6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.5.4. Khối lượng ngắt phân tử và sự phân bố kích thước lỗ của các màng CAB,
Khối lượng ngắt phân tử (MWCO) và sự phân bố kích thước lỗ ở lớp bề mặt hoạt động của các màng nghiên cứu được xác định thông qua thí nghiệm lọc với các dung dịch PEG có khối lượng phân tử khác nhau. Đồ thị biểu thị quan hệ giữa hiệu suất tách và khối lượng phân tử PEG của các màng nghiên cứu được thể hiện trên Hình 3.34a. Các giá trị MWCO được thể hiện trong Bảng 3.14. Theo Hình 3.34a và Bảng 3.14 ta thấy giá trị MWCO tương ứng với màng CAB và CA/MnO2-2 là 296,654 kDa và 76,418 kDa. Như vậy, màng pha trộn nano MnO2 thu được có cấu trúc lỗ chặt khít hơn màng CA không pha trộn, điều này có thể được giải thích là do các nano MnO2 đã phân tán chen đều vào các lỗ xốp của ma trận polymer, kết quả này cũng phù hợp với ảnh SEM. Giá trị MWCO của màng phủ PDA (màng CA/PDA-2) là 1363 Da, sau khi kết hợp Ag/MnO2 giá trị tương ứng của màng CA/PDA-Ag/MnO2 là 1632 Da, ứng với các giá trị MWCO này thì hai màng này được xếp vào màng lọc nano áp suất thấp [85].
Các đường tuyến tính giữa hiệu suất tách chất tan PEG và đường kính Stokes của các màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2 được thể hiện trên Hình 3.34b. Các giá trị kích thước lỗ trung bình hiệu dụng và độ lệch chuẩn
được trình bày trong Bảng 3.14. Đường phân bố kích thước lỗ trung bình hiệu dụng thể hiện trên Hình 3.35. Các màng có lượng lớn những lỗ có bán kính trung bình hẹp và phân bố kích thước lỗ đồng đều thì hiệu quả lọc sẽ tốt hơn [185], [246]. Vì vậy, dựa vào Bảng 3.14 và Hình 3.35a ta thấy giá trị kích thước lỗ trung bình của màng CA/MnO2-2 nhỏ hơn và có sự phân bố kích thước lỗ hẹp và tập trung hơn so với màng CAB nên hiệu quả lọc sẽ tốt hơn và bề mặt đồng nhất hơn. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với thông lượng dòng thấm và phân tích AFM bề mặt.
Hình 3. 34. Các đường hiệu suất tách PEG ứng với các khối lượng phân tử PEG
khảo sát (a) và đường tuyến tính giữa bán kính Stokes với hiệu suất tách các PEG (b) ở nồng độ 500 ppm của màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và màng
CA/PDA-Ag/MnO2-2
Bảng 3.14. Kích thước lỗ xốp trung bình, độ lệch chuẩn hình học và khối lượng
ngắt phân tử của màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2.
Màng p (nm) p MWCO (kDa)
CAB 20,15 1,76 291,654
CA/MnO2-2 10,57 1,64 76,418
CA/PDA-2 1,12 1,66 1,363
Hình 3.35.Đường phân bố kích thước lỗ của màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA- 2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2
Từ Bảng 3.14, ta thấy kích thước lỗ trung bình của màng CA/PDA-Ag/MnO2
là 1,50 1,32 (nm) lớn hơn màng CA/PDA là 1,12 1,66 (nm). Trên Hình 3.35b, sự phân kích thước lỗ của màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 hẹp hơn, đỉnh nhọn hơn và tập trung đối xứng hơn. Kết quả này chứng tỏ khi đưa thêm Ag/MnO2 vào quá trình lắng đọng với PDA đã làm cho lớp phủ bề mặt lỏng, ít chặt khít hơn và do đó làm tăng kích thước lỗ và MWCO của màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 hoàn toàn phù hợp với giải thích ở phần thông lượng dòng thấm của màng.
3.5.5. Khả năng kháng tắc nghẽn của màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và màng CA/PDA-Ag/MnO2-2
Các hợp chất hữu cơ từ thức ăn, thuốc bảo vệ thực vật, các ngành công nghiệp hóa chất, hóa dược phẩm,… không thể tránh khỏi trong các nguồn nước thải ra môi trường. Do đó, tắc nghẽn hữu cơ là một ảnh hưởng cố hữu ảnh hưởng đến hiệu suất lâu dài của màng lọc trong xử lý nước. Thông lượng dòng thấm của các màng ở áp suất 1 bar với nước cất và dung dịch BSA qua hai vòng như trình bày ở phần thực nghiệm, được thể hiện trên Hình 3.36a. Trong Hình 3.36a, thông lượng dòng thấm nước của các màng qua hai vòng, thông lượng của màng CAB và các màng biến tính CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 giảm nhanh chóng xuống lần lượt là 54,31%, 45,47%, 33,98% và 35,69% ở vòng đầu tiên. Sự giảm thông lượng có thể là do lớp chất ô nhiễm được tạo thành bởi sự hấp phụ protein. Các phân
tử protein tạo tương tác không thuận nghịch với bề mặt màng bằng liên kết hydro hay tương tác tĩnh điện hoặc tương tác kỵ nước, chúng hấp thụ nhanh và mạnh lên bề mặt màng hình thành lớp chất gây tắc nghẽn trên màng, làm lấp các lỗ xốp và tăng trở lực đối với dòng chảy qua màng. Tuy nhiên, các màng biến tính cho thấy mức giảm thông lượng đều thấp hơn 50% và thấp hơn màng CAB. Những kết quả này có thể được giải thích bởi tính ưa nước được cải thiện của các màng biến tính bằng cách thêm các hạt nano.
