Kỹ thuật màng và ứng dụng - Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màng

87 trang vanle 3230

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Kỹ thuật màng và ứng dụng - Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

ky_thuat_mang_va_ung_dung_bai_1_khai_quat_ve_ky_thuat_mang.pdf

Nội dung text: Kỹ thuật màng và ứng dụng - Bài 1: Khái quát về kỹ thuật màng

Kỹ ThuậtMàngvàỨng Dụng Bài 1: Khái quát về kỹ thuậtmàng Giảng viên: NguyễnMinh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học& Thựcphẩm Trường Đạihọc Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Khái quát về kỹ thuật màng Khái niệmMàng 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
Th Khái quát v ị Doanh s trườ ố ng màng toàn c bán màng và thi ề k (Tri ỹ ệuUSD) thu 200 ậ 150 ế 100 150 tb t màng 150 ị màng 400 350 ầun ă 350 m2000 350 Tố c độ 16 t Hemodialysis/filtration ăng tr (w aste) Water purification (bio) Chemical industry 14 ưở Miscellaneous ng 2200 12 Blood oxygenator Oxygen/nitrogen separation Grow th rate 10 Electrochemical industry (%/year) 8 Water desalination Food processing 6 /H. Strathmann: MembraneAnalytical/ dianogstic Separation processes: Current relevance and future opportunities. AIChE Journal 47(2001),5/ 4 2 0 Hemodialysis/filtration Blood oxygenator Water desalination (waste) Water purification Oxygen/nitrogen separation Food processing (bio) Chemical industry Electrochemical industry Analytical/ dianogstic Miscellaneous Công su Khái quát v ấttínhtrêntoànth vi l ề k dùngọ choc/siêu quá ltrình x ỹ thu ậ ọc ế gi t màng đ ớ ã đượ ivàs cl ố ử ắp lượ lý n đặ ng thi ướ t c ếtb ị /R. Gimbel, G. Hagmeyer. Forum Forschung 2001/ 2
Khái quát về kỹ thuật màng Lịch sử phát triểnkỹ thuậtmàng Khái quát về kỹ thuật màng Lịch sử phát triểnkỹ thuậtmàng 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 triểnkỹ thuậtmàng 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 đốixứng Assymetric Membrane 5
Khái quát về kỹ thuật màng Màng gốm Ceramic Membrane Khái quát về kỹ thuật màng Mô đun màng Đầuvào Dịch đặc Feed Retentat Màng Nướctrong Permeat Mo đun: Mộtphần thiếtbị khép kín có chứa màng 6
Khái quát về kỹ thuật màng Mô đun màng Khái quát về kỹ thuật màng Đặctrưng của các quá trình tách dùng màng 7
Khái quát về kỹ thuật màng Phân loại Các quá trình màng Động Cơ chế Trạng thái tập lực phân tách hợp Đốitượng phân tách Chênh lệch áp Cơ chế sàng Siêu lọc(UF) Vi lọc(MF) suất (Lọc sâu/cake Lỏng (F) / Lỏng (F) Lọcnano(NF) filtration) (chênh lệch thế Hấpphụ + Thẩmthấungược hóa) Khuêchtán (RO) Hấpphụ + Lỏng (F) / Khí (G) Thấmbốc (PV) Khuêch tán Chênh lệch áp Bay hơi Khí (G)/Khí (G) Tách hơi (VP) suấtriêngphần Hấpphụ + Khí (G)/Khí (G) Tách khí (GS) Khuêch tán Chênh lệch Thẩmtích(D) nồng độ Hấpphụ + Lỏng (F) / Lỏng (F) Thẩm tích khuêch Khuêch tán Tán (DE) Điệnthẩm tích Chênh lệch Độ linh động điện Lỏng (F) / Lỏng (F) (ED) điệnthế tích Điệnthẩm tích lưỡng cực(BED) 1nm 0,1μm 10μm Khái quát về kỹ thuật màng Siêu lọcvàvilọc Vi lọc • Dùng nguyên lý tách thuầnvậtlý và siêu •Tiếtkiệm được chi phí xử lý sơ bộ ( do có thể thay lọc thế nhiều khâu xử lý sơ bộ) để xử • Đáp ứng đượcyêucầuchấtlượng ngày càng lý tăng nước •Dễ dàng tựđộng hóa 8
Khái quát về kỹ thuật màng Thẩmthấungược Khái quát về kỹ thuật màng LọcNano 9
Khái quát về kỹ thuật màng Thấmbốc Mô Đun Màng Dịch đặc Hỗnhợpcần phân tách Bơmchân không Dịch trong Khái quát về kỹ thuật màng Tách khí Lọc, làm khô Màng Không khí Khí thải Máy nén 10
Khái quát về kỹ thuật màng Điệnthẩmtích Nướcbiển HCl NaOH Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Phân tố màng Mô đun màng Cấu trúc phát triển các quá trình màng Bố trí mô đun Quá trình RO tổng thể Bốchơi 11
Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Độ chọnlọc/Mứcgiữ lại – Dòng nước trong - ĐỘ CHỌN LỌC (Sij) củamàngthể hiệnkhả năng lựachọn cho phép một cấutử nhất định nào đóthấm qua -Năng suấtcủamàngđược đánh giá qua DÒNG NƯỚC TRONG ( ) đạt m& i đượctrongđiềukiệnvậnhànhnhất định - Độ chọnlọcvàdòngnước trong là các thông số cụcbộ, thay đổitheoloại mô đun màng, vị trí khảosát Khái quát về kỹ thuật màng Dịch đặc Dịch vào Nướctrong Màng Dịch vào Nướctrong Dòng 12
Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Động lực–Trở lực Dòng = Động lực/Trở lực Quá trình Pha Động lực Loạimàng Ứng dụng RO L/L ∆p đến 200bar Bất đốixứng Xử lý nước, và các dung dịch với nước NF L/L ∆p đến 60bar Bất đốixứng Phân riêng các chấttan trong dung dịch vớinước UF L/L ∆p đến 10bar Màng bất đốixứng, lỗ Cô đặc, phân loại các dung dịch cao phân tử, ED L/L Điệntrường vuông góc Màng đốixứng có đính Thậnnhântạo, tuần vớibề mặtmàng các nhóm ion hoan các axit ThấmbốcPV L/H Hạ áp suấtphíanước Màng bất đốixứng Phân tách các hỗnhợp trong không lỗ chấthữucơ Thẩmthấu khí H/H Tăng áp suấtphíadịch Màng bất đốixứng Phân tách H2/N2, đặclêntới 80 bar không lỗ CO2/CH4 hoặchạ áp suất O2/N2 phía nướctrong-> chênh lệch áp suất riêng phần Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Nguyên lý hoạt động củamộtsố quá trình màng tiêu biểu Thẩmthấungược Tách khí ( áp suấtdư) Dịch Dịch đặc Dịch Dịch đặc vào (lỏng) vào (hơi) Nướctrong Nướctrong (lỏng) (hơi) Thấmbốc Thẩm khí ( áp suất chân không) Dịch vào Dịch vào (lỏng) Dịch đặc (hơi) Dịch đặc Khí trơ Nướctrong Nướctrong (lỏng) Hơi Nướctrong 13
Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Động lựctổng quát – Chênh lệch thế hóa Thế hóa củacấutử i ⎛ ∂G ⎞ ⎜ ⎟ μi = ⎜ ⎟ ∂xi ⎝ ⎠ p,T ,xi ≠xk Thế hóa tương ứng với công nhỏ nhấtcủahệ thống phảinhận được khi thựchiệnsự thay đổinồng độ 1-> 2 2 W = μ T, p, x dx 1/ 2 ∫ i ()i i 1 0 0 ~ 0 μi ()T, p, xi = μ0i ()T, p + RT ln ai (T, p , xi )+Vi (p − p ) Với khí lý tưởng p μ ()T = μ 0 ()T + RT ln i i i p0 Áp suấtthẩmthấu RT π i = − ~ ln ai Vi Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Động lựctổng quát – Chênh lệch thế hóa Quá trình vận chuyểncấutử i trong quá trình Thẩmthấungược: ~ ~ Δμ = V p − p − π −π = V Δp − Δπ i RO i []F p ( i,F i,P ) i ( ) Đốivới quá trình Thấmbốc(PV), cóthể viết: a p γ x p ~ ⎡ RT p ⎤ Δμ = RT ln iF iS = RT ln iF i iS = V ln iS −π i PV i ⎢ ~ i,F ⎥ piP piP ⎣ V piP yi ⎦ ~ 0 Do Vi ()pF − p nhỏ không đáng kể, có thể bỏ qua Đốivới quá trình tách khí (GP), có thể viết: p p x Δμ = RT ln iS = RT ln F i i GP piP pP yi 14
Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Các loạitrở lựccủa quá trình màng -Trở lựccủalớpmàng(lớphoạt động) -Trở lựcthủylực bên phía nước trong và dịch đặc(giảm động lực chung) -Phâncựcnồng độ trên bề mặtmàng -Trở lực chuyểnkhốicủalớpphụ trợ -Trở lựctruyềnnhiệt (phân cựcnhiệt độ) đốivới quá trình PV Khái quát về kỹ thuật màng Các khái niệmcơ bản Ảnh hưởng củatổnthấtápsuất đến động lựccủa quá trình Ảnh hưởng củatổnthấtápsuất 15
Kỹ ThuậtMàngvàỨng Dụng Bài 2: Chế tạo các loạimàng Giảng viên: NguyễnMinh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học& Thựcphẩm Trường Đạihọc Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Chế tạocácloạimàng Phân loạimàngdựa vào xuấtxứ và vậtliệuchế tạo Màng Tổng hợp Sinh học Màng lipid Lỏng Rắn Nhũ tương Hỗ trợ Hữucơ Đồng thể Vô cơ Polymer Kim loại, gốm Dị thể Composit 1
Chế tạocácloạimàng Phân loạimàngdựa vào cấutrúc Lỗ rỗng kèm theo lớphoạt động Lỗ rỗng (dạng bọtbiển) Đốixứng Bất đốixứng Chế tạocácloạimàng Tiêu chí chọnlựa polymer làm vậtliệuchế tạomàng - Tiêu chuẩncấutrúcvĩ mô: - độ bền nhiệt - độ bền hóa - độ bềncơ - Tiêu chuẩncấutrúcvi mô: - độ thấmqua đốivớimộtchấtnàođó 2
Chế tạocácloạimàng Lựachọnvậtliệuchế tạomàng Chế tạocácloạimàng Lựachọnvậtliệuchế tạomàng 3
