Nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc polyethersulfone (PES)

Độ chọn lọc khả năng lưu giữ của màng thấp khi màng có kích thước lỗ không đồng đều dải phân bố lỗ rộng * Các tính chất hóa lý của vật liệu màng Tính ưa nước: Sự hình thành các liên kế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thị Dung

HÀ NỘI – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài ―Biến tính bề mặt màng lọc Polyethersulfone

(PES)‖ là do bản thân tôi thực hiện Các số liệu kết quả trong đề tài là trung thực và

chưa từng được công bố Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2018

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Thị Dung –

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giao đề tài, trực

tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Hóa Học, đặc biệt là

các thầy cô trong bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Hóa học, trường Đại học Khoa

học Tự nhiên đã tận tình truyền đạt kiến thức và đóng góp nhiều ý kiến quý báu

trong suốt quá trình em học tập và làm luận văn

Em xin được cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm giúp đỡ, động viên

và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu

Em cũng xin cảm ơn TS Ngô Hồng Ánh Thu và tập thể các anh chị em

Phòng thí nghiệm nghiên cứu Màng lọc, Bộ môn Công nghệ Hóa học, trường Đại

học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và động viên em

trong suốt thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Học viên

Nguyễn Thị Minh Châu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 2

1.1 Màng lọc và các quá trình màng 2

1.2 Cơ chế tách qua màng 5

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách qua màng 6

1.4 Hiện tượng tắc màng 7

1.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự tắc màng 8

1.4.2 Các giải pháp nâng cao hiệu suất tách lọc cho màng 10

1.5 Biến tính bề mặt màng lọc 10

1.6 Biến tính bề mặt màng lọc bằng phương pháp trùng hợp ghép 12

1.6.1 Trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại 13

1.6.2 Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử 16

1.7 Polyethersulfone và màng lọc polyethersulfone (PES) 17

1.8 Ứng dụng màng lọc trong xử lý nước thải của quá trình chế biến sữa 18

1.9 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn 19

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 20

2.1 Hóa chất và thiết bị 20

2.1.1 Hóa chất, vật liệu 20

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ 20

2.2 Phương pháp nghiên cứu 21

2.2.1 Biến tính bề mặt màng 21

2.2.2 Đánh giá đặc tính bề mặt màng 23

2.2.3 Đánh giá tính năng tách lọc của màng 24

2.2.4 Khả năng lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng 26

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Trùng hợp ghép 1-vinyl-2-pyrolidinone (NVP) biến tính bề mặt màng PES 27

3.1.1 Trùng hợp ghép quang hóa NVP lên bề mặt màng PES 27

3.1.2 Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa-khử NVP lên bề mặt màng PES 34

3.2 Trùng hợp ghép poly(etylen glycol) metacrylat (PEGMA) 40

3.2.1 Trùng hợp ghép quang hóa PEGMA lên bề mặt màng PES 40 3.2.2 Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử PEGMA lên bề mặt màng PES 46

3.3 Khả năng lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng của màng 53 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Độ thô nhám bề mặt màng PES trước và sau khi trùng hợp ghép với NVP 28

Bảng 3.2 Mức độ trùng hợp ghép NVP lên bề mặt màng PES (UV) 30

Bảng 3.3 Tính năng tách lọc của màng PES-g-NVP (UV) 31

Bảng 3.4 Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-NVP (UV) 32

Bảng 3.5 Mức độ trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa –khử NVP lên bề mặt màng PES 35

Bảng 3.6 Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP (redox) 36

Bảng 3.7 Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-NVP (redox) 38

Bảng 3.8: Mức độ trùng hợp ghép quang hóa PEGMA lên bề mặt màng PES 42

Bảng 3.9 Tính năng tách lọc protein của màng PES-g-PEGMA (UV) 43

Bảng 3.10 Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-PEGMA (UV) 44

Bảng 3.11 Mức độ trùng hợp ghép PEGMA (redox) lên bề mặt màng PES (hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5) 48

Bảng 3.12 Tính năng tách lọc của màng PES-g-PEGMA (redox) 50

Bảng 3.13 Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-PEGMA (redox) 51

Bảng 3.14: Kết quả lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng của màng 54

Bảng 3.15 Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của các màng khi lọc dung dịch sữa loãng 55

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của các loại màng lọc khác nhau 3

Hình 1.2 Giới hạn tách của các quá trình màng 5

Hình 2.1 Hệ thiết bị thí nghiệm trùng hợp ghép quang hóa dùng tia UV 22

Hình 2.2 Cell teflon dùng cho thí nghiệm trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử 22

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thiết bị lọc màng phòng thí nghiệm 25

Hình 3.1 Ảnh chụp SEM màng nền và màng trùng hợp ghép NVP 27

Hình 3.2 Ảnh chụp AFM bề mặt màng nền và màng trùng hợp ghép NVP 28

Hình 3.3 Phổ hồng ngoại phản xạ (a) màng nền và (b) màng trùng hợp ghép với NVP 29

Hình 3.4 Mức độ trùng hợp ghép quang hóa NVP lên bề mặt màng PES 30

Hình 3.5 Độ lưu giữ và năng suất lọc của màng PES-g-NVP (UV) 32

Hình 3.6 Độ duy trì năng suất lọc của màng PEG-g-NVP (UV) 33

Hình 3.7 So sánh lượng protein hấp phụ trên màng PES và màng PES-g-NVP (UV) 34

Hình 3.8 Mức độ trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa-khử NVP lên bề mặt màng PES 35

Hình 3.9 Tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP (redox) 37

Hình 3.10 So sánh tính năng lọc tách protein của màng PES-g-NVP 39

Hình 3.12 Ảnh chụp SEM bề mặt màng PES và màng PES-g-PEGMA 40

Hình 3.13 Phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng PES và màng PES-g-PEGMA 41

Hình 3.14 Mức độ trùng hợp ghép quang hóa PEGMA lên bề mặt màng PES 42

Hình 3.15 Tính năng tách lọc protein của màng nền PES43 và các màng trùng hợp ghép PES-g-PEGMA (UV) 43

Hình 3.16 Mức độ duy trì năng suất lọc của màng theo thời gian 45

Hình 3.17 Lượng protein hấp phụ trên màng PES và màng PES-g-PEGMA (UV) 45

Hình 3.18 Ảnh chụp SEM bề mặt và mặt cắt các màng nền PES và màng PES-g-PEGMA (redox) 46

Hình 3.19 Phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng nền PES và màng trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử với PEGMA 47

Hình 3.20 Mức độ trùng hợp ghép PEGMA lên bề mặt màng PES (redox) 49

Hình 3.21 Tính năng tách lọc của màng PES-g-PEGMA (redox) 51

Hình 3.22 Độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng PES-g-PEGMA (redox) 52

Hình 3.23 Kết quả lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng của màng 55

Hình 3.24 Độ giảm năng suất lọc của màng với dung dịch sữa loãng Ba Vì 56

Hình 3.25 Độ giảm năng suất lọc của màng với dung dịch sữa loãng Vinamilk 57

DANH MỤC VIẾT TẮT

AFM Atomic force microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử BSA Bovine serum albumin Protein huyết thanh bò

FM Maintained flux ratio Độ duy trì năng suất lọc theo

thời gian FTIR-ATR Attenuated total reflectance-Fourier

transform infrared spectroscopy

Phổ hồng ngoại phản xạ toàn phần biến đổi

MBAA N,N-methylen bisacrylamid

PEG Poly( ethylene glycol)

PEGMA Poly(ethylene glycol) methacrylate

PES Polyethersulfone

PVA Poly(vinyl ancol)

trung bình

SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission ecltron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền

qua

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ màng lọc phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Ưu điểm của kỹ thuật lọc màng là có thể tách được các cấu tử có kích thước khác nhau, từ cỡ hạt đến cỡ ion, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, quá trình tách không cần sử dụng thêm các hóa chất khác, là phương pháp tách hiện đại, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường

Màng lọc là bộ phận quan trọng nhất trong hệ tách dùng màng, trong đó lớp

bề mặt màng đóng vai trò quyết định khả năng tách lọc của màng Với các đối tượng tách lọc khác nhau, những đặc tính đã có của bề mặt màng có thể chưa đáp ứng hoặc đáp ứng chưa tốt yêu cầu đặt ra Để có thể nâng cao tính năng tách lọc của màng đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của những tính chất không mong muốn, người ta đã tìm cách biến tính bề mặt màng Phương pháp biến tính bề mặt màng

có nhiều ưu điểm Một mặt, có thể thay đổi đặc tính lớp bề mặt mà không ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong của màng, vì vậy, vẫn giữ được những đặc tính tốt của vật liệu màng ban đầu Mặt khác, lớp bề mặt sau khi biến tính có những đặc tính phù hợp hơn với đối tượng tách Ngoài ra, do chỉ cần tác động lên lớp bề mặt nên có thể tiết kiệm được khá nhiều chi phí so với việc nghiên cứu chế tạo vật liệu hoàn toàn mới

