Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc uf polysulfone trong xử lý nước thải bằng phương pháp biến tính bề mặt

TÊN ĐỀ TÀI: Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc UF Polysulfone trong xử lý nước thải bằng phương pháp biến tính bề mặt.... Ngoài ra, màng UF- PVA với đặc tính ưa nước, giảm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỐ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỐ CHÍ MINH

BIẾN TÍNH BỀ MẶT

CHUYÊN NGÀNH: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.52.77

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Mai Thanh Phong

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:……

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lại Vũ Tài MSHV: 12290178

Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1989 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học Mã số : 60.52.77

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc UF Polysulfone trong xử lý

nước thải bằng phương pháp biến tính bề mặt

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Biến tính bề mặt màng UF polysulfone bằng lớp phủ PVA với các điều kiện

khác nhau

 Khảo sát khả năng phục hồi thông lượng của màng lọc UF polysulfone khi vệ

sinh màng bằng nước và hóa chất

 Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải của màng lọc UF polysulfone đã được biến

tính bề mặt bằng PVA trong điều kiện phòng thí nghiệm

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Mai Thanh Phong và ThS Trần Lê Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Em xin cảm ơn các anh/em trong Vườn ươm doanh nghiệp công nghệ - Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ em trong quá trình thực hiện thí nghiệm trong đề tài

Xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè đã cổ vũ và động viên tôi hoàn thành Luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Lại Vũ Tài

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Màng siêu lọc ultrafiltration là một loại màng bán thấm, được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các cấu tử hòa tan có khối lượng phân tử lớn Trong công nghiệp, màng được dùng để tinh chế, cô đặc hay phân tách các phân tử có khối lượng

từ 103 – 106 Da, ngoài ra còn ứng dụng trong y học và trong công nghệ xử lý nước thải Tuy nhiên, nhược điểm của màng là hiện tượng giảm thông lượng dòng thẩm thấu qua màng do tắc nghẽn sau một thời gian hoạt động Trong đó, biến tính bề mặt màng được xem là một phương pháp có nhiều triển vọng để giảm hiện tượng tắc nghẽn màng Phương pháp biến tính bề mặt màng được thực hiện bằng cách phủ một lớp polymer ưa nước trên bề mặt màng để làm tăng tính ưa nước và bề mặt màng trở nên phẳng hơn Do đó, tác nhân gây tắc nghẽn khó bám trên bề mặt, làm giảm khả năng hình thành lớp gel gây tắc nghẽn màng Trong luận văn này, PVA đã được sử dụng để phủ lên màng siêu lọc polysulfone với tác nhân nối mạng là acid malic Sự ảnh hưởng của các yếu tố nồng độ PVA phủ, thời gian và số lần nhúng màng, điều kiện xử lý nhiệt

độ cũng như nồng độ acid malic lên khả năng chống tắc nghẽn của màng đã được khảo sát

Kết quả khảo sát cho thấy, biến tính bề mặt màng bằng PVA đã cải thiện đáng kể khả năng chống tắc nghẽn của màng Tuy nhiên, khi biến tính bởi PVA thông lượng nước sạch qua màng có giảm nhẹ Cụ thể, với dung dịch nhập liệu alginate 1000ppm, thông lượng giảm khoảng 14% Điều kiện biến tính phù hợp đã được xác định là: nồng

độ dung dịch PVA 0,05g/L, acid malic 20%, nhúng màng lần 1 trong 10s, nhúng lần 2 trong 5s và sấy ở 80oC trong vòng 10 phút Ngoài ra, màng UF- PVA với đặc tính ưa nước, giảm sự hấp phụ các chất gây tắc nghẽn lên bề mặt màng cho khả năng phục hồi thông lượng và loại bỏ các chất gây tắc nghẽn sau khi vệ sinh màng cao hơn so với màng UF-Polysulfone

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU 6

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 6

I.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 6

I.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN 8

I.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

II.1 MÀNG UF VÀ QUÁ TRÌNH SIÊU LỌC 9

II.2 CƠ CHẾ TRUYỀN VẬN QUA MÀNG UF [1,2,4]: 11

II.2.1 Mô hình lỗ xốp 11

II.2.2 Mô hình nhiệt động lực học không thuận nghịch 12

II.2.3 Mô hình lớp biên 12

II.3 HIỆN TƯỢNG TẮC NGHẼN MÀNG 16

II.3.1 Cơ chế tắc nghẽn màng 16

II.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn màng [1,2,4,5]: 20

II.3.3 Phương pháp kiểm soát tắc nghẽn màng thông qua biến tính màng [4]: 21

II.4 PHƯƠNG PHÁP BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG UF POLYSULFONE BẰNG LỚP PHỦ PVA 22

II.5 CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY 24

II.5.1 Nghiên cứu nước ngoài 24

II.5.2 Nghiên cứu trong nước 27

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 28

III.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 28

III.1.1 Nguyên liệu 28

III.1.2 Hệ thống thí nghiệm 30

III.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 32

III.2.1 Quy trình chuẩn bị màng UF Polysulfone – PVA 32

III.2.2 Thí nghiệm khảo sát tắc nghẽn 33III.3 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA MÀNG 35CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36IV.1 ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH PVA LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG UF – PVA 36IV.2 ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ ACID MALIC LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA CÁC LOẠI MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH 40IV.3 ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NHÚNG MÀNG LÊN KHẢ NĂNG

CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA CÁC MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH 43IV.4 ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LẦN NHÚNG MÀNG LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA CÁC MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH 45IV.5 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH 47IV.6 ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN XỬ LÝ NHIỆT LÊN KHẢ NĂNG

CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG UF – PVA TẠO THÀNH 49IV.7 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI THÔNG LƯỢNG CỦA MÀNG LỌC UF-PVA SAU KHI VỆ SINH MÀNG BẰNG NƯỚC VÀ HÓA CHẤT 52CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 57TAÌ LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2 1 Phân lọc màng lọc theo kích thước và áp suất làm việc[1] 9

Hình 2 2 Phân loại các cấu tử bị loại bỏ bởi các loại màng khác nhau 9

Hình 2 3 Cấu trúc màng siêu lọc (UF) (a) lớp vi xốp (b) lớp chọn lọc UF[1] 10

Hình 2 4 Kiểu dòng chảy Dead-end và kiểu dòng chảy Cross-flow[2] 10

Hình 2 5 Quá trình truyền khối trong lớp biên phân cực nồng độ có bề dày δbl 13

Hình 2 6 Profile thông lượng nước thẩm thấu qua màng theo thời gian[2] 17

Hình 2 7 Hình thành lớp kem trên bề mặt màng UF do hiện tượng phân cực nồng độ[1] 18

Hình 2 8 Các loại trở lực trong quá trình lọc màng[5] 19

Hình 2 9 Cơ chế chống tắc nghẽn của lớp phủ ưa nước (a) lớp vi xốp (b) lớp chọn lọc UF[4] 23

Hình 2 10 Phản ứng nối mạng giữa PVA và acid malic 24

Hình 2 11 Phản ứng nối mạng giữa PVA và borax 25

Hình 3 1 Công thức cấu tạo Pollysulfone 28

Hình 3 2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đánh giá hiệu quả hoạt động của màng UF[6] 30

Hình 3 3 Mô hình hệ thống thí nghiệm tại Vườn ươm doanh nghiệp công nghệ – ĐH BK HCM 31

Hình 4 1Phổ FTIR của màng UF-Polysulfone, UF-PVA-0,025g/L, UF-PV-0,05g/L, UF-PVA-0,1g/L, UF-PVA-o,3g/L 37

Hình 4 2 Ảnh hưởng của nồng độ PVA lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng được biến tính 38

Hình 4 3 Ảnh hưởng của nồng độ PVA lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate 40

Hình 4 4 Ảnh hưởng của nồng độ acid malic lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng được biến tính 41

Hình 4 5 Ảnh hưởng của nồng độ acid malic lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate 41

Hình 4 6 Ảnh hưởng của thời gian nhúng màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng được biến tính 43

Hình 4 7 Ảnh hưởng của thời gian nhúng màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate 45

Hình 4 8 Ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng được biến tính 46

Hình 4 9 Ảnh hưởng của số lần nhúng màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate 47Hình 4 10 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng được biến tính 48Hình 4 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate 49Hình 4 12 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt màng lên độ thẩm thấu nước (A) và trở lực (Rm) của màng được biến tính 50Hình 4 13 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt màng lên sự suy giảm thông lượng nước qua màng trong các thí nghiệm tắc nghẽn màng với alginate 51Hình 4 14 Độ sụt giảm thông lượng của màng UF-PVA 0,05 g/L và màng UF thương mại với nồng độ dung dịch nhập liệu Alginate 1000ppm 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4 1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch PVA lên tính ưa nước và khả năng chống tắc nghẽn của các loại màng UF – PVA 39Bảng 4 2 Ảnh hưởng của nồng độ acid malic lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA 42Bảng 4 3 Ảnh hưởng của thời gian nhúng lên tính ưa nước và khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA 44Bảng 4 4 Ảnh hưởng của số lần nhúng lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA 46Bảng 4 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý nhiệt lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA 48Bảng 4 6 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt lên khả năng chống tắc nghẽn của màng UF- PVA 51Bảng 4 7 Độ phục hồi thông lượng và tỉ lệ các chất tắc nghẽn được loại bỏ 53Bảng 4 8 Độ thẩm thấu và trở lực màng 53

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU

UF Ultrafiltration

TOC Total Organic cacbon

PVA Poly (vinyl alcohol)

