bethauthau_blog
New Member
Chia sẻ miễn phí cho các bạn tài liệu:
ĐẶT VẤN ĐỀ 3
I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ BAY HƠI QUA MÀNG 5
I.1 Lịch sử của quá trình màng 5
I.2 Một số khái niệm cơ bản của quá trình màng 6
I.2.1 Độ chọn lọc của màng 6
I.2.2. Độ thẩm thấu (J) hay năng suất thẩm thấu 6
I.3 Một số quá trình màng 6
I.3.1. Thẩm thấu ngược 7
I.3.2. Siêu lọc 9
I.3.3. Thẩm tích và điện thẩm tích 10
I.3.4. Vi lọc 11
I.3.5. Tách khí bằng màng 11
I.4. Nguyên lý của quá trình bay hơi qua màng 13
I.5. Cơ chế chuyển khối qua màng 14
I.5.1 Cơ chế khuếch tán dung dịch 14
I.5.2 Cơ chế lỗ (pore-flow) 15
I.5.3 So sánh giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ 15
I.6. Một số phương pháp nhằm làm giảm áp suất hơi riêng phần ở bề mặt thấm
qua 18
I.6.1. Dùng bơm chân không 18
I.6.2. Dùng thiết bị ngưng tụ 18
I.6.3. Dùng khí trơ mang 19
I.7. Màng dùng trong quá trình bay hơi qua màng ( Pervapotation ) 19
I.8. Ứng dụng của quá trình Pervarporation (PV), sơ đồ công nghệ hệ thống
màng 22
I.8.1. Sự tách nước ( dehydration ) 22
I.8.2. Phân tách chất hữu cơ hoà tan khỏi nước 23
I.8.3. Phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ 24
I.8.4 Sơ đồ công nghệ hệ thống bay hơi qua màng dùng để nâng cao nồng độ
dung dịch Etylic - nước 25
II. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BAY HƠI QUA MÀNG 26
II.1 Giới thiệu một số mô hình tính lưu lượng dòng 26
II.1.1.Các mô hình tính lưu lượng dòng qua màng (J) sử dụng màng vô cơ 26
II.1.2.Các mô hình tính lưu lượng dòng qua màng (J) sử dụng màng polyme.
28
II.1.3 Lựa chọn mô hình bay hơi qua màng cho quá trình tính toán 31
1
Đồ án tốt nghiệp
II.2 Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch
Etylic- Nước 32
II.2.1 Tính thiết bị chính. 32
II.2.2 Tính toán thiết bị phụ 35
III. KẾT LUẬN 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO 40
PH Ụ L ỤC 41
2
Đồ án tốt nghiệp
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay biện pháp để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic – Nước vẫn được
sử dụng rộng rãi là chưng cất, tuy nhiên chưng cất thuần túy có những nhược
điểm như: hỗn hợp Etylic – Nước có điểm đẳng phí mà quá trình chưng cất thuần
tuý sẽ không thể vượt qua được điểm đẳng phí nên không thể thu được dung dịch
có nồng độ cao trên điểm đẳng phí. Để nâng cao nồng độ bằng phương pháp
chưng luyện thuần túy thì phải xây dựng các tháp có chiều cao lớn kéo theo chi
phí xây dựng lớn hay phải tăng chỉ sô hồi lưu điều này cũng có nghĩa là phải
tiêu tốn nhiều năng lượng để làm bay hơi lượng hồi lưu do đó sẽ tăng chi phí vận
hành.
Để giải quyết nhược điểm không vượt qua điểm đẳng phí của chưng luyện
người ta sẽ kết hợp quá trình chưng luyện với một quá trình khác như hấp thụ,
hấp phụ, trích ly vv… Tuy nhiên các quá trình hấp phụ, hấp thụ, trích ly đều yêu
cầu có phải có quá trình hoàn nguyên chất hấp phụ, hấp thụ và tái sinh dung môi.
Điều này vừa tốn kém chi phí vừa có thể thải ra môi trường các chất có thể gây ô
nhiễm
Ngày nay quá trình bay hơi qua màng đã và đang có những phát hiện mới thể
hiện được ưu thế so với các phương pháp trên nên ta có thể kết hợp chưng luyện
với bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ cồn thể hiện ở chỗ:
Quá trình bay hơi qua màng không dựa vào cân bằng lỏng – hơi mà động lực
của nó là sự chênh lệch giữa nồng độ hay áp suất hơi bão hoà của các cấu tử ở
hai bên bề mặt màng do đó phân tách được cả các dung dịch đẳng phí. Vì vậy
khi ta kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng sẽ vượt qua điểm đẳng
phí. Mặt khác quá trình bay hơi qua màng không cần giai đoạn hoàn nguyên nên
không tốn chi phí để sử lý các giai đoạn hoàn nguyên như trong các quá trình
hấp thụ, hấp phụ, trích ly cũng không gây ô nhiễm môi trường. Khi kết hợp quá
3
Đồ án tốt nghiệp
trình chưng luyện với quá trình màng năng lượng cung cấp cho quá trình màng
sẽ được tận dụng từ sản phẩm của quá trình chưng luyện sẽ tiết kiệm chi phí.
So với các thiết bị hấp phụ, hấp thụ, trích ly thì các thiết bị màng nhỏ gọn
hơn nhiều.
Khi kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng, nồng độ cồn sản
phẩm của quá trình chưng luyện không cần cao quá do đó không tốn nhiều chi
phí cho việc chế tạo thiết bị cũng như vận hành quá trình chưng.
Nhược điểm của quá trình màng hiện nay chính là giá thành thiết bị màng
còn cao.
Hiện nay trên thế giới các quá trình màng nói chung và quá trình bay hơi qua
màng nói riêng ngày càng có những ứng dụng quan trong trong nhiều lĩnh vực
sản xuất. Nhưng ở Việt Nam các quá trình màng vẫn còn mới lạ, các mô hình
hiện có vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và kỹ lưỡng. Do đó cần xây
dựng các mô hình tính toán các quá trình màng để có thể ứng dụng vào thiết kế
các hệ thống công nghệ tối ưu nhằm phục vụ những nhu cầu trong sản xuất.
Nội dung bản đồ án này gồm các phần sau:
- Phần I: Tổng quan về quá trình màng và bay hơi qua màng
- Phần II: Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung
dịch Etylic - Nước
- Phần III: Kết luận
4
Đồ án tốt nghiệp
I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ BAY HƠI
QUA MÀNG
I.1 Lịch sử của quá trình màng
Những hệ thống nghiên cứu về màng đã được đặt nền móng bởi các nhà
khoa học từ thế kỷ XVIII như: trong năm 1748 Abbe Nolet là người đầu tiên đưa
ra cụm từ “thẩm thấu” để miêu tả sự thấm của nước qua thành ruột. Vào cuối thế
kỷ XIX đầu thế kỷ XX một số màng đã được sử dụng trong phòng thí nghiệm để
giải thích một số thuyết về vật lý và hóa học tuy nhiên chưa mang lại hiệu quả
kinh tế như dùng để đo áp suất thẩm thấu của màng bởi Traube và Pfeffer vào
năm 1887 là công cụ để phát triển giới hạn của định luật Van Hoff. Một thời gian
sau khái niệm về độ chọn lọc lý tưởng của một màng bán thấm đã được đưa ra
bởi Maxwell.
Đến năm 1960 khoa học màng đã được phát triển nhưng màng chỉ được sử
dụng trong một vài phòng thí nghiệm và trong những ứng dụng công nhiệp nhỏ.
Khi đó màng được dùng cho tất cả các ứng dụng công nghiệp không vượt quá 20
triệu USD bởi vì màng còn có bốn hạn chế ngăn cản việc sử dụng chúng trong
quá trình phân tách đó là: không đáng tin cậy, quá chậm, không chọn lọc và quá
đắt. Quá trình Loeb-Sourirajan đã tạo ra màng thẩm thấu ngược bất đối xứng.
Những màng này có bề mặt chọn lọc của lớp film mỏng hơn nhưng có nhiều
mao quản hơn so với lớp support(đế) mà tại đó tạo động lực cơ học cho quá trình
màng. Dòng qua màng thẩm thấu ngược cao hơn gấp mười lần bất kỳ một loại
màng nào trước đó. Thời kỳ từ năm 1960 đến 1980 đã tạo ra nhưng thay đổi
quan trọng trong công nghệ màng. Dựa trên nền tảng của Loeb-Sourirajan và
những thông tin về các quá trình màng khác bao gồm sự polyme hóa ở bề mặt
phân pha và sự phủ nhiều lớp phức liệu để tạo ra áp suất làm việc cao cho màng.
Vì vậy những hạn chế của màng dần được tháo gỡ
5
Đồ án tốt nghiệp
Cùng với sự phát triển những ứng dụng của màng trong công nghiệp là sự
phát triển độc lập của màng với sự phân tách trong y học điển hình là thận nhân
tạo. W.J. Kolf đã có những báo cáo đầu tiên về thận nhân tạo ở Hà Lan vào năm
1954. Sau đó việc sử dụng màng làm thận nhân tạo ngày nay đã kéo dài cuộc
sống hơn 800.000 người. Đến năm 1980 thì các quá trình siêu lọc, vi lọc, thẩm
thấu ngược, điện thẩm tích với quy mô lớn đã được thiết lập trên thế giới.
I.2 Một số khái niệm cơ bản của quá trình màng
I.2.1 Độ chọn lọc của màng
Độ chọn lọc của màng là tỷ số giữa hiệu số nồng độ của dung dịch và dung
môi ở hai phía của mặt màng và nồng độ ban đầu của dung dịch cần lọc. Nó
được thể hiện bằng công thức sau:
( )
%100
1
21
X
XX −
=
ϕ
(1.1)
I.2.2. Độ thẩm thấu (J) hay năng suất thẩm thấu
Là lượng dung môi thu được trên 1m
2
bề mặt màng trong thời gian nhất
định là 1h (l/m
2
h) hay lượng dung dịch lọc được trong một đơn vị thời gian.