Đề tài luận văn "Biến tính bề mặt màng lọc Polyethersulfone (PES)” tiến

hành nghiên cứu biến tính bề mặt màng PES bằng các phương pháp trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, với hai tác nhân sử dụng cho quá trình trùng hợp ghép là Poly(ethylene glycol) methacrylate (PEGMA) và N-vinyl-2-pyrolidinone (NVP) Ảnh hưởng của các điều kiện biến tính

bề mặt đến đặc tính của màng được khảo sát và đánh giá, với đối tượng lọc tách là protein trong dung dịch

Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm màng lọc, Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Màng lọc và các quá trình màng

Màng lọc là vật liệu sử dụng trong quá trình tách các hỗn hợp đồng thể (lỏng

- lỏng, khí - khí) hoặc dị thể (lỏng - rắn, khí - rắn) Một cách khái quát, có thể coi màng là lớp chắn có tính thấm chọn lọc đặt giữa hai pha - pha đi vào và pha thấm qua Màng lọc có khả năng lưu giữ một số cấu tử trong pha đi vào, và cho các cấu

tử khác đi qua theo pha thấm qua (dịch lọc) Quá trình vận chuyển chất qua màng

có thể xảy ra một cách tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động lực giữa hai phía màng Động lực của quá trình tách qua màng là chênh lệch áp suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch nhiệt độ hay chênh lệch điện trường [69]

Dựa vào cấu trúc màng, trong phạm vi các màng tổng hợp dạng rắn, người ta chia thành hai loại màng là màng đối xứng và màng bất đối xứng:

Màng đối xứng là loại màng có cấu trúc đồng nhất từ trên xuống dưới với hai mặt hoàn toàn giống nhau Màng đối xứng có thể xốp hoặc không xốp, với độ dày nằm trong khoảng từ 10 đến 200 μm, trở lực chuyển khối của màng được quyết định bởi độ dày của toàn bộ màng, nếu giảm độ dày của màng thì sẽ tăng tốc độ thấm qua Loại màng này thường dùng trong quá trình vi lọc để lọc các tiểu phân nhỏ hoặc dùng để thẩm tách máu [50]

Màng bất đối xứng là loại màng có cấu trúc hai lớp: lớp hoạt động ở trên và lớp đỡ xốp ở dưới Lớp hoạt động rất mỏng (dày tử 0.1 đến 0.5 μm) Lớp đỡ dày hơn nhiều so với lớp hoạt động (khoảng từ 50 đến 150 μm), xốp và nằm phía dưới Kích thước lỗ của lớp đỡ cũng lớn hơn nhiều so với kích thước lỗ của lớp hoạt động Lớp đỡ làm tăng độ bền cơ học của màng, giúp cho lớp hoạt động không bị rách nhưng không ảnh hưởng đến vận chuyển chất và dung môi qua màng Các lớp

đỡ thường có cấu trúc xốp kiểu ngón tay hay kiểu tổ ong Do cấu trúc đặc biệt như vậy, màng bất đối xứng có hiệu quả tách cao, độ bền cơ học tốt và được sử dụng nhiều trong quá trình siêu lọc, lọc nano, tách khí, thẩm thấu ngược Tùy theo loại vật liệu và điều kiện chế tạo màng mà ta có thể thay đổi chiều dày và và kích thước

lỗ của lớp hoạt động, cũng như thay đổi cấu trúc xốp của lớp đỡ Lớp hoạt động và lớp đỡ có thể làm từ cùng một loại vật liệu hay từ các vật liệu khác nhau [5, 50]

Màng composite là trường hợp đặc biệt của màng bất đối xứng, có lớp đỡ và lớp hoạt động làm từ hai loại vật liệu khác nhau, tính năng của mỗi lớp có thể tối ưu một cách độc lập khi chế tạo Loại màng này có hiệu quả tách rất cao, có tính năng

cơ học và hóa học rất tốt [5, 69]

Hình 1.1 Cấu trúc của các loại màng lọc khác nhau

Vi lọc

Màng vi lọc có kích thước lỗ bề mặt từ 0,1 đến 10 μm Quá trình vi lọc thích hợp cho việc tách lọc nhũ tương, huyền phù, các tiểu phân được lưu giữ có kích thước tương đối lớn Quá trình tách theo cơ chế sàng lọc: các cấu tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ bề mặt được lưu giữ bởi màng Vật liệu tạo màng có thể là vật liệu

vô cơ (kim loại, gốm ) hoặc hữu cơ (polime) Vi lọc có nhiều ứng dụng trong sản xuất dược (lọc trong, lọc vô trùng các dung dịch thuốc tiêm, dịch truyền), trong sản xuất bia (lọc trong, lọc vô trùng để loại bỏ men bia và các vi khuẩn sau lên men), sản xuất nước sạch, tiền lọc cho quá trình siêu lọc [69]

Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt không xốp

Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt không xốp làm

từ các vật liệu khác nhau

(trọng lượng phân tử từ vài đến vài chục nghìn dalton) Vật liệu màng thường làm

từ polyme, một số màng được làm từ vật liệu vô cơ Màng siêu lọc được sử dụng nhiều trong y tế để lọc máu cho các bệnh nhân suy thận (thận nhân tạo), ngoài ra còn được dùng để thu hồi và xử lý nước thải công nghiệp, thu hồi dầu mỡ trong dung dịch nhũ tương dầu-nước, thu hồi tác nhân keo PVA trong nước thải dệt Trong công nghiệp thực phẩm và bơ sữa, việc cô đặc sữa bằng màng siêu lọc là một phương pháp được sử dụng rộng rãi Sữa chứa protein và các chất có giá trị dinh dưỡng cao, hàm lượng của các chất này được nâng lên sau khi lọc qua màng Siêu lọc còn sử dụng để lọc trong nước quả, độ đục của nước táo ép giảm xuống rõ rệt sau khi lọc qua màng, nước táo lọc qua màng có thời gian sử dụng lâu hơn do loại

bỏ được tối đa lượng enzym và vi sinh vật có trong nước táo sau khi nghiền [5,11]

Thẩm thấu ngược và lọc nano

Màng thẩm thấu ngược và lọc nano có kích thước lỗ bề mặt vô cùng nhỏ, khoảng một vài nm Có cấu trúc bất đối xứng và thường được dùng để lọc tách các tiểu phân có kích thước nhỏ Màng có khả năng tách được ion và các chất tan có trọng lượng phân tử thấp trong môi trường nước Trở khối thủy lực của quá trình thẩm thấu ngược và lọc nano lớn hơn nhiều so với vi lọc và siêu lọc Bên cạnh ảnh hưởng bởi áp suất động lực thì quá trình thẩm thấu ngược và lọc nano cũng bị ảnh hưởng bởi nồng độ chất tan Thẩm thấu ngược và lọc nano có nhiều ứng dụng quan trọng như làm ngọt nước mặn (50% ứng dụng), sản xuất nước sạch và siêu sạch phục vụ cho công nghệp dược, xử lý nước thải, trong công nghiệp thực phẩm

(cô đặc sữa, dịch quả) [40] Hình 1.2 chỉ ra giới hạn tách của các quá trình màng

dùng động lực áp suất

Hình 1.2 Giới hạn tách của các quá trình màng

Ngoài các quá trình dùng màng động lực áp suất (vi lọc, siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược), còn có các quá trình màng khác như thẩm tách, điện thẩm tách, tách khí, thẩm hơi qua màng, chưng cất qua màng [5]

1.2 Cơ chế tách qua màng

Quá trình vận chuyển chất qua màng là một quá trình phức tạp Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau để giải thích cơ chế của quá trình tách qua màng như:

- Thuyết sàng lọc

- Thuyết hòa tan khuếch tán

- Thuyết hấp phụ mao quản

Thuyết sàng lọc

Thuyết này cho rằng bề mặt màng gồm nhiều mao quản có kích thước lỗ xác định Cấu tử nào có kích thước bé hơn kích thước lỗ mao quản thì sẽ vận chuyển qua màng, còn cấu tử có kích thước lớn hơn thì bị màng lưu giữ lại [69] Thuyết này chỉ phù hợp trong việc giải thích cho các quá trình siêu lọc và vi lọc (chất tan có kích thước lớn) Trong trường hợp phân tử chất tan và phân tử dung môi có kích thước tương đương nhau thì thuyết này không giải thích được

Hemoglobin (70 Å)

Virus (1000 Å)

Bacteria (0.28 m)

Bacteria (1 m)

Starch (10 m)

