TÊN ĐỀ TÀI: Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc UF Polysulfone trong xử lý nước thải bằng phương pháp biến tính bề mặt.... Nhiều phương pháp đã và đang thực hiện để hạn chế qu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
MÀNG UF VÀ QUÁ TRÌNH SIÊU LỌC
Quá trình siêu lọc sử dụng màng xốp UF có khả năng phân tách nước và các chất tan kớch thước 90% trong quá trình lọc [1]
Hình 2 1 Phân lọc màng lọc theo kích thước và áp suất làm việc[1]
Hình 2 2 Phân loại các cấu tử bị loại bỏ bởi các loại màng khác nhau [1].
Màng siêu lọc có cấu trúc bất đẳng hướng Lớp bên trên của màng đóng vai trò là lớp chọn lọc có kích thước lổ xốp nhỏ hơn và lớp màng vi xốp bên dưới có tác dụng đảm bảo cơ tính của màng Các phân tử đƣợc giữ lại chủ yếu nhờ vào lớp chọn lọc trên bề mặt Lớp chọn lọc thường được chế tạo từ các hợp chất polymer như: polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), polyacrylonitrile (PAN) và cellulose acetate Trong đó, PS và PES là vật liệu đƣợc sử dụng nhiều nhất do đặc tính ổn định nhiệt, cơ tính cao, chịu hóa chất tốt và độ xốp lớn Tuy nhiên, đặc tính kỵ nước của các vật liệu này là nguyên nhân làm tăng hiện tƣợng tắc ngẽn màng trong quá trình vận hành [4]
Hình 2 3 Cấu trúc màng siêu lọc (UF) (a) lớp vi xốp (b) lớp chọn lọc UF[1]
Trong công nghệ màng có 2 chế độ hoạt động khác nhau tùy thuộc vào 2 kiểu dòng chảy: kiểu dòng chảy ngang (cross-flow) và kiểu dòng chảy đứng (dead-end) [1]
Hình 2 4 Kiểu dòng chảy Dead-end và kiểu dòng chảy Cross-flow[2]
Kiểu dòng chảy dead-end, dòng lưu chất có áp suất hướng vuông góc với màng sẽ đi qua màng các hạt có kích thước lớn bị giữ lại trên bề mặt màng dẫn đến hiện tượng
Trang 11 phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng nhanh hơn Do đó, thông lượng nước thẩm thấu qua màng giảm Để duy trì thông lƣợng, hệ thống cần phải ngừng hoạt động và vệ sinh, rửa màng định kỳ
Kiểu dòng chảy cross-flow, dòng lưu chất có áp suất chảy ngang trên bề mặt màng màng ở tốc độ cao làm hạn chế sự tắc nghẽn và phân cực nồng độ bên trên bề mặt màng Hay nói cách khác kiểu dòng chảy cross-flow khắc phục nhƣợc điểm gây tắc nghẽn, giảm thông lƣợng nhanh của kiểu dead-end nhờ vào chính dòng chảy ngang của dòng lưu chất làm dòng nước rửa màng.
CƠ CHẾ TRUYỀN VẬN QUA MÀNG UF [1,2,4]
Quá trình truyền khối qua màng UF có thể đƣợc xem nhƣ là lọc rây sàng Nhiều mô hình đã đƣợc đề xuất để mô tả quá trình truyền khối qua màng UF nhƣ: (1) Mô hình lỗ xốp, dựa trên cấu trúc lỗ xốp và bỏ qua các ảnh hưởng của lớp biên; (2) Mô hình dựa trên quá trình nhiệt động lực học không thuận nghịch và cũng bỏ qua ảnh hưởng của lớp biên; (3) Mô hình lớp biên, dựa trên ảnh hưởng của lớp biên –hiện tượng phân cực nồng độ đến quá trình Thực tế, không mô hình nào giải thích một cách chính xác quá trình truyền khối cho tất cả các trường hợp và quá trình siêu lọc Do đó, hai hoặc ba mô hình đƣợc kết hợp để phân tích kết quả thực nghiệm
II.2.1.Mô hình lỗ xốp
Quá trình truyền vận của chất tan và dung môi (nước) qua vật liệu xốp có thể được xác định bằng mô hình động lực học và đƣợc mô tả bằng định luật Darcy:
Trong đú, J V là thụng lượng nước thẩm thấu qua màng; K, hệ số lọc; à, độ nhớt của nước; 𝛅m, bề dày của màng; và K/( à 𝛅m) là độ thẩm thấu của màng; ΔP, chờnh lệch áp suất qua màng
Chất tan có kích thước lớn hơn kích thước lổ xốp của màng sẽ được phân tách Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thực tế, màng UF không chỉ làm việc theo cơ chế rây sàng mà còn dựa trên sự tương tác giữa màng và chất tan Các yếu tố như hình dạng, sự biến dạng và phân ly của các đại phân tử đƣợc xem xét khi đánh giá khả năng phân tách của màng Độ loại bỏ của màng đƣợc tính nhƣ sau:
Trong đó diện tích các lỗ xốp mà chất tan truyền qua màng là A i; diện tích các lỗ xốp mà nước truyền qua màng là A w; tổng diện tích các lỗ xốp của màng là A p.
II.2.2.Mô hình nhiệt động lực học không thuận nghịch
Trong mô hình này, màng đƣợc xem là một hộp đen Do đó, mô hình này không đề cập đến cấu trúc của màng mà quan tâm đến dòng thẩm thấu qua màng nhƣ là kết quả của chênh lệch thế truyền vận do áp lực dòng chảy nhập liệu Mô hình Kedem−Katchalsky và Spiegler−Kedem là mô hình dựa trên cách tiếp cận này
Kedem-Katchalsky mô tả quá trình truyền vận của dung môi (nước) và chất tan trong hệ thống màng đẳng nhiệt:
Trong đó, JV, J s tương ứng là thông lượng thể tích của dung môi và chất tan; L p , độ thẩm thấu thủy lực của màng; ω, độ thẩm thấu của chất tan; σ, hệ số phản ánh, biểu thị độ loại bỏ chất tan của màng, σ= 0 – màng không loại bỏ đƣợc, σ= 1 – màng loại bỏ đƣợc 100% chất tan; C, nồng độ tại bề mặt màng; C p , nồng độ dòng thẩm thấu; ∆π, chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa 2 phía của màng
II.2.3.Mô hình lớp biên
Trong các mô hình trên đã xác định quá trình truyền khối của nước và chất tan qua màng UF Tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng không đƣợc xem xét trong các mô hình trên là tốc độ truyền khối của chất tan qua lớp biên sát bề mặt màng Quá trình truyền khối khuếch tán và đối lưu qua màng với áp suất là động lực quá trình
Trang 13 Hình 2 5 Quá trình truyền khối trong lớp biên phân cực nồng độ có bề dày δ bl [2]
Phân cực nồng độ làm giảm áp suất thẩm thấu, làm chậm dòng nước và tạo ra dòng khuếch tán ngược Tích tụ chất tan gây trở lực thủy lực, giảm thông lượng thẩm thấu và có thể gây tắc nghẽn màng, ảnh hưởng đến độ thẩm thấu thủy lực và loại bỏ chất tan.
Thông lượng nước và chất tan thẩm thấu qua màng được đánh giá như sau:
Thông lượng nước và chất tan qua màng thẩm thấu được biểu thị bằng Jv và Ns, tương ứng Nồng độ chất tan trong dòng thẩm thấu và tại bề mặt màng lần lượt là Cf và Cw Hệ số phân tách thực của màng được kí hiệu là Sa.