Chế tạocácloạimàng Tiên lượng dòng thẩmthấuqua lớpmàngdày i đố ng ươ mt ấ th Độ Khốilượng Mol Chế tạocácloạimàng Tính toán dòng thẩmthấu qua lớpmàngdày 4
Chế tạocácloạimàng Tính toán dòng thẩmthấu qua lớpmàngdày Chế tạocácloạimàng Màng hữucơ bất đốixứng Bất đốixứng tích hợp Bất đốixứng hỗnhợp Màng polymer đảopha Màng composit (mộtPolymer) (nhiềuPolymer) Cấutạo các loạimànghữucơ bất đốixứng 5
Chế tạocácloạimàng Sảnxuấtmàngđảo pha Ảnh REM củamặtcắt a) màng phẳng từ Polyamid b) màng rỗng từ Polyamid -Tạo dung dịch polymer đồng thể (polymer/dung môi/tác nhân kếttủa) có độ nhớt thích hợp - Cán và kéo thành màng polymer - Hóa hơimộtphần dung môi -Kếttủa polymer -Hoànthiệnbề mặt Chế tạocácloạimàng Sảnxuấtmàngđảo pha Tấm cán (điềuchỉnh Khí nóng chiều cao sấy được) Bay hơi Khí điềuchỉnh Hỗnhợp đầu nhiệt độ Hỗnhợp đầu dung môi Đưa sang phần gia công màng Bể dung môi Sơđồnguyên lý hệ thống thiếtbị sảnxuất màng đảo pha liên tục 6
Chế tạocácloạimàng Sảnxuấtmàngđảo pha Polymer Vùng mộtpha Vùng mộtpha Dung dịch polymer độ t ệ Vùng hai pha Nhi B B’ Vùng hai pha Polymer Dung môi Dung môi Tác nhân kếttủa Thành phần a) Biểu đồ pha b) Nguyên lý quá trình tách dung dịch polymer bằng phương pháp làm lạnh Chế tạocácloạimàng Các thông sốảnh hưởng đếncấutrúcvàtínhchất củamàngđảo pha Hòatan –khuyêch tán Polymer Nồng độ polymer Các đặctính Cấutrúc lọcvàthẩm Loại dung môi thấu Loại tác nhân kếttủa Hoàn thiệnbề mặt 7
Chế tạocácloạimàng Sảnxuấtmàngđảo pha c ọ Dòng l Thành phầnpolymer Chế tạocácloạimàng Sảnxuấtmàngđảo pha i ạ l ữ c gi ọ Độ Dòng l Nhiệt độ 8
Chế tạocácloạimàng Các loạimàngđảophacủa công ty Koch membrane System Lớpphụ trợ Lớphoạt động Chế tạocácloạimàng Sảnxuất màng composit hữucơ Lớpphụ trợ Lớphoạt động mỏng (30nm) Lớpphụ trợ Lớp đế Lớpsợi Polyester Sơđồcấutạocủa màng composit dùng trong quá trình RO a) từ Polyamid b) từ Xenlulô Axetat 9
Chế tạocácloạimàng Sảnxuất màng composit hữucơ Các phương pháp chính sảnxuất màng composit -Sảnxuấtlớphoạt đôgjng riêng, sau đógắn lên trên lớpphụ trợ - Các phương pháp tích hợp: - Nhúng lớphoạt động vào một dung dịch polymer (hoặc phun dịch polymer lên trên lớp hoạt động có sẵn), đồng thờixứ lý nhiệt, làm khô -Polymer hóa bề mặt phân chia pha -Polymer hóa bằng phương pháp plasma Chế tạocácloạimàng Sảnxuất màng composit hữucơ Phương pháp nhúng Hướng kéo Lớp đế Thấm ướt Dung dịch polymer Lớp đế Màng Dung dịch Composit polymer Nguyên lý phương pháp Nhúng 10
Chế tạocácloạimàng Sảnxuất màng composit hữucơ Phương pháp Polymer hóa bề mặt phân chia pha Lớp đế LớpGel Lớp dung dịch Lớp monomer Màng composit monomer-nước kị nước Nguyên lý phương pháp Polymer hóa bề mặt phân chia pha Chế tạocácloạimàng BiếntínhmàngPolymer Màng trước và sau khi biếntínhbằng Plasma -Biếntínhhóa học - Grafting - Biếntínhbằng Plasma 11
Chế tạocácloạimàng Màng hữucơđốixứng -Sảnxuấtbằng phương pháp đảo pha - Tác nhân kếttủa được đưa vào cùng với khí nóng đang sấy màng vừa đượccán -Grafting -Biến tính bằng Plasma -Thiêu kếtbộtcácchấthữucơ Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Ưu điểmcủamàngvôcơ - Độ bền nhiệt, bền hóa cao -Sự lão hóa củamàngthấp, vòng đời màng dài -Thuậnlợichoviệcrửamàng - Đặctrưng phân tách có thể tính toán trướcvàđiềukhiển đuơcj Nhược điểmcủamàngvôcơ - Đòi hỏicấutrúcriêng -Hệ số chịu nhiệtthayđổi theo thành phầnhóahọccủa màng, đòi hỏi các phương pháp làm kín đặcbiệt -Phương pháp chế tạophứctạp - Chi phí lớn 12
Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Màng có đế vô cơ rỗng đốixứng -Lớp đế đượcchế tạobằng phương pháp thiêu kếtbột kim loại -Lớp đế đượcphủ lớphoạt động lên phía trên -Bố trí mô đun giống thiếttrị truyềnnhiệt ống chùm - Độ bềnnhiệt, bềnápsuấtcao - màng vô cơ bất đói cứng Cac bon, thủytinh Màng có đế vô cơ rỗng bất đốixứng -Lớp đế vô cơ : đùn ép bộtsứ, thiêu kết -Lớphoạt động đượcphủ lêntrênlớp đế: dip coating, spin coating, Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Sảnxuấtcấutrúcphụctrợ bằng vậtliệuvôcơ Ảnh REM củamànggốm 13
Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Sảnxuấtcấutrúcphụctrợ bằng vậtliệuvôcơ Ảnh REM của a) màng Nhôm b) màng Silic Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Sảnxuấtcấutrúcphụctrợ bằng vậtliệuvôcơ 14
Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Sảnxuấtcấutrúcphụctrợ bằng vậtliệuvôcơ Màng Carbon Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Sảnxuấtcấutrúcphụctrợ bằng vậtliệuvôcơ Màng Carbon- Monolith 15
Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Màng Zeolith Hạtxúctác Cấutrúcbề mặtcủamànggốm Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Màng Zeolith Bề mặtmànZSM-5 Zeolith 16
Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Màng Zeolith Lớphoạt động làm bằng Zeolith Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Màng Zeolith Kết tinh Zeolith Phủ Sol-Gel thành lớphoạt động Mẫu PV ống Tổ ong Tách khí Oxihoa, tách ống nhiều nước, ngưng tụ ngăn Nguyên lý chế tạo các loại màng “ sàng phân tử” 17
Chế tạocácloạimàng Màng vô cơ Màng Zeolith Các cấutrúccủa màng Zeolith Chế tạocácloạimàng Màng kim loại Dung dịch vào Hấp phụ Nhả hấp phụ Hình REM của màng Palladi: lớphoạt động Pd-Ag đặttrênlớp đế sứ 18
Chế tạocácloạimàng Màng Perowthskit Mixed Ionic Electronic Conductor Áp suấtcao DẫnElectron DẫnIon Dòng O2 màng dẫnIon Áp suấtthấp Nguyên lý dẫnion của màng Perowthskit Chế tạocácloạimàng Màng lỏng Pha ngoài liên tục Màng lỏng Dịch vào Nước trong Pha trong Đế Nguyên lý hoạt động củamànglỏng a) không trộnlẫn b) có trộnlẫn 19
Chế tạocácloạimàng Màng lỏng Hấpphụ Hấpphụ Hòa tan Màng Hòa tan lỏng Khuêch Chất mang A tán Khuyêch Phản ứng tán chất hóa học Màng mang thuận lỏng nghịch Nhả hấp Nhả hấp phụ phụ Màng lỏng a) Không chấtmang b) Màng lỏng có chấtmangđộng 20
Kỹ ThuậtMàngvàỨng Dụng Bài 3: Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Giảng viên: NguyễnMinh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học& Thựcphẩm Trường Đạihọc Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Cơ sở các mô hình chuyểnkhối qua màng Mô hình chuyểnkhối qua màng Xuấtxứ Kỹ thuật/ NC cơ bản/ Phân tích hồiqui / Chế tạothiếtbị, ứng dụng Chế tạomàng nghiên cứu Chế tạo thiếtbị Loại Mô hình Mô hình Mô hình mô cấutrúc Bán thựcnghiệm Thựcnghiệm hình Phụ thuộc Không phụ màng thuộcmàng Ví dụ Mô hình hấpphụ kép Mô hình 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 chuyểnkhối qua màng Cácmôhìnhlýtưởng Màng hòa tan- Màng lỗ khuyêch tán Thẩmthấungược Siêu lọc Thấmbốc Vi lọc Thẩmkhí Thẩmtích Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Các trở lực tác dụng đồng thời Lớphoạt động Lỗ châm kim Các trở lựcnốitiếp Các trở lực song song 2
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Mô hình dòng lỗ i ạ l ữ gi Độ Khốilượng mole Đường đặctrưng phân tách củamànglỗ với MvWCO = 60000kg/kmol Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Mô hình dòng lỗ Dung dịch đầu Nướctrong Giả thiết: -Dòng qua lỗ tương ứng với dòng qua lớp màng -Lớp màng được coi như là tậphợpcủacáclỗ mao quản song song nhau 3
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Mô hình dòng lỗ Dung dịch đầu Nướctrong Độ rỗng củamàng V Hệ số Karman-Kozeny ε = poren Vges Bề mặtriêng Dòng nước trong Độ ngoằn nghoèo củamaoquản Dòng qua mộtmaoquản Phương trình Hagen Poiseuille Đường kính thủylực Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Mô hình Hòa tan – khuyêch tán Dung dịch đầu Nướctrong Giả thiết: -Coi màng là mộtlớp đồng nhất, liên tục -Trong khôn gian trê bề mặt màng và khoảng dung dịch ngay sát bề mặt Lớp đồng nhất, cấu màng tồntại trúc không lỗ cân bằng thế hóa Lớphoạt động Lớpphụ trợ -Bỏ qua sự kếthợp giữa các dòng riêng phần Dòng = Nồng độ x Độ linh động x Động lực 4
