Kỹ Thuật Màng và Ứng Dụng
Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màng
Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn
Khái quát về kỹ thuật màng
Khái niệm Màng Membrane
Sinh học
- Là mội lớp mỏng bao phủ bề mặt hoặc phân chia các phần, cấu trúc hoặc cơ quan trong cơ thể động hoặc thực vật - Màng tế bào
Hóa học
Mảnh vật chất mỏng được làm từ vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có khả năng thấm (cho đi qua) một cách chọn lọc một chất nào đó trong hỗn hợp hoặc dung dịch
1
Khái quát về kỹ thuật màng
Thị trường màng toàn cầu năm 2000
Tốc độ tăng trưởng
Doanh số bán màng và thiết bị màng (Triệu USD)
16
150
150
350
14
150
200
12
100
10
400
8
Grow th rate (%/year)
6
4
350
2200
2
350
0
n
n
e
n
g
y
x
d ia l y
o
o
e
p
n c
e
m
e
s
u
a ti o n s
H
o
e
o
n
o
Hemodialysis/filtration
Blood oxygenator
Water desalination
F
e
s tic e ll a c
a
str y u d a l/ d i a
g s in a l i n e h
c
g
g o n M i s
y
(w aste) Water purification
Oxygen/nitrogen separation
Food processing
x
s m ic ctr o
s is/filtr a ti o a t o r n a tio a lin d o s u rifi c e W a t e r d B l o a t e r p e st e ) W g n / n itr o e ( w O
str y u d a l in m i c a ly tic n
A
a r a tio d p r o h ( b io ) C E l e
(bio) Chemical industry
Electrochemical industry
Analytical/ dianogstic
Miscellaneous
/H. Strathmann: Membrane Separation processes: Current relevance and future opportunities. AIChE Journal 47(2001),5/
Khái quát về kỹ thuật màng
Công suất tính trên toàn thế giới và số lượng thiết bị vi lọc/siêu lọc đã được lắp đặt dùng cho quá trình xử lý nước
2
/R. Gimbel, G. Hagmeyer. Forum Forschung 2001/
Khái quát về kỹ thuật màng
Lịch sử phát triển kỹ thuật màng
Khái quát về kỹ thuật màng
Lịch sử phát triển kỹ thuật màng
J. Abbe Nollet phát hiện ra hiện tượng thẩm thấu vào năm 1748 Bài báo khoa học đầu tiên được công bố về thẩm thấu: J.A. Nollet, Lecons de physique experimentale, Hippolyte-Louis Guerin and Louis-Francios Delatour, Paris, 1748.
3
Khái quát về kỹ thuật màng
Lịch sử phát triển kỹ thuật màng
1907 Bechold giới thiệu đến khái niệm về siêu lọc 1950 Hassler đề cập đến quá trình tách muối từ
nước biển
1958 Sidney Loeb và S. Sourirajan nghiên cứu chế
tạo thành công màng Polymer 1961 Loeb-Sourirajan đăng ký phát minh cho
phương pháp chế tạo màng của mình 1962 Loeb-Sourirajan phát minh ra màng bất đối
xứng
Khái quát về kỹ thuật màng Màng tế vi Microporous Membrane
4
Khái quát về kỹ thuật màng
Màng không lỗ Nonpore Membrane
Khái quát về kỹ thuật màng
Màng bất đối xứng Assymetric Membrane
5
Khái quát về kỹ thuật màng Màng gốm Ceramic Membrane
Khái quát về kỹ thuật màng
Mô đun màng
Dịch đặc Retentat
Đầu vào Feed
Màng
Nước trong Permeat
Mo đun: Một phần thiết bị khép kín có chứa màng
6
Khái quát về kỹ thuật màng
Mô đun màng
Khái quát về kỹ thuật màng
Đặc trưng của các quá trình tách dùng màng
7
Khái quát về kỹ thuật màng
Phân loại Các quá trình màng
Trạng thái tập
Cơ chế phân tách
hợp
Đối tượng phân tách
Động lực
Vi lọc(MF) Lỏng (F) / Lỏng (F) Chênh lệch áp suất Cơ chế sàng (Lọc sâu/cake Siêu lọc (UF) Lọc nano (NF) filtration) Hấp phụ + Thẩm thấu ngược Khuêchtán (chênh lệch thế hóa) (RO) Hấp phụ + Lỏng (F) / Khí (G) Thấm bốc (PV) Khuêch tán
Khí (G)/Khí (G) Khí (G)/Khí (G) Tách hơi (VP) Tách khí (GS) Bay hơi Hấp phụ + Chênh lệch áp suất riêng phần Khuêch tán
Chênh lệch nồng độ Hấp phụ + Lỏng (F) / Lỏng (F) Thẩm tích(D) Thẩm tích khuêch Tán (DE) Khuêch tán
Độ linh động điện Lỏng (F) / Lỏng (F) tích Chênh lệch điện thế Điện thẩm tích (ED) Điện thẩm tích lưỡng cực(BED)
1nm
0,1μm
10μm
Khái quát về kỹ thuật màng Siêu lọc và vi lọc
• Dùng nguyên lý tách thuần vật lý
•
Tiết kiệm được chi phí xử lý sơ bộ ( do có thể thay thế nhiều khâu xử lý sơ bộ)
• Đáp ứng được yêu cầu chất lượng ngày càng
tăng
• Dễ dàng tự động hóa
Vi lọc và siêu lọc để xử lý nước
8
Khái quát về kỹ thuật màng
Thẩm thấu ngược
Khái quát về kỹ thuật màng
Lọc Nano