Mô hình lớp biên là nền tảng phát triển của các mô hình sau: mô hình lý thuyết lớp phim, mô hình áp suất thẩm thấu, mô hình lớp keo
Dòng khuếch tán ngược lại
Dòng truyền vận chất tan qua màng (dòng đối lưu) = J v C b
Dòng khuếch tán ngược lại = 𝐷 𝜕𝐶 𝜕𝑦
Tốc độ dòng truyền vận chất tan qua màng, N s = J v C f
II.2.3.1.Mô hình lý thuyết lớp phim
Trạng thái ổn định, dòng chất tan vận chuyển qua màng gây ra bởi tác động của áp suất và dòng chất tan khuếch tán ngƣợc lại phía dung dịch nhập liệu cân bằng với nhau
Giả sử bỏ qua ảnh hưởng của quá trình khuếch tán chất tan theo phương X đối với tốc độ thẩm thấu qua màng Phương trình 2.6 mô tả mô hình lớp phim cố định:
(2.7) Tích phân phương trình 2.12 từ 0 đến y và từ C w đến C, ta được:
(2.8) Áp dụng phương trình 2.8 với điều kiện biên (y=0, C= C w và y = δ bl , C = C b ) ta xác định được thông lượng nước thẩm thấu qua màng thông qua nồng độ chất tan, hệ số khuếch tán và bề dày lớp biên:
(2.9) Với hệ số truyền khối K= D/ δ bl, phương trình trở thành:
(2.10) Đây là phương trình của mô hình lớp phim cố định Hệ số truyền khối được xác định theo phương trình Sherwood
II.2.3.2 Mô hình áp suất thẩm thấu
Theo mô hình màng phim, thông lượng thấm không chỉ chịu ảnh hưởng bởi áp suất thẩm thấu Mô hình này dựa trên giả định rằng áp suất thẩm thấu của các dung dịch có phân tử lượng cao không đáng kể so với áp suất vận hành Tuy nhiên, Vilker và Jonsson [2]
HIỆN TƢỢNG TẮC NGHẼN MÀNG
Quá trình tắc nghẽn và các ảnh hưởng của nó là một trong những trở ngại chính tác động đến hiệu quả hoạt động của màng lọc UF Tắc nghẽn màng cũng là yếu tố quan trọng làm hạn chế sự ứng dụng rộng rãi của quá trình lọc bằng màng Nguyên nhân ban đầu của quá trình tắc nghẽn là hiện tƣợng phân cực nồng độ[5] Trong quá trình siêu lọc, dung môi, các đại phân tử hoặc hạt keo hòa tan tiến đến bề mặt màng nhờ vào áp lực dòng chảy Dung môi thường là nước sẽ thẩm thấu qua màng, còn các phân tử lớn hơn bị giữ lại trên bề mặt màng Ngoài ra, do kích thước phân tử lớn nên tốc độ khuếch tán ngƣợc lại trong dung dịch của các phân tử đó là rất chậm Do đó, nồng độ của chúng tại bề mặt màng thường cao hơn 20-50 lần so với nồng độ trong dung dịch Khi nồng độ trên bề mặt màng tăng đến một mức sẽ làm hình thành lớp kem trên bề mặt màng và trở thành màng chắn thứ hai làm giảm thông lƣợng qua màng Đó là hiện tƣợng tắc nghẽn màng[3,8]
Hiện tƣợng tắc nghẽn màng có thể nhận thấy thông qua tăng áp suất thẩm thấu và giảm thông lượng nước thẩm thấu qua màng Profile độ giảm thông lượng theo thời gian trong quá trình hoạt động của màng lọc có thể đƣợc mô tả nhƣ sau: (i) thông lượng giảm nhanh chóng so với thông lượng của quá trình lọc nước tinh khiết, (ii) thông lƣợng giảm từ từ, (iii) thông lƣợng đạt trạng thái ổn định trong khoảng thời gian dài
Trang 17 Hình 2 6 Profile thông lượng nước thẩm thấu qua màng theo thời gian[2]
Quá trình tắc nghẽn màng có thể xảy ra theo cơ chế sau: [9]
(1) Quá trình hấp phụ các chất tan, phân tử keo vào trong lỗ xốp màng (2) Quá trình bít các lỗ xốp màng và hình thành lớp kết tụ trên bề mặt màng (3) Quá trình hình thành lớp kem trên bề mặt màng
(4) Cân bằng động: quá trình kết tụ và phân tách các chất gây tắc nghẽn trên lớp kem trong quá trình vận hành
Quá trình (1) (2) thông lƣợng giảm nhanh chóng so với thông lƣợng của quá trình lọc nước tinh khiết, quá trình (3) thông lượng giảm từ từ và quá trình (4) thông lượng đạt trạng thái ổn định
Hiện tƣợng phân cực nồng độ và hình thành lớp kem trên bề mặt màng có thể đƣợc biểu diễn ở hình 2.7
Trang 18 Hình 2 7 Hình thành lớp kem trên bề mặt màng UF do hiện tƣợng phân cực nồng độ[1]
Khu vực trước bề mặt màng được phân chia thành 3 vùng: vùng (1) - dung dịch nhập liệu đƣợc khuấy trộn, vùng (2) – vùng chảy tầng – vùng phân cực nồng độ, vùng (3) – vùng lớp kem trên bề mặt màng Thông lƣợng thẩm thấu qua màng sẽ giảm đáng kể do ảnh hưởng của các trở lực do hiện tượng phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng gây ra Do đó, thông lƣợng đƣợc tính toán theo công thức sau[1]:
J – thông lượng nước thẩm thấu qua màng ΔP – chênh lệch áp suất qua màng Δπ – áp suất thẩm thấu à - độ nhớt của nước tại nhiệt độ vận hành
∑R – trở lực tổng; ∑R = Rp + Ra + Rm + Rg + Rcp Rp – trở lực do bít lổ xốp
Ra – trở lực do quá trình hấp phụ chất tan vào màng Rm – trở lực màng
Rg – trở lực lớp kem Rcp – trở lực vùng phân cực nồng độ
Trang 19 Hình 2 8 Các loại trở lực trong quá trình lọc màng[5]
Thông lượng nước thẩm thấu qua màng (J), hệ số truyền khối qua bề mặt màng (Km), độ loại bỏ của màng (R) và nồng độ dung dịch nhập liệu (Cb) đều ảnh hưởng đến quá trình phân cực nồng độ Nồng độ chất tan trên bề mặt màng (Cm) là một hàm số của J, Km, R và Cb[1]:
Quá trình tắc nghẽn xảy ra phức tạp, là kết quả của sự tương tác giữa màng lọc và các chất tan trong dung dịch đầu vào Do đó, các yếu tố quyết định đến quá trình tắc nghẽn gồm có đặc tính màng lọc, tính chất của chất tan và các thông số vận hành Những yếu tố này có tác động qua lại và ảnh hưởng khác nhau đến quá trình tắc nghẽn.
Những tính chất của màng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn bao gồm tính ưa nước, độ gồ ghề của bề mặt, điện tích và cấu trúc lổ xốp.Màng được chế tạo bằng vật liệu ưa nước và có bề mặt phẳng phẳng hơn có xu hướng chống tắc nghẽn tốt Ngoài ra điện tích của bề mặt màng sẽ hình thành trường lực điện tạo các lực hút, đẩy đối với các chất tan trong dung dịch nhập liệu và ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ các chất tan đó lên màng Cấu trúc lổ xốp cũng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn, màng có kích thước lổ xốp lớn khó bị bít lổ xốp nên ít tắc nghẽn hơn nhưng hiệu quả phân tách thấp [7]
Tính chất chất tan như loại chất tan, nồng độ ion, pH ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tắc nghẽn Dung dịch nhập liệu cần tiền xử lý trước quá trình lọc màng để đảm bảo hiệu quả phân tách và năng suất hoạt động [9]
Rp – trở lực do bít lổ xốp Ra – trở lực do quá trình hấp phụ chất tan vào màng
Rm – trở lực màng Rg – trở lực lớp kem Rcp – trở lực vùng phân cực nồng độ
Ngoài 2 yếu tố chính trên, các thông số vận hành hệ thống cũng đƣợc nghiên cứu trong tác động đến quá trình tắc nghẽn Áp suất và lưu lượng dòng nhập liệu và tốc độ khuấy trộn có thể ảnh hưởng đến cấu trúc dòng, làm thay đổi bề dày của lớp tắc nghẽn
Nhiệt độ cũng là yếu tố cần kiểm soát trong quá trình vận hành Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt, hệ số khuếch tan và có thể làm biến tính dung dịch nhập liệu
II.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn màng [1,2,4,5]:
Quá trình tắc nghẽn màng là tương tác phức tạp giữa màng (bề mặt và lỗ xốp) và chất tan, cũng như giữa các chất tan trong dung dịch đầu vào Quá trình này chịu ảnh hưởng đáng kể bởi ba yếu tố: bản chất của màng, tính chất của chất tan và các thông số vận hành Sự hiểu biết về các yếu tố này rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất màng và ngăn ngừa tắc nghẽn,从而确保膜系统的稳定运行。
Các yếu tố này có thể tương tác lẫn nhau để tạo những tác động khác nhau đến quá trình tắc nghẽn
II.3.2.1.Tính chất của màng
Các tính chất của màng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn bao gồm: tính ưa nước, độ gồ ghề, điện tích trên bề mặt màng và cấu trúc lỗ xốp Bề mặt màng đƣợc tạo bởi vật liệu ưa nước được xem là ít tắc nghẽn hơn so với vật liệu kị nước Và bề mặt màng gồ ghề có xu hướng tắc nghẽn nhiều hơn so với bề mặt màng phẳng Ngoài ra, bề mặt màng tích điện (điện tích âm) cũng có thể giảm tắc nghẽn vì hầu hết các chất keo (chất gây tắc nghẽn) tích điện âm ở điều kiện thường Tỉ lệ giữa kích thước lỗ xốp và kích thước chất tan là một yếu tố rất quan trọng Marshall và các đồng nghiệp cho rằng màng có kích thước lỗ xốp lớn sẽ cho thông lượng ban đầu lớn nhưng thông lượng cuối cùng lại nhỏ hơn so với màng có kích thước lỗ xốp nhỏ Do màng có kích thước lỗ xốp lớn sẽ dễ bị bít lỗ xốp hơn, dẫn đến thông lƣợng dòng thẩm thấu giảm theo thời gian nhanh hơn
II.3.2.2 Tính chất của dung dịch nhập liệu
Các tính chất của chất tan trong dung dịch nhập liệu ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn nhƣ giá trị pH, điện tích ion, nồng độ ion, độ nhớt, độ tan… Một số loại muối khoáng có thể kết tinh trên bề mặt màng do độ tan thấp hoặc tạo các tương tác tĩnh điện trực tiếp với màng Hơn nửa, muối có thể làm tăng độ mạnh ion sẽ ảnh hưởng đến các tương tác giữa màng – chất tan, chất tan – chất tan Babu và Gaikar đã nghiên cứu và cho rằng trở lực của lớp protein tăng khi nồng độ muối trong dung dịch nhập liệu tăng
Nhiều nhà nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình tắc nghẽn sự thay đổi pH sẽ ảnh hưởng đến hình dạng, cấu trúc và độ tan của các cấu tử trong dung dịch nhập liệu
II.3.2.3 Thông số vận hành
PHƯƠNG PHÁP BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG UF POLYSULFONE BẰNG LỚP PHỦ PVA
Quá trình tắc nghẽn màng UF polysulfone thường được kiểm soát bởi các phương pháp khác nhau: biến tính bề mặt, kiểm soát thông số vận hành Phương pháp kiểm soát tắc nghẽn hiệu quả phụ thuộc vào bản chất của quá trình tắc nghẽn Phương pháp này dựa trên việc kiểm soát các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng dòng nhập liệu)
Trang 23 và các quá trình vệ sinh màng là phương pháp phổ biến nhất, được áp dụng hầu hết trong các hệ thống màng lọc Tuy nhiên, tốn kém chi phí vận hành, ảnh hưởng của hóa chất đến môi trường sinh thái là những vấn đề của phương pháp này Phương pháp biến tính bề mặt để nâng cao hiệu quả chống tắc nghẽn của màng UF đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trong những năm gần đây Do hiệu quả chống tắc nghẽn cao cũng nhƣ giảm chi phí vận hành trong quá trình sản xuất Có nhiều phương pháp như biến tính bề mặt bằng cách chiếu xạ plasma,… để biến tính bề mặt màng, trộn hợp các loại hạt nano vô cơ có tính ưa nước vào màng, dùng các phản ứng hóa học để gắn các phân tử ưa nước lên bề mặt màng hoặc phủ một lớp polymer ưa nước lên bề mặt màng [4]
Trong số các phương pháp chống tắc nghẽn màng, biến tính bề mặt màng bằng lớp phủ ưa nước được đánh giá cao hiệu quả Lớp phủ này tạo ra bề mặt màng phẳng hơn, có tính ưa nước, giúp ngăn chặn sự bám dính của các chất gây tắc nghẽn Nhờ đó, quá trình tắc nghẽn màng được giảm đáng kể.
