Hình 3.13. Hệ số fouling bất thuận nghịch của màng
Từ các kết quả thực nghiệm thu được có thể rút ra một số nhận xét sau: Quá trình trùng hợp ghép quang hóa PEG lên bề mặt màng lọc polyamit BW30 đã làm thay đổi đặc tính bề mặt và tính năng tách lọc của màng đối với axit humic trong môi trường nước. Bề mặt màng trở nên ưa nước hơn, độ thô nhám bề mặt màng giảm xuống so với màng ban đầu, tính năng tách lọc của màng được nâng
lên với sự tăng đồng thời của cả độ lưu giữ và năng suất lọc trung bình, trong khi mức độ tắc màng giảm đáng kể với sự duy trì năng suất lọc tốt hơn và khả năng phục hồi năng suất lọc cao hơn so với màng khơng biến tính bề mặt.
Tiếp theo, chúng tôi tiến hành nghiên cứu trùng hợp ghép quang hóa axit acrylic (AA) lên bề mặt màng polyamit BW30.
3.3. Trùng hợp ghép quang hóa biến tính bề mặt màng với axit acrylic
Trong thí nghiệm này, bề mặt màng được trùng hợp ghép với AA dưới bức xạ tử ngoại (nguồn sáng công suất 60W, khoảng cách 20cm, bước sóng 300nm). Các điều kiện biến tính được khảo sát bao gồm thời gian trùng hợp và nồng độ của AA trong dung dịch. Do chứa các nhóm cacbonyl C=O và hydroxyl OH trong phân tử nên khi được trùng hợp ghép lên bề mặt màng, AA cũng có thể làm tăng tính ưa nước cho màng. Mặt khác, màng sau khi trùng hợp ghép với AA có khả năng làm giảm sự hấp phụ của AH lên màng trong quá trình lọc, do lực đẩy tĩnh điện giữa các phân tử axit humic mang điện tích âm và bề mặt màng.
3.3.1. Đặc tính bề mặt màng
3.3.1.1. Phổ hồng ngoại phản xạ
Phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng PA trùng hợp ghép quang hóa với AA trong các điều kiện khác nhau được đưa ra ở Hình 3.14.
Kết quả cho thấy sự xuất hiện các pic hấp thụ với cường độ tăng lên rõ rệt trong vùng 1720 – 1740 cm-1, chứng tỏ sự có mặt của nhóm cacbonyl C=O do AA đã được trùng hợp ghép lên bề mặt màng. Khi có mặt nhóm chức ưa nước trên bề mặt, khả năng tắc màng sẽ giảm. Kết quả cũng cho thấy cường độ pic trong vùng này tăng lên theo thời gian trùng hợp và nồng độ của AA trong dung dịch, là do sự tăng lên của mật độ trùng hợp ghép trên bề mặt màng.
Hình 3.14. Phổ hồng ngoại phản xạ của màng BW30 và màng trùng hợp
3.3.1.2. Ảnh AFM
Kết quả chụp hiển vi lực nguyên tử (Hình 3.15) cho thấy cấu trúc hình thái bề mặt màng thay đổi sau khi trùng hợp ghép với AA. Độ thô nhám bề mặt của các màng trùng hợp ghép giảm đi so với màng ban đầu (Bảng 3.3.), với các giá trị Ra và Rms của màng nền là 253 nm và 305 nm giảm xuống 135 nm và 169 nm sau khi trùng hợp ghép bề mặt.