9
Khái quát về kỹ thuật màng
Thấm bốc
Mô Đun Màng
Dịch đặc
Hỗn hợp cần phân tách
Dịch trong
Khái quát về kỹ thuật màng
Bơm chân không
Tách khí
Màng
Lọc, làm khô
Không khí
Khí thải
Máy nén
10
Khái quát về kỹ thuật màng
Điện thẩm tích
Nước biển
HCl
NaOH
Khái quát về kỹ thuật màng
Các khái niệm cơ bản
Phân tố màng
Mô đun màng
Cấu trúc phát triển các quá trình màng
Bố trí mô đun
RO
Quá trình tổng thể
Bốc hơi
11
Khái quát về kỹ thuật màng
Các khái niệm cơ bản
Độ chọn lọc/Mức giữ lại – Dòng nước trong
- ĐỘ CHỌN LỌC (Sij) của màng thể hiện khả năng lựa chọn cho phép một cấu tử nhất định nào đó thấm qua
im&
-Năng suất của màng được đánh giá qua DÒNG NƯỚC TRONG ( ) đạt được trong điều kiện vận hành nhất định
- Độ chọn lọc và dòng nước trong là các thông số cục bộ, thay đổi theo loại mô đun màng, vị trí khảo sát
Khái quát về kỹ thuật màng
Dịch đặc
Dịch vào
Nước trong
Màng
Dịch vào
Nước trong
Dòng
12
Khái quát về kỹ thuật màng
Các khái niệm cơ bản Động lực – Trở lực Dòng = Động lực/Trở lực
Quá trình Pha Động lực Loại màng Ứng dụng L/L ∆p đến 200bar Bất đối xứng RO
Xử lý nước, và các dung dịch với nước L/L ∆p đến 60bar Bất đối xứng NF
Phân riêng các chất tan trong dung dịch với nước L/L ∆p đến 10bar Màng bất đối xứng, lỗ UF
Cô đặc, phân loại các dung dịch cao phân tử,… ED L/L Điện trường vuông góc Thận nhân tạo, tuần với bề mặt màng Màng đối xứng có đính các nhóm ion hoan các axit Thấm bốc PV L/H Hạ áp suất phía nước trong Màng bất đối xứng không lỗ Phân tách các hỗn hợp chất hữu cơ Thẩm thấu khí H/H Màng bất đối xứng không lỗ Phân tách H2/N2, CO2/CH4 O2/N2
Khái quát về kỹ thuật màng
Tăng áp suất phía dịch đặc lên tới 80 bar hoặc hạ áp suất phía nước trong -> chênh lệch áp suất riêng phần
Các khái niệm cơ bản
Nguyên lý hoạt động của một số quá trình màng tiêu biểu
Thẩm thấu ngược
Tách khí ( áp suất dư)
Dịch đặc
Dịch đặc
Dịch vào Dịch vào
(lỏng)
(hơi)
Nước trong
Nước trong (hơi)
(lỏng)
Thấm bốc
Thẩm khí ( áp suất chân không)
Dịch vào Dịch vào
(lỏng)
(hơi)
Dịch đặc
Dịch đặc
13
Khí trơ Nước trong Nước trong (lỏng) Nước trong Hơi
Khái quát về kỹ thuật màng
Các khái niệm cơ bản Động lực tổng quát – Chênh lệch thế hóa
Thế hóa của cấu tử i
=
μ i
G ∂ x ∂ i
⎛ ⎜⎜ ⎝
⎞ ⎟⎟ ⎠
, xTp
,
i x ≠
k
Thế hóa tương ứng với công nhỏ nhất của hệ thống phải nhận được khi thực hiện sự thay đổi nồng độ 1-> 2
2
,
2/1
) dx i
∫=
1 0
0
RT
ln
,
p
,
+
+
−
0 = μ
)
W ( pT ,
( ,μ xpT i i )
)
)0
i
( xpTa , i i
~ ( pV i
μ i
( xpT , i
Với khí lý tưởng
RT
ln
+
( ) T
( ) T
μ i
0 = μ i
p i 0 p
Áp suất thẩm thấu
i
a i
ln~−=π
RT V i
Khái quát về kỹ thuật màng
Các khái niệm cơ bản Động lực tổng quát – Chênh lệch thế hóa
Quá trình vận chuyển cấu tử i trong quá trình Thẩm thấu ngược:
p
Δ
μ
=
−
−
=
)π
( − ππ
] )
~ [ pV i
F
p
, Fi
, Pi
~ ( pV Δ−Δ i
ROi
γ iF
ln
ln
RT
RT
μ
π
Δ
=
=
=
−
~ V i
, Fi
RT ln~ V
Đối với quá trình Thấm bốc (PV), có thể viết: pa iS iF p iP
px iS i p iP
p iS yp iP
i
⎤ ⎥ ⎦
⎡ ⎢ ⎣
Do
p
−
nhỏ không đáng kể, có thể bỏ qua
)0
PVi ~ ( pV F i
Đối với quá trình tách khí (GP), có thể viết:
RT
ln
RT
ln
=
=
Δμ i
GP
p iS p iP
xp iF yp iP
14
Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệm cơ bản
Các loại trở lực của quá trình màng
- Trở lực của lớp màng (lớp hoạt động)
- Trở lực thủy lực bên phía nước trong và dịch đặc (giảm động lực chung)
- Phân cực nồng độ trên bề mặt màng
- Trở lực chuyển khối của lớp phụ trợ
- Trở lực truyền nhiệt (phân cực nhiệt độ) đối với quá trình PV
Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệm cơ bản
Ảnh hưởng của tổn thất áp suất đến động lực của quá trình
Ảnh hưởng của tổn thất áp suất
15
Kỹ Thuật Màng và Ứng Dụng
Bài 2: Chế tạo các loại màng
Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn
Chế tạo các loại màng
Phân loại màng dựa vào xuất xứ và vật liệu chế tạo
Màng
Tổng hợp Sinh học
Màng lipid
Lỏng
Rắn
Hỗ trợ
Nhũ tương
Vô cơ Hữu cơ Đồng thể Polymer Kim loại, gốm
1
Dị thể Composit