Thuyết hòa tan khuếch tán

Thuyết này cho rằng dưới động lực áp suất, dung môi và chất tan đều khuếch tán qua màng Các phân tử sau khi thẩm thấu vào màng sẽ khuếch tán, nhưng dòng khuếch tán chất tan và dòng khuếch tán dung môi khác nhau về tốc độ, tốc độ này tỉ

lệ với hệ số khuếch tán của chúng trong màng Hệ số khuếch tán của dung môi càng lớn và của chất tan càng nhỏ thì quá trình tách càng hiệu quả Thuyết này cho thấy ảnh hưởng của vật liệu tạo màng đến hiệu quả tách [69]

Thuyết hấp phụ mao quản

Thuyết này cho rằng màng bán thấm được cấu tạo từ nhiều mao quản, trên

bề mặt màng bán thấm và trong ống mao quản hình thành một lớp nước liên kết hấp phụ Do tác dụng của các lực hóa lý, lớp nước hấp phụ này đã mất đi một phần hay toàn bộ khả năng hòa tan chất tan, vì thế không cho chất tan đi qua các ống mao quản Nếu các ống mao quản có đường kính đủ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nước liên kết hấp phụ thì màng chỉ cho nước tinh khiết đi qua Thuyết này giải thích được khá đầy đủ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách [69]

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách qua màng

Sự phân cực nồng độ

Sự phân cực nồng độ là hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng do dung môi vận chuyển được qua màng và chất tan bị giữ lại Hiện tượng này làm cho năng suất lọc của màng giảm xuống trong quá trình tách Đối với các thiết bị nhỏ trong phòng thí nghiệm, có thể dùng dao động rung hoặc khuấy đảo để làm giảm sự phân cực nồng độ Trong công nghiệp, cho dòng vào trượt qua bề mặt màng với tốc

độ đủ lớn hoặc tạo dòng xoáy để hạn chế sự ảnh hưởng của sự phân cực nồng độ

Áp suất làm việc:

Áp suất làm việc có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tách qua màng dùng động lực áp suất, đặc biệt với quá trình thẩm thấu ngược Khi tăng áp suất, lúc đầu năng suất lọc và độ lưu giữu đều tăng, nhưng khi đạt đến một áp suất nào đó thì độ lưu giữ và năng suất lọc hầu như không thay đổi

Nồng độ dung dịch tách:

Khi tăng nồng độ dung dịch tách, áp suất thẩm thấu của dung dịch tăng lên Mặt khác, sự sonvat hóa hay hydrat hóa (trong trường hợp dung môi là nước) cũng phụ thuộc vào nồng độ chất tan trong dung dịch Nếu tăng nồng độ dung dịch tách tới một giá trị nào đó thì trong dung dịch không còn các phân tử nước ở trạng thái tự do

mà chỉ đủ để tạo thành hai hoặc một lớp vỏ hydrat, lúc này độ lưu giữu và năng suất lọc qua màng giảm xuống rõ rệt

1.4 Hiện tƣợng tắc màng

Tắc màng (fouling) được dùng để mô tả sự kết bám không mong muốn của các tiểu phân bị lưu giữ trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng trong quá trình lọc tách, làm cho năng suất lọc của màng giảm xuống theo thời gian, khi đó, thường phải tăng áp suất vận hành, để duy trì lưu lượng dòng mong muốn Các phương pháp làm sạch màng thường được áp dụng để loại bỏ các tác nhân gây tắc màng (foulants) và để phục hồi lưu lượng qua màng Tuy nhiên, trong một số trường hợp,

sự tắc màng là bất thuận nghịch và sau một khoảng thời gian màng có thể bị tắc nghẽn hoàn toàn và buộc phải thay thế [8,25,27,53] Để giải quyết vấn đề này việc nghiên cứu các giải pháp chống tắc màng có ý nghĩa quan trọng và đang rất được quan tâm

Hiện tượng fouling liên quan đến sự hấp phụ hoặc sự bắt bám (trapping) của các tiểu phân gây tắc (foulants) có trong thành phần dung dịch tách khi dung dịch chuyển vận qua màng lọc Các chất gây tắc màng điển hình là protein, chất béo, vi khuẩn vv Nguyên nhân của hiện tượng fouling gồm: 1) sự hình thành lớp bề mặt mới hay còn gọi là bánh lọc trên bề mặt màng phía dung dịch đi vào, đặc biệt với các màng siêu lọc; 2) sự bám phủ các tiểu phân gây tắc ở bên trong cấu trúc xốp của màng, đặc biệt đối với các màng vi lọc và 3) sự bít lỗ màng do các tiểu phân bị lưu giữ bởi màng

Hiện tượng fouling khác với sự phân cực nồng độ (concentration polarization)

Sự phân cực nồng độ dẫn đến sự hình thành lớp gel trên bề mặt màng khi nồng độ chất bị lưu giữ đạt tới một giới hạn xác định, giữa lớp gel tạo thành và bề mặt màng

có lực tương tác thấp, trong khi fouling là sự hấp phụ bất thuận nghịch của chất bị lưu giữ trên bề mặt màng với lực tương tác mạnh hơn

Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các tiểu phân gây tắc màng, có thể phân biệt một số kiểu tắc nghẽn [35,45,63,69] như: tắc nghẽn do các chất vô cơ (inorganic fouling), tắc nghẽn do các thành phần keo (colloid fouling), tắc nghẽn do các chất hữu cơ (organic fouling), tắc nghẽn do vi sinh vật (biofouling)

Sự tắc nghẽn màng có thể được kiểm soát bằng cách lựa chọn vật liệu màng phù hợp, điều chỉnh các điều kiện thực hiện quá trình tách, áp suất vận hành và tiền xử

lý dung dịch ban đầu [53] Khả năng chống tắc của màng có liên quan chặt chẽ với các tính chất bề mặt và bản chất vật liệu màng như tính ưa nước/ kỵ nước, tính chất điện tích, cấu trúc lỗ màng, tính chất hóa học và độ thô nhám bề mặt màng…

1.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự tắc màng

1.4.1.1 Ảnh hưởng của tính chất dung dịch tách

* Nồng độ dung dịch

Các kết quả nghiên cứu của Nobrega [12] chỉ ra rằng việc tăng nồng độ dung dịch tách làm giảm lưu lượng thấm qua màng nhưng ảnh hưởng không nhiều đến độ lưu giữ của màng, trừ khi kích thước của tiểu phân lưu giữ thay đổi theo nồng độ Với quá trình fouling bề mặt, nồng độ tăng ít ảnh hưởng đến fouling bất thuận nghịch nhưng làm tăng sự hình thành lớp gel thuận nghịch Tuy nhiên, khi fouling xảy ra bên trong cấu trúc xốp chiếm ưu thế, việc tăng nồng độ dung dịch sẽ làm tăng tốc độ tắc màng

* pH và lực ion

Trong quá trình tách protein, các phân tử protein tích lũy và tương tác với bề mặt màng [9] pH và lực ion có thể làm thay đổi cấu dạng, độ ổn định và điện tích của protein, do đó ảnh hưởng đến sự kết bám của protein lên bề mặt màng trong quá trình lọc tách Sự thay đổi này phụ thuộc vào loại protein, quá trình tiền xử lý và loại vật liệu màng lọc được sử dụng

1.4.1.2 Ảnh hưởng của vật liệu màng lọc

* Kích thước lỗ

Các nghiên cứu của Gatenholm [32] và Nobrega [12] chỉ ra rằng màng có kích thước lỗ càng lớn thì nguy cơ tắc màng càng cao Tùy theo yêu cầu và đối tượng

tách lọc mà chọn màng có kích thước lỗ phù hợp Kích thước lỗ màng nhỏ hơn kích thước tối ưu sẽ làm giảm năng suất lọc, kích thước lỗ màng lớn hơn kích thước lỗ tối ưu sẽ gây ra hiện tượng fouling, cũng dẫn đến giảm năng suất lọc

* Sự phân bố kích thước lỗ

Hầu hết các màng siêu lọc và vi lọc có dải phân bố lỗ rộng Lưu lượng dòng qua các lỗ có kích thước lớn nhất quyết định lưu lượng chung của quá trình màng Lưu lượng qua màng rất nhạy cảm với sự fouling xảy ra trong các lỗ xốp có kích thước lớn, ví dụ, sự tích lũy protein trong cấu trúc xốp Độ chọn lọc (khả năng lưu giữ) của màng thấp khi màng có kích thước lỗ không đồng đều (dải phân bố lỗ rộng)

