3.1.1.4. Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP (UV)
Bề mặt màng PES được trùng hợp ghép quang hóa với NVP dưới bức xạ UV, sử dụng các dung dịch NVP có nồng độ khác nhau ( 0.3 và 0.5 % (v/v)), thời gian trùng hợp ghép thay đổi từ 1 đến 10 phút. Kết quả đánh giá tính năng tách lọc protein của màng được đưa ra ở Bảng 3.3 và Hình 3.5 cho thấy, năng suất lọc trung bình và độ lưu giữ của các màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt đều cao hơn so với màng nền. Với cùng nồng độ NVP (0.3 hoặc 0.5 %), năng suất lọc của màng trùng hợp ghép đều tăng và đạt giá trị cao nhất khi thời gian trùng hợp ghép tăng từ 1 đến 3 phút, sau đó có xu hướng giảm nếu tiếp tục kéo dài thời gian trùng hợp. Với cùng thời gian trùng hợp ghép, việc sử dụng dung dịch NVP nồng độ 0.3 % cho màng có năng suất lọc cao hơn so với khi sử dụng dung dịch NVP nồng độ 0.5 %. Kết quả thực nghiệm có thể giải thích như sau: Sự hình thành lớp polyme ghép một mặt làm cho bề mặt màng trở nên chặt sít hơn, độ lưu giữ của màng do đó tăng lên so với màng nền. Đồng thời, lớp polyme ghép làm cho bề mặt màng trở nên ưa nước hơn, làm tăng năng suất lọc cho màng. Tuy nhiên, mật độ lớp ghép có ảnh hưởng đến độ cản thủy lực (hydraulic resistance) và đến một mức độ nào đó sẽ làm suy giảm năng suất lọc của màng. Khi tăng nồng độ monome (NVP) hoặc kéo dài thời gian trùng hợp, lớp ghép hình thành với mật độ cao hơn và do đó, làm cho năng suất lọc của màng có xu hướng giảm. Kết quả thực nghiệm cho thấy, với nồng độ NVP 0.3 %, thời gian trùng hợp ghép 3 phút dưới bức xạ UV (NVP 0.3%-UV 3min), màng có độ lưu giữ protein đạt ~ 98 %, năng suất lọc tăng trên 30% (J/Jo = 1,33) so với màng nền.
Bảng 3.3. Tính năng tách lọc của màng PES-g-NVP (UV)
J (L/m2.h) J/Jo R (%) Màng nền 13.11 1.00 84.12 NVP 0.3%-UV 1min 16.52 1.26 98.09 NVP 0.3%-UV 3min 17.50 1.33 98.14 NVP 0.3%-UV 10min 16.80 1.28 99.03 NVP 0.5%-UV 1min 13.44 1.03 99.02
NVP 0.5%-UV 3min 14.44 1.10 99.11
NVP 0.5%-UV 5min 13.30 1.01 99.10
NVP 0.5%-UV 7min 12.59 0.96 99.05
NVP 0.5%-UV 10min 12.95 0.99 99.07
Hình 3.5. Độ lưu giữ và năng suất lọc của màng PES-g-NVP (UV)
Bảng 3.4. Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-NVP (UV)
Thời gian (phút) Màng nền NVP 0.3% UV-1min NVP 0.3% UV-5min NVP 0.5% UV-5min 5 100 100 100 100 10 86 86 90 87 15 76 80 82 80 20 70 75 74 74 25 65 71 67 69 30 61 68 63 64 35 58 65 59 61 40 54 63 56 58
45 52 61 54 55
50 50 59 51 53
55 48 57 49 51
60 46 55 47 49
Kết quả so sánh mức độ duy trì năng suất lọc của màng theo thời gian trình bày ở Bảng 3.4 và Hình 3.6 cho thấy, năng suất lọc của màng nền và các màng biến tính bề mặt đều có xu hướng giảm dần theo thời gian tách lọc, tuy nhiên, các màng trùng hợp ghép bề mặt đều có mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian cao hơn so với màng nền.
