Nghiên cứu trùng hợp ghép quang hóa biến tính bề mặt màng lọc polyamit và đánh giá một số đặc tính của màng

Trong đề tài luận văn “Nghiên cứu trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng lọc polyamit và đánh giá một số đặc tính của màng “, bề mặt màng lọc composit polyamit Filmtec BW30 được nghiên cứ

LỜI CẢM ƠN

Tr

ước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Thị Dung, ThS Ngô

Hồng Ánh Thu đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện khóa luận này

T

ôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các anh chị và các bạn công tác tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu màng lọc, phòng thí nghiệm Hóa môi trường, Bộ môn Công nghệ Hóa học – Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN

đã động viên và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện khóa luận

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm 2014

Sinh viên

Phạm Thị Hậu

NGUYỄN THỊ MINH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU TRÙNG HỢP GHÉP QUANG HÓA BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG LỌC POLYAMIT VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA MÀNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

NGUYỄN THỊ MINH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU TRÙNG HỢP GHÉP QUANG HÓA BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG LỌC POLYAMIT VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA MÀNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Dung

Hà Nội -2015

Luận văn tốt nghiệp đề tài: “Nghiên cứu trùng hợp ghép quang hóa biến tính

bề mặt màng lọc polyamit và đánh giá một số đặc tính của màng” được thực hiện

tại Phòng thí nghiệm Màng lọc, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQG Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Thị Dung và NCS.ThS Ngô Hồng Ánh Thu, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc Gia NAFOSTED đã hỗ trợ kinh phí cho nghiên cứu này, trong khuôn khổ đề tài NCCB

mã số 104.02-2013.42

Tôi xin cảm ơn các bạn trong phòng thí nghiệm màng lọc đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Minh Phương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu chung về màng lọc và phương pháp tách bằng màng 2

1.1.1 Các quá trình màng dùng động lực áp suất 2

1.1.2 Cơ chế tách qua màng 4

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng 5

1.1.4 Hiện tượng fouling (tắc màng) và các yếu tố ảnh hưởng 7

1.2 Biến tính bề mặt màng lọc 8

1.2.1 Giảm thiểu fouling bằng phương pháp biến tính bề mặt màng 8

1.2.2 Các phương pháp biến tính bề mặt màng lọc 10

1.2.3 Trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng lọc dưới bức xạ tử ngoại 12

1.2.3.1 Trùng hợp ghép quang UV từ trên xuống 13

1.2.3.2 Trùng hợp ghép quang UV từ dưới lên 13

1.3 Màng lọc compozit polyamit 15

1.4 Axit humic 16

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn 17

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Hóa chất, dụng cụ, và thiết bị 18

2.1.1 Hóa chất 18

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 18

2.2.1 Trùng hợp ghép quang hóa biến tính bề mặt màng 20

2.2.2 Đánh giá đặc tính màng lọc 22

2.2.2.1 Đánh giá tính năng lọc của màng 22

2.2.2.2 Đánh giá đặc tính bề mặt của màng 24

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ axit humic trong nước 27

3.2 Trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng BW30 với poly(etylen)glycol 28

3.2.1 Đặc tính bề mặt màng trùng hợp ghép với PEG 28

3.2.1.1 Phổ hồng ngoại phản xạ 28

3.2.1.2 Ảnh chụp AFM 31

3.2.1.3 Độ thấm nước của màng 32

3.2.2 Tính năng lọc tách axit humic 33

3.2.2.1 Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép PEG dưới bức xạ UV 36

3.2.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ PEG 37

3.2.1.3 Khả năng chống tắc (antifouling) 39

3.3 Trùng hợp ghép quang hóa biến tính bề mặt màng với axit acrylic 41

3.3.1 Đặc tính bề mặt màng 41

3.2.2.1 Phổ hồng ngoại phản xạ 41

3.3.1.2 Ảnh chụp AFM 43

3.3.1.3 Độ thấm nước của màng 44

3.3.2 Tính năng lọc tách axit humic 45

3.2.2.3 Khả năng chống tắc (antifouling) 49

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Giới hạn tách của các loại màng lọc dùng động lực áp suất 4

Hình 1.2 Cấu tạo màng compozit lớp mỏng 16

Hình 1.3 Phản ứng trùng hợp qua bề mặt phân giới tạo màng TFC 17

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị lọc màng Osmonic 20

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thiết bị trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng 21

Hình 3.1 Đường chuẩn xác định hàm lượng axit humic (đo UV) 27

Hình 3.2 Đường chuẩn xác định hàm lượng axit humic (đo TOC) 27

Hình 3.3 Phổ hồng ngoại phản xạ của màng BW30 (unmodified) và màng trùng hợp ghép PEG600 trong các khoảng thời gian khác nhau (a) UV 1 phút, (b) UV 3 phút, (c) UV 5 phút, (d) UV 7 phút và (e) UV 10 phút 29

Hình 3.4 Phổ hồng ngoại phản xạ của màng nền BW30 và các màng trùng hợp ghép sử dụng các dung dịch PEG600 nồng độ (f) 10 g/L, (g) 20 g/L, (h) 30 g/L, (i) 40 g/L và (k) 50 g/L 30

Hình 3.5 Ảnh chụp AFM bề mặt màng BW30 và màng BW30- PEG 31

Hình 3.6 So sánh độ thấm nước (Jw/Jwo) của màng BW30 và các màng trùng hợp ghép với PEG 32

Hình 3.7 Tính năng tách lọc AH của màng BW30 và một số màng biến tính bằng trùng hợp ghép bề mặt với PEG 34

Hình 3.8 Lượng AH bị hấp phụ trên bề mặt màng sau khi lọc 35

Hình 3.9 Bề mặt màng sau khi lọc dung dịch AH 35

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép PEG dưới bức xạ UV 36

Hình 3.11 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch PEG 38

Hình 3.12 Mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian của màng 40

Hình 3.13 Hệ số FRw của màng BW30 và màng trùng hợp ghép với PEG 40

Hình 3.14 Phổ hồng ngoại phản xạ của màng BW30 và màng trùng hợp ghép với AA: (a) 1min, (b) 3min, (c) 5min, (d) 10 g/L, (e) 30 g/L and (f) 50 g/L 42