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Mô hình Hòa tan – khuyêch tán Dung dịch đầu Nướctrong Độ linh động tính qua hệ số khuyêch tán Lớp đồng nhất, cấu trúc không lỗ Lớphoạt động Lớpphụ trợ Khi quá trình khuyêch tán biểudiễnbởi định luậtFick Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Mô hình Hòa tan – khuyêch tán Với quá trình thẩmthấungược Với quá trình thấmbốcvàthẩmkhí 5
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Hấpphụ Các qui luậthấpphụ mô tả mốiquanhệ giữanồng độ ck,M ở trạng thái cân bằng củacấutử 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 nhiệthấpphụ khác nhau Hấpphụ Henry Mô hình tổng quát Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Khuyêch tán u ấ mth ẩ th Độ Áp suất phía dung dịch đầu Ảnh hưởng củaápsuấttới độ thẩmthấucủamàngPDMS đốivớiCO2 và CH4 Hệ số củamôhình thể tích tự do Thể tích tự do 6
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Tổng kết các mô hình chính mô tả quá trình chuyểnkhốiqua màng Quá trình Các giả thiết Các phươngtrìnhtínhtoán RO ( hệ chất hữucơ (i)- nước(W)) RO ( dung dịch muối) Thẩmkhí Thấmbốc Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Mô hình hóa sự vậnchuyểnkhívàhơi trong vậtliệu cấutrúclỗ Lỗ Macro Lỗ Meso Lỗ Micro Kích thướclỗ giảm Khuyêch tán qua cấutrúc sàng phân tử Khuyêchtánphântử Đốilưu Khuyêch tán Knudsen Cơ chế chuyểnkhối trong vậtliệucấutrúcrỗng 7
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Chuyểnkhối trong Macropore và Mesopore Đinh luậtFick Khuyêch tán tự do, phương trình Maxwell-Stephan Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Chuyểnkhối trong Macropore và Mesopore Đinh luậtFick Khuyêch tán Knudsen Quãng đường trung bình Dòng phân tử trung bình trong lỗ Áp suất trung bình trong lỗ Động lựccủaquátrìnhlàchênhlệch áp suất riêng phần 8
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Chuyểnkhối trong Macropore và Mesopore Dusty Gas Model/ Mô hình khí đục Các phân tử cốđịnh Các phân tử linh động Nguyên lý mô hình khí bụi Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Chuyểnkhốitronglỗ Micro Nguyên lý mô hình chuyểnkhối trong lớp các phân tử bị hấpphụ Hệ số chuyển khốibề mặt Các nguyên lý chuyểnkhối trong lỗ micro: A: sàng phân tử toàn phần B: khuyêch tán bề mặt C: ngưng tụ mao quản 9
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Chuyểnkhối trong Mikropore Khuyêch tán bề mặt Khuyêch tán bề mặt& khuyêch tán hơichủđộng Khuyêch tán Dòng hơichủđộng Nhiệt độ Các nguyên lý chuyểnkhối trong lỗ micro: Ví dụ trong Zeolith Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối qua màng Chuyểnkhối trong màng có tích điệnbề mặt Dung dịch Dung dịch Mô hình lỗ biếntínhápdụngchomàngchọnlọcion 10
Kỹ ThuậtMàngvàỨng Dụng Bài 4: Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối trên màng Giảng viên: NguyễnMinh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học& Thựcphẩm Trường Đạihọc Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Trở lựccấpkhốicụcbộ Dung dịch vào Nước trong - Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào (và phân cực nhiệt độ trong quá trình thấmbốc và thẩmkhí) - Phân bố nồng độ trong lớpdế của màng đảo pha/màng Composit - Tổnthấtápsuấtcủadòngthấm qua lớp đế - Phân cựcnồng độ trong lớpbiên của phía nướctrong Phân cựcnồng Lớp Lớp Phân cực độ phía dung nồng độ phía hoạt đế rỗng dịch vào nướctrong động 1