BW30 BW30-10AA-UV1min BW30-10AA-UV5min
Hình 3.15. Ảnh chụp AFM bề mặt màng BW30 màng trùng hợp ghép với AA
Bảng 3.3. Độ thô nhám bề mặt màng trước và sau khi trùng hợp ghép với AA
Màng Ra (nm) Rms (nm) Màng BW30 253 305 Màng BW30-10AA- UV1min 168 215 Màng BW30-10AA-UV5min 135 169
Bảng 3.4. Giá trị góc thấm ướt của màng BW30 và màng BW30-AA Màng Ảnh góc tiếp xúc Giá trị góc thấm ướt
BW30 51.0079o
BW30-AA (AA10g/L,UV 7min)
22.4980o
Bảng 3.4. là kết quả đo góc thấm ướt bề mặt màng trước và sau khi trùng hợp ghép với AA. Kết quả cho thấy góc tiếp xúc của nước bề mặt màng giảm từ trên 510
xuống khoảng 22.50 sau khi trùng hợp ghép với AA, là do sự có mặt của các nhóm chức C=O và OH của axit cacboxylic trên bề mặt màng, đã làm cho bề mặt màng trở nên ưa nước hơn
3.3.1.3. Độ thấm nước của màng
Hình 3.16. là kết quả so sánh độ thấm nước chuẩn của màng trước và sau khi trùng hợp ghép bề mặt với AA trong các điều kiện khác nhau. Kết quả thu được cho thấy hầu hết các màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt với AA đều có độ thấm nước cao hơn so với màng nền (15-23%).
3.3.2. Tính năng lọc tách axit humic
Kết quả đánh giá độ lưu giữ và năng suất lọc trung bình của màng nền và các màng trùng hợp ghép được thể hiện trên Hình 3.17. cho thấy, độ lưu giữ của màng trùng hợp ghép AA được duy trì tương đương hoặc tăng lên so với màng ban đầu, độ lưu giữ axit humic có thể tăng từ 63 lên 83% (đo TOC) và từ 93% lên 99.6% (đo UV). Năng suất lọc trung bình của các màng trùng hợp ghép tăng rõ rệt (từ 25-30%) so với màng ban đầu. Kết quả so sánh lượng AH bị hấp phụ lên màng sau khi lọc (Hình 3.18) cho thấy lượng AH hấp phụ lên màng đều giảm so với màng ban đầu.
Hình 3.18. Lượng AH bị hấp phụ trên bề mặt màng sau khi lọc
Để đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện trùng hợp ghép AA đến tính năng lọc tách của màng, quá trình trùng hợp ghép được thực hiện ở các điều kiện khác nhau, nồng độ AA được thay đổi trong khoảng từ 3 đến 30 g/L và thời gian trùng hợp trong khoảng từ 3 đến 10 phút dưới bức xạ UV. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện trùng hợp ghép được trình bày trong các Hình 3.19. và Hình 3.20.
3.3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép AA dưới bức xạ UV
Kết quả thực nghiệm cho thấy, với cùng nồng độ AA, năng suất lọc trung bình của màng có khuynh hướng tăng khá rõ rệt (cao hơn 20-30% so với màng nền) trong khoảng thời gian trùng hợp là 3 phút, sau đó tăng chậm lại hoặc hầu như khơng thay đổi, thậm chí giảm nhẹ khi thời gian trùng hợp kéo dài đến 10 phút (tuy vẫn cao hơn so với màng nền ban đầu). Sở dĩ như vậy là do sự hình thành lớp polyme ghép trên bề mặt màng, làm cho bề mặt màng trở nên ưa nước hơn, đồng thời sự hấp phụ của AH trên bề mặt màng trong quá trình lọc giảm xuống, do đó năng suất lọc trung bình của màng tăng. Sự suy giảm năng suất lọc của màng khi thời gian trùng hợp kéo dài là do sự tăng trở khối thủy lực do chiều dày lớp ghép tăng. Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy, độ lưu giữ RUV của màng tăng nhẹ hoặc tương đương màng nền, độ lưu giữ RTOC tăng khá mạnh (từ 63 lên > 80%) theo thời gian trùng hợp trong vịng 3-5 phút, sau đó gần như khơng đổi.
3.3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch AA
Kết quả khảo sát (Hình 3.20.) với cùng khoảng thời gian trùng hợp, khi nồng độ dung dịch AA thay đổi từ 3 đến 20 g/L cho thấy, năng suất lọc trung bình của màng đều tăng mạnh so với màng nền BW30, cao hơn từ 20-30%. Độ lưu giữ RUV của hầu hết màng biến tính tương đương so với màng nền, trong khi độ lưu giữ RTOC tăng khá rõ rệt (từ 63 lên 78- 80%).