Hình 3.15 Ảnh chụp AFM bề mặt màng BW30 màng trùng hợp ghép với AA 43

Hình 3.16 So sánh độ thấm nước của màng BW30 và các màng BW30-AA 44

Hình 3.17 Tính năng lọc tách AH của màng BW30 và một số màng BW30-AA 45 Hình 3.18 So sánh lượng AH bị hấp phụ trên bề mặt màng sau khi lọc 46

Hình 3.19 Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép AA dưới bức xạ UV 47

Hình 3.20 Ảnh hưởng của nồng độ axit acrylic trong dung dịch 48

Hình 3.21 So sánh mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian của màng 49

Hình 3.22 Hệ số FRw của màng BW30 và màng trùng hợp ghép với AA 50

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh giữa vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược 4 Bảng 3.1 Độ thô nhám bề mặt màng trước và sau khi trùng hợp ghép với PEG 31 Bảng 3.2 Giá trị góc thấm ướt của màng BW30 và màng BW30-PEG 32 Bảng 3.3 Độ thô nhám bề mặt màng trước và sau khi trùng hợp ghép với AA 43 Bảng 3.4 Giá trị góc thấm ướt của màng BW30 và màng BW30-AA 44

MỞ ĐẦU

Màng lọc là loại vật liệu được sử dụng cho quá trình tách các hỗn hợp đồng thể hoặc dị thể Màng lọc được đặt giữa hai pha – pha đi vào và pha thấm qua, tùy thuộc loại màng sử dụng, màng có khả năng tách được các cấu tử có kích thước khác nhau, từ cỡ hạt tới ion Kỹ thuật lọc màng có nhiều ưu điểm trong sản xuất nước sạch và xử lý nước ô nhiễm, nước sau khi xử lý bằng màng có thể tái sử dụng, không phát sinh chất thải thứ cấp

Xuất phát từ nhu cầu và đối tượng lọc khác nhau ngày càng đa dạng, các loại màng lọc cũng như phương pháp chế tạo màng được liên tục nghiên cứu và cải tiến, nhằm nâng cao tính năng tách và hiệu quả của các quá trình màng

Bên cạnh việc nghiên cứu chế tạo vật liệu màng lọc mới thì việc nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu màng sẵn có cũng là một vấn đề đã và đang thu hút được nhiều quan tâm, do những ưu điểm của phương pháp này Việc biến tính bề mặt màng có thể làm thay đổi các đặc tính bề mặt như tính ưa nước, độ thô nhám hay điện tích bề mặt vv , làm tăng năng suất lọc và khả năng chống tắc mà không làm thay đổi tính chất hay cấu trúc bên trong của vật liệu màng

Trong đề tài luận văn “Nghiên cứu trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng lọc polyamit và đánh giá một số đặc tính của màng “, bề mặt màng lọc composit

polyamit Filmtec BW30 được nghiên cứu biến tính bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa với poly(etylen)glycol và axit acrylic, dùng phương pháp ngâm chìm dưới bức xạ UV Ảnh hưởng của quá trình trùng hợp ghép đến một số đặc tính của màng được đánh giá và so sánh, với đối tượng lọc tách là axit humic trong nước

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về màng lọc và phương pháp tách bằng màng

1.1.1 Các quá trình màng dùng động lực áp suất [11, 20]

Các quá trình màng động lực áp suất chủ yếu gồm: vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược Việc phân chia các quá trình màng dựa theo kích thước lỗ của màng và cũng chỉ mang tính tương đối Sản phẩm của quá trình lọc màng gồm hai phần: dịch lọc và dịch lưu giữ Quá trình màng có thể sử dụng để làm sạch dung môi hay làm đậm đặc một dung dịch hoặc phân tách một hỗn hợp

Màng vi lọc

Màng vi lọc có thể là màng đối xứng hoặc bất đối xứng, kích thước lỗ màng trong khoảng 0.05 đến 10 m Vật liệu để chế tạo màng là các loại polyme như PTFE, teflon, PVDF, PP, PE, PES,… hoặc vật liệu vô cơ như Al2O3, ZrO2, TiO2 Màng vi lọc (MF) dùng để loại bỏ các thành phần có kích thước tương đối lớn như chất lơ lửng, mảnh tế bào Màng vi lọc thường được dùng để lọc làm sạch nước đơn giản ở các công đoạn cuối, lọc nước ép trái cây, sữa, rượu vang, bia và dược phẩm Màng vi lọc có thể làm việc ở áp suất tương đối thấp, từ 1 đến 5 bar

Màng siêu lọc

Siêu lọc (UF) là quá trình dùng để lọc tách các thành phần có kích thước nhỏ hơn so với vi lọc như dầu, hydroxit kim loại, chất keo, nhũ tương, vi khuẩn, các phân tử lớn trong nước và dung dịch Màng siêu lọc có kích thước lỗ bề mặt phổ biến trong khoảng từ 10 đến 100 nm Vật liệu chế tạo màng là một số loại polyme như polysulfone, Polyethersulfone, Poly(vinylidende flouride), Polyacrylonitrile, cellulose acetate, Polyimit … Ngoài ra, một số vật liệu vô cơ (ceramic) cũng được

sử dụng để chế tạo màng siêu lọc, đặc biệt là Al2O3 và ZrO2 Màng siêu lọc còn được dùng làm lớp đỡ cho màng composite dùng trong thẩm thấu ngược, lọc nano, tách khí Màng UF được ứng dụng trong lọc dầu, nước ép trái cây, sữa, sơn, dược

phẩm, rượu bia, nước giải khát Màng siêu lọc còn có ứng dụng trong xử lý nước thải của các ngành công nghiệp mạ điện, công nghiệp dệt nhuộm, công nghiệp giấy, công nghiệp sản xuất nước sạch và siêu sạch

Màng lọc Nano

Màng lọc Nano ( NF ) có kích thước lỗ nhỏ hơn 2nm, thường được sử dụng

để loại bỏ các muối tan, các chất hữu cơ khối lượng phân tử thấp, có thể loại bỏ virus và hầu hết các hợp chất hữu cơ tự nhiên (NOM) trong nước Các màng NF thường được dùng cho quá trình khử muối nước lợ, làm mềm nước cứng, loại bỏ thuốc trừ sâu, tách loại phẩm nhuộm, tách loại axit humic và các chất hữu cơ tự nhiên tan trong nước

