Màng Lọc Là Gì? Các Loại Màng Lọc Hiện Nay

Màng lọc là một lớp 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 sử dụng trong các quá trình lọc màng thường được định nghĩa là lớp ngăn cách mỏng, qua đó sự tách các chất được thực hiện trên cơ sở khác biệt về sự thẩm thấu giữa các chất dưới ảnh hưởng của các động lực khác nhau. 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 qua màng.

1. Tìm hiểu về màng lọc nước

Về nguyên tắc, màng lọc là lớp vật liệu rất mỏng với các tính chất vật lý, hóa học đặc thù cho phép tách chất dưới tác động của một trong các động lực phù hợp, các động lực này có thể là chênh lệch về nồng độ hoặc áp suất hoặc điện thế giữa 2 bên màng.

Các thông số cơ bản của quá trình lọc màng:

• Áp lực;
• Cơ chế phân tách;
• Cấu trúc màng;
• Pha dung dịch.

Thông qua quá trình làm việc của màng lọc, dòng hỗn hợp đầu vào được phân tách làm hai phần: một phần là dung dịch sau lọc (dòng lọc – permeate) và phần những vật chất bị giữ lại trước màng lọc (dòng ở lại – retentate hay dòng đặc – concentrate).

Màng lọc có tính thấm chọn lọc khác nhau đối với các phân tử khác nhau. Cấu trúc của màng phải đảm bảo có tính chọn lọc tương ứng với các chất cần tách loại, có độ bền nước tối thiểu và đồng thời đáp ứng các yêu cầu về độ bền cơ – lý.

Kích thước lỗ xốp của màng sẽ quyết định tính thấm qua của các phân tử.

Màng lọc có thể áp dụng để làm sạch hay làm đậm đặc một dung dịch hay phân tách một hỗn hợp. Để màng có thể ứng dụng trong thực tế (ví dụ lọc nước ngọt từ nước biển) chúng đáp ứng các yêu cầu sau:

Màng phải tách hiệu quả đối với đối tượng cần tách (ví dụ tách muối ra khỏi nước biển trong hệ lọc nước biển) hay còn gọi là độ chọn lọc hay hiệu suất/tỉ lệ tách loại muối cao.

Dòng sản phẩm phải đủ lớn (đặc trưng bằng thông lượng hay là năng suất lọc, là lượng chất lọc được /m2 màng/1 đơn vị thời gian).

Màng phải bền về mặt vật lý cũng như hóa học, chịu được áp suất lọc, hóa chất tiền xử lý và làm sạch màng.

Dòng lọc là một phần của dòng được vào được thấm lọc qua màng. Dòng ở lại là phần không qua màng chứa các thành phần mà màng lọc cần tách loại. Trong trường hợp lọc nước biển, các thành phần này chủ yếu là muối ăn và các ion có sẵn trong nước biển.

Nước biển thường có độ muối khoảng 35.000 mg NaCl/L, nước ngọt (nước cấp) được coi là nước có độ muối từ 500mg/l trở xuống, vậy màng lọc nước biển tốt nhất là màng có hiệu suất tách muối ít nhất phải bằng [(35,000 – 500/35,000] x 100% = 98,6% trỏ lên. Đây chính là tiêu chí đầu tiên mà màng lọc nước biển phải đạt.

Hiện nay, hầu hết các loại màng thẩm thấu ngược (RO) lọc nước biển thương mại thường có hiệu suất tách loại > 99% có thể lọc 1 lần là đạt gần hết các tiêu chuẩn nước ngọt.

2. Các loại màng lọc hiện nay

Các màng lọc có kích thước lỗ khác nhau sẽ giữ lại các phần tử vật chất khác nhau. Do các màng có kích thước lỗ màng và lực điều khiển quá trình hoạt động khác nhau mà dải kích thước áp dụng và loại bỏ các chất khác nhau.

2.1. Màng vi lọc (MF)

Các màng lọc loại này có các lỗ rỗng 0,1 - 1 µm, độ dày màng từ 10 đến 150 µm, hoạt động dưới áp suất động lực thông thường từ 0, 1 – 2 bar; 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 hoàn 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 tủ nêu trên được lọc đi.

