CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
II.5. CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY
Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn cho màng UF là thách thức của công nghệ siêu
lọc. Nhiều nghiên cứu đƣợc thực hiện đã cho những kết quả khả quan.Trong đó, PVA đƣợc xem là tác chất hiệu quả. Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về nâng cao khả năng chống tắc nghẽn cho màng UF bằng lớp phủ PVA chủ yếu tập trung vào phương pháp sử dụng PVA và các phụ gia.
II.5.1. Nghiên cứu nước ngoài
Yuzhong Zhang và các cộng sự [8] đã chế tạo màng UF dựa trên vật liệu acetan PVA được nối mạng bằng glutaraldehyde có khả năng điều chỉnh tính ưa nước của
màng. Kết quả cho thấy màng acetan PVA cho thông lượng nước thẩm thấu qua màng và độ loại bỏ protein BSA cao. Nhƣ vậy, lớp vật liệu acetan PVA đóng vai trò là lớp chọn lọc không những cho thông lƣợng, độ loại bỏ cao mà còn có khả năng chống tắc nghẽn tốt nhờ vào đặc tính ưa nước của nó.
Trong nghiên cứu của Li và Barbari[9], dung dịch keo PVA, nối mạng bằng glutaraldehyde, đƣợc phủ lên bề mặt màng Cenllulo Acetate. Màng Cenllulo Acetate với lớp phủ PVA có bề mặt phẳng và ưa nước cao đã thể hiện đặc tính chống tắc nghẽn tốt, đặc biệt hạn chế các chất gây tắc nghẽn không thuận nghịch. Ngoài ra, Xiaole Ma và các cộng sự [10] cũng nghiên cứu quá trình phủ dung dịch PVA đƣợc nói mạng
Trang 25
bằng Borat lên bề mặt màng UF polysulfone. Nồng độ PVA khảo sát từ 0 – 2 wt%, số lần nhúng màng từ 1 – 6. Kết quả nồng độ PVA 0.5 % khối lƣợng đƣợc dùng để phủ 3
lần, độ giảm thông lượng nước qua màng do tắc nghẽn của màng được phủ PVA so với màng không được phủ tương ứng là 38% và 61%. Và khả năng phục hồi thông lượng sau quá trình rửa của màng đƣợc phủ lớp PVA cũng cao hơn so với màng ban đầu. Tuy nhiên, PVA bám trên bề mặt màng và lớp PVA nối mạng hầu nhƣ khóa một phần lỗ xốp của màng là nguyên nhân làm giảm thông lượng nước qua màng nhưng vẫn phù hợp cho ứng dụng lọc UF. Góc dính ƣớt giảm xuống rõ rệt khi tăng nồng độ PVA và số
lần nhúng cho thấy PVA bám phủ trên bề mặt làm tăng tính ưa nước của màng. Ưu điểm của phương pháp này là giảm tắc nghẽn thuận nghịch và tắc nghẽn không thuận nghịch, cải thiện đáng kể hiệu quả hồi phục hiệu suất phân tách của màng bằng quá trình rửa màng khi vận hành màng lọc trong thời gian dài. Tuy nhiên, nghiên cứu chƣa
làm rõ ảnh hưởng của thời gian nhúng và nhiệt độ trong quá trình xử lý nhiệt đến khả năng chống tắc nghẽn.
Hình 2. 11 Phản ứng nối mạng giữa PVA và borax [6].
Tuy nhiên, Li Na và các cộng sự [11] cho rằng không những phải tạo tính ưa nước trên bề mặt màng mà còn cần phải tạo tính ưa nước trên bề mặt các lổ xốp trong cấu trúc của lớp màng nền. Họ tạo lớp phủ PVA bằng cách lọc dung dịch PVA qua lớp
màng nền bằng phương pháp lọc dòng vuông góc, sau đó, lớp màng sẽ được xử lý nhiệt để hình thành lớp màng PVA trên bề mặt và trong lổ xốp của màng lọc. Ảnh hưởng của nồng độ PVA, thời gian lọc PVA, nồng độ các phụ gia, nồng độ chất nối mạng, thời gian xử lý nhiệt đối với thông lƣợng và độ loại bỏ của màng đƣợc khảo sát. Kết quả cho thấy màng đƣợc phủ PVA có đặc tính chống tắc nghẽn, độ loại bỏ cao và khả năng phục hồi thông lƣợng cao sau quá trình rửa màng so với màng ban đầu.
Hơn nửa, khả năng ưa nước vốn có của PVA làm cho nó trở thành một loại polymer có sức thu hút đặc biệt đối với quá trình xử lý nước bằng màng. PVA có một số ưu điểm là chịu hóa chất, khả năng chống tắc nghẽn cao, khả năng thấm nước rất tốt. Tuy
nhiên, một nhược điểm của PVA là khả năng trương lớn nên rất dễ hòa tan vào nước, do đó để ứng dụng đƣợc PVA phải đảm bảo các phân tử PVA phải đƣợc nối mạng để làm giảm khả năng trương nở và hòa tan trong môi trường nước [6,8-11]. Tuy nhiên,
Trang 26
quá trình nối mạng làm các lỗ xốp trên bề mặt co lại, làm giảm thông lượng nước thẩm thấu qua màng, do đó phải tìm ra biện pháp nối mạng các phân tử PVA mà vẫn đem lại hiệu quả của quá trình lọc[6,15]. Nhiều tác nhân nối mạng đã đƣợc thử nghiệm nhƣ glutaraldehyde, formaldehyde, glycidyl acrylate, toluene diisocyanate, acrolien…
Glutaraldehyde là tác nhân nối mạng hiệu quả hơn formaldehyde và glycidyl acrylate bởi vì màng PVA thu được ít trương hơn nhưng màng PVA được nối mạng bởi acid malic cho thông lượng nước thẩm thấu qua màng cao hơn và áp suất hoạt động thấp hơn [15]. Ngoài ra, tỉ lệ acid malic so với PVA là 20% khối lƣợng đƣợc khảo sát độ trương nở với kết quả màng PVA nối mạng bởi acid malic cho độ bền tốt [16].