Màng thẩm thấu ngược

Màng thẩm thấu ngược ( RO ) có kích thước lỗ vô cùng nhỏ, khoảng 0.0001

micron Màng RO được chia làm ba loại chính: desalination dùng cho tách nước

ngọt từ nước biển, nước lợ, tách muối trong dung dịch nước nồng độ 0.5 đến 5 wt%;

nanofiltration dùng cho tách loại muối trong nước có nồng độ 200- 5000 ppm; hyperfiltration thường dùng để tách các chất tan trong dung môi hữu cơ Ngoài việc

loại bỏ tất cả các chất hữu cơ và virus, màng RO có khả năng loại bỏ được hầu hết các ion, các khoáng chất có trong nước Màng RO được ứng dụng phổ biến trong khử muối, khử mặn, khử khoáng để sản xuất nước tinh khiết với tính kinh tế cao hơn nhiều so với phương pháp chưng cất

Từ vi lọc, siêu lọc, lọc nano tới thẩm thấu ngược, kích thước tiểu phân có thể được lưu giữ bởi màng giảm dần, trở khối của màng tăng dần, do đó động lực áp suất của quá trình tăng dần So sánh sự khác nhau giữa các loại màng được đưa ra ở Bảng 1.1 Giới hạn tách của các loại màng dùng động lực áp suất được biểu diễn trong Hình 1.1

Bảng 1.1 So sánh giữa vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược

Loại màng Đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng Bất đối xứng

Vật liệu Polyme, sợi

gốm…

Polymer, gốm…

Kích thước 0.05-10 µm 10-100 nm < 2 nm Vô cùng nhỏ

Áp suất (P) < 2 bar < 10 bar 15-25 bar > 25 bar

Cơ chế tách Sàng lọc Sàng lọc Hòa tan

Làm ngọt nước mặn, làm sạch nước ô nhiễm…

Hình 1.1 Giới hạn tách của các loại màng lọc dùng động lực áp suất

1.1.2 Cơ chế tách qua màng

Thuyết sàng lọc

Thuyết này cho rằng màng gồm nhiều mao quản có kích thước lỗ xác định Cấu tử nào có kích thước bé hơn kích thước mao quản thì sẽ vận chuyển qua màng,

còn cấu tử có kích thước lớn hơn thì bị giữ lại Thuyết này chỉ phù hợp để giải thích cho các quá trình siêu lọc và vi lọc

Thuyết hòa tan khuếch tán

Thuyết này cho rằng dưới động lực áp suất cao, dung môi và chất tan đều khuếch tán qua màng Các phân tử sau khi thẩm thấu vào màng sẽ khuếch tán, nhưng dòng khuếch tán chất tan và dòng khuếch tán dung môi khác nhau về tốc độ, tốc độ này tỉ lệ với hệ số khuếch tán của chúng trong màng Hệ số khuếch tán của dung môi càng lớn và của chất tan càng nhỏ thì quá trình tách càng hiệu quả Thuyết này cho thấy ảnh hưởng của vật liệu tạo màng đến hiệu quả tách

Thuyết mô hình mao quản

Thuyết này cho rằng màng bán thấm được cấu tạo từ nhiều mao quản, trên

bề mặt màng bán thấm và trong ống mao quản hình thành một lớp nước liên kết hấp phụ Do tác dụng của các lực hoá lý, lớp nước hấp phụ này đã mất đi một phần hay toàn bộ khả năng hoà tan chất tan, vì thế nó không cho chất tan đi qua các ống mao quản Nếu các ống mao quản có đường kính đủ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nước liên kết hấp phụ thì màng chỉ cho nước tinh khiết đi qua

Thuyết hòa tan khuếch tán và mô hình mao quản có thể dùng để giải thích cho các quá trình lọc nano và thẩm thấu ngược

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng

Sự phân cực nồng độ

Sự phân cực nồng độ là hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng

do dung môi vận chuyển được qua màng còn chất tan bị giữ lại Hiện tượng này làm cho lưu lượng của màng giảm xuống trong quá trình tách Khi sự phân cực nồng độ lớn thì chất tan có thể kết tủa trên bề mặt màng, đồng thời làm tăng vọt áp suất thẩm

thấu, do đó hiệu quả tách của màng giảm đi nhiều

Có nhiều cách có thể dùng để làm giảm sự phân cực nồng độ trên bề mặt màng như: cho dung dịch trượt trên bề mặt màng với tốc độ lớn hoặc tạo dòng xoáy Đối với thiết bị phòng thí nghiệm có thể tạo ra dao động rung hoặc khuấy để làm mất đi sự phân cực nồng độ trên bề mặt màng

Ảnh hưởng của áp suất làm việc

Áp suất làm việc ảnh hưởng nhiều đến quá trình tách bằng màng Đối với quá trình tách qua màng thẩm thấu ngược, khi áp suất tăng, lúc đầu lưu lượng lọc và

độ lưu giữ đều tăng nhưng khi đạt đến một áp suất nào đó thì độ lưu giữ R hầu như không thay đổi, trong khi lưu lượng lọc vẫn tăng theo áp suất Tuy nhiên, chỉ nên tăng áp suất tới một giá trị xác định, để bảo vệ màng và thiết bị

Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách

Trong dung dịch chất tan được sonvat hóa (hay còn gọi là hydrat hoá khi dung môi là nước) Các ion chất tan được bao bọc bởi hai lớp vỏ hydrat hóa gần và hydrat hóa xa Hydrat hóa gần là sự tương tác giữa chất tan với các phân tử nước ở gần nó, liên kết này khá bền nên các phân tử nước không chuyển động tự do mà gắn liền với ion chất tan Do tương tác tĩnh điện nên các phân tử nước ở lớp hyđrat thứ nhất có thể liên kết với các phân tử nước ở ngoài để thành lớp vỏ hydrat thứ hai, hiện tượng này gọi là hydrat hoá xa, tương tác này yếu hơn nên các phân tử nước ở lớp vỏ thứ hai không mất đi khả năng chuyển động tự do và tương đối linh động Ở vùng nồng độ loãng, các ion chất tan bị bao bọc bởi hai lớp vỏ hydrat, đồng thời trong dung dịch vẫn tồn tại các phân tử nước ở trạng thái tự do Nếu tăng nồng độ chất tan tới một giới hạn nào đó thì trong dung dịch không còn các phân tử nước ở trạng thái tự do nữa mà chỉ đủ để tạo thành hai hoặc một lớp vỏ hydrat Do hiện tượng hydrat hoá nên các ion chất tan bị giữ laị trên màng thẩm thấu ngược và lọc nano, trong khi nước hoặc dung môi có thể vận chuyển qua màng một cách dễ dàng

