Siêu lọc (Ultrafiltration – UF)

Nguyên lý hoạt động

Trong quá trình siêu lọc, dung dịch nguồn (feed) được bơm vào hệ thống và chảy qua bề mặt màng dưới một áp suất nhất định. Áp suất này tạo ra một áp suất xuyên màng (Transmembrane Pressure – TMP), là động lực chính của quá trình tách.

Dưới tác động của TMP, dung môi (thường là nước) và các chất tan có kích thước nhỏ hơn lỗ màng sẽ đi qua màng, tạo thành dòng sản phẩm được gọi là dịch lọc (permeate). Trong khi đó, các hạt, vi sinh vật và đại phân tử lớn hơn lỗ màng sẽ bị giữ lại ở phía dòng nhập liệu, tạo thành một dòng dung dịch đậm đặc hơn gọi là dòng cô đặc (retentate hay concentrate). Dòng cô đặc này sẽ liên tục được xả ra khỏi hệ thống hoặc tuần hoàn lại để tăng hiệu suất thu hồi.

Cơ chế phân tách

Cơ chế phân tách chủ đạo của siêu lọc là sàng lọc cơ học dựa trên kích thước (size exclusion hay sieving). Về cơ bản, các hạt hoặc phân tử lớn hơn kích thước lỗ màng sẽ bị giữ lại hoàn toàn, trong khi dung môi và các phân tử nhỏ hơn có thể đi qua. Tuy nhiên, hiệu quả phân tách không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố phức tạp khác, bao gồm:

• Tương tác giữa màng và chất tan: Các tương tác hóa lý như lực hút/đẩy tĩnh điện, tính kỵ nước/ưa nước giữa vật liệu màng và các chất tan có thể ảnh hưởng đến khả năng đi qua màng của chúng, ngay cả khi chúng có kích thước nhỏ hơn lỗ màng. Ví dụ, một màng mang điện tích âm có thể đẩy các phân tử mang điện tích âm, làm giảm khả năng chúng đi qua màng.
• Phân cực nồng độ (Concentration Polarization): Đây là hiện tượng các chất bị giữ lại tích tụ thành một lớp có nồng độ cao ngay trên bề mặt màng. Lớp này tạo ra một sức cản thủy lực bổ sung, thường được gọi là “lớp bánh lọc” (cake layer), làm giảm thông lượng (flux) của quá trình lọc và có thể làm tăng khả năng nghẹt màng.

Các thông số vận hành quan trọng

• Ngưỡng khối lượng phân tử (Molecular Weight Cut-Off – MWCO): Đây là thông số đặc trưng quan trọng nhất của màng UF, biểu thị bằng đơn vị Dalton (Da) hoặc kiloDalton (kDa). MWCO được định nghĩa là khối lượng phân tử nhỏ nhất của một loại phân tử tiêu chuẩn (ví dụ: dextran, polyethylene glycol) mà màng có thể giữ lại ít nhất 90%. Cần lưu ý MWCO không phải là một giá trị sắc bén tuyệt đối mà là một dải phân bố.
• Áp suất xuyên màng (Transmembrane Pressure – TMP): Là chênh lệch áp suất giữa phía dòng nhập liệu và phía dòng dịch lọc, đây chính là động lực của quá trình lọc. Nó được tính gần đúng bằng công thức: $TMP = \frac{P_{feed} + P_{concentrate}}{2} – P_{permeate}$.
• Thông lượng (Flux – J): Là thể tích dịch lọc đi qua một đơn vị diện tích bề mặt màng trong một đơn vị thời gian. Thông lượng thường được đo bằng đơn vị Lít/m²/giờ (LMH). Công thức: $J = \frac{V}{A \cdot t}$ (trong đó V là thể tích, A là diện tích, t là thời gian).
• Hệ số thu hồi (Recovery – R): Là tỷ lệ phần trăm của dòng dịch lọc thu được so với tổng dòng nhập liệu ban đầu. Công thức: $R (\%) = (\frac{Q_p}{Q_f}) \times 100$ (trong đó $Q_p$ là lưu lượng dòng dịch lọc và $Q_f$ là lưu lượng dòng nhập liệu).
• Hệ số loại bỏ (Rejection – Rj): Đo lường khả năng của màng trong việc giữ lại một chất tan cụ thể. Nó được tính bằng công thức: $R_j (\%) = (1 – \frac{C_p}{C_f}) \times 100$ (trong đó $C_p$ và $C_f$ lần lượt là nồng độ của chất tan trong dòng dịch lọc và dòng nhập liệu).