* Các tính chất hóa lý của vật liệu màng

Tính ưa nước: Sự hình thành các liên kết hydro trên bề mặt màng ưa nước tạo

thành lớp nước liên kết, có thể ngăn cản hoặc làm giảm sự hấp phụ hay bám dính của chất bị lưu giữ bởi màng trong quá trình lọc Vì vậy, màng có tính ưa nước càng tốt thì năng suất lọc của màng đối với các dung dịch nước càng cao, đồng thời làm giảm sự tắc màng một cách hiệu quả [35,69] Một số nghiên cứu [30,67] chỉ ra rằng protein sẽ hấp phụ ít hơn trên bề mặt vật liệu màng ưa nước so với bề mặt màng kỵ nước Nghiên cứu của Sheldon [64] chỉ ra rằng sự hấp phụ protein trên bề mặt màng

kỵ nước có thể là do sự biến đổi tính chất của protein

Điện tích bề mặt: Điện tích bề mặt màng là một yếu tố có ảnh hưởng quan trọng

đến tính năng tách của màng Nếu bề mặt màng có điện tích cùng dấu với điện tích của chất có khả năng gây tắc thì mức độ tắc nghẽn sẽ giảm, do tương tác lực đẩy tĩnh điện giữa bề mặt màng và các tiểu phân bị lưu giữ [5,35,69] Điện tích bề mặt màng phụ thuộc mạnh vào vật liệu màng, pH và lực ion của dung dịch tách [19,20,37] Nghiên cứu của Nakao [52] cho thấy màng có điện tích cùng dấu với

protein sẽ có lưu lượng lọc tăng

Độ thô nhám bề mặt: Cấu trúc thô nhám của bề mặt sẽ tạo điều kiện thuận lợi

hơn cho các cấu tử bị lưu giữ bám dính trên bề mặt, bề mặt càng trơn nhẵn thì độ phủ bám hoặc hấp phụ sẽ xảy ra với mức độ thấp hơn, do đó việc giảm độ thô nhám

bề mặt màng cũng góp phần làm hạn chế hiện tượng tắc nghẽn màng [34]

1.4.2 Các giải pháp nâng cao hiệu suất tách lọc cho màng

Có nhiều giải pháp đã được nghiên cứu để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng fouling và phân cực nồng độ đến hiệu suất tách lọc của màng Có thể chia làm bốn nhóm giải pháp gồm: kiểm soát tốc độ dòng trượt qua màng; tạo dòng xoáy trên bề mặt màng; biến tính bề mặt vật liệu màng lọc; sử dụng các tác động bên ngoài như từ trường, điện trường

Khi tăng tốc độ dòng trượt trên bề mặt màng, chiều dày lớp biên thủy lực giảm, do đó làm giảm trở khối lớp biên [14,15], sự phân cực nồng độ có thể giảm xuống khi áp dụng chế độ rửa ngược tại chỗ, dùng dịch thấm qua làm tác nhân rửa [14] Việc tạo dòng xoáy làm giảm chiều dày lớp biên thủy lực đồng thời làm giảm

sự phân cực nồng độ trên bề mặt màng [15,59]

Tốc độ dòng cao hay tạo dòng xoáy trên bề mặt màng làm giảm sự tiếp xúc của chất gây fouling với bề mặt vật liệu màng Tuy nhiên, nếu tác nhân gây tắc có tương tác với vật liệu màng và tương tác này được ngăn chặn bởi bản thân vật liệu màng thì hiện tượng fouling sẽ được hạn chế Do đó, việc nghiên cứu phát triển vật liệu màng lọc và/ hoặc biến tính bề mặt màng lọc là một giải pháp tỏ ra khá hữu ích

để giải quyết vấn đề tắc màng

1.5 Biến tính bề mặt màng lọc

Bề mặt màng lọc có vai trò quan trọng quyết định khả năng tách lọc của màng Cấu trúc và đặc tính bề mặt màng thường khác với cấu trúc và đặc tính bên trong vật liệu màng Bề mặt màng thường dễ bị hư hỏng bởi các tương tác vật lý, hóa học trong quá trình lọc tách Việc nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc nhằm nâng cao tính năng tách lọc, đồng thời giảm thiểu hiện tượng fouling Nói chung, phương pháp biến tính bề mặt màng lọc có nhiều ưu điểm: cải thiện được tính chất

bề mặt mà không làm ảnh hưởng đến tính chất bên trong vật liệu, giảm bớt được công nghiên cứu chế tạo mà vẫn có được vật liệu màng lọc với tính chất bề mặt như mong muốn, giảm bớt chi phí sản xuất vì chỉ cần tác động lên bề mặt Việc thay đổi đặc tính lớp bề mặt sẽ tác động đến hiệu quả của toàn bộ quá trình tách qua màng Phương pháp biến tính bề mặt màng lọc có thể được thực hiện bằng một số

kỹ thuật khác nhau, nhằm làm thay đổi tính chất ưa nước, điện tích, độ thô nhám

của bề mặt màng Hầu hết các loại màng lọc thương mại được làm từ vật liệu polyme Tính kỵ nước của vật liệu polyme làm tăng khả năng tắc màng (fouling) trong quá trình tách, đặc biệt với đối tượng tách lọc là các chất hữu cơ và protein Các công trình nghiên cứu [29] chỉ ra rằng màng với bề mặt ưa nước có khả năng chống tắc tốt hơn Do đó, việc nâng cao tính ưa nước cho bề mặt màng là một trong những biện pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề tắc màng gây bởi các chất hữu cơ, protein, các vi sinh vật và các tiểu phân dễ bám bẩn trên bề mặt màng trong quá trình tách Sự tồn tại của các liên kết hydro tạo thành lớp biên nước siêu mỏng ở trên bề mặt ưa nước, có tác dụng ngăn cản sự hấp phụ hoặc bám phủ của các tiểu phân gây tắc màng lên trên bề mặt, đồng thời làm tăng tính thấm cho màng

Việc làm cho bề mặt màng mang điện tích cũng là một giải pháp nhằm nâng cao tính năng tách lọc cho vật liệu trong trường hợp các tiểu phần bị lưu giữ có khả năng gây tắc màng mang điện tích Khi bề mặt màng và chất bị lưu giữ mang cùng điện tích, lực đẩy tĩnh điện sẽ cản trở sự bám phủ của chất đó lên bề mặt, làm giảm hiệu ứng tắc màng [7] Ví dụ, bề mặt màng mang điện tích âm sẽ thuận lợi khi thực hiện quá trình tách protein ở môi trường pH trung tính, vì hầu hết các protein mang điện tích âm trong điều kiện này [50] Ngoài ra, hầu hết các tiểu phân keo, như các chất hữu cơ (NOMs) cũng đều mang điện tích âm [41] Tương tự, bề mặt màng mang điện tích dương sẽ có lực đẩy tĩnh điện với các chất tan mang điện tích dương [43]

Tính thô nhám của bề mặt màng cũng có ảnh hưởng mạnh đến mức độ fouling [29] Độ thô nhám của bề mặt càng lớn thì mức độ tắc màng càng cao, bề mặt gồ ghề

sẽ làm tăng tăng diện tích bám phủ của chất bị lưu giữ trên bề mặt [70] Do đó bề mặt màng trơn nhẵn sẽ khó hoặc ít bị tắc hơn so với bề mặt thô nhám, mặc dù trong một chừng mực nào đó thì độ thô nhám của bề mặt làm tăng năng suất lọc tại thời điểm ban đầu, nhưng trong quá trình lọc thì tốc độ giảm năng suất lọc sẽ lớn hơn

Trên cơ sở mối quan hệ mật thiết giữa đặc tính bề mặt và tính năng tách lọc của màng, mục tiêu của việc nghiên cứu biến tính bề mặt là nhằm nâng cao tính ưa nước, độ trơn nhẵn và đưa vào bề mặt màng các nhóm chức mang điện tích nhằm giảm thiểu tương tác giữa bề mặt và các chất gây tắc màng [7,39,58]

Có nhiều phương pháp biến tính bề mặt màng khác nhau, có thể chia làm hai nhóm là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học

 Biến tính bề mặt màng bằng phương pháp vật lý

Biến tính bề mặt màng bằng phương pháp vật lý bao gồm các quá trình đánh bóng, mài, xử lý nhiệt để thay đổi tính chất vật lý của bề mặt màng (độ nhám, kích thước lỗ) Phương pháp vật lý nói chung đơn giản, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường Tuy nhiên, phạm vi áp dụng của phương pháp hạn chế Trong hầu hết các trường hợp, phương pháp vật lý chỉ thích hợp cho màng tấm mà không thích hợp cho các màng sợi rỗng Các kỹ thuật như đánh bóng và mài thích hợp cho màng làm

từ các vật liệu vô cơ (kim loại, ceramic )

 Biến tính bề mặt màng bằng phương pháp hóa học

Trong phương pháp hóa học, các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình biến tính bề mặt màng làm thay đổi cấu trúc hóa học bề mặt màng Trong hầu hết các trường hợp, bề mặt màng sau khi biến tính có độ ổn định tốt và có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu tạo màng khác nhau (polyme, kim loại, gốm sứ) Các phương pháp đã và đang được nghiên cứu gồm: xử lý bề mặt màng bằng tia bức xạ UV, ozon, plasma,… trùng hợp ghép bề mặt