2.2. Màng siêu lọc (UF)

Các màng siêu lọc có cấu trúc mềm không đối xứng, kích thước lỗ rỗng từ 0,001 – 0,1µm, độ dày màng khoảng 150 µm, hoạt động dưới áp suất động lực thông thường từ 1 – 10 bar; cho phép lọc được các chất keo, chất rắn hòa tan có kích thước nhỏ và các phần từ như vi khuẩn, vi rút, proteins có khối lượng mol nhỏ, carbohydrate, enzymes…

2.3. Màng nano (NF)

Màng lọc nano có kích thước lỗ rỗng khoảng 0,001 – 0,002 µm, hoạt động dưới áp suất động lực thông thường từ 15 – 25 bar, là màng trung gian giữa 2 hình thức lọc màng là RO và UF. Nó có thể lọc được các phân tử muối hóa trị thấp và các chất khoáng; được ứng dụng trong lọc cặn các protein, gelatin, công nghệ chế biến nước hoa quả, phân ly chất rắn hòa tan trong dung dịch và sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt.  

2.4. Màng lọc thẩm thấu ngược (RO)

Màng lọc thẩm thấu ngược RO có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 0,001 µm, chúng được hoạt động dưới áp suất động lực cao, thông thường từ 40 – 80 bar, cho phép loại bỏ hầu hết các thành phần có trong nước thải như cacbonhydrat, phân tử chất, cặn lơ lửng, các chất khoáng, các ion, amino acid… gần như chỉ còn nước nguyên chất chảy qua.

Nguyên lý của các loại màng vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược (RO) là sự tách vật lý. Khả năng loại bỏ của các chất tan, độ đục và vi sinh vật được xác định bởi kích thước lỗ xốp của màng. Các phần tử lớn hơn kích thước lỗ xốp hoàn toàn bị loại bỏ, trong khi các phần tử nhỏ hơn bị loại bỏ 1 phần, phụ thuộc vào cấu trúc của lớp cản trên màng. Thẩm thấu ngược (RO) là một quá trình loại muối khỏi nước nhờ màng bán thấm, màng này cho nước thấm qua nhưng không cho muối thấm qua.

Màng có thể là màng xốp hoặc màng “đặc”. Màng xốp lọc nước theo nguyên lý cái rây, các hạt tạp chất có kích thước hơn lỗ hay khe mở của rây thì bị cản lại, nước và các hạt tạp chất nhỏ thì đi qua, đây là các màng vi lọc (MF) và siêu lọc (UF).

Màng đặc lọc nước theo nguyên lý khác, nó dựa vào khả năng thấm qua màng của các thành phần trong nước, điều này lại phụ thuộc vào tương tác của các thành phần trong nước với bề mặt màng (màng RO), màng NF có tính chất trung gian, nghĩa là cả 2 cơ chế cùng tác động.                               

Để tách được các chất cần phải tạo dòng chảy của nước. Nếu trong quá trình lọc hạt thông thường có thể sử dụng áp suất thủy tĩnh của cột nước thì trong quá trình màng luôn cần đến áp suất ngoài gọi là áp suất động lực nhằm thúc đẩy tốc độ quá trình vì khi tiết diện lỗ xốp của màng càng nhỏ thì trở lực càng cao. Tốc độ dòng chảy tỉ lệ thuận với sự chênh lệch áp suất. Áp lực cần thiết để ép nước chảy qua màng được gọi là áp suất động lực hay là áp suất vận chuyển của màng (Trans Membrane Pressure – TMP).

Về mặt vật liệu, màng lọc có thể là hữu cơ (polymer) hoặc vô cơ (gốm hoặc kim loại). Hiện nay màng vô cơ mới chế tạo được tới kích thước nano (màng NF) và theo cấu tạo module lọc, màng lọc gồm các loại màng tấm phẳng, sợi rỗng, ống thẳng,…

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc màng

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến màng lọc và quá trình lọc màng, chẳng hạn như: nhiệt độ, pH, vật liệu màng, kích thước lỗ màng, tổn thất áp suất qua màng, đặc tính chất ô nhiễm, nồng độ bùn, chế độ sục khí, năng suất lọc, chế độ hoạt động,…

3.1. Nhiệt độ

Mỗi một loại vật liệu màng có một thông số giới hạn khác nhau. Nhiệt độ thích hợp để quá trình lọc màng diễn ra là >= 25oC, nhưng lại không vượt quá 40 – 45oC, để tránh phá hoại màng, bởi hầu hết các màng đều được chế tạo từ các dẫn xuất của polyme, với các màng kim loại và màng gốm có thể chịu được nhiệt độ cao hơn.