I.3 Một số quá trình màng
Bảng 1: Các quá trình màng, phạm vi ứng dụng và động lực thẩm thấu
Quá trình
màng
Khả năng
phân tách cho
Động lực được
nhận ra bởi
Cấu tử ưu tiên
thấm qua
Thẩm thấu
ngược
Các dung dịch
nước có khối
lượng phân tử
thấp
Các dung dịch
Sự chênh lệch áp suất
(<100 bar)
Dung môi
6
Đồ án tốt nghiệp
nước hữu cơ
Siêu lọc Dung dịch khối
lượng phân tử
lớn, Nhũ tương
Sự chênh lệch áp suất
(<10 bar)
Dung môi
Vi lọc Huyền phù, nhũ
tương
Sự chênh lệch áp suất
(<5 bar)
Pha liên tục
Thẩm thấu
khí
Hỗn hợp khí, hỗn
hợp hơi nước-
khí
Sự chênh lệch áp
suất(< 80 bar)
Cấu tử yêu tiên thấm
qua
Pervaporation Các hỗn hợp hữu
cơ, các hỗn hợp
hữu cơ-nước
Phía thẩm thấu: tỉ số
của áp suất riêng
phần/áp suất bão hòa.
Cấu tử yêu tiên thấm
qua
Công nghệ
màng chất
lỏng
Các dung dịch
nước có khối
lượng phân tử
thấp
Các dung dịch
nước hữu cơ
Sự chênh lệch về
nồng độ
Dung môi
Sự thẩm thấu Các dung dịch
nước
Sự chênh lệch về
nồng độ
Dung môi
I.3.1. Thẩm thấu ngược
Là quá trình phân riêng dưới áp suất P cao hơn áp suất thẩm thấu qua màng
bán thấm
π
. Người ta dùng màng chỉ cho dung môi đi qua và giữ lại các chất
tan. Khi P <
π
thì dung môi tự do đi qua màng và vào phía dung dịch; sau đó
hình thành trạng thái cân bằng trong thẩm thấu khi có P =
π
. Nếu ở phía dung
dịch có đặt thêm áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu thì việc vận chuyển dung môi
7
Đồ án tốt nghiệp
sẽ đi theo chiều ngược lại nghĩa là từ phía dung dịch vào dung môi. Khi đó thực
hiện quá trình thẩm thấu ngược.
Quá trình thẩm thấu ngược có thể so sánh với quá trình lọc vì nó cũng là quá
trình chuyển chất lỏng từ một hỗn hợp qua vách lọc. Tuy nhiên áp suất thẩm thấu
là đại lượng rất nhỏ nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong thẩm thấu ngược.
Quá trình lọc tách một hỗn hợp dựa vào kích thước hạt, ngược lại màng thẩm
thấu ngược chỉ cho phân tử nước đi qua còn giữ lại các chất hòa tan trên bề mặt.
Dòng thấm qua F di qua một màng bán thấm có chiều dày được tính theo biểu
thức sau:
( )
W W
D C V
F P
RTd
= ∆ −Π
. (1.2)
− Trong đó:
D
w
– hệ số khuếch tán.
C
w
– nồng độ của nước.
V – thể tích mol của nước.
ΔP – áp suất dẫn động, nghĩa là tạo động lực cho quá trình.
Biểu thức này cho thấy lượng nước trong nhận được trong một đơn vị thời
gian từ một đơn vị bề mặt tỉ lệ nghịch với độ dầy của màng.
Quá trình phân tách bằng màng phụ thuộc vào áp suất, điều kiện thủy động,
kết cấu thiết bị, bản chất và nồng độ của dung dịch, nhiệt độ và hàm lượng các
chất có trong dung dịch. Sự tăng nồng độ dung dịch dẫn đến tăng áp suất thẩm
thấu của dung môi, tăng độ nhớt của dung dịch và tăng sự phân cực nồng độ, dẫn
đến giảm độ thấm qua và độ chọn lọc. Để giảm ảnh hưởng của phân cực nồng
độ, người ta sử dụng thẩm thấu ngược với việc tuần hoàn dung dịch và tăng mức
8
Đồ án tốt nghiệp
độ xoáy của lớp chất lỏng gần màng bằng cách sử dụng khuấy cơ học, bộ phận
tạo rung hay tăng tốc độ dòng chảy.
Bản chất của chất hòa tan có ảnh hưởng tới độ chọn lọc, ở khối lượng như
nhau nhưng các chất vô cơ bị giữ lại trên màng tốt hơn các chất hữu cơ.
− Khi tăng áp suất, năng suất riêng của màng tăng lên vì động lực quá trình
tăng. Nhưng ở áp suất cao, vật liệu màng dễ bị nén chặt dẫn đến giảm độ
thấm qua, do đó phải thiết lập áp suất làm việc cực đại cho từng loại
màng.
− Khi tăng nhiệt độ, độ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm và
sẽ làm tăng độ thấm qua. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, mao quản của màng
bắt đầu bị co ngót và thắt lại dẫn đến giảm độ thấm qua, đồng thời tốc độ
thủy phân cũng tăng làm tuổi thọ của màng giảm.
I.3.2. Siêu lọc
Là quá trình sử dụng màng để phân tách các dung dịch chứa các chợp chất cao
phân tử và các phân tử thấp cũng như chiết tách chúng. Quá trình được tiến hành
nhờ chênh lệch áp suất trước và sau màng. Siêu lọc khác với thẩm thấu ngược là
phân tử lượng của chất tan lớn hơn nhiều lần so với phân tử lượng của dung môi.
Cả siêu lọc và thẩm thấu ngược đều phụ thuộc vào áp suất, lưu lượng chất lỏng
đi qua màng lọc phụ thuộc vào áp suất. Khi có chênh lệch áp suất thấp, lưu lượng
tỉ lệ thuận với động lực quá trình ΔP và tỉ lệ nghịch với trở lực của màng R
m
.
Sự phân cực trong siêu lọc thường lớn hơn thẩm thấu ngược vì hằng số
khuyếch tán với phân tử macro nhỏ hơn 100 đến 1.000 lần so với các muối.
Siêu lọc thường được dùng để khử đất sét, vi sinh vật, các chất thực vật và để
tách nước cho bùn.
9
Đồ án tốt nghiệp
Các ưu điểm nổi bật của thẩm thấu ngược và siêu lọc so với các phương pháp
khác là sự đơn giản về công nghệ, chỉ việc tiến hành ở nhiệt độ thường điều này
rất quan trong cho việc tách các dung dịch không bền nhiệt.
Những ứng dụng tốt được biết tới của siêu lọc và thẩm thấu ngược là:
− Sự khử nước biển và nước lợ thành nước ngọt.
− Sự xử lí của các dòng chảy của quá trình đặc biệt trong các ngành công
nghiệp hóa chất, thực phẩm,giấy và dệt.
− Sự tăng nồng độ của nhũ tương và các dung dịch enzim,và sự phân tách
của protein từ nước sữa đã tách pho mat.
I.3.3. Thẩm tích và điện thẩm tích
Thẩm tích là quá trình tách chất rắn bằng sử dụng sự khuếch tán không bằng
nhau qua màng. Tốc độ khuếch tán F
d
liên quan đến gradient nồng độ ΔC qua
màng.
.
d d
F K A C= ∆
(1.3)
− Trong đó:
K
d
là tổng hệ số thẩm tích.
A: là điện tích của màng.
ΔC: là gradient nồng độ.
Điện thẩm tích được thực hiện bằng cách đặt các màng có tính chọn lọc với
cation và anion luân phiên nhau dọc theo dòng điện. Khi đưa dòng điện vào, các
cation được gắn điện đi qua màng trao đổi cation về một hướng, còn các anion sẽ
đi qua màng trao đổi anion đi về một hướng khác.
Quá trình điện thẩm tích thường được dùng để loại bỏ các hạt nhiễm bẩn trong
máu cho bệnh nhân bị tiểu đường, máu sạch được đưa trở lại cho người bệnh,
10
Đồ án tốt nghiệp
còn các muối nhiễm bẩn bị thải ra ngoài. Trong công nghiệp người ta dùng điện
thẩm tích trong việc chế tạo cao su tổng hợp trong khâu visco hóa. Nhiều quá
trình điện thẩm tích sử dụng màng ion chọn lọc đã được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp làm sạch nước sinh hoạt, hay tuần hoàn lại nước đã dùng, hay làm
đặc dung dịch.
I.3.4. Vi lọc
Quá trình vi lọc là quá trình lọc các phân tử có thể nhìn thấy được bằng mắt
thường qua màng. Thường dùng để tách dung dịch của các hỗn hợp keo (Caloid)
của các hạt lớn hay các hạt lơ lửng ( huyền phù) có cỡ hạt khoảng 0.1-10µ km.
Quá trình này đôi khi gọi là Microfil. Động lực của nó là chênh lệch áp suất giữa
hai bên bề mặt màng. Chúng làm việc ở áp suất cao hơn cỡ 10 – 100 Mpa. Nó
được dùng chú yếu trong ngành điện tử, y, dược, y dược và vi khuẩn sinh học.
Nhờ có ảnh hưởng của điện trường mà các phần tử nhiễm điện sẽ di chuyển theo
hướng mà người dùng mong muốn. Ngoài ra còn được dùng để cô đặc dung dịch
huyền phù, xử lý nước thải và nước sinh hoạt. Nó được lọc dung dịch trước khi
đưa sang siêu lọc hay thẩm thấu ngược.
I.3.5. Tách khí bằng màng
Tách khí bằng màng là một quá trình có ứng dụng rất lớn trong việc làm sạch
khí và có hiệu quả kinh tế cao. Nó được biết đến từ hai thập niên trước đây trong
một số thí nghiệm. Các màng có lỗ pore và không có lõ pore đều được dùng để
phân tách chọn lọc khí, khí qua màng chủ yếu là do khuếch tán đối lưu. Những
màng có kích thước siêu nhỏ hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi nhưng đã
được tiến hành trong phòng thí nghiệm như các màng gốm, thủy tinh xốp.