Chế tạo các loại màng
Phân loại màng dựa vào cấu trúc
Lỗ rỗng kèm theo lớp hoạt động
Lỗ rỗng (dạng bọt biển)
Đối xứng
Bất đối xứng
Chế tạo các loại màng
Tiêu chí chọn lựa polymer làm vật liệu chế tạo màng
- Tiêu chuẩn cấu trúc vĩ mô:
- độ bền nhiệt
- độ bền hóa
- độ bền cơ
- Tiêu chuẩn cấu trúc vi mô:
- độ thấm qua đối với một chất nào đó
2
Chế tạo các loại màng
Lựa chọn vật liệu chế tạo màng
Chế tạo các loại màng Lựa chọn vật liệu chế tạo màng
3
Chế tạo các loại màng
Tiên lượng dòng thẩm thấu qua lớp màng dày
i
ố đ g n ơ ư
t
m ấ h t ộ Đ
Khối lượng Mol
Chế tạo các loại màng Tính toán dòng thẩm thấu qua lớp màng dày
4
Chế tạo các loại màng Tính toán dòng thẩm thấu qua lớp màng dày
Chế tạo các loại màng Màng hữu cơ bất đối xứng
Bất đối xứng hỗn hợp
Bất đối xứng tích hợp
Màng composit
Màng polymer đảo pha
(nhiều Polymer)
(một Polymer)
Cấu tạo các loại màng hữu cơ bất đối xứng
5
Chế tạo các loại màng
Sản xuất màng đảo pha
Ảnh REM của mặt cắt a) màng phẳng từ Polyamid b) màng rỗng từ Polyamid - Tạo dung dịch polymer đồng thể (polymer/dung môi/tác nhân kết tủa) có độ nhớt thích hợp
- Cán và kéo thành màng polymer
- Hóa hơi một phần dung môi
- Kết tủa polymer
- Hoàn thiện bề mặt
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng đảo pha
Khí nóng sấy Tấm cán (điều chỉnh chiều cao được) Bay hơi Hỗn hợp đầu Khí điều chỉnh nhiệt độ Hỗn hợp đầu dung môi
Đưa sang phần gia công màng
Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị sản xuất màng đảo pha liên tục
6
Bể dung môi
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng đảo pha
Polymer
Vùng một pha
Vùng một pha
Dung dịch polymer
Vùng hai pha
ộ đ t ệ i h N
B
B’
Vùng hai pha
Polymer
Dung môi
Dung môi
Tác nhân kết tủa
Thành phần
Chế tạo các loại màng
a) Biểu đồ pha b) Nguyên lý quá trình tách dung dịch polymer bằng phương pháp làm lạnh
Các thông số ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của màng đảo pha
Hòa tan – khuyêch tán
Polymer
Nồng độ polymer
Cấu trúc
Các đặc tính lọc và thẩm thấu
Loại dung môi
Loại tác nhân kết tủa
Hoàn thiện bề mặt
7
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng đảo pha
c ọ
l
g n ò D
Thành phần polymer
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng đảo pha
i ạ l
i
c ọ
l
ữ g ộ Đ
g n ò D
Nhiệt độ
8
Chế tạo các loại màng
Các loại màng đảo pha của công ty Koch membrane System
Lớp phụ trợ
Lớp hoạt động
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng composit hữu cơ
Lớp phụ trợ
Lớp hoạt động
mỏng (30nm)
Lớp phụ trợ
Lớp đế
Lớp sợi Polyester
9
Sơ đồ cấu tạo của màng composit dùng trong quá trình RO a) từ Polyamid b) từ Xenlulô Axetat
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng composit hữu cơ
Các phương pháp chính sản xuất màng composit
-Sản xuất lớp hoạt đôgjng riêng, sau đó gắn lên trên lớp phụ trợ
- Các phương pháp tích hợp:
- Nhúng lớp hoạt động vào một dung dịch polymer (hoặc phun dịch polymer lên trên lớp hoạt động có sẵn), đồng thời xứ lý nhiệt, làm khô
-Polymer hóa bề mặt phân chia pha
-Polymer hóa bằng phương pháp plasma
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng composit hữu cơ Phương pháp nhúng
Hướng kéo
Lớp đế
Thấm ướt
Dung dịch polymer
Lớp đế
Màng Composit
Dung dịch polymer
Nguyên lý phương pháp Nhúng
10
Chế tạo các loại màng Sản xuất màng composit hữu cơ
Phương pháp Polymer hóa bề mặt phân chia pha
Màng composit
Lớp Gel
Lớp đế
Lớp dung dịch monomer-nước
Lớp monomer kị nước
Nguyên lý phương pháp Polymer hóa bề mặt phân chia pha
Chế tạo các loại màng
Biến tính màng Polymer
Màng trước và sau khi biến tính bằng Plasma
- Biến tính hóa học
- Grafting
- Biến tính bằng Plasma
11
Chế tạo các loại màng
Màng hữu cơ đối xứng
- Sản xuất bằng phương pháp đảo pha
- Tác nhân kết tủa được đưa vào cùng với khí nóng đang sấy màng vừa được cán
- Grafting
- Biến tính bằng Plasma
-Thiêu kết bột các chất hữu cơ
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ
Ưu điểm của màng vô cơ
- Độ bền nhiệt, bền hóa cao - Sự lão hóa của màng thấp, vòng đời màng dài - Thuận lợi cho việc rửa màng - Đặc trưng phân tách có thể tính toán trước và điều khiển đuơcj
Nhược điểm của màng vô cơ
- Đòi hỏi cấu trúc riêng
12
- Hệ số chịu nhiệt thay đổi theo thành phần hóah ọc của màng, đòi hỏi các phương pháp làm kín đặc biệt - Phương pháp chế tạo phức tạp - Chi phí lớn
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ
Màng có đế vô cơ rỗng đối xứng
- Lớp đế được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết bột kim loại
- Lớp đế được phủ lớp hoạt động lên phía trên
- Bố trí mô đun giống thiết trị truyền nhiệt ống chùm
- Độ bền nhiệt, bền áp suất cao
- màng vô cơ bất đói cứng Cac bon, thủy tinh
Màng có đế vô cơ rỗng bất đối xứng
- Lớp đế vô cơ : đùn ép bột sứ, thiêu kết
- Lớp hoạt động được phủ lên trên lớp đế: dip coating, spin coating,…
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ
Sản xuất cấu trúc phục trợ bằng vật liệu vô cơ
Ảnh REM của màng gốm
13
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ
Sản xuất cấu trúc phục trợ bằng vật liệu vô cơ
Ảnh REM của a) màng Nhôm b) màng Silic
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ
Sản xuất cấu trúc phục trợ bằng vật liệu vô cơ
14
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ
Sản xuất cấu trúc phục trợ bằng vật liệu vô cơ
Màng Carbon
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ
Sản xuất cấu trúc phục trợ bằng vật liệu vô cơ
Màng Carbon- Monolith
15
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ Màng Zeolith
Hạt xúc tác
Cấu trúc bề mặt của màng gốm
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ Màng Zeolith
16
Bề mặt màn ZSM-5 Zeolith
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ Màng Zeolith
Lớp hoạt động làm bằng Zeolith
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ Màng Zeolith
Phủ Sol-Gel Kết tinh Zeolith thành lớp hoạt động Mẫu
PV Tổ ong ống Tách khí Oxihoa, tách nước, ngưng tụ ống nhiều ngăn
Nguyên lý chế tạo các loại màng “ sàng phân tử”
17
Chế tạo các loại màng Màng vô cơ Màng Zeolith
Các cấu trúc của màng Zeolith
Chế tạo các loại màng Màng kim loại
Dung dịch vào
Hấp phụ
Nhả hấp phụ
Hình REM của màng Palladi: lớp hoạt động Pd-Ag đặt trên lớp đế sứ
18
Chế tạo các loại màng Màng Perowthskit Mixed Ionic Electronic Conductor
Áp suất cao
Dẫn Electron Dẫn Ion Dòng O2 màng dẫn Ion
Áp suất thấp
Nguyên lý dẫn ion của màng Perowthskit
Chế tạo các loại màng Màng lỏng
Pha ngoài liên tục
Màng lỏng
Nước trong Dịch vào
Pha trong Đế
Nguyên lý hoạt động của màng lỏng
a) không trộn lẫn
b) có trộn lẫn
19
Chế tạo các loại màng Màng lỏng
Hấp phụ
Hấp phụ
Hòa tan Hòa tan Màng lỏng
Chất mang A
Khuêch tán
Khuyêch tán chất mang
Phản ứng hóa học thuận nghịch
Màng lỏng
Nhả hấp phụ
Nhả hấp phụ
Màng lỏng
a) Không chất mang
b) Màng lỏng có chất mang động
20
Kỹ Thuật Màng và Ứng Dụng
Bài 3: Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Cơ sở các mô hình chuyển khối qua màng
Mô hình chuyển khối qua màng
Kỹ thuật/
Xuất xứ
Phân tích hồi qui /
NC cơ bản/
Chế tạo thiết bị
Chế tạo màng
ứng dụng
Chế tạo thiết bị, nghiên cứu
Loại mô hình
Mô hình Mô hình Mô hình Thực nghiệm Bán thực nghiệm cấu trúc
Phụ thuộc
Không phụ thuộc màng
Ví dụ
màng
Mô hình
Mô hình hấp phụ kép
Mô hình ma sát
hòa tan-khuyêch tán
Mô hình thể tích rỗng
Mô hình Kedem-Spiegler
Mô hình lỗ
1
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Các mô hình lý tưởng
Màng lỗ
Màng hòa tan- khuyêch tán
Siêu lọc
Thẩm thấu ngược
Vi lọc
Thấm bốc
Thẩm tích
Thẩm khí
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Các trở lực tác dụng đồng thời
Lớp hoạt động
Lỗ châm kim
Các trở lực song song
Các trở lực nối tiếp
2
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Mô hình dòng lỗ
i ạ l
i
ữ g ộ Đ
Khối lượng mole
Đường đặc trưng phân tách của màng lỗ với MvWCO = 60000kg/kmol
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Mô hình dòng lỗ
