chất tẩy giặt, hồ PVA.... cho nên trước khi đưa vào xử lý sinh học cần xử lý sơ bộ các chất gây độc, giảm tỷ lệ các chất khó phân hủy. Với phương pháp xử lý hiếu khí cần kiểm tra tỷ lệ theo chỉ tiêu BOD5 : N : P = 100:5:1. Do nước thải dệt nhuộm có chứa nito và photpho nên các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nên trộn cùng nước thải sinh hoạt để đưa vào xử lý sinh học. Các phương pháp sinh học thường dùng là phương pháp bùn hoạt tính, lọc sinh học, hồ oxy hóa hoặc kết hợp xử lý sinh học nhiều bậc. Các kết quả cho thấy nước sau xử lý không màu và hàm lượng chất rắn nhỏ song lượng bùn sinh khối tạo ra tương đối lớn. Như vậy sẽ kèm theo chi phí xử lý bùn và giá thành sẽ lại cao. Các nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các phương pháp như sinh hóa, hấp phụ, bùn lắng.... cũng không mang lại hiệu quả cao, chi phí tốn kém nhưng chỉ loại bỏ tối đa được khoảng 70% COD [41] * Phương pháp màng lọc: Phương pháp này đã được ứng dụng trong xử lý nước thải ngành dệt nhuộm với mục đích thu hồi các chất tái sử dụng lại như hồ tinh bột, PVA, thu hồi muối và thuốc nhuộm. Một số kết quả nghiên cứu về việc áp dụng kỹ thuật lọc màng NF và RO đã cho thấy phương pháp này khá hiệu quả, có thể giảm COD tới 99,5 % [41]. Việc áp dụng công nghệ màng có thể giảm lượng nước sạch tiêu tốn cho quá trình nhuộm vải tới 70%. Kỹ thuật lọc màng có thể áp dụng để xử lý nước thải nhuộm tốt hơn rất nhiều so với các phương pháp thông thường [9,17, 18, 26,28,37,46]. 9
1.2. Giới thiệu về màng lọc và các quá trình phân tách màng Màng lọc là một loại vật liệu được sử dụng trong quá trình tách một hỗn hợp đồng thể hay dị thể (lỏng – lỏng, lỏng – rắn, khí – rắn, khí – khí). Một cách khái quát, có thể coi màng là một lớp chắn có tính thấm chọn lọc đặt giữa hai pha – pha đi vào (feed) và pha thấm qua (filtrate). Trong quá trình tách, màng có khả năng lưu giữ được một số cấu tử trong hỗn hợp và cho các cấu tử khác đi qua. Quá trình vận chuyển chất qua màng được thực hiện một cách tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động lực giữa hai phía màng. Động lực của quá trình tách qua màng là chênh lệch áp suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch nhiệt độ hay chênh lệch điện trường. 1.2.1. Phân loại màng lọc Dựa vào bản chất, người ta chia màng thành hai loại: màng sinh học và màng tổng hợp. Đây là cách phân loại rõ ràng nhất vì hai loại màng này khác nhau hoàn toàn cả về cấu trúc và chức năng [27]. Một cách phân loại khác là dựa vào cấu trúc màng, đây cũng là một cách phân loại quan trọng vì cấu trúc màng quyết định cơ chế tách và phạm vi ứng dụng của màng. Trong phạm vi các màng tổng hợp rắn, người ta chia thành hai loại: màng đối xứng và màng bất đối xứng [28]. Màng đối xứng là loại màng có cấu trúc đồng nhất từ trên xuống dưới với hai mặt hoàn toàn như nhau (ví dụ như màng xenlophan, cuprophan). Độ dày của màng đối xứng (xốp hoặc không xốp) nằm trong khoảng từ 10 đến 200 μm, trở lực chuyển khối được quyết định bởi độ dày của toàn bộ màng, nếu giảm độ dày của màng thì sẽ làm tăng tốc độ thấm qua. Loại màng này thường được dùng trong các quá trình vi lọc để lọc các tiểu phân nhỏ hoặc hoặc dùng cho thẩm tách máu [4, 28]. Một bước đột phá trong các ứng dụng công nghiệp là sự phát triển của màng bất đối xứng. Loại màng này có cấu trúc gồm hai lớp: lớp thứ nhất là lớp 10
hoạt động rất mỏng (cỡ khoảng từ 0.1 đến 0.5 μm), lớp thứ hai là lớp đỡ xốp nằm ở dưới, lớp này dày hơn rất nhiều so với lớp hoạt động (cỡ khoảng 50 đến 150 μm). Kích thước lỗ của lớp hoạt động nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước lỗ của lớp đỡ. Trở lực chuyển khối của màng hoàn toàn do lớp hoạt động quyết định, lớp đỡ có tác dụng làm tăng độ bền cơ học của màng, giữ cho lớp hoạt động khỏi bị rách nhưng không ảnh hưởng tới việc vận chuyển dung môi và các chất qua màng. Do đó, loại màng này có năng suất lọc rất cao. Các lớp đỡ thường có cấu trúc xốp kiểu ngón tay hoặc kiểu tổ ong [1, 4, 28]. Với cấu trúc đặc biệt như vậy, màng bất đối xứng có hiệu quả tách cao, có độ bền cơ học tốt và được ứng dụng nhiều trong quá trình siêu lọc, lọc nano, tách khí, thẩm thấu ngược,… Tùy theo điều kiện chế tạo màng ta có thể thay đổi chiều dày và kích thước lỗ của lớp hoạt động cũng như cấu trúc xốp của lớp đỡ. Màng composite là một trường hợp đặc biệt của màng bất đối xứng, lớp hoạt động và lớp đỡ xốp của nó được làm từ hai loại vật liệu khác nhau, mỗi lớp có thể được chế tạo tối ưu hóa một cách độc lập. Loại màng này có hiệu quả tách rất cao, có tính năng cơ học và hóa học rất tốt [6, 28, 31]. 