Tìm hiểu về các loại Module màng lọc

Màng lọc được chế tạo dưới hai dạng cấu trúc hình học cơ bản: tấm mảng hoặc ống với đường kính khác nhau, lớp hoạt động có thể ở trong hoặc ngoài ống. Màng lọc dạng ống phân loại dựa theo đường kính trong: màng tiêu chuẩn (4mm- 20 mm), mao quản (1,5 – 4mm) và sợ rỗng (đường kính tối đa 1,5mm). Trong bài viết sau, mời các bạn cùng Môi trường Hợp Nhất tìm hiểu chi tiết về các loại module màng lọc.

1. Các loại module màng lọc

Có 4 loại module màng lọc: Dạng khung tấm, dạng cuốn xoắn, dạng ống và dạng sợi rỗng. Module khung màng là tấm dạng đơn giản nhất, thường có 2 tấm bản đáy, màng lọc dạng bản mỏng và miếng đệm. Với module dạng ống, màng thường được đặt trong một ống và nước sẽ được bơm vào bên trong ống. Dạng module phổ biến nhất dùng cho màng lọc nano hay RO là mô đun dạng quấn xoắn, cấu tạo gồm có màng lọc dạng tấm cuốn quanh một lõi rỗng là ống có đục lỗ để dẫn dung dịch sau lọc. Ở đây nước đầu vào sẽ chảy vào mặt phía sau của màng lọc và nước sau lọc được thu vào ống trung tâm. Trong xử lý nước thải, module sợi rỗng thường được đặt trực tiếp trong nước thải và nước sau lọc được thu ở đầu cuối của màng.

1.1. Mô đun màng phẳng

Đây là loại module xuất hiện trong giai đoạn sớm nhất của các ứng dụng công nghiệp màng. Loại này có cấu tạo đơn giản và thay thế màng dễ dàng. Như minh họa, một bộ ha màng được đặt hai bên tấm xốp theo dạng kẹp như bánh sandwich. Dòng vào đi qua lớp xốp này rồi được lọc qua màng từ hai phía, đây là kiểu lọc từ trong ra. Hàng loạt các tấm cùng cấu tạo được ghép lại trong một hộp kín có đường dẫn nước vào và nước lọc ra, khi đó ta có mô đun dạng tấm phẳng. Cơ cấu này dùng bơm đẩy.

Nhược điểm của cơ cấu này là là cặn tích lũy trong lớp xốp dẫn lưu rất khó rửa sạch. Để tránh điều này gần đây cơ cấu lọc từ ngoài, thu nước lọc từ trong trở nên phổ biến hơn. Với mô đun lọc này phải dùng bơm hút, thu nước lọc từ trong trở nên phổ biến hơn. Với mô đun lọc này phải dùng bơm hút, tuy nhiên cặn bẩn được lưu ở bên ngoài màng nê dễ được làm sạch hơn, vận hành liên tục hơn.

1.2. Mô đun màng dạng tấm phẳng cuộn (màng cuộn xoắn)

Màng kiểu xoắn ốc được phát minh ra vào giữa những năm 60 của thế kỷ trước. Sau đó không lâu chúng đã được thương mại hóa, nhanh chóng thay thế các màng kiểu ống trong xử lý nước. Chúng có đặc điểm là mật độ cao khoảng chứng 600m2/m3, áp suất làm việc lên tới 80bar.

Modun dạng cuộn có dạng ống hình trụ, ở tâm là ống đục lỗ. Màng lọc có cấu trúc 3 lớp kiểu bánh sandwich, hai bên là màng RO, ở giữa là lớp đệm bằng vật liệu xốp, cơ cấu này có dạng như cái “phong bì” hở mà bản thân phong bi là màng RO còn bên trong là là lớp đệm dẫn nước lọc được gắn một đầu vào ống trung tâm. Mỗi mô đun có vài “phong bì” như vậy, giữa các “phong bì” là lớp đệm xốp để phân phối nước thô vào, các phong bì này được cuộn lại như cuộc vải hình trụ và được bọc lớp màng bảo vệ và được lắp trong ống chịu áp. Khi nén nước biển vào, nước sẽ phân phối đều theo lớp đệm xốp dẫn nước biển, nước ngọt thấm qua màng RO, theo lớp đệm dẫn nước ngọt vào ống trung tâm dẫn ra ngoài bồn chứa sản phẩm, phần nước biển không qua màng trở thành nước mặn hơn theo đường xả thải ra ngoài.

