1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Nghiên cứu chế tạo màng hấp phụ ion cấu trúc mwcnt(h2n polyamide) bằng phản ứng xâm nhập tuần hoàn

165 2 0
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 165
Dung lượng 6,45 MB

Nội dung

Trang 1

NGUYỄN TẤN TÀI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 8520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2023

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Văn Thăng _ Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Phạm Tấn Thi _ Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Đình Thành _ Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Quang Long _

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐGQG-HCM ngày 21 tháng 06 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong - Chủ tịch 2 PGS.TS Nguyễn Đình Thành - Phản biện 1 3 PGS.TS Nguyễn Quang Long - Phản biện 2

4 TS Phạm Tấn Thi - Ủy viên

5 TS Vũ Anh Quang - Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi nhận luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN TẤN TÀI MSHV: 2170782 Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1999 Nơi sinh: Tỉnh Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu Mã số : 8520309

I TÊN ĐỀ TÀI:

Tiếng Việt: Nghiên cứu chế tạo màng hấp phụ ion cấu trúc MWCNT@(H2N-polyamide) bằng phản ứng xâm nhập tuần hoàn

Tiếng Anh: Study on fabrication of MWCNT@(H2N-polyamide) composite membrane via circulating – infiltrating reaction, toward ionic adsorption from aqueous solution

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tham khảo, tìm hiểu và tổng hợp tài liệu liên quan đến nội dung cần thực hiện cho đề tài 2 Thiết kế và chế tạo hệ thiết bị phản ứng xâm nhập tuần hoàn ứng dụng chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) từ vải polyamide

3 Chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) và khảo sát vai trò của các diamine mạch thẳng đầu cuối H2N(CH2)nNH2với n = 2, 4, 6, 8 đối với cấu trúc màng MWCNT@(H2N-polyamide)

4 Đánh giá cấu trúc, hình thái bề mặt và khả năng hấp phụ ion kim loại của màng MWCNT@(H2N-polyamide)

5 Tổng hợp kết quả, biện luận và viết báo cáo luận văn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/05/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CBHD 1: PGS.TS Lê Văn Thăng

CBHD 2: TS Phạm Tấn Thi

Tp HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS Lê Văn Thăng TS Phạm Tấn Thi

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Khoảng thời gian vừa qua, được học tập và làm việc tại trường Đại học Bách khoa ĐHQG-HCM được xem là một điều lấy làm vinh dự và tự hào cho bản thân em Được học hỏi những điều mới mẻ, bổ ích khơng chỉ về kiến thức mà còn về tác phong làm việc như một nhà nghiên cứu thực thụ Đây được xem là một bước ngoặt lớn trong cuộc đời của em, hứa hẹn sẽ mở ra một bầu trời khoa học mới trong tương lai cũng như là bước đệm cho em vững vàng hơn sau này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS.TS Lê Văn Thăng và TS Phạm Tấn Thi đã tận tình giúp đỡ cũng như luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện Luận văn Thạc sĩ Xin cảm ơn KS.Vương Vĩnh Đạt đã luôn lắng nghe ý kiến, đưa ra đóng góp, chỉnh sửa để luận văn được hoàn thành một cách đầy đủ và nhanh chóng nhất

Xin cảm ơn kinh phí tài trợ thực hiện luận văn từ đề tài cấp ĐHQG-HCM "Nghiên cứu, phát triển công nghệ chế tạo và ứng dụng màng lọc composite", mã số DS2020-20-01, do PGS TS Mai Thanh Phong chủ nhiệm, Trường Đại học Bách khoa là cơ quan chủ trì

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, anh chị đã ln bên cạnh và động viên em trong suốt thời gian qua

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 6 năm 2023 Học viên

Trang 5

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide) được chế tạo thông qua cơ chế phản ứng nối mạng giữa vải lọc nylon 6 thương mại đã được làm giàu amino từ các diamine mạch thẳng đầu cuối có cấu trúc H2N–(CH2)n–NH2 (với n = 2, 4, 6, 8) và ống nanocarbon đa thành chức hóa gốc carboxylic MWCNT-COOH, màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide) được chế tạo với mục đích hướng đến khả năng hấp phụ ion, đặc biệt là ion kim loại nặng trong dung dịch – đây là tính mới hoàn toàn mà vải lọc nylon 6 thương mại ban đầu khơng hề xuất hiện Bên cạnh đó trong nghiên cứu này, phương pháp phản ứng xâm nhập – tuần hồn được sử dụng cho quy trình chế tạo màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide), đây là phương pháp mới được đề xuất bởi tôi và được thực hiện dựa trên hệ thiết bị được thiết kế và chế tạo chuyên dụng có tích hợp sự hỗ trợ của q trình siêu âm

Trang 6

ABSTRACT

In this study, MWCNT@(H2N-polyamide) nanocomposite membrane was fabricated through cross-linking reaction between amino-enriched nylon 6 fabric commerical from alkane -,-diamine with formular H2N–(CH2)n–NH2 (n = 2, 4, 6, 8) and multi-walled carbon nanotubes functionalized carboxylic MWCNT-COOH, toward ion absorption in aqueous solution Circulating-infiltrating method was applied for this membrane fabrication, this method operated base on Circulating-Infiltrating Reactor (CIR) which was designed and fabricated by me with ultrasound assisted

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tự bản thân tác giả thực hiện Các kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là hồn tồn trung thực, và khơng sao chép từ các nguồn khác dưới bất kì hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 6 năm 2023

Học viên

Trang 8

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG MÀNG LỌC 1

1.1.1 Sản xuất và tái tạo nguồn nước ngọt 1

1.1.2 Công nghệ màng lọc trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm 4

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG LỌC THẾ GIỚI 6

1.2.1 Tình hình chung 6

1.2.2 Công nghệ màng mỏng composite 7

1.2.3 Công nghệ màng mỏng nanocomposite 8

1.2.4 Các tiến bộ và phát triển trong nghiên cứu chế tạo màng TFN trên cơ cở màng nanocomposite carbon nanotube/polyamide 10