Hình 3.6. Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PEG-g-NVP (UV)
Sự suy giảm năng suất lọc của màng theo thời gian là do sự hấp phụ của protein lên màng trong quá trình lọc tách. Kết quả so sánh lượng protein bị hấp phụ lên màng sau khi lọc tách được đưa ra ở Hình 3.7 cho thấy, lượng protein hấp phụ
lên màng trùng hợp ghép NVP thấp hơn rõ rệt so với màng nền. Sở dĩ như vậy là do bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép đã trở nên ưa nước và trơn nhẵn hơn, làm giảm lượng protein bị hấp phụ trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng trong quá trình lọc tách.
Hình 3.7. So sánh lượng protein hấp phụ trên màng PES và màng PES-g-NVP (UV)
3.1.2. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa-khử NVP lên bề mặt màng PES
3.1.2.1. Mức độ trùng hợp ghép
Trong thí nghiệm này, q trình trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa-khử (redox) sử dụng dung dịch NVP nồng độ 3 g/L, thời gian trùng hợp 3 phút lên bề mặt màng PES được thực hiện trong 3 điều kiện khác nhau:
(1) Khơi mào bằng K2S2O8 (0.01M), nhiệt độ trùng hợp ghép 300C (2) Khơi mào bằng K2S2O8 (0.01M), nhiệt độ trùng hợp ghép 600C
(3) Khơi mào bằng hỗn hợp K2S2O8(0.01M)/Na2S2O5 (0.01M), nhiệt độ 300C Kết quả thực nghiệm trình bày ở Bảng 3.5 và Hình 3.8 cho thấy, mức độ trùng hợp ghép lên bề mặt màng cao nhất khi tiến hành ở điều kiện (2) với chất khơi mào K2S2O8 và nhiệt độ phản ứng 600C, tiếp theo là ở điều kiện (3) với hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 và nhiệt độ phản ứng 300C và mức độ trùng hợp ghép thấp nhất khi tiến hành ở điều kiện (1), khơi mào bằng K2S2O8 và tiến hành phản ứng trùng hợp ở nhiệt độ 300C. Điều đó chứng tỏ, khi sử dụng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 phản ứng trùng hợp ghép có thể thực hiện được ở nhiệt độ thấp hơn. Nếu tiến hành ở cùng nhiệt độ thì việc dùng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 cũng cho mức độ trùng hợp ghép cao hơn so với khi sử dụng một mình K2S2O8.
Bảng 3.5. Mức độ trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa –khử NVP lên bề mặt màng PES
Điều kiện trùng hợp GD (%)
K2S2O8 (0.01M), 300C 0.14
K2S2O8 (0.01M), 600C 0.98
K2S2O8/Na2S2O5 (0.01M), 300C 0.70
Hình 3.8. Mức độ trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa-khử NVP lên bề mặt màng PES 3.1.2.2. Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP (redox)
Quá trình trùng hợp ghép được thực hiện với dung dịch NVP nồng độ 0.3%, thời gian trùng hợp ghép từ 1 đến 5 phút, sử dụng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 (0.01M), phản ứng trùng hợp ghép thực hiện ở nhiệt độ 300C. Kết quả thí nghiệm (Hình 3.9) cho thấy, với thời gian trùng hợp ghép từ 1 đến 3 phút, năng suất lọc của màng tăng lên khoảng 1.6 lần. Nếu tiếp tục kéo dài thời gian trùng hợp ghép đến 5 phút thì năng suất lọc của màng có xu hướng giảm. Độ lưu giữ protein của các màng trùng hợp ghép bề mặt khá ổn định và cao hơn so với màng nền (tăng từ 84% lên 91- 95%)
Khi thời gian trùng hợp ghép là 3 phút, nồng độ NVP thay đổi từ 0.1 đến 1.0%, dùng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 (0.01M) ở nhiệt độ 300C. Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng lọc tách của màng (Bảng 3.6, Hình 3.9) cho thấy, năng