Cấu hình module này có các đặc trưng sau:

• Cấu trúc nhỏ gọn nhưng diện tích màng lớn;
• Độ bền áp lực cao;
• Phân phối nước vào đều góp phần giảm tổn thất áp lực tại các khe thấm;
• Phân cực nồng độ tối thiểu;
• Khoảng cách giữa các màng RO nhỏ nên dễ tắc, không áp dụng được cho nước có cặn.

Một mô đun màng lọc RP thương mại dạng ống cuộn trông như một cuộn vải có kích thước tiêu chuẩn (đường kính) được đo bằng inch (‘’) (mỗi inch = 2,54cm). Để tăng diện tích lọc của một ống lọc, nhiều module dạng cuộn được lắp trong một bình chứa (vỏ) chịu áp lực và được kết nối với một ống thấm trung tâm.

Gần đây, mô đun dạng cuộn xoắn ốc được sử dụng ngày càng nhiều do thiết kế ngày càng được cải tiến hoàn thiện và hiệu quả hơn, ứng dụng  được cho các dung dịch dễ gây tắc hơn. Tuy nhiên ở mô đun này vẫn cần phải sử dụng bộ sơ lọc.

1.3. Mô đun màng dạng ống

Trong loại mô đun này, màng có các dạng ống hình trụ được bọc trong một vỏ chịu áp. Các dung dịch dòng vào thường chảy qua trung tâm của các ống trong khi dòng thấm qua chảy qua vỏ ống xốp vào không gian giữa màng và vỏ chịu áp của mô đun. Cấu hình này thường áp dụng cho màng gốm.

Đặc trưng chính của các mô đun dạng ống là:

• Dễ dàng thay thế màng và làm sạch màng khỏi các chất nhiễm bẩn bề mặt;
• Tiêu tốn nhiều năng lượng cho một đơn vị nước xử lý;
• Tốc độ dòng vào cao giúp giảm nhiễm bẩn ứ đọng trên màng;
• Mật độ diện tích lọc trên thể tích modun thấp
• Quá trình tiền xử lý dòng vào đơn giản.

Mô đun màng ống có đường kính lớn, dễ rửa màng nén có thể xử lý các dung dịch dễ gây tác như xử lý sơn điện di, cô đặc latex, tách nhũ tương dầu – nước mà các loại mô đun khác khó xử lý. Do vậy, tuy giá vận hành, chủ yếu là năng lượng tiêu thụ của module này cao như cũng đáng sử dụng. Mức tiêu thụ của mô đun này trong khoảng 30 đến 100kWh cho khoảng 4m3 sản phẩm.

1.4. Mô đun màng sợi rỗng

Dạng màng sợi rỗng được phát minh ra muộn hơn, được thương mại hóa vào năm 1969. Dạng màng này có diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích rất lớn (Cỡ 30.000m2/m3). Các màng này được thiết kế dưới dạng các ống mao quản có đường kính ngoài khoảng 80 – 200 µm, gấp đôi đường kính trong (40 – 100 µm), nên bề dày của tường ống khá lớn. Tỷ lệ 2:1 giữa đường kính trong và đường kính ngoài giúp cho các ống mao quản chịu được áp suất cao.

Hàng triệu sợi màng được sắp xếp theo từng lớp cuốn quanh từ trong ra ngoài bao lấy ống phân phối tạo thành một bó sợi, sau đó đặt vào một bình kín hình trụ chịu áp suất bằng chất dẻo có gia cường bằng sợi thủy tinh. Một đầu bó sợi đặt trong khối nhựa epoxy, tạo thành một khối xốp như thể được khoan lỗ. Đầu còn lại được tạo kín tạo thành ngõ cụt. Việc làm này tương tự như làm một vỏ ống chỉ hở một đầu.