Hình 2 9 Cơ chế chống tắc nghẽn của lớp phủ ưa nước (a) lớp vi xốp (b) lớp chọn lọc UF[4]
Trong phương pháp này, nhiều tác chất polymer ưa nước được sử dụng để biến tính bề mặt màng nhƣ: poly(vinyl-alcohol), methylcellulose (MC) và polyvinylpyrrolidone (PVP), polyacrylic acid (PA), polyethylene glycol (PEG)…[6] Trong đó, PVA là polymer có tính ưa nước cao, không độc, cơ tính tốt, chịu nhiệt, kháng hóa chất, dễ dàng tạo màng, được xem là polymer phù hợp để tạo bề mặt ưa nước cho màng siêu lọc polysulfone [6,8-11,13] Ngoài ra, PVA cũng là hóa chất phổ biến, giá thành rẻ Đây là điều kiện lựa chọn phương pháp biến tính bề mặt bằng phương pháp phủ PVA trên bề mặt màng UF polysulfone Trong thực tế, PVA đã đƣợc sử dụng rộng rãi để làm lớp phủ chống tắc nghẽn bề mặt cho các loại màng MF, UF, NF và RO thương mại [4-7]
PVA được lựa chọn là vật liệu phủ để tạo bề mặt ưa nước cho màng lọc UF Polysulfone trong đề tài và acid malic là tác nhân nối mạng Ƣu nhƣợc điểm của các
Trang 24 tác nhân nối mạng đã được nghiên cứu trong nhiều công trình trước đây Lớp PVA nối mạng bằng acid malic cho thông lượng nước thẩm thấu cao và hoạt động ở áp suất thấp so với các tác nhân nối mạng khác nhƣ formaldehyde hay glutaraldehyde [12,13] Phản ứng nối mạng PVA với tác nhân acid malic đƣợc thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cao trong môi trường acid pH=2-3:
Hình 2 10 Phản ứng nối mạng giữa PVA và acid malic [6].
CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY
Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn cho màng UF là thách thức của công nghệ siêu lọc Nhiều nghiên cứu đƣợc thực hiện đã cho những kết quả khả quan.Trong đó, PVA đƣợc xem là tác chất hiệu quả Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về nâng cao khả năng chống tắc nghẽn cho màng UF bằng lớp phủ PVA chủ yếu tập trung vào phương pháp sử dụng PVA và các phụ gia
II.5.1 Nghiên cứu nước ngoài
Yuzhong Zhang và các cộng sự [8] đã chế tạo màng UF dựa trên vật liệu acetan PVA được nối mạng bằng glutaraldehyde có khả năng điều chỉnh tính ưa nước của màng Kết quả cho thấy màng acetan PVA cho thông lượng nước thẩm thấu qua màng và độ loại bỏ protein BSA cao Nhƣ vậy, lớp vật liệu acetan PVA đóng vai trò là lớp chọn lọc không những cho thông lƣợng, độ loại bỏ cao mà còn có khả năng chống tắc nghẽn tốt nhờ vào đặc tính ưa nước của nó
Trong nghiên cứu của Li và Barbari[9], dung dịch keo PVA, nối mạng bằng glutaraldehyde, đƣợc phủ lên bề mặt màng Cenllulo Acetate Màng Cenllulo Acetate với lớp phủ PVA có bề mặt phẳng và ưa nước cao đã thể hiện đặc tính chống tắc nghẽn tốt, đặc biệt hạn chế các chất gây tắc nghẽn không thuận nghịch Ngoài ra, Xiaole Ma và các cộng sự [10] cũng nghiên cứu quá trình phủ dung dịch PVA đƣợc nói mạng
Trang 25 bằng Borat lên bề mặt màng UF polysulfone Nồng độ PVA khảo sát từ 0 – 2 wt%, số lần nhúng màng từ 1 – 6 Kết quả nồng độ PVA 0.5 % khối lƣợng đƣợc dùng để phủ 3 lần, độ giảm thông lượng nước qua màng do tắc nghẽn của màng được phủ PVA so với màng không được phủ tương ứng là 38% và 61% Và khả năng phục hồi thông lượng sau quá trình rửa của màng đƣợc phủ lớp PVA cũng cao hơn so với màng ban đầu Tuy nhiên, PVA bám trên bề mặt màng và lớp PVA nối mạng hầu nhƣ khóa một phần lỗ xốp của màng là nguyên nhân làm giảm thông lượng nước qua màng nhưng vẫn phù hợp cho ứng dụng lọc UF Góc dính ƣớt giảm xuống rõ rệt khi tăng nồng độ PVA và số lần nhúng cho thấy PVA bám phủ trên bề mặt làm tăng tính ưa nước của màng Ưu điểm của phương pháp này là giảm tắc nghẽn thuận nghịch và tắc nghẽn không thuận nghịch, cải thiện đáng kể hiệu quả hồi phục hiệu suất phân tách của màng bằng quá trình rửa màng khi vận hành màng lọc trong thời gian dài Tuy nhiên, nghiên cứu chƣa làm rõ ảnh hưởng của thời gian nhúng và nhiệt độ trong quá trình xử lý nhiệt đến khả năng chống tắc nghẽn
Hình 2 11 Phản ứng nối mạng giữa PVA và borax [6]
Tuy nhiên, Li Na và các cộng sự [11] cho rằng không những phải tạo tính ưa nước trên bề mặt màng mà còn cần phải tạo tính ưa nước trên bề mặt các lổ xốp trong cấu trúc của lớp màng nền Họ tạo lớp phủ PVA bằng cách lọc dung dịch PVA qua lớp màng nền bằng phương pháp lọc dòng vuông góc, sau đó, lớp màng sẽ được xử lý nhiệt để hình thành lớp màng PVA trên bề mặt và trong lổ xốp của màng lọc Ảnh hưởng của nồng độ PVA, thời gian lọc PVA, nồng độ các phụ gia, nồng độ chất nối mạng, thời gian xử lý nhiệt đối với thông lƣợng và độ loại bỏ của màng đƣợc khảo sát Kết quả cho thấy màng đƣợc phủ PVA có đặc tính chống tắc nghẽn, độ loại bỏ cao và khả năng phục hồi thông lƣợng cao sau quá trình rửa màng so với màng ban đầu
Hơn nửa, khả năng ưa nước vốn có của PVA làm cho nó trở thành một loại polymer có sức thu hút đặc biệt đối với quá trình xử lý nước bằng màng PVA có một số ưu điểm là chịu hóa chất, khả năng chống tắc nghẽn cao, khả năng thấm nước rất tốt Tuy nhiên, một nhược điểm của PVA là khả năng trương lớn nên rất dễ hòa tan vào nước, do đó để ứng dụng đƣợc PVA phải đảm bảo các phân tử PVA phải đƣợc nối mạng để làm giảm khả năng trương nở và hòa tan trong môi trường nước [6,8-11] Tuy nhiên,
Trang 26 quá trình nối mạng làm các lỗ xốp trên bề mặt co lại, làm giảm thông lượng nước thẩm thấu qua màng, do đó phải tìm ra biện pháp nối mạng các phân tử PVA mà vẫn đem lại hiệu quả của quá trình lọc[6,15] Nhiều tác nhân nối mạng đã đƣợc thử nghiệm nhƣ glutaraldehyde, formaldehyde, glycidyl acrylate, toluene diisocyanate, acrolien…
Glutaraldehyde là tác nhân nối mạng hiệu quả hơn formaldehyde và glycidyl acrylate Màng PVA được nối mạng bởi acid malic có thông lượng nước thẩm thấu qua màng cao hơn, áp suất hoạt động thấp hơn và độ bền tốt hơn Tỉ lệ acid malic so với PVA được xác định là 20% khối lượng.