3.2.2.3. Khả năng chống tắc (antifouling)
Kết quả đánh giá mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian của các màng nền và màng trùng hợp ghép với AA đưa ra trong Hình 3.21. cho thấy, hầu hết các màng sau khi trùng hợp ghép đều có mức độ duy trì năng suất lọc cao hơn so với màng nền. Sau 60 phút lọc, năng suất lọc của màng không trùng hợp ghép bề mặt giảm còn khoảng trên 80 %, trong khi năng suất lọc của các màng trùng hợp ghép được duy trì trong khoảng 85-87 %. Kết quả đánh giá hệ số fouling bất thuận nghịch FRw (Hình 3.22.) cũng cho thấy các màng sau khi trùng hợp ghép đều có hệ số FRw nhỏ hơn so với màng ban đầu.
Hình 3.22. Hệ số FRw của màng BW30 và các màng trùng hợp ghép với AA
Từ các kết quả thực nghiệm thu được có thể rút ra một số nhận xét sau: Quá trình trùng hợp ghép quang hóa AA lên bề mặt màng lọc polyamit BW30 đã làm thay đổi đặc tính bề mặt cũng như tính năng tách lọc của màng đối với axit humic trong môi trường nước. Bề mặt màng trở nên ưa nước hơn, độ thô nhám bề mặt màng giảm xuống so với màng ban đầu, tính năng tách lọc của màng được nâng lên với sự duy trì năng suất lọc cao hơn và khả năng phục hồi năng suất lọc tốt hơn so với màng khơng biến tính bề mặt.
Trong nghiên cứu này, khi so sánh đặc tính của các màng được trùng hợp ghép với PEG và với AA, có thể thấy trong cả hai trường hợp độ lưu giữ của các màng sau khi biến tính đều tương đương hoặc tăng lên so với màng nền ban đầu, trong đó độ lưu giữ RUV tăng nhẹ từ 93 lên 95-98%, độ lưu giữ RTOC tăng mạnh từ 63 lên khoảng trên 80%. Độ thấm nước và năng suất lọc trung bình của các màng trùng hợp ghép với AA tăng nhiều hơn so với màng trùng hợp ghép PEG. Tuy nhiên, mức độ duy trì năng suất lọc của màng trùng hợp ghép với PEG cao hơn so với màng trùng hợp ghép AA.
KẾT LUẬN
Sau khi tiến hành nghiên cứu một số điều kiện biến tính bề mặt màng lọc polyamit BW30 bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa với poly(etylen)glycol và axit acrylic dưới bức xạ UV bằng phương pháp ngâm chìm, từ các kết quả thực nghiệm thu được có thể rút ra một số kết luận chính sau:
1. Đặc tính bề mặt màng PA thay đổi sau khi được trùng hợp ghép quang hóa với PEG và AA Phổ hồng ngoại phản xạ cho thấy sự xuất hiện và tăng cường của các nhóm chức như OH và C=O trên bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép. Phép đo hiển vi lực nguyên tử cho thấy bề mặt màng trở nên trơn nhẵn hơn với các giá trị Ra và Rms giảm mạnh so với màng nền.
2. Bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép ưa nước hơn với góc thấm ướt giảm mạnh sau khi trùng hợp ghép với PEG và AA. Độ thấm nước của màng sau khi trùng hợp ghép có thể tăng 20-25% (trùng hợp ghép với PEG) và tăng 15-20 % (trùng hợp ghép với AA) so với màng ban đầu.
3. Độ lưu giữ của màng với axit humic sau khi trùng hợp ghép cao hơn so với màng nền, đối với thành phần hữu cơ trọng lượng phân tử lớn độ lưu giữ (RUV) có thể tăng nhẹ từ 93 lên 95-98%, trong khi với thành phần hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp độ lưu giữ (RTOC) có thể tăng từ khoảng 60 lên trên 80%.