Đặc tính vật liệu màng lọc

Các tính chất của vật liệu màng lọc đóng vai trò quyết định đến hiệu quả tách của một quá trình màng Bên cạnh các đặc tính cấu trúc như kích thước lỗ, mật độ

lỗ, độ xốp, chiều dày thì bản chất của vật liệu màng lọc như tính ưa nước hay ưa dung môi cần lọc, độ bền nhiệt, bền hóa học, bền cơ học cũng là các yếu tố rất quan trọng [26] Ngoài ra, một trong những vấn đề hết sức có ý nghĩa đối với các quá trình lọc màng là khả năng chống tắc (fouling) của vật liệu màng Màng lọc tốt phải

có năng suất lọc tốt và độ lưu giữ cao, có khả năng chống tắc tốt, tuổi thọ cao và dễ làm sạch

1.1.4 Hiện tượng fouling (tắc màng) và các yếu tố ảnh hưởng [4, 6, 7, 12, 24, 32, 33]

Fouling là hiện tượng các chất được lưu giữ bởi màng bị hấp phụ trên bề mặt

và bên trong các lỗ xốp của màng trong quá trình lọc, làm cho năng suất lọc của màng bị giảm mạnh (tắc màng) theo thời gian Bản chất của đối tượng tách và các tính chất bề mặt màng như tính ưa nước, điện tích bề mặt và độ thô nhám có ảnh hưởng mạnh đến hiện tượng fouling xảy ra trong quá trình lọc

Tính ưa nước/ ưa dung môi

Tính ưa nước/ưa dung môi của màng ảnh hưởng đến năng suất lọc của màng Màng có tính ưa nước tốt thì năng suất lọc của màng đối với các dung dịch nước sẽ cao, đồng thời làm giảm sự tắc màng do sự hình thành các liên kết hydro trên bề mặt màng, các liên kết này tạo thành lớp nước liên kết, có thể ngăn cản hoặc làm giảm sự hấp phụ hay bám dính của chất bị lưu giữ bởi màng trong quá trình lọc

Độ thô nhám bề mặt

Độ thô nhám bề mặt màng có ảnh hưởng đến quá trình lọc, cấu trúc thô nhám của bề mặt màng sẽ tạo điều kiện thuận lợi hơn cho các cấu tử lưu giữ bám dính trên bề mặt Bề mặt màng càng trơn nhẵn thì sự bám phủ gây tắc màng sẽ xảy ra hơn với mức độ thấp hơn Do đó, làm giảm độ thô nhám bề mặt màng cũng là một trong những giải pháp hạn chế hiện tượng tắc màng trong quá trình lọc

Để có thể nâng cao tính năng tách lọc và giảm thiểu sự tắc màng, cần cải thiện được các tính chất bề mặt của màng như tính ưa nước, điện tích bề mặt và độ thô nhám Quá trình này có thể thực hiện bằng phương pháp biến tính bề mặt màng

1.2 Biến tính bề mặt màng lọc

1.2.1 Giảm thiểu fouling bằng phương pháp biến tính bề mặt màng

Gần đây, các quá trình màng động lực áp suất như thẩm thấu ngược (RO), lọc nano (NF), siêu lọc (UF) và vi lọc (MF) được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý nước, trong công nghệ sinh học, sản xuất dược phẩm cũng như nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, một trong những vấn đề thường gặp phải là sự tắc màng (fouling), làm giảm hiệu quả của các quá trình tách lọc dùng màng

Tắc màng (membrane fouling) là hiện tượng hết sức phức tạp và không được định nghĩa một cách chính xác Nói chung, khái niệm fouling được dùng để mô tả

sự kết phủ không mong muốn của các tiểu phân bị lưu giữ bởi màng, như các chất keo, các phân tử lớn, và các muối ở trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng Tùy thuộc vào quá trình màng và bản chất hóa học của các tiểu phân gây tắc màng (foulants), có thể phân biệt một vài kiểu fouling xảy ra trên màng, bao gồm fouling

vô cơ (cặn), fouling keo, fouling hữu cơ hay biofouling [14, 24]

Fouling gây bởi các chất vô cơ hay sự tạo thành cặn (scale) trên bề mặt màng

là do sự tăng nồng độ của một hay nhiều muối vô cơ khi hàm lượng vượt quá giới hạn độ tan của chúng và kết tủa trên bề mặt màng [32] Sự đóng cặn thường liên quan đến sự tạo thành kết tủa của các muối tan thuận nghịch như CaCO3, CaSO4.xH2O, và Ca3(PO4)2 Các tiểu phân có nguy cơ gây đóng cặn lớn nhất trong

quá trình lọc NF và RO là CaCO3 và CaSO4.2H2O, các tiểu phân tiềm năng khác là BaSO4, SrSO4, Ca3(PO4)2 và Fe(OH)3 [17]

Fouling keo gây bởi các tiểu phân keo và các hạt lơ lửng có kích thước trong khoảng vài nanomet đến vài micromet Ví dụ, các khoáng sét, muối silic và hydroxyt của các kim loại nặng Sự tăng nồng độ của các ion bị lưu giữ trên bề mặt màng tạo điều kiện cho sự kết tụ của các hợp chất hữu cơ không tan, ví dụ các chất hữu cơ tự nhiên (NOM), thành các hạt keo [29]

Với fouling hữu cơ, các chất hữu cơ trong nước, như protein, các hợp chất humic và polysaccarit là các chất gây tắc màng mạnh và bất thuận nghịch (khó rửa) trong các quá trình màng động lực áp suất [19] Các protein là thành phần gây tắc chủ yếu khi màng được sử dụng trong sản xuất dược phẩm, trong công nghệ sinh học và công nghiệp thực phẩm NOM và axit humic là tác nhân gây tắc hữu cơ chủ yếu khi màng được dùng để xử lý nước mặt, nước lợ và nước biển Các thành phần

kỵ nước của NOM, do bị hấp phụ mạnh trên bề mặt màng, là yếu tố chính gây ra sự suy giảm lưu lượng thấm qua màng, trong khi các thành phần ưa nước của NOM gây ảnh hưởng ít hơn đến sự tắc màng [9]