SEM Scanning Electron Microscope

FT-IR Fourier transform infrared

SA Sodium Alginate

COD Chemical Oxygen Demand

FAS Ferrous Ammonium Sulfate

UV Ultra Violet

Jw thông lượng trước khi bắt đầu chạy tắc nghẽn

Jws thông lượng khi kết thúc chạy tắc nghẽn

TEM Transmission electron microscope

XRD X-ray diffraction

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ

I.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, công nghệ phân riêng được sử dụng trong hầu hết các quá trình sản xuất của công nghệ hóa học, thực phẩm, dược phẩm, môi trường,… Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tinh chế, nâng cao chất lượng sản phẩm, tái sinh hay loại bỏ một số cấu tử đặc biệt Tùy từng mục đích cụ thể trong sản xuất để lựa chọn các phương pháp phân riêng phù hợp như chưng cất, hấp phụ, hấp thụ, trích ly, cô đặc, lọc màng,… Trong đó, công nghệ màng lọc ngày càng được sử dụng rộng rãi và được xem

là công nghệ phân riêng triển vọng trong lĩnh vực phân tách Nguyên nhân do công nghệ lọc màng có khả năng loại bỏ, xử lý các đối tượng phức tạp với hiệu suất cao, ở nhiệt độ thường và tiêu tốn năng lượng, hóa chất ít hơn so với các phương pháp phân riêng khác Công nghệ lọc màng bao gồm các màng cơ bản: màng vi lọc (MF), màng siêu lọc (UF), màng lọc nano (NF), màng lọc thẩm thấu ngược (RO) Mỗi loại màng có khoảng kích thước, loại cấu tử có khả năng phân tách và áp suất làm việc khác nhau Màng UF được ứng dụng rộng rãi hơn do khoảng áp suất làm việc thấp nhưng có khả năng loại bỏ các cấu tử phức tạp (protein, vi khuẩn, virut,…) Do đó, công nghệ màng

UF có thể được dùng để xử lý nước, xử lý nước thải, cô đặc sữa, nước trái cây, hay phân riêng hệ nhũ tương nước - dầu,…[1,2]

Tuy nhiên, một trong những trở ngại của công nghệ siêu lọc trong quá trình phân tách hay nâng cao nồng độ cấu tử cần thu hồi là quá trình tắc nghẽn màng Đây là quá trình xảy ra do các tương tác đặc trưng giữa màng và các tác chất trong dung dịch nhập liệu Quá trình tắc nghẽn màng gây giảm thông lượng thẩm thấu qua màng, độ loại bỏ cũng như giảm thời gian sử dụng của màng và tăng chi phí vận hành Do đó, cải thiện khả năng chống tắc nghẽn sẽ làm nâng cao hiệu quả hoạt động của màng[1-3] Màng siêu lọc có khả năng chống tắc nghẽn tốt sẽ được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực và giải quyết vấn đề chi phí cao trong quá trình vận hành công nghệ màng lọc đối với các nước đang phát triển

Nhiều phương pháp đã và đang thực hiện để hạn chế quá trình tắc nghẽn màng UF như: biến tính bề mặt màng, kiểm soát các thông số vận hành trong quá trình lọc màng (nồng độ dung dịch nhập liệu, vận tốc dòng chảy ngang bề mặt màng (cross-flow), áp suất vận hành) và vệ sinh màng định kỳ Kiểm soát các thông số vận hành và vệ sinh màng định kỳ là các phương pháp truyền thống Tuy nhiên, đây chỉ là những phương pháp tạm thời và làm tăng chi phí hoạt động cũng như ảnh hưởng của hóa chất trong quá trình vận hành, vệ sinh màng đến môi trường là vấn đề cần giải quyết Ngoài ra,

hóa chất vận hành và vệ sinh màng cũng làm giảm thời gian sử dụng của màng UF Phương pháp biến tính bề mặt màng UF để hình thành bề mặt màng ưa nước có khả năng chống tắc nghẽn cao được nghiên cứu và ứng dụng thương mại trong những năm gần đây Quá trình kiểm soát thông số vận hành và dung dịch nhập liệu sẽ dễ dàng hơn khi sử dụng màng UF với bề mặt có khả năng chống tắc nghẽn tốt Kết quả dẫn đến chi phí vận hành, hóa chất trong quá trình lọc và rửa màng cũng giảm đáng kể Trong phương pháp này, bề mặt màng UF polysulfone không ưa nước sẽ được biến tính bằng cách xử lý vật lý (tia bức xạ gamma, UV, xử lý nhiệt, plasma…) và hóa học (phủ tác chất ưa nước, phản ứng ghép các nhóm chức ưa nước lên bề mặt màng) Phương pháp vật lý và phương pháp hóa học dựa trên việc phản ứng hóa học ghép các nhóm chức ưa nước lên bề mặt màng đòi hỏi công nghệ phức tạp và giá thành sản phẩm cao Phương pháp biến tính bề mặt màng UF bằng cách phủ lớp vật liệu ưa nước lên bề mặt màng được xem là phương pháp phù hợp để nghiên cứu Do đây là phương pháp đơn giản, chi phí thấp và có thể kiểm soát dễ dàng các thông số công nghệ trong quá trình biến tính Hơn nửa, thiết bị, hóa chất sử dụng trong phương pháp này không độc hại cũng như nguy hiểm với người sản xuất hay người sử dụng Bề mặt màng sau khi biến tính

có ưa nước cao hơn, bề mặt màng phẳng hơn dẫn đến khả năng ngăn chặn quá trình hấp phụ của các chất hữu cơ lên bề mặt màng tăng Ngoài ra, cũng làm tăng thời gian

sử dụng và giảm hàm lượng hóa chất để vệ sinh màng so với các phương pháp khác 4]