Nước trong
Dung dịch đầu
Giả thiết: -Dòng qua lỗ tương ứng với dòng qua lớp màng -Lớp màng được coi như là tập hợp của các lỗ mao quản song song nhau
3
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng Mô hình dòng lỗ
Nước trong
Dung dịch đầu
Độ rỗng của màng V
Hệ số Karman-Kozeny
=ε
poren V
ges
Bề mặt riêng
Dòng nước trong
Độ ngoằn nghoèo của mao quản
Dòng qua một mao quản
Phương trình Hagen Poiseuille
Đường kính thủy lực
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Mô hình Hòa tan – khuyêch tán
Nước trong
Dung dịch đầu
Lớp đồng nhất, cấu trúc không lỗ
Lớp phụ trợ
Lớp hoạt động
Giả thiết: -Coi màng là một lớp đồng nhất, liên tục -Trong khôn gian trê bề mặt màng và khoảng dung dịch ngay sát bề mặt màng tồn tại cân bằng thế hóa -Bỏ qua sự kết hợp giữa các dòng riêng phần
Dòng = Nồng độ x Độ linh động x Động lực
4
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Mô hình Hòa tan – khuyêch tán
Nước trong
Dung dịch đầu
Độ linh động tính qua hệ số khuyêch tán
Lớp đồng nhất, cấu trúc không lỗ
Lớp phụ trợ
Lớp hoạt động
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Khi quá trình khuyêch tán biểu diễn bởi định luật Fick
Mô hình Hòa tan – khuyêch tán
5
Với quá trình thấm bốc và thẩm khí Với quá trình thẩm thấu ngược
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Hấp phụ
Các qui luật hấp phụ mô tả mối quan hệ giữa nồng độ ck,M ở trạng thái cân bằng của cấu tử k trong trạng thái hòa tan vào màng và Áp suất, nhiệt độ và thành phần của pha ngoài
Hoạt độ ak của pha ngoài
Các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ khác nhau
Hấp phụ Henry
Mô hình tổng quát
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Khuyêch tán
u ấ h t
m ẩ h t ộ Đ
Áp suất phía dung dịch đầu
Ảnh hưởng của áp suất tới độ thẩm thấu của màng PDMS đối với CO2 và CH4
Hệ số của mô hình thể tích tự do
Thể tích tự do
6
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng Tổng kết các mô hình chính mô tả quá trình chuyển khối qua màng
Quá trình
Các giả thiết
Các phương trình tính toán
RO ( hệ chất hữu cơ (i)- nước (W))
RO ( dung dịch muối)
Thẩm khí
Thấm bốc
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Mô hình hóa sự vận chuyển khí và hơi trong vật liệu cấu trúc lỗ
Lỗ Meso
Lỗ Micro
Lỗ Macro
Kích thước lỗ giảm
Khuyêch tán qua cấu trúc sàng phân tử
Đối lưu
Khuyêch tán phân tử
Khuyêch tán Knudsen
Cơ chế chuyển khối trong vật liệu cấu trúc rỗng
7
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Chuyển khối trong Macropore và Mesopore
Đinh luật Fick
Khuyêch tán tự do, phương trình Maxwell-Stephan
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Chuyển khối trong Macropore và Mesopore
Đinh luật Fick
Khuyêch tán Knudsen
Quãng đường trung bình Dòng phân tử trung bình trong lỗ
8
Áp suất trung bình trong lỗ Động lực của quá trình là chênh lệch áp suất riêng phần
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Chuyển khối trong Macropore và Mesopore
Dusty Gas Model/ Mô hình khí đục
Các phân tử cố định
Các phân tử linh động
Nguyên lý mô hình khí bụi
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Chuyển khối trong lỗ Micro
Nguyên lý mô hình chuyển khối trong lớp các phân tử bị hấp phụ
Hệ số chuyển khối bề mặt
9
Các nguyên lý chuyển khối trong lỗ micro: A: sàng phân tử toàn phần B: khuyêch tán bề mặt C: ngưng tụ mao quản
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Chuyển khối trong Mikropore
Khuyêch tán bề mặt
Khuyêch tán bề mặt & khuyêch tán hơi chủ động
g n ò D
Khuyêch tán hơi chủ động
Mô hình hóa quá trình chuyển khối qua màng
Nhiệt độ Các nguyên lý chuyển khối trong lỗ micro: Ví dụ trong Zeolith
Chuyển khối trong màng có tích điện bề mặt
Dung dịch Dung dịch
Mô hình lỗ biến tính áp dụng cho màng chọn lọc ion
10
Kỹ Thuật Màng và Ứng Dụng
Bài 4: Mô hình hóa quá trình chuyển khối trên màng
Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Trở lực cấp khối cục bộ