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG LỌC TRONG NƯỚC 13

1.4 CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO MÀNG LỌC 15

Trang 9

1.6 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 20

1.7 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23

2.1 CƠ SỞ PHÂN RIÊNG MÀNG LỌC 23

2.1.1 Tổng quan 232.1.2 Cơ chế lọc của màng 232.1.3 Mơ hình lọc 262.1.4 Phân loại màng lọc 272.1.5 Tính chất và đặc điểm của màng 322.2 CÁC KIỂU HỆ THỐNG MÀNG 352.3 MÀNG MỎNG COMPOSITE 37

2.3.1 Khái niệm màng mỏng composite 37

2.3.2 Màng mỏng composite polyamide 38

2.4 MÀNG MỎNG NANOCOMPOSITE 38

2.4.1 Khái niệm 38

2.4.2 Phân loại màng mỏng nanocomposite 39

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG COMPOSITE 40

2.5.1 Phương pháp trùng hợp 40

2.5.2 Nhóm phương pháp phủ bề mặt hoặc lắng đọng 44

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 46

2.6.1 Xác định góc thấm ướt 46

Trang 10

2.6.3 Phương pháp phân tích phổ Raman 47

2.6.4 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR 49

2.6.5 Phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) 50

2.6.6 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 50

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG XÂM NHẬP – TUẦN HỒN 51

3.1 QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THIẾT BỊ 51

3.2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC CỤM CHỨC NĂNG CỦA HỆ THIẾT BỊ 53

3.2.1 Thiết kế và chế tạo buồng phản ứng CIR 54

3.2.2 Thiết kế, chế tạo bể siêu âm và bể điều nhiệt 60

3.2.3 Thiết kế và lắp ráp tủ điều khiển 63

3.3 QUY CÁCH LẮP ĐẶT CHO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MÀNG MWCNT@(H2N-POLYAMIDE) TRÊN HỆ THIẾT BỊ 66

3.3.1 Lắp đặt vải lọc nylon 6 đã làm giàu amino vào buồng phản ứng CIR 66

3.3.2 Lắp đặt tổng thể hệ thiết bị 67

3.3.3 Kiểm tra vận hành các cụm chức năng trên hệ thiết bị 69

3.4 CHẾ TẠO MÀNG MWCNT@(H2N-POLYAMIDE) THỬ NGHIỆM TRÊN HỆ THIẾT BỊ 70

3.4.1 Mục đích thử nghiệm 70

3.4.2 Kết quả chế tạo thử nghiệm màng MWCNT@(H2N-polyamide) trên hệ thiết bị 70

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MÀNG COMPOSITE MWCNT@(H2N-POLYAMIDE) 72

Trang 11

4.2 VẬT TƯ, HÓA CHẤT VÀ TRANG THIẾT BỊ 73

4.2.1 Vật tư và hóa chất 73

4.2.2 Thiết bị phân tích, đánh giá và hỗ trợ thực nghiệm 74

4.3 LÀM GIÀU AMINO VẢI LỌC NYLON 6 BẰNG CÁC DIAMINE MẠCH THẲNG ĐẦU CUỐI 75

4.4 GHÉP HÓA HỌC MWCNT-COOH LÊN VẢI GIÀU AMINO A[N]-NYLON 78

4.4.1 Chuẩn bị cho quá trình chế tạo màng composite C@(A[n]-nylon) 80

4.4.2 Khảo sát các điều kiện phản ứng cho quy trình chế tạo màng 81

4.4.3 Chế tạo và xử lí màng composite C@(A[n]-nylon) 86

4.5 KẾT QUẢ LÀM GIÀU AMINO VẢI LỌC NYLON 6 BẰNG CÁC DIAMINE MẠCH THẲNG ĐẦU CUỐI 88

4.5.1 Kết quả hình ảnh ngoại quan 88

4.5.2 Đánh giá hình thành liên kết trên các mẫu vải giàu amino A[n]-nylon 89

4.5.3 Đánh giá kết quả SEM 92

4.5.4 Đánh giá kết quả góc thấm ướt 94

4.6 KẾT QUẢ CHẾ TẠO MÀNG COMPOSITE C@(A[N]-NYLON) 96

4.6.1 Kết quả hình ảnh ngoại quan 96

4.6.2 Đánh giá hình thành liên kết của các mẫu màng composite 99

4.6.3 Đánh giá kết quả SEM của các mẫu màng composite 103

4.6.4 Đánh giá kết quả góc thấm ướt của các mẫu màng composite 107

Trang 12

4.6.6 Đánh giá kết quả khả năng hấp phụ ion của các mẫu màng composite 111

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 117

5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 117

5.2 CÁC HẠN CHẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 117

5.2.1 Các hạn chế của đề tài 117

5.2.2 Phương hướng phát triển đề tài 118

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

Trang 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Các cơng nghệ khử mặn được sử dụng hiện nay 4

Hình 1 2 Kích thước các cấu tử và phạm vi loại bỏ hiệu quả của các màng động lực áp suất trong lĩnh vực tách lọc thực phẩm 5

Hình 1 3 Cấu trúc của màng TFC-PA 8

Hình 1 4 Quy trình chế tạo màng TFN-PA 9

Hình 1 5 Buồng phản ứng plasma cho nghiên cứu của L.Zou và cộng sự 15

Hình 1 6 Q trình biến tính bề mặt màng trên thiết bị iCVD 16

Hình 1 7 Các dạng hình thành của quá trình siêu âm ảnh hưởng đến lớp bám bẩn màng 17

Hình 1.8 Cơ chế thực hiện phản ứng ghép hóa học MWCNT-COOH lên vải lọc nylon 6. 21

Hình 2 1 Cơ chế của quá trình phân riêng bằng màng………………………………….23

Hình 2 2 Cơ chế lọc của màng 24

Hình 2 3 So sánh cơ chế giữa hai mơ hình lọc dead-end và cross-flow 27

Hình 2 4 Khả năng phân riêng của các màng động lực áp suất 28

Hình 2 5 Sơ đồ hoạt động của màng thẩm thấu thuận 30

Hình 2 6 Sơ đồ hoạt động của màng thẩm phân điện 31

Hình 2 7 Các loại module màng khử mặn 32

Hình 2 8 Các cơ chế tắc nghẽn màng (A) và sự ảnh hưởng đến thông lượng lọc theo thời gian (B) 35