1.6 Biến tính bề mặt màng lọc bằng phương pháp trùng hợp ghép

Trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng lọc là một kỹ thuật có thể tiến hành trong pha lỏng hay pha hơi theo các phương thức khác nhau Về nguyên tắc, quá trình trùng hợp ghép có khả năng đưa vào bề mặt vật liệu các nhóm chức có tính chất ưa hoặc kỵ nước Đối với các polyme kỵ nước, kỹ thuật trùng hợp ghép có thể làm tăng tính ưa nước cho bề mặt vật liệu bằng cách đưa vào các nhóm chức chứa oxi hay nito (ví dụ nhóm hydroxyl, cacbonyl, amin …) Trong một số trường hợp đặc biệt, tính kỵ nước của bề mặt vật liệu lại cần được tăng cường, điều này có thể thực hiện bằng cách đưa vào bề mặt các nhóm chức có tính chất kỵ nước Quá trình trùng hợp ghép có thể tiến hành qua một bước hay còn gọi là phương pháp đồng hành, nghĩa là sự trùng hợp xảy ra khi có mặt đồng thời cả monome và chất khơi mào, hoặc có thể tiến hành qua hai bước như là một kỹ thuật phối hợp, ở đây trước hết các vị trí kích thích được tạo ra trên bề mặt vật liệu, sau đó quá trình trùng hợp

ghép xảy ra dưới tác động của nhiệt hoặc bức xạ Đặc tính của lớp polyme trùng hợp ghép phụ thuộc mạnh vào các điều kiện cũng như phương thức tiến hành trùng hợp Bằng cách thay đổi và kiểm soát các điều kiện trùng hợp, có thể tạo được bề mặt vật liệu với các tính chất mong muốn Các kết quả nghiên cứu cho thấy, màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt có khả năng chống tắc (antifouling) tốt hơn so với màng nền ban đầu

1.6.1 Trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại

Phương pháp trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng dùng bức xạ tử ngoại nhận được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu do một số ưu điểm như: tốc độ phản ứng trùng hợp ghép nhanh, chi phí quá trình thấp, thiết bị đơn giản, dễ triển khai trong thực tế

Trùng hợp ghép quang hóa dùng tia UV có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu nền, tác nhân trùng hợp ghép và mục đích sử dụng của vật liệu sau khi biến tính Có hai kỹ thuật thường được sử dụng là kỹ thuật ngâm chìm (immersion method), trong đó vật liệu ban đầu được phủ chất nhạy sáng (nếu cần), sau đó ngâm vào dung dịch chứa tác nhân trùng hợp ghép, đồng thời chiếu bức xạ tử ngoại, hoặc kỹ thuật phủ nhúng (dip method), trong đó màng được ngâm vào dung dịch chứa tác nhân trùng hợp ghép, sau đó lấy ra khỏi dung dịch và được chiếu bức xạ tử ngoại [6,28] Trong trường hợp có sử dụng chất nhạy sáng, dưới tác dụng của tia UV, chất nhạy sáng bị kích thích, ở trạng thái kích thích, nó có khả năng tách proton trên bề mặt vật liệu nền, tạo thành các gốc tự do, khơi mào cho quá trình trùng hợp ghép Nếu vật liệu nền có chứa các nhóm chức carbonyl hoặc este thì có thể không cần dùng chất khơi mào quang, khi đó, dưới tác dụng của tia UV, bản thân vật liệu có thể tự tách proton hoặc nhóm nhạy sáng để tạo ra các gốc tự do, khơi mào cho quá trình trùng hợp ghép Tuy nhiên, bức xạ quang hóa có thể gây tác động tổn hại đến bề mặt màng, do đó, cần phải kiểm soát các thông số như thời gian phơi chiếu và năng lượng bức xạ

Khi so sánh hai kỹ thuật trùng hợp ghép nói trên thì kỹ thuật ngâm chìm cần

sử dụng lượng tác nhân trùng hợp ghép lớn hơn [28] Với cùng loại màng nền, nồng

độ tác nhân trùng hợp ghép, thời gian chiếu bức xạ, tốc độ trùng hợp ghép bề mặt

bằng kỹ thuật phủ nhúng cao hơn so với kỹ thuật ngâm chìm [28] Ví dụ, khi biến tính màng PES có giới hạn tách 50kDa, với tác nhân trùng hợp ghép NPV, sử dụng hai phương pháp ngâm chìm và phương pháp phủ nhúng trong cùng điều kiện, để đạt cùng một đặc tính tách lọc, thì phương pháp phủ nhúng chỉ mất thời gian trùng hợp là 30 giây trong khi phương pháp ngâm chìm cần thời gian trùng hợp lên tới

300 giây [28]

Tuy nhiên, khi thực hiện các phản ứng trùng hợp ghép bằng kỹ thuật phủ nhúng, do các tia bức xạ tiếp xúc trực tiếp với bề mặt màng nên đòi hỏi các điều kiện khắt khe để có thể giảm thiểu tối ảnh hưởng bất lợi của tia bức xạ lên bề mặt màng Hơn nữa, để hạn chế ảnh hưởng của nguyên tử oxy sinh ra trong môi trường không khí dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại, cần tiến hành quá trình trùng hợp ghép trong môi trường khí trơ, điều này cũng là một trở ngại đáng kể khi triển khai

kỹ thuật phủ nhúng ở qui mô công nghiệp Trong kỹ thuật ngâm chìm, dung dịch tác nhân trùng hợp ghép có thể hấp thụ một phần năng lượng bức xạ, do đó bề mặt màng không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi tia bức xạ, quá trình phản ứng xảy ra êm dịu

và dễ kiểm soát hơn, mặt khác quá trình trùng hợp ghép bề mặt có thể kết nối dễ dàng với công đoạn cuối của quá trình chế tạo màng [28]

Để tạo nên lớp polyme ghép có tính chất phù hợp và nâng cao được hiệu quả tách lọc của màng sau khi biến tính bề mặt Các điều kiện tiến hành quá trình trùng hợp ghép như năng lượng tia bức xạ, thời gian trùng hợp, loại monome/polyme và nồng độ của dung dịch ghép cũng như phương thức tiến hành quá trình cần được lựa chọn và kiểm soát tốt Nếu không được kiểm soát tốt, quá trình trùng hợp ghép có thể dẫn tới sự hình thành các homopolyme, tạo nhánh và/ hoặc liên kết chéo giữa các chuỗi ghép, thậm chỉ có thể gây đứt gãy các liên kết và làm hư hại bề mặt màng nền

Pieracciz và cộng sự [55] đã tiến hành quá trình trùng hợp ghép quang hóa,

sử dụng các monome ưa nước là N-vinyl-2-pyrrolidinone (NVP), vinylformamide (NVF) và N-vinylcaprolactam (NVC) biến tính bề mặt màng PES

M-có giới hạn tách 10kDa, kết quả cho thấy tính ưa nước của màng được nâng lên và mức độ tắc màng giảm 49% khi lọc tách protein (BSA) trong dung dịch nước Ngoài NVP, nhiều loại monome ưa nước khác cũng có thể sử dụng để trùng hợp

ghép quang hóa biến tính bề mặt màng PES, như acid acrylic (AA), acid maleic (MA), poly(ethylen glycol) methacrylate (PEGMA), N-vinylfonnamide (NVF) Taniguchi và Belfort [68] đã tiến hành trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng PES

sử dụng các loại monome khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy tính ưa nước của màng PES được nâng lên rõ rệt sau khi trùng hợp ghép bề mặt, tính năng lọc tách của màng thay đổi tùy thuộc loại monome sử dụng cho quá trình trùng hợp ghép

Liu và Kim [46] đã nghiên cứu biến tính bề mặt màng PES thương mại bằng cách trùng hợp ghép các monome lên bề mặt màng nhằm giảm thiểu hiện tượng fouling Các polyme ưa nước được sử dụng gồm poly(vinyl ancol) (PVA), poly(ethylen glycol) (PEG) Kết quả cho thấy sau khi trùng hợp ghép bề mặt, khả năng chống tắc của màng được nâng lên đáng kể

Ulbricht và cộng sự [50] đã biến tính bề mặt màng PES bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa sử dụng tác nhân PEGMA Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian chiếu bức xạ và nồng độ monome là các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến mức

độ trùng hợp ghép Các màng sau khi biến tính bề mặt có độ lưu giữ cao hơn và khả năng chống tắc tốt hơn so với màng nền ban đầu Tuy nhiên sự suy giảm năng suất lọc có thể xảy ra do sự thu hẹp kích thước lỗ màng nếu các điều kiện tiến hành trùng hợp ghép không được kiểm soát tốt