Vấn đề kết nối mạng cũng là một trong những vấn đề đƣợc B.Han cùng cộng sự nghiên cứu trong phản ứng kết nối mạng của màng PVA với acid malic [17] Tác giả đã so sánh khả năng hấp thụ và hòa tan của nước đối với màng PVA được nối mạng bằng acid malic trong hai trường hợp là màng PVA có và không có xử lý bằng Acetal formandehyde Ứng dụng của màng Poly(Vinyl Alcohol)/Malic Acid (PVA/MA) trong quá trình phân tách hệ Acid acetic-nước được Nuran Isıklan và cộng sự [16] tiến hành ở các nhiệt độ khác nhau Nhóm tác giả này cũng trong một nghiên cứu trước đó đã tối ƣu tỉ lệ phần khối lƣợng PVA:MA là 85:15, độ dày màng tối ƣu là 80 μm
Ngoài ra, Eric M.V.Heok và các cộng sự đã nghiên cứu phủ một lớp PVA lên trên bề mặt màng lọc UF[19] Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, cấu trúc, thể tích tự do của tác nhân nối mạng lên khả năng chống tắc nghẽn của màng Một số kết quả mà nghiên cứu đạt đƣợc là khi tăng nồng độ tác nhân nối mạng từ 10 – 20% thì màng PVA-PSF càng mỏng Tính thấm của màng tăng lên khi tăng nồng độ tác nhân nối mạng từ 20 -80% Khả năng lọc muối NaCl và Na 2 SO 4 tăng lên khi nồng độ tác nhân nối mạng tăng từ 10-20%, nhƣng giảm xuống khi nồng độ tăng từ 20-80% Góc tiếp xúc với nước cũng tăng theo nồng độ từ 10-80% nên khả năng ưa nước của màng lại giảm xuống Trong số các tác nhân nối mạng succinic acid, maleic acid, malic acid, gluteraldehyde, suberic acid thì acid malic có thể tích tự do của polymer lớn nhất, nối mạng bền nhất, khả năng thấm nước tinh khiết cao nhất
Khả năng phục hồi thông lƣợng của màng UF polyethersulfone tắc nghẽn bởi các chất hữu cơ tự nhiên cũng đã đƣợc nhóm tác giả Hongjoo Lee, Gary Amy nghiên cứu
[18], theo nhóm tác giả này thì màng có thể bị tắc nghẽn bởi các thành phần chất hữu cơ kỵ nước và/hoặc ưa nước phụ thuộc vào đặc điểm của chất thải hữu cơ tự nhiên, tính chất của màng và điều kiện vận hành Các tác giả đã nghiên cứu việc cải thiện khả năng hồi phục thông lượng của màng sau tắc nghẽn bằng nước và bằng hóa chất Kết quả cho thấy quá trình vệ sinh màng bằng nước cho hiệu quả thấp, chỉ loại bỏ được một phần các chất gây tắc nghẽn trên bề mặt màng, do đó thông lƣợng không đƣợc
Trang 27 phục hồi đáng kể Quá trình vệ sinh màng bằng hóa chất có thể loại bỏ đƣợc hầu hết chất gây tắc nghẽn trên bề mặt màng và một phần các chất hấp phụ gây bít lỗ xốp, do đó thông lƣợng có thể đƣợc phục hồi gần bằng giá trị ban đầu
Trong các ứng dụng của công nghệ màng siêu lọc, xử lý nước thải được quan tâm đặc biệt Màng UF polysulfone với khối lƣợng phân tử giới hạn (MWCO) 10 kDa đƣợc Jin-Hui Huang và các cộng sự ứng dụng xử lý nước thải nhuộm với thành phần: xanh methylene, chất hoạt động bề mặt natri dodocylsulfate (SDS) và muối natri clorua Các yếu tố áp suất vận hành, nồng độ SDS, xanh methylene và NaCl cũng nhƣ thông lƣợng nước thẩm thấu qua màng, trở lực và độ loại bỏ của màng được khảo sát và tối ưu hóa
Kết quả nghiên cứu cho thấy độ loại bỏ xanh methylene và SDS tương ứng 99.3 và 96.0% với thành phần nước giả thải nhập liệu xanh methylene (6mg/l), SDS (8mM) và NaCl (200 hoặc 300 mM) [22]
II.5.2 Nghiên cứu trong nước
THỰC NGHIỆM
NGUYÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
Màng lọc UF Polysulfone PSF–UF30 (MWCO kDa) (Sepro, Mỹ) đƣợc sử dụng để biến tính bề mặt trong đề tài Các hóa chất sử dụng để chuẩn bị dung dịch phủ lên màng Poly(vinyl alcohol) (PVA) (Sigma-Aldrich, Mỹ) dạng hạt rắn có khối lƣợng phân tử 31kDa, độ thủy phân 88% (Sigma-Aldrich, Mỹ), hóa chất nối mạng trong lớp màng PVA là acid malic dạng bột có độ tinh khiết >99.5% (Fluka, Đức), acid hydrochloric (Trung Quốc) đƣợc sử dụng để điều chỉnh pH trong dung dịch phủ màng
Alginate (Sigma-Aldrich, Mỹ) có khối lƣợng phân tử (10-600) kDa, độ tinh khiết >
99% đƣợc sử dụng nhƣ chất gây tắc nghẽn trong quá trình khảo sát hiệu quả chống tắc nghẽn Ngoài ra, Natri hydroxide (Trung Quốc) và EDTA (Trung Quốc) là hóa chất rửa màng Xanh methylene (độ tinh khiết 97%, Ấn Độ) đƣợc sử dụng trong dung dịch giả thải để thử nghiệm
Polysulfone (PS) là 1 họ polymer dẻo chịu nhiệt chứa sulfur Những polymer này có khả năng bền và ổn định ở nhiệt độ cao Đặc điểm của nhóm sulfone là có đơn vị cấu tạo dạng (aryl-SO2-aryl) Polysulfone đƣợc công ty Union Carbide phát hiện vào năm 1965
Hình 3 1 Công thức cấu tạo Pollysulfone [6]
Các polymer này có độ bền cao, trong suốt và duy trì các tính chất trong khoảng nhiệt độ từ -100 0 C – 150 0 C Nó có cấu trúc rất bền ,chỉ thay đổi kích thước khi tiếp xúc với nước sôi hoặc dòng khí nóng 150 0 C, hơi nước hoặc nồng độ dưới 0.1% Nhiệt độ nóng chảy của polysulfone là 185 0 C
Tính chất lý hóa của Polysulfone:
- Khả năng kháng acid, bazơ, không thủy phân
- Không cháy, chịu nhiệt cao
- Chịu đƣợc pH trong khoảng 2-13
- Khả năng kháng các chất oxi hóa do đó có thể đƣợc làm sạch bằng các chất tẩy trắng.và nó cũng kháng các chất hoạt động bề mặt và các loại dầu hydrocarbon
- Tuy nhiên nó không kháng đƣợc các dung môi phân cực thấp (nhƣ xeton, clorua hydrocarbon) và các hydrocarbon thơm
- Và polysulfone có khả năng chịu nén tốt, không biến dạng do đó thường được sử dụng dưới áp suất cao
Polysulfone được ứng dụng trong sản xuất màng lọc nhờ khả năng tạo và điều chỉnh kích thước lỗ màng nhỏ đến 40 nm Đặc tính này cho phép Polysulfone tái tạo và tùy chỉnh kích thước lỗ màng theo nhu cầu, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực lọc và phân tách.
Màng này có thể được sử dụng để lọc máu chạy thận nhân tạo, lọc nước, nước thải, thực phẩm và tách khí
Màng polysulfone PSF–UF30 đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đƣợc sản xuất bởi công ty Sepro, Mỹ có các thông số nhƣ sau:
- Bề dầy lớp màng (bao gồm cả lớp đở ): 0.165 mm
- Thông lượng nước qua màng: 1200 Lmh/Bar
- Độ loại bỏ 96 % (PEG-20K) - Khoảng pH giới hạn: 2-10
- Nhiệt độ giới hạn tối đa: 50 0 C
Màng phải đƣợc bảo quan nơi khô thoáng, tốt nhất là bảo quản nơi không khí khô mát tránh ánh nắng mặt trời Tránh tiếp xúc, gây xước trên bề mặt màng
Poly(vinyl alcohol) là một polymer ưa nước, có công thức phân tử [CH 2 CH(OH)] n và đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp nhƣ: dệt may, giấy, sơn, phủ…
Tính chất lý hóa của Poly(vinyl alcohol):
- Dạng: tinh thể trắng - Khối lƣợng phân tử: 31 kDa - Khối lƣợng riêng: 1.269 g/cm 3 - Nhiệt độ nóng chảy: 200 o C - Độ thủy phân trong nước: 88%
- Độ nhớt (dung dịch 2 %): 5 cps - Mức độ bay hơi: tối đa 5%
III.1.2.Hệ thống thí nghiệm
Hệ thống thí nghiệm đƣợc sử dụng để đánh giá hiệu quả phân tách và tắc nghẽn của màng: Mô hình thí nghiệm lọc UF theo kiểu dòng chảy ngang tại Trung tâm ƣơm tạo doanh nghiệp công nghệ – Đại học Bách Khoa TP HCM
Các thí nghiệm lọc UF đƣợc thực hiện bằng hệ thống lọc UF kiểu dòng chảy băng ngang qua màng Mô hình gồm 1 bộ lọc đƣợc thiết kế với diện tích màng lọc là 24,2 cm 2 Các số liệu về độ thẩm thấu màng và độ loại bỏ chất hữu cơ alginate đƣợc lấy trung bình từ 3 thí nghiệm lặp Nước được khuấy đều trong bồn bằng máy khuấy từ
Dòng nhập liệu đƣợc tạo áp bằng máy bơm ly tâm Nhiệt độ dung dịch đƣợc duy trì ở 25 ± 1 o C bằng hệ thống làm lạnh tuần hoàn Lưu lượng dòng hoàn lưu là 0,12 gpm được đo bằng lưu lượng kế Rotamet Tấc cả các lưu chất thẩm thấu đều được hoàn lưu lại bồn chứa để duy trì nồng độ chất tan trong hệ thống
Hình 3 2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đánh giá hiệu quả hoạt động của màng UF[6]
Ban đầu, màng được chạy bằng nước tinh khiết (độ dẫn < 5 μS/cm) ở áp suất 40 psi đến khi thông lượng nước qua màng đạt trạng thái ổn định Sau đó, sẽ đo thông lượng nước ở các áp suất vận hành khác nhau để xác định độ thẩm thấu, trở lực của màng Kế tiếp, nước cất trong hệ thống được thay thế bằng dung dịch hữu cơ alginate nồng độ 1000 ppm để đánh giá hiệu quả chống tắc nghẽn của màng thông qua độ sụt giảm thông lượng nước thẩm thấu qua màng theo thời gian Và mẩu nước thẩm thấu qua màng sẽ đƣợc sử dụng để xác định hiệu quả phân tách của màng