Dung dịch vào
Nước trong
- Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào (và phân cực nhiệt độ trong quá trình thấm bốc và thẩm khí)
- Phân bố nồng độ trong lớp dế của màng đảo pha/màng Composit
- Tổn thất áp suất của dòng thấm qua lớp đế
- Phân cực nồng độ trong lớp biên của phía nước trong
Lớp
Lớp
hoạt
đế rỗng
Phân cực nồng độ phía dung dịch vào
Phân cực nồng độ phía nước trong
động
1
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào
Dòng (khuyếch tán, đối lưu, chính) trong lớp biên phía dịch vào
Màng Phân cực nồng độ phía dịch vào
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào
(1) Quá trình chuyển chất phụ thuộc vào màng
-
Xảy ra trong các quá trình phân tách các chất lỏng tan lẫn tuân theo nguyên lý Hòa tan – Khuyếch tán
Dòng nước lọc nhỏ
-
Trở lực của màng đóng vai trò quan trọng
-
Dòng nước lọc chịu ảnh hưởng của hiện tượng phân cực nồng độ
-
(2) Quá trình chuyển chất phụ thuộc lớp cặn
- Xảy ra trong quá trình Siêu lọc (UF) và Vi lọc (MF) - Dòng nước lọc lớn hơn - Hệ số khuyếch tán của các phân tử bị màng giữ lại nhỏ hơn - Các cấu tử bị giữ lại trên màng liện kết với nhau tạo thành lớp cặn/cake layer - Trở lực của màng nhỏ hơn trở lực của lớp cặn
2
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào
(1) Quá trình chuyển chất phụ thuộc vào màng
Giải thiết để tính toán nồng độ của các cấu tử trên bề mặt màng: - - - -
Quá trình đạt cân bằng Quá tình khuyếch tán tuân theo định luật Fick Không xảy ra biến đổi hóa học Gradient nồng độ theo hướng song song với màng nhỏ hơn
Gradient nồng độ vuông góc với màng
Cân bằng vật liệu đối với cấu tử j bên phía dịch vào:
w ∂
j
0
=
−
⋅
)
ρ F
D ij
( ′′ mw & j Ges
y
∂ y ∂
∂ y ∂
y ∂
⎛ ⎜⎜ ⎝
⎞ ⎟⎟ ⎠
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng
Dòng đối lưu Dòng khuyếch tán
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào
)( y
const
)( y
const
Tích phân phương trình cân bằng vật liệu trên kết hợp với:
P
Ges
, Pij
′′ m & Ges
=′′−= m &
′′ m & , ij
=′′−= m &
y
:0
w
=
j w =
j
2
y
:
w
w
=
=δ F
j
j
1
hay Cùng với điều kiện biên:
R i
δ F
w
−
1
j
w
−
j
1
=
=
′′− Rm & MP
′′− m & P
∫
w
−
2
j
* w j * w j
w
−
dr ∫ Dr δ ρ ij F
−
F
R i
j
2
* w j * w j
dy D ij
F
y
ρ0
=
⎛ ⎜ exp ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
⎛ ⎜ exp ⎜ ⎝
Đối với màng loại ống (hệ tọa độ trụ) Phân bố nồng độ khoảng không gian bên trên màng:
Dòng lọc
Nồng độ khối lượng cấu tử j trong dòng lọc tại vị trí đang khảo sát
3
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào
w
−
1
j
=
−
=
−
w
−
2
j
* w j * w j
′′ m δ & FP D ρ ij F
′′ m & P k ρ FF
⎛ ⎜⎜ exp ⎝
⎞ ⎟⎟ ⎠
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
⎛ ⎜ exp ⎜ ⎝
Kết quả tích phân là phương trình mô tả phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào
Hệ số cấp khối
1/kF
′′ Rm & MP D ρ F ij
w
−
1
j
ln
1
=
−
=
−
w
−
2
D ij kR Fi
R i − δ F
R i
′′ Rm & MP D ρ ij F
j
* w j * w j
⎛ ⎜⎜ ⎝
⎞ ⎟⎟ ⎠
⎛ ⎜⎜ ⎝
⎞ ⎟⎟ ⎠
⎛ ⎜ exp ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
Đối với màng loại ống (hệ tọa độ trụ)
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cực nồng độ phía dung dịch đầu vào của một số kiểu mô đun màng
Pe
=
′′ dm & P ρ F
hyd D ij
w
−
1
j
PeD ij
=
−
=
−
w
Pe Sh
−
⎞ ⎟ ⎠
⎛ exp ⎜ ⎝
2
j
* w j * w j
dk F
hyd
⎛ ⎜ exp ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
Chuẩn số Pecle
4
Phân cực nồng độ phía dịch vào trong các loại mô đun màng khác nhau
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ
(1) Phân cực nồng độ
Dịch vào
Dòng nước lọc cục bộ
Dịch nước lọc chung
Tương quan giữa các dòng dọc theo chiều dài mô đun z
Độ dài tương đối
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ
-
Phân bố nồng độ trong lớp đế khi dùng màng bất đối xứng
5
Lớp đế
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ
Phân cực nồng độ trong lớp đế trong các quá trình khác nhau
Nước trong
Áp suất phía nước trong
Khối lượng riêng nước trong
Hệ số khuyếch tán
