PA/GO, TFC-PA/GO-TiO2
Ảnh SEM bề mặt màng nền và cỏc màng biến tớnh bằng hạt GO, TiO2 và GO- TiO2 với cỏc nụ̀ng đụ̣ dung dịch huyền phự xỏc định được đưa ra ở hỡnh 3.9.
Hỡnh 3.9. Ảnh SEM bề mặt màng nền TFC-PA (a) và màng phủ hạt GO (b), TiO2 (c), GO+TiO2 (d) khi
sử dụng dung dịch GO, TiO2 nồng độ tương ứng là 4 mg/L và 35
mg/L
Quan sỏt thấy cỏc hạt nano GO và TiO2 đó được rỏp và phõn bụ́ khỏ đụ̀ng đều trờn bề mặt màng. Việc đưa cỏc hạt nano GO và TiO2 lờn bề mặt màng nhằm mục đích làm cho bề mặt màng trở nờn ưa nước hơn và/hoặc làm tăng diện tớch bề mặt tiếp xỳc với dung dịch lọc tỏch.
Phổ hụ̀ng ngoại phản xạ bề mặt màng nền TFC-PA và cỏc màng biến tính được đưa ra ở hỡnh 3.10. Với bề mặt màng nền TFC-PA, cú thể quan sỏt
TiO2
GO
a b
c
thấy cỏc pic hấp thụ đặc trưng cho cỏc nhúm chức của lớp hoạt đụ̣ng polyamit như N-H (3300 cm-1), C-H (2900 cm-1), C=O (1640-1690 cm-1), C-N (1080- 1360 cm-1) và dao đụ̣ng C=C của vũng thơm (1400-1600 cm-1).
Phổ hụ̀ng ngoại phản xạ bề mặt màng tổ hợp TFC-PA/GO và TFC- PA/GO-TiO2 chiếu hay khụng chiếu UV đều thấy sự suy giảm rừ rệt cường đụ̣ pic hấp thụ, chứng tỏ bề mặt màng đó hỡnh thành mụ̣t lớp màng mỏng GO, che đi cỏc pic của màng nền. Vỡ cỏc nhúm chức ưa nước của GO hầu như trựng hết với cỏc nhúm chức của màng nền nờn khụng nhận thấy sự khỏc nhau rừ rệt. Tuy nhiờn, cú thể thấy rằng cỏc màng này đều xuất hiện nhúm chức OH, làm dải phổ tại vị trớ 3200 cm-1 trở nờn trải rụ̣ng ra hơn. Chính cỏc nhúm OH hỡnh thành làm cho màng tổ hợp chứa GO ưa nước hơn màng nền ban đầu. Với ảnh phổ hụ̀ng ngoại phản xạ bề mặt màng tổ hợp TFC-PA/TiO2 cú hay khụng cú chiếu bức xạ tử ngoại, nhận thấy cường đụ̣ pic vẫn tương đươg màng nền, và dải phổ tại vị trớ 3200 cm-1 cũng được trải rụ̣ng ra, chứng tỏ nhúm OH đó hỡnh thành, và cỏc màng này cũng trở nờn ưa nước hơn so với màng nền.
Hỡnh 3.10. Phổ hồng ngoại phản xạ FTIR-ATR bề mặt màng nền TFC-PA và cỏc màng biến tớnh
3.3. Khảo sỏt tính năng tỏch lọc của màng
Khả năng tỏch lọc của màng được đỏnh giỏ thụng qua đụ̣ thấm nước, năng suất lọc và đụ̣ lưu giữ của màng. Đụ̣ thấm nước, năng suất lọc màng, đụ̣ ổn định năng suất lọc màng cựng đụ̣ lưu giữ lớn là tiờu chớ quan trọng trong đỏnh giỏ khả năng ứng dụng tỏch lọc của màng.