Susanto và cộng sự [65] đã nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc PES nhằm giảm mức độ fouling cho màng bằng phương pháp trùng hợp ghép sử dụng PEGMA

và một monome khác, để tạo liên kết chéo (cross-linker), là N,N’-methylen bisacrylamid (MBAA) Kết quả cho thấy màng sau khi biến tính bề mặt có khả năng chống tắc vượt trội so với màng nền

Hình 1.3 thể hiện cơ chế của quá trình trùng hợp ghép quang hóa biến tính bề

mặt màng PES dưới bức xạ UV [21,66] vật liệu nền (polysulfone hay polyethersulfune) có chứa nhóm nhạy sáng, dưới tác dụng của tia UV, bản thân màng PES có thể tự tách nhóm nhạy sáng tạo ra các gốc tự do Sau đó các gốc tự do

sẽ trùng hợp ghép với các monome Kết quả tạo thành chuỗi polyme ghép lên bề mặt và có thể ở bên trong lỗ xốp của màng lọc

Hình 1.3 Cơ chế trùng hợp ghép quang hóa vinyl monome lên bề mặt màng PES

[66]

1.6.2 Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử

Việc biến tính bề mặt màng bằng phương pháp trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử cũng là một phương pháp có nhiều ưu điểm Một trong những ưu điểm của phương pháp này là có thể tiến hành trong dung dịch ở nhiệt độ phòng, mà không cần phải loại bỏ oxy Quá trình trùng hợp ghép bề mặt được khơi mào bởi phản ứng oxy hóa khử tạo thành các gốc tự do có hoạt tính cao trên bề mặt màng Trong bước phát triển mạch, các gốc tự do phản ứng với monome tạo lớp polyme ghép lên bề mặt màng, các đơn vị monome khác có thể kéo dài chuỗi ghép Bước ngắt mạch xảy

ra khi màng được chuyển vào môi trường nước để tắt các gốc tự do trên bề mặt màng Hệ khơi mào oxy hóa khử thường được sử dụng là K2S2O8/Na2S2O5 [50], cho phép tạo được các gốc tự do dưới các điều kiện êm dịu

V.Freger và cộng sự [71] đã nghiên cứu đặc tính của màng nền và màng biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, sử dụng hệ khơi mào

K2S2O8/Na2S2O5 với tác nhân trùng hợp ghép là acid acrylic, acid methacrylic, poly (ethylen glycol) methacrylate Kết quả cho thấy cấu trúc của lớp polyme ghép lên bề mặt màng không thay đổi đáng kể, ảnh chụp TEM chứng tỏ có một lớp ghép mỏng được hình thành trên bề mặt hoạt động của màng S.Belfer và cộng sự [61] nghiên cứu biến tính bề mặt màng polyamid bằng phương pháp trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, sử dụng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5 với các tác nhân trùng hợp ghép

là acid methacrylic và poly (ethylen glycol) methacrylate, kết quả chỉ ra rằng bề mặt màng trở lên ưa nước hơn, đồng thời khả năng làm sạch màng cũng dễ dàng hơn

Reddy và các cộng sự đã nghiên cứu biến tính bề mặt các màng PES có giới hạn tách phân tử thấp hơn 1000Da và màng polyamid bằng phương pháp trùng hợp

ghép khơi mào oxy hóa khử với tác nhân monome acrylate Các màng sau khi biến tính bề mặt được dùng để xử lý dòng thải nhuộm và làm ngọt nước lợ Kết quả cho thấy màng biến tính bề mặt có tính chất tách lọc và khả năng chống fouling tốt hơn

so với màng nền ban đầu

Cơ chế quá trình trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử được dự đoán như sau [61]:

Các gốc tự do tạo thành do phản ứng oxy hóa khử:

-M• + Rpolyme• polyme ghép trên bề mặt màng

1.7 Polyethersulfone và màng lọc polyethersulfone (PES)

Polyethersulfone là polyme có chứa nhóm ethersulfone(-O-C6H4-SO2- C6H4) Màng lọc polyethersulfone (PES) có thể là màng lọc vi lọc hay siêu lọc có cấu trúc bất đối xứng Màng được ứng dụng khá nhiều trong siêu lọc máu (chạy thận nhân tạo), lọc vô trùng, tách lọc các chế phẩm y sinh và protein … Màng PES nói chung

có độ bền nhiệt khá tốt so với một số loại màng polyme khác và có thể chịu được môi trường pH từ 1 đến 14 [17,33] Tuy nhiên, vật liệu PES có nhược điểm là tính

ưa nước kém, do đó các chất hữu cơ dễ bị hấp phụ lên bề mặt màng PES trong quá trình lọc tách, dẫn đến hiện tượng tắc màng

Trong nghiên cứu này, bề mặt màng PES thương mại được nghiên cứu biến tính bằng phương pháp trùng hợp ghép sử dụng các tác nhân poly(etylen glycol) methacrylate (PEGMA) và N-vinyl-2-pyrolidinone (NVP) PEGMA là hợp chất hữu cơ không no có khả năng tự trùng hợp, có tính ưa nước, công thức cấu tạo như sau:

N-Vinyl-2-pyrrolidone (C6H9NO) là một hợp chất hữu cơ có nhóm lactam liên kết với nhóm vinyl, là tiền thân của polyvinyl pyrrolidone (PVP) NVP tồn tại ở trạng thái lỏng, không màu, có mùi nhẹ, ở nhiệt độ phòng có thể hòa tan trong nước

và các dung môi hữu cơ Công thức cấu tạo của NVP như sau:

1.8 Ứng dụng màng lọc trong xử lý nước thải của quá trình chế biến sữa

Nước thải từ các nhà máy sữa, ngoài thành phần chính là sữa loãng (chứa lipid, protein và lactose) còn có một lượng lớn các hóa chất tẩy rửa (axit, kiềm, chất bảo quản) Lượng nước thải này không chỉ gây lãng phí nước mà còn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Trong số các công nghệ xử lý nước thải của quá trình chế biến sữa hiện nay, công nghệ màng đặc biệt là công nghệ lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược (RO) được coi là một giải pháp đầy hứa hẹn, cho phép tái sử dụng nguồn nước đồng thời thu hồi một số thành phần hữu cơ có ích như protein, lactose

có trong nước thải[47,60] Nước thải sau khi xử lý qua hệ thống RO, dòng thấm qua được quay vòng tái sử dụng trong nhà máy, dòng lưu giữ được sử dụng làm thức ăn bổ sung cho động vật [62] làm chất nền cho vi sinh vật tổng hợp các chất dẻo phân huỷ sinh học [16] Vourch và cộng sự ước tính rằng để xử lý 100 m3 nước thải từ một nhà máy sữa trong một ngày cần 540 m2

màng RO, lượng nước thu hồi được có thể đạt 95% Nước tinh khiết theo tiêu chuẩn nước uống có thể đạt được bằng cách xử lý hai giai đoạn [13,22,31,49]

Xử lý nước thải từ nhà máy sữa bằng hệ siêu lọc (UF) có năng suất lọc cao ở điều kiện áp suất thấp, tuy nhiên nước thấm qua có hàm lượng lactose cao nên không thể tái sử dụng được [23] Nếu dùng hệ NF/RO thì nước thấm qua có thể tái

sử dụng lại, nhưng sự gia tăng nồng độ các chất hữu cơ và muối vô cơ trong quá trình tách làm năng suất lọc giảm nhanh [13] Một vấn đề khác đối với việc xử lý NF/RO của nước thải quá trình chế biến sữa là sự khó khăn trong việc thu hồi chất dinh dưỡng, bởi các hóa chất tẩy rửa chứa trong nước thải của sữa đều được lưu giữ lại bởi hệ màng NF/RO, làm nhiễm bẩn các chất dinh dưỡng (lipid, protein và lactose) [26,54]

Quy trình UF/NF hai giai đoạn đã được đề xuất để tái sử dụng protein và lactose Protein được giữ lại bởi màng UF và lactose trong dòng thấm qua từ UF được lưu giữ bởi NF [10,74] Đối với việc xử lý nước thải của quá trình chế biến sữa, cách tiếp cận tương tự cũng có thể được áp dụng Sử dụng màng NF sau siêu lọc có thể thu hồi lactose từ dòng lưu giữ và giảm lượng nước thải cần thiết phải xử

lý tại nhà máy [44,72]

