Khái niệm màng lọc
– Màng lọc là một lớp màng vật liệu mỏng có khả năng phân tách vật chất theo đặc tính vật lý và hóa học của chúng khi chịu một áp lực nhất định. Màng lọc ngăn cách giữa hai pha, có khả năng tạo ra sức cản để tách một số phần tử có trong nước như cặn lơ lửng, ion, vi sinh vật…khi cho dung dịch đi qua màng. Màng lọc có thể được phân loại theo i) kích thước của vật chất và ii) áp lực trên màng.
– Thông qua quá trình làm việc của màng lọc, dòng hỗn hợp đầu vào được phân tách làm hai phần: một phần là dung dich sau lọc và phần những vật chất bị giữ lại trước màng lọc. Màng lọc có thể áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dung dịch hay phân tách một hỗn hợp.
Các ưu điểm của màng lọc
– Quá trình màng lọc xảy ra ở điều kiện nhiệt độ bình thường và các dung dịch tham gia không có sự thay đổi về pha, đây là ưu điểm lớn so với phương pháp tách bằng chưng chất.
– Quá trình phân tách vật chất qua màng không cần có hóa chất phụ gia như một số các quá trình khác trong xử lý nước, ví dụ lắng và lọc.
Nguyên lý lọc màng dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua lớp vách ngăn (màng) nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất (∆P), điện thế (∆E), nồng độ dung dịch (∆C), nhiệt độ (∆T)…Các thông sô cơ bản của quá trình lọc màng: i) Áp lực; ii) Cơ chế phân tách; iii) Cấu trúc màng; và iv) Pha dung dịch.
Các loại màng lọc nước
– Màng lọc có thể được phân loại theo kích cỡ lọc và mức độ áp lực. Ngoài ra màng lọc có thể phân loại theo vật liệu cấu tạo màng, hình dáng hình học…
– Một số loại màng được sử dụng trong công nghệ xử lý nước cấp và nước thải như: màng vi lọc (microfiltration MF), màng siêu lọc (ultrafiltration UF), màng lọc thẩm thấu ngược (RO) và màng lọc nano (NF). Màng MF có kích thước lỗ rỗng lớn nhất, có thể giữ lại các hạt có kích thước lớn và nhiều loại vi sinh vật. Màng UF có kích thước lỗ rồng nhỏ hơn MF, do đó có thể giữ lại cả vi khuẩn và một số phân tử lớn hòa tan như protein. Màng RO gần như không có lỗ rỗng do kích thước lỗ rỗng bé hơn 0.001 micron và do đó giữ lại hầu hết các cặn và nhiều phân tử siêu nhỏ như các i-on muối khoáng, chất hữu cơ. Màng NF mới được phát triển gần đây, và còn có tên gọi “màng RO thưa” và hiệu quả lọc các chất trong nước tuy không bằng RO nhưng cao hơn UF.
Kích thước lỗ các loại màng lọc nước
Mô tả các loại màng lọc nước
Vi lọc (Microfiltration – MF)
– Các màng lọc loại này có các lỗ rỗng 0,1 – 1 micromet (μm), hoạt động dưới áp suất thông thường từ 10 – 100 psi ; nó có thể loại bỏ các phần tử lơ lửng, huyền phù, chất keo, men, phân tử protein có trong sữa hay ngũ cốc, vi khuẩn hoặc chất rắn hoà tan có kích thước lớn hơn kích thước lỗ rỗng ; nó không làm thay đổi thành phần dung dịch (nước) lọc, chỉ có các phần tử nêu trên được lọc đi. Có 2 loại vi lọc :
– Lọc chặn : Trong đó nước bị cưỡng bức chuyển qua màng lọc, các phần tử bị giữ lại tích tụ dưới dạng một bánh lọc; chiều dày của nó tăng dần theo thời gian lọc, còn tính xốp giảm dần làm giảm lưu lượng thành phẩm, hiện tượng này gọi là sự bịt kín màng lọc, đại lượng đặc trưng cho sự bịt kín là chỉ số bịt kín FI. Lọc chặn trong vi lọc được ứng dụng trong màng lọc phẳng trong phòng thí nghiệm dùng để đo chất huyền phù (MES), chỉ số bịt kín (FI)…; đối với lọc chặn trong vi lọc, ống lọc bọc bên ngoài màng lọc phẳng được bỏ đi khi màng lọc bị bịt kín lỗ, nó rất khó thực hiện bằng rửa ngược để tái sử dụng lại màng lọc.