suất lọc của màng tăng mạnh (từ 1.5 đến 1.6 lần) so với màng nền khi nồng độ NVP tăng từ 0.1 đến 0.3%, sau đó có xu hướng giảm nếu tiếp tục tăng nồng độ NVP, trong khi độ lưu giữ protein của màng vẫn được duy trì ổn định và cao hơn so với màng nền. Sự suy giảm năng suất lọc khi tăng nồng độ NVP hoặc khi kéo dài thời gian trùng hợp có thể là do sự tăng mức độ trùng hợp ghép đã làm tăng trở khối và/hoặc gây bít lỗ màng. Mặc dù vậy, năng suất lọc của các màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt vẫn luôn cao hơn so với màng nền
Bảng 3.6. Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP (redox)
J (L/m2.h) J/Jo R (%) Màng nền 14.09 1.00 84 NVP 0.1% redox 3min 21.50 1.53 93 NVP 0.3% redox 3min 22.68 1.61 92 NVP 0.4% redox 3min 22.82 1.62 94 NVP 1.0% redox 3min 21.98 1.56 95 NVP 0.3% redox 1min 20.57 1.46 93 NVP 0.3% redox 3min 22.68 1.61 92 NVP 0.3% redox 5min 19.02 1.35 91
0 20 40 60 80 100 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 màng nền 0.1 0.3 0.4 1 màng nền 1 3 5 R ( % ) J/ Jo J/Jo R (%) Nồng độ NVP (%) Thời gian (phút) Thời gian trùng hợp 3 phút NVP 0.3%
Hình 3.9. Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP (redox)
Mức độ duy trì năng suất lọc của màng nền PES và màng PES trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với NVP ở các điều kiện khác nhau được trình bày ở
Bảng 3.7 và Hình 3.10 cho thấy, năng suất lọc của màng nền và các màng biến tính
bề mặt đều có xu hướng giảm dần theo thời gian tách lọc, tuy nhiên, các màng trùng hợp ghép bề mặt đều có mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian cao hơn so với màng nền.
Bảng 3.7. Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-NVP (redox) Thời gian (phút) Màng nền NVP 0.1% redox 3min NVP 0.3% redox 3min NVP 1% redox 3min 5 100 100 100 100 10 89 90 92 89 15 81 82 84 82 20 74 75 78 76 25 68 69 72 71 30 63 65 67 66 35 59 61 64 63 40 55 58 61 59 45 52 55 58 57 50 50 53 56 54 55 48 51 53 52 60 46 49 52 50
Hình 3.11. So sánh tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP
Kết quả so sánh năng suất lọc của các màng PES trùng hợp ghép với NVP theo các phương thức khác nhau (khơi mào quang hóa và khơi mào oxy hóa khử) được đưa ra ở Hình 3.11 cho thấy, năng suất lọc của các màng sau khi trùng hợp ghép đều được nâng lên so với màng ban đầu. Trong cùng điều kiện trùng hợp ghép (dung dịch NVP nồng độ 0.3%, thời gian trùng hợp 3 phút), màng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử (hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5, nhiệt độ 300C) có năng suất lọc tăng 1.61 lần, tiếp đến là màng trùng hợp ghép quang hóa dùng tia UV cho năng suất lọc tăng 1.54 lần, và thấp nhất là màng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử (chất khơi mào K2S2O8, nhiệt độ 300
C) có năng suất lọc tăng 1.27 lần.
Từ các kết quả thực nghiệm thu được, có thể rút ra các điều kiện tương đối thích hợp để tiến hành q trình trùng hợp ghép NVP biến tính bề mặt màng PES như sau:
- Trùng hợp ghép dưới bức xạ tử ngoại (UV 300nm, 60W, khoảng cách 20cm), dung dịch NVP nồng độ 0.3%, thời gian trùng hợp ghép 3 phút
- Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử dùng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5, nhiệt độ trùng hợp ghép 300C, dung dịch NVP nồng độ 0.3%, thời gian trùng hợp ghép 3 phút.