Tách khí bằng màng có một số ứng dụng quan trọng như:
a) Tách khí H
2
:
11
Đồ án tốt nghiệp
Dùng màng để tách H
2
ra khỏi hỗn hợp khí N
2
, NH
3
là một ứng dụng quan
trọng. Khí H
2
nhẹ và có khả năng thấm cao hơn so với các khí khác. Trước đây,
người ta thường dùng màng polysulfone hay màng xenlulo axetat nhưng hiện
nay chủ yếu sử dụng màng từ vật liệu tổng hợp như polyamid.
b) Tách khí O2 và N2 từ không khí
Màng được sử dụng cho quá trình này thường là: poly4 metyl -1pentan(TPX)
và etyl xenlulo. Các vật liệu polime chế tạo có độ chọn lọc
α
= 1 – 5 nhưng giá
trị thực tế thấp hơn. Loại màng thứ hai được cải tiến có độ chọn lọc cao hơn
α
=
6 – 7, cho hiệu quả kinh tế cao hơn, đặc biệt ứng dụng trong xưởng sản xuất nhỏ.
c) Tách khí thiên nhiên
Khí thiên hiên có thành phần khác nhau đáng kể. Trong đó CH
4
là cấu tử
chính, thuờng chiếm tới 75 – 90%. Ngoài ra khí thiên nhiên còn chứa đáng kể
hàm lượng C
2
H
6,
một ít C
3
H
8,
C
4
H
10
, từ 1- 3% các khí C
x
H
y
và một số chất không
mong muốn khác như: H
2
O, CO
2
, N
2
và H
2
S. Thành phần các khí rất khác nhau
nhưng phải xử lý để khống chế thành phần khí trước khi đưa vào đường ống vận
chuyển. Khí tự nhiên lấy từ giếng khoan và vận chuyển đến các nhà máy xử lý
để giảm thiểu chi phí nén lại, quá trình phải loại bỏ các tạp chất khỏi dòng bằng
cách cho thấm qua chỉ còn lại C
2
H
6
, CH
4
và C
x
H
y
trong dòng khí ra. Tùy các chất
mà có các loại màng khác nhau. Do H
2
O có khối lượng nhỏ và dễ ngưng tụ
thường được tách khỏi CH
4
nhờ màng polyme cao su và thủy tinh.
Ngoài ra, quá trình tách khí bằng màng còn có ứng dụng trong việc tách CO
2
,
dehydration, tách hợp chất hữu cơ khỏi dòng trước khi thải ra môi trường,…
12
Đồ án tốt nghiệp
I.4. Nguyên lý của quá trình bay hơi qua màng
Bay hơi qua màng (Pervaporation – PV) là một quá trình màng mà ở đó một
hỗn hợp chất lỏng ban đầu tới một bề mặt màng ở áp suất khí quyển, thẩm thấu
qua màng và bay hơi ở bề mặt kia ở áp suất chân không.
PV là một quá trình phức gồm hai quá trình chuyền khối và chuyển nhiệt giữa
pha lỏng và pha hơi theo đó xảy ra sự chuyển pha từ hỗn hợp đầu sang hỗn hợp
thẩm thấu (permeat). Nhiệt hoá hơi được lấy ra từ nhiệt trong bản thân chất lỏng
dẫn tới sự giảm nhiệt độ trên bề mặt màng.
Động lực của quá trình bay hơi qua màng là sự chênh lệch thế hoá giữa hai
bề mặt màng, điều này được tạo ra bởi chênh lệch áp suất riêng phần hay chênh
lệch hoạt độ của các cấu tử giữa hai bên bề mặt màng. Chất thấm qua màng và
bay hơi là do áp suất hơi riêng phần của chất thấm qua thấp hơn áp suất hơi bão
hoà. Động lực này thường được tạo ra bằng bơm hút chân không hay sử dụng
khí trơ mang như:hơi nước, không khí làm giảm áp suất hơi riêng phần của chất
thấm qua.
13
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý quá trình bay hơi qua màng dùng
bơm chân không và khí mang
Hỗn
hợp đầu
Dung dịch
loãng
Dung dịch
đặc
Dung dịch
đặc
Dung dịch
loãng
Hỗn hợp đầu
TB trao đổi
nhiệt
TB trao
đổi nhiệt
Khí mangBơm chân
không
Màng Màng
Đồ án tốt nghiệp
I.5. Cơ chế chuyển khối qua màng
Có hai cơ chế vận chuyển qua màng là cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ
chế lỗ (pore-flow). Cả hai cơ chế này đều được đưa ra từ thế kỷ 19, nhưng chỉ
có cơ chế lỗ được chấp nhận. Tuy nhiên trong những năm 1940 cơ chế khuếch
tán dung dịch được sử dụng để giải thích về quá trình vận chuyển khí qua màng
polyme nhưng không thành công lắm. Sau những cuộc tranh luận của các nhà
khoa học về cơ chế của quá trình thẩm thấu ngược thì mãi đến năm 1980 cơ
chế khuếch tán dung dịch mới được chấp nhận.
I.5.1 Cơ chế khuếch tán dung dịch
Quá trình bay hơi qua một màng không có lỗ mao quản được thực hiện bởi
sự khác nhau về độ tan hay độ phân tán. Chất lượng của quá trình bay hơi qua
màng có thể miêu tả giống như một quá trình trong đó gồm có các bước sau:
- Sự hấp phụ chọn lọc lên bề mặt màng phía trên của nguyên liệu đầu.
- Khuếch tán chọn lọc qua màng.
- Nhả hấp phụ và giai đoạn hoá hơi ở bề mặt màng phía dưới.
Cơ chế khuếch tán dung dịch cho rằng động lực của quá trình là sự chênh
lệch gradient nồng độ giữa hai bề mặt màng. Các cấu tử khi tới bề mặt màng
sẽ khuếch tán qua màng do đó cơ chế này tuân theo định luật Fick
dx
dc
DJ
i
ii
=
(1.4)
Với D
i
là hệ số khuếch tán, dc
i
/dx là gradient nồng độ.
14
Đồ án tốt nghiệp
I.5.2 Cơ chế lỗ (pore-flow)
Cơ chế thấm qua pore cho rằng các cấu tử sẽ chui qua các lỗ nhỏ (pore) trên
bề mặt màng, màng đóng vai trò như một vách lọc sẽ cho các cấu tử nhỏ đi qua
và giữ các cấu tử còn lại trên bề mặt màng. Động lực của quá trình được biểu
thị qua gradient áp suất, dòng qua màng được biểu diễn theo định luật Darcy:
( )
l
ppk
J
−
=
0
(1.5)
Trong đó:
J - Lưu lượng dòng qua màng, kg/m
2
h
k - Hệ số của định luật Darcy
l - Độ dày của màng, m
I.5.3 So sánh giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ
Đế thấy được sự khác nhau giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ ta
lấy ví dụ về quá trình thẩm thấu của dung dịch muối/nước qua màng
15
Đồ án tốt nghiệp
Hình2 Sơ đồ giải thích cơ chế khuếch t án qua màng với dung dịch
muối/nước
Ở hình (2a) áp suất thẩm thấu: Δπ=Δp = 0. Vì vậy áp suất thẩm thấu nhỏ hơn
hơn chênh lệch hoạt độ giữa hai bên bề mặt màng Δπ < Δ(γc) thế hoá ở phía
dung môi lớn hơn ở phía dung dịch nên sẽ xảy ra quá trình thẩm thấu, nước sẽ
chuyển qua màng từ phía dung môi sang dung dịch.
16
Đồ án tốt nghiệp
Ở hình (2b) chênh lệch áp suất bằng áp suất thẩm thấu bằng chênh lệch hoạt độ
Δπ = Δ(γc) thế hoá hai bên bề mặt màng không đổi quá trình thẩm thấu cân bằng.
Ở hình (2c) áp suất thẩm thấu lớn hơn chênh lệch hoạt độ, thế hoá phía dung
dịch lớn hơn phía dung môi nên sẽ xảy ra quá trình thẩm thấu ngược, nước từ
phía dung dịch chuyển sang dung môi
Hình3 Sơ đồ giải thích cơ chế lỗ thẩm thấu dung dịch muối/nước
17
Đồ án tốt nghiệp
Ở hình (3a) chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng Δp =0. Áp suất thẩm
thấu Δπ > Δp thế hoá ở phía dung dịch nhỏ hơn phía dung môi nên quá trình
thẩm thấu diễn ra nghĩa là dòng nước đi từ phía dung dịch sang phía dung môi.
Ở hình (3b) chênh lệch áp suất bằng áp suất thẩm thấu Δp = Δπ nên thế hoá
ở hai bên bề mặt màng như nhau do đó có sự cân bằng thẩm thấu.
Ở hình (3c) chênh lệch áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu Δp > Δπ, thế hoá ở
phía dung dịch lớn hơn ở phía dung môi do đó xảy ra quá trình thẩm thấu
ngược nghĩa là dòng nước chuyển từ phía dung môi về dung dịch
I.6. Một số phương pháp nhằm làm giảm áp suất hơi riêng phần ở bề mặt
thấm qua
I.6.1. Dùng bơm chân không
Tất cả hơi thấm qua có thể loại bỏ bằng cách sử dụng bơm chân không.
Điều này được thực hiện dễ dàng khi thể tích hơi thấm qua là tương đối nhỏ hoặc
áp suất trên bề mặt thấm qua là không quá thấp. Tuy nhiên khi sử dụng những
bơm chân không có năng suất lớn thì sẽ tiêu tốn một lượng năng lượng rất lớn.
Hơi sau khi được hút bởi bơm chân không thì có thể được ngưng tụ ở phía cuối
bơm. Điều này là cần thiết khi đảm bảo những quy tắc về an toàn cháy nổ.
I.6.2. Dùng thiết bị ngưng tụ
Hơi thấm qua màng được ngưng tụ ở nhiệt độ đủ thấp. Đây là một cách hiệu
quả để duy trì áp suất hơi trên bề mặt thấm qua thấp. Nhiệt độ ngưng tụ có thể
đạt được bằng nước lạnh hay trong một vài trường hợp dùng chất tải lạnh làm
nhiệt độ xuống tới – 20
o
C. Ở nhiệt độ tương đối thấp chỉ có một lượng nhỏ hơi
thấm qua được ngưng tụ. Tuy nhiên phương pháp này vẫn được chấp nhận do có
hiệu quả kinh tế cao. Bề mặt thiết bị ngưng tụ phải được lắp ở khoảng cách nhất
định so với bề mặt thấm qua của màng, tất cả các khí không ngưng phải được
loại bỏ để giảm thiểu trở lực cho quá trình vận chuyển hơi thấm qua đến bề mặt
18
Đồ án tốt nghiệp
ngưng tụ và mất mát áp suất. Nhiệt độ ngưng tụ thấp nhưng không làm quá trình
đóng băng xảy ra.