Một mô đun màng sợi rỗng bao gồm một số lượng các sợi rỗng (đường kính tính bằng mm) được bó với nhau trong một vỏ màng tạo mô đun lọc (hình minh họa). Sợi được kết thành bó/chùm, hai đầu bó sợi được gắn cố định trong một đoạn ống bằng các tác nhân làm kín nước như nhựa epoxy, polyurethane hoặc cao su silicon.

Có hai phương thức lọc chủ yếu trong mô đun màng sợi rỗng:

• Phương thức lọc từ trong ra ngoài: Dung dịch dòng vào đi qua các khoảng trống trong mỗi sợi và phần thấm qua sợi như được thu lại bên ngoài của sợi.
• Phương thức lọc từ ngoài vào trong: Dung dịch dòng vào được lọc từ mặt vỏ ngoài của sợi lọc và dòng thấm lấy ra từ bên trong các ống sợi.

Sự lựa chọn giữa hai dạng này chủ yếu dựa vào một thông số như áp suất hoạt động, tổn thất áp lực hoặc loại màng có sẵn. Tường sợi có cấu trúc của màng bất đối xứng và lớp da hoạt động được đặt vào phía bên dòng vào, mô đun sợi rỗng được đặc trưng bởi mật độ rất cao, có thể đạt giá trị tới 30.000m2/m3.

Mô đun sợi rỗng thường được sử dụng khi dòng vào là tương đối sạch, chẳng hạn như trong tách khí và bay hơi. Nó cũng được sử dụng trong trường hợp khử muối nước biển, nhưng trước đó phải qua quá trình tiền xử lý. Ứng dụng mô đun được đưa ra là một mô đun RO điển hình, nơi một ống trung tâm được sử dụng để phân phối đều dung dịch dòng vào trong suốt chiều dài module. Điều này là để tránh những vấn đề “chảy tắt” trong mô hình “từ ngoài vào trong”, có nghĩa là dòng vào sẽ chảy dọc theo một con đường cố định, làm giảm diện tích bề mặt màng có hiệu quả. Trong tách khí, kiểu lọc “từ ngoài vào trong” được sử dụng để tránh tổn thất do áp suất cao bên trong sợi và để đạt được diện tích màng cao.

2. Đặc điểm của module màng lọc

Công suất đặc trưng của màng (lượng nước thu được/m2.h) tương đối thấp (vài chục đến vài trăm lít), trong công nghiệp màng cần phải sử dụng diện tích lớn. Để đáp ứng công suất lọc thực tế, công nghệ màng đòi hỏi diện tích bề mặt lớn. Như vậy cần giải pháp để bố trí diện tích lớn trong một không gian nhỏ, một cơ cấu chứa một lượng màng có diện tích đủ lớn, có cơ cấu tiện lợi khi lắp ráp thành máy lọc để ứng dụng được gọi là mô đun màng lọc. Do vậy, màng thường được chế tạo liền khối trong lớp bọc bảo vệ (gọi là các module) sẵn sàng cho sử dụng, dưới các dạng tấm phẳng, cuộc xoắn ốc, ống hay bó sợi. Cấu hình của các module này phụ thuộc vào mục đích ứng dụng, kiểu lắp đặt máy lọc màng và thiết kế quy trình hoạt động.

Trong quá trình hoạt động, một dòng chất lỏng vào modun với tốc độ và thành phần cụ thể. Khi đi qua module màng, dòng vào được tách thành 2 dòng, một dòng lưu (tuần hoàn hoặc xả ra) và một dòng thấm qua. Dòng lưu là dòng chứa những tạp chất bị giữ lại, còn dòng thấm qua màng thì là nước lọc – phần sạch hơn. 

Hy vọng nội dung trên đã giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về các loại module màng lọc và có thể chọn mua loại phù hợp với nhu cầu của mình.