Biofouling là thuật ngữ dùng để mô tả tất cả các kiểu fouling trong đó có liên quan đến các chất hữu cơ hoạt động [15] Biofouling là một quá trình động lực học

do vi khuẩn chiếm lĩnh và phát triển, dẫn dến sự hình thành lớp màng vi khuẩn trên

bề mặt Thông thường, biofouling được khơi mào bởi sự bám dính của một hay vài kiểu vi khuẩn trên bề mặt màng và sau đó phát triển nhanh và nhân lên với sự có mặt của chất dinh dưỡng trong nước

Sự tắc màng có thể được kiểm soát bằng cách lựa chọn các vật liệu màng thích hợp, điều chỉnh các điều kiện thực hiện quá trình lọc màng và lựa chọn các điều kiện tiền xử lý tốt nhất [30, 34] Tuy nhiên, tất cả các giải pháp này nói chung không đủ hiệu quả với hiện tượng fouling Khi fouling tiến triển, lưu lượng qua màng giảm mạnh, áp suất làm việc tăng và do đó cần tiêu hao năng lượng Thông thường, việc rửa màng được áp dụng để loại bỏ chất gây tắc và phục hồi năng suất

lọc cho màng, tuy nhiên, việc rửa màng nhiều lần sẽ làm giảm tuổi thọ của màng và trong nhiều trường hợp, fouling là bất thuận nghịch và đến một mức độ nào đó thì phải thay thế màng

Gần đây, người ta đi đến thống nhất rằng sự tắc màng gây ra bởi các hợp chất hữu cơ và các vi sinh vật chủ yếu phụ thuộc vào các tác nhân có khả năng hấp phụ lên bề mặt màng, bị ảnh hưởng bởi các tương tác kỵ nước, liên kết hydro, tương tác van der van [19] Do đó, khuynh hướng chính để giảm fouling là ngăn chặn sự hấp phụ hay sự bám dính không mong muốn giữa chất gây tắc (foulant) và vật liệu màng để hạn chế hoặc giảm thiểu quá trình fouling Điều này có thể thực hiện được bằng cách biến tính bề mặt màng, do lớp hoạt động (top layer) của màng đóng vai trò quan trọng trong các tương tác fouling cũng như quyết định hiệu quả lọc tách của toàn bộ quá trình màng

1.2.2 Các phương pháp biến tính bề mặt màng lọc

Bề mặt vật liệu màng lọc có vai trò rất quan trọng quyết định chất lượng màng Bề mặt màng thường dễ bị hư hỏng bởi các tương tác vật lý, hóa học với môi trường làm việc [8] Để có được vật liệu màng lọc với các đặc tính bề mặt mong muốn và phù hợp với mục đích sử dụng, người ta đã tìm cách biến tính bề mặt màng lọc Phương pháp biến tính bề mặt có rất nhiều ưu điểm: giúp cải thiện được tính chất bề mặt vật liệu màng mà không gây ảnh hưởng đến các tính chất bên trong của vật liệu, không cần phải chế tạo vật liệu hoàn toàn mới mà vẫn có được bề mặt vật liệu với tính chất mong muốn; hơn nữa còn giảm bớt chi phí vì chỉ cần tác động lên bề mặt mà không phải thay đổi toàn bộ vật liệu

Đối với vật liệu màng lọc nói chung, tính năng tách của màng được quyết định bởi lớp bề mặt, việc thay đổi đặc tính lớp bề mặt sẽ tác động mạnh đến hiệu quả của toàn bộ quá trình tách qua màng Do đó, việc nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu màng lọc là một giải pháp hữu ích, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao tính năng tách cho màng

Hiện nay, có khá nhiều phương pháp biến tính bề mặt vật liệu nói chung và màng lọc polyme nói riêng đang được nghiên cứu và phát triển, nhưng có thể chia thành các nhóm chính là: phương pháp vật lý – hóa học; phương pháp cơ học và phương pháp sinh học Trong đó, đa dạng và phổ biến nhất là phương pháp vật lý –

hóa học, phương pháp này gồm: kỹ thuật pha khí – vật liệu được xử lý trong các

môi trường khí chứa các phần tử hoạt động (gốc tự do, electron, các phân tử bị kích

thích) hay dưới các bức xạ điện từ [16] (tia UV, tia γ, điện quang); kỹ thuật pha

lỏng và khối – bao gồm các kỹ thuật tạo lớp phủ vật lý hoặc thực hiện các phản ứng

hóa học trên bề mặt vật liệu; và kỹ thuật trùng hợp ghép bề mặt

Kỹ thuật trùng hợp ghép bề mặt là một trong các phương pháp đang được quan tâm nghiên cứu và là một kỹ thuật rất hữu ích để tạo được màng lọc có độ fouling thấp, dùng để tách protein và các chất hữu cơ trong dung dịch Về nguyên tắc, phương pháp này có khả năng đưa vào bề mặt màng các nhóm chức ưa hoặckỵ nước Đối với các bề mặt polyme kỵ nước, kỹ thuật trùng hợp ghép có thể làm tăng tính ưa nước cho bề mặt vật liệu bằng cách đưa vào các nhóm chức có tính chất ưa nước (ví dụ nhóm hydroxyl, cacboxylic, amin…) Trong một số trường hợp đặc biệt, tính kỵ nước của bề mặt lại cần được tăng cường, điều này có thể thực hiện bằng cách đưa vào bề mặt màng các nhóm chức có tính chất kỵ nước Kỹ thuật trùng hợp ghép có thể thực hiện trong pha lỏng hoặc pha hơi Quá trình trùng hợp ghép có thể tiến hành qua một bước hay còn gọi là phương pháp đồng hành, nghĩa

là sự trùng hợp xảy ra khi có mặt đồng thời cả monome và chất khơi mào, hoặc có thể tiến hành qua hai bước: trước hết các vị trí kích thích được tạo ra trên bề mặt vật liệu, sau đó quá trình trùng hợp ghép xảy ra dưới tác động của nhiệt hoặc bức xạ Cấu trúc của polyme trùng hợp ghép trên bề mặt có ảnh hưởng mạnh đến khả năng tách của màng Bằng cách thay đổi các điều kiện trùng hợp, từ màng nền ban đầu có thể chế tạo được màng có các tính chất bề mặt khác nhau và do đó, có tính chất tách khác nhau Quan trọng nhất, kỹ thuật này có thể tạo được lớp polyme ghép ngay trên bề mặt màng mà không làm ảnh hưởng tới các tính chất bên trong (bulk property) của vật liệu màng nền Các công trình nghiên cứu cho thấy, màng sau khi

biến tính bề mặt bằng kỹ thuật trùng hợp ghép có khả năng chống fouling tốt hơn so với màng nền ban đầu Cho đến nay, việc nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc polyme là một vấn đề thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chế tạo màng do những ưu thế đặc biệt của phương pháp này