I.6.3. Dùng khí trơ mang
Bề mặt thấm qua của màng được thổi một dòng khí trơ trong đó áp suất hơi
riêng phần của thành phần tách ra được giữ thấp hơn so với áp suất trên bề mặt
chứa nguyên liệu. Dòng khí trơ phải được xử lí sơ bộ trước khi sử dụng và khí
sau khi cuốn theo hơi thấm qua có thể không thải ra ngoài ngay mà được xử lí và
tuần hoàn lại. Quá trình xử lí lại thường là ngưng tụ hơi cùng khí trơ ở nhiệt độ
đủ thấp, tiếp đó là quá trình đun nóng để giảm độ ẩm tương đối và tăng khả năng
cuốn theo của khí trơ.
Nếu áp suất hơi riêng phần thấp thì khả năng cuốn theo của dòng khí trơ sẽ
thấp do đó cần có lượng khí lớn.
I.7. Màng dùng trong quá trình bay hơi qua màng ( Pervapotation )
Màng có thể chia thành màng ưa nước và màng ưa chất hữu cơ. hay màng
làm từ vật liệu vô cơ và màng polyme
− Màng ưa nước ( hydrophilic) cho nước đi qua, dùng chủ yếu để loại nước
khỏi các dung môi hữu cơ đặc biệt là hỗn hợp đẳng phí. Các màng dùng để
lọc các phân tử ancohol, metanol và isopropanol về bản chất cũng là màng
ưa nước. Các màng này làm từ các polyme khác nhau mà có ái lực với nước
cao. Những polime này chứa các ion, các nhóm chức chứa O như: -OH,
-COO,…và chúng phải được cross-linked để không bị tan trong quá trình
phủ. Một số polime thường dùng là: PVA( polivinyl ancohol), poliemides,
các loại polime tự nhiên phủ chitosan, CA(xenlulo axetat), …
− Các màng ưa các chất hữu cơ ưu tiên các hợp chất không phân cực đi qua,
dùng để loại các cấu tử hữu cơ dễ bay hơi khỏi dòng khí.
Một số màng dùng trong PV:
19
Đồ án tốt nghiệp
a. Màng PEC ( Màng các polime điện ly bất đối)
Gồm màng chitosan và được hấp phụ bằng PAA ( Poly acrilic acid ). Sự
hấp phụ và tạo thành màng PEC bằng cách cho một màng mỏng chitosan tiếp
xúc với dung dịch PAA. Màng PEC có độ chọn lọc cao khi chỉ có một lượng nhỏ
PEC được tạo thành ở bề mặt màng chitosan. Tiến hành thí nghiệm với hệ
ethanol - nước, độ chọn lọc nước của màng cao đến mức không phát hiện có
ethanol trong nước khi phân tích bằng sắc ký khí.
b.Màng PVA
Được tổng hợp bằng cách trộn lẫn PPA và poly ( acrylic acid và maleic acid
) và muối Na trong đó có mặt của H
2
SO
4
để xúc tác cho phản ứng xảy ra. Màng
này cũng có tính chất thấm chọn lọc với nước tốt. Tất cả các hệ thống
dehydration trong thực tế đều dùng màng PVA do có hiệu quả kinh tế cao.
c.Màng xenlulo axetat
Màng xelulo axetat được tạo ra bởi vi khuẩn Acetobacter và dùng để sử
dụng trong quá trình bay hơi qua màng đối với các hợp chất hữu cơ. Màng này
cũng có độ chọn lọc cao với nước.
d. Màng Zeolites
Zeolites là vật liệu tinh thể xốp mịn có nhiều lỗ nhỏ kích thước phân tử.
Chúng được hợp thành từ các đơn vị tetrahedral TiO
4
(T=Si,Al) tạo thành một
mạng có 1,2 hay 3 phân tử. Tính ưa nước hay kỵ nước của màng phụ thuộc vào
tỷ lệ Si/Al.
Bảng 3: Liệt kê một số loại màng và đặc tính của nó trong quá trình PV:
Vật liệu màng
Phân tách
hỗn
hợp(A/B)
Thành phần
của A trong
nguyên liệu
Mức độ
chọn lọc
/A B
α
Dòng
thấm
qua
20
Đồ án tốt nghiệp
Màng polime ưa nước:
- Polyvinyl
ancohol
Nước/ethanol 0,1 - 8
50-
2000
0 – 2
- Polyamide-6 Nước/ethanol 30 2 1,15
- Polyamide-6
Nước/
dioxane
50 45 0,04
- PESS Li
+
Nước/
isopropanol
11 40 0,005
- PESS K+
Nước/
isopropanol
11 60 0,087
Màng polyme kị nước:
- Polypropylen
Axeton/
Nước
45 3 0,1– 1,2
- Cao su dẻo
Isopropanol/
Nước
9 – 100 9 – 22 0,03 – 11
- PDMS
Butylaxetat/
Nước
0,7 370 0,55
- PDMS
MIBE/
Nướ0063
5 280 1,2
- PEBAX
Aniline/
Nước
5,5 198 1,8
Màng vô cơ:
- Zeolite NaA.
Ethanol/
nước
5 5100 3,35
- Zeolite NaY
Methanol/
MTBE
10 7600 0,32
- PERVATECH
Nước/ Acetic
acid
5 150 2,5
21
Đồ án tốt nghiệp
I.8. Ứng dụng của quá trình Pervarporation (PV), sơ đồ công nghệ hệ thống
màng.
Có ba hướng ứng dụng của quá trình PV đó là: Sự khử nước, phân tách hợp
chất hữu cơ khỏi nước, phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ.
I.8.1. Sự tách nước ( dehydration )
Đây là một ứng dụng thuận lợi của quá trình PV bởi vì hỗn hợp đẳng phí
ethanol với nước là 95% thể tích, dùng quá trình PV có thể tạo ra sản phẩm
ethanol có nồng độ cao vượt khỏi điểm đẳng phí là cần thiết mà chưng đơn giản
không làm được. Khi dùng các loại màng PVA, CTA, Anionic để nâng cao nồng
độ Ethanol thì Ethanol ở phía nguyên liệu sẽ tăng lên đến 99.5% với nguyên liệu
đầu vào là 95% V. Dòng thấm qua chứa khoảng 50% Ethanol có thể quay ngược
lại tháp chưng cất.
Nguyên liệu là sản phẩm lên men có hàm lượng Ethanol >5% được đưa vào
tháp chưng cất. Tháp chưng cất tạo ra sản phẩm ethanol có nồng độ 80-90%
được dùng làm nguyên liệu cho hệ thống bay hơi. Để tạo chênh lệch áp suất lớn
nhất giữa hai bề mặt màng thì nhiệt độ làm việc từ 105 - 130
o
C và áp suất hơi 2 -
6 at. Với điều kiện như vậy thì thời gian hoạt động tốt của màng là 4 năm.
Trong thực tế có thể dùng 3 - 4 thiết bị bay hơi được xếp thành 1 dãy và có
sự bổ xung nhiệt giữa các giai đoạn. Nhìn chung năng lượng sử dụng cho quá
trình thấp khoảng 0.5 kghơi/1kg sản phẩm Ethanol. Do đó năng lượng tiêu
thụ của quá trình bay hơi là 500 Btu/l sản phẩm ít hơn năng lượng dùng trong
chưng luyện đẳng phí là 20%.
22
Đồ án tốt nghiệp
I.8.2. Phân tách chất hữu cơ hoà tan khỏi nước
Ứng dụng của PV dùng để loại bỏ các thành phần hữu cơ khỏi nước. Nếu
dòng nguyên liệu chứa 1-2% chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) có thể thu lại và tái
sử dụng để nâng cao hiệu quả kinh tế.
Một số loại màng có thể sử dụng để phân tách VOC khỏi nước đã được nghiên
cứu. Thường sử dụng các loại màng được làm từ những polyme hữu cơ như:
silicon, Polybutadien, cao su tự nhiên, đồng trùng hợp Polyamide và Polyether.
Màng là cao su thì thích hợp với sự phân tách các hợp chất hữu cơ không tan
trong nước ra khỏi nước như: toluen hay Tricloethylene (TCE). Sau khi ngưng
tụ thành phần hơi thấm qua màng thu được sản phẩm có nồng độ cao gấp 1.000
lần nguyên liệu vào. Như vậy chất thấm qua màng chứa hầu hết các chất hữu cơ
tinh khiết và nước còn lại chứa một lượng nhỏ VOC và có thể tuần hoàn lại. Với
các chất hữu cơ “yêu nước”(hydrophobic) thì hiệu quả phân tách đạt được kém
hơn như: Ethyl acetat, Methylene Chloride, Butanol.
23
Hình 2. Sơ đồ kết hợp chưng luyện và bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ cồn
Đồ án tốt nghiệp
Ngoài ra còn ứng dụng PV để loại bỏ các thành phần hữu cơ trong nước thải.
Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự bay hơi của các chất hức cơ dễ bay hơi qua
màng:
- Bản chất của chất hữu cơ
- Nồng độ
- Tốc độ dòng
- Nhiệt độ
I.8.3. Phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ
Trong sự cạnh tranh với chưng cất thì với hỗn hợp các chất hữu cơ ở điểm
đẳng phí hay hỗn hợp các chất có nhiệt độ sôi xấp xỉ nhau thì hiệu quả phân
tách khó có thể đạt được bằng chưng cất. PV có thể sử dụng để phân tách những
hỗn hợp này.
Mức độ phân của hỗn hợp hai cấu tử phụ thuộc vào độ nhớt tương đối, độ
chọc lọc của màng và điều kiện hoạt động.
- Phân tách hỗn hợp Benzen/ Cychlohexane bằng màng Xenlulo acetat.
Hỗn hợp đẳng phí chứa 50% Benzen và thành phần thấm qua màng chứa
hơn 95% Benzen.
- Phân tách hỗn hợp các hydrocacbon thơm hay chất béo. Với những
hydrocacbon có có nhiệt độ sôi gần nhau thì tính thấm qua giảm dần theo
thứ tự sau: các hydrocacbon thơm > hydrocacbon no > hydrocacbon không
no.
- Còn với những chất béo có nhiệt độ sôi xấp xỉ nhau thì tính thấm qua
giảm dần như sau: cấu trúc mạch thẳng > cấu trúc mạch vòng > cấu trúc
mạch nhánh.
24
Đồ án tốt nghiệp
Mục đích của quá trình này là đạt được hiệu quả phân tách lớn giữa các hỗn
hợp hydrocacbon bằng PV do đó màng sử dụng phải có độ chọn lọc và tính
thấm qua cao.
