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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TẤN TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG HẤP PHỤ ION CẤU TRÚC MWCNT@(H2N-POLYAMIDE) BẰNG PHẢN ỨNG XÂM NHẬP TUẦN HOÀN Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 8520309 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Văn Thăng _ Cán hướng dẫn khoa học 2: TS Phạm Tấn Thi _ Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Đình Thành _ Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Quang Long _ Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐGQG-HCM ngày 21 tháng 06 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong - Chủ tịch PGS.TS Nguyễn Đình Thành - Phản biện PGS.TS Nguyễn Quang Long - Phản biện TS Phạm Tấn Thi - Ủy viên TS Vũ Anh Quang - Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau nhận luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - 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) 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: Tham khảo, tìm hiểu tổng hợp tài liệu liên quan đến nội dung cần thực cho đề tài Thiết kế chế tạo hệ thiết bị phản ứng xâm nhập tuần hoàn ứng dụng chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) từ vải polyamide Chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) khảo sát vai trò diamine mạch thẳng đầu cuối H2N(CH2)nNH2 với n = 2, 4, 6, cấu trúc màng MWCNT@(H2N-polyamide) Đánh giá cấu trúc, hình thái bề mặt khả hấp phụ ion kim loại màng MWCNT@(H2Npolyamide) Tổng hợp kết quả, biện luận 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 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) PGS TS Lê Văn Thăng TS Phạm Tấn Thi TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU (Họ tên chữ ký) i LỜI CẢM ƠN Khoảng thời gian vừa qua, học tập làm việc trường Đại học Bách khoa ĐHQG-HCM xem điều lấy làm vinh dự tự hào cho thân em Được học hỏi điều mẻ, bổ ích khơng kiến thức mà tác phong làm việc nhà nghiên cứu thực thụ Đây xem bước ngoặt lớn đời em, hứa hẹn mở bầu trời khoa học tương lai bước đệm cho em vững vàng sau Xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Lê Văn Thăng TS Phạm Tấn Thi tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực Luận văn Thạc sĩ Xin cảm ơn KS.Vương Vĩnh Đạt lắng nghe ý kiến, đưa đóng góp, chỉnh sửa để luận văn hoàn thành cách đầy đủ nhanh chóng Xin cảm ơn kinh phí tài trợ thực luận văn từ đề tài cấp ĐHQG-HCM "Nghiên cứu, phát triển công nghệ chế tạo ứng dụng màng lọc composite", mã số DS2020-20-01, PGS TS Mai Thanh Phong chủ nhiệm, Trường Đại học Bách khoa quan chủ trì Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, anh chị ln bên cạnh động viên em suốt thời gian qua Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng năm 2023 Học viên Nguyễn Tấn Tài ii TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide) chế tạo thông qua chế phản ứng nối mạng vải lọc nylon thương mại làm giàu amino từ diamine mạch thẳng đầu cuối có cấu trúc H2N–(CH2)n–NH2 (với n = 2, 4, 6, 8) ống nanocarbon đa thành chức hóa gốc carboxylic MWCNT-COOH, màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide) chế tạo với mục đích hướng đến khả hấp phụ ion, đặc biệt ion kim loại nặng dung dịch – tính hồn tồn mà vải lọc nylon thương mại ban đầu không xuất Bên cạnh nghiên cứu này, phương pháp phản ứng xâm nhập – tuần hoàn sử dụng cho quy trình chế tạo màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide), phương pháp đề xuất thực dựa hệ thiết bị thiết kế chế tạo chun dụng có tích hợp hỗ trợ trình siêu âm Dựa hình ảnh ngoại quan cho thấy MWCNT-COOH có bám dính phân bố đồng bề mặt màng sau làm giàu amino Kết FTIR, Raman khẳng định xuất hình thành liên kết amine CO-NH vải lọc nylon MWCNT-COOH thông qua cầu nối diamine Trong đó, ghi nhận ảnh hưởng từ độ dài mạch alkane diamine đến khả hình thành liên kết có chọn lọc MWCNT màng C@(A[n]-nylon) cụ thể Kết SEM cho thấy bao phủ MWCNT hai bề mặt màng, điều chứng minh hiệu phương pháp sử dụng buồng phản ứng có hỗ trợ từ q trình siêu âm Trong đánh giá thử lọc, lớp MWCNT xuất màng đóng vai trị lớp chọn lọc siêu mỏng tạo rào cản vật lí giúp loại bỏ ion dung dịch thơng qua chế hấp phụ, đồng