[2-Trong phương pháp này, nhiều tác chất polymer ưa nước được sử dụng để biến tính

bề mặt màng như: poly(vinyl-alcohol), methylcellulose (MC) và polyvinylpyrrolidone (PVP), polyacrylic acid (PA), polyethylene glycol (PEG)…[6] Trong đó, PVA là polymer có tính ưa nước cao, không độc, cơ tính tốt, chịu nhiệt, kháng hóa chất, dễ dàng tạo màng, được xem là polymer phù hợp để tạo bề mặt ưa nước cho màng siêu lọc polysulfone [6,8-11,13] Ngoài ra, PVA cũng là hóa chất phổ biến, giá thành rẻ Đây là điều kiện lựa chọn phương pháp biến tính bề mặt bằng phương pháp phủ PVA trên bề mặt màng UF polysulfone [4-7]

Qua khảo sát, nhận thấy đã có nhiều công trình nghiên cứu biến tính bề mặt màng

UF bằng PVA Tuy nhiên, việc cải thiện tính năng chống tắc nghẽn của màng vẫn luôn cần được nâng cao Ngoài ra, công nghệ màng UF đã được sử dụng, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở Việt Nam nhưng những nghiên cứu chế tạo và biến tính màng còn rất mới mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu tìm hiểu sâu về quá trình lọc và chống tắc nghẽn trong quá trình lọc

Để hiểu biết thêm và bổ sung cơ sở dữ liệu cho việc biến tính bề mặt màng chống tắc nghẽn bằng PVA trong xử lý nước thải, đề tài luận văn tập trung nghiên cứu

“Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc UF Polysulfone trong xử lý

nước thải bằng phương pháp biến tính bề mặt”

I.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN

Nâng cao khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc UF polysulfone bằng phương pháp biến tính bề mặt với lớp phủ PVA

I.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Biến tính bề mặt màng UF polysulfone bằng lớp phủ PVA với các điều kiện khác nhau: thay đổi nồng độ PVA, nồng độ chất nối mạng acid malic, thời gian phủ, số lần phủ, nhiệt độ xử lý nhiệt, thời gian xử lý nhiệt để đánh giá khả năng chống tắc nghẽn

 Khảo sát khả năng phục hồi thông lượng của màng lọc UF polysulfone khi vệ sinh màng bằng nước và hóa chất

 Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải của màng lọc UF polysulfone đã được biến tính bề mặt bằng PVA trong điều kiện phòng thí nghiệm

- Nước giả thải thành phần hữu cơ: Alginate, chất màu Xanh Methylene

- Hiệu quả hoạt động của màng được đánh giá qua các yếu tố: thông lượng nước thẩm thấu qua màng, mức độ tắc nghẽn, khả năng phục hồi thông lượng

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

II.1.MÀNG UF VÀ QUÁ TRÌNH SIÊU LỌC

Quá trình siêu lọc sử dụng màng xốp UF có khả năng phân tách nước và các chất tan kích thước <1 µm từ hệ keo, nhũ tương Đường kính lỗ xốp trung bình của màng

UF khoảng 0.01–0.1µm và áp suất vận hành có thể lên đến 10 bar Ngoài ra kích thước màng có thể được đánh giá bằng MWCO – khối lượng phân tử của các đại phân tử (protein, polymer) được giữ lại >90% trong quá trình lọc [1]

Hình 2 1 Phân lọc màng lọc theo kích thước và áp suất làm việc[1]

Hình 2 2 Phân loại các cấu tử bị loại bỏ bởi các loại màng khác nhau [1]

Màng siêu lọc có cấu trúc bất đẳng hướng Lớp bên trên của màng đóng vai trò là lớp chọn lọc có kích thước lổ xốp nhỏ hơn và lớp màng vi xốp bên dưới có tác dụng đảm bảo cơ tính của màng Các phân tử được giữ lại chủ yếu nhờ vào lớp chọn lọc trên

bề mặt Lớp chọn lọc thường được chế tạo từ các hợp chất polymer như: polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), polyacrylonitrile (PAN) và cellulose acetate Trong đó,

PS và PES là vật liệu được sử dụng nhiều nhất do đặc tính ổn định nhiệt, cơ tính cao, chịu hóa chất tốt và độ xốp lớn Tuy nhiên, đặc tính kỵ nước của các vật liệu này là nguyên nhân làm tăng hiện tượng tắc ngẽn màng trong quá trình vận hành [4]