– Lọc lọc trượt : quá trình lọc được thực hiện sao cho mặt tiếp xúc được quét bằng một phần lưu lượng đưa vào để hạn chế việc tích tụ các bã lọc phát sinh trong quá trình lọc và dễ dàng đưa chúng ra ngoài hệ thống, tránh được hiện tượng bịt kín lố rỗng của màng lọc trước khi đến chu kỳ rửa lọc. Quá trình lọc dạng này có thể thay cho giai đoạn keo tụ, kết bông và tách loại được 2 pha rắn – lỏng. Công nghệ này được áp dụng phổ biến để lọc tinh các sản phẩm khác nhau trong công nghệ xử lý nước cấp, nước thải, nước uống đóng chai, công nghệ dược và xử lý vi sinh
Siêu lọc (Ultrafiltration – UF)
– Các màng siêu lọc có cấu trúc mềm không đối xứng, kích thước lỗ rỗng từ 0,001 – 0,1 μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 70 – 200 psi ; cho phép lọc được các chất keo, chất rắn hoà tan có kích thước nhỏ và các phần tử như vi khuẩn, vi rút, proteins có khối lượng mol nhỏ, carbohydrates, enzymes…
– Lưu lượng trong quá trình lọc diễn ra ở màng UF phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất keo bởi 2 lý do cơ bản sự phân cực và sự bịt kín lỗ rỗng, các chất keo là nguyên nhân chính làm giảm lưu lượng và tạo lên áp lực truyền qua màng tăng cao. Sự vượt quá nồng độ của các chất hoà tan ở gần màng lọc gây lên hiệu ứng làm tăng đáng kể áp suất thẩm thấu và sức kháng lại việc vận chuyển của các phần tử. Để tăng lưu lượng qua màng nên áp dụng phương pháp lọc tiếp tuyến và chú ý thời gian rửa lọc phù hợp.
– Đối với hiện tượng bịt kín lỗ rỗng của màng UF do hình thành lớp cặn keo trên bề mặt màng, hay do sự hấp phụ các chất hoà tan khác và các hạt keo quá nhỏ trong các lỗ rỗng , hiện tượng này cần xử lý bằng các hoá chất phù hợp. Do vậy đối với mỗi ứng dụng ta cần lựa chọn một vật liệu chế tạo màng thích hợp, sao cho chúng ít nhạy cảm với sự lắng đọng các chất hoà tan và dễ dàng loại bổ chúng bằng thuỷ lực
Lọc nano (Nanofiltration – NF)
– Màng lọc nano có kích thước lỗ rỗng khoảng 0,001μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 100 – 600 psi; là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc màng là RO và UF. Nó có thể lọc được các phân tử muối hoá trị thấp và các chất khoáng ; được ứng dụng trọng lọc cặn các protein, gelatin, công nghệ chế biến nước hoa quả, phân ly chất rắn hoà tan trong dung dịch và sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt.
Lọc thẩm thấu ngược (Reverse osmosis – RO)
– Màng lọc RO có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0,001μm, chúng được hoạt động dưới áp suất cao, thông thường từ 400 – 1000 psi, cho phép loại bỏ hầu hết các thành phần có trong nước như cacbuahydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng, các ion, amino acid…, gần như chỉ còn nước nguyên chất chảy qua.
Cơ chế hoạt động của lọc RO sử dụng tính chất của màng bán thấm, tất cả các chất hoà tan bị giữ lại, trừ một vài phần tử hữu cơ rất gần với nước có khối lượng mol nhỏ, phân cực mạnh. Khi có sự chênh lệch về thế năng hoá học thì xu hướng làm nước chuyển từ ngăn có thế năng hoá học thấp sang ngăn có thể năng hoá học cao để pha loãng, đó là hiện tượng thẩm thấu tự nhiên. Nêu muốn cản lại sự khuyếch tán này, cần phải đạt một áp suất lên mặt dung dịch có thế năng hoá học thấp, sự chênh lệch áp suất được tạo ra gọi là áp suất thẩm thấu ngược của hệ thống.