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào Màng Phân cựcnồng độ phía dịch vào Dòng (khuyếch tán, đốilưu, chính) trong lớpbiênphíadịch vào Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào (1) Quá trình chuyểnchấtphụ thuộcvàomàng -Xảy ra trong các quá trình phân tách các chấtlỏng tan lẫn tuân theo nguyên lý Hòa tan – Khuyếch tán - Dòng nướclọcnhỏ -Trở lựccủamàngđóng vai trò quan trọng - Dòng nướclọcchịu ảnh hưởng củahiệntượng phân cựcnồng độ (2) Quá trình chuyểnchấtphụ thuộclớpcặn -Xảy ra trong quá trình Siêu lọc(UF) vàVi lọc(MF) - Dòng nướclọclớnhơn -Hệ số khuyếch tán của các phân tử bị màng giữ lạinhỏ hơn -Cáccấutử bị giữ lại trên màng liệnkếtvới nhau tạo thành lớp cặn/cake layer -Trở lựccủa màng nhỏ hơntrở lựccủalớpcặn 2
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào (1) Quá trình chuyểnchấtphụ thuộcvàomàng Giảithiết để tính toán nồng độ của các cấutử trên bề mặtmàng: -Quátrìnhđạtcânbằng - Quá tình khuyếch tán tuân theo định luậtFick - Không xảyrabiến đổi hóa học - Gradient nồng độ theo hướng song song vớimàngnhỏ hơn Gradient nồng độ vuông góc với màng Cân bằng vậtliệu đốivớicấutử j bên phía dịch vào: ∂ ∂ ⎛ ∂w ⎞ ′′ ⎜ j ⎟ 0 = ()w j m& Ges − ⎜ ρF Dij ⋅ ⎟ ∂y y ∂y ⎝ ∂y ⎠ Dòng đốilưu Dòng khuyếch tán Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào Tích phân phương trình cân bằng vậtliệutrênkếthợpvới: ′′ ′′ m& Ges (y) = −m& P = const hay m& ij′′,Ges (y) = −m& ij′′,P = const Cùng với điềukiệnbiên: y = 0 : w j = w j2 y = δ F : wj = w j1 Phân bố nồng độ khoảng không gian bên trên màng: Đốivớimàngloại ống (hệ tọa độ trụ) * R * ⎛ δ F ⎞ w − w ⎛ i dr ⎞ w j1 − w j dy j1 j ⎜ ⎟ = exp⎜− m′′ ⎟ = exp − m& ′P′RM * & P ∫ * ⎜ ∫ ⎟ w − w ⎜ ρ D ⎟ w j2 − w j rρF Dij j2 j ⎝ y=0 F ij ⎠ ⎝ Ri −δ F ⎠ Nồng độ khốilượng cấu Dòng lọc tử j trong dòng lọctạivị trí đang khảosát 3
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào Kếtquả tích phân là phương trình mô tả phân cựcnồng độ trong lớpbiênphíadịch vào w − w* ⎛ m′′δ ⎞ ⎛ m′′ ⎞ j1 j = exp⎜− & P F ⎟ = exp⎜− & P ⎟ * ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ wj2 − wj ⎝ ρF Dij ⎠ ⎝ ρF kF ⎠ Đốivớimàngloại ống (hệ tọa độ trụ) 1/kF Hệ số cấpkhối m& ′P′ RM * w − w ⎛ m′′R ⎛ R ⎞⎞ ⎛ D ⎞ ρF Dij j1 j = exp⎜− & P M ln⎜ i ⎟⎟ = ⎜1− ij ⎟ * ⎜ ⎜ ⎟⎟ ⎜ ⎟ w j2 − wj ⎝ ρF Dij ⎝ Ri −δ F ⎠⎠ ⎝ RikF ⎠ Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các hiệu ứng giảm động lực quá trình Phân cựcnồng độ phía dung dịch đầuvàocủamộtsố kiểumô đun màng m& ′P′dhyd Pe = ρF Dij * w j1 − w j ⎛ PeDij ⎞ ⎛ Pe ⎞ = exp⎜− ⎟ = exp⎜− ⎟ * ⎜ ⎟ w j2 − w j ⎝ kF dhyd ⎠ ⎝ Sh ⎠ Chuẩnsố Pecle Phân cựcnồng độ phía dịch vào trong các loạimôđun màng khác nhau 4
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ (1) Phân cựcnồng độ Dịch vào Dòng nướclọc cụcbộ Dịch nướclọc chung Độ dài tương đối Tương quan giữa các dòng dọc theo chiềudàimôđun z Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ - Lớp đế Phân bố nồng độ trong lớp đế khi dùng màng bất đốixứng 5
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ Phân cựcnồng độ trong lớp đế trong các quá trình khác nhau Nước trong Áp suấtphíanước trong Khốilượng riêng nước trong Hệ số khuyếch tán Độ rỗng lớp đế Bề dày lớp đế Phân cựcnồng độ Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ (2) Tổnthấtápsuất ng độ t ạ Dòng lọc pho ớ Isopropanol- nước tsaul ấ Áp su Áp suấttrongthiếtbị ngưng tụ Tổnthấtápsuất trong lớp đế 6
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Dòng pha trộnhướng trục /axial back mixing Dòng pha trộnhướng trục đượchiểulàtất các các dòng vậnchuyển không ngoài dòng Xung bi suy giảm do các dòng pha trộnhướng trục: đốilưu phân bố vậntốc, dòng xoáy, khuyếchtánphântử, Xung chuẩnkhi t=0 Phân bốđốixứng tạimỗi thời điểm Thời điểm phát sinh xung Thời điểm đo Phân bố các xung chuyển động Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các loạitrở lựcvàhiệu ứng thủy động lực tác động tớiquátrìnhtối ưu hóa các mô đun màng - Cân bằng vậtchất trong không gian trước màng và sau màng - Tổnthấtápsuất trong không gian sau màng - Phân cựcnồng độ phia dịch vào - Đặctínhcủamàng - Đặc tính dòng nướctrongcụcbộ 7