3.3.1. Tính năng tỏch lọc của màng PSf
3.3.1.1. Khả năng tỏch lọc muối của màng PSf biến tớnh và khụng biến tớnh
Kết quả nghiờn cứu khả năng tỏch lọc muụ́i của màng PSf biến tớnh và khụng biến tính được trỡnh bày ở bảng 3.3
Bảng 3.3. Độ thṍm nước, năng suṍt lọc, độ lưu giữ của cỏc màng PSf, PSf/GO và PSf/GO-TiO2 Màng Thụng số PSf PSf/GO PSf/GO-TiO2 Đụ̣ thấm nước (Jw: L/m2.h.bar) 9,68 11,71 13,62 Năng suất lọc (J: L/m2.h) 3,78 3,97 5,61 Đụ̣ lưu giữ (R %) 17,24 37,93 64,29
Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi biến tớnh GO và TiO2 lờn bề mặt màng PSf đó làm tăng đụ̣ thấm nước, cũng như năng suất lọc cho màng. Đụ́i với màng PSf khụng biến tính thỡ đụ̣ thấm nước 9,68 L/m2.h.bar, năng suất lọc 3,78 L/m2.h sau khi biến tớnh cỏc giỏ trị này đó tăng lờn 11,71 L/m2.h.bar và 3,97 L/m2.h. Và khi biến tớnh GO/TiO2 thỡ đạt được 13,62 L/m2.h.bar và 5,61 L/m2.h. Chứng tỏ tính ưa nước của màng đó được cải thiện sau khi biến tớnh. Sự cải thiện tính năng tỏch lọc của màng càng được thể hiện rừ hơn qua bảng 3.4 và hỡnh 3.11.
Bảng 3.4. Sự tăng giảm năng suṍt lọc (J/Jo) và độ thṍm nước (Jw/Jwo); độ lưu giữ của màng nền PSf, màng biến tớnh PSf/GO và PSf/GO-TiO2
Màng
Thụng số PSf PSf/GO PSf/GO-TiO2
Đụ̣ tăng giảm đụ̣ thấm nước
(Jw/Jwo) 1,00 1,21 1,41 Đụ̣ tăng giảm năng suất lọc (J/Jo) 1,00 1,05 1,48 Đụ̣ lưu giữ (R %) 17,24 37,93 64,29
Hỡnh 3.11. Độ thṍm nước, năng suṍt lọc và độ lưu giữ của cỏc màng PSf, PSf/GO và PSf/GO-TiO2
Nhận thấy rằng, so với màng biến tớnh, màng nền PSf cú đụ̣ thấm nước, năng suất lọc đều rất thấp, cỏc giỏ trị này của cỏc màng PSf/GO và PSf/GO-TiO2 đó được tăng lờn đỏng kể. Đặc biệt, đụ́i với màng PSf/GO-TiO2, giỏ trị này tăng gấp gần 1,5 lần. Điều này cú thể được giải thớch là do màng biến tớnh bởi GO-TiO2 cú tính ưa nước hơn so với màng nền PSf. Nếu so sỏnh đụ̣ lưu giữ
của màng PSf và cỏc màng biến tớnh thỡ thấy cú sự tăng khỏ mạnh từ 17,24 % lờn 64,29 %. Kết quả này khỏ phự hợp với ảnh SEM, bề mặt cỏc màng biến tính đó chặt khít hơn rất nhiều so với màng nền, đặc biệt với màng phủ GO và TiO2.
Bờn cạnh đú, kết quả đo đụ̣ thấm nước và năng suất lọc thỡ hoàn toàn phự hợp với kết quả đo gúc thấm ướt của màng (thể hiện ở bảng 3.5 và hỡnh 3.12).
Bảng 3.5. Gúc tiếp xỳc của cỏc màng PSf, PSf/GO và PSf/GO-TiO2
Màng PSf PSf/GO PSf/GO-TiO2
WCA (o) 83,4 76,2 60,2
Hỡnh 3.12. Hỡnh ảnh gúc thṍm ướt của cỏc màng PSf, PSf/GO và PSf/GO-TiO2
Sau khi biến tớnh, vật liệu GO và GO-TiO2 đó làm cho gúc thấm ướt bề mặt màng giảm xuụ́ng từ 83,4o (đụ́i với màng PSf) cũn 76,2o (đụ́i với màng PSf/GO) và 60,2o (đụ́i với màng PSf/GO-TiO2). Như vậy, khi biến tớnh màng với GO hay GO-TiO2, tính năng lọc tỏch của màng đó được cải thiện rừ do màng đó trở nờn ưa nước hơn.
Kết quả khảo sỏt đụ̣ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng nền PSf và cỏc màng biến tớnh với GO và GO-TiO2 được thể hiện trờn hỡnh 3.13.