1.2.3 Trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng lọc dưới bức xạ tử ngoại

Tia UV được sử dụng rộng rãi trong quá trình trùng hợp ghép bề mặt vật liệu, tùy từng trường hợp, người ta có thể sử dụng các chất khơi mào quang hoặc chất nhạy sáng (điển hình là benzophenone và các dẫn xuất) để làm tăng tốc độ cũng như hiệu quả của quá trình trùng hợp So với các phương pháp biến tính khác, trùng hợp ghép bề mặt bằng bức xạ UV cho thấy được những ưu điểm nổi bật như: tốc độ phản ứng nhanh, giá thành rẻ, thiết bị đơn giản, dễ dàng triển khai ở quy mô công nghiệp và quan trọng nhất là các chuỗi polyme được ghép chỉ giới hạn ở bề mặt vật liệu [8]

Trùng hợp ghép quang bằng tia UV có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào từng loại vật liệu nền, loại monome và mục đích sử dụng vật liệu sau biến tính Quá trình có thể được mô tả khái quát như sau: vật liệu nền ban đầu được phủ chất nhạy sáng (nếu cần), sau đó ngâm vật liệu vào dung dịch monome (có khả năng trùng hợp) rồi lấy ra chiếu bức xạ UV, hoặc trong quá trình ngâm kết hợp đồng thời chiếu tia UV, cũng có thể chiếu bức xạ UV lên bề mặt vật liệu trước sau đó mới ngâm vật liệu vào dung dịch monome [1,2,3, 5, 13, 21] Dưới tác dụng của tia UV, chất nhạy sáng bị kích thích, ở trạng thái kích thích nó có khả năng lấy đi một proton của vật liệu nền, tạo thành các gốc tự do trên bề mặt vật liệu, khơi mào cho quá trình trùng hợp Với vật liệu nền có chứa các nhóm chức carbonyl hoặc ester thì có thể không cần dùng chất khơi mào quang, khi đó dưới tác dụng của tia UV, bản thân vật liệu có thể tự tách ra một proton hoặc một nhóm nhạy sáng để tạo các gốc tự do và quá trình trùng hợp vẫn xảy ra Hoặc nếu sử dụng monome có khả năng tự trùng hợp (như axit acrylic, axit metacrylic, glycidyl acrylat, styren…) thì cũng không cần dùng chất khơi mào quang

Việc ứng dụng kỹ thuật trùng hợp ghép quang hóa để biến tính bề mặt màng lọc là một hướng nghiên cứu đang được quan tâm phát triển do những lợi thế đặc biệt của phương pháp này Ưu thế của kỹ thuật trùng hợp ghép bề mặt là phương pháp này có thể thực hiện được ở các điều kiện phản ứng êm dịu và nhiệt độ thấp, là một kỹ thuật tương đối đơn giản, chi phí thấp và có thể áp dụng trong công nghiệp

Một trong những mục đích chủ yếu của phương pháp biến tính trùng hợp ghép bề mặt màng lọc là nhằm làm tăng tính ưa dung môi cần lọc và giảm thiểu mức độ tắc màng (fouling), nâng cao hiệu quả của quá trình tách qua màng Tính chất bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép phụ thuộc mạnh vào các điều kiện tiến hành trùng hợp như tính chất vật liệu nền, bản chất monome, nồng độ dung dịch monome, cường độ bức xạ, thời gian trùng hợp

Khi được kích thích bởi bức xạ tử ngoại, trên bề mặt màng sẽ xuất hiện các gốc tự do, monome sẽ được trùng hợp ghép vào vị trí của các gốc tự do này và tạo thành một lớp polyme ghép trên bề mặt màng lọc, làm thay đổi tính chất của màng Chiều dài của mạch ghép, mức độ chặt khít của lớp ghép phụ thuộc vào các điều kiện tiến hành trùng hợp

Nói chung, việc biến tính bề mặt màng bằng trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ UV có thể thực hiện bởi hai phương thức: ghép từ trên xuống (grafting to) hoặc ghép từ dưới lên (grafting from)

1.2.3.1 Trùng hợp ghép quang hóa từ trên xuống

Trong phương pháp này, nhóm phản ứng ở cuối mạch polyme thực hiện cặp liên kết đồng hóa trị với bề mặt Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc mạch ghép; tuy nhiên, do mật độ mạch polyme ghép thấp, phương pháp này được sử dụng không nhiều để biến tính bề mặt màng [23, 36]

1.2.3.2 Trùng hợp ghép quang hóa từ dưới lên

So với phương pháp trùng hợp ghép từ trên xuống, phương pháp trùng hợp ghép từ dưới lên được sử dụng rộng rãi để biến tính bề mặt nhiều loại màng lọc

polyme khác nhau [25, 35] Nói chung, màng biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép

từ dưới lên có thể thực hiện khi có mặt hoặc không có mặt chất khơi mào quang

* Trùng hợp ghép quang UV từ dưới lên không sử dụng chất khơi mào quang

Trong phương pháp này, các gốc tự do được tạo ra trực tiếp trên bề mặt màng polyme dưới tác động của bức xạ tử ngoại UV, màng nền cần có tính chất nhạy sáng, có nhóm nhạy sáng hay một phần khung polyme nhạy sáng, hoặc phải đưa nhóm nhạy sáng vào bề mặt trước khi tiến hành trùng hợp ghép [23]

Về nguyên tắc, có hai phương pháp được sử dụng để biến tính bề mặt màng

theo kiểu từ dưới lên không sử dụng chất khơi mào quang: phương pháp ngâm chìm (immersion method) trong đó màng được chiếu bức xạ khi được ngâm chìm trong dung dịch monome, và phương pháp nhúng (dip method) trong đó màng

được nhúng vào dung dịch monome sau đó được chiếu bức xạ trong môi trường nito hoặc các khí trơ khác [28]