Hình 2 9 Các kiểu module màng 36

Trang 14

Hình 2 11 Cấu trúc của màng mỏng composite polyamide TFC-PA 38

Hình 2 12 Các loại màng nanocomposite 39

Hình 2 13 Quy trình chế tạo màng TFN-PA dựa trên phương pháp IP 41

Hình 2 14 Mơ tả cơ chế tổng hợp màng (a) phương pháp tổng hợp thông thường và (b) phương pháp tổng hợp có hỗ trợ siêu âm 43

Hình 2 15 Quy trình chế tạo màng thơng qua phương pháp phủ bề mặt hoặc lắng đọng. 44

Hình 2 16 Xác định góc thấm ướt của vật liệu 46

Hình 2 17 Kết quả SEM bề mặt màng PA (hình a, c) và mặt cắt màng PA (c, d) trước và sau q trình biến tính bằng 4-(2-hydroxyethyl)morpholine 47

Hình 2 18 So sánh phổ Raman giữa MWCNT thơ và MWCNT sau khi được chức hóa[93]. 48

Hình 2 19 So sánh phổ FTIR các mẫu D-MWCNTs, PA66 ban đầu và composite PA66/D-MWCNTs 49

Hình 3 1 Quy trình thiết kế và chế tạo hệ thiết bị……………………………………… 52

Hình 3 2 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của hệ thiết bị chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) 52

Hình 3 3 Tổng quan các cụm chức năng của hệ thiết bị chế tạo màng composite MWCNT@(H2N-polyamide) 53

Hình 3 4 Nguyên mẫu buồng phản ứng đầu tiên được chế tạo năm 2020 55

Hình 3 5 Mơ hình ngun mẫu cải tiến của buồng phản ứng CIR 56

Hình 3 6 Quy trình khảo sát kết quả mơ phỏng buồng phản ứng CIR 57

Hình 3 7 Kết quả mơ phỏng các thơng số trên mơ hình buồng phản ứng CIR 58

Trang 15

Hình 3 9 Mơ hình thiết kế bể siêu âm cho hệ thiết bị chế tạo màng MWCNT@(H2

N-polyamide) 60

Hình 3 10 Bể siêu âm sau khi được chế tạo 61

Hình 3 11 Bể điều nhiệt của hệ thiết bị 62

Hình 3 12 Sơ đồ mạch của tủ điều khiển cho hệ thiết bị chế tạo màng 63

Hình 3 13 Tủ điều khiển sau khi được lắp ráp 65

Hình 3 14 Thứ tự lắp đặt hoàn chỉnh buồng phản ứng CIR 66

Hình 3 15 Quy cách lắp đặt buồng phản ứng CIR cho quy trình chế tạo màng 67

Hình 3 16 Mơ hình bố trí hệ thiết bị chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) 68

Hình 3 17 Tổng quan hình ảnh thực tế bố trí và lắp đặt hệ thiết bị 68

Hình 3 18 Quy trình chế tạo thử nghiệm màng MWCNT@(H2N-polyamide) trên buồng phản ứng CIR 71

Hình 4 1 Quy trình thực nghiệm chế tạo màng composite MWCNT@(H2N-polyamide).72Hình 4 2 Cơ chế làm giàu amino vải lọc nylon 6 từ các diamine mạch thẳng đầu cuối 75Hình 4 3 Quy trình làm giàu amino vải lọc nylon 6 bằng các diamine mạch thẳng đầu cuối 76

Hình 4 4 Các giai đoạn trong quá trình làm giàu amino vải lọc nylon 6 78

Hình 4 5 Quy trình gắn hóa học MWCNT-COOH lên vải giàu amino A[n]-nylon 79

Hình 4 6 Cơ chế ghép hóa học MWCNT-COOH lên vải giàu amino A[n]-nylon 80

Hình 4 7 Quá trình chuẩn bị dung dịch tiền chất phân tán MWCNT-COOH 81

Trang 18

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Các phương pháp xử lí nguồn nước ơ nhiễm 2

Bảng 1 2 Một số phương pháp chế tạo màng TFC CNT-PA 12

Bảng 1 3 Một số công bố chế tạo màng lọc trong nước 13

Bảng 1 4 Các nghiên cứu chế tạo màng TFN CNT-PA sử dụng quá trình siêu âm 17

Bảng 2 1 Phân loại và đặc điểm của màng động lực áp suất…………………………….28

Bảng 2 2 Đặc điểm của các kiểu module màng lọc 36

Bảng 2 3 Các loại màng nanocompopsite 39

Bảng 2 4 Các nghiên cứu sử dụng phương pháp EIP 42

Bảng 2 5 Nhóm phương pháp phủ bề mặt hoặc lắng đọng 44

Bảng 3 1 Vai trò các cụm chức năng, bộ phận trong hệ thiết bị chế tạo màng………….53

Bảng 3 2 Danh sách thiết bị, linh kiện cho tủ điều khiển 64

Bảng 3 3 Nội dung kiểm tra hoạt động của hệ thiết bị 69

Bảng 4 1 Danh sách vật tư, hóa chất sử dụng trong đề tài………………………………73

Bảng 4 2 Danh sách thiết bị phân tích, đánh giá và hỗ trợ thực nghiệm 74

Bảng 4 3 Các hỗn hợp A[n]:NaOH tương ứng cho quy trình làm giàu amino cho vải lọc nylon 6 77

Bảng 4 4 Tỉ lệ khối lượng giữa MWCNT-COOH khảo sát và vải lọc nylon 6 ban đầu 83

Bảng 4 5 Các điều kiện, thông số sử dụng cho quy trình chế tạo màng C@(A[n]-nylon) 86

Trang 19

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Ý nghĩa

CIR Circulating-Infiltrating Reaction

CNT Carbon nanotube

DA Diamine

DMDA Dimethylene diamine

DSC Differential scanning calorimetry FTIR Fourier transform Infrared Spectrocopy