Hỡnh 3.13. Độ duy trỡ năng suṍt lọc của màng nền PSf và cỏc màng biến tớnh PSf/GO và PSf/GO-TiO2
Cú thể thấy, cả màng nền và màng biến tính đều cú xu hướng giảm năng suất lọc do hiện tượng tắc màng. Tuy nhiờn, cỏc màng khỏc nhau thỡ đụ̣ duy trỡ năng suất lọc là khỏc nhau. Đụ́i với màng nền PSf, tụ́c đụ̣ suy giảm năng suất lọc nhanh hơn và nhiều hơn so với hai màng biến tính. Năng suất lọc của màng PSf giảm nhanh, sau 60 phỳt lọc, năng suất lọc chỉ cũn 43,8 % so với thời điểm ban đầu. Với cỏc màng biến tớnh PSf/GO và PSf/GO-TiO2, đụ̣ giảm năng suất lọc cú phần chậm hơn so với màng nền, sau 60 phỳt thỡ năng suất lọc của màng PSf/GO đạt 45,9 % và màng PSf/GO-TiO2 cũn 49,98 % so với ban đầu.
Kết quả so sỏnh hệ sụ́ tắc nghẽn bất thuận nghịch giữa màng nền và cỏc màng biến tính được đưa ra trong bảng 3.6 và hỡnh 3.14 cho thấy cỏc màng biến tớnh đều cú hệ sụ́ tắc nghẽn bất thuận nghịch thấp hơn so với màng nền.
Bảng 3.6. Hệ số tắc màng bṍt thuận nghịch của cỏc màng PSf, PSf/GO và PSf/GO-TiO2 Màng Thụng số PSf PSf/GO PSf/GO-TiO2 Hệ sụ́ tắc màng thuận nghịch (%) 53,09 47,96 35,09
Hỡnh 3.14. Hệ số tắc màng bṍt thuận nghịch của cỏc màng PSf, PSf/GO và PSf/GO-TiO2
Như vậy, việc biến tớnh bề mặt màng PSf bằng GO và GO-TiO2 đó cải thiện rừ rệt tớnh chất bề mặt màng, màng trở nờn ưa nước và hiệu quả tỏch lọc cũng như khả năng chụ́ng cũng đó được nõng cao.
3.3.1.2. Ảnh hưởng của lượng chṍt biến tớnh đến khả năng tỏch của màng
Kết quả nghiờn cứu ảnh hưởng của lượng chất biến tính đến khả năng xử lý tỏch lọc của cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20 (tương ứng với lượng GO bằng 10, 15, 20% so với khụ́i lượng TiO2) so với màng nền PSf được thể hiện ở bảng 3.7.
Bảng 3.7. Độ thṍm nước, năng suṍt lọc, độ lưu giữ của cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20
Màng
Thụng số PSf PSf/GO-T10 PSf/GO-T15 PSf/GO-T20
Đụ̣ thấm nước (Jw: L/m2.h.bar) 9,68 11,71 13,62 10,87 Năng suất lọc (J: L/m2.h) 3,78 4,83 5,61 4,11 Đụ̣ lưu giữ (R %) 17,24 54,85 64,29 34,48 Kết quả khảo sỏt cho thấy, khi lượng chất biến tính thay đổi thỡ năng suất lọc (J), đụ̣ thấm nước (Jw) cũng như đụ̣ lưu giữ của cỏc màng thay đổi. Cụ thể năng suất lọc của màng PSf/GO-T15 là cao nhất (5,61 L/m2.h), tiếp đến là màng GO/PSf-T10 (4,83 L/m2.h) và thấp nhất là màng PSf/GO-T20 (4,11 L/m2). Đụ̣ thấm nước (Jw) cao nhất đạt 13,62 L/m2.h.bar của màng PSf/GO- T15 , giảm xuụ́ng 11,71 L/m2.h của màng PSf/GO-T10 và thấp nhất 10,87 L/m2.h đụ́i với màng PSf/GO-T20. Ngoài ra, sự tăng giảm năng suất lọc và năng suất lọc của cỏc màng cũng được chỉ ra ở bảng 3.8 và hỡnh 3.15.