1.2.2. Module màng lọc Trong các ứng dụng lớn ở quy mô công nghiệp và bán công nghiệp, màng thường được sử dụng ở dạng module (bộ lọc), để tăng diện tích làm việc và công suất lọc[7, 28]. Module sợi rỗng 11
Hình 1.1. Module sợi rỗng Module sợi rỗng (hollow fibre) gồm những sợi rỗng rất nhỏ, có đường kính ngoài khoảng 80 μm và đường kính trong khoảng 40 μm. Lớp hoạt động nằm ở phía trong sợi. Loại màng này có thể chịu được áp suất cao. Module khung bản Hình 1.2. Module khung bản Module khung bản gồm nhiều tấm màng đặt song song nhau. Giữa các tấm có lớp đệm, dung dịch đi vào giữa hai tấm màng còn dung dịch thấm qua và dung dịch lưu giữ được dẫn ra ngoài theo các kênh khác nhau. Module cuộn Module cuộn là các tấm dài được cuộn quanh một lõi. Hai tấm màng dài được đặt song song ở giữa có lớp đệm xốp. Module cuộn có chiều dài từ 30 – 150 cm với đường kính từ 5 – 30 cm [7,9,28]. 12
Hình 1.3. Module cuộn 1.2.3. Mô hình dòng qua module và cách sắp xếp hệ thống module màng lọc Trong quá trình lọc màng, bao giờ cũng có tối thiểu 3 pha trong một module (bộ lọc) gôm pha đi vào, pha l ̀ ưu giữ và pha thấm qua. Sơ đồ mô tả các dòng (pha) đi qua một module màng lọc được đưa ra ở Hình 1.3. Module Pha đi vào Pha lưu giữ Pha thấm qua Hình 1.4. Sơ đồ dòng qua module màng lọc Trong phương pháp làm việc gián đoạn, một thể tích nhất định dung dịch được nén qua màng, theo thời gian nồng độ chất bị lưu giữ tăng dần trên bề mặt màng và năng suất lọc giảm dần. Sơ đồ mô tả quá trình được đưa ra ở hình 1.5. 13
Dung d ịch vào Dung d ịch t hấm qua Hình 1.5. Sơ đồ quá trình lọc gián đoạn Trong phương pháp làm việc liên tục, dung dịch vào được bơm liên tục qua module, sản phẩm (dung dịch thấm qua) được lấy ra liên tục. So với phương pháp gián đoạn, phương pháp này có chất lượng sản phẩm và năng suất lọc ổn định, mặt khác sẽ giảm được hiện tượng phân cực nồng độ và tắc màng. Dung dịch vào Dung dịch lưu giữ Dung dịch thấm qua Dung dịch vào Dung dịch l ưu gi ữ Dung dịch th ấm qua Dung dịch l ư u gi ữ Dung dịch vào Dung dịch t hấm qua Hình 1.6. Sơ đồ hệ lọc màng liên tục 14
1.2.4. Một số đặc tính của màng Mật độ lỗ Mật độ lỗ là số lỗ trên một đơn vị diện tích bề mặt. Màng công nghiệp thường có từ 108 – 109 lỗ/cm2. Tính chất này cũng phần nào đánh giá được độ xốp và lưu lượng lọc của màng. Các màng có cùng đường kính lỗ xốp thì màng nào có mật độ lỗ lớn sẽ có độ xốp cao hơn, lưu lượng lọc lớn hơn và ngược lại [4,7]. Độ thấm ướt Độ thấm ướt là một đặc trưng quan trọng của màng. Màng lọc dễ thấm ướt bởi dung dịch cần lọc thì quá trình lọc xảy ra dễ dàng hơn so với màng lọc không thấm ướt bởi dung dịch cần lọc [2,4,7]. Độ xốp của màng Độ xốp của màng là thể tích lỗ trống không bị chiếm bởi vật liệu màng trên tổng thể tích của màng. Độ xốp được quyết định bởi kích thước lỗ và mật độ lỗ xốp [2,4,6,7]. Chiều dày màng Chiều dày màng là một đặc trưng quan trọng và được khống chế khi chế tạo. Màng càng dày thì trở lực của màng càng lớn và năng suất lọc của màng bị giảm nhưng màng sẽ bền hơn, ngược lại nếu màng mỏng thì sẽ không bền. Thông thường màng polyme được chế tạo với chiều dày từ 300500 μm, chiều dày của màng chế tạo thường dao động 10% so với giá trị xác định [4,7]. Độ nén ép Đối với các quá trình lọc đặc biệt là lọc bằng màng thì đòi hỏi phải có sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng lọc. Trong quá trình lọc, do sự chênh lệch áp suất, màng bị nén lại làm cho độ xốp của màng bị giảm đi, trở lực của 15