Ưu điểm

• Chất lượng nước đầu ra rất cao và ổn định: UF loại bỏ hiệu quả vi khuẩn (>99.99%), virus, cặn lơ lửng, và các đại phân tử, cho ra nước có chất lượng ổn định bất kể sự biến động của chất lượng nước nguồn. Nước sau UF thường có chỉ số mật độ bùn (SDI) rất thấp (<3), lý tưởng cho các bước xử lý phía sau như thẩm thấu ngược (RO).
• Áp suất vận hành thấp, tiết kiệm năng lượng: So với thẩm thấu ngược (RO) hay nano-lọc (NF), UF hoạt động ở áp suất thấp hơn nhiều (thường từ 0.5 – 2 bar), giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng vận hành.
• Quá trình vận hành ít hóa chất: Về cơ bản, UF là một quá trình lọc vật lý và không yêu cầu thêm hóa chất (chỉ sử dụng hóa chất trong quá trình rửa màng định kỳ để phục hồi hiệu suất).
• Dễ dàng tự động hóa và vận hành: Các hệ thống UF hiện đại được thiết kế theo dạng module, cho phép vận hành liên tục, tự động hóa hoàn toàn các chu trình lọc, rửa ngược và làm sạch.
• Thiết kế nhỏ gọn: Các hệ thống UF dạng module giúp tiết kiệm không gian lắp đặt so với các công nghệ xử lý nước truyền thống như bể lắng và bể lọc cát.

Nhược điểm

• Không loại bỏ được các chất hòa tan có kích thước nhỏ: Giống như vi lọc (MF), siêu lọc không thể loại bỏ các ion hòa tan (ví dụ: muối, kim loại nặng) và các phân tử nhỏ như đường, cồn. Do đó, nó không có khả năng khử mặn nước biển hay làm mềm nước.
• Nghẹt màng (Fouling): Đây là nhược điểm lớn nhất và là thách thức vận hành chính. Bề mặt và lỗ màng có thể bị bít bởi các chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, keo, hoặc vi sinh vật tạo màng sinh học (biofilm). Nghẹt màng làm giảm thông lượng, tăng áp suất vận hành, và đòi hỏi phải làm sạch thường xuyên, tốn kém hóa chất và thời gian ngừng máy. Để giảm thiểu, nước nguồn thường cần tiền xử lý kỹ lưỡng.
• Chi phí đầu tư và thay thế: Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống màng UF có thể cao hơn so với các công nghệ lọc truyền thống (lọc cát, lọc than). Màng cũng có tuổi thọ giới hạn (thường từ 3-7 năm) và cần được thay thế định kỳ.

Ứng dụng

Siêu lọc là một công nghệ linh hoạt với nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau:

• Xử lý nước và nước thải: Đây là lĩnh vực ứng dụng phổ biến nhất. UF được dùng để sản xuất nước uống từ nguồn nước mặt, tiền xử lý cho hệ thống thẩm thấu ngược (RO) bằng cách giảm chỉ số SDI, xử lý nước thải công nghiệp và đô thị để tái sử dụng.
• Công nghiệp thực phẩm và đồ uống: Dùng để làm trong (clarification) nước ép trái cây, rượu vang, bia; cô đặc protein trong sữa và váng sữa (whey) để sản xuất phô mai và thực phẩm bổ sung; khử trùng lạnh cho các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt.
• Công nghiệp dược phẩm và công nghệ sinh học: Dùng để tinh chế và cô đặc các sản phẩm có giá trị cao như enzyme, kháng thể, vắc-xin; loại bỏ nội độc tố (pyrogen) và virus khỏi nước pha tiêm (WFI).
• Ngành công nghiệp ô tô và hóa chất: Tách dầu khỏi nước trong các dung dịch nhũ tương, thu hồi sơn từ quá trình sơn tĩnh điện (sơn ED), thu hồi các chất xúc tác.
• Y tế: Lọc máu (hemofiltration) là một ứng dụng quan trọng của UF trong các máy chạy thận nhân tạo, giúp loại bỏ các chất thải chuyển hóa và nước dư thừa khỏi máu của bệnh nhân suy thận.

Các loại cấu hình (module) màng UF

Màng UF được đóng gói thành các module với nhiều cấu hình khác nhau, mỗi loại phù hợp với các ứng dụng riêng biệt:

• Dạng sợi rỗng (Hollow Fiber): Đây là dạng phổ biến nhất trong xử lý nước. Hàng ngàn sợi màng rỗng như sợi tóc được bó lại trong một vỏ trụ. Cấu hình này cung cấp tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất cao, giúp thiết kế hệ thống nhỏ gọn và hiệu quả. Các sợi màng có tính tự nâng đỡ và có thể được rửa ngược dễ dàng.
• Dạng xoắn ốc (Spiral Wound): Các tấm màng phẳng cùng với các tấm đệm được cuộn tròn quanh một ống thu sản phẩm trung tâm. Cấu hình này cũng có mật độ màng cao, chi phí tương đối thấp nhưng nhạy cảm hơn với chất rắn lơ lửng và khó làm sạch hơn so với màng sợi rỗng. Thường được dùng trong các ứng dụng cô đặc protein hoặc tiền xử lý RO.
• Dạng ống (Tubular): Màng được đặt bên trong các ống đỡ có đường kính lớn (5-25 mm). Cấu hình này rất bền và có khả năng xử lý các dòng lỏng có độ nhớt cao hoặc chứa nhiều chất rắn. Tuy nhiên, nó có mật độ màng thấp, chi phí đầu tư và năng lượng vận hành cao.
• Dạng tấm và khung (Plate-and-Frame): Các tấm màng phẳng được xếp chồng lên nhau xen kẽ với các tấm khung đỡ. Cấu hình này cho phép dễ dàng kiểm tra và thay thế từng tấm màng nhưng có mật độ màng thấp và chi phí cao.