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Phương pháp tính toán công suấtlọccụcbộ củamàng Hệ phươngtrìnhtínhtoáncông suấtlọccủa màng (trường hợptuântheomô hình Hòa tan – Khuếch tán) Phân cựcnồng độ phía dịch vào Trở lựccủamàng Thẩmthấungược (RO) Thấmbốc (PV) Trở lựccủalớp đế Phân cựcnồng độ phía nướctrong Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Phương pháp tính toán công suấtcụcbộ củamàng Thẩmthấungược: Hệ phươngtrìnhtínhtoáncókể dếnphâncựcnồng độ phía dịch vào và trở lựccủamàng Sh= f( Re, Sh, kích thướchìnhhọc) 8
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Phương pháp tính toán công suấtcụcbộ củamàng Phân cựcnồng độ trong quá trình thẩmthấungược Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Phương pháp tính toán công suấtcụcbộ củamàng Ảnh hưởng củaphâncựcnồng độ phía dịch đặctới dòng qua màng trong các trường hợp khác nhau Quá trình màng Hệ chất Màng Mô đun Loạitúi Loạibản Loại ống 9
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng Dung dịch vào Nước trong Phân cựcnồng Lớp Lớphoạt Phân cực độ phía dung nồng độ phía dịch vào đế rỗng động nướctrong Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng Hệ phươngtrìnhtínhtoáncông suấtlọccủamàngkhilớpdế tiếpxúcvớidịch vào trong quá trình RO 10
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng Hệ phươngtrìnhtínhtoáncông suấtlọccủamàngkhilớpdế tiếpxúcvớidịch vào trong quá trình PV Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng Hệ phương trình tính cụ thể cho quá trình RO và GP 11
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Các phương pháp tăng cường quá trình cấpkhốitrên màng - Tạo ra dòng nhiều pha - Thêm các cơ cấutạo xoáy trong không gian dịch vào: Feed- Spacer - Tạo màng rung khi làm việc - Đưadịch đặcvàomôđun dướidạng xung Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Cấcphương pháp tăng cường quá trình cấpkhốitrên màng Sơđồnguyên lý pp tạo dòng đapha 12
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng Dùng Feed Spacer Sơđồnguyên lý pp dùng Feed Spacer 13
Kỹ ThuậtMàngvàỨng Dụng Bài 5: Cấu trúc các loạimô đun màng Giảng viên: NguyễnMinh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học& Thựcphẩm Trường Đạihọc Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Cấu trúc các loạimôđun màng Nguyên lý cấutạoMôđun màng Mô đun 3 đầura Dịch vào Dịch đặc F R Bơm màng Bơm chân không Nướctrong R Nguyên lý cấutạoMôđun màng 1
Cấu trúc các loạimôđun màng Bố trí dòng trong mô đun Cùng chiều Ngượcchiều Khuấytrộn Chuyển động tự do Vuông góc Cấu trúc các loạimôđun màng Bố trí dòng trong mô đun cùng chiều Ngượcchiều Cùng chiều Ngượcchiều Ngượcchiều Cùng chiều 2
Cấu trúc các loạimôđun màng Bố trí dòng trong mô đun Trường Trường hợp1 hợp2 Phân bố nồng độ và áp suất trong mô đun vớicácphương án bố trí dòng khác nhau Cấu trúc các loạimôđun màng Các tiêu chuẩn đốivớiviệcchế tạo các mô đun Định nghĩa: Mô đun màng là mộtkếtcấukỹ thuật dùng màng Yêu cầu đốivớimộtmôđun màng: - Dòng thấm qua màng lớn, đều (không có khu vựcchết) - Bền nhiệt, hóa, cơ học - Kếtcấunhỏ gọn - Giá thành rẻ - Chi phí thay màng rẻ - Mất mát áp suấtít 3
Cấu trúc các loạimôđun màng Màng phẳng Màng ống Mô đun bản Mô đun ống Mô đun hộp Mô đun mao quản Mô đun cuốn Mô đun sợirỗng Mật độ bố trí màng Khả năng vệ sinh Giá thành chế tạo Khả năng chịucặn Phân loạimôđun Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng ống Nước trong Dòng vào Đường kính: 5-25mm Nước trong Dòng vào ống thu nướclọc Dịch đặc Ren nối Vòng đệm Ống tăng bền Màng Nguyên lý hoạt động củamàngống 4