I.8.4 Sơ đồ công nghệ hệ thống bay hơi qua màng dùng để nâng cao nồng độ
dung dịch Etylic - nước
(Xem bản vẽ kèm theo)
25
ĐẶT VẤN ĐỀ 3
I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ BAY HƠI QUA MÀNG 5
I.1 Lịch sử của quá trình màng 5
I.2 Một số khái niệm cơ bản của quá trình màng 6
I.2.1 Độ chọn lọc của màng 6
I.2.2. Độ thẩm thấu (J) hay năng suất thẩm thấu 6
I.3 Một số quá trình màng 6
I.3.1. Thẩm thấu ngược 7
I.3.2. Siêu lọc 9
I.3.3. Thẩm tích và điện thẩm tích 10
I.3.4. Vi lọc 11
I.3.5. Tách khí bằng màng 11
I.4. Nguyên lý của quá trình bay hơi qua màng 13
I.5. Cơ chế chuyển khối qua màng 14
I.5.1 Cơ chế khuếch tán dung dịch 14
I.5.2 Cơ chế lỗ (pore-flow) 15
I.5.3 So sánh giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ 15
I.6. Một số phương pháp nhằm làm giảm áp suất hơi riêng phần ở bề mặt thấm
qua 18
I.6.1. Dùng bơm chân không 18
I.6.2. Dùng thiết bị ngưng tụ 18
I.6.3. Dùng khí trơ mang 19
I.7. Màng dùng trong quá trình bay hơi qua màng ( Pervapotation ) 19
I.8. Ứng dụng của quá trình Pervarporation (PV), sơ đồ công nghệ hệ thống
màng 22
I.8.1. Sự tách nước ( dehydration ) 22
I.8.2. Phân tách chất hữu cơ hoà tan khỏi nước 23
I.8.3. Phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ 24
I.8.4 Sơ đồ công nghệ hệ thống bay hơi qua màng dùng để nâng cao nồng độ
dung dịch Etylic - nước 25
II. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BAY HƠI QUA MÀNG 26
II.1 Giới thiệu một số mô hình tính lưu lượng dòng 26
II.1.1.Các mô hình tính lưu lượng dòng qua màng (J) sử dụng màng vô cơ 26
II.1.2.Các mô hình tính lưu lượng dòng qua màng (J) sử dụng màng polyme.
28
II.1.3 Lựa chọn mô hình bay hơi qua màng cho quá trình tính toán 31
1
Đồ án tốt nghiệp
II.2 Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch
Etylic- Nước 32
II.2.1 Tính thiết bị chính. 32
II.2.2 Tính toán thiết bị phụ 35
III. KẾT LUẬN 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO 40
PH Ụ L ỤC 41
2
Đồ án tốt nghiệp
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay biện pháp để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic – Nước vẫn được
sử dụng rộng rãi là chưng cất, tuy nhiên chưng cất thuần túy có những nhược
điểm như: hỗn hợp Etylic – Nước có điểm đẳng phí mà quá trình chưng cất thuần
tuý sẽ không thể vượt qua được điểm đẳng phí nên không thể thu được dung dịch
có nồng độ cao trên điểm đẳng phí. Để nâng cao nồng độ bằng phương pháp
chưng luyện thuần túy thì phải xây dựng các tháp có chiều cao lớn kéo theo chi
phí xây dựng lớn hay phải tăng chỉ sô hồi lưu điều này cũng có nghĩa là phải
tiêu tốn nhiều năng lượng để làm bay hơi lượng hồi lưu do đó sẽ tăng chi phí vận
hành.
Để giải quyết nhược điểm không vượt qua điểm đẳng phí của chưng luyện
người ta sẽ kết hợp quá trình chưng luyện với một quá trình khác như hấp thụ,
hấp phụ, trích ly vv… Tuy nhiên các quá trình hấp phụ, hấp thụ, trích ly đều yêu
cầu có phải có quá trình hoàn nguyên chất hấp phụ, hấp thụ và tái sinh dung môi.
Điều này vừa tốn kém chi phí vừa có thể thải ra môi trường các chất có thể gây ô
nhiễm
Ngày nay quá trình bay hơi qua màng đã và đang có những phát hiện mới thể
hiện được ưu thế so với các phương pháp trên nên ta có thể kết hợp chưng luyện
với bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ cồn thể hiện ở chỗ:
Quá trình bay hơi qua màng không dựa vào cân bằng lỏng – hơi mà động lực
của nó là sự chênh lệch giữa nồng độ hay áp suất hơi bão hoà của các cấu tử ở
hai bên bề mặt màng do đó phân tách được cả các dung dịch đẳng phí. Vì vậy
khi ta kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng sẽ vượt qua điểm đẳng
phí. Mặt khác quá trình bay hơi qua màng không cần giai đoạn hoàn nguyên nên
không tốn chi phí để sử lý các giai đoạn hoàn nguyên như trong các quá trình
hấp thụ, hấp phụ, trích ly cũng không gây ô nhiễm môi trường. Khi kết hợp quá
3
Đồ án tốt nghiệp
trình chưng luyện với quá trình màng năng lượng cung cấp cho quá trình màng
sẽ được tận dụng từ sản phẩm của quá trình chưng luyện sẽ tiết kiệm chi phí.
So với các thiết bị hấp phụ, hấp thụ, trích ly thì các thiết bị màng nhỏ gọn
hơn nhiều.
Khi kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng, nồng độ cồn sản
phẩm của quá trình chưng luyện không cần cao quá do đó không tốn nhiều chi
phí cho việc chế tạo thiết bị cũng như vận hành quá trình chưng.
Nhược điểm của quá trình màng hiện nay chính là giá thành thiết bị màng
còn cao.
Hiện nay trên thế giới các quá trình màng nói chung và quá trình bay hơi qua
màng nói riêng ngày càng có những ứng dụng quan trong trong nhiều lĩnh vực
sản xuất. Nhưng ở Việt Nam các quá trình màng vẫn còn mới lạ, các mô hình
hiện có vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và kỹ lưỡng. Do đó cần xây
dựng các mô hình tính toán các quá trình màng để có thể ứng dụng vào thiết kế
các hệ thống công nghệ tối ưu nhằm phục vụ những nhu cầu trong sản xuất.
Nội dung bản đồ án này gồm các phần sau:
- Phần I: Tổng quan về quá trình màng và bay hơi qua màng
- Phần II: Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung
dịch Etylic - Nước
- Phần III: Kết luận
4
Đồ án tốt nghiệp
I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ BAY HƠI
QUA MÀNG
I.1 Lịch sử của quá trình màng
Những hệ thống nghiên cứu về màng đã được đặt nền móng bởi các nhà
khoa học từ thế kỷ XVIII như: trong năm 1748 Abbe Nolet là người đầu tiên đưa
ra cụm từ “thẩm thấu” để miêu tả sự thấm của nước qua thành ruột. Vào cuối thế
kỷ XIX đầu thế kỷ XX một số màng đã được sử dụng trong phòng thí nghiệm để
giải thích một số thuyết về vật lý và hóa học tuy nhiên chưa mang lại hiệu quả
kinh tế như dùng để đo áp suất thẩm thấu của màng bởi Traube và Pfeffer vào
năm 1887 là công cụ để phát triển giới hạn của định luật Van Hoff. Một thời gian
sau khái niệm về độ chọn lọc lý tưởng của một màng bán thấm đã được đưa ra
bởi Maxwell.
Đến năm 1960 khoa học màng đã được phát triển nhưng màng chỉ được sử
dụng trong một vài phòng thí nghiệm và trong những ứng dụng công nhiệp nhỏ.
Khi đó màng được dùng cho tất cả các ứng dụng công nghiệp không vượt quá 20
triệu USD bởi vì màng còn có bốn hạn chế ngăn cản việc sử dụng chúng trong
quá trình phân tách đó là: không đáng tin cậy, quá chậm, không chọn lọc và quá
đắt. Quá trình Loeb-Sourirajan đã tạo ra màng thẩm thấu ngược bất đối xứng.
Những màng này có bề mặt chọn lọc của lớp film mỏng hơn nhưng có nhiều
mao quản hơn so với lớp support(đế) mà tại đó tạo động lực cơ học cho quá trình
màng. Dòng qua màng thẩm thấu ngược cao hơn gấp mười lần bất kỳ một loại
màng nào trước đó. Thời kỳ từ năm 1960 đến 1980 đã tạo ra nhưng thay đổi
quan trọng trong công nghệ màng. Dựa trên nền tảng của Loeb-Sourirajan và
những thông tin về các quá trình màng khác bao gồm sự polyme hóa ở bề mặt
phân pha và sự phủ nhiều lớp phức liệu để tạo ra áp suất làm việc cao cho màng.
Vì vậy những hạn chế của màng dần được tháo gỡ
5
Đồ án tốt nghiệp
Cùng với sự phát triển những ứng dụng của màng trong công nghiệp là sự
phát triển độc lập của màng với sự phân tách trong y học điển hình là thận nhân
tạo. W.J. Kolf đã có những báo cáo đầu tiên về thận nhân tạo ở Hà Lan vào năm
1954. Sau đó việc sử dụng màng làm thận nhân tạo ngày nay đã kéo dài cuộc
sống hơn 800.000 người. Đến năm 1980 thì các quá trình siêu lọc, vi lọc, thẩm
thấu ngược, điện thẩm tích với quy mô lớn đã được thiết lập trên thế giới.
I.2 Một số khái niệm cơ bản của quá trình màng
I.2.1 Độ chọn lọc của màng
Độ chọn lọc của màng là tỷ số giữa hiệu số nồng độ của dung dịch và dung
môi ở hai phía của mặt màng và nồng độ ban đầu của dung dịch cần lọc. Nó
được thể hiện bằng công thức sau:
( )
%100
1
21
X
XX −
=
ϕ
(1.1)
I.2.2. Độ thẩm thấu (J) hay năng suất thẩm thấu
Là lượng dung môi thu được trên 1m
2
bề mặt màng trong thời gian nhất
định là 1h (l/m
2
h) hay lượng dung dịch lọc được trong một đơn vị thời gian.
