Lọc màng (Membrane Filtration)

Quá trình này tạo ra hai dòng riêng biệt: dòng đã đi qua màng được gọi là dịch lọc (permeate), và dòng chứa các thành phần bị giữ lại được gọi là dịch cô đặc (retentate hoặc concentrate). Hiệu quả của quá trình lọc màng phụ thuộc vào đặc tính của màng (kích thước lỗ, vật liệu), tính chất của dung dịch cần lọc, và các điều kiện vận hành (áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng chảy).

Nguyên lý hoạt động

Lực đẩy chính (driving force) của hầu hết các quá trình lọc màng là sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng. Áp suất này được gọi là áp suất xuyên màng (Transmembrane Pressure – TMP), là động lực để dung môi và một số chất tan đi qua màng. TMP được tính toán chính xác hơn bằng công thức:

$TMP = \frac{P{feed} + P{retentate}}{2} – P_{permeate}$

Trong đó:

• $P_{feed}$: Áp suất của dòng cấp liệu đầu vào.
• $P_{retentate}$: Áp suất của dòng cô đặc đầu ra.
• $P_{permeate}$: Áp suất của dòng dịch lọc.

Đối với các quá trình như lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược (RO), nơi màng giữ lại các chất hòa tan nhỏ, áp suất thẩm thấu ($\Delta \pi$) của dung dịch cũng là một yếu tố quan trọng. Áp suất vận hành phải đủ lớn để thắng được áp suất thẩm thấu này. Do đó, áp suất hiệu dụng thực tế thúc đẩy quá trình lọc là $ \Delta P_{eff} = TMP – \Delta \pi $.

Phân loại lọc màng

Lọc màng được phân loại chủ yếu dựa trên kích thước lỗ màng, áp suất vận hành và khả năng loại bỏ các chất khác nhau. Bốn loại chính bao gồm:

• Vi lọc (Microfiltration – MF): Kích thước lỗ màng lớn nhất, thường từ 0.1 đến 10 µm. Vận hành ở áp suất thấp (< 2 bar). MF hiệu quả trong việc loại bỏ các hạt lơ lửng, tảo, vi khuẩn và các hạt keo lớn. Cơ chế chính là sàng lọc theo kích thước.
• Siêu lọc (Ultrafiltration – UF): Kích thước lỗ màng nhỏ hơn, từ 0.01 đến 0.1 µm, tương ứng với trọng lượng phân tử giới hạn (MWCO) từ 1,000 đến 1,000,000 Dalton. Vận hành ở áp suất vừa phải (1-10 bar). UF có thể loại bỏ các đại phân tử như protein, polysaccharide, virus và các hạt keo nhỏ hơn.
• Lọc nano (Nanofiltration – NF): Kích thước lỗ màng từ 0.001 đến 0.01 µm (1-10 nm). NF hoạt động ở áp suất cao hơn UF (5-20 bar) và có khả năng loại bỏ các ion đa hóa trị (như Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$), làm mềm nước, cũng như các phân tử hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp (thuốc trừ sâu, đường).
• Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO): Màng RO có lớp hoạt tính gần như không có lỗ xốp (kích thước < 0.001 µm). Vận hành ở áp suất rất cao (15-80 bar hoặc cao hơn). RO là quá trình lọc chặt chẽ nhất, có khả năng loại bỏ gần như toàn bộ các chất hòa tan, bao gồm cả các ion đơn hóa trị (Na$^{+}$, Cl$^{-}$), được ứng dụng rộng rãi trong khử mặn nước biển và sản xuất nước siêu tinh khiết.

Cơ chế phân tách

Cơ chế phân tách của màng không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn dựa trên các tương tác hóa lý phức tạp:

• Sàng lọc theo kích thước (Size exclusion / Sieving): Đây là cơ chế đơn giản nhất và là cơ chế chính trong vi lọc (MF) và siêu lọc (UF). Bất kỳ hạt nào có kích thước lớn hơn lỗ màng sẽ bị giữ lại một cách vật lý.
• Loại trừ Donnan (Donnan exclusion): Cơ chế này rất quan trọng trong lọc nano (NF). Bề mặt màng NF thường mang điện tích âm. Do đó, nó sẽ đẩy các ion mang điện tích cùng dấu (anion như Cl$^{-}$, SO$_{4}^{2-}$) và thu hút các ion trái dấu (cation như Na$^{+}$, Ca$^{2+}$), dẫn đến khả năng loại bỏ muối có chọn lọc, đặc biệt là các muối chứa ion đa hóa trị.
• Hòa tan và Khuếch tán (Solution-Diffusion): Đây là cơ chế chủ đạo trong thẩm thấu ngược (RO) và một phần trong lọc nano (NF). Các phân tử dung môi (ví dụ: nước) sẽ hòa tan vào lớp màng polymer dày đặc, sau đó khuếch tán qua phía bên kia dưới tác động của chênh lệch áp suất. Các chất tan (ví dụ: ion muối) có độ hòa tan và/hoặc hệ số khuếch tán trong màng thấp hơn nhiều nên sẽ bị giữ lại.

Ứng dụng

Công nghệ lọc màng có phạm vi ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống nhờ khả năng phân tách hiệu quả ở cấp độ phân tử và vi mô.

• Xử lý nước và nước thải: Đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất. Thẩm thấu ngược (RO) được dùng để khử mặn nước biển thành nước ngọt, lọc nano (NF) để làm mềm nước, siêu lọc (UF) và vi lọc (MF) để loại bỏ vi khuẩn, virus và cặn lơ lửng trong sản xuất nước uống và xử lý sơ bộ cho hệ thống RO. Các lò phản ứng sinh học màng (MBR) kết hợp xử lý sinh học với lọc màng để xử lý nước thải hiệu quả.
• Công nghiệp thực phẩm và đồ uống: Lọc màng được dùng để cô đặc và làm trong nước trái cây, rượu vang, bia (loại bỏ nấm men, vi khuẩn); cô đặc protein từ váng sữa (whey protein); khử trùng sữa (thay thế cho phương pháp thanh trùng nhiệt); phân tách đường lactose từ sữa.
• Công nghiệp dược phẩm và công nghệ sinh học: Dùng để tinh chế, cô đặc các sản phẩm sinh học nhạy cảm với nhiệt như vắc-xin, kháng thể, enzyme; khử trùng dung dịch thuốc; lọc máu trong các máy chạy thận nhân tạo (thẩm tách máu).
• Các ngành công nghiệp khác: Trong công nghiệp hóa chất, lọc màng được dùng để thu hồi dung môi, tách và tinh chế hóa chất. Trong ngành dệt may, nó được dùng để thu hồi thuốc nhuộm từ nước thải.

Ưu điểm và Nhược điểm

• Ưu điểm:
  • Hiệu quả phân tách cao: Có khả năng loại bỏ các hạt rất nhỏ, thậm chí cả các ion hòa tan.
  • Chất lượng sản phẩm ổn định: Quá trình lọc cho chất lượng dịch lọc đồng đều.
  • Tiêu thụ năng lượng tương đối thấp: Đặc biệt với MF và UF. Quá trình không cần chuyển pha (như chưng cất) nên tiết kiệm năng lượng hơn.
  • Quy trình linh hoạt và dễ tự động hóa: Hệ thống có thể hoạt động liên tục và dễ dàng kiểm soát.
  • Không sử dụng hóa chất phụ trợ: Trong nhiều trường hợp, quá trình phân tách hoàn toàn là vật lý, không cần thêm hóa chất, đặc biệt quan trọng trong ngành thực phẩm và dược phẩm.
• Nhược điểm:
  • Hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling): Đây là thách thức lớn nhất, làm giảm hiệu suất, tăng chi phí vận hành (năng lượng, hóa chất làm sạch) và giảm tuổi thọ màng.
  • Chi phí đầu tư và thay thế màng cao: Màng lọc, đặc biệt là màng NF và RO, có giá thành tương đối cao.
  • Độ nhạy cảm của màng: Một số màng polymer có thể bị suy thoái bởi các hóa chất (như clo), nhiệt độ cao hoặc pH quá cao/thấp.
  • Nồng độ phân cực: Sự tích tụ chất tan trên bề mặt màng làm giảm hiệu suất lọc.