* Trùng hợp ghép quang UV từ dưới lên có sử dụng chất khơi mào quang

Khi biến tính bề mặt có sử dụng chất khơi mào quang, các gốc khơi mào được hình thành trên bề mặt màng do phản ứng của chất khơi mào quang với polyme màng nền dưới bức xạ UV Benzophenon (BP) và các dẫn xuất của nó thường được sử dụng làm chất khơi mào cho quá trình trùng hợp ghép dùng tia UV các vinyl monome lên bề mặt màng polyme Trong trường hợp này, bước quan trọng trong sự khơi mào tạo các gốc là sự tách hydro từ polyme [23] Tác nhân khơi mào quang có thể được phủ trên bề mặt màng hoặc hòa tan vào dung dịch monome [35] Kết quả cho thấy sự trùng hợp ghép quang chủ yếu xảy ra trên bề mặt màng, ít xảy ra trong các lỗ xốp Phương pháp này khá đơn giản, tuy nhiên, nhược điểm chính là hàm lượng BP cần phải khống chế Nồng độ BP cao có thể gây ra phản ứng phụ, như là sự trùng hợp tạo homopolyme Ngoài ra, việc sử dụng các monome không có cùng dung môi với BP là một hạn chế, vì BP hầu như không tan trong

nước Để cải thiện quá trình trùng hợp ghép, sự hấp phụ trước BP lên bề mặt màng

có thể được áp dụng

Khía cạnh hấp dẫn của phương pháp trùng hợp ghép dùng tia UV là có thể dễ dàng tạo và kiểm soát quá trình trùng hợp ghép Ngoài ra, liên kết cộng hóa trị của polyme ghép với bề mặt màng đảm bảo sự ổn định hóa học của mạch ghép đưa vào, khác với các lớp polyme được phủ bằng phương pháp vật lý

1.3 Màng lọc compozit polyamit

Màng composite lớp mỏng (Thin Flm Composite, TFC) polyamit được sử dụng rộng rãi để lọc làm sạch nước hoặc khử muối Màng được cấu tạo bởi lớp bề mặt mỏng phủ trên lớp đỡ xốp Màng TFC có cấu trúc bất đối xứng, so với các loại màng bất đối xứng thông thường thì màng TFC có lớp bề mặt (lớp hoạt động) mỏng hơn nhiều Do lớp hoạt động mỏng và chặt sít nên loại màng này có khả năng lọc tách vượt trội

Hình 1.2 Cấu tạo màng compozit lớp mỏng

Màng TFC Filmtec BW30 (Hình 1.2) gồm có 3 lớp, lớp bề mặt (top-layer) là polyamit, dưới lớp bề mặt là lớp đỡ xốp polysulfone, dưới cùng là lớp nền polyeste Khả năng tách của màng do lớp bề mặt polyamit trên cùng quyết định, kích thước lỗ lớp bề mặt vô cùng nhỏ (thường nhỏ hơn 2nm) và rất mỏng (< 50nm) Lớp bề mặt màng được chế tạo bằng phương pháp trùng hợp qua bề mặt phân giới (interphase polymerization) từ các monome m-phenylenediamine (MPD) và trimesoyl chloride TMC) Lớp đỡ xốp (màng siêu lọc polysulfone) đóng vai trò bề mặt phân giới Phản ứng trùng hợp bề mặt xảy ra như sau (Hình 1.3.):

Hình 1.3 Phản ứng trùng hợp qua bề mặt phân giới tạo màng TFC polyamit

Bên cạnh những ưu điểm so với các loại màng lọc khác, màng lọc TFC polyamit tỏ ra khá nhạy cảm với hiện tượng fouling, do các đặc tính bề mặt màng như là độ thô nhám bề mặt hay tính chất kỵ nước của lớp polyamit Trong quá trình lọc, các thành phần như các hợp chất hữu cơ do đó có thể dễ dàng bị hấp phụ lên màng [10] làm cho năng suất lọc của màng giảm đi đáng kể

Việc biến tính bề mặt màng có thể nâng cao được tính năng tách và giảm thiểu mức độ tắc màng Cho đến nay đã có một số công trình nghiên cứu về khả năng nâng cao đặc tính bề mặt và tính năng tách cho màng TFC bằng phương pháp trùng hợp ghép bề mặt Kết quả cho thấy màng TFC sau khi biến tính bề mặt trong các điều kiện thích hợp có tính năng tách tốt hơn so với màng ban đầu [1,2,3, 22, 27]

1.4 Axit humic

Humic, hay còn gọi là đất mùn, có trọng lượng phân tử tương đối lớn do sự chuyển hóa xác động vật tạo thành Chất humic bao gồm: axit humic, axit fulvic và

humin Axit humic (AH) là một thành phần chính của các chất humic, nó giúp ổn

định đất, tan ở pH >2 trong nước, đó là những hợp chất hữu cơ quan trọng của đất (đất mùn), than bùn, than đá, nhiều suối miền núi, hồ bị loạn dưỡng và nước biển

Axit humic không phải là một axit đơn mà là một hỗn hợp phức tạp của nhiều axit khác nhau có chứa nhóm carboxyl và phenolat, hỗn hợp có chức năng như một axit đibazơ (axit hai lần axit) hoặc, đôi khi, như là một axit tribazơ (axit ba lần axit) Axit humic có thể tạo ra các phức với ion thường được tìm thấy trong môi trường tạo ra chất keo humic Axit humic và fulvic (axit fulvic là axit humic trọng lượng phân tử thấp hơn và hàm lượng oxy cao hơn axit humic khác) thường được sử dụng như là một bổ sung dinh dưỡng cho đất nông nghiệp Axit fulvic có thể có dạng lỏng như một thành phần của chất keo khoáng Axit fulvic là chất đa-điện giải và là chất keo duy nhất dễ dàng khuếch tán qua màng trong khi tất cả các chất keo khác thì không Humic là các chất hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên có tác động có hại đối với con người và động vật Hợp chất này can thiệp vào hệ thống nội tiết tố của người và động vật bằng cách trực tiếp ức chế hoặc sao chép hormone tự nhiên, hoặc gián tiếp can thiệp vào quá trình tổng hợp, lưu giữ, bài tiết, dị hóa và hoạt động của các kích thích tố tự nhiên khác nhau Chất humic phát sinh trong quá trình phân hủy

tự nhiên tan được vào nước làm ô nhiễm nguồn nước Vì vậy, vấn đề xử lý chất humic trong nguồn nước để sản xuất nước sạch dùng cho sinh hoạt là một vấn đề luôn được quan tâm