Hình 2 3 Cấu trúc màng siêu lọc (UF) (a) lớp vi xốp (b) lớp chọn lọc UF[1]

Trong công nghệ màng có 2 chế độ hoạt động khác nhau tùy thuộc vào 2 kiểu dòng chảy: kiểu dòng chảy ngang (cross-flow) và kiểu dòng chảy đứng (dead-end) [1]

Hình 2 4 Kiểu dòng chảy Dead-end và kiểu dòng chảy Cross-flow[2]

Kiểu dòng chảy dead-end, dòng lưu chất có áp suất hướng vuông góc với màng sẽ

đi qua màng các hạt có kích thước lớn bị giữ lại trên bề mặt màng dẫn đến hiện tượng

phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng nhanh hơn Do đó, thông lượng nước thẩm thấu qua màng giảm Để duy trì thông lượng, hệ thống cần phải ngừng hoạt động và vệ sinh, rửa màng định kỳ

Kiểu dòng chảy cross-flow, dòng lưu chất có áp suất chảy ngang trên bề mặt màng màng ở tốc độ cao làm hạn chế sự tắc nghẽn và phân cực nồng độ bên trên bề mặt màng Hay nói cách khác kiểu dòng chảy cross-flow khắc phục nhược điểm gây tắc nghẽn, giảm thông lượng nhanh của kiểu dead-end nhờ vào chính dòng chảy ngang của dòng lưu chất làm dòng nước rửa màng

II.2.CƠ CHẾ TRUYỀN VẬN QUA MÀNG UF [1,2,4]:

Quá trình truyền khối qua màng UF có thể được xem như là lọc rây sàng Nhiều mô hình đã được đề xuất để mô tả quá trình truyền khối qua màng UF như: (1) Mô hình lỗ xốp, dựa trên cấu trúc lỗ xốp và bỏ qua các ảnh hưởng của lớp biên; (2) Mô hình dựa trên quá trình nhiệt động lực học không thuận nghịch và cũng bỏ qua ảnh hưởng của lớp biên; (3) Mô hình lớp biên, dựa trên ảnh hưởng của lớp biên –hiện tượng phân cực nồng độ đến quá trình Thực tế, không mô hình nào giải thích một cách chính xác quá trình truyền khối cho tất cả các trường hợp và quá trình siêu lọc Do đó, hai hoặc ba mô hình được kết hợp để phân tích kết quả thực nghiệm

(2.2)

Trong đó, Ai là diện tích các lỗ xốp mà chất tan truyền qua màng; Aw là diện tích các lỗ xốp mà nước truyền qua màng; Ap là tổng diện tích các lỗ xốp của màng

II.2.2.Mô hình nhiệt động lực học không thuận nghịch

Trong mô hình này, màng được xem là một hộp đen Do đó, mô hình này không đề cập đến cấu trúc của màng mà quan tâm đến dòng thẩm thấu qua màng như là kết quả của chênh lệch thế truyền vận do áp lực dòng chảy nhập liệu Mô hình Kedem−Katchalsky và Spiegler−Kedem là mô hình dựa trên cách tiếp cận này

Kedem-Katchalsky mô tả quá trình truyền vận của dung môi (nước) và chất tan trong hệ thống màng đẳng nhiệt:

(2.3) Trong đó, JV, Js tương ứng là thông lượng thể tích của dung môi và chất tan; Lp, độ thẩm thấu thủy lực của màng; ω, độ thẩm thấu của chất tan; σ, hệ số phản ánh, biểu thị

độ loại bỏ chất tan của màng, σ= 0 – màng không loại bỏ được, σ= 1 – màng loại bỏ được 100% chất tan; C, nồng độ tại bề mặt màng; Cp, nồng độ dòng thẩm thấu; ∆π, chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa 2 phía của màng

II.2.3.Mô hình lớp biên

Trong các mô hình trên đã xác định quá trình truyền khối của nước và chất tan qua màng UF Tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng không được xem xét trong các mô hình trên là tốc độ truyền khối của chất tan qua lớp biên sát bề mặt màng Quá trình truyền khối khuếch tán và đối lưu qua màng với áp suất là động lực quá trình

Hình 2 5 Quá trình truyền khối trong lớp biên phân cực nồng độ có bề dày δbl[2]

Phân cực nồng độ (CP) là hiện tượng các chất tan bị giữ lại và tích lũy trên bề mặt màng để hình thành gradient nồng độ tại lớp biên có bề dày δbl, sát bề mặt màng Phân cực nồng độ có thể ảnh hưởng đến thông lượng dòng thẩm thấu qua màng theo 3 hướng Đầu tiên, sự tích lũy chất tan có thể làm giảm áp suất truyền qua màng, do đó tốc độ thẩm thấu của nước qua màng cũng sẽ giảm Hơn nửa, sự giảm thông lượng thẩm thấu do hiện tượng phân cực nồng độ được gây ra do dòng khuếch tan ngược khi chất tan có nồng độ cao tại bề mặt màng hơn so với nồng độ chất tan trong dung dịch nhập liệu Thứ hai, chất tan bị tích lũy có thể hình thành lớp trở lực thủy lực đối với dòng nước thẩm thấu qua màng Thứ ba, sự tích lũy chất tan cũng có thể là các chất gây tắc nghẽn không thuận nghịch, nó làm thay đổi độ thẩm thấu thủy lực và độ loại bỏ chất tan của màng

