Trong xử lý nước , màng lọc là những rào cản cho phép nước đi qua nhưng ngăn chặn các chất không mong muốn đi qua với nó. Các màng lọc hoạt động giống như các thành tế bào trong cơ thể chúng ta, màng kỹ thuật lọc ra muối, tạp chất, virus và các chất khác trong nước.

Quy trình hoạt động của màng là phương pháp dựa vào hàng rào (các lỗ rỗng) màng để lọc hoặc loại bỏ các tạp chất khỏi nước. Nước được truyền qua màng vì sự chênh lệch áp suất giữa một bên của màng và bên kia. Chất gây ô nhiễm vẫn ở một bên. Mặc dù nhiều loại vật liệu lọc được sử dụng để xử lý nước - ví dụ: hạt lọc, cát, và đá… tuy nhiên mỗi loại vật liệu lọc chỉ xử lý được một vấn đề của nước. Một trong những đặc tính phân biệt màng là khả năng tách các chất nhỏ hơn như muối và ion từ môi trường nước.

Hiện nay,  danh sách các loại màng được sử dụng trong xử lý nước đã trở nên phong phú hơn, bao gồm:

• Màng lọc RO
• Màng lọc MF
• Màng siêu lọc UF
• Màng Lọc Nano (NF)

Các quá trình khác nhau đòi hỏi các loại màng khác nhau, nói rộng ra, hoạt động như một cái sàng hoặc tách các tạp chất khỏi nước ở cấp độ phân tử. Các loại màng được làm dựa trên polymer, gốm sứ và các vật liệu khác. Màng lọc có mức độ thấm khác nhau: Màng MF có kích thước lỗ lớn nhất ở mức 0,1 đến 10 micron, tiếp theo là UF ở mức 0,1-0,01 micron, NF ở mức 0,01-035 micron và màng RO, có hiệu quả không thay đổi ở mức 0,0001 micron .

Màng MF

Màng MF được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, trong đó các hạt có kích thước lớn hơn 0,1 micron, phải được giữ lại từ nước. Các ứng dụng bao gồm khử trùng và làm rõ tất cả các loại đồ uống và dược phẩm và đặc biệt là tiền xử lý cho các lần lọc màng mịn hơn sau đó, đặc biệt là trong xử lý nước và nước thải. Cơ chế hoạt động của màng MF loại bỏ các chất trong nước chỉ cho phép nước đối lưu qua màng do áp dụng TMP (áp lực lọc xuyên màng). Do đó, màng MF bị tắc có thể có các đặc tính loại bỏ các chất và thông lượng có thể giảm đáng kể do sự tích tụ của các chất bẩn này. Một bộ lọc MF có kích thước lỗ khoảng 0,1 micron, vì vậy khi nước trải qua lọc MF, nhiều vi sinh vật được loại bỏ, nhưng virus vẫn tồn tại trong nước.

Khả năng lọc của màng MF

Màng UF

Một bộ lọc siêu lọc có kích thước lỗ khoảng 0,01 micron. Siêu lọc sẽ loại bỏ các hạt lớn hơn này và có thể loại bỏ một số virus. Màng UF là các quá trình quan trọng để loại bỏ các chất hòa tan, đại phân tử (như chất hữu cơ tự nhiên) virus gây bệnh và vật liệu keo nhỏ trong xử lý nước và nước thải. Việc sản xuất nước uống từ nước biển hoặc nước lợ bằng thẩm thấu ngược ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt là ở các khu vực xa xôi như đảo, biển và các địa điểm không thể tiếp cận được với nước ngọt. Do đặc tính của màng UF nên nó cũng có thể được sử dụng cho tiền xử lý NF và RO, có thể kéo dài chu kỳ lọc của các quá trình này so với tiền xử lý MF. Như MF, sàng vật lý là một cơ chế loại bỏ quan trọng trong UF và đối lưu chỉ ra việc truyền dung môi. Cả vi lọc và siêu lọc đều không thể loại bỏ các chất hòa tan trừ khi chúng được hấp phụ lần đầu (với than hoạt tính) hoặc đông tụ (bằng muối phèn hoặc muối sắt).