Độ rỗng lớp đế
Bề dày lớp đế
Phân cực nồng độ
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ
(2) Tổn thất áp suất
Dòng lọc
g n ộ đ t ạ o h p ớ
l
Isopropanol- nước
u a s t ấ u s p Á
Tổn thất áp suất trong lớp đế
6
Áp suất trong thiết bị ngưng tụ
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Dòng pha trộn hướng trục /axial back mixing
Xung bi suy giảm do các dòng pha trộn hướng trục: phân bố vận tốc, dòng xoáy, khuyếch tán phân tử,…
Dòng pha trộn hướng trục được hiểu là tất các các dòng vận chuyển không ngoài dòng đối lưu
Xung chuẩn khi t=0
Phân bố đối xứng tại mỗi thời điểm
Phân bố các xung chuyển động
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng
Thời điểm đo Thời điểm phát sinh xung
Các loại trở lực và hiệu ứng thủy động lực tác động tới quá trình tối ưu hóa các mô đun màng
Cân bằng vật chất trong không gian trước màng và sau màng
-
Tổn thất áp suất trong không gian sau màng
-
-
Phân cực nồng độ phia dịch vào
-
Đặc tính của màng
-
Đặc tính dòng nước trong cục bộ
7
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Phương pháp tính toán công suất lọc cục bộ của màng
Hệ phương trình tính toán công suất lọc của màng (trường hợp tuân theo mô hình Hòa tan – Khuếch tán)
Phân cực nồng độ phía dịch vào
Trở lực của màng
Thẩm thấu ngược (RO)
Thấm bốc (PV)
Trở lực của lớp đế
Phân cực nồng độ phía nước trong
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Phương pháp tính toán công suất cục bộ của màng
Thẩm thấu ngược: Hệ phương trình tính toán có kể dến phân cực nồng độ phía dịch vào và trở lực của màng
Sh= f( Re, Sh, kích thước hình học)
8
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Phương pháp tính toán công suất cục bộ của màng
Phân cực nồng độ trong quá trình thẩm thấu ngược
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Phương pháp tính toán công suất cục bộ của màng
Ảnh hưởng của phân cực nồng độ phía dịch đặc tới dòng qua màng trong các trường hợp khác nhau
Quá trình màng
Hệ chất Màng
Loại túi
Loại bản
Loại ống
Mô đun
9
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng
Nước trong
Dung dịch vào
Lớp
Lớp hoạt
đế rỗng
động
Phân cực nồng độ phía nước trong
Phân cực nồng độ phía dung dịch vào
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng
10
Hệ phương trình tính toán công suất lọc của màng khi lớp dế tiếp xúc với dịch vào trong quá trình RO
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng Hệ phương trình tính toán công suất lọc của màng khi lớp dế tiếp xúc với dịch vào trong quá trình PV
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng
11
Hệ phương trình tính cụ thể cho quá trình RO và GP
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng
Các phương pháp tăng cường quá trình cấp khối trên màng
-
Tạo ra dòng nhiều pha
-
Thêm các cơ cấu tạo xoáy trong không gian dịch vào: Feed- Spacer
-
Tạo màng rung khi làm việc
-
Đưa dịch đặc vào mô đun dưới dạng xung
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng
Cấc phương pháp tăng cường quá trình cấp khối trên màng
12
Sơ đồ nguyên lý pp tạo dòng đa pha
Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng
Dùng Feed Spacer
13
Sơ đồ nguyên lý pp dùng Feed Spacer
Kỹ Thuật Màng và Ứng Dụng
Bài 5: Cấu trúc các loại mô đun màng
Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn
Cấu trúc các loại mô đun màng Nguyên lý cấu tạo Mô đun màng
Mô đun 3 đầu ra
Dịch đặc R
Dịch vào F
Bơm
màng
Bơm chân không
Nước trong R
Nguyên lý cấu tạo Mô đun màng
1
Cấu trúc các loại mô đun màng Bố trí dòng trong mô đun
Cùng chiều
Ngược chiều
Khuấy trộn
Chuyển động tự do
Vuông góc
Cấu trúc các loại mô đun màng
Bố trí dòng trong mô đun
cùng chiều
Ngược chiều
Cùng chiều
Ngược chiều
Cùng chiều
Ngược chiều
2
Cấu trúc các loại mô đun màng Bố trí dòng trong mô đun
Trường hợp 2
Trường hợp 1
Phân bố nồng độ và áp suất trong mô đun với các phương án bố trí dòng khác nhau
Cấu trúc các loại mô đun màng
