Chuyển khối là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chuyển khối

Chuyển khối (mass transfer) là quá trình di chuyển của các chất tan, phân tử hoặc ion giữa các pha hoặc bên trong một pha đơn nhất, chủ yếu do chênh lệch nồng độ, nhiệt độ hoặc tiềm năng hóa học. Trong công nghiệp và nghiên cứu, chuyển khối xuất hiện dưới nhiều hình thức như khuếch tán phân tử, đối lưu hỗn hợp và trao đổi pha, đóng vai trò sống còn trong thiết kế thiết bị và quy trình xử lý.

Quá trình này không chỉ liên quan đến sự lan truyền của chất tan qua khoảng cách vi mô do chuyển động ngẫu nhiên mà còn bao gồm sự vận chuyển quy mô lớn nhờ dòng chảy và khuấy trộn. Đặc điểm cơ bản của chuyển khối là tốc độ dòng chảy phân tử tỉ lệ thuận với gradient nồng độ, đồng thời có thể được gia tăng hoặc điều khiển bằng kỹ thuật cơ khí hoặc hóa học.

Trong thực tiễn, chuyển khối là nền tảng của nhiều công nghệ như lọc màng, chưng cất, hấp phụ, phản ứng bề mặt và quá trình sinh học. Ví dụ, trong xử lý nước thải, chất ô nhiễm được khuếch tán từ pha lỏng vào pha keo hay bột than hoạt tính; trong y sinh, oxy và chất dinh dưỡng truyền qua màng tế bào để nuôi dưỡng mô và tế bào nuôi cấy.

Phân loại chuyển khối

Chuyển khối được phân loại theo cơ chế vận chuyển và tính chất dòng chảy:

• Khuếch tán phân tử: quá trình lan truyền do chuyển động Brown của phân tử, mô tả bởi định luật Fick và phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D.
• Chuyển khối đối lưu: khuếch tán kết hợp với dòng chảy hay khuấy trộn, giúp tăng hiệu quả trao đổi chất bằng cách giảm độ dày lớp biên.
• Khối trộn cơ học (bulk mixing): chuyển khối trong bồn khuấy hoặc ống khuấy, nơi lực cơ học tạo ra xoáy đảo và phân bố nồng độ đồng đều.

Mỗi loại chuyển khối ứng dụng trong thiết kế thiết bị khác nhau: khuếch tán phân tử là cơ chế chủ đạo trong lớp biên, còn đối lưu và khối trộn quyết định trong thiết bị có dòng chảy mạnh hoặc có cánh khuấy. Việc xác định cơ chế chính giúp tính toán chính xác hơn các thông số thiết kế như chiều dài cột, công suất bơm hoặc vận tốc khuấy.

Các cơ chế vi mô

Ở quy mô vi mô, chuyển khối khuếch tán phân tử tuân theo định luật Fick cấp 1, mô tả dòng khối lượng J qua mặt cắt đơn vị:

$J = -D \frac{\partial C}{\partial x}$

Trong đó, D là hệ số khuếch tán phân tử, C là nồng độ chất tan và x là tọa độ. Dòng khối lượng ngược chiều với gradient nồng độ, biểu thị xu hướng cân bằng nồng độ theo thời gian.

Định luật Fick cấp 2 mở rộng mô tả sự thay đổi nồng độ theo thời gian:

$\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$

Phương trình này là nền tảng để mô phỏng chuyển khối trong các hệ không ổn định về nồng độ, chẳng hạn quá trình khuếch tán trong mô hình vật liệu xốp hoặc lan truyền thuốc qua da. Khi áp dụng vào thiết kế, kỹ sư thường phải giải quyết các bài toán vi phân với điều kiện biên phù hợp để xác định thời gian đạt gần cân bằng hoặc hiệu suất truyền khối lượng.

Các hệ số và số không chiều

Các số không chiều giúp tổng quát hóa quá trình chuyển khối và so sánh hiệu quả giữa các hệ khác nhau. Số Schmidt (Sc) thể hiện tỉ lệ giữa động học nhớt và khuếch tán phân tử:

$Sc = \frac{\nu}{D}$

Trong đó ν là độ nhớt động học và D là hệ số khuếch tán. Sc lớn cho thấy nhớt chi phối khuếch tán, thường gặp ở chất lỏng nhớt cao.

Số Sherwood (Sh) tương ứng với chuyển khối tương tự số Nusselt trong truyền nhiệt, định nghĩa qua hệ số truyền khối k và chiều dài đặc trưng L:

$Sh = \frac{k L}{D}$

Sh biểu thị cường độ chuyển khối so với khuếch tán phân tử, thường được xác định thực nghiệm hoặc từ đồ thị Correlation đối với các cấu hình thiết bị khác nhau.

Việc sử dụng các số không chiều cho phép thiết kế và tối ưu hóa quá trình chuyển khối một cách thống nhất, bất chấp kích thước, hình dạng và điều kiện hoạt động của thiết bị. Kỹ sư sẽ chọn correlation phù hợp để dự đoán hệ số truyền khối, từ đó xác định kích thước và công suất cho thiết bị.

Chuyển khối tại bề mặt pha

Quá trình chuyển khối tại bề mặt pha diễn ra khi chất tan đi từ pha này sang pha khác, ví dụ từ khí sang lỏng hoặc lỏng sang lỏng, qua một lớp biên mỏng. Lớp biên này có độ dày δ và hệ số truyền khối k, xác định dòng khối lượng J theo công thức:

$J = k\,\bigl(C_{\text{bulk}} - C_{\text{interface}}\bigr)$

Trong đó Cbulk là nồng độ trong pha chính, còn Cinterface là nồng độ tại bề mặt pha. Mô hình phim (film theory) giả định lớp biên đồng nhất, trong khi mô hình thấm (penetration theory) và mô hình pha cưỡng bức (surface renewal) coi lớp biên biến đổi theo thời gian.

• Film theory: lớp biên ổn định, độ dày δ cố định.
• Penetration theory: lớp biên mới hình thành theo chu kỳ ngắn, thích hợp cho quá trình chưng cất.
• Surface renewal: bề mặt liên tục tái sinh do xoáy vi mô.