I.3 Một số quá trình màng
Bảng 1: Các quá trình màng, phạm vi ứng dụng và động lực thẩm thấu
Quá trình
màng
Khả năng
phân tách cho
Động lực được
nhận ra bởi
Cấu tử ưu tiên
thấm qua
Thẩm thấu
ngược
Các dung dịch
nước có khối
lượng phân tử
thấp
Các dung dịch
Sự chênh lệch áp suất
(<100 bar)
Dung môi
6
Đồ án tốt nghiệp
nước hữu cơ
Siêu lọc Dung dịch khối
lượng phân tử
lớn, Nhũ tương
Sự chênh lệch áp suất
(<10 bar)
Dung môi
Vi lọc Huyền phù, nhũ
tương
Sự chênh lệch áp suất
(<5 bar)
Pha liên tục
Thẩm thấu
khí
Hỗn hợp khí, hỗn
hợp hơi nước-
khí
Sự chênh lệch áp
suất(< 80 bar)
Cấu tử yêu tiên thấm
qua
Pervaporation Các hỗn hợp hữu
cơ, các hỗn hợp
hữu cơ-nước
Phía thẩm thấu: tỉ số
của áp suất riêng
phần/áp suất bão hòa.
Cấu tử yêu tiên thấm
qua
Công nghệ
màng chất
lỏng
Các dung dịch
nước có khối
lượng phân tử
thấp
Các dung dịch
nước hữu cơ
Sự chênh lệch về
nồng độ
Dung môi
Sự thẩm thấu Các dung dịch
nước
Sự chênh lệch về
nồng độ
Dung môi
I.3.1. Thẩm thấu ngược
Là quá trình phân riêng dưới áp suất P cao hơn áp suất thẩm thấu qua màng
bán thấm
π
. Người ta dùng màng chỉ cho dung môi đi qua và giữ lại các chất
tan. Khi P <
π
thì dung môi tự do đi qua màng và vào phía dung dịch; sau đó
hình thành trạng thái cân bằng trong thẩm thấu khi có P =
π
. Nếu ở phía dung
dịch có đặt thêm áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu thì việc vận chuyển dung môi
7
Đồ án tốt nghiệp
sẽ đi theo chiều ngược lại nghĩa là từ phía dung dịch vào dung môi. Khi đó thực
hiện quá trình thẩm thấu ngược.
Quá trình thẩm thấu ngược có thể so sánh với quá trình lọc vì nó cũng là quá
trình chuyển chất lỏng từ một hỗn hợp qua vách lọc. Tuy nhiên áp suất thẩm thấu
là đại lượng rất nhỏ nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong thẩm thấu ngược.
Quá trình lọc tách một hỗn hợp dựa vào kích thước hạt, ngược lại màng thẩm
thấu ngược chỉ cho phân tử nước đi qua còn giữ lại các chất hòa tan trên bề mặt.
Dòng thấm qua F di qua một màng bán thấm có chiều dày được tính theo biểu
thức sau:
( )
W W
D C V
F P
RTd
= ∆ −Π
. (1.2)
− Trong đó:
D
w
– hệ số khuếch tán.
C
w
– nồng độ của nước.
V – thể tích mol của nước.
ΔP – áp suất dẫn động, nghĩa là tạo động lực cho quá trình.
Biểu thức này cho thấy lượng nước trong nhận được trong một đơn vị thời
gian từ một đơn vị bề mặt tỉ lệ nghịch với độ dầy của màng.
Quá trình phân tách bằng màng phụ thuộc vào áp suất, điều kiện thủy động,
kết cấu thiết bị, bản chất và nồng độ của dung dịch, nhiệt độ và hàm lượng các
chất có trong dung dịch. Sự tăng nồng độ dung dịch dẫn đến tăng áp suất thẩm
thấu của dung môi, tăng độ nhớt của dung dịch và tăng sự phân cực nồng độ, dẫn
đến giảm độ thấm qua và độ chọn lọc. Để giảm ảnh hưởng của phân cực nồng
độ, người ta sử dụng thẩm thấu ngược với việc tuần hoàn dung dịch và tăng mức
8
Đồ án tốt nghiệp
độ xoáy của lớp chất lỏng gần màng bằng cách sử dụng khuấy cơ học, bộ phận
tạo rung hay tăng tốc độ dòng chảy.
Bản chất của chất hòa tan có ảnh hưởng tới độ chọn lọc, ở khối lượng như
nhau nhưng các chất vô cơ bị giữ lại trên màng tốt hơn các chất hữu cơ.
− Khi tăng áp suất, năng suất riêng của màng tăng lên vì động lực quá trình
tăng. Nhưng ở áp suất cao, vật liệu màng dễ bị nén chặt dẫn đến giảm độ
thấm qua, do đó phải thiết lập áp suất làm việc cực đại cho từng loại
màng.
− Khi tăng nhiệt độ, độ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm và
sẽ làm tăng độ thấm qua. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, mao quản của màng
bắt đầu bị co ngót và thắt lại dẫn đến giảm độ thấm qua, đồng thời tốc độ
thủy phân cũng tăng làm tuổi thọ của màng giảm.
I.3.2. Siêu lọc
Là quá trình sử dụng màng để phân tách các dung dịch chứa các chợp chất cao
phân tử và các phân tử thấp cũng như chiết tách chúng. Quá trình được tiến hành
nhờ chênh lệch áp suất trước và sau màng. Siêu lọc khác với thẩm thấu ngược là
phân tử lượng của chất tan lớn hơn nhiều lần so với phân tử lượng của dung môi.
Cả siêu lọc và thẩm thấu ngược đều phụ thuộc vào áp suất, lưu lượng chất lỏng
đi qua màng lọc phụ thuộc vào áp suất. Khi có chênh lệch áp suất thấp, lưu lượng
tỉ lệ thuận với động lực quá trình ΔP và tỉ lệ nghịch với trở lực của màng R
m
.
Sự phân cực trong siêu lọc thường lớn hơn thẩm thấu ngược vì hằng số
khuyếch tán với phân tử macro nhỏ hơn 100 đến 1.000 lần so với các muối.
Siêu lọc thường được dùng để khử đất sét, vi sinh vật, các chất thực vật và để
tách nước cho bùn.
9
Đồ án tốt nghiệp
Các ưu điểm nổi bật của thẩm thấu ngược và siêu lọc so với các phương pháp
khác là sự đơn giản về công nghệ, chỉ việc tiến hành ở nhiệt độ thường điều này
rất quan trong cho việc tách các dung dịch không bền nhiệt.
Những ứng dụng tốt được biết tới của siêu lọc và thẩm thấu ngược là:
− Sự khử nước biển và nước lợ thành nước ngọt.
− Sự xử lí của các dòng chảy của quá trình đặc biệt trong các ngành công
nghiệp hóa chất, thực phẩm,giấy và dệt.
− Sự tăng nồng độ của nhũ tương và các dung dịch enzim,và sự phân tách
của protein từ nước sữa đã tách pho mat.
I.3.3. Thẩm tích và điện thẩm tích
Thẩm tích là quá trình tách chất rắn bằng sử dụng sự khuếch tán không bằng
nhau qua màng. Tốc độ khuếch tán F
d
liên quan đến gradient nồng độ ΔC qua
màng.
.
d d
F K A C= ∆
(1.3)
− Trong đó:
K
d
là tổng hệ số thẩm tích.
A: là điện tích của màng.
ΔC: là gradient nồng độ.
Điện thẩm tích được thực hiện bằng cách đặt các màng có tính chọn lọc với
cation và anion luân phiên nhau dọc theo dòng điện. Khi đưa dòng điện vào, các
cation được gắn điện đi qua màng trao đổi cation về một hướng, còn các anion sẽ
đi qua màng trao đổi anion đi về một hướng khác.
Quá trình điện thẩm tích thường được dùng để loại bỏ các hạt nhiễm bẩn trong
máu cho bệnh nhân bị tiểu đường, máu sạch được đưa trở lại cho người bệnh,
10
Đồ án tốt nghiệp
còn các muối nhiễm bẩn bị thải ra ngoài. Trong công nghiệp người ta dùng điện
thẩm tích trong việc chế tạo cao su tổng hợp trong khâu visco hóa. Nhiều quá
trình điện thẩm tích sử dụng màng ion chọn lọc đã được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp làm sạch nước sinh hoạt, hay tuần hoàn lại nước đã dùng, hay làm
đặc dung dịch.
I.3.4. Vi lọc
Quá trình vi lọc là quá trình lọc các phân tử có thể nhìn thấy được bằng mắt
thường qua màng. Thường dùng để tách dung dịch của các hỗn hợp keo (Caloid)
của các hạt lớn hay các hạt lơ lửng ( huyền phù) có cỡ hạt khoảng 0.1-10µ km.
Quá trình này đôi khi gọi là Microfil. Động lực của nó là chênh lệch áp suất giữa
hai bên bề mặt màng. Chúng làm việc ở áp suất cao hơn cỡ 10 – 100 Mpa. Nó
được dùng chú yếu trong ngành điện tử, y, dược, y dược và vi khuẩn sinh học.
Nhờ có ảnh hưởng của điện trường mà các phần tử nhiễm điện sẽ di chuyển theo
hướng mà người dùng mong muốn. Ngoài ra còn được dùng để cô đặc dung dịch
huyền phù, xử lý nước thải và nước sinh hoạt. Nó được lọc dung dịch trước khi
đưa sang siêu lọc hay thẩm thấu ngược.
I.3.5. Tách khí bằng màng
Tách khí bằng màng là một quá trình có ứng dụng rất lớn trong việc làm sạch
khí và có hiệu quả kinh tế cao. Nó được biết đến từ hai thập niên trước đây trong
một số thí nghiệm. Các màng có lỗ pore và không có lõ pore đều được dùng để
phân tách chọn lọc khí, khí qua màng chủ yếu là do khuếch tán đối lưu. Những
màng có kích thước siêu nhỏ hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi nhưng đã
được tiến hành trong phòng thí nghiệm như các màng gốm, thủy tinh xốp.