HMDA Hexamethylene diamine

MED Multi-effect distillation

MF Microfiltration

MSF Multi-stage flash distillation MWCNT Multi-walled carbon nanotube

NF Nanofiltration

OMDA Octamethylene diamine

PA Polyamide

RO Reverse Osmosis

SEM Scanning Electron Microscope

TFC Thin-film composite

TFN Thin-film nanocomposite

TGA Thermogravimetry

TMDA Tetramethylene diamine

UF Ultrafiltration

Trang 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG MÀNG LỌC

Hiện nay, nhu cầu sử dụng màng lọc trong các lĩnh vực như xử lí nước, dược phẩm, thực phẩm, phân tách khí, hóa dầu[1-5] đang ngày càng tăng cao bởi các ưu điểm vượt trội mà cơng nghệ này mang lại Trong đó, cơng nghệ màng được sử dụng rộng rãi ở hai lĩnh vực chính là xử lí nước và cơng nghệ thực phẩm với quy mơ cực kì lớn cũng như khả năng phân riêng với hiệu quả cực kì cao

1.1.1 Sản xuất và tái tạo nguồn nước ngọt

Tình trạng thiếu hụt nguồn nước ngọt hiện nay được xem là vấn đề lớn đối với xã hội [6-8] Mặc dù khoảng 71% diện tích bề mặt Trái Đất là nước tuy nhiên chỉ có 2,5% là nước ngọt có thể sử dụng, trong đó tổng lượng nước ngọt tồn tại trên bề mặt chỉ khoảng 0,008%, phần lớn còn lại tồn tại dưới các mạch nước ngầm, các tảng băng lớn…[9] Đồng thời, với tình trạng gia tăng dân số, nóng lên tồn cầu bởi biến đổi khí hậu hiện nay cùng với sự phát triển vượt bậc của các ngành công nghiệp cũng như sự tiêu thụ quá mức gây lãng phí đã dẫn đến nguồn nước ngọt bị khan hiếm và ơ nhiễm cực kì nặng nề [10, 11]

Một số biện pháp đã được đưa ra nhằm giải quyết tình trạng trên, tuy nhiên chủ yếu tập trung vào hai hướng chính là xử lí nguồn nước ơ nhiễm và khử mặn Việc xử lí nguồn nước ô nhiễm được tập trung tại các thành phố lớn, khu đơng dân cư cũng như các xí nghiệp, nhà máy nhằm đáp ứng với nhu cầu sử dụng cực kì lớn tại các khu vực này Trong khi đó, các cơng nghệ khử mặn được xây dựng và lắp đặt tập trung tại các khu vực thiếu hụt nguồn nước ngọt trầm trọng hay các thành phố, khu vực đơng dân ven biển

a) Xử lí nguồn nước ô nhiễm

Trang 21

Bảng 1 1 Các phương pháp xử lí nguồn nước ơ nhiễm[12],[13] Cơng nghệ Phương pháp Đặc điểm Xử lí hóa học

Oxi hóa Xử lí các chất ơ nhiễm bằng gốc OH

- thơng qua phản ứng giữa H2O2

Ozon hóa Sử dụng nguồn ozone có tính oxy hóa mạnh đối với các tác nhân gây ơ nhiễm

Quang hóa Sử dụng nguồn sáng (UV, bức xạ mặt trời, ánh sáng nhìn thấy) để xử lí các tác nhân gây ô nhiễm

Chiếu xạ Sử dụng nguồn phát xạ của siêu âm, vi sóng tác động đến các tác nhân gây ơ nhiễm

Điện hóa Sử dụng q trình oxi hóa-khử với sự có mặt của oxy và các chất xúc tác nhằm phân hủy các tác nhân gây ơ nhiễm

Xử lí sinh học Phân hủy sinh học đối với các cấu tử hữu cơ từ sự hỗ trợ phát triển của một số vi sinh vật, vi khuẩn và nấm

Xử lí vật lí

Trao đổi ion Sử dụng nguyên lí trao đổi ion nhằm hịa tan cấu tử ơ nhiễm hồn tồn trong nước

Tách lọc bằng màng

Sử dụng các loại màng lọc, module màng nhằm phân riêng các cấu tử gây ô nhiễm

Kết tụ Làm lắng, đông tụ các chất rắn lơ lửng có trong nước bởi các muối có khả năng kết tụ

Trang 22

truyền thống cũng như hiệu quả xử lí cực cao Mặt khác, với khả năng hoạt động trong mơi trường khơng hóa chất, cơng nghệ màng lọc hồn toàn tiếp cận dễ dàng với nhiều đối tượng sử dụng khác nhau vì khơng ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và thân thiện với mơi trường Từ đó, việc cân bằng giữa vấn đề kinh tế và bền vững dựa trên công nghệ lọc tách bằng màng đã mang lại nhiều hiệu quả hơn so với những phương pháp khác[14]

b) Khử mặn

Với tình trạng dân số tăng nhanh dẫn đến việc thiếu hụt nguồn nước ngọt ngày càng lớn, dự báo đến năm 2025 sẽ có khoảng hai phần ba dân số trên thế giới sẽ đối mặt với tình trạng này Do đó, việc chỉ tận dụng khả năng xử lí nguồn nước ô nhiễm vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu trên thế giới, chính vì vậy việc xem xét khử mặn nguồn nước biển thành nước ngọt đang được xem là giải pháp tối ưu hàng đầu Công suất khử mặn không ngừng tăng nhanh theo từng năm (38 tỉ mét khối năm 2016, gấp đôi năm 2008), đáp ứng cho gần 300 triệu người (vào năm 2013).[15]

Trang 23

Hình 1 1 Các cơng nghệ khử mặn được sử dụng hiện nay

a) Công nghệ khử mặn đa hiệu ứng; b) công nghệ khử mặn đa giai đoạn và c) công nghệ khử mặn bằng màng.[17]

Từ những vấn đề trên, nhận thấy rằng công nghệ màng lọc chiếm phần lớn thị phần so với các cơng nghệ cịn lại nhờ vào hiệu quả tách lọc cao cũng như chi phí xây dựng và vận hành cực kì thấp, đặc biệt khả năng tiêu thụ năng lượng không đáng kể Điều này đã làm giảm sự tác động gián tiếp của q trình xử lí và tái tạo nguồn nước ngọt thông qua công nghệ màng lọc đến mơi trường Do đó, việc đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển công nghệ màng được xem là giải pháp cần thiết để giải quyết các vấn đề thiếu hụt nguồn nước ngọt hiện nay cũng như đáp ứng kịp thời các nhu cầu trên mọi lĩnh vực