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng ống Đầuvàovàđoạn cong trong mô đun ống Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng ống Kênh dẫndịch vào Màng ống bằng gốm Mô đun màng gốmcóbộ phận đun nóng Mô đun màng ống bằng gốmcủa công ty Sulzer Chemtech 5
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng ống Màng Zeolith lắp trong ống thép không gỉ Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng ống Đặc điểm Ưu điểm -Đường kính 6- 24 mm -Vậnhànhvới dòng chảyxoáy -Dòng chảytrongtâmống -Ít đóng cặn -Kèm theo ống tăng bền -Rửadễ dàng -Trong Mô đun có trở lựcnhỏ Nhược điểm -Diện tích riêng nhỏ (<= Phạmvi ứng dụng 80m2/m3) Ít đóng cặn -Vi lọc, Siêu lọc, Thẩmthấu -Trở lựccủahệ thống khi có ngượcmộtbậc chuyểnhướng lớn -Trong Mô đun có trở lựcnhỏ 6
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng sợirỗng/ màng mao quản IN-OUT OUT - IN Sợirỗng Vỏ chịuáp Keo dán Nguyên lý hoạt động củamôđun mao quảnvàmôđun sợirỗng Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng sợirỗng/ màng mao quản 7
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng sợirỗng/ màng mao quản Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng sợirỗng/ màng mao quản 8
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng sợirỗng/ màng mao quản Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng sợirỗng/ màng mao quản 9
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng sợirỗng/ màng mao quản Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng phẳng 10
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng phẳng Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng phẳng 11
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng phẳng Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng phẳng 12
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng hộp Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng hộp 13
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng hộp Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng hộp 14
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng quấn Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng quấn 15
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun màng quấn Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước 16
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước 17
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước 18
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước 19
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước 20
Cấu trúc các loạimôđun màng Mô đun nhúng dùng trong xử lý nước Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuhóa cấutrúcmôđun 21
Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuhóa cấutrúcmôđun Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuhóa cấutrúcmôđun 22
Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuhóa cấutrúcmôđun Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuhóa cấutrúcmôđun 23
Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuhóa cấutrúcmôđun Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuCHI PHÍCHẾ TẠO 24
Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuCHI PHÍCHẾ TẠO Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuCHI PHÍCHẾ TẠO 25
Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuCHI PHÍCHẾ TẠO Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuCHI PHÍCHẾ TẠO 26
Cấu trúc các loạimôđun màng Tối ưuCHI PHÍCHẾ TẠO Cấu trúc các loạimôđun màng Thiếtkế và tối ưu hóa mô đun màng cuốn 27
Cấu trúc các loạimôđun màng Thiếtkế và tối ưu hóa mô đun màng cuốn Cấu trúc các loạimôđun màng Thiếtkế và tối ưu hóa mô đun màng cuốn 28
Cấu trúc các loạimôđun màng Thiếtkế và tối ưu hóa mô đun màng cuốn Cấu trúc các loạimôđun màng Tổng kết 29