3.2. Trùng hợp ghép poly(etylen glycol) metacrylat biến tính bề mặt màng PES
3.2.1. Trùng hợp ghép quang hóa PEGMA lên bề mặt màng PES.
3.2.1.1. Ảnh chụp SEM
Hình 3.12 là ảnh chụp SEM bề mặt các mẫu màng nền PES và màng PES
trùng hợp ghép bề mặt với PEGMA. Kết quả cho thấy sự hình thành lớp polyme ghép trên bề mặt màng đã làm cho bề mặt màng trở nên chặt sít hơn, kích thước lỗ bề mặt màng bị thu hẹp so với màng nền ban đầu.
Hình 3.12. Ảnh chụp SEM bề mặt màng PES (trái) và màng PES-g-PEGMA (phải)
3.2.1.2. Phổ hồng ngoại phản xạ
Phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng PES trước và sau khi trùng hợp ghép với PEGMA được đưa ra ở Hình 3.13. Với màng nền PES, có thể quan sát thấy dải hấp thụ đặc trưng cho dao động của liên kết S=O trong vùng 1000 – 1320 cm-1, dải hấp thụ trong vùng 1400-1600 cm-1
đặc trưng cho dao động của liên kết C=C trong vòng thơm. Phổ hồng ngoại bề mặt màng PES-g-PEGMA cho thấy sự xuất hiện tín hiệu hấp thụ tại 1734 cm-1
, 3066 cm-1và 3095 cm-1, có thể do dao động của các liên kết C=O và C-H của PEGMA được trùng hợp ghép lên bề mặt màng.
Hình 3.13. Phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng PES và màng PES-g-PEGMA
3.2.1.3. Mức độ trùng hợp ghép
Bảng 3.8 và Hình 3.14 trình bày kết quả thực nghiệm xác định mức độ trùng
hợp ghép PEGMA lên bề mặt màng PES, thí nghiệm được thực hiện với nồng độ dung dịch PEGMA là 0.3, 0.5 và 1.0 % (v/v), thời gian trùng hợp ghép từ 1 đến 5 phút, sử dụng nguồn bức xạ UV (bước sóng 300 nm, cơng suất 60W, khoảng cách 20cm). Kết quả cho thấy, mức độ trùng hợp ghép tăng theo nồng độ PEGMA và thời gian trùng hợp. Với cùng thời gian trùng hợp ghép là 3 phút, mức độ trùng hợp ghép tăng dần từ 0.28 đến 0.85 % khi nồng độ PEGMA tăng từ 0.3 đến 1.0 % (v/v). Với cùng nồng độ PEGMA 0.5 %, thời gian trùng hợp tăng từ 1 đến 5 phút, mức độ trùng hợp ghép tăng từ 0.42 đến 0.71 %.