• Màng cenllulo axetat (CA) có giới hạn nhiệt độ khoảng 35oC.
• Màng polysulfone (PSO) và màng polyvinylidene difluoride (PVDF) có nhiệt độ giới hạn cao hơn.
• PSO và PVDF vẫn có thể hoạt động bình thường ở 90oC. PSO còn có thể hoạt động trên 120oC.

Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt độ thường không ảnh hưởng nhiều đến màng, mà chủ yếu ảnh hưởng đến các thành phần khác trong hệ thống lọc màng.

Nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm và nhiệt độ ảnh hưởng đến năng suất lọc.

3.2. Vật liệu màng

Vật liệu màng rất đa dạng, phong phú đáp ứng nhiều mục đích sử dụng. Trong đó có những vật liệu giá thành rất cao như polytetrafluroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) và cũng có những vật liệu giá thành thấp hơn như cellulose acetate (CA).

• Màng PTFE và PVDF rất bền hóa chất và bền nhiệt.
• Trong khi đó, màng CA ổn định nhiệt, ổn định hóa chất và chịu kiềm kém. Ngoài ra, màng CA còn bị vi khuẩn phân hủy.

Màng cũng có những loại ưu nước và kỵ nước. Tính thấm ướt là một đặc tính quan trọng của bề mặt màng. Góc tiếp xúc và góc trượt là 2 đại lượng quan trọng để đánh giá khả năng thấm ướt.

• Màng kỵ nước là màng có góc tiếp xúc >90o.
• Màng ưu nước có góc tiếp xúc gần 0o.

Màng PTFE là màng kỵ nước và màng PVDF là màng ưu nước. Trong quá trình sử dụng, do đặc tính kỵ nước nên màng PTFE rất nhanh tắc, trong khi đó, màng PVDF hoạt động lâu hơn.

3.3. Kích thước lỗ màng

Quá trình lọc này chỉ cho nước đi qua màng còn tất cả các chất hòa tan, các chất rắn lơ lửng đều bị giữ lại. Trong xử lý nước thải, hệ MBR thường dùng màng siêu lọc UF hoặc vi lọc MF, sau đó nếu xử lý tiếp thì mới dùng màng RO.

3.4. Các nguyên tử nhóm halogen

Các nguyên tử nhóm halogen (X2) phản ứng với nước (H2O) tạo hợp chất oxy hóa mạng, gây phá hoại các màng được chế tạo từ vật liệu dẫn xuất polyme. Thông thường nồng độ nguyên tố halogen < 0,2 ppm.

3.5. Áp suất qua màng

Áp suất là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng tới quá trình lọc của màng. Tất cả các màng đều rất nhạy cảm với áp suất. Mỗi màng thông thường chỉ hoạt động trong một dãy áp suất động lực nhất định, khi áp suất không nằm trong khoảng này, quá trình lọc trên màng sẽ không diễn ra (hay diễn ra với hiệu suất, hiệu quả không cao) hoặc màng bị phá hoại.

Trong quá trình vận hành, hiện tượng tắc nghẽn màng xảy ra, thể hiện qua tổn thất áp suất qua màng tăng. Khi vượt quá giới hạn áp suất của nhà sản xuất, màng dễ bị tổn thương nghiêm trọng. Đối với màng xuất xứ Trung Quốc giới hạn áp suất khoảng 37,5 cmHg; một số loại màng khác, giới hạn có thể lên đến 40 – 45 cmHg.

Bản chất và nồng độ của chất ô nhiễm trong nước: Màng lọc nước phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng nước liên quan đến quá trình tiền xử lý và để vận hành màng ở điều kiện phù hợp. Nước thải có nồng độ chất hữu cơ hòa tan và chất rắn lơ lửng thấp.

Với nội dung trên đây, Môi trường Hợp Nhất hy vọng đã giải đáp cho các bạn một số vấn đề là “màng lọc là gì”, “các loại màng lọc hiện nay” và “các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc màng”. Các thông tin khác về màng lọc sẽ được chúng tôi lần lượt chia sẻ ở các nội dung tiếp theo, các bạn nhớ thường xuyên theo dõi nhé!

Bộ phận Truyền thông & Marketing: Tổng hợp