Vấn đề kết nối mạng cũng là một trong những vấn đề đƣợc B.Han cùng cộng sự
nghiên cứu trong phản ứng kết nối mạng của màng PVA với acid malic [17]. Tác giả đã so sánh khả năng hấp thụ và hòa tan của nước đối với màng PVA được nối mạng bằng acid malic trong hai trường hợp là màng PVA có và không có xử lý bằng Acetal formandehyde. Ứng dụng của màng Poly(Vinyl Alcohol)/Malic Acid (PVA/MA) trong quá trình phân tách hệ Acid acetic-nước được Nuran Isıklan và cộng sự [16] tiến hành ở các nhiệt độ khác nhau. Nhóm tác giả này cũng trong một nghiên cứu trước đó đã tối ƣu tỉ lệ phần khối lƣợng PVA:MA là 85:15, độ dày màng tối ƣu là 80 μm.
Ngoài ra, Eric M.V.Heok và các cộng sự đã nghiên cứu phủ một lớp PVA lên trên bề mặt màng lọc UF[19]. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, cấu trúc, thể tích tự do của tác nhân nối mạng lên khả năng chống tắc nghẽn của màng. Một số kết quả mà nghiên cứu đạt đƣợc là khi tăng nồng độ tác nhân nối mạng từ 10 – 20% thì màng PVA-PSF càng mỏng. Tính thấm của màng tăng lên khi tăng nồng độ tác nhân nối mạng từ 20 -80%. Khả năng lọc muối NaCl và Na2SO4 tăng lên khi nồng độ tác nhân nối mạng tăng từ 10-20%, nhƣng giảm xuống khi nồng độ tăng từ 20-80%. Góc tiếp xúc với nước cũng tăng theo nồng độ từ 10-80% nên khả năng ưa nước của màng lại giảm xuống. Trong số các tác nhân nối mạng succinic acid, maleic acid, malic acid, gluteraldehyde, suberic acid thì acid malic có thể tích tự do của polymer lớn nhất, nối mạng bền nhất, khả năng thấm nước tinh khiết cao nhất.
Khả năng phục hồi thông lƣợng của màng UF polyethersulfone tắc nghẽn bởi các chất hữu cơ tự nhiên cũng đã đƣợc nhóm tác giả Hongjoo Lee, Gary Amy nghiên cứu
[18], theo nhóm tác giả này thì màng có thể bị tắc nghẽn bởi các thành phần chất hữu cơ kỵ nước và/hoặc ưa nước phụ thuộc vào đặc điểm của chất thải hữu cơ tự nhiên, tính
chất của màng và điều kiện vận hành. Các tác giả đã nghiên cứu việc cải thiện khả năng hồi phục thông lượng của màng sau tắc nghẽn bằng nước và bằng hóa chất. Kết quả cho thấy quá trình vệ sinh màng bằng nước cho hiệu quả thấp, chỉ loại bỏ được một phần các chất gây tắc nghẽn trên bề mặt màng, do đó thông lƣợng không đƣợc
Trang 27
phục hồi đáng kể. Quá trình vệ sinh màng bằng hóa chất có thể loại bỏ đƣợc hầu hết
chất gây tắc nghẽn trên bề mặt màng và một phần các chất hấp phụ gây bít lỗ xốp, do đó thông lƣợng có thể đƣợc phục hồi gần bằng giá trị ban đầu.
Trong các ứng dụng của công nghệ màng siêu lọc, xử lý nước thải được quan tâm đặc biệt. Màng UF polysulfone với khối lƣợng phân tử giới hạn (MWCO) 10 kDa đƣợc Jin-Hui Huang và các cộng sự ứng dụng xử lý nước thải nhuộm với thành phần: xanh methylene, chất hoạt động bề mặt natri dodocylsulfate (SDS) và muối natri clorua. Các
yếu tố áp suất vận hành, nồng độ SDS, xanh methylene và NaCl cũng nhƣ thông lƣợng nước thẩm thấu qua màng, trở lực và độ loại bỏ của màng được khảo sát và tối ưu hóa.
Kết quả nghiên cứu cho thấy độ loại bỏ xanh methylene và SDS tương ứng 99.3 và 96.0% với thành phần nước giả thải nhập liệu xanh methylene (6mg/l), SDS (8mM) và NaCl (200 hoặc 300 mM) [22].
II.5.2. Nghiên cứu trong nước
Năm 2010, thông qua sự hợp tác với Đại học Tổng hợp California tại bang Los Angeles (UCLA) của Hoa Kỳ nhằm tạo lập một nhóm nghiên cứu mạnh và chuyên sâu về màng nanocomposite và các ứng dụng của chúng, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Mai Thanh Phong chủ trì đã tập trung nghiên cứu chế tạo màng RO nanocomposite trên cơ sở vật liệu PVA và TiO2 nhằm tăng khả năng chống tắc nghẽn của màng trong quá trình lọc muối nước biển. Kết quả cho thấy khả năng chống tắc nghẽn của các loại màng RO đƣợc phủ lớp PVA và PVA-TiO2 đều cho khả năng chống tắc nghẽn rất tốt, có khả năng ứng dụng cao. Tuy nhiên đề tài vẫn chưa làm rõ được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, điều kiện ủ nhiệt…) trong quá trình chế tạo màng PVA và PVA-TiO2 lên hiệu quả phân tách và tính năng chống tắc nghẽn của màng.
Trang 28