Sau khi kết thúc quá trình khảo sát tắc nghẽn màng, hệ thống sẽ đƣợc vệ sinh bằng cách rửa màng bằng nước tinh khiết (độ dẫn < 5 μS/cm) và bằng hóa chất EDTA, pH 10.5
Trang 31 Hình 3 3 Mô hình hệ thống thí nghiệm tại Vườn ươm doanh nghiệp công nghệ – ĐH BK
HCM Thông lƣợng, độ loại bỏ và trở lực màng đƣợc đánh giá bằng các công thức sau:
J – thông lượng nước thẩm thấu qua màng ΔP – chênh lệch áp suất qua màng Δπ – áp suất thẩm thấu à - độ nhớt của nước tại nhiệt độ vận hành
∑R – trở lực tổng, ∑R = Rp + Ra + Rm + Rg + Rcp Rp – trở lực do bít lổ xốp
Ra – trở lực do quá trình hấp phụ chất tan vào màng Rm – trở lực màng
Rg – trở lực lớp kem Rcp – trở lực vùng phân cực nồng độ Độ phục hồi thông lượng sau quá trình vệ sinh màng đươc đánh giá theo công thức sau:
%R: độ phục hồi thông lƣợng Jo: Thông lƣợng ban đầu J2: Thông lƣợng sau khi vệ sinh màng
(𝐽𝑜 −𝐽1) (3.3) nRF: Tỉ lệ tắc nghẽn có thể thuận nghịch và đƣợc loại bỏ trong qua quá trình vệ sinh màng
J1: Thông lượng trước khi vệ sinh màng
PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Dung dịch PVA đƣợc dùng để phủ lên bề mặt màng UF đƣợc chuẩn bị bằng cách hòa tan PVA ở dạng hạt rắn trong nước cất ở 90 0 C và khuấy cho tan hoàn toàn trong vòng 1 giờ Sau đó, dung dịch được để nguội đến nhiệt độ phòng trước khi cho vào một lƣợng xác định chất nối mạng acid malic, đồng thời điều chỉnh dung dịch tại pH=2 bằng dung dịch HCl 2N và khuấy trong 1 giờ ở nhiệt độ phòng để hình thành dung dịch PVA-Acid Malic
Màng UF polysulfone sẽ được ngâm trong nước cất 1 ngày, để khô trước khi được phủ PVA Màng sẽ đƣợc phủ PVA lần thứ 1 với thời gian xác định và để khô tự nhiên trong không khí 24 giờ Các lần phủ PVA thứ 2 và thứ 3 được thực hiện tương tự Cuối
Trang 33 cùng, màng đƣợc xử lý nhiệt trong tủ sấy trong điều kiện xác định để phản ứng ester hóa hình thành lớp màng PVA xảy ra và màng UF polysulfone – PVA sẽ có thể đƣợc sử dụng sau 24 giờ tiếp theo
III.2.2.Thí nghiệm khảo sát tắc nghẽn
Thí nghiệm khảo sát tắc nghẽn đƣợc thực hiện theo các nội dung nhƣ sau:
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ PVA trong dung dịch phủ lên hiệu quả chống tắc nghẽn của màng đƣợc biến tính:
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ PVA trong dung dịch phủ lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với nồng độ PVA thay đổi 0,025 g/L; 0,05 g/L;
0,1 g/L và 0,3 g/L Các thống số khác đƣợc cố định gồm số lần nhúng là 2 lần, nồng độ acid malic nối mạng 20%, thời gian nhúng lần 1 là 10s và lần 2 là 5s, xử lý nhiệt ở nhiệt độ 80 o C trong 10 phút
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid malic nối mạng lên hiệu quả chống tắc nghẽn của màng đƣợc biến tính
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid malic nối mạng lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với nồng độ acid malic thay đổi 20%, 40%, 60%, 80% Các thông số khác đƣợc cố định gồm nồng độ PVA 0,05 g/L, số lần nhúng
Trang 34 là 2 lần, thời gian nhúng lần 1 là 10s và lần 2 là 5s, xử lý nhiệt ở nhiệt độ 80 o C trong 10 phút
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt lên hiệu quả chống tắc nghẽn của màng đƣợc biến tính
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với thời gian xử lý nhiệt thay đổi 5 phút, 10 phút, 15 phút
Các thống số khác đƣợc cố định gồm nồng độ PVA 0,05 g/L, số lần nhúng là 2 lần, nồng độ acid malic nối mạng 20%, thời gian nhúng lần 1 là 10s và lần 2 là 5s, xử lý nhiệt ở nhiệt độ 80 o C
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt lên hiệu quả chống tắc nghẽn của màng đƣợc biến tính
Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt đến hiệu quả chống tắc màng RO với phạm vi nhiệt độ từ 80 °C đến 140 °C Các thông số khác được giữ cố định như nồng độ PVA 0,05 g/L, số lần nhúng là 2, nồng độ axit malic nối mạng 20%, thời gian nhúng lần 1 là 10 giây và lần 2 là 5 giây, xử lý nhiệt trong 10 phút.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nhúng lên hiệu quả chống tắc nghẽn của màng đƣợc biến tính
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng thời gian nhúng màng đến hiệu quả chống tắc nghẽn màng Các thông số được điều chỉnh bao gồm thời gian nhúng màng (5s, 10s, 15s, 30s), trong khi các thông số khác được giữ cố định: số lần nhúng (2 lần), nồng độ PVA (0,05 g/L), nồng độ acid malic nối mạng (20%), thời gian nhúng lần 2 (5s) và xử lý nhiệt (80°C, 10 phút).
Khảo sát ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên hiệu quả chống tắc nghẽn của màng đƣợc biến tính:
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với số lần nhúng màng thay đổi1, 2 và 3 lần Các thống số khác đƣợc cố định gồm thời gian nhúng lần 1 là 10s, nồng độ PVA 0,05 g/L, nồng độ acid malic nối mạng 20%, thời gian nhúng lần 2 và 3 là 5s, xử lý nhiệt ở nhiệt độ 80 o C trong 10 phút
Đánh giá khả năng phục hồi thông lƣợng của màng lọc UF PVA sau khi vệ sinh màng bằng nước và hóa chất
Màng UF Polysulfone-PVA đƣợc sử dụng để khảo sát với các thông số tạo màng: nồng độ PVA 0.05g/L, nồng độ acid malic nối mạng 20%, số lần nhúng là 2 lần, thời gian nhúng lần 1 là 10s và lần 2 là 5s, xử lý nhiệt ở nhiệt độ 80 o C trong 10 phút Màng sẽ được khảo sát tắc nghẽn lần 1 sau đó vệ sinh bằng nước rồi lại khảo sát tắc nghẽn lần 2 Tương tự như vậy ở lần khảo sát tắc nghẽn lần 2 và 3 Sau khi khảo sát tắc nghẽn lần 3, màng được vệ sinh bằng hóa chất trước khi khảo sát tắc nghẽn lần 4 Tác chất đƣợc sử dụng trong thí nghiệm tắc nghẽn là Alginate 1000ppm, hóa chất rửa màng là EDTA 2g/L, pH = 10.5 Kết quả được so sánh với màng thương mại.
PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA MÀNG
- Độ thẩm thấu, trở lực của màng đƣợc đánh giá thông qua số liệu thí nghiệm trong quá trình thí nghiệm lọc
- Phổ FT-IR để đánh giá cấu trúc hóa học của lớp phủ PVA
- Phương pháp đo góc tiếp xúc giữa nước cất và bề mặt màng (Contact Angle) để đánh giá tính ưa nước của màng
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH PVA LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG UF – PVA
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ PVA trong dung dịch phủ lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với các loại màng có nồng độ PVA thay đổi nhƣ sau:
UF 0 Màng thương mại Polysulfone PSF–UF30
UF (Nhiệt) 0 Màng thương mại Polysulfone PSF–UF30 được xử lý nhiệt dùng làm mẫu trắng để so sánh với các loại màng UF-PVA
UF-PVA-0.025 0.025 Nồng độ acid malic 20%; số lần nhúng 2 lần; thời gian phủ lần 1: 10s, lần 2: 5s; nhiệt độ xử lý nhiệt:
80 o C; thời gian xử lý nhiệt: 10 phút
Phổ FTIR của màng UF thương mại và màng UF phủ dung dịch PVA với các nồng độ PVA lần lượt là 0.025g/L; 0.05g/L; 0.1g/L; 0.3g/L, tương ứng với các màng ký hiệu UF, UF-PVA-0.025, UF-PVA-0.05, UF-PVA-0.1, UF-PVA-0.3 Kết quả cho thấy các màng đƣợc phủ PVA xuất hiện mũi 1725 cm -1 (a), mũi này thể hiện sự dao động của nhóm -CO- trong nhóm chức ester [6] Nhƣ vậy, trên bề mặt màng đã xảy ra phản ứng nối mạng giữa PVA và tác nhân acid malic Mũi xuất hiện càng rõ và cường độ mũi càng cao chứng tỏ hiệu suất phản ứng liên kết nối mạng càng lớn Khi tăng nồng độ PVA từ 0.025 – 0.1g/L, phổ FTIR của màng biến tính không có sự thay đổi rõ ràng Điều này có thể do nồng độ của PVA và chất nối mạng acid malic trong dung dịch phủ còn thấp Tuy nhiên ở nồng độ PVA 0.3g/L với chất nối mạng acid malic tương ứng thì mũi 1725 cm -1 (a) thay đổi rõ ràng hơn
Trang 37 Hình 4 1Phổ FTIR của màng UF-Polysulfone, UF-PVA-0,025g/L, UF-PV-0,05g/L, UF- PVA-0,1g/L, UF-PVA-o,3g/L
Ngoài ra, màng UF – PVA 0,3g/L còn có các dải hấp thụ chính ở 2920 cm-1 (b) và 3200 – 3600 cm-1 (c) Dải hấp thụ tại 2920 cm-1 (b) thể hiện dao động của nhóm -CH2- trong mạch PVA, trong khi dải hấp thụ ở 3200 – 3600 cm-1 (c) biểu thị sự hiện diện của nhóm OH trên bề mặt màng [6].