Hình 3.36. Thông lượng dòng thấm nước của nước cất và dung dịch BSA 500
ppm (a), tỉ lệ thu hồi thông lượng và các giá trị trở lực (b) của màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và màng CA/PDA-Ag/MnO2-2
Kết quả các thông số tỉ lệ phục hồi thông lượng, các thông số tổng tỉ lệ tắc nghẽn (Rt), tỉ lệ tắc nghẽn thuận nghịch (Rr) và tỉ lệ bám bẩn không thể đảo ngược (Rir) được tóm tắt trong Bảng 3.15 và thể hiện trong Hình 3.36b. Tỉ lệ thu hồi thông lượng FRR lần lượt là 83,62%, 91,82%, 94,32% và 94,06% đối với CAB, CA/MnO2- 2, CA/PDA-2 và màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 sau chu kỳ đầu tiên. Mặc dù các màng biến tính cũng cho thấy một lượng nhỏ mất thông lượng, nhưng tỉ lệ thu hồi tuyệt vời của chúng (trên 90%) đã chứng minh rằng lưu lượng nước bị mất có thể dễ dàng khôi phục. Màng có FRR và Rr cao thì phần lớn hiệu ứng bám bẩn là có thể đảo ngược và thông lượng dòng thấm có thể được phục hồi sau quá trình lọc protein bằng việc làm sạch thủy lực các cặn bẩn bám yếu [104], [146].
Bảng 3.15. Kết quả khảo sát thông lượng, tỉ lệ thu hồi thông lượng và các trở lực của các màng chế tạo Màng Vòng 1 Vòng 2 FRR (%) Rt (%) Rr (%) Rir (%) FRR (%) Rt (%) Rr (%) Rir (%) CAD 91,67 56,67 48,33 8,33 86,36 55,45 41,82 13,64 CADA 82,61 56,52 39,13 17,39 78,95 60,00 38,95 21,05 CAB 83,62 54,31 37,93 16,38 84,54 53,61 38,14 15,46 CA/MnO2 91,82 45,47 37,30 8,18 91,52 43,91 35,43 8,48 CA/PDA-2 94,32 33,98 28,30 5,68 92,35 35,99 28,34 7,65 CA/PDA- Ag/MnO2 94,06 35,69 29,75 5,94 92,96 34,68 27,64 7,04 Từ những giá trị Rt, Rr và Rir cho thấy rằng các màng đã chế tạo có đặc tính chống tắc nghẽn rất tốt. Màng CA/PDA-2 và màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 cho kết quả kháng tắc nghẽn tốt nhất. Hai màng này có giá trị góc thấm ướt nhỏ nhất mà tính ưa nước bề mặt thông qua giá trị góc thấm ướt tỉ lệ thuận với khả năng chống bám bẩn hữu cơ của màng. Sự hiện diện của một lớp mỏng PDA trên bề mặt cũng như số lượng lớn sẽ cải thiện tính ưa nước tổng thể của màng, dẫn đến sự hình thành lớp hydrate hóa trên bề mặt của màng [16]. Lớp này bao gồm các phân tử nước bảo vệ màng khỏi bị bám bẩn và nó hoạt động như một rào cản các chất bẩn bám vào bề mặt màng, hạn chế sự bám bẩn của màng bên ngoài ở mức độ lớn. Ngoài ra, bản thân lớp phủ PDA có ái lực kém đối với các chất bám bẩn và do đó nó giảm thiểu hơn nữa sự tương tác giữa chất bám bẩn và màng trần. Đồng thời, lớp phủ bề mặt của PDA cũng cải thiện tính thấm nước của các bề mặt lỗ và do đó sự bám bẩn của màng bên trong cũng sẽ được giảm thiểu. Hơn nữa sự hiện diện của nano Ag/MnO2
bẩn hữu cơ và chống bám cặn sinh học của màng do tỉ lệ bề mặt trên thể tích cao, giúp ngăn ngừa lâu dài sự tắc nghẽn màng chống lại sự bám dính của các chất bẩn và vi khuẩn.
Tỉ lệ tách loại dung dịch BSA 500 ppm của các màng chế tạo được thể hiện trong Hình 3.37. Từ Hình 3.37, tất cả các giá trị cho tỉ lệ tách BSA của các màng biến tính là hơn 95%. Về mặt lí thuyết, khả năng lưu giữ của màng siêu lọc dựa trên cơ chế sàng lọc, kích thước tương đối của phân tử chất tan và kích thước lỗ của màng là yếu tố then chốt. Tuy nhiên, trong nghiên cứu của chúng tôi, tất cả các bề mặt màng gần như là cấu trúc dày đặc (như trong Hình 3.19a2-c2, 3.26(a, c, f)), đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ BSA cao.
Hình 3.37. Hiệu suất tách BSA của các màng CAD, CADA, CAB, CA/MnO2, CA/PDA và màng CA/PDA-Ag/MnO2
3.5.6. Kết quả kháng khuẩn của vật liệu màng CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2