Bảng 3.8. Sự tăng giảm năng suṍt lọc (J/Jo) và độ thṍm nước (Jw/Jwo); độ lưu giữ của cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20
Màng
Thụng số PSf PSf/GO-T10 PSf/GO-T15 PSf/GO-T20
Đụ̣ giảm đụ̣ thấm
nước (Jw/Jwo) 1 1,21 1,41 1,12 Đụ̣ giảm năng suất
lọc (J/Jo) 1 1,28 1,48 1,09 Đụ̣ lưu giữ (R %) 17,24 54,85 64,29 34,48
Hỡnh 3.15. Sự tăng giảm năng suṍt lọc (J/Jo), độ thṍm nước (Jw/Jwo) và độ lưu giữ của cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20
Cú thể nhận thấy đụ̣ tăng giảm năng suất lọc cũng như đụ̣ thấm nước của cỏc màng biến tớnh GO-TiO2 ở cỏc lượng chất khỏc nhau so với màng nền là khỏc nhau. Màng biến tớnh GO-TiO2 15% cú sự thay đổi cao nhất (gần 1,5 lần) và màng biến tớnh GO-TiO2 20% là thấp nhất (khoảng 1,1 lần). Bờn cạnh đụ̣ lưu giữ của cỏc màng sau quỏ trỡnh lọc cũng cú sự khỏc nhau, cao nhất là màng PSf/GO-T15 (64,29%) và thấp nhất là PSf/GO-T20 (34,48%). Điều này cú thể được cho là khi tăng lượng GO/ TiO2 từ 10 đến 20%, tăng tính ưa nước của cỏc màng tăng và do đú thuận lợi cho quỏ trỡnh tỏch lọc của màng. Tuy nhiờn, năng suất lọc tăng lờn khi tăng lượng GO-TiO2 từ 10-15% cũn khi tăng đến 20% thỡ do cú hiện tượng cỏc mao quản bị hẹp lại và mật đụ̣ lỗ trờn màng giảm xuụ́ng do đú lượng nước qua màng sẽ chậm hơn. Cỏc kết quả này phự hợp với kết quả đo ảnh chụp SEM của cỏc màng và gúc thấm ướt WCA ( hỡnh 3.16, hỡnh 3.17 và bảng 3.9) và cũng phự hợp với cỏc tài liệu đó cụng bụ́.
Hỡnh 3.16. Ảnh SEM của cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20 Hỡnh (a1, b1, c1 và a2, b2, c2): bề mặt cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15,
PSf/GO-T20 với cỏc độ phúng đại khỏc nhau. Hỡnh (a3, b3 và c3): mặt cắt toàn bộ chiều dày cỏc màng GO/PSf-T10, GO/PSf-T15, GO/PSf-T20
PSf/GO- T10(a1)
PSf/GO-T15 (b1) PSf/GO-T15 (b2) PSf/GO-T15 (b3)
PSf/GO-T20 (c1) PSf/GO-T20 (c2) PSf/GO-T20 (c3)
PSf/GO-T10(a2) (b1)
Bảng 3.9. Gúc tiếp xỳc của màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20
Màng PSf/GO-T10 PSf/GO-T15 PSf/GO-T20
WCA (o) 69,1 60,2 40,5
Hỡnh 3.17. Ảnh mụ tả gúc thṍm ướt của cỏc màng
Khả năng duy trỡ năng suất lọc của cỏc màng theo thời gian cho thấy màng là PSf/GO-T15 duy trỡ được năng suất lọc ở mức đụ̣ cao nhất khi kết thỳc 60 phỳt. Cả 3 màng đều cú sự giảm năng suất lọc sau 10 phỳt nhưng màng PSf/GO-T15 là duy trỡ được năng suất lọc ở mức cao nhất (49,98%), trong khi mức thấp nhất là của màng PSf/GO-T20 (36,34%) (hỡnh 3.18). Sự giảm của năng suất lọc là do sự tắc màng gõy ra. Hệ sụ́ tắc màng bất thuận nghịch của cỏc màng được chỉ ra ở đụ̀ thị hỡnh 3.19.
Kết quả nghiờn cứu cho thấy màng PSf/GO-T20 cú hệ sụ́ tắc màng cao nhất (49,45%) trong 3 màng chứng tỏ hiệu quả xử lý của màng này tương đụ́i thấp so với 2 màng cũn lại. Màng PSf/GO-T15 cú hệ sụ́ tắc màng bất thuận nghịch thấp (35,09%), thấp hơn cả màng PSf/GO-T10 (44,9%). Như vậy trong điều kiện thớ nghiệm, màng PSf/GO-T15 cú hiệu quả xử lý cao nhất.
10 20 30 40 50 60 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Độ duy trì nă ng s uất lọc (% ) Thời gian (phút) GO/PSF-T10 GO/PSF-T15 GO/PSF-T20
Hỡnh 3.18. Độ duy trỡ năng suṍt lọc cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20
Hỡnh 3.19. Hệ số tắc màng bṍt thuận nghịch của cỏc màng PSf/GO-T10, PSf/GO-T15, PSf/GO-T20
Từ những kết quả thảo luận trờn cho thấy khi biến tớnh màng nền PSf bởi GO- TiO2 15% thỡ sẽ cú hiệu quả xử lý cao nhất. Cỏc yếu tụ́ ảnh hưởng đến sự thay đổi này ngoài tính ưa nước của màng cũn tính đến đường kớnh mao quản, đụ̣
thụ nhỏm bề mặt màng. Kết quả này hoàn toàn phự hợp với nụ̣i dung thảo luận ở phần 3.3.1.2.