Thông lượng nước và chất tan thẩm thấu qua màng được đánh giá như sau:

(2.4)

(2.5) Trong đó, Jv, Ns tương ứng là thông lượng nước và chất tan thẩm thấu qua màng Cf

và Cw tương ứng là nồng độ chất tan trong dòng thẩm thấu và tại bề mặt màng Sa là hệ

Dòng truyền vận chất tan qua màng (dòng đối lưu) = J v C b

Dòng khuếch tán ngược lại = 𝐷.𝜕𝐶𝜕𝑦

Tốc độ dòng truyền vận chất tan qua màng, N s = J v C f

II.2.3.1.Mô hình lý thuyết lớp phim

Trạng thái ổn định, dòng chất tan vận chuyển qua màng gây ra bởi tác động của áp suất và dòng chất tan khuếch tán ngược lại phía dung dịch nhập liệu cân bằng với nhau Giả sử bỏ qua ảnh hưởng của quá trình khuếch tán chất tan theo phương X đối với tốc

độ thẩm thấu qua màng Phương trình 2.6 mô tả mô hình lớp phim cố định:

(2.6) Trong đó,

(2.7) Tích phân phương trình 2.12 từ 0 đến y và từ Cw đến C, ta được:

(2.10) Đây là phương trình của mô hình lớp phim cố định Hệ số truyền khối được xác định theo phương trình Sherwood

II.2.3.2 Mô hình áp suất thẩm thấu

Trong mô hình lý thuyết lớp phim, thông lượng nước thẩm thấu không được xác định thông qua áp suất thẩm thấu Nó dựa trên giả thuyết áp suất thẩm thấu của các dung dịch cao phân tử rất nhỏ so với áp suất làm việc Tuy nhiên, Vilker và Jonsson [2]

cho rằng áp suất thẩm thấu tăng khi nồng độ chất tan tăng Do đó, áp suất thẩm thấu cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền khối qua màng Mô hình áp suất thẩm thấu cho rằng thông lượng nước thẩm thấu qua màng được xác định bởi chênh lệch giữa áp suất làm việc và áp suất thẩm thấu, kết hợp với độ loại bỏ của màng Giả

sử tắc nghẽn màng và trở lực của lớp tắc nghẽn do lớp keo trên bề mặt màng là không đáng kể Thông lượng nước thẩm thấu được đánh giá như sau:

(2.11)

(2.12) Trong đó, ∆π= π(Cw) - π(Cf) Áp suất thẩm thấu (π) được xác định theo biểu thức (2.19) Độ thẩm thấu thủy lực (Lp)và độ loại bỏ (σ) là các giá trị đã được xác định và nồng độ chất tan trong dòng thẩm thấu được đánh giá thông qua biểu thức: Cf=Sa.Cw

(2.13) Trong đó, A1 – là hệ số trong phương trình van’t Hoff áp dụng đối với nồng độ dung dịch loãng; A2, A3 là các hệ số biểu diễn dung dịch không lý tưởng

Áp suất thẩm thấu không ảnh hưởng đến thông lượng dòng thẩm thấu khi dung dịch nhập liệu có nồng độ thấp và áp suất làm việc nhỏ Tuy nhiên, khi áp suất làm việc tăng, nồng độ chất tan trên bề mặt màng sẽ tăng và nó sẽ làm tăng áp suất thẩm thấu, nên thông lượng dòng thẩm thấu qua màng giảm

II.2.3.3.Mô hình lớp kem

Giả thuyết chính của mô hình lớp kem là tại áp suất làm việc lớn, ∆P, nồng độ chất btan trên bề mặt màng Cw đạt giá trị không đổi (lớn nhất) và được xác định bởi tính chất vật lý của các hợp chất có kích thước lớn Lớp kem hình thành trên bề mặt màng

sẽ làm tăng trở lực đối với dòng thẩm thấu qua màng Thông lượng dòng thẩm thấu sẽ được đánh giá như sau:

(2.14) Trong đó, Rm=1/Lp là trở lực thủy lực của màng và RC là trở lực của lớp kem Tại thời điểm ban đầu, thông lượng dòng thẩm thấu tăng khi áp suất tăng Sau đó, tại áp

suất rất cao ∆P, trở lực do lớp kem được xem như cân bằng với áp suất ∆P Trong những điều kiện này, thông lượng dòng thẩm thấu là giá trị độc lập với áp suất Nếu nồng độ chất tan trong dòng thẩm thấu, Cf=0, nghĩa là toàn bộ chất tan được giữ lại bởi màng và thông lượng được đánh giá như sau:

(2.15) Trong đó, Cg là nồng độ của lớp kem

Một trong những nhược điểm chính của mô hình lớp kem là chỉ được sử dụng để đánh giá thông lượng dòng thẩm thấu độc lập với áp suất Hơn nửa, nồng độ lớp kem (Cg) phụ thuộc vào thiết bị vận hành và điều kiện khảo xác, là một giá trị khó để định lượng

II.3 HIỆN TƯỢNG TẮC NGHẼN MÀNG

II.3.1 Cơ chế tắc nghẽn màng

Quá trình tắc nghẽn và các ảnh hưởng của nó là một trong những trở ngại chính tác động đến hiệu quả hoạt động của màng lọc UF Tắc nghẽn màng cũng là yếu tố quan trọng làm hạn chế sự ứng dụng rộng rãi của quá trình lọc bằng màng Nguyên nhân ban đầu của quá trình tắc nghẽn là hiện tượng phân cực nồng độ[5] Trong quá trình siêu lọc, dung môi, các đại phân tử hoặc hạt keo hòa tan tiến đến bề mặt màng nhờ vào áp lực dòng chảy Dung môi thường là nước sẽ thẩm thấu qua màng, còn các phân tử lớn hơn bị giữ lại trên bề mặt màng Ngoài ra, do kích thước phân tử lớn nên tốc độ khuếch tán ngược lại trong dung dịch của các phân tử đó là rất chậm Do đó, nồng độ của chúng tại bề mặt màng thường cao hơn 20-50 lần so với nồng độ trong dung dịch Khi nồng độ trên bề mặt màng tăng đến một mức sẽ làm hình thành lớp kem trên bề mặt màng và trở thành màng chắn thứ hai làm giảm thông lượng qua màng Đó là hiện tượng tắc nghẽn màng[3,8]

Hiện tượng tắc nghẽn màng có thể nhận thấy thông qua tăng áp suất thẩm thấu và giảm thông lượng nước thẩm thấu qua màng Profile độ giảm thông lượng theo thời gian trong quá trình hoạt động của màng lọc có thể được mô tả như sau: (i) thông lượng giảm nhanh chóng so với thông lượng của quá trình lọc nước tinh khiết, (ii) thông lượng giảm từ từ, (iii) thông lượng đạt trạng thái ổn định trong khoảng thời gian dài

Hình 2 6 Profile thông lượng nước thẩm thấu qua màng theo thời gian[2]

Quá trình tắc nghẽn màng có thể xảy ra theo cơ chế sau: [9]

(1) Quá trình hấp phụ các chất tan, phân tử keo vào trong lỗ xốp màng

(2) Quá trình bít các lỗ xốp màng và hình thành lớp kết tụ trên bề mặt màng

(3) Quá trình hình thành lớp kem trên bề mặt màng

(4) Cân bằng động: quá trình kết tụ và phân tách các chất gây tắc nghẽn trên lớp kem trong quá trình vận hành

Quá trình (1) (2) thông lượng giảm nhanh chóng so với thông lượng của quá trình lọc nước tinh khiết, quá trình (3) thông lượng giảm từ từ và quá trình (4) thông lượng đạt trạng thái ổn định

Hiện tượng phân cực nồng độ và hình thành lớp kem trên bề mặt màng có thể được biểu diễn ở hình 2.7

Hình 2 7 Hình thành lớp kem trên bề mặt màng UF do hiện tượng phân cực nồng độ[1]

Khu vực trước bề mặt màng được phân chia thành 3 vùng: vùng (1) - dung dịch nhập liệu được khuấy trộn, vùng (2) – vùng chảy tầng – vùng phân cực nồng độ, vùng (3) – vùng lớp kem trên bề mặt màng Thông lượng thẩm thấu qua màng sẽ giảm đáng

kể do ảnh hưởng của các trở lực do hiện tượng phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng gây ra Do đó, thông lượng được tính toán theo công thức sau[1]:

𝐽 =𝛥𝑃 − 𝛥𝜋

µ ∑𝑅

J – thông lượng nước thẩm thấu qua màng

ΔP – chênh lệch áp suất qua màng

Hình 2 8 Các loại trở lực trong quá trình lọc màng[5]

Thông lượng nước thẩm thấu qua màng (J), hệ số truyền khối qua bề mặt màng (Km), độ loại bỏ của màng (R) và nồng độ dung dịch nhập liệu (Cb) đều ảnh hưởng đến quá trình phân cực nồng độ Nồng độ chất tan trên bề mặt màng (Cm) là một hàm số của J, Km, R và Cb[1]:

Những tính chất của màng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn bao gồm tính ưa nước, độ gồ ghề của bề mặt, điện tích và cấu trúc lổ xốp.Màng được chế tạo bằng vật liệu ưa nước và có bề mặt phẳng phẳng hơn có xu hướng chống tắc nghẽn tốt Ngoài ra điện tích của bề mặt màng sẽ hình thành trường lực điện tạo các lực hút, đẩy đối với các chất tan trong dung dịch nhập liệu và ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ các chất tan

