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 ra ở Hình 3.17 cho thấy, lượng protein hấp phụ lên màng trùng hợp ghép PEGMA
thấp hơn so với màng nền. Sở dĩ như vậy là do bề mặt màng PES-g-PEGMA có thể 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 q trình lọc tách.
Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, các điều kiện trùng hợp ghép như nồng độ PEGMA, thời gian trùng hợp cũng có ảnh hưởng đến năng suất lọc và mức độ duy trì năng suất lọc của màng. Sở dĩ như vậy là do sự hình thành lớp polyme ghép với mật độ khác nhau trên bề mặt màng. Nồng độ PEGMA cao và thời gian trùng hợp dài hơn thì mật độ polyme ghép sẽ lớn hơn, làm tăng năng suất lọc cũng như khả năng chống tắc cho màng. Tuy nhiên đến một giới hạn nào đó của độ chặt sít bề mặt do sự tăng mật độ lớp ghép thì năng suất lọc trung bình của màng có xu hướng giảm. Do đó các điều kiện trùng hợp ghép cần phải được kiểm soát tốt. Trong các điều kiện trùng hợp ghép quang hóa PEGMA biến tính bề mặt màng PES đã khảo sát, điều kiện thích hợp xác định được là: nồng độ PEGMA 0.5% (v/v), thời gian trùng hợp ghép 3 phút dưới bức xạ UV (300nm, 60W, 20cm).
3.2.2. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử PEGMA lên bề mặt màng PES
3.2.2.1. Ảnh chụp SEM
Hình 3.18 là ảnh chụp SEM bề mặt và mặt cắt các mẫu màng nền PES và
màng PES trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với PEGMA.
Hình 3.18. Ảnh chụp SEM bề mặt (trên) và mặt cắt(dưới) các màng nền PES (trái) và màng PES-g-PEGMA (redox) (phải)
Kết quả cho thấy sự hình thành lớp polyme ghép trên bề mặt màng, bề mặt màng trở nên chặt sít hơn, kích thước lỗ bề mặt bị thu hẹp so với màng nền ban đầu.
3.2.2.2. Phổ hồng ngoại phản xạ
Hình 3.19 là phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng PES và màng PES trùng
hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với PEGMA.
Hình 3.19. Phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng nền PES (mẫu 0) và màng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với PEGMA (mẫu 2)
Trên phổ hồng ngoại của màng nền PES, có thể quan sát thấy dải hấp thụ đặc trưng cho dao động của nhóm S=O trong vùng 1000-1320 cm-1, dải hấp thụ trong khoảng 1400 - 1600 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C=C trong vòng thơm. Phổ hồng ngoại bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép cho thấy sự xuất hiện tín hiệu hấp thụ mới tại các vị trí 3095 cm-1, 3068 cm-1 và 1732 cm-1, tương ứng với các liên kết C-H và C=O của PEGMA được trùng hợp ghép lên bề mặt màng.
3.2.2.3. Mức độ trùng hợp ghép khi sử dụng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5
Quá trình trùng hợp ghép với hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 (tỷ lệ 1/1), dung dịch PEGMA nồng độ 0.5%, thời gian trùng hợp 7 phút. Kết quả thí nghiệm (Bảng
3.11 và Hình 3.20) cho thấy khi nồng độ chất khơi mào tăng từ 0,005 đến 0,045
mol/L, mức độ trùng hợp ghép tăng từ 0,14 lên đến 1,13%. Sở dĩ như vậy có thể là do khi tăng nồng độ chất khơi mào, gốc tự do SO4-.
được tạo thành nhiều hơn, quá trình trùng hợp ghép xảy ra với tốc độ nhanh hơn, mật độ polyme ghép do đó cao hơn.
Bảng 3.11. Mức độ trùng hợp ghép PEGMA (redox) lên bề mặt màng PES (hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5)
Nồng độ chất khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 (M) GD (%) 0.005 0.14 0.015 0.28 0.025 0.56 0.035 0.84 0.045 1.12
Hình 3.20. Mức độ trùng hợp ghép PEGMA lên bề mặt màng PES (redox) (hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5)
3.2.2.4. Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-PEGMA (redox)
Bảng 3.12 và Hình 3.21 là kết quả đánh giá tính năng lọc tách protein của
màng PES trùng hợp ghép bề mặt với PEGMA, sử dụng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 tỷ lệ 1/1, nồng độ 0.025M. Ảnh hưởng của nồng độ PEGMA và thời gian trùng hợp ghép được khảo sát. Từ Hình 3.21 có thể nhận thấy tính năng
lọc tách của màng PES-g-PEGMA (redox) được nâng lên rõ rệt so với màng nền. Độ lưu giữ protein tăng từ 84% của màng nền lên 95-97% cho màng trùng hợp ghép bề mặt. Năng suất lọc của các màng sau khi biến tính bề mặt cao hơn và tăng theo thời gian trùng hợp ghép. Ví dụ, màng trùng hợp ghép bề mặt với PEGMA 0.7%, thời gian trùng hợp ghép 7 phút có năng suất lọc tăng 2.45 lần so với màng nền, độ lưu giữ protein đạt 97%.
Khi cố định thời gian trùng hợp ghép là 7 phút, với nồng độ PEGMA thay đổi từ 0.3-1.0% (v/v), kết quả thực nghiệm cho thấy, tính năng lọc tách protein của màng được nâng lên với độ lưu giữ protein tăng từ 84% lên 95-97%, năng suất lọc trung bình của các màng biến tính tăng từ 1.76 đến 2.45 lần và tăng mạnh so với màng nền khi nồng độ PEGMA tăng từ 0.1 đến 0.7 %, sau đó có xu hướng giảm xuống nếu tiếp tục tăng nồng độ PEGMA lên 1%, trong khi độ lưu giữ của màng
vẫn được duy trì tốt. Sự suy giảm năng suất lọc khi tăng nồng độ PEGMA hoặc khi kéo dài thời gian trùng hợp đến một mức độ nào đó có thể là do sự tăng mật độ lớp polyme ghép, làm tăng trở khối và/hoặc gây bít lỗ màng.