Trong mô hình của quá trình UF/NF hai giai đoạn, lipid và protein được màng UF giữ lại ở giai đoạn đầu tiên, trong khi các chất tan khác như lactose và muối có thể dễ dàng đi qua màng UF, áp suất thẩm thấu trong dịch thấm qua UF tăng không đáng kể do đó thông lượng qua màng được duy trì ổn định Nếu không tiếp tục lọc qua màng NF, dòng thấm qua UF có thể được sử dụng cho việc trồng tảo để sản xuất dầu diesel sinh học và nhiên liệu sinh học [42,56] Do tảo có khả năng hấp thụ nitơ (N) và phốt pho (P) cao, vấn đề loại bỏ N và P khỏi nước thải của quá trình chế biến sữa có thể được giải quyết [26]

Trong nghiên cứu của Luo và cộng sự [48], quy trình UF/NF hai giai đoạn

xử lý nước thải của quá trình chế biến sữa được đề xuất, nhằm thu hồi protein trong giai đoạn lọc qua màng UF, lactose được thu hồi bởi màng NF và nước được tái sử dụng Nghiên cứu đã tập trung vào việc lựa chọn các màng UF và NF thích hợp Hiệu suất của quá trình UF/NF hai giai đoạn cũng được so sánh với quá trình NF đơn Kết quả cho thấy mô hình có thể hữu ích trong việc xử lý nước thải quá trình chế biến sữa

1.9 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn

Nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc PES thương mại bằng phương pháp trùng hợp ghép, nhằm nâng cao tính năng tách lọc và khả năng chống tắc của màng Ảnh hưởng của các điều kiện tiến hành trùng hợp ghép đến đặc tính cấu trúc và tính năng tách lọc protein của màng được khảo sát và đánh giá, bao gồm: trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, sử dụng hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5, với tác nhân trùng hợp ghép là poly(ethylene glycol) methacrylate (PEGMA) và 1-vinyl-2-pyrolidinone (NVP)

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất và thiết bị

2.1.1 Hóa chất, vật liệu

1 Protein (albumin) Pha dung dịch tách Wako (Nhật)

2 1-Vinyl-2-pyrrolidinone Tác nhân trùng hợp ghép Aldrich (Mỹ)

3 Poly (ethylene glycol)

methacrylate (PEGMA) (99.0 %)

Tác nhân trùng hợp ghép Aldrich (Mỹ)

4 CuSO4.5H2O (99.0 %) Pha thuốc thử biure Trung Quốc

5 NaKC4H4O6.4H2O (99.0 %) Pha thuốc thử biure Trung Quốc

điều chỉnh pH

Trung Quốc

7 NaH2PO4.2H2O (99.0 %) Pha đệm photphat Trung Quốc

8 K2HPO4.3H2O (99.0 %) Pha đệm photphat Trung Quốc

9 Màng lọc polythersulfone (PES,

0.22m)

10 K2S2O8 (99.0 %) Chất khơi mào Trung Quốc

11 Na2S2O5 (99.0 %) Chất khơi mào Trung Quốc

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ

1 Bình nén khí N2 Tạo động lực áp suất

2 Cân phân tích (Shimazu) Cân hóa chất

3 Máy khuấy từ (Trung Quốc) Khuấy dung dịch trong quá trình tách lọc

4 Thiết bị lọc (Osmonic USA) Đánh giá tính năng tách lọc của màng

5 Thiết bị trắc quang (Spectro

2000RS)

Đo độ hấp thụ quang

6 Thiết bị chiếu bức xạ tử ngoại (tự

chế tạo)

Biến tính bề mặt màng

7 Cell teflon (tự chế tạo) Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử

8 Thiết bị đo phổ hồng ngoại phản

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Biến tính bề mặt màng

Màng lọc polyethersulfone (PES) thương mại (Satorius, Đức) được sử dụng làm màng nền Màng có kích thước lỗ bề mặt trung bình 0.22m Quá trình biến tính bề mặt màng được thực hiện bằng các phương pháp trùng hợp ghép quang hóa

và trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử

2.2.1.1 Biến tính bề mặt màng bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa

Quá trình biến tính bề mặt màng bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa được tiến hành như sau:

- Màng nền được sấy khô ở nhiệt độ 400C trong 24 giờ

-Kích thích bề mặt màng bằng bức xạ tử ngoại (đèn UV-B bước sóng 300nm, công suất 60W, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới bề mặt màng là 20cm)

- Ngâm chìm màng trong dung dịch chứa tác nhân trùng hợp ghép có nồng

độ xác định, đồng thời chiếu bức xạ tử ngoại trong thời gian xác định

- Rửa sạch màng bằng nước cất

- Sấy khô màng trong 24 giờ ở nhiệt độ 400C

- Bảo quản màng cho tới khi sử dụng

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trùng hợp ghép được khảo sát gồm nồng

độ tác nhân ghép, thời gian trùng hợp, loại monome sử dụng cho quá trình trùng hợp ghép

Hình 2.1 Hệ thiết bị thí nghiệm trùng hợp ghép quang hóa dùng tia UV 2.2.1.2 Biến tính bề mặt màng bằng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử

Hỗn hợp K2S2O8/ Na2S2O5 được sử dụng để khơi mào cho quá trình trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng Quá trình trùng hợp ghép được thực hiện như sau: màng nền sau khi sấy khô được đặt vào cell teflon, sau đó cho dung dịch hỗn hợp gồm tác nhân trùng hợp ghép và dung dịch chất khơi mào K2S2O8/ Na2S2O5 có nồng

độ xác định vào cell, quá trình trùng hợp ghép lên bề mặt màng được tiến hành trong khoảng thời gian xác định Sau khi trùng hợp ghép bề mặt, màng được rửa sạch bằng nước cất và ngâm rửa qua đêm, sấy khô và bảo quản cho tới khi sử dụng

Hình 2.2 Cell teflon dùng cho thí nghiệm trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử

Màng lọc Đèn UV

2.2.2 Đánh giá đặc tính bề mặt màng

2.2.2.1 Phổ hồng ngoại phản xạ FTIR-ATR

Phương pháp phổ hồng ngoại (IR – Infrared Spectroscopy) đo hấp thụ bức xạ hồng ngoại của mẫu vật liệu, dựa trên nguyên tắc hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại của phân tử Khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại, các chuyển động dao động và chuyển động quay của phân tử bị kích thích với các tần số khác nhau, thu được dải phổ hấp thụ hồng ngoại Các nhóm định chức khác nhau hấp thụ bức xạ hồng ngoại

ở các tần số khác nhau, tương ứng với bản chất hóa học của chúng Dựa vào phổ hồng ngoại có thể xác định được các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử

Các thiết bị phổ hồng ngoại thế hệ mới làm việc theo nguyên lý biến đổi Fourier (Fourier Transformmation Infrared Spectrometer- FTIR) Trong đó bộ giao thoa kế thay cho bộ tạo tia đơn sắc, có khả năng tách chùm tia bức xạ thành hai phần có cường độ bằng nhau, sau đó kết hợp lại tạo thành bức xạ có cường độ biến đổi Với các mẫu cần xác định thành phần hóa học của lớp mỏng trên bề mặt, sử dụng thêm bộ phận phản xạ tia bức xạ (ATR) vào detector

Trong nghiên cứu này, các phép đo phổ hồng ngoại được thực hiện trên thiết

bị FTIR (Affinity-1S), đo tại Khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Các mẫu màng được sấy chân không ở 250C trong 2 giờ trước khi tiến hành đo phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt

2.2.2.2 Ảnh chụp hiển vi điện tử quét SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, viết tắt là SEM), là

một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật

Nguyên lý hoạt động: Một chùm điện tử đi qua các thấu kính điện tử hội tụ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu, tín hiệu phát ra từ bề mặt mẫu phản ánh đặc điểm (độ lồi lõm) của bề mặt Cho chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu, đồng thời quét tia điện tử trên màn hình một cách đồng bộ, thu và khuếch đại tín hiệu phát ra từ bề

mặt mẫu để làm thay đổi cường độ tia điện tử quét trên màn hình, thu được ảnh chụp SEM biểu trưng hình thái cấu trúc vật liệu

Trong nghiên cứu này, ảnh SEM của các mẫu màng nền và màng trùng hợp ghép bề mặt được chụp trên thiết bị FE-SEM (Hitachi S-4800), đo tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Các mẫu màng được phun phủ một lớp Pt dày khoảng 3nm trước khi tiến hành chụp SEM

2.2.2.3 Ảnh chụp hiển vi lực nguyên tử (AFM)

Kính hiển vi lực nguyên tử hay hiển vi nguyên tử lực (Atomic force microscope, viết tắt là AFM) là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật

rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa đầu dò với bề mặt của mẫu Bộ phận chính của AFM là đầu dò được gắn trên một thanh rung

(cantilever) Đầu dò thường được làm bằng Si hoặc SiN Khi đầu dò quét gần bề

mặt mẫu vật, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu dò (lực nguyên tử) làm rung thanh cantilever Lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu dò và bề mặt của mẫu Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ một tia laser chiếu qua bề mặt của thanh rung, dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia lase và được detector ghi lại Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu

Trong nghiên cứu này, ảnh chụp hiển vi lực nguyên tử các mẫu màng được thực hiện trên thiết bị AFM (PicoScan 2500, Aligent), đo tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Độ thô nhám bề mặt (Ra, Rms) được xác định bằng phần mềm có sẵn trên thiết bị

2.2.2.4 Mức độ trùng hợp ghép lên bề mặt màng

Mức độ trùng hợp ghép(GD) trên bề mặt màng được xác định dựa trên sự chênh lệch khối lượng mẫu màng trước và sau khi trùng hợp ghép

GD = [(m 1 -m 0 )/m 0 ] 100 (%)

Trong đó m0 và m1 là khối lượng màng trước và sau khi trùng hợp ghép bề mặt

2.2.3 Đánh giá tính năng tách lọc của màng

Việc xác định đặc tính tách lọc của màng được thực hiện trên thiết bị thử màng phòng thí nghiệm (hình 2.3) Thiết bị làm việc theo phương thức lọc thẳng

góc qua màng Để tránh sự phân cực nồng độ, dung dịch được khuấy đảo liên tục trên bề mặt màng trong quá trình lọc bằng máy khuấy từ sử dụng con từ treo Các thí nghiệm lọc tách được thực hiện dưới cùng một áp suất xác định (10 bar) với cùng thể tích dịch lọc (300 ml), cùng thời gian lọc và diện tích các tấm màng sử dụng là như nhau

Màng được đặt lên tấm đỡ kim loại xốp rồi đặt vào bình chứa dung dịch tách Nạp dung dịch cần tách vào bình, lắp kín hệ thống, điều chỉnh áp suất tách, dung dịch trong bình được nén qua màng và dịch lọc đi ra ngoài qua ống dẫn, dịch cô đặc lưu lại trong bình chứa

Trong nghiên cứu này, quá trình tách lọc protein được thực hiện trên thiết bị lọc màng Osmonic (Mỹ), đo tại phòng thí nghiệm màng lọc, bộ môn Công nghệ hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thiết bị lọc màng phòng thí nghiệm

Đặc tính tách lọc của màng được đánh giá qua các thông số: độ lưu giữ (R), năng suất lọc (J) và độ giảm năng suất lọc theo thời gian (FM)

2.2.3.1 Độ lưu giữ

Độ lưu giữ của màng được xác định bởi công thức:

Trong đó: C0 là nồng độ protein trong dung dịch ban đầu (mg/L)

C là nồng độ protein trong dịch lọc (mg/L)

Nồng độ protein được xác định bằng phương pháp trắc quang, đo độ hấp thụ quang của phức giữa protein với thuốc thử biure ở bước sóng 540 nm trên thiết bị UV-Vis (Spectro 2000RS), đo tại phòng thí nghiệm màng lọc, bộ môn Công nghệ hóa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

2.2.3.3 Độ giảm năng suất lọc theo thời gian

Tiến hành lọc tách dung dịch protein tại áp suất xác định và khảo sát sự thay đổi năng suất lọc của màng theo thời gian Màng có độ giảm năng suất lọc càng thấp thì khả năng chống tắc của màng sẽ càng tốt, mức độ duy trì năng suất lọc của màng theo thời gian càng cao Nếu gọi Jt0 là năng suất lọc tại thời điểm ban đầu và

Jt là năng suất lọc tại các thời điểm t thì mức độ duy trì năng suất lọc được tính theo công thức:

FM = [(J t /J t0 ) 100], (%)

2.2.4 Khả năng lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng

Trong nghiên cứu này, dung dịch sữa loãng tự pha được chuẩn bị từ các mẫu sữa tươi Ba Vì và mẫu sữa tiệt trùng Vinamilk (pha loãng khoảng 30 lần) Dung dịch sữa loãng được lọc qua các màng nền và màng đã biến tính bề mặt Các thông

số được khảo sát và so sánh gồm: độ lưu giữ protein, năng suất lọc trung bình và độ giảm năng suất lọc theo thời gian của màng

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Trùng hợp ghép 1-vinyl-2-pyrolidinone (NVP) biến tính bề mặt màng PES

3.1.1 Trùng hợp ghép quang hóa NVP lên bề mặt màng PES

3.1.1.1 Ảnh chụp SEM và AFM

Ảnh chụp SEM (Hình 3.1) mặt cắt và bề mặt màng PES trước và sau khi

trùng hợp ghép với NVP cho thấy sự hình thành lớp polyme ghép trên bề mặt màng,

bề mặt màng trở nên chặt sít hơn Sự thay đổi độ chặt sít bề mặt sẽ có ảnh hưởng đến độ lưu giữ cũng như năng suất lọc của màng Với cấu tử cần tách có kích thước xác định, màng có kích thước lỗ bề mặt nhỏ hơn sẽ lưu giữ được hoàn toàn cấu tử

đó Tuy nhiên, kích thước lỗ của vật liệu màng thường không hoàn toàn đồng đều

và cấu tử cần tách sẽ bị lọt qua các lỗ có kích thước lớn hơn kích thước của cấu tử

Do đó, việc thu hẹp kích thước lỗ trung bình thường làm tăng độ lưu giữ cho màng Tuy nhiên, nếu bề mặt màng trở nên quá chặt sít thì sẽ làm tăng trở lực và ảnh hưởng đến lưu lượng lọc qua màng

Hình 3.1 Ảnh chụp SEM màng nền (trái) và màng trùng hợp ghép NVP (phải)

Hình 3.2 là ảnh chụp AFM bề mặt màng trước và sau khi trùng hợp ghép với

NVP Kết quả xác định độ thô nhám trung bình (Ra) và độ thô nhám bình phương

trung bình (Rms) các bề mặt màng (Bảng 3.1) cho thấy bề mặt màng đã trở nên

trơn nhẵn hơn, với các giá trị Ra giảm từ 79 nm xuống 56 nm và Rms giảm từ 95

nm xuống 71 nm

Hình 3.2 Ảnh chụp AFM bề mặt màng nền (trái) và màng trùng hợp ghép NVP (phải)

Bảng 3.1 Độ thô nhám bề mặt màng PES trước và sau khi trùng hợp ghép với NVP

3.1.1.2 Phổ hồng ngoại phản xạ

Hình 3.3 là kết quả đo phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng nền và màng

trùng hợp ghép NVP Trên phổ hồng ngoại của màng nền PES có thể quan sát thấy

dải hấp thụ trong khoảng số sóng 1600-1400 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết (C=C) trong vòng thơm, liên kết C-O-C được đặc trưng bởi các pic hấp thụ tại

1321 cm-1 và 1238 cm-1, các pic hấp thụ đặc trưng cho nhóm S=O xuất hiện tại

1147 cm-1 và 1103 cm-1 So với màng nền, phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng PES trùng hợp ghép với NVP có sự xuất hiện pic hấp thụ mới tại 1730 cm-1, dự đoán là do nhóm C=O của NVP đã được trùng hợp ghép lên bề mặt màng

Hình 3.3 Phổ hồng ngoại phản xạ (a) màng nền và (b) màng trùng hợp ghép với NVP

Sự hình thành lớp ghép NVP sẽ làm cho bề mặt màng trở nên ưa nước hơn [21] Tính ưa nước có ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lọc và khả năng chống tắc của màng Với cùng độ cản thủy lực, bề mặt màng ưa nước hơn sẽ có năng suất lọc cao hơn và khả năng chống tắc tốt hơn Sở dĩ như vậy là do sự hình thành lớp nước tinh khiết hấp phụ trên bề mặt màng, có tác dụng ngăn cản sự hấp phụ trực tiếp của các tiểu phân bị lưu giữ trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng trong quá trình lọc tách [29]

3.1.1.3 Mức độ trùng hợp ghép

Mức độ trùng hợp ghép NVP lên bề mặt màng PES khi tiến hành trùng hợp dưới bức xạ UV, sử dụng dung dịch NVP nồng độ 0.3% với các khoảng thời gian

trùng hợp khác nhau được trình bày trong Bảng 3.2, Hình 3.4 Kết quả thí nghiệm

cho thấy tại một nồng độ NVP xác định, lượng polyme trùng hợp ghép tăng theo thời gian trùng hợp trong khoảng thời gian từ 1 đến 3 phút, sau đó có xu hướng giảm nếu tiếp tục kéo dài thời gian trùng hợp Điều này có thể là do bức xạ tử ngoại

đã tác động lên lớp polyme ghép hoặc xảy ra sự trùng hợp tạo homopolyme trong dung dịch

Bảng 3.2 Mức độ trùng hợp ghép NVP lên bề mặt màng PES (UV)

Điều kiện trùng hợp ghép quang hóa với NVP GD (%)