1.1.2 Công nghệ màng lọc trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm

Trong lĩnh vực thực phẩm, hệ thống màng được sử dụng phổ biến cho các quy trình tách lọc với các công nghệ màng đặc trưng như lọc vi lọc – MF, lọc nano – NF[18-21] Có hai giai đoạn chính trong lĩnh vực này liên quan đến quá trình phân tách: (i) Phân riêng pha hỗn hợp và (ii) xử lí nguồn nước thải sau quá trình sản xuất Đối với phân riêng pha, cơng nghệ màng được sử dụng cho việc phân tách hoàn toàn hai pha riêng biệt có trong hỗn hợp,

Trang 24

thường là rắn-lỏng (ví dụ: sản xuất nước ép, bia, chiết tách…) Trong khi đó, q trình xử lí nguồn nước thải sau cùng thơng qua cơng nghệ màng với mục đích loại bỏ tối đa các cấu tử gây ơ nhiễm phát sinh trong q trình chế biến, chiết tách… trước khi đưa nguồn nước ngọt trở lại mơi trường Do đó, chức năng chính của công nghệ màng trong lĩnh vực thực phẩm bao gồm: hồn ngun và tái tạo nguồn nước sử dụng; cơ đặc/chiết xuất và tách giai đoạn[22]

Hình 1 2 Kích thước các cấu tử và phạm vi loại bỏ hiệu quả của các màng động lực áp suất trong lĩnh vực tách lọc thực phẩm

Trang 25

càng phức tạp cũng như q trình xử lí dịng thải địi hỏi hiệu quả hồn ngun nguồn nước tốt hơn, những điều này đang đẩy các công nghệ màng đến với nhiều thách thức và khó khăn Chính vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển cũng như cải thiện các công nghệ màng đang được xem là hướng đi chính hiện nay nhằm giải quyết các nhược điểm còn tồn đọng cũng như nâng cao hiệu quả tách lọc của màng trong lĩnh vực thực phẩm

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG LỌC THẾ GIỚI 1.2.1 Tình hình chung

Ngày nay, cơng nghệ màng lọc được phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi vào các mục đích khác nhau nhờ vào các đặc tính nổi bật như thơng lượng dịng thấm qua màng lớn, hiệu suất tách lọc, khử mặn cao và linh hoạt[25] Được biết, công nghệ màng lọc hiện nay đang là giải pháp tối ưu nhằm giải quyết tình trạng khan hiếm nguồn nước ngọt trên tồn cầu và chiếm 53% tổng thị phần trên thế giới[26, 27] Đối với lĩnh vực nghiên cứu, tính từ năm 1960 đã có khoảng >50,000 bài báo liên quan đến cơng nghệ màng nói chung, trong đó khoảng hai phần ba bài được xuất bản từ năm 2008 đến 2017 [28] Các công nghệ màng hiện nay được sử dụng rộng rãi phần lớn là các màng sử dụng động lực áp suất như màng vi lọc (MF), màng siêu lọc (UF), màng lọc nano (NF) và đặc biệt là màng thẩm thấu ngược (RO) [29]

Trang 26

khăn chính trong q trình phân riêng bởi những nhược điểm và các tính chất vốn có mà các vật liệu chế tạo màng đem lại như: (i) Tắc nghẽn màng, (ii) mối quan hệ thuận nghịch giữa tính thấm và tính chọn lọc và (iii) độ ổn định mơi trường hoạt động thấp Chính vì những lí do này đã làm cho hiệu quả và tuổi thọ của màng polymer giảm đi nhanh chóng theo thời gian[26, 34], việc tìm ra một giải pháp thích hợp nhằm giải quyết những nhược điểm trên cũng như cải thiện những tính chất vốn có của màng polymer được xem là những bước đi quan trọng và cần phải thực hiện

1.2.2 Công nghệ màng mỏng composite

Màng mỏng composite TFC được xem là một trong những sáng kiến phát triển vượt bậc giành cho lĩnh vực công nghệ phân tách bằng màng Được giới thiệu lần đầu tiên bởi Morgan vào năm 1965[35], màng TFC được chế tạo bằng phương pháp trùng ngưng hình thành một lớp chọn lọc siêu mỏng trên nền vật liệu xốp [36] và được ứng dụng cho các công nghệ lọc phổ biến như NF và RO trong việc xử lí nguồn nước ơ nhiễm và lọc nước[37, 38]

Trang 27

Hình 1 3 Cấu trúc của màng TFC-PA.[46]

Tuy nhiên, màng TFC-PA có tính chất kháng chlorine kém cũng như có xu hướng tắc nghẽn màng nhanh từ các nguyên nhân như hữu cơ, vô cơ, sinh học làm cho độ bền của màng và hiệu quả tách lọc giảm nhanh theo thời gian [42, 47-49] Một số biện pháp đã được đề xuất nhằm khắc phục những nhược điểm của màng TFC-PA như thay thế các monomer[50], tạo các lớp hỗ trợ (supporting layers)[41], cải thiện các phương pháp tổng hợp hay kết hợp với nhiều loại vật liệu nano khác nhau[51] Trong đó, phương pháp sử dụng vật liệu nano đang thu hút được nhiều sự chú ý bởi tính chất vượt trội của chúng[43, 51, 52]

1.2.3 Công nghệ màng mỏng nanocomposite

Trang 28

Hình 1 4 Quy trình chế tạo màng TFN-PA.[26]

Trang 29

tấm graphene cuộn lại với nhau, việc vận chuyển của các phân tử nước khi đi qua không gian bên trong các ống này trở nên dễ dàng mà không bị ảnh hưởng bởi ma sát nhưng vẫn nâng cao được tính chọn lọc cực kì tốt vì đường kính ống rất nhỏ Điều này cho thấy được CNT là loại vật liệu nano có thể giải quyết được một trong những vấn đề lớn của màng TFC ban đầu chính là quan hệ thuận nghịch giữa tính thấm và tính chọn lọc[62] Tuy nhiên, việc phân tán CNT ban đầu vào các dung dịch monomer hay dung mơi ban đầu trong q trình chế tạo màng gặp phải nhiều khó khăn bởi tính kỵ nước vốn có của CNT, vì vậy biến tính CNT thơng qua acid hay amine nhằm hình thành các gốc ưa nước trên CNT được xem là giải pháp màng lại nhiều hiệu quả cũng như cải thiện khả năng liên kết và phân tán giữa CNT với màng ban đầu [62-64] Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng ống nanocarbon đa tường (MWCNT) chức hóa bằng nhóm carboxyl cho thấy được chúng giúp cải thiện tính kháng chlorine, chống tắc nghẽn màng, cải thiện tính ưa nước của bề mặt màng, gia tăng khả năng tích điện âm cũng như bảo vệ màng trong mọi mơi trường hoạt động và cải thiện cơ tính của màng[61, 65-67]