Như vậy, với màng PSf chế tạo, sau khi tỏch lọc muụ́i (khử mặn), đụ̣ lưu giữ muụ́i của màng biến tớnh tụ́i đa cũng chỉ được 64,29 %, chưa đỏp ứng được yờu cầu khử mặn. Do đú, để tăng hiệu quả khử mặn, luận văn đó tiến hành chưng cất muụ́i qua màng lọc PSf/GO-T15.
Kết quả nghiờn cứu được thể hiện trờn bảng 3.10 và hỡnh 3.20 cho thấy, sau khi lọc và chưng cất thỡ nụ̀ng đụ̣ cỏc ion Na+ và Cl- cũn lại trong dung dịch rất thấp, hiệu quả xử lý gần như đạt 100 %. Điều này chứng tỏ khi xử lý nước biển kết hợp giữa màng lọc và chưng cất thỡ hiệu quả khử mặn của màng cao hơn hẳn so với tỏch riờng từng phương phỏp.
Bảng 3.10. Nồng độ cỏc ion và hiệu suṍt xử lý cỏc ion trong nước muối sau khi lọc qua màng và chưng cṍt
Cỏc ion Mẫu
Nồng độ (mg/L) Hiợ̀u suất (%)
Na+ Cl- Na+ Cl-
Mẫu ban đầu 18300 19600 0 0
Mẫu sau chưng cất 1240 1350 93,2 93,1
Mẫu sau lọc 6570 7640 64,1 61,0
93,2 93,1 64,1 61 99,3 100 0 20 40 60 80 100 120 Mẫu sau ch-ng cất Mẫu sau lọc Mẫu sau lọc và ch-ng cất Độ giảm nồng độ ion N-ớc muối CNa+ CCl-
Hỡnh 3.20. Độ giảm nồng độ cỏc ion trong nước muối sau lọc và chưng cṍt 3.3.1.3. Ảnh hưởng của cỏc ion đến quỏ trỡnh khử mặn của màng
Nghiờn cứu sự ảnh hưởng của cỏc ion trong dung dịch đụ́i với quỏ trỡnh xử lý của màng được tiến hành với mẫu nước biển, sử dụng màng PSf/GO- T15. Ở đõy chỉ tập trung nghiờn cứu cỏc ion Na+, Mg2+, Cl-, SO42-. Là những thành phần cơ bản cú mặt trong nước biển. Kết quả được trỡnh bày ở bàng 3.11 và hỡnh 3.21.
Bảng 3.11. Nồng độ cỏc ion và hiệu suṍt xử lý cỏc ion trong nước biển sau khi lọc và chưng cṍt
Cỏc ion Mẫu
Nồng độ (mg/L) Hiợ̀u suất (%)
Na+ Cl- Mg2+ SO42- Na+ Cl- Mg2+ SO42-
Mẫu ban đầu 14500 17100 1991 2350 0 0 0 0
Mẫu sau chưng cất 1001 1520 59 400 93,1 91,1 97,0 83,0
Mẫu sau lọc 5600 7800 988 950 61,4 54,4 50,4 59,6
Mẫu sau lọc và
93,1 91,1 97 83 61,4 54,4 50,4 59,6 99,4 100 98,3 100 0 20 40 60 80 100 120 CSO42- CMg+ Độ giảm nồng độ các io n N-ớc biển Mẫu sau ch-ng cất Mẫu sau lọc Mẫu sau lọc và ch-ng cất CNa+ CCl-
Hỡnh 3.21. Độ giảm nồng độ cỏc ion trong nước biển sau lọc và chưng cṍt
Từ cỏc kết quả trỡnh bày ở bảng và hỡnh cú thể thấy khi cú mặt cỏc ion trong dung dịch thỡ khả năng tỏch lọc của màng cú giảm nhưng khụng đỏng kể. Ngoài ra, khi xử lý chưng cất qua màng thỡ hiệu quả xử lý cao hơn. Cụ thể, hiệu suất lọc cao nhất chỉ đạt 59,5%, trong khi đú lọc và chưng cất thỡ hiệu suất xử lý rất cao, đặc biệt cú những ion cũn khụng phỏt hiện được trong dung dịch.
3.3.2. Tớnh năng tách lọc của màng TFC-PA, TFC-PA/GO, TFC PA/GO-TiO2