Tách khí bằng màng có một số ứng dụng quan trọng như:
a) Tách khí H
2
:
11
Đồ án tốt nghiệp
Dùng màng để tách H
2
ra khỏi hỗn hợp khí N
2
, NH
3
là một ứng dụng quan
trọng. Khí H
2
nhẹ và có khả năng thấm cao hơn so với các khí khác. Trước đây,
người ta thường dùng màng polysulfone hay màng xenlulo axetat nhưng hiện
nay chủ yếu sử dụng màng từ vật liệu tổng hợp như polyamid.
b) Tách khí O2 và N2 từ không khí
Màng được sử dụng cho quá trình này thường là: poly4 metyl -1pentan(TPX)
và etyl xenlulo. Các vật liệu polime chế tạo có độ chọn lọc
α
= 1 – 5 nhưng giá
trị thực tế thấp hơn. Loại màng thứ hai được cải tiến có độ chọn lọc cao hơn
α
=
6 – 7, cho hiệu quả kinh tế cao hơn, đặc biệt ứng dụng trong xưởng sản xuất nhỏ.
c) Tách khí thiên nhiên
Khí thiên hiên có thành phần khác nhau đáng kể. Trong đó CH
4
là cấu tử
chính, thuờng chiếm tới 75 – 90%. Ngoài ra khí thiên nhiên còn chứa đáng kể
hàm lượng C
2
H
6,
một ít C
3
H
8,
C
4
H
10
, từ 1- 3% các khí C
x
H
y
và một số chất không
mong muốn khác như: H
2
O, CO
2
, N
2
và H
2
S. Thành phần các khí rất khác nhau
nhưng phải xử lý để khống chế thành phần khí trước khi đưa vào đường ống vận
chuyển. Khí tự nhiên lấy từ giếng khoan và vận chuyển đến các nhà máy xử lý
để giảm thiểu chi phí nén lại, quá trình phải loại bỏ các tạp chất khỏi dòng bằng
cách cho thấm qua chỉ còn lại C
2
H
6
, CH
4
và C
x
H
y
trong dòng khí ra. Tùy các chất
mà có các loại màng khác nhau. Do H
2
O có khối lượng nhỏ và dễ ngưng tụ
thường được tách khỏi CH
4
nhờ màng polyme cao su và thủy tinh.
Ngoài ra, quá trình tách khí bằng màng còn có ứng dụng trong việc tách CO
2
,
dehydration, tách hợp chất hữu cơ khỏi dòng trước khi thải ra môi trường,…
12
Đồ án tốt nghiệp
I.4. Nguyên lý của quá trình bay hơi qua màng
Bay hơi qua màng (Pervaporation – PV) là một quá trình màng mà ở đó một
hỗn hợp chất lỏng ban đầu tới một bề mặt màng ở áp suất khí quyển, thẩm thấu
qua màng và bay hơi ở bề mặt kia ở áp suất chân không.
PV là một quá trình phức gồm hai quá trình chuyền khối và chuyển nhiệt giữa
pha lỏng và pha hơi theo đó xảy ra sự chuyển pha từ hỗn hợp đầu sang hỗn hợp
thẩm thấu (permeat). Nhiệt hoá hơi được lấy ra từ nhiệt trong bản thân chất lỏng
dẫn tới sự giảm nhiệt độ trên bề mặt màng.
Động lực của quá trình bay hơi qua màng là sự chênh lệch thế hoá giữa hai
bề mặt màng, điều này được tạo ra bởi chênh lệch áp suất riêng phần hay chênh
lệch hoạt độ của các cấu tử giữa hai bên bề mặt màng. Chất thấm qua màng và
bay hơi là do áp suất hơi riêng phần của chất thấm qua thấp hơn áp suất hơi bão
hoà. Động lực này thường được tạo ra bằng bơm hút chân không hay sử dụng
khí trơ mang như:hơi nước, không khí làm giảm áp suất hơi riêng phần của chất
thấm qua.
13
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý quá trình bay hơi qua màng dùng
bơm chân không và khí mang
Hỗn
hợp đầu
Dung dịch
loãng
Dung dịch
đặc
Dung dịch
đặc
Dung dịch
loãng
Hỗn hợp đầu
TB trao đổi
nhiệt
TB trao
đổi nhiệt
Khí mangBơm chân
không
Màng Màng
Đồ án tốt nghiệp
I.5. Cơ chế chuyển khối qua màng
Có hai cơ chế vận chuyển qua màng là cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ
chế lỗ (pore-flow). Cả hai cơ chế này đều được đưa ra từ thế kỷ 19, nhưng chỉ
có cơ chế lỗ được chấp nhận. Tuy nhiên trong những năm 1940 cơ chế khuếch
tán dung dịch được sử dụng để giải thích về quá trình vận chuyển khí qua màng
polyme nhưng không thành công lắm. Sau những cuộc tranh luận của các nhà
khoa học về cơ chế của quá trình thẩm thấu ngược thì mãi đến năm 1980 cơ
chế khuếch tán dung dịch mới được chấp nhận.
I.5.1 Cơ chế khuếch tán dung dịch
Quá trình bay hơi qua một màng không có lỗ mao quản được thực hiện bởi
sự khác nhau về độ tan hay độ phân tán. Chất lượng của quá trình bay hơi qua
màng có thể miêu tả giống như một quá trình trong đó gồm có các bước sau:
- Sự hấp phụ chọn lọc lên bề mặt màng phía trên của nguyên liệu đầu.
- Khuếch tán chọn lọc qua màng.
- Nhả hấp phụ và giai đoạn hoá hơi ở bề mặt màng phía dưới.
Cơ chế khuếch tán dung dịch cho rằng động lực của quá trình là sự chênh
lệch gradient nồng độ giữa hai bề mặt màng. Các cấu tử khi tới bề mặt màng
sẽ khuếch tán qua màng do đó cơ chế này tuân theo định luật Fick
dx
dc
DJ
i
ii
=
(1.4)
Với D
i
là hệ số khuếch tán, dc
i
/dx là gradient nồng độ.
14
Đồ án tốt nghiệp
I.5.2 Cơ chế lỗ (pore-flow)
Cơ chế thấm qua pore cho rằng các cấu tử sẽ chui qua các lỗ nhỏ (pore) trên
bề mặt màng, màng đóng vai trò như một vách lọc sẽ cho các cấu tử nhỏ đi qua
và giữ các cấu tử còn lại trên bề mặt màng. Động lực của quá trình được biểu
thị qua gradient áp suất, dòng qua màng được biểu diễn theo định luật Darcy:
( )
l
ppk
J
−
=
0
(1.5)
Trong đó:
J - Lưu lượng dòng qua màng, kg/m
2
h
k - Hệ số của định luật Darcy
l - Độ dày của màng, m
I.5.3 So sánh giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ
Đế thấy được sự khác nhau giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ ta
lấy ví dụ về quá trình thẩm thấu của dung dịch muối/nước qua màng
15
Đồ án tốt nghiệp
Hình2 Sơ đồ giải thích cơ chế khuếch t án qua màng với dung dịch
muối/nước
Ở hình (2a) áp suất thẩm thấu: Δπ=Δp = 0. Vì vậy áp suất thẩm thấu nhỏ hơn
hơn chênh lệch hoạt độ giữa hai bên bề mặt màng Δπ < Δ(γc) thế hoá ở phía
dung môi lớn hơn ở phía dung dịch nên sẽ xảy ra quá trình thẩm thấu, nước sẽ
chuyển qua màng từ phía dung môi sang dung dịch.
16
Đồ án tốt nghiệp
Ở hình (2b) chênh lệch áp suất bằng áp suất thẩm thấu bằng chênh lệch hoạt độ
Δπ = Δ(γc) thế hoá hai bên bề mặt màng không đổi quá trình thẩm thấu cân bằng.
Ở hình (2c) áp suất thẩm thấu lớn hơn chênh lệch hoạt độ, thế hoá phía dung
dịch lớn hơn phía dung môi nên sẽ xảy ra quá trình thẩm thấu ngược, nước từ
phía dung dịch chuyển sang dung môi
Hình3 Sơ đồ giải thích cơ chế lỗ thẩm thấu dung dịch muối/nước
17
Đồ án tốt nghiệp
Ở hình (3a) chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng Δp =0. Áp suất thẩm
thấu Δπ > Δp thế hoá ở phía dung dịch nhỏ hơn phía dung môi nên quá trình
thẩm thấu diễn ra nghĩa là dòng nước đi từ phía dung dịch sang phía dung môi.
Ở hình (3b) chênh lệch áp suất bằng áp suất thẩm thấu Δp = Δπ nên thế hoá
ở hai bên bề mặt màng như nhau do đó có sự cân bằng thẩm thấu.
Ở hình (3c) chênh lệch áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu Δp > Δπ, thế hoá ở
phía dung dịch lớn hơn ở phía dung môi do đó xảy ra quá trình thẩm thấu
ngược nghĩa là dòng nước chuyển từ phía dung môi về dung dịch
I.6. Một số phương pháp nhằm làm giảm áp suất hơi riêng phần ở bề mặt
thấm qua
I.6.1. Dùng bơm chân không
Tất cả hơi thấm qua có thể loại bỏ bằng cách sử dụng bơm chân không.
Điều này được thực hiện dễ dàng khi thể tích hơi thấm qua là tương đối nhỏ hoặc
áp suất trên bề mặt thấm qua là không quá thấp. Tuy nhiên khi sử dụng những
bơm chân không có năng suất lớn thì sẽ tiêu tốn một lượng năng lượng rất lớn.
Hơi sau khi được hút bởi bơm chân không thì có thể được ngưng tụ ở phía cuối
bơm. Điều này là cần thiết khi đảm bảo những quy tắc về an toàn cháy nổ.
I.6.2. Dùng thiết bị ngưng tụ
Hơi thấm qua màng được ngưng tụ ở nhiệt độ đủ thấp. Đây là một cách hiệu
quả để duy trì áp suất hơi trên bề mặt thấm qua thấp. Nhiệt độ ngưng tụ có thể
đạt được bằng nước lạnh hay trong một vài trường hợp dùng chất tải lạnh làm
nhiệt độ xuống tới – 20
o
C. Ở nhiệt độ tương đối thấp chỉ có một lượng nhỏ hơi
thấm qua được ngưng tụ. Tuy nhiên phương pháp này vẫn được chấp nhận do có
hiệu quả kinh tế cao. Bề mặt thiết bị ngưng tụ phải được lắp ở khoảng cách nhất
định so với bề mặt thấm qua của màng, tất cả các khí không ngưng phải được
loại bỏ để giảm thiểu trở lực cho quá trình vận chuyển hơi thấm qua đến bề mặt
18
Đồ án tốt nghiệp
ngưng tụ và mất mát áp suất. Nhiệt độ ngưng tụ thấp nhưng không làm quá trình
đóng băng xảy ra.
I.6.3. Dùng khí trơ mang
Bề mặt thấm qua của màng được thổi một dòng khí trơ trong đó áp suất hơi
riêng phần của thành phần tách ra được giữ thấp hơn so với áp suất trên bề mặt
chứa nguyên liệu. Dòng khí trơ phải được xử lí sơ bộ trước khi sử dụng và khí
sau khi cuốn theo hơi thấm qua có thể không thải ra ngoài ngay mà được xử lí và
tuần hoàn lại. Quá trình xử lí lại thường là ngưng tụ hơi cùng khí trơ ở nhiệt độ
đủ thấp, tiếp đó là quá trình đun nóng để giảm độ ẩm tương đối và tăng khả năng
cuốn theo của khí trơ.