thời cải thiện ổn định thông lượng lọc qua màng nâng cao số chu kỳ lọc hiệu Đây xem tính chất hoàn toàn so với vải lọc nylon ban đầu, điều đóng vai trị sở tiền đề cho việc phát triển quy trình chế tạo loại màng với quy mô công nghiệp, mở rộng khả ứng dụng tách lọc lĩnh vực khác tương lai iii ABSTRACT In this study, MWCNT@(H2N-polyamide) nanocomposite membrane was fabricated through cross-linking reaction between amino-enriched nylon 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 Based on surface image of C@(A[n]-nylon) see that MWCNT-COOH evenly coated and distributed onto surface of amino-enriched membrane (A[n]-nylon) FTIR, Raman result was confirm about appearing and forming amine linked CONH between nylon fabric and MWCNT-COOH via diamines Specially, the impact from the length of alkane chains of diamines to selectively formed ability with MWCNT-COOH was recorded onto every C@(A[n]-nylon) membrane SEM images were determine that MWCNT covered onto both of surface membrane, it was demonstrated about effective of circulatinginfiltrating method also CIR cell which have ultrasound-assisted Roles of MWCNT like to ultra-thin selective layer onto surface membrane also physical barrier, which help to ion reject in solution through absorb machanism, improve water flux and good maintain cycle life of membrane This is completely new properties compared with nylon fabric pristin so it will be importance for next research also toward mass produce for this membrane iv LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tự thân tác giả thực Các kết nghiên cứu kết luận luận văn hồn tồn trung thực, khơng chép từ nguồn khác hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng năm 2023 Học viên Nguyễn Tấn Tài v 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 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG MÀNG LỌC 1.1.1 Sản xuất tái tạo nguồn nước 1.1.2 Công nghệ màng lọc lĩnh vực công nghệ thực phẩm 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG LỌC THẾ GIỚI 1.2.1 Tình hình chung 1.2.2 Công nghệ màng mỏng composite 1.2.3 Công nghệ màng mỏng nanocomposite 1.2.4 Các tiến phát triển nghiên cứu chế tạo màng TFN 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 1.5 ĐẶT VẤN ĐỀ 19 vi 1.6 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 20 1.7 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 2.1 CƠ SỞ PHÂN RIÊNG MÀNG LỌC 23 2.1.1 Tổng quan 23 2.1.2 Cơ chế lọc màng 23 2.1.3 Mơ hình lọc 26 2.1.4 Phân loại màng lọc 27 2.1.5 Tính chất đặc điểm màng 32 2.2 CÁC KIỂU HỆ THỐNG MÀNG 35 2.3 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 lắng đọng 44 2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 46 2.6.1 Xác định góc thấm ướt 46 2.6.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 47 vii 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 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG XÂM NHẬP – TUẦN HOÀN 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 chế tạo buồng phản ứng CIR 54 3.2.2 Thiết kế, chế tạo bể siêu âm bể điều nhiệt 60 3.2.3 Thiết kế 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 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 cụm chức 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 chế tạo thử nghiệm màng MWCNT@(H2N-polyamide) hệ thiết bị 70 CHƯƠNG CHẾ TẠO MÀNG COMPOSITE MWCNT@(H2N-POLYAMIDE) 72 4.1 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 72 Trang 132 / 145 Hình PL Bản vẽ thiết kế phần buồng phản ứng Trang 133 / 145 Hình PL Bản vẽ thiết kế bể siêu âm Trang 134 / 145 Hình PL Bản vẽ thiết kế bể điều nhiệt Trang 135 / 145 Các bước thực q trình mơ thơng số buồng phản ứng CIR dựa phần mềm Solidwork Bước 1: Lựa chọn Add-ins “Flow simulation” phần mềm solidwork 3D Bước 2: Xác định hệ đơn vị sử dụng q trình mơ Ví dụ, tơi chọn hệ SI Bước 3: Lựa chọn kiểu mô dịng chảy, bao gồm hai loại mơ dịng chảy ngồi mơ dịng chảy bên Ở đây, tơi chọn mơ dịng chảy bên Bước 4: Lựa chọn môi trường dung môi Ở đây, tơi chọn ethanol – dung dịch tiền chất lưu chuyển hệ MWCNT-COOH phân tán ethanol Bước 5: Xác định sơ thông số đầu vào nhiệt độ, tốc độ lưu chuyển tiền chất… thơng số chỉnh sửa bước xác định thông