Bảng 3.8: Mức độ trùng hợp ghép quang hóa PEGMA lên bề mặt màng PES
Nồng độ PEGMA, thời gian trùng hợp ghép GD (%)
PEGMA 0.3%, 3 phút 0,28
PEGMA 0.5%, 1 phút 0,42
PEGMA 0.5%, 3 phút 0,56
PEGMA 0.5%, 5 phút 0,71
PEGMA 1.0%, 3 phút 0,85
Hình 3.14. Mức độ trùng hợp ghép quang hóa PEGMA lên bề mặt màng PES
3.2.1.4. Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-PEGMA (UV)
Trong thí nghiệm này, ảnh hưởng của các điều kiện trùng hợp ghép như nồng độ PEGMA và thời gian trùng hợp đến tính năng lọc tách protein được khảo sát và so sánh với màng nền. Bề mặt màng trước hết được kích thích dưới bức xạ UV trong 60s, sau đó tiến hành q trình trùng hợp ghép dưới bức xạ UV trong những khoảng thời gian khác nhau (1 phút, 3 phút, 5 phút), sử dụng các dung dịch PEGMA có nồng độ khác nhau (0.3 %, 0.5 % và 1.0 %). Kết quả đánh giá tính năng tách lọc protein của màng được đưa ra ở Bảng 3.9 và Hình 3.15 cho thấy độ lưu giữ
của màng tăng mạnh từ 84% của màng nền lên 98-99 % cho các màng trùng hợp ghép, năng suất lọc trung bình của màng có thể tăng từ 1.7 đến 2.1 lần so với màng ban đầu. Khi thay đổi nồng độ dung dịch PEGMA, với thời gian trùng hợp như nhau, nồng độ PEGMA 0.5 % cho kết quả tốt về năng suất lọc cũng như độ lưu giữ .
Bảng 3.9. Tính năng tách lọc protein của màng PES-g-PEGMA (UV)
J (L/m2.h) J/Jo R (%)
Màng nền PES 13.03 1.00 84
PES-g-PEGMA 0.3%-UV 1min 22.80 1.75 99
PES-g-PEGMA 0.3%-UV 3min 22.41 1.72 99
PES-g-PEGMA 0.3%-UV 5min 24.36 1.87 95
PES-g-PEGMA 0.5%-UV 1min 27.75 2.13 99
PES-g-PEGMA 0.5%-UV 3min 27.75 2.13 99
PES-g-PEGMA 0.5%-UV 5min 27.10 2.08 99
PES-g-PEGMA 1.0%-UV 1min 25.54 1.96 99
PES-g-PEGMA 1.0%-UV 3min 25.93 1.99 97
PES-g-PEGMA 1.0%-UV 5min 26.84 2.06 95
Có thể nhận thấy, các màng sau khi trùng hợp ghép đều có năng suất lọc trung bình và độ lưu giữ protein cao hơn so với màng nền. Sự tăng độ lưu giữ là do bề mặt màng đã trở nên chặt khít hơn do sự hình thành lớp ghép trên bề mặt màng sau khi trùng hợp, lớp ghép này đồng thời làm cho bề mặt màng trở nên ưa nước hơn, năng suất lọc của màng do đó được nâng lên.
Bảng 3.10 và Hình 3.16 biểu diễn độ giảm năng suất lọc theo thời gian của
màng nền PES và màng PES trùng hợp ghép quang hóa bề mặt với PEGMA ở các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy năng suất lọc của tất cả các màng đều giảm dần theo thời gian lọc. Tuy nhiên, năng suất lọc của màng nền giảm nhanh hơn so với màng đã được trùng hợp ghép bề mặt. Ví dụ, sau 60 phút lọc, năng suất lọc của màng nền giảm còn khoảng 51% so với lúc đầu, trong khi màng trùng hợp ghép PEGMA (nồng độ 0.5% trong 3 phút dưới bức xạ UV) năng suất lọc vẫn duy trì được trên 70%. Điều đó cho thấy, màng sau khi biến tính bề mặt màng có khả năng chống tắc (antifouling) tốt hơn.
Bảng 3.10. Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-PEGMA (UV)
Thời gian (phút) Màng nền PEGMA 0.3% UV 1min PEGMA 0.5% UV 3min PEGMA 0.5% UV 5min 5 100 100 100 100 10 86 97 92 89 15 79 91 87 83 20 73 88 84 79 25 70 86 82 76 30 67 85 80 73 35 63 83 78 71 40 61 82 77 70 45 58 81 76 68 50 56 80 74 67 55 53 79 73 66 60 51 78 72 65
Hình 3.16. Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-PEGMA (UV)
Kết quả so sánh lượng protein bị hấp phụ lên màng sau khi lọc tách được đưa