Các tiêu chuẩn đối với việc chế tạo các mô đun
Định nghĩa: Mô đun màng là một kết cấu kỹ thuật dùng màng
Yêu cầu đối với một mô đun màng:
- Dòng thấm qua màng lớn, đều (không có khu vực chết) - Bền nhiệt, hóa, cơ học - Kết cấu nhỏ gọn - Giá thành rẻ - Chi phí thay màng rẻ - Mất mát áp suất ít
3
Cấu trúc các loại mô đun màng
Màng ống
Màng phẳng
Mô đun ống
Mô đun bản
Mô đun hộp
Mô đun mao quản
Mô đun cuốn
Mô đun sợi rỗng
Mật độ bố trí màng Giá thành chế tạo
Khả năng vệ sinh Khả năng chịu cặn
Phân loại mô đun
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Nước trong
Dòng vào
Đường kính: 5-25mm
Dòng vào
Nước trong
ống thu nước lọc
Dịch đặc
Ren nối
Vòng đệm
Ống tăng bền
Màng
Nguyên lý hoạt động của màng ống
4
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Đầu vào và đoạn cong trong mô đun ống
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Kênh dẫn dịch vào
Màng ống bằng gốm
Mô đun màng gốm có bộ phận đun nóng
Mô đun màng ống bằng gốm của công ty Sulzer Chemtech
5
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Màng Zeolith lắp trong ống thép không gỉ
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Ưu điểm
Đặc điểm
-Vận hành với dòng chảy xoáy
-Đường kính 6- 24 mm
-Ít đóng cặn
-Dòng chảy trong tâm ống
-Rửa dễ dàng
-Kèm theo ống tăng bền
-Trong Mô đun có trở lực nhỏ
Nhược điểm
Phạm vi ứng dụng
- Diện tích riêng nhỏ (<= 80m2/m3) Ít đóng cặn
- Vi lọc, Siêu lọc, Thẩm thấu ngược một bậc
-Trở lực của hệ thống khi có chuyển hướng lớn
-Trong Mô đun có trở lực nhỏ
6
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
IN-OUT
OUT - IN
Vỏ chịu áp
Keo dán
Sợi rỗng
Nguyên lý hoạt động của mô đun mao quản và mô đun sợi rỗng
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
7
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
8
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
9
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳng
10
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳng
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳng
11
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳng
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳng
12
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng hộp
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng hộp
13
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng hộp
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng hộp
14
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng quấn
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng quấn
15
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng quấn
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
16
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
17
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
18
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
19
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
20
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu hóa cấu trúc mô đun
21
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu hóa cấu trúc mô đun
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu hóa cấu trúc mô đun
22
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu hóa cấu trúc mô đun
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu hóa cấu trúc mô đun
23
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu hóa cấu trúc mô đun
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
24
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
25
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
26
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
Cấu trúc các loại mô đun màng Thiết kế và tối ưu hóa mô đun màng
cuốn
27
Cấu trúc các loại mô đun màng Thiết kế và tối ưu hóa mô đun màng
cuốn
Cấu trúc các loại mô đun màng Thiết kế và tối ưu hóa mô đun màng
cuốn
28
Cấu trúc các loại mô đun màng Thiết kế và tối ưu hóa mô đun màng
cuốn
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tổng kết
29