1.2.4 Các tiến bộ và phát triển trong nghiên cứu chế tạo màng TFN trên cơ cở màng nanocomposite carbon nanotube/polyamide

Màng mỏng nanocomposite carbon nanotube/polyamide (TFN CNT-PA) là sự kết hợp giữa các ống CNT và màng TFC-PA Màng TFN CNT-PA mang nhiều ưu điểm vượt trội so với màng TFC ban đầu như giảm hiện tượng tắc nghẽn màng bởi sự di chuyển nhanh của các phân tử nước đi qua các CNT, ngăn cản sự phát triển và tồn tại của vi khuẩn trên bề mặt màng và đặc biệt là gỡ bỏ rào cản mối quan hệ thuận nghịch giữa tính thấm và tính chọn lọc của màng[68]

Trang 31

Bảng 1 2 Một số phương pháp chế tạo màng TFC CNT-PA

Phương pháp chế tạo Kết quả nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

Phân tán CNT đã chức hóa trong monomer, thực hiện q trình trùng hợp với dung môi trên nền polymer khác

Cải thiện thông lượng lọc

Chống tắc nghẽn và oxi hóa cao hơn màng ban đầu

[65]

Thông lượng và mật độ áp suất tăng so với màng ban đầu

Giảm chi phí chế tạo

[70]

Thông lượng lọc gia tăng

so với màng PA ban đầu [71] Thông lượng lọc gia tăng

so với màng ban đầu Có khả năng tách lọc các dung môi khác nhau

[72]

Gia tăng thông lượng lọc Tối ưu hóa năng lượng và giá thành

[46]

Gắn MWCNT đã chức hóa lên màng polyamide sau q trình thủy phân và amine hóa thơng qua liên kết amine CO-NH

Hiệu quả tách lọc ion Ca2+ tăng so với màng ban đầu

[73]

Tạo khả năng hấp phụ ion cho màng thương mại

[74]

Trang 32

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG LỌC TRONG NƯỚC

Hiện nay không chỉ ở trên thế giới, tình trạng thiếu hụt và ơ nhiễm nguồn nước ngọt tại Việt Nam cũng đang xảy ra ngày càng trầm trọng Việc khai thác quá mức mạch nước ngầm sử dụng cho sinh hoạt, tưới tiêu trong nông nghiệp hay thậm chí cho các ngành cơng nghiệp đang làm mất cân bằng cũng như khả năng phục hồi tự nhiên của chúng Ngoài ra, hiện tượng xâm nhập mặn đang ngày càng xảy ra nghiêm trọng và vẫn chưa có tín hiệu dừng lại Các đồng bằng lớn tại Việt Nam, cụ thể là khu vực đồng bằng Sông Cửu Long hiện nay đang phải gánh chịu trực tiếp sự ảnh hưởng từ hiện tượng này Việc mất đi dần nguồn nước ngọt tự nhiên trên bề mặt đã gây nên sự cạn kiệt dần của nguồn nước ngầm cũng như khiến người dân ngày càng phụ thuộc chính vào mùa mưa – thời gian có trữ lượng nước ngọt dồi dào[75] Tình trạng trên khơng chỉ ảnh hưởng đến hiện tượng khan hiếm nguồn nước ngọt mà còn tác động trực tiếp đến sức khỏe người dân khi khả năng tiếp cận nguồn nước sạch bị hạn chế Ngoài ra, với sự phát triển ngày càng nhanh của các ngành cơng nghiệp liên quan đến q trình phân tách như thực phẩm, hóa dầu… nhu cầu sử dụng cơng nghệ màng cho các ngành này có xu hướng phát triển mạnh mẽ Do đó, đã thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu chế tạo màng tại Việt Nam nhằm cải thiện hiệu quả tách lọc cũng như đáp ứng phù hợp cho từng tính chất đặc thù riêng biệt

Bảng 1 3 Một số công bố chế tạo màng lọc trong nước

Năm

Tài liệu tham khảo

Nội dung nghiên cứu Đặc điểm

2016 [76]

Biến tính sửa đổi bề mặt màng polyamide bằng lớp phủ TiO2

Sử dụng phương pháp ngâm màng polyamide trong hỗn hợp keo chứa TiO2 và kết hợp chiếu xạ UV

Trang 33

2019 [77]

Nghiên cứu chế tạo màng Polysulfone – Graphene oxide mang tính ưa nước

Chế tạo màng PfS-GO thông qua phương pháp đảo ngược pha nhằm nâng cao tính ưa nước của màng, từ đó gia tăng thơng lượng lọc đi qua màng cũng như cải thiện khả năng chống tắc nghẽn màng 2020 [78] Nghiên cứu ứng dụng màng xúc tác quang (SPMR) kết hợp với N-TiO2 dạng lơ lửng và cố định trong việc loại bỏ diclofenat (DCF) trong nước thải

So sánh đánh giá khả năng loại bỏ DCF trên hai loại màng xúc tác quang kết hợp N-TiO2

SPMD và dạng N-TiO2 lơ lửng cho thấy được khả năng tách lọc tốt khi dòng thấm và lớp cặn lọc hình thành nhanh chóng trên màng so với N-TiO2

dạng cố định

2021 [73]

Nghiên cứu chế tạo màng nanocomposite

nylon66@CNT thông qua p-PD diamine hướng đến loại bỏ ion Ca2+ trong dung dịch

Chế tạo màng nylon66@CNT thông qua việc sử dụng p-PD làm cầu nối trung gian, đặc trưng bởi liên kết amine CO-NH hình thành giữa màng N66 sau khi thủy phân và gốc chức hóa COOH- của MWCNT

Trang 34

chế tạo được ứng dụng trong quá trình khử mặn với khả năng chống tắc nghẽn hữu cơ lên đến 80%