Màng siêu lọc UF

Màng NANO

NF là một quá trình nằm giữa UF và RO. Một số nhà nghiên cứu gọi NF là UF tích điện, màng làm mềm và RO áp suất thấp. Nguyên lý hoạt động của màng NF mà nó có khả năng loại bỏ 60 đến 80% độ cứng, 90% màu và tất cả độ đục. Quá trình này có lợi thế là áp lực vận hành thấp so với đáng kể đối với RO và từ chối chất hữu cơ cao so với UF hoặc MF. Tuy nhiên, muối monovalent không được giữ lại ở một mức độ đáng kể vì thông thường không cần thiết trong xử lý nước mặt. Sự loại bỏ màng thường được đánh giá bởi nhà sản xuất với NaCl hoặc MgSO4 giải pháp trái ngược với UF. Các cơ chế loại bỏ dựa trên điện tích và kích thước rất quan trọng trong NF. Ở pH trung tính, hầu hết các màng NF đều tích điện âm trong khi ở pH thấp, chúng chủ yếu mang điện tích dương. Sàng vật lý là sự loại bỏ chủ yếu trong NF đối với chất keo và các phân tử lớn. Màng lọc nano loại bỏ hầu hết các phân tử hữu cơ, gần như tất cả các loại virus, hầu hết các chất hữu cơ tự nhiên và một loạt các muối. Lọc nano loại bỏ các ion hóa trị hai, làm cho nước cứng, vì vậy lọc nano thường được sử dụng để làm mềm nước cứng.

Màng RO

Trong nguyên lý hoạt động của màng RO, áp suất thẩm thấu của dung dịch phải được khắc phục bằng áp suất xuyên màng áp dụng (TMP) để đạt được thông lượng nước. Sàng vật lý áp dụng cho chất keo và các phân tử lớn. Sau khi nước đi qua bộ lọc thẩm thấu ngược, nó thực chất là nước tinh khiết. Ngoài việc loại bỏ tất cả các phân tử hữu cơ và virus, thẩm thấu ngược cũng loại bỏ hầu hết các khoáng chất có trong nước. Thẩm thấu ngược loại bỏ các ion đơn trị, có nghĩa là nó khử muối trong nước. Hiểu làm thế nào thẩm thấu ngược hoạt động (xem tại đây), rất hữu ích để hiểu thẩm thấu. Tuy nhiên sẽ có một số yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu suất của màng lọc RO.

Cấu tạo của màng RO

Những thách thức về sử dụng màng lọc

Các quá trình lọc màng liên quan đến vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược (RO) đã tăng dần tầm quan trọng trong các phân tách kỹ thuật môi trường trong thập kỷ qua. Nhiều cải tiến trong công nghệ đã gây ra các ứng dụng rộng rãi của quá trình này trong các lĩnh vực môi trường, hóa học, dược phẩm và y sinh. Tuy nhiên, một số khía cạnh của công nghệ màng phát triển này vẫn chưa được giải quyết một cách thuyết phục và do đó, có khả năng gây trở ngại cho việc áp dụng rộng rãi như các vấn đề phạm lỗi không thể tránh khỏi, yếu tố chi phí, công nghệ bí quyết và công nghệ nhập khẩu không phù hợp.

Hiệu quả của sử dụng màng lọc thường phụ thuộc vào tình trạng của màng. Ví dụ, để các công nghệ thẩm thấu ngược hoạt động hiệu quả, màng phải được duy trì hoàn hảo hoặc nó có thể bị tắc nghẽn với quy mô hoặc màng sinh học, một vấn đề lâu năm. Màng sinh học này có thể làm giảm hiệu quả và tăng tiêu thụ năng lượng. 

Không phải tất cả các vi sinh vật và chất gây ô nhiễm được loại bỏ khỏi nước lọc. Mỗi loại màng lọc sẽ có khả năng lọc nước nhất định do kích thước lỗ rỗng của mỗi loại màng là khác nhau.

Việc tìm và lựa chọn màng lọc phù hợp là điều rất khó bởi mỗi loại màng sẽ có những ưu nhược điểm khác nhau. Nếu sử dụng kết hợp các loại màng thì chi phí không hề thấp.

Khả năng lọc các loại nước có đặc tính nhất định như: nước mặn hoặc nước thải sẽ cần một hệ thống kết hợp các công nghệ xử lý khác nhau và không thể sử dụng riêng màng lọc. Nếu sử dụng riêng màng lọc sẽ dẫn đến tắc màng lọc hoặc làm hỏng màng lọc mà hiệu quả xử lý không cao. 

Vào giữa những năm 2010, các nhà nghiên cứu ở Israel đã phát triển một quy trình không có hóa chất quan trọng để ngăn chặn sự tắc nghẽn màng trong khử mặn RO. Quá trình này ngăn chặn sự tắc nghẽn màng, giảm chi phí hóa học và khử mặn thân thiện với môi trường hơn. Tiền xử lý với bộ lọc sinh học nhanh hai giai đoạn, dạng hạt (RBF), bộ lọc sinh học giai đoạn đầu (BF) và bộ lọc phương tiện hỗn hợp (MBF), ngăn chặn các tác nhân gây ô nhiễm đến màng.