số đầu vào Bước 6: Xác định ranh giới khảo sát điều kiện biên Đối với ranh giới khảo sát, hệ thống mặc định không gian kín hệ vùng khảo sát chính, nhiên tùy chỉnh cho phù hợp Trong điều kiện biên, cần xác định vị trí vào chất lưu loại thơng số, ví dụ lưu lượng, áp suất tổng tác động… Bước 6: Thực trình “Mesh” “Run” để bắt đầu trình thực mơ Tùy thuộc vào tính phức tạp thông số, thiết kế mà thời gian thực mơ kéo dài rút ngắn Bước 7: Xuất giá trị theo tính tương ứng mục kết xuất Trang 136 / 145 Bước Bước Bước Bước Bước Bước Bước Hình PL Các bước thực mô thông số buồng phản ứng CIR Kết FTIR màng Trang 137 / 145 Hình PL Kết FTIR kết màng Kết Raman màng Trang 138 / 145 Hình PL Kết Raman màng Kết phân tích quét nhiệt vi sai – DSC phân tích nhiệt trọng lượng TGA Trang 139 / 145 Hình PL Kết phân tích nhiệt vi sai DSC phần tích nhiệt trọng lượng TGA màng nguyên liệu MWCNT-COOH Kết phân tích SEM vải lọc nylon ban đầu mẫu vải giàu amino A[n]nylon Trang 140 / 145 A1) A2) A3) B1) B2) B3) C1) C2) C3) D1) D2) D3) E1) E2) E3) Hình PL Kết SEM vải lọc nylon ban đầu vải giàu amino A[n]-nylon với độ phân giải khác Trang 141 / 145 a) Vải lọc nylon 6; b) Màng A2-nylon; c) Màng A4-nylon; d) Màng A6-nylon e) Màng A8-nylon Kết phân tích SEM mặt trước màng gắn MWCNT-COOH A1) A2) A3) B1) B2) B3) C1) C2) C3) D1) D2) D3) Hình PL 10 Kết SEM bề mặt trước màng với độ phân giải khác a) Màng C@(A2-nylon); b) Màng C@(A4-nylon); c) Màng C@(A6-nylon) d) Màng C@(A8-nylon) Trang 142 / 145 Kết phân bố kích thước đường kính MWCNT màng A) B) 10 15 20 25 30 35 12 14 16 20 22 24 26 28 Diameter (nm) Diameter (nm) C) 15 18 D) 20 25 30 Diameter (nm) 15 35 20 25 30 Diameter (nm) 35 40 Hình PL 11 Biểu đồ phân bố kích thước đường kính MWCNT màng C@(A[n]nylon) a) Màng C@(A2-nylon); b) Màng C@(A4-nylon); c) Màng C@(A6-nylon) d) Màng C@(A8-nylon) Kết phân tích SEM mặt sau màng gắn MWCNT-COOH Trang 143 / 145 A1) A2) B1) B2) C1) C2) D1) D2) Hình PL 12 Kết SEM bề mặt sau màng với độ phân giải khác a) Màng C@(A2-nylon); b) Màng C@(A4-nylon); c) Màng C@(A6-nylon) d) Màng C@(A8-nylon) Trang 144 / 145 Thông tin chi tiết dịch thực phẩm công ty VNF sử dụng q trình thử lọc màng C@(A8-nylon) Thơng tin dòng thải thành phần tải lượng Bảng PL Thơng tin thành phần dịng thải dịch đạm tơm từ VNF STT Loại dịng thải Số lượng NMCM gửi DHBK Thơng số phân tích pH: 4.0 – 5.0, Dòng tiền xử lý 5kg H+: 0.3 – 0.5% Protein: – 4% Canxi: 1.0 – 1.5% pH: 0.2 – 0.4 Dòng DC1 10can ~ 200kg H+: 2.0 – 2.5% Protein: 2.0 – 2.5% Canxi: 2.0 – 2.5% pH: 11.5 – 12.5 Dòng DP1 10can ~ 200kg OH-: 0.2 – 0.5% Protein: 1.5 – 2.5% Thông tin tải lượng − Sản lượng trung bình dịng: 20m3/ngày Thơng tin liên quan đến hệ thống lọc màng mà cơng ty có − Hệ thống lọc thô − Hệ lọc thô - than Anthracite, Loại than Anthracite AF-P007 − Hệ lọc thô - than Hoạt tính, Loại than Anthracite AF-P055 − Hệ thống lọc màng UF • x module màng Suez UF Membrane ZW1500-600, kích thước lỗ lọc 0.01 micron − Hệ thống lọc màng NF Trang 145 / 145 • Hệ thống lọc màng NF Model NF88D-4EB1, kích thước lỗ lọc 0.001 micron • module màng NF DOW FILMTEC NF270-400-34i • lõi lọc tinh PP micron model AF-MF-P4005-VN − Hệ thống khử bậc cao Ozone • Nước sau lọc qua hệ thống NF chứa hàm lượng COD tương đối cần xử lý hệ thống sục khí Ozone • Dịng nước sau xử lý COD Ozone đạt tiêu chuẩn cho việc tái sử dụng để sản xuất nhà máy LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Tấn Tài Ngày, tháng, năm sinh: 12-01-1999 Nơi sinh: Tỉnh Phú Yên Địa liên lạc: Khu phố 3, phường Hịa Vinh, Thị xã Đơng Hịa, tình Phú Yên Quá trình đào tạo: Bậc đào tạo Thời gian Đại học 2017 – 2021 Thạc sĩ 2022 – đến Nơi đào tạo Chuyên ngành Tên luận văn tốt nghiệp Design and fabrication of ultrasound assisted fluid flow cell for thin film composite functionalization Đại học Kỹ Bách Khoa thuật Study on fabrication of MWCNT@(H2NĐHQG – Vật liệu polyamide) composite membrane via TP.HCM circulating – infiltrating reaction, toward ionic adsorption from aqueous solution Q trình cơng tác: Thời gian Từ 2021 đến Nơi công tác Chức vụ PTN Trọng Điểm ĐHQG-HCM Công Nghệ Vật Liệu, Nghiên cứu Trường Đại Học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM viên