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn

Trong luận văn này, chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu biến tính

bề mặt màng lọc compozit lớp mỏng polyamit (Filmtec BW30) bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa với poly(etylen)glycol (PEG) và axit acrylic (AA) dưới bức xạ UV bằng phương pháp ngâm chìm, đánh giá ảnh hưởng của việc biến tính bề mặt đến sự thay đổi một số đặc tính bề mặt và tính năng tách lọc cũng như khả năng chống tắc (antifouling) của màng, với đối tượng tách là axit humic (AH) trong môi trường nước

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Hóa chất, dụng cụ, và thiết bị

2.1.1 Hóa chất

03 Axit Acrylic (99.0%) Trùng hợp ghép Trung Quốc

07 Màng polyamit (Filmtec BW30) Màng nền Mỹ

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị

STT Dụng cụ và thiết bị Mục đích sử dụng

01 Bình nén khí Nitơ Tạo chênh lệch áp suất tách

06 Cuvet thủy tinh Đo màu xác định hàm lượng axit

humic

07 Đĩa petri Đựng màng

08 Máy khuấy Khuấy dung dịch trong quá trình tách, giảm phân cực nồng độ

09 Bình định mức Pha dung dịch axit humic và monome

12 Thiết bị lọc màng gián đoạn

(Osmonic, USA)

Đánh giá tính năng tách lọc của màng trước và sau biến tính

13 Thiết bị đo quang (Shimazu,

Nhật) Xác định hàm lượng axit humic trong dung dịch

14 Thiết bị chiếu bức xạ tử ngoại (tự

17 Thiết bị đo phổ hồng ngoại phản

xạ (FTIR-ATR, Perkin Elmer) Đánh giá đặc tính hóa học bề mặt màng

18 Thiết bị đo góc thấm ướt (Contact

angle goniometer)

Đánh giá đặc tính ưa nước của bề mặt màng

Sơ đồ thiết bị lọc màng phòng thí nghiệm

Chú thích:1 – Bình nén khí 4- Tấm đỡ xốp kim loại

2 – Van điều chỉnh áp suất 5- Lối ra của dịch lọc

3 – Bình chứa dung dịch cần lọc 6- Máy khuấy từ

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị lọc màng Osmonic Nguyên tắc làm việc:

Màng được đặt lên tấm đỡ kim loại xốp (4) rồi đặt vào đáy của bình chứa dung dịch tách Nạp dung dịch cần tách vào bình, lắp kín hệ thống, điều chỉnh áp suất tách thích hợp bằng van điều chỉnh (2) Dưới tác động của khí nén, dung dịch trong bình được nén qua màng và dịch lọc đi ra ngoài qua ống (5) Dung dịch lưu giữ được giữ lại trong bình chứa

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Trùng hợp ghép quang hóa biến tính bề mặt màng

Màng nền polyamit (Filmtec BW30) được cắt thành các tấm nhỏ có kích thước thích hợp, rửa sạch màng bằng dung dịch isopropanol (25 % v/v) và ngâm màng trong nước tinh khiết cho đến khi sử dụng Bề mặt màng được biến tính bằng phương pháp trùng hợp ghép dưới bức xạ tử ngoại Poly(etylen)glycol PEG600 và axit acrylic được sử dụng để trùng hợp ghép lên bề mặt màng Màng nền trước hết được kích thích bức xạ tử ngoại, sau đó đưa màng vào trong các dung dịch monome đồng thời chiếu bức xạ tử ngoại Màng sau khi biến tính bề mặt được rửa sạch và

ngâm trong nước tinh khiết cho đến khi sử dụng Ở cùng một điều kiện biến tính bề màng, có hai màng được biến tính đồng thời, một màng đem khảo sát tính lọc, một màng sấy khô để xác định lượng polyme/monomer hấp thụ lên bề mặt màng Hình 2.2 mô tả hệ thiết bị trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng dưới bức xạ tử ngoại

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thiết bị trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng

Phản ứng trùng hợp ghép giữa bề mặt màng PA với PEG có thể xảy ra như sau:

Dung dịch

Màng lọc

Đèn UV

Phản ứng trùng hợp ghép giữa bề mặt màng PA với AA có thể xảy ra như sau:

2.2.2 Đánh giá đặc tính màng lọc

2.2.2.1 Đánh giá tính năng lọc của màng

Màng sau khi được biến tính được lắp đặt vào hệ thống lọc, các thí nghiệm đánh giá tính năng lọc tách của màng được thực hiện trên thiết bị thử màng phòng thí nghiệm, áp suất lọc 15 bar, diện tích màng lọc là 1,59 × 10–3 m2, nồng độ dung dịch axit humic là 50ppm, dung dịch lọc được đọc thể tích 5 phút/lần

Độ lưu giữ của màng được xác định bởi công thức:

0 0100%

C C R

C = Nồng độ AH trong dịch lọc (mg/l)

Do axit humic là hỗn hợp của nhiều thành phần khác nhau, việc xác định hàm lượng của axit humic trong nước được thực hiện bằng các phương pháp đo trắc quang và đo TOC Trong đó, phép đo trắc quang dùng để xác định các thành phần hữu cơ có trọng lượng phân tử lớn (tan hoặc không tan), còn phép đo TOC dùng để xác định các thành phần hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp và tan trong nước

Độ thấm nước trung bình (Jw) của màng được xác định bằng cách đo thể tích nước tinh khiết vận chuyển qua màng trong một khoảng thời gian tại áp suất xác định, sau đó áp dụng công thức:

Độ thấm nước chuẩn của màng được đánh giá qua tỷ số Jw /Jwo, với Jwo và Jw

là độ thấm nước trung bình của các màng trước và sau khi trùng hợp ghép bề mặt

Năng suất lọc trung bình (J) của màng được xác định bằng cách đo thể tích

dịch lọc vận chuyển qua màng trong một khoảng thời gian tại áp suất xác định, sau

đó áp dụng công thức:

t S

V J

Năng suất lọc chuẩn của màng được đánh giá qua tỷ số J/Jo, với Jo và J là

năng suất lọc trung bình của các màng trước và sau khi trùng hợp ghép bề mặt Mức

độ duy trì năng suất lọc của màng theo thời gian được đánh giá qua giá trị FM (%),