1.4 CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO MÀNG LỌC

Hiện nay, các quy trình chế tạo màng trong các nghiên cứu đa số thực hiện bằng thủ công hoặc có sự hỗ trợ của các thiết bị phổ biến, điều này đã hạn chế đến tính đồng đều giữa các kết quả màng cũng như khả năng quy mơ hóa các quy trình thực hiện trên Việc sử dụng các thiết bị chuyên dụng có thể giải quyết các hạn chế này, đồng thời tạo cơ sở tiền đề cho việc hướng đến quy mơ hóa quy trình chế tạo tổng hợp vật liệu nói chung và màng lọc nói riêng

Năm 2011, L Zou và các cộng đã sử dụng hệ thiết bị để thực hiện nghiên cứu biến tính bề mặt ưa nước của màng thẩm thấu ngược RO bằng phương pháp trùng hợp thông qua nguồn plasma để giảm thiểu hiện tượng bám bẩn hữu cơ trên bề mặt màng [79]

Hình 1 5 Buồng phản ứng plasma cho nghiên cứu của L.Zou và cộng sự [79]

Trang 35

Năm 2013, G Ozaydin-Ince cùng các cộng sự [80] đã sử dụng thiết bị khởi tạo lắng đọng hơi hóa học (iCVD) với mục đích chỉnh sửa bề mặt của màng thẩm thấu ngược RO được sử dụng cho quá trình khử mặn với mục đích giảm thiểu sự tắc nghẽn sinh học trên bề mặt màng được gây ra bởi các vi khuẩn, tế bào

Hình 1 6 Q trình biến tính bề mặt màng trên thiết bị iCVD

Kết quả nhận thấy hai copolymer được hình thành trong quá trình trùng hợp và lắng đọng hình thành một lớp mỏng phủ trên bề mặt màng RO sau khi sử dụng phương pháp iCVD Các phương pháp thử nghiệm dựa trên điều kiện thực tế cho thấy màng có tính chất ghồ ghề và kỵ nước hơn màng ban đầu cũng như giảm thiểu được khả năng bám bẩn sinh học và sự tấn công mạnh từ các yếu tố hữu cơ như tế bào, vi khuẩn

Từ các dẫn chứng trên có thể thấy được việc sử dụng các hệ thiết bị được chế tạo đặc thù dành riêng cho từng nghiên cứu là rất cần thiết Điều này giúp đánh giá phương pháp chế tạo màng một cách chi tiết và tạo khả năng đi sâu vào từng nghiên cứu cụ thể, đặc biệt hướng đến quá trình mở rộng quy mô chế tạo cũng như tạo cơ sở cho việc áp dụng quy trình cơng nghệ trong nghiên cứu khoa học

Trang 36

nhất[24, 81, 82] Trong lĩnh vực tách lọc thương mại bằng hệ thống màng như MF, UF, NF hay thậm chí là RO, hiện tượng bám bẩn màng được xem là một vấn đề chính làm giảm chất lượng và hiệu suất lọc của màng theo thời gian[83]

Hình 1 7 Các dạng hình thành của quá trình siêu âm ảnh hưởng đến lớp bám bẩn màng [82]

Gần đây, kỹ thuật siêu âm được sử dụng trong việc vệ sinh tẩy rửa màng, so với những phương pháp tẩy rửa truyền thống khác, kỹ thuật siêu âm giúp loại bỏ lớp cặn gây tắc nghẽn trên màng mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc vốn có của màng, từ đó có thể kéo dài tuổi thọ cũng như độ bền của màng trong thời gian dài Ngồi ra q trình siêu âm hệ thống siêu âm tách biệt với bên trong màng, điều này giúp cho màng ít tiếp xúc với mơi trường khơng khí bên ngồi và đảm bảo được tính tồn vẹn trong suốt q trình hoạt động

Trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo màng, quá trình siêu âm được sử dụng rộng rãi cho các bước tiền xử lí như phân tán vật liệu trong dung mơi[71, 73, 84], ngồi ra có thể tận dụng sự ảnh hưởng của quá trình siêu âm cho việc sửa đổi các tính chất của màng Cụ thể, việc xử lí màng bằng kỹ thuật siêu âm có thể làm thay đổi độ ghồ ghề bề mặt và tính xốp của màng, giá trị tần số siêu âm khoảng giá trị thấp có xu hướng tạo nhiều góc tự do trong khi tính hóa lí bề mặt của màng có thể bị thay đổi nếu sử dụng quá trình siêu âm ở giá trị tần số cao

Trang 37

Tài liệu tham

khảo Năm Nội dung nghiên cứu Vai trò siêu âm

[85] 2014

Tổng hợp màng thẩm thấu ngược composite CNT/PA hiệu suất cao thông qua cơ chế điều khiển quá trình tương tác

Phân tán CNT thô trong hỗn hợp dung dịch acid với mục đích chức hóa CNTs

[65] 2014

Cải thiện hiệu suất màng polyamide bằng MWCNT chức hóa Hỗ trợ phân tán MWCNT trong dung dịch MPD tiền PA [86] 2019 Chế tạo màng siêu lọc polyamide vơi khung đỡ SWCNT

Hỗ trợ phân tán SWCNT trong dung môi

[87] 2019

Nâng cao hiệu suất polymer hóa của màng polyamide dựa trên sự hỗ trợ của quá trình siêu âm

Tham gia trực tiếp trong quá trình hình thành polymer hóa giữa hai tiền chất ban đầu cấu thành PA [73] 2021 Biến tính màng nylon 66 sử dụng diamine p-PD và MWCNT chúc hóa gốc COOH- Hỗ trợ hòa tan hỗn hợp thủy phân và diamine Hỗ trợ phân tán MWCNT trong các dung mơi

Có thể thấy, kỹ thuật siêu âm được sử dụng phổ biến trong việc hỗ trợ các giai đoạn chế tạo màng Tuy nhiên, cho đến hiện nay hầu như rất ít các nghiên cứu sử dụng kỹ thuật siêu âm trực tiếp trong q trình tổng hợp màng (hay cịn gọi là q trình siêu âm tạo màng), từ đó chưa có đánh giá cụ thể sự ảnh hưởng của kỹ thuật này trong nghiên cứu chế tạo màng và tính ứng dụng của nó trong tương lai

Trang 38

bước ngoặc cho việc nghiên cứu chuyên sâu, mở ra giai đoạn phát triển đưa sản phẩm nghiên cứu hướng đến ứng dụng thực tế một cách nhanh chóng và hiệu quả

Trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo màng TFC-PA, trùng hợp là một phương pháp phổ biến được sử dụng cho việc chế tạo loại màng này không chỉ ở quy mơ phịng thí nghiệm mà cịn ở quy mơ sản xuất Bắt nguồn từ quá trình tiếp xúc giữa monomer MPD và dung môi TMC trên nền khung polymer khác, màng TFC-PA có cấu trúc xốp được hình thành Các nghiên cứu về màng TFN-PA hiện nay đều có xu hướng chế tạo đi từ màng ban đầu TFC-PA dựa trên phương pháp này Ưu điểm của quá trình trùng hợp là tạo được lớp PA siêu mỏng và có tính chọn lọc cực kì tốt thơng qua sự hình thành cấu trúc xốp với kích thước siêu nhỏ bên trong Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là tạo ra các “ngõ cụt” trên màng, từ đó gây nên tình trạng tắc nghẽn màng tự nhiên, hơn nữa với phương pháp này thì việc hướng đến ứng dụng thực tế cho màng TFN-PA lại không đem hiệu quả cao bởi sự ràng buộc về quy trình chế tạo cũng như chi phí sản xuất Do đó, việc xem xét áp dụng màng PA thương mại cho quá trình chế tạo màng TFN-PA là cần thiết, điều này sẽ giúp rút ngắn đáng kể thời gian, chi phí cũng như nâng cao khả năng ứng dụng thực tế của màng trong các lĩnh vực khác nhau Bên cạnh đó, hiện nay hầu như rất ít nghiên cứu cụ thể áp dụng kỹ thuật siêu âm tham gia trực tiếp vào quá trình chế tạo màng TFN-PA, phần lớn chỉ sử dụng tại các giai đoạn tiền phản ứng và hỗ trợ phân tán vật liệu Do đó với các ưu điểm đã được trình bày, kỹ thuật siêu âm hồn tồn có cơ sở để xem xét áp dụng trực tiếp trong chế tạo màng lọc, đặc biệt là màng TFN-PA dựa trên cơ sở màng PA thương mại Với kỹ thuật này, vật liệu nano có thể thâm nhập và phản ứng sâu bên trong cấu trúc của màng cũng như tránh được hiện tượng kết tụ cục bộ của chúng trên màng trong suốt quá trình chế tạo Đây được xem là bước đi hoàn toàn mới trong việc áp dụng màng lọc thương mại và kỹ thuật siêu âm trực tiếp trong quy trình chế tạo màng TFN-PA

1.5 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trang 39

lọc Bên cạnh phương pháp chế tạo màng TFN-PA truyền thống là trùng hợp, việc hướng đến sử dụng màng cơ sở PA thương mại được xem là bước đi hoàn toàn mới mang lại nhiều đột phá, đặc biệt là nâng cao được giá trị cũng như phạm vi ứng dụng của màng thương mại sẵn có Mặt khác, việc sử dụng hệ thiết bị được chế tạo đặc thù và kỹ thuật siêu âm trực tiếp trong nghiên cứu chế tạo màng hứa hẹn đem lại nhiều kết quả mang tính đồng đều, hiệu quả cao khi giảm thiểu được thao tác thủ công và đơn giản hóa quy trình Đồng thời, tạo bước ngoặt cho việc mở rộng quy mơ chế tạo từ phịng thí nghiệm đến quy mơ cơng nghiệp cho màng lọc trong tương lai

Chính vì vậy, trong đề tài này tơi tiến hành chế tạo màng TFN CNT-PA dựa trên cơ sở vải lọc nylon 6 thương mại với mục đích đưa vải lọc nylon 6 ban đầu khơng có tính chọn lọc ion trở thành màng TFN CNT-PA hồn tồn có khả năng bắt giữ ion thông qua cơ chế hấp phụ Quá trình chế tạo màng TFN CNT-PA được thực hiện thơng qua hai giai đoạn chính là làm giàu amino vải lọc nylon 6 từ các diamine mạch thẳng đầu cuối và ghép hóa học ống nanocarbon đa tường chức hóa gốc carboxylic MWCNT-COOH lên màng Trong đó, q trình ghép hóa học MWCNT-COOH lên màng được thực hiện dựa trên phương pháp xâm nhập-tuần hoàn trong hệ thiết bị được thiết kế và chế tạo chuyên dụng

1.6 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Dựa trên đánh giá tổng quan, tính cấp thiết của vấn đề liên quan, đề tài được thực hiện với những mục tiêu sau:

Mục tiêu 1: Thiết kế và chế tạo hệ thiết bị chế tạo màng TFN CNT-PA

Mục tiêu 2: Chế tạo màng TFN CNT-PA từ q trình ghép hóa học MWCNT-COOH lên

vải lọc nylon 6 sau khi được làm giàu amino từ các diamine mạch thẳng đầu cuối thông qua cơ chế phản ứng nối mạng (được minh họa theo hình 1.8)

Mục tiêu 3: Đánh giá và phân tích sự ảnh hưởng của độ dài mạch thẳng alkane từ các

Trang 40

Hình 1.8 Cơ chế thực hiện phản ứng ghép hóa học MWCNT-COOH lên vải lọc nylon 6

1.7 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

Nhiệm vụ 1: Tham khảo, tìm hiểu và tổng hợp tài liệu liên quan đến nội dung cần thực hiện

cho đề tài;

Nhiệm vụ 2: Thiết kế và chế tạo hệ thiết bị phản ứng xâm nhập tuần hoàn ứng dụng chế

tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) từ vải polyamide;

Nhiệm vụ 3: Chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) và khảo sát vai trò của các diamine mạch thẳng đầu cuối H2N(CH2)nNH2với n = 2, 4, 6, 8 đối với cấu trúc màng MWCNT@(H2N-polyamide);

Nhiệm vụ 4: Đánh giá cấu trúc, hình thái bề mặt và khả năng hấp phụ ion kim loại của

màng MWCNT@(H2N-polyamide) thông qua các phương pháp phân tích đặc trưng: − Phân tích, đánh giá hình thái bề mặt màng thơng qua phương pháp SEM, hình ảnh

Ngày đăng: 25/10/2023, 22:17

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w