Bảng 3.12. Tính năng tách lọc của màng PES-g-PEGMA (redox)
J (L/m2.h) J/Jo R (%)
Màng nền PES 13.03 1 84
PES-g-PEGMA 0.5% redox 1min 15.15 1.16 97
PES-g-PEGMA 0.5% redox 3min 17.42 1.34 97
PES-g-PEGMA 0.5% redox 5min 22.72 1.74 96
PES-g-PEGMA 0.5% redox 7min 26.82 2.06 96
PES-g-PEGMA 0.5% redox 10min 24.87 1.91 95
PES-g-PEGMA 0.1% redox 7min 18.33 1.41 95
PES-g-PEGMA 0.3% redox 7min 22.88 1.76 95
PES-g-PEGMA 0.5% redox 7min 26.82 2.06 96
PES-g-PEGMA 0.7% redox 7min 31.92 2.45 97
Hình 3.21. Tính năng tách lọc của màng PES-g-PEGMA (redox)
Kết quả đánh giá độ giảm năng suất lọc theo thời gian của các màng (Bảng
3.13 và Hình 3.22) cho thấy năng suất lọc của tất cả các màng đều giảm dần theo
thời gian lọc. Sở dĩ như vậy là do trong quá trình lọc tách protein đã bị hấp phụ lên bề mặt màng, làm bít lỗ và/hoặc tạo lớp gel gây trở lực làm suy giảm năng suất lọc. Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, mức độ duy trì năng suất lọc của các màng biến tính bề mặt đều cao hơn so với màng nền.
Bảng 3.13. Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-PEGMA (redox)
Thời gian (phút) Màng nền PES PES-g-PEGMA 0.5% Redox 7min PES-g-PEGMA 0.7% Redox 7min PES-g-PEGMA 1.0% Redox 7min 5 100 100 100 100 10 86 98 95 88 15 79 95 94 85 20 73 93 92 81
25 70 92 91 78 30 67 89 89 75 35 63 87 87 73 40 61 86 85 71 45 58 84 83 69 50 56 83 82 67 55 53 80 81 66 60 51 77 81 64
Hình 3.22. Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-PEGMA (redox)
Từ các kết quả thực nghiệm thu được, có thể rút ra các điều kiện thích hợp để tiến hành q trình trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử PEGMA biến tính bề mặt màng PES như sau: hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 (1/1) 0.025M, nồng độ PEGMA 0.7%, thời gian trùng hợp ghép 7 phút.
Hình 3.23. So sánh tính năng tách lọc protein của các màng PES-g-PEGMA trùng hợp ghép khơi mào quang hóa và khơi mào oxy hóa khử
Hình 3.23 trình bày kết quả so sánh năng suất lọc của các màng PES trùng
hợp ghép với PEGMA theo các phương thức khác nhau (khơi mào quang hóa và khơi mào oxy hóa khử). Kết quả cho thấy, năng suất lọc của các màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt đều được nâng lên rõ rệt so với màng ban đầu. Trong cùng điều kiện trùng hợp ghép (PEGMA nồng độ 0.5%, thời gian trùng hợp 3 phút), màng trùng hợp ghép khơi mào quang hóa dùng tia UV cho năng suất lọc trung bình tăng 2.13 lần, màng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử (hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5) có năng suất lọc trung bình tăng 1.34 lần.
3.3. Khả năng lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa lỗng của màng
Các màng biến tính bề mặt được chọn để khảo sát gồm: màng trùng hợp ghép quang hóa với PEGMA (PEGMA 0.5%-UV 3 min) và màng trùng hợp ghép quang hóa với NVP (NVP 0.3%-UV 3min). Khả năng lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng của màng được đánh giá với một số mẫu sữa loãng tự pha, gồm sữa tươi Ba Vì (hàm lượng protein 2.7g/100ml) và sữa tiệt trùng Vinamilk không đường (hàm lượng protein 3g/100ml), các dung dịch sữa được pha loãng khoảng 30 lần sau đó lọc tách qua màng nền PES và các màng PES-g-PEGMA, PES-g-NVP. Các thí nghiệm tiến hành trên hệ thiết bị lọc màng gián đoạn phịng thí nghiệm, lọc thẳng góc dưới áp suất 10 bar. Hàm lượng protein lọt qua màng được xác định bằng
phương pháp đo quang, tạo phức với thuốc thử biure và đo mật độ quang tại bước sóng 540nm.
Kết quả đánh giá đặc tính lọc tách thu hồi protein trong các mẫu sữa loãng của màng PES và màng PES biến tính bề mặt được trình bày trong Bảng 3.14, 3.15 và Hình 3.24, 3.25, 3.26 cho thấy, năng suất lọc trung bình của các màng biến tính
bề mặt đều tăng lên rõ rệt so với màng nền. Trong đó, màng PES-g-PEGMA có độ tăng năng suất lọc cao hơn (tăng 30-35%) so với màng PES-g-NVP (tăng 22-25%). Độ lưu giữ protein của các màng biến tính bề mặt đều cao hơn so với màng nền (từ 88% lên 94% cho dung dịch sữa Vinamilk và từ 89% lên 96% đối với dung dịch sữa tươi Ba Vì).