Hiện tượng Tắc nghẽn màng (Membrane Fouling)

Tắc nghẽn màng là sự lắng đọng và tích tụ không mong muốn của các thành phần trong dòng cấp liệu lên bề mặt màng hoặc bên trong các lỗ màng. Hiện tượng này làm giảm thông lượng (flux) của dịch lọc theo thời gian và tăng áp suất xuyên màng (TMP) cần thiết để duy trì thông lượng, dẫn đến tăng chi phí năng lượng. Các loại tắc nghẽn chính bao gồm:

• Tắc nghẽn do cặn (Particulate fouling): Các hạt lơ lửng lớn hơn lỗ màng bị giữ lại và tạo thành một lớp bánh lọc (cake layer) trên bề mặt.
• Tắc nghẽn do keo (Colloidal fouling): Các hạt keo nhỏ (như silica, sét) tích tụ và tạo thành một lớp gel đặc trên bề mặt màng.
• Tắc nghẽn hữu cơ (Organic fouling): Các chất hữu cơ hòa tan (axit humic, protein, polysaccharide) hấp phụ lên bề mặt và trong lỗ màng.
• Tắc nghẽn sinh học (Biofouling): Vi sinh vật bám vào bề mặt màng, phát triển và tiết ra các chất polymer ngoại bào (EPS), tạo thành một lớp màng sinh học (biofilm) rất khó loại bỏ.
• Tắc nghẽn vô cơ (Inorganic fouling/Scaling): Khi nồng độ của một số muối vô cơ (như CaCO₃, CaSO₄) vượt quá giới hạn hòa tan của chúng gần bề mặt màng, chúng sẽ kết tủa và tạo thành cáu cặn.

Để kiểm soát tắc nghẽn, các chiến lược chính bao gồm tiền xử lý dòng cấp liệu, tối ưu hóa điều kiện vận hành (ví dụ: vận tốc dòng chảy chéo), và làm sạch màng định kỳ (vật lý và hóa học).

Nồng độ phân cực (Concentration Polarization)

Nồng độ phân cực là hiện tượng các chất tan bị màng giữ lại tích tụ tại lớp dung dịch sát bề mặt màng, làm cho nồng độ chất tan tại đây ($C_m$) cao hơn so với nồng độ trong dòng chảy chính ($C_b$). Hiện tượng này xảy ra trong hầu hết các quá trình lọc màng, đặc biệt là UF, NF và RO. Nó gây ra hai hệ quả tiêu cực chính:

1. Làm giảm thông lượng dịch lọc do làm tăng áp suất thẩm thấu cục bộ tại bề mặt màng, từ đó làm giảm chênh lệch áp suất hiệu dụng.
2. Làm tăng nguy cơ tắc nghẽn do cáu cặn (scaling) và tắc nghẽn do gel, vì nồng độ chất tan cao có thể vượt ngưỡng bão hòa.

Các biện pháp giảm thiểu nồng độ phân cực bao gồm:

• Tăng vận tốc dòng chảy chéo: Tăng cường sự xáo trộn gần bề mặt màng để cuốn đi lớp chất tan tích tụ.
• Giảm thông lượng dịch lọc: Vận hành ở áp suất xuyên màng thấp hơn.
• Sử dụng các thiết bị tạo dòng chảy rối (turbulence promoters): Chẳng hạn như các tấm lưới đệm trong module xoắn ốc.

Các cấu hình hệ thống lọc màng

Có hai cấu hình vận hành chính:

• Lọc trực diện (Dead-end filtration): Toàn bộ dòng cấp liệu được đẩy vuông góc với bề mặt màng. Dịch lọc đi qua màng, trong khi tất cả các chất bị giữ lại sẽ tích tụ thành một lớp bánh lọc trên bề mặt. Cấu hình này đơn giản nhưng rất dễ bị tắc nghẽn, thường chỉ phù hợp với các dung dịch có nồng độ chất rắn thấp, các ứng dụng quy mô nhỏ hoặc trong phòng thí nghiệm (ví dụ: bộ lọc ống tiêm).
• Lọc dòng chảy chéo (Cross-flow filtration): Dòng cấp liệu chảy song song với bề mặt màng ở vận tốc cao. Lực cắt của dòng chảy sẽ cuốn đi các chất bị giữ lại, làm giảm sự tích tụ trên bề mặt màng và hạn chế tắc nghẽn. Cấu hình này cho phép vận hành ổn định trong thời gian dài và là lựa chọn phổ biến nhất cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn.