Kết quả cũng cho phép dự đoán khi tăng nồng độ PVA sẽ làm tăng số lƣợng nhóm OH trên bề mặt màng
Màng UF sau khi biến tính sẽ đƣợc đánh giá độ thẩm thấu và trở lực màng Đây là 2 thông số cơ bản của màng Thông lượng nước thẩm thấu qua màng thể hiện tính thẩm thấu của màng, tuy nhiên thông lượng nước thẩm thấu qua màng lại phụ thuộc vào áp suất Do đó, độ thẩm thấu nước và trở lực màng là thông số thể hiện tính thẩm thẩu của màng phù hợp hơn Từ hình 4.2 có thể nhận thấy khi tăng nồng độ PVA trong dung dịch phủ thì trở lực của màng tăng đáng kể dẫn đến giảm độ thẩm thấu nước của màng
Trong khoảng nồng độ từ 0,025 g/L đến 0,1 g/L thì trở lực màng tăng không cao, có thể trong khoảng nồng độ này, PVA đã chui vào phủ các lỗ xốp của màng và chỉ một lớp phim PVA rất mỏng trên bề mặt màng Khi tiếp tục tăng nồng độ PVA từ 0,1 g/L – 0,3 g/L thì trở lực màng tăng mạnh, nên có thể nhận định ở khoảng nồng độ này lớp phim PVA xuất hiện rất dày trên bề mặt màng UF đƣợc biến tính
Hình 4 2 Ảnh hưởng của nồng độ PVA lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng đƣợc biến tính
Lớp phim PVA đƣợc hình thành trên bề mặt màng khi tăng nồng độ PVA đƣợc xác nhận thông qua tính ưa nước của bề mặt màng Với đặc tính ưa nước cao, lớp phim PVA sẽ làm giảm góc dính ướt và làm tăng tính ưa nước của màng so với màng UF-
Polysulfone Từ bảng 4.1, ta thấy góc dính ƣớt giảm từ 66,5 o (UF) đến 60,6 o (UF-PVA 0,025), không thay đổi đáng kể khi nồng độ PVA tăng lên 0,05 g/L; 0,1 g/L Và góc dính ƣớt giảm mạnh xuống 55,8 khi nồng độ PVA tăng lên 0,3 g/L Kết quả này có thể được giải thích dựa trên tăng số lượng gốc –OH (nhóm chức ưa nước) trên bề mặt
Trang 39 màng khi tăng nồng độ PVA [10], và tại các nồng độ PVA 0,025 g/L; 0,05 g/L; 0,1 g/L không có sự chênh lệnh nồng độ lớn nên góc dính ƣớt không thay đổi đáng kể
Bảng 4 1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch PVA lên tính ưa nước và khả năng chống tắc nghẽn của các loại màng UF – PVA
Loại màng Góc dính ƣớt
Thông lƣợng qua màng với nước cất;
Thông lƣợng qua màng với
J ws (L/m 2 h) Độ giảm thông lƣợng (%)
UF (nhiệt) 64,2 ± 3,10 83,3 ± 7,37 48,6 ± 2,01 42.4 UF – PVA 0,025 60,6 ± 4,96 39,4 ± 4,40 24,5 ± 1,04 37,7 UF – PVA 0,05 61,3 ± 3,60 36,0 ± 4,90 31,1 ± 1,03 13,6 UF – PVA 0,1 60,9 ± 3,13 23,0 ± 3,49 19,8 ± 0,33 14,0 UF – PVA 0,3 55,8 ± 3,32 7,29 ± 1,69 6,60 ± 0,31 8,77
Kết hợp kết quả từ hình 4.2 và bảng 4.1, thông lượng nước qua màng với dung dịch nhập liệu - nước cất (J w ) và thông lượng nước qua màng với dung dịch nhập liệu –
Alginate (J WS ) giảm khi nồng độ PVA tăng Nguyên nhân do trở lực của màng tăng như hình 4.2 Mặc dù, lớp phim PVA làm tăng tính ưa nước cho bề mặt màng, các phân tử nước được kéo về phía màng mạnh hơn, nhưng một số phân tử PVA chui vào các lỗ xốp làm tăng trở lực của màng Ngoài ra, khi nồng độ tăng làm tăng bề dày lớp phim PVA cũng làm tăng trở lực màng [11-14] Do đó, cần lựa chọn nồng độ và kỹ thuật phù hợp để có thể hình thành lớp phim PVA rất mỏng trên bề mặt màng Tuy thông lƣợng thẩm thấu giảm nhƣng góc dính ƣớt của bề mặt màng tăng, bề mặt màng ưa nước hơn, nó sẽ hình thành lớp màng nước trên bề mặt màng và có tác dụng giảm quá trình hấp phụ của các chất gây tắc nghẽn lên bề mặt màng [10-14] Khả năng chống tắc nghẽn của màng biến tính đƣợc đánh giá thông qua độ giảm thông lƣợng Độ giảm thông lƣợng càng thấp màng càng có khả năng chống tắc nghẽn tốt hơn Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng nồng độ PVA đến 0.05 g/L thì độ giảm thông lƣợng giảm mạnh (13,6%) so với màng thương mại (39,4%) Khi nồng độ PVA tăng lên 0,1 g/L; 0,3 g/L độ giảm thông lượng không tăng nhiều, nhưng thông lượng nước thẩm thấu lại giảm mạnh Do đó, nồng độ PVA 0,05 g/L đƣợc chọn là nồng độ phù hợp để hình thành lớp phim ưa nước trên bề mặt màng UF-Polysulfone
Kết quả khả năng chống tắc nghẽn của màng biến tính đƣợc trình bày rõ trong hình
4.3 Màng sẽ đƣợc thí nghiệm tắc nghẽn với dung dịch Alginate 1000ppm trong thời gian 6h Trong 2h đầu, độ giảm thông lƣợng rất mạnh nhƣng sau đó 2h tiếp theo thông lượng không giảm nhiều và ổn định sau 6h khảo sát Màng UF thương mại có độ sụt
Trang 40 giảm thông lượng nước qua màng cao nhất, thể hiện tính năng chống tắc nghẽn thấp nhất khi so sánh với các màng phủ PVA
Hình 4 3 Ảnh hưởng của nồng độ PVA lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ ACID MALIC LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA CÁC LOẠI MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất nối mạng Acid Malic trong dung dịch phủ lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với các loại màng có nồng độ Acid Malic thay đổi nhƣ sau:
% Acid Malic/PVA Ghi chú UF-20% 20% Nồng độ PVA 0.05g/L; số lần nhúng 2 lần; thời gian phủ lần 1: 10s, lần 2: 5s; nhiệt độ xử lý nhiệt: 80 o C; thời gian xử lý nhiệt: 10 phút
Acid Malic đƣợc sử dụng để liên kết, kết nối các chuổi phân tử PVA thành mạng lưới cố định trong cấu trúc của lớp phim PVA Lớp phim PVA được nối mạng sẽ cho độ bền khi tiếp xúc với nước, giảm sự trương nở Cấu trúc lớp phim PVA sẽ được phân thành 2 vùng: vùng đƣợc nối mạng – các chuỗi PVA đƣợc sắp xếp, liên kết với nhau và vùng còn lại – các chuỗi PVA kết nối bằng các liên kết vật lý Cấu trúc nối mạng của lớp phim PVA có thể sẽ ảnh hưởng đến trở lực và độ thẩm thấu của màng [6, 20] Trở lực và độ thẩm thấu của màng đƣợc trình bày trong hình 4.5, khi tăng nồng độ chất nối mạng acid malic, thì trở lực của màng tăng mạnh trong khoảng nồng độ acid từ 20 – 60% dẫn đến độ thẩm thấu nước của màng giảm đáng kể Tuy nhiên khi tăng nồng độ
UFUF - 0.025UF - 0.05UF - 0.1UF - 0.3
Trang 41 acid malic từ 60 – 80% thì trở lực và độ thẩm thấu của màng không thay đổi đáng kể
Khi nống độ aid malic 60% các chuổi phân tử PVA đã đƣợc liên kết, nối mạng với nhau gần nhƣ hoàn toàn nên khi tăng nồng độ acid malic 80% sẽ không có sự thay đổi đáng kể về cấu trúc của lớp phim PVA
Hình 4 4 Ảnh hưởng của nồng độ acid malic lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng đƣợc biến tính
Hình 4 5 Ảnh hưởng của nồng độ acid malic lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate
UF UF - PVA - acid malic 20%
Trang 42 Bảng 4 2 Ảnh hưởng của nồng độ acid malic lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA
Loại màng Góc dính ƣớt
Thông lƣợng qua màng với nước cất;
Thông lƣợng qua màng với
J ws (L/m 2 h) Độ giảm thông lƣợng
Kết quả thí nghiệm trong bảng 4.2 cho thấy góc dính ƣớt tăng khi tăng nồng độ acid malic Lƣợng acid malic tăng làm tăng số phân tử PVA phản ứng nối mạng nên sẽ làm giảm số lƣợng nhóm –OH tự do trên bề mặt màng [20] Do đó, góc dính ƣớt của bề mặt màng tăng lên và tính ưa nước giảm Tính ưa nước của bề mặt màng giảm là nguyên nhân độ giảm thông lƣợng của màng UF-40%, UF-60%, UF-80% cao hơn so với màng UF-20% Và kết quả là khả năng chống tắc nghẽn của các màng trên cũng giảm so với màng UF-20% acid malic Hơn nửa, các chuổi phân tử PVA tham gia phản ứng nhiều, liên kết nối mạng với nhau sẽ làm tăng trở lực màng và làm giảm thông lượng nước thẩm thấu qua màng [6, 20]
Kết quả khả năng chống tắc nghẽn của màng biến tính đƣợc trình bày trong hình
4.6 Màng sẽ đƣợc thí nghiệm tắc nghẽn với dung dịch Alginate 1000ppm trong thời gian 6h Trong 2h đầu, độ giảm thông lƣợng rất mạnh nhƣng sau đó 2h tiếp theo thông lƣợng không giảm nhiều và ổn định sau 6h khảo sát Màng UF-40%; UF-60%, UF-80% độ sụt giảm thông lượng nước qua màng ít hơn so với màng thương mại nhưng lại có độ sụt giảm thông lƣợng cao hơn so với màng UF-20% Do đó, nồng độ chất nối mạng acid malic 20% đƣợc chọn làm nồng độ nối mạng để khảo sát các yếu tố khác
ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NHÚNG MÀNG LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA CÁC MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng thời gian nhúng màng lên khả năng chống tắc nghẽn màng được tiến hành với các màng có thời gian nhúng khác nhau trong lần nhúng đầu tiên.