4. Năng suất lọc trung bình của các màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt được nâng lên rõ rệt so với màng nền, có thể cao hơn 10-18% (với PEG) và 25-30% (với AA). Khả năng chống tắc của các màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt cũng được cải thiện đáng kể, với độ giảm năng suất lọc chậm hơn và khả năng phục hồi năng suất lọc tốt hơn so với màng ban đầu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Ngô Hồng Ánh Thu, Đỗ Đình Khải, Trần Thị Dung (2015), “Đánh giá một số chỉ tiêu tách lọc của màng polyamid BW30 sau khi trùng hợp ghép quang hóa bề mặt”,
Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam, 1 (4), 12-17.
2. Ngô Hồng Ánh Thu, Đồn Thị Hịa, Trần Thị Dung (2015), “Các đặc tính của màng compozit BW30 trùng hợp ghép quang hóa với anhydrit maleic”, Tạp chí hóa
học, 53 (4e1), 113-116.
3. Trần Thị Dung, Ngô Hồng Ánh Thu, Cù Thị Vân Anh (2015), “Trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng lọc nano TW30”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học,
20 (1), 37-43.
Tiếng Anh
4. A.S. Al-Amoudli, R.W. Lovitt (2007), “Fouling strategies and the cleaning system of NF membranes and factors affecting cleaning efficiency”, J. Memb. Sci., (303), 4–28.
5. B. Dong, H. Jiang, S. Manolache, A.C. Lee Wong and F.S. Denes (2007),
“Plasma-mediated grafting of poly(ethylene glycol) on polyamide and polyester surfaces and evaluation of antifouling ability of modified substrates”, Langmuir
(23), 7306–7313.
6. Dattatray S.Wavhal, Ellen R.Fisher (2002), “Hydrophilic modification of polyethersulfone membranes by low temperature plasma-induced graft polymerization”, Journal of Membrane Science 209, pp. 255-269.
7. D.Emadzadeh, W.J.Lau, M.Rahbari-Sisakht, A.Daneshfar, M.Ghanbari, A.Mayahi, T.Matsuura, A.F.Ismail (2015), “A novel thin film nanocomposite reverse osmosis membrane with superior anti-organic fouling affinity for water desalination”, Desalination 368, pp. 106-113.
8. E.M. Vrijenhoek, S. Hong and M. Elimelech (2001), “Influence of membrane
surface proper-ties on initial rate of colloidal fouling of reverse osmosis and nanofiltration membranes”, J. Memb. Sci., (188), 115–128.
9. Escobar, I.C., Hoek, E.M., Gabelich, C.J., (2005), “Committee report: recent
advances and research needs in membrane fouling”, J. Am. Water Works Assoc.,
10. E.M. Van Wagner, A.C. Sagle, M.M. Sharma, Y-H. La, B.D. Freeman (2011),
“Surface modification of commercial polyamide desalination membranes using poly(ethylene glycol) diglycidyl ether to enhance membrane fouling resistance”, J.
Membr. Sci., (367), 273-287.
11. E.Bet-moushoul, Y.Mansourpanah, Kh.Farhadi, M.Tabatabaei (2016), “TiO2 nanocomposite based polymeric membranes: A review on performance improvement for various applications in chemical engineering processes”, Chemical
Engineering journal 283, pp. 29-46.
12. Elizabeth M.Van Wagner, Alyson C.Sagle, Mukul M.Sharma, Young-Hye La,
Benny D.Freeman (2011), “Surface modification of commercial polyamide desalination membranes using poly(ethylene glycol) diglycidyl ether to enhance membrane fouling resistance”, Journal of Membrane science 367, pp. 273-287
13. Figoli A., De Luca G., Longavita E., and Drioli E. (2007), “PEEKWC Capsules
Prepared by Phase Inversion Technique: A Morphological and Dimensional Study”, Separation Science and Technology, Vol. 42, 2809 – 2827.