Các chế độ vận hành

Có hai cặp khái niệm chính mô tả cách vận hành hệ thống UF:
1. Kiểu dòng chảy:

• Lọc ngõ cụt (Dead-end Filtration): Toàn bộ dòng nước nguồn được ép vuông góc qua màng. Tất cả các chất bị giữ lại sẽ tích tụ trên bề mặt màng. Chế độ này đơn giản, tiết kiệm năng lượng nhưng rất dễ bị nghẹt màng và chỉ phù hợp với nước nguồn có độ đục thấp.
• Lọc dòng chảy chéo (Cross-flow Filtration): Dòng nước nguồn được bơm chảy song song (tiếp tuyến) với bề mặt màng ở tốc độ cao. Dòng chảy này tạo ra lực cắt giúp “quét” sạch các chất tích tụ trên bề mặt màng, làm giảm đáng kể hiện tượng nghẹt màng. Chế độ này cho phép vận hành ổn định trong thời gian dài với các nguồn nước phức tạp hơn nhưng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn do cần bơm tuần hoàn.

2. Hướng lọc (chủ yếu cho màng sợi rỗng):

• Từ trong ra ngoài (Inside-Out): Nước nguồn đi vào bên trong lòng sợi rỗng, nước sạch thấm qua thành màng ra bên ngoài. Đây là cấu hình phổ biến hơn vì kiểm soát thủy động lực tốt hơn và dễ làm sạch bằng rửa ngược.
• Từ ngoài vào trong (Outside-In): Nước nguồn ở bên ngoài các sợi rỗng, nước sạch thấm qua thành màng và được thu thập từ bên trong lòng sợi. Cấu hình này thường được dùng trong các bể phản ứng sinh học màng (MBR), nơi các module màng được nhúng trực tiếp vào bể chứa nước thải.

Vật liệu màng

Việc lựa chọn vật liệu màng phụ thuộc vào ứng dụng, yêu cầu về khả năng kháng hóa chất, nhiệt độ và tính chất ưa/kỵ nước.

• Polyme hữu cơ (phổ biến nhất):
  • Polyethersulfone (PES): Rất phổ biến, có tính ưa nước tốt, thông lượng cao, chịu được dải pH rộng và nhiệt độ cao.
  • Polyvinylidene fluoride (PVDF): Độ bền cơ học và kháng hóa chất (đặc biệt là chất oxy hóa như clo) rất tốt, thường được dùng trong các ứng dụng MBR và xử lý nước thải công nghiệp.
  • Polysulfone (PSf): Một trong những vật liệu đầu tiên, bền, chịu nhiệt tốt nhưng kỵ nước hơn PES.
  • Cellulose Acetate (CA): Giá rẻ, ưa nước, nhưng nhạy cảm với nhiệt độ, pH (dải hoạt động hẹp) và dễ bị vi sinh vật phân hủy.
• Vô cơ (Ceramic):
  • Làm từ các vật liệu như oxit nhôm ($Al_2O_3$), oxit titan ($TiO_2$), hoặc cacbua silic (SiC). Màng gốm có độ bền cơ học, hóa học và nhiệt độ vượt trội, có thể hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt nhất. Tuy nhiên, chúng có giá thành rất cao và giòn, dễ vỡ.

Mô hình toán học

Thông lượng (flux) của quá trình siêu lọc có thể được mô tả bằng mô hình sức cản nối tiếp, dựa trên định luật Darcy:
$J = \frac{V}{A \cdot t} = \frac{TMP}{\mu \cdot R_t}$

Trong đó:

• $J$: Thông lượng (flux), thường tính bằng L/m²/h (LMH).
• $TMP$: Áp suất xuyên màng (Pa hoặc bar).
• $\mu$: Độ nhớt động lực học của dịch lọc (Pa·s).
• $R_t$: Tổng sức cản của quá trình lọc ($m^{-1}$), là tổng của các sức cản thành phần.

Tổng sức cản ($R_t$) được cấu thành bởi:
$R_t = R_m + R_f = R_m + (R_c + R_p)$

• $R_m$: Sức cản nội tại của màng (do vật liệu, cấu trúc lỗ xốp, độ dày). Đây là một hằng số đối với một màng nhất định.
• $R_f$: Sức cản do nghẹt màng (fouling), tăng dần theo thời gian lọc và bao gồm:
  • $R_c$: Sức cản của lớp bánh lọc (cake layer) hình thành trên bề mặt.
  • $R_p$: Sức cản do bít lấp lỗ màng (pore blocking).