Thời gian nhúng màng Ghi chú
UF-5s-5s 5s Nồng độ PVA 0,05g/L; nồng độ acid malic 20%; số lần nhúng 2 lần; thời gian phủ lần 2: 5s; nhiệt độ xử lý nhiệt: 80 o C; thời gian xử lý nhiệt: 10 phút
Thời gian nhúng màng ảnh hưởng đến tính chất màng UF biến tính Khi thời gian nhúng tăng, nồng độ PVA thẩm thấu sâu vào lỗ xốp màng tăng, đồng thời lớp phim PVA bề mặt màng cũng dày lên Điều này dẫn đến trở lực màng tăng đáng kể, gây sụt giảm độ thẩm thấu qua màng.
Hình 4 6 Ảnh hưởng của thời gian nhúng màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng đƣợc biến tính
Trang 44 Bảng 4 3 Ảnh hưởng của thời gian nhúng lên tính ưa nước và khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA
Loại màng Góc dính ƣớt
Thông lƣợng qua màng với nước cất;
Thông lƣợng qua màng với
J ws (L/m 2 h) Độ giảm thông lƣợng (%)
Bảng 4.3 cho thấy thời gian nhúng màng tăng lên, thông lượng nước thẩm thấu qua màng ban đầu giảm xuống nhưng tính ưa nước của bề mặt màng không được cải thiện
Trở lực của màng tăng lên do PVA chui vào lỗ xốp và lớp phim PVA tăng bề dày khi tăng thời gian nhúng màng nên sẽ làm giảm độ thấm thấu Kết quả dẫn đến thông lƣợng dòng thẩm thấu qua màng giảm Đối với góc dính ƣớt của bề mặt màng thay đổi không đáng kể theo thời gian nhúng màng Do số lƣợng gốc –OH trên bề mặt màng không thay đổi khi tăng thời gian nhúng [6] Điều đó cho thấy thời gian nhúng màng tăng lên chỉ làm tăng khả năng PVA khóa lỗ xốp bên trong màng Tuy nhiên thời gian nhúng màng ảnh hưởng đến khả năng chống tắc nghẽn của màng Tăng thời gian nhúng màng dẫn đến dung dịch PVA bám đều lên bề mặt màng và làm giảm độ gồ ghề của bề mặt màng [6, 11] Do đó, màng sẽ thể hiện khả năng chống tắc nghẽn tốt với thời gian nhúng màng tăng Tuy nhiên, khi tăng thời gian nhúng màng từ 10s đến 15s và 30s, độ sụt giảm thông lƣợng không thay đổi đáng kể (hình 4.7) Hay nói cách khác, thời gian nhúng 10s là thời gian đủ để dung dịch PVA bám đều lên bề mặt màng Kết hợp hai yếu tố độ thẩm thấu nước của màng và hiệu quả chống tắc nghẽn của màng cho thấy thời gian nhúng màng trong dung dịch PVA 10s là phù hợp để biến tính màng lọc UF Thời gian nhúng 10s sẽ được cố định để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tiếp theo
Trang 45 Hình 4 7 Ảnh hưởng của thời gian nhúng màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate
ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LẦN NHÚNG MÀNG LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA CÁC MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với các loại màng có số lần nhúng màng thay đổi nhƣ sau:
Số lần nhúng Ghi chú
UF-10s 1 lần Nồng độ PVA 0,05g/L; nồng độ acid malic 20%; thời gian phủ lần 1: 10s; lần 2:
5s; lần 3: 5s; nhiệt độ xử lý nhiệt: 80 o C; thời gian xử lý nhiệt: 10 phút
Hình 4.8 trình bày ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên độ thẩm thấu (A) và trở lực của màng UF đƣợc biến tính Qua đồ thị có thể nhận thấy với số lần nhúng màng là 2 thì trở lực của màng tăng nhẹ dẫn đến độ thẩm thấu nước của màng giảm nhẹ
Lý do của lần phủ thứ nhất là lớp PVA trên bề mặt màng chưa bám dày mà chủ yếu là thẩm thấu vào các lỗ xốp của màng Lớp phủ thứ hai nhằm che phủ hết những phần bề mặt màng UF chưa có lớp PVA bao phủ Đến lần phủ thứ ba thì trở lực màng tăng đáng kể khiến độ thẩm thấu của nước giảm mạnh, chứng tỏ độ dày của lớp màng tăng khi tăng số lần nhúng phủ [6,20].
UF - PVA nhúng 10s UF - PVA nhúng 15s
Trang 46 Hình 4 8 Ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng đƣợc biến tính
Khả năng chống tắc nghẽn của màng UF - PVA khi tiếp xúc với chất gây tắc nghẽn alginate được đánh giá trong 4 giờ đầu Sau thời gian này, thông lượng nước qua màng không thay đổi, cho thấy màng có khả năng chống tắc nghẽn tốt Góc tiếp xúc với nước của bề mặt màng giảm nhẹ sau mỗi lần nhúng, biểu thị tính ưa nước của bề mặt màng tăng nhẹ khi số lần nhúng tăng lên.
Bảng 4 4 Ảnh hưởng của số lần nhúng lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA
Loại màng Góc dính ƣớt
Thông lƣợng qua màng với nước cất;
Thông lƣợng qua màng với
J ws (L/m 2 h) Độ giảm thông lƣợng
UF thương mại 66,5 ± 3,9 86,9 ± 5,6 52,7 ± 1,25 39,4 UF – 10s 62,5 ± 4,5 40 ± 1,9 29,1 ± 1,1 27,3 UF – 10s – 5s 61,3 ± 3,6 36 ± 4,9 31,1 ± 1 13,6 UF – 10s – 5s – 5s 60,1 ± 4,6 20,7 ± 1,6 18,7 ± 0,2 10,2
Dựa trên bảng số liệu 4.4, nhận thấy rằng tăng số lần nhúng màng trong dung dịch PVA làm cho thông lượng nước qua màng ban đầu giảm xuống, tính ưa nước của bề mặt màng tăng nhẹ Kết quả là làm tăng khả năng chống tắc nghẽn của màng Điều này chứng tỏ lƣợng PVA hấp thụ cố định trên bề mặt màng trong lần nhúng đầu tiên, còn những lần nhúng tiếp theo PVA bám vào những khu vực gồ ghề trên bề mặt màng làm cho nó trở nên bằng phẳng hơn [6, 20] Do đó tác nhân gây tắc nghẽn khó bám trên trên bề mặt bằng phẳng hơn và tính ưa nước của màng cao hơn Từ đó sẽ cố định
Trang 47 số lần nhúng là 2, thời gian nhúng lần lượt là 10s – 5s để khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện phủ màng khác
Hình 4 9 Ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate
ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với các loại màng có nhiệt độ xử lý nhiệt thay đổi nhƣ sau:
Nhiệt độ xử lý nhiệt Ghi chú UF-80 o C 80 o C Nồng độ PVA 0,05g/L; nồng độ acid malic 20%; số lần nhúng: 2 lần; thời gian nhúng lần 1: 10s; lần 2: 5s; thời gian xử lý nhiệt: 10 phút
Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt lên độ thẩm thấu (A) và trở lực của màng UF đƣợc biến tính Qua đồ thị có thể nhận thấy khi tăng nhiệt độ xử lý nhiệt màng thì trở lực của màng tăng mạnh dẫn đến sự sụt giảm mạnh độ thẩm thấu nước của màng Nguyên nhân là khi tăng nhiệt độ xử lý nhiệt sẽ làm đẩy nhanh quá trình phản ứng nối mạng tạo liên kết ester giữa PVA và acid malic Ngoài ra, tác động của nhiệt độ cao còn tạo ra các liên kết hidro giữa các nhóm hydroxyl, tạo ra các vùng tinh thể trong cấu trúc lớp phim PVA Các liên kết này làm giảm độ linh động của mạch phân tử PVA, dẫn đến làm tăng trở lực màng và làm giảm độ thẩm thấu nước của màng [20] Điều này còn được chứng minh thông qua tính ưa nước của màng giảm
UF UF- PVA số lấn nhúng 1
UF- PVA số lấn nhúng 2 UF- PVA số lấn nhúng 3
Trang 48 xuống nhƣ thể hiện ờ bảng 4.5 Số lƣợng nhóm chức carboxylic và hydroxyl đặc trƣng cho tính ưa nước của màng UF giảm nên góc thấm ướt tăng lên Đây là nguyên nhân dẫn đến độ sụt giảm thông lƣợng của màng UF-PVA giảm xuống khi tăng nhiệt độ xử lý nhiệt Ngoài ra quá trình tăng nhiệt độ xử lý nhiệt còn làm co ngót lỗ xốp của lớp màng UF, làm giảm kích thước lỗ xốp, làm tăng trở lực màng và giảm độ thẩm thấu của nước qua màng nên thông lượng dòng thẩm thấu qua màng cũng giảm tương ứng
Hình 4 10 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng đƣợc biến tính
Bảng 4 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA
Loại màng Góc dính ƣớt
Thông lƣợng qua màng với nước cất;
Thông lƣợng qua màng với
J ws (L/m 2 h) Độ giảm thông lƣợng (%)