Các loại module màng

Module màng là cụm thiết bị chứa màng lọc được thiết kế để tối ưu hóa diện tích bề mặt lọc trong một thể tích nhỏ gọn. Các loại phổ biến bao gồm:

• Module tấm và khung (Plate-and-frame): Gồm các tấm màng phẳng được xếp chồng lên nhau, xen kẽ với các tấm đệm. Dễ dàng làm sạch và thay thế màng nhưng có mật độ đóng gói thấp.
• Module xoắn ốc (Spiral-wound): Các tấm màng phẳng, tấm đệm cấp liệu và tấm đệm dịch lọc được quấn quanh một ống thu trung tâm. Đây là loại module phổ biến nhất cho NF và RO nhờ mật độ đóng gói cao và chi phí hợp lý, nhưng nhạy cảm với tắc nghẽn do chất rắn.
• Module ống (Tubular): Màng được đặt bên trong hoặc bên ngoài các ống có đường kính tương đối lớn (> 5 mm). Rất bền và có khả năng chống tắc nghẽn tốt, phù hợp cho các dung dịch có độ nhớt cao hoặc chứa nhiều chất rắn, nhưng mật độ đóng gói thấp và chi phí cao.
• Module sợi rỗng (Hollow fiber): Gồm hàng nghìn sợi màng rỗng có đường kính tương tự sợi tóc, được bó lại với nhau. Cung cấp mật độ đóng gói cao nhất, lý tưởng cho các ứng dụng quy mô lớn như xử lý nước (UF) và chạy thận nhân tạo.

Vật liệu màng

Vật liệu màng quyết định tính chất hóa lý, độ bền và hiệu suất của quá trình lọc. Các vật liệu phổ biến được chia thành hai nhóm chính:

• Polymer (Hữu cơ): Đây là nhóm vật liệu phổ biến nhất do tính linh hoạt và chi phí sản xuất thấp. Các ví dụ điển hình bao gồm: Polysulfone (PSU), Polyethersulfone (PES), Polyvinylidene fluoride (PVDF) cho màng MF/UF; Polyamide (PA) cho màng NF/RO; Cellulose Acetate (CA). Chúng có thể được điều chỉnh để có các đặc tính khác nhau nhưng có giới hạn về khả năng chịu nhiệt độ, áp suất và hóa chất.
• Vô cơ (Gốm sứ – Ceramic): Các vật liệu như Nhôm oxit (Al₂O₃), Zirconia (ZrO₂), Titania (TiO₂) và Silicon carbide (SiC). Màng gốm sứ có độ bền cơ học, hóa học và nhiệt độ vượt trội, tuổi thọ cao và khả năng chống tắc nghẽn tốt. Tuy nhiên, chúng giòn hơn và có chi phí sản xuất cao hơn đáng kể so với màng polymer.

Mô hình hóa và các phương trình cơ bản

Sự vận chuyển của dung môi qua màng thường được mô tả bằng một dạng đơn giản hóa của Định luật Darcy, liên hệ giữa thông lượng dịch lọc ($J$) và áp suất xuyên màng ($TMP$ hoặc $\Delta P$):

$J = \frac{TMP}{\mu \cdot R_t}$

Trong đó:

• $J$: Thông lượng dịch lọc (flux), thường có đơn vị là L/m².h hoặc m³/m².s.
• $TMP$: Áp suất xuyên màng (Pa hoặc bar).
• $\mu$: Độ nhớt động lực học của dung dịch (Pa·s).
• $R_t$: Tổng trở lực của quá trình lọc (m⁻¹).

Tổng trở lực ($R_t$) bao gồm trở lực cố hữu của màng sạch ($R_m$) và trở lực phát sinh do tắc nghẽn ($R_f$):

$R_t = R_m + R_f$

Trở lực màng ($R_m$) là một đặc tính nội tại của màng sạch, phụ thuộc vào vật liệu, cấu trúc và độ dày của màng. Trở lực do tắc nghẽn ($R_f$) tăng dần trong quá trình vận hành khi các chất bẩn tích tụ. Việc theo dõi sự thay đổi của $J$ và $TMP$ theo thời gian giúp đánh giá mức độ tắc nghẽn và xác định thời điểm cần làm sạch màng.

Kết luận và các câu hỏi thường gặp