Nếu áp suất hơi riêng phần thấp thì khả năng cuốn theo của dòng khí trơ sẽ
thấp do đó cần có lượng khí lớn.
I.7. Màng dùng trong quá trình bay hơi qua màng ( Pervapotation )
Màng có thể chia thành màng ưa nước và màng ưa chất hữu cơ. hay màng
làm từ vật liệu vô cơ và màng polyme
− Màng ưa nước ( hydrophilic) cho nước đi qua, dùng chủ yếu để loại nước
khỏi các dung môi hữu cơ đặc biệt là hỗn hợp đẳng phí. Các màng dùng để
lọc các phân tử ancohol, metanol và isopropanol về bản chất cũng là màng
ưa nước. Các màng này làm từ các polyme khác nhau mà có ái lực với nước
cao. Những polime này chứa các ion, các nhóm chức chứa O như: -OH,
-COO,…và chúng phải được cross-linked để không bị tan trong quá trình
phủ. Một số polime thường dùng là: PVA( polivinyl ancohol), poliemides,
các loại polime tự nhiên phủ chitosan, CA(xenlulo axetat), …
− Các màng ưa các chất hữu cơ ưu tiên các hợp chất không phân cực đi qua,
dùng để loại các cấu tử hữu cơ dễ bay hơi khỏi dòng khí.
Một số màng dùng trong PV:
19
Đồ án tốt nghiệp
a. Màng PEC ( Màng các polime điện ly bất đối)
Gồm màng chitosan và được hấp phụ bằng PAA ( Poly acrilic acid ). Sự
hấp phụ và tạo thành màng PEC bằng cách cho một màng mỏng chitosan tiếp
xúc với dung dịch PAA. Màng PEC có độ chọn lọc cao khi chỉ có một lượng nhỏ
PEC được tạo thành ở bề mặt màng chitosan. Tiến hành thí nghiệm với hệ
ethanol - nước, độ chọn lọc nước của màng cao đến mức không phát hiện có
ethanol trong nước khi phân tích bằng sắc ký khí.
b.Màng PVA
Được tổng hợp bằng cách trộn lẫn PPA và poly ( acrylic acid và maleic acid
) và muối Na trong đó có mặt của H
2
SO
4
để xúc tác cho phản ứng xảy ra. Màng
này cũng có tính chất thấm chọn lọc với nước tốt. Tất cả các hệ thống
dehydration trong thực tế đều dùng màng PVA do có hiệu quả kinh tế cao.
c.Màng xenlulo axetat
Màng xelulo axetat được tạo ra bởi vi khuẩn Acetobacter và dùng để sử
dụng trong quá trình bay hơi qua màng đối với các hợp chất hữu cơ. Màng này
cũng có độ chọn lọc cao với nước.
d. Màng Zeolites
Zeolites là vật liệu tinh thể xốp mịn có nhiều lỗ nhỏ kích thước phân tử.
Chúng được hợp thành từ các đơn vị tetrahedral TiO
4
(T=Si,Al) tạo thành một
mạng có 1,2 hay 3 phân tử. Tính ưa nước hay kỵ nước của màng phụ thuộc vào
tỷ lệ Si/Al.
Bảng 3: Liệt kê một số loại màng và đặc tính của nó trong quá trình PV:
Vật liệu màng
Phân tách
hỗn
hợp(A/B)
Thành phần
của A trong
nguyên liệu
Mức độ
chọn lọc
/A B
α
Dòng
thấm
qua
20
Đồ án tốt nghiệp
Màng polime ưa nước:
- Polyvinyl
ancohol
Nước/ethanol 0,1 - 8
50-
2000
0 – 2
- Polyamide-6 Nước/ethanol 30 2 1,15
- Polyamide-6
Nước/
dioxane
50 45 0,04
- PESS Li
+
Nước/
isopropanol
11 40 0,005
- PESS K+
Nước/
isopropanol
11 60 0,087
Màng polyme kị nước:
- Polypropylen
Axeton/
Nước
45 3 0,1– 1,2
- Cao su dẻo
Isopropanol/
Nước
9 – 100 9 – 22 0,03 – 11
- PDMS
Butylaxetat/
Nước
0,7 370 0,55
- PDMS
MIBE/
Nướ0063
5 280 1,2
- PEBAX
Aniline/
Nước
5,5 198 1,8
Màng vô cơ:
- Zeolite NaA.
Ethanol/
nước
5 5100 3,35
- Zeolite NaY
Methanol/
MTBE
10 7600 0,32
- PERVATECH
Nước/ Acetic
acid
5 150 2,5
21
Đồ án tốt nghiệp
I.8. Ứng dụng của quá trình Pervarporation (PV), sơ đồ công nghệ hệ thống
màng.
Có ba hướng ứng dụng của quá trình PV đó là: Sự khử nước, phân tách hợp
chất hữu cơ khỏi nước, phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ.
I.8.1. Sự tách nước ( dehydration )
Đây là một ứng dụng thuận lợi của quá trình PV bởi vì hỗn hợp đẳng phí
ethanol với nước là 95% thể tích, dùng quá trình PV có thể tạo ra sản phẩm
ethanol có nồng độ cao vượt khỏi điểm đẳng phí là cần thiết mà chưng đơn giản
không làm được. Khi dùng các loại màng PVA, CTA, Anionic để nâng cao nồng
độ Ethanol thì Ethanol ở phía nguyên liệu sẽ tăng lên đến 99.5% với nguyên liệu
đầu vào là 95% V. Dòng thấm qua chứa khoảng 50% Ethanol có thể quay ngược
lại tháp chưng cất.
Nguyên liệu là sản phẩm lên men có hàm lượng Ethanol >5% được đưa vào
tháp chưng cất. Tháp chưng cất tạo ra sản phẩm ethanol có nồng độ 80-90%
được dùng làm nguyên liệu cho hệ thống bay hơi. Để tạo chênh lệch áp suất lớn
nhất giữa hai bề mặt màng thì nhiệt độ làm việc từ 105 - 130
o
C và áp suất hơi 2 -
6 at. Với điều kiện như vậy thì thời gian hoạt động tốt của màng là 4 năm.
Trong thực tế có thể dùng 3 - 4 thiết bị bay hơi được xếp thành 1 dãy và có
sự bổ xung nhiệt giữa các giai đoạn. Nhìn chung năng lượng sử dụng cho quá
trình thấp khoảng 0.5 kghơi/1kg sản phẩm Ethanol. Do đó năng lượng tiêu
thụ của quá trình bay hơi là 500 Btu/l sản phẩm ít hơn năng lượng dùng trong
chưng luyện đẳng phí là 20%.
22
Đồ án tốt nghiệp
I.8.2. Phân tách chất hữu cơ hoà tan khỏi nước
Ứng dụng của PV dùng để loại bỏ các thành phần hữu cơ khỏi nước. Nếu
dòng nguyên liệu chứa 1-2% chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) có thể thu lại và tái
sử dụng để nâng cao hiệu quả kinh tế.
Một số loại màng có thể sử dụng để phân tách VOC khỏi nước đã được nghiên
cứu. Thường sử dụng các loại màng được làm từ những polyme hữu cơ như:
silicon, Polybutadien, cao su tự nhiên, đồng trùng hợp Polyamide và Polyether.
Màng là cao su thì thích hợp với sự phân tách các hợp chất hữu cơ không tan
trong nước ra khỏi nước như: toluen hay Tricloethylene (TCE). Sau khi ngưng
tụ thành phần hơi thấm qua màng thu được sản phẩm có nồng độ cao gấp 1.000
lần nguyên liệu vào. Như vậy chất thấm qua màng chứa hầu hết các chất hữu cơ
tinh khiết và nước còn lại chứa một lượng nhỏ VOC và có thể tuần hoàn lại. Với
các chất hữu cơ “yêu nước”(hydrophobic) thì hiệu quả phân tách đạt được kém
hơn như: Ethyl acetat, Methylene Chloride, Butanol.
23
Hình 2. Sơ đồ kết hợp chưng luyện và bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ cồn
Đồ án tốt nghiệp
Ngoài ra còn ứng dụng PV để loại bỏ các thành phần hữu cơ trong nước thải.
Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự bay hơi của các chất hức cơ dễ bay hơi qua
màng:
- Bản chất của chất hữu cơ
- Nồng độ
- Tốc độ dòng
- Nhiệt độ
I.8.3. Phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ
Trong sự cạnh tranh với chưng cất thì với hỗn hợp các chất hữu cơ ở điểm
đẳng phí hay hỗn hợp các chất có nhiệt độ sôi xấp xỉ nhau thì hiệu quả phân
tách khó có thể đạt được bằng chưng cất. PV có thể sử dụng để phân tách những
hỗn hợp này.
Mức độ phân của hỗn hợp hai cấu tử phụ thuộc vào độ nhớt tương đối, độ
chọc lọc của màng và điều kiện hoạt động.
- Phân tách hỗn hợp Benzen/ Cychlohexane bằng màng Xenlulo acetat.
Hỗn hợp đẳng phí chứa 50% Benzen và thành phần thấm qua màng chứa
hơn 95% Benzen.
- Phân tách hỗn hợp các hydrocacbon thơm hay chất béo. Với những
hydrocacbon có có nhiệt độ sôi gần nhau thì tính thấm qua giảm dần theo
thứ tự sau: các hydrocacbon thơm > hydrocacbon no > hydrocacbon không
no.
- Còn với những chất béo có nhiệt độ sôi xấp xỉ nhau thì tính thấm qua
giảm dần như sau: cấu trúc mạch thẳng > cấu trúc mạch vòng > cấu trúc
mạch nhánh.
24
Đồ án tốt nghiệp
Mục đích của quá trình này là đạt được hiệu quả phân tách lớn giữa các hỗn
hợp hydrocacbon bằng PV do đó màng sử dụng phải có độ chọn lọc và tính
thấm qua cao.
I.8.4 Sơ đồ công nghệ hệ thống bay hơi qua màng dùng để nâng cao nồng độ
dung dịch Etylic - nước
(Xem bản vẽ kèm theo)
25