UF thương mại 66,5 ± 3,9 86,9 ± 5,6 52,7 ± 1,25 39,4 UF – 80 o C 61,3 ± 3,6 36 ± 4,9 31,1 ± 1,01 13,6 UF – 100 o C 62 ± 3,7 24,6 ± 3,4 19,7 ± 0,52 19,8 UF – 120 o C 66,6 ± 2,9 22,5 ± 3,9 18,6 ± 0,46 17,2 UF – 140 o C 66,8 ± 3,6 16,6 ± 3,2 13,1 ± 0,61 21,2
Kết quả khảo sát khả năng chống tắc nghẽn của màng UF – PVA với tác nhân gây tắc nghẽn là alginate đƣợc thể hiện trong bảng 4.5 và hình 4.11 Khi tăng nhiệt độ xử lý nhiệt màng thì góc dính ƣớt của bề mặt màng tăng nhanh, làm bề mặt màng giảm tính ưa nước Nguyên nhân là do nhiệt độ đẩy nhanh quá trình xảy ra phản ứng nối mạng
Hiệu suất phản ứng nối mạng càng cao làm cho nhóm OH trên bề mặt màng giảm xuống, alginate dễ dàng bám trên bề mặt màng hơn, giảm khả năng chống tắc nghẽn của màng [10-14] Kết quả cho thấy nhiệt độ xử lý nhiệt là 80 o C là thích hợp để biến tính màng có độ thẩm thấu nước phù hợp và khả năng chống tắc nghẽn màng tốt Nhiệt độ xử lý nhiệt này sẽ đƣợc cố định cho các thí nghiệm sau
Hình 4 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate
ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN XỬ LÝ NHIỆT LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt lên hiệu quả chống tắc nghẽn màng đƣợc thực hiện với các loại màng có thời gian xử lý nhiệt thay đổi nhƣ sau:
Thời gian xử lý nhiệt Ghi chú
UF-5’ 5 phút Nồng độ PVA 0,05g/L; nồng độ acid malic 20%; số lần nhúng: 2 lần; thời gian nhúng lần 1: 10s; lần 2: 5s; nhiệt độ xử lý nhiệt: 80 o C;
UF UF - PVA sấy 80 oC
UF - PVA sấy 100 oC UF - PVA sấy 120 oCUF - PVA sấy 140 oC
Từ hình 4.12 ta nhận thấy khi tăng thời gian xử lý nhiệt màng thì trở lực màng tăng và độ thẩm thấu của màng giảm Nguyên nhân là do khi xử lý nhiệt màng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài phản ứng nối mạng của lớp phim PVA đã xảy ra triệt để Sự co ngót lỗ xốp của lớp màng UF polysulfone là nguyên nhân chủ yếu làm tăng trở lực màng và giảm độ thẩm thấu nước qua màng [10,13,20] Kết quả góc tiếp xúc nước cất và màng cũng cho thấy xu hướng này
Hình 4 12 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng đƣợc biến tính
Kết quả đánh giá khả năng chống tắc nghẽn của màng tạo thành với tác nhân gây tắc nghẽn là alginate đƣợc thể hiện trong bảng 4.6 và hình 4.13 Từ kết quả có thể thấy được khi tăng thời gian xử lý nhiệt, tính ưa nước của màng giảm không đáng kể Tuy nhiên sự co rút lỗ xốp của màng UF và cấu trúc nối mạng chặt chẽ của lớp phim PVA làm giảm độ thẩm thấu của màng Phản ứng nối mạng xảy ra triệt để hơn làm cho nhóm OH trên bề mặt màng giảm xuống, alginate dễ dàng bám trên bề mặt màng hơn, giảm khả năng chống tắc nghẽn của màng [10-14] Khi thời gian xử lý nhiệt tăng từ 5 phút, 10 phút, 15 phút, độ sụt giảm thông lƣợng giảm từ màng UF-5’ so với màng UF- 10’ nhƣng màng UF-15’ lại cho độ sụt giảm thông lƣợng cao hơn so với màng UF-10’
Màng UF-10’ có khả năng chống tắc nghẽn tốt nhất do cấu trúc màng ổn định hơn Khi xử lý nhiệt 5 phút, phản ứng nối mạng chưa diễn ra triệt để nên cấu trúc lớp PVA chưa ổn định Trong 2 giờ xử lý ban đầu, thông lượng qua màng UF-10’ và UF-5’ không chênh lệch đáng kể Tuy nhiên, sau đó, bề mặt chưa ổn định của màng UF-5’ dễ bị alginate hấp phụ, làm tăng độ sụt giảm thông lượng.
Trang 51 nhiệt tăng 10 phút đến 15 phút, độ sụt giảm thông lƣợng tăng từ 13,6% đến 17,8% Điều này có thể giải thích do phản ứng nối mạng xảy ra triệt để hơn làm giảm số lƣợng nhóm chức –OH trên bề mặt màng và góc dính ướt tăng, tính ưa nước của bề mặt màng giảm nên màng dễ bị tắc nghẽn hơn [23]
Bảng 4 6 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA
Loại màng Góc dính ƣớt
Thông lƣợng qua màng với nước cất;
Thông lƣợng qua màng với
J ws (L/m 2 h) Độ giảm thông lƣợng (%)
Hình 4 13 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate
UF - PVA sấy 10' UF - PVA sấy 15'
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI THÔNG LƢỢNG CỦA MÀNG LỌC UF-PVA SAU KHI VỆ SINH MÀNG BẰNG NƯỚC VÀ HÓA CHẤT
Thí nghiệm khảo sát khả năng phục hồi thông lƣợng của màng lọc UF-PVA sau khi vệ sinh màng bằng nước và hóa chất được thực hiện và so sánh với màng UF thương mại nhƣ sau:
UF Màng thương mại Vệ sinh màng sau khi tắc nghẽn gây bởi Alginate 1000ppm
Lần 1: vệ sinh bằng nước Lần 2: vệ sinh bằng nước Lần 3: vệ sinh bằng hóa chất EDTA 2g/L, pH.5 Lần 4: vệ sinh bằng hóa chất EDTA 2g/L, pH.5 UF-PVA-0.05 g/L Nồng độ PVA 0,05g/L; nồng độ acid malic 20%; số lần nhúng: 2 lần; thời gian nhúng lần 1: 10s; lần 2: 5s; nhiệt độ xử lý nhiệt:
80oC; thời gian xử lý nhiệt: 10 phút
Hình 4 14 Độ sụt giảm thông lượng của màng UF-PVA 0,05 g/L và màng UF thương mại với nồng độ dung dịch nhập liệu Alginate 1000ppm
Mức độ tắc nghẽn sau các lần vệ sinh màng đƣợc thể hiện trong hình 4.18 cho thấy màng UF-PVA cho độ giảm thông lượng ít hơn so với màng UF thương mại như đã trình bày trong các khảo sát trên Độ phục hồi thông lƣợng của màng đƣợc đánh giá thông qua bảng 4.7 cho thấy quá trình vệ sinh màng bằng nước chỉ loại được các chất
Vệ sinh bằng hóa chất
Vệ sinh bằng hóa chất
Trang 53 gây tắc nghẽn bám trên bề mặt màng Các chất gây tắc nghẽn bít các lỗ xốp sẽ đƣợc loại bỏ một phần khi vệ sinh màng bằng hóa chất [18, 21] Sau khi vệ sinh màng bằng nước lần 1, thông lượng được phục hồi 1 phần và độ phục hồi thông lượng giảm sau khi vệ sinh màng bằng nước lần 2 Tuy nhiên, sau khi vệ sinh màng bằng hóa chất, độ phục hồi thông lƣợng tăng lên Kết quả bảng 4.7, màng UF-PVA cho khả năng phục hồi thông lƣợng (%R) theo công thức (3.2) và tỉ lệ các chất tắc nghẽn thuận nghịch, được loại bỏ (nRF) theo công thức (3.3) cao hơn so với màng thương mại Bề mặt màng ưa nước không những giảm sự hấp phụ các chất gây tắc nghẽn lên bề mặt màng mà phần hấp phụ, bám trên bề mặt màng cũng dễ dàng đƣợc loại bỏ hơn Do đó, tỉ lệ các chất tắc nghẽn thuận nghịch đƣợc loại bỏ (nRF) của màng UF-PVA cao hơn so với màng UF thương mại Ngoài ra, độ thẩm thấu và trở lực màng sau các lần vệ sinh màng cũng được đánh giá trong bảng 4.8 Tương ứng với độ phục hồi thông lượng, độ thẩm thấu của màng sau khi vệ sinh màng bằng nước lần 1 cao hơn so với sau khi vệ sinh màng bằng nước lần 2 Và độ thẩm thấu sau khi vệ sinh màng bằng hóa chất sẽ cao hơn so với độ thẩm thấu sau khi vệ sinh màng bằng nước
Bảng 4 7 Độ phục hồi thông lƣợng và tỉ lệ các chất tắc nghẽn đƣợc loại bỏ
UF Vệ sinh bằng nước lần 1 0,625 0,250
Vệ sinh bằng nước lần 2 0,581 0,194
Vệ sinh bằng hóa chất lần 1 0,714 0,460 Vệ sinh bằng hóa chất lần 2 0,676 0,386
Vệ sinh bằng nước lần 1 0,897 0,583
Vệ sinh bằng nước lần 2 0,813 0,339
Vệ sinh bằng hóa chất lần 1 0,871 0,570 Vệ sinh bằng hóa chất lần 2 0,836 0,464
Bảng 4 8 Độ thẩm thấu và trở lực màng
Vệ sinh bằng nước lần 1 3,71E-11 3,03E+13 Vệ sinh bằng nước lần 2 3,66E-11 3,07E+13 Vệ sinh bằng hóa chất lần 1 4,33E-11 2,60E+13 Vệ sinh bằng hóa chất lần 2 3,87E-11 2,90E+13
Vệ sinh bằng nước lần 1 1,97E-11 5,71E+13 Vệ sinh bằng nước lần 2 1,82E-11 6,16E+13 Vệ sinh bằng hóa chất lần 1 2,163E-11 5,19E+13 Vệ sinh bằng hóa chất lần 2 2,08E-11 5,41E+13