14. Flemming, H.C. (1997), “Reverse osmosis membrane biofouling”, Exp.Therm. Fluid Sci., (14), 382-391.
15. Flemming H.C., Schaule G., Griebe T., Schmitt J. and Tamachkisrowwa A. (1997), “Biofouling – The Achilles heel of membrane processes”, Desalination,
(113), 215-225.
16. H. Yamagishi, J.V. Crivello and G. Belfort (1995), “Development of a novel photochemical technique for modifying poly(arylsulfone) ultrafiltration membranes”, J. Memb. Sci., (105), 237–248.
17. Hasson, D., Drak, A. and Semiat, R. (2001), “Inception of CaSO4 scaling on RO
membranes at various water recovery levels”, Desalination, (139), 73-81.
18. Hilal, N., Al-Khatib, L., Al-Zhoubi, H., Nigmatulin, R. (2005), “Atomic force microscopy study of membranes modified by surface grafting of cationic polyelectrolyte”, Desalination, (184), 45-55.
19. Hong, S. and Elimelech, M. (1997), “Chemical and physical aspects of natural
organic matter (NOM) fouling of nanofiltration membranes”, J. Membr. Sci., (132), 159-181
20. H.K.Shon, S.Phuntsho, D.S.Chaudhary, S.Vigneswaran, J.Cho (2013), “Nanofiltration for water and wastewater treatment-a mini review”, Drinking water Engineering and sciene 6, pp. 47-53.
21. I. Gancarz, J. Bryjak, M. Bryjak and G. Pozniak (2003), “Plasma modified
polymes as a sup-port for enzyme immobilization. 1. Allyl alcohol plasma”, Eur. Polym. J,. (39), 1615–1622.
22. J. Pieracca, J.V. Crivello, G. Belfort. (1999), “Photochemical modification of 10 kDa polyethersulfone ultrafiltration membranes for reduction of biofouling”, J. Membrane. Sci., (156), 223-24022.
23. Kato K. Uchida E., Kang E.T., Uyama Y. and Ikada Y. (2003) “Polymer surface
with graft chains”, Prog. Polym. Sci., (28), 209-259.
24. Kimura, K., Hane, Y., Watanabe, Y., Amy, G. and Ohkuma, N. (2004),
“Irreversible membrane fouling during ultrafiltration of surface water” Water Res.
(38), 3431-3441.
25. Killduff, J.E., Mattaraj, S., Pieracci, J.P. và Belfort (2000), “Photochemical modification of poly(ether sulfone) and sulfonated poly(sulfone) nanofiltration membranes for control of fouling by natural organic matter”, Desalination, (132),
133-142.
26. Mazrul N. Abu Seman, Mohamed, Khayet, and Nidal Hilal (2012), “Membrane
Modification: Technology and Applications: Development of Antifouling Properties and Performance of Nanofiltration Membranes by Interfacial Polymerization and Photografting Techniques”, CRC Press Taylor & Fracis Group, 119-153.
27. N. Hilal, L. Al-Khatib, B.P. Atkin, V. Kochkodan, N. Potapchenko (2003), “Photochemical modification of membrane surfaces for (bio)fouling reduction: a nano-scale study using AFM”, Desalination, (158), 65-72.
28. Pieracci J., Wood D.W., Crivello J.V. and Belfort G. (2000), “UV-assisted graft
polymerization of N-vinul-2-pyrrolidone onto poly(ether sulfone) ultrafiltration membranes: Comparison of dip versus immersion modification techniques”, Chem. Mater, (12), 2123-2133
29. Potts, D.E., Ahlert, R.C. and Wang, S.S. (1981), “A critical review of fouling of
reverse osmosis membranes” Desalination, (36), 235-264.
30. Ridgway H.F., Rigby M.G. and Argo D.G. (1984), “Adhesion of a
Mycobacterium sp. to cellulose diacetate membranes used in reverse osmosis” Appl.
31. Viatcheslav Freger*, Jack Gilson, Sofia Belfer (2002), “TFC polyamide