đó lên màng Cấu trúc lổ xốp cũng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn, màng có kích thước lổ xốp lớn khó bị bít lổ xốp nên ít tắc nghẽn hơn nhưng hiệu quả phân tách thấp [7]

Tính chất chất tan như loại chất tan, nồng độ ion, pH ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tắc nghẽn Dung dịch nhập liệu cần tiền xử lý trước quá trình lọc màng để đảm bảo hiệu quả phân tách và năng suất hoạt động [9]

Rp – trở lực do bít lổ xốp

Ra – trở lực do quá trình hấp phụ chất tan vào màng

Rm – trở lực màng

Rg – trở lực lớp kem Rcp – trở lực vùng phân cực nồng độ

Ngoài 2 yếu tố chính trên, các thông số vận hành hệ thống cũng được nghiên cứu trong tác động đến quá trình tắc nghẽn Áp suất và lưu lượng dòng nhập liệu và tốc độ khuấy trộn có thể ảnh hưởng đến cấu trúc dòng, làm thay đổi bề dày của lớp tắc nghẽn Nhiệt độ cũng là yếu tố cần kiểm soát trong quá trình vận hành Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt, hệ số khuếch tan và có thể làm biến tính dung dịch nhập liệu

II.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn màng [1,2,4,5]:

Quá trình tắc nghẽn màng là một quá trình phức tạp, là kết quả của các tương tác giữa màng (bề mặt và lỗ xốp của màng) và chất tan, tương tác giữa các chất tan với nhau trong dung dịch nhập liệu Về cơ bản, quá trình tắc nghẽn màng chịu ảnh hưởng của 3 yếu tố chính: tính chất của màng, tính chất của chất tan và các thông số vận hành Các yếu tố này có thể tương tác lẫn nhau để tạo những tác động khác nhau đến quá trình tắc nghẽn

II.3.2.1.Tính chất của màng

Các tính chất của màng ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn bao gồm: tính ưa nước,

độ gồ ghề, điện tích trên bề mặt màng và cấu trúc lỗ xốp Bề mặt màng được tạo bởi vật liệu ưa nước được xem là ít tắc nghẽn hơn so với vật liệu kị nước Và bề mặt màng

gồ ghề có xu hướng tắc nghẽn nhiều hơn so với bề mặt màng phẳng Ngoài ra, bề mặt màng tích điện (điện tích âm) cũng có thể giảm tắc nghẽn vì hầu hết các chất keo (chất gây tắc nghẽn) tích điện âm ở điều kiện thường Tỉ lệ giữa kích thước lỗ xốp và kích thước chất tan là một yếu tố rất quan trọng Marshall và các đồng nghiệp cho rằng màng có kích thước lỗ xốp lớn sẽ cho thông lượng ban đầu lớn nhưng thông lượng cuối cùng lại nhỏ hơn so với màng có kích thước lỗ xốp nhỏ Do màng có kích thước lỗ xốp lớn sẽ dễ bị bít lỗ xốp hơn, dẫn đến thông lượng dòng thẩm thấu giảm theo thời gian nhanh hơn

II.3.2.2 Tính chất của dung dịch nhập liệu

Các tính chất của chất tan trong dung dịch nhập liệu ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn như giá trị pH, điện tích ion, nồng độ ion, độ nhớt, độ tan… Một số loại muối khoáng có thể kết tinh trên bề mặt màng do độ tan thấp hoặc tạo các tương tác tĩnh điện trực tiếp với màng Hơn nửa, muối có thể làm tăng độ mạnh ion sẽ ảnh hưởng đến các tương tác giữa màng – chất tan, chất tan – chất tan Babu và Gaikar đã nghiên cứu và cho rằng trở lực của lớp protein tăng khi nồng độ muối trong dung dịch nhập liệu tăng Nhiều nhà nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình tắc nghẽn sự thay đổi pH sẽ ảnh hưởng đến hình dạng, cấu trúc và độ tan của các cấu tử trong dung dịch nhập liệu

II.3.2.3 Thông số vận hành

Ngoài tính chất của vật liệu tạo màng và chất tan trong dung dịch nhập liệu, quá trình tắc nghẽn cũng chịu ảnh hưởng mạnh bởi các thông số quá trình như nhiệt độ, vận tốc dòng nhập liệu, áp suất, nồng độ dung dịch nhập liệu và cấu trúc thiết bị Tăng nhiệt độ có thể làm tăng hoặc giảm quá trình tắc nghẽn của màng UF Điều này phụ thuộc vào ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của các cấu tử trong dung dịch nhập liệu,

độ nhớt, độ khuếch tán hoặc sự biến tính của chất tan Babu và Gaikar đã kết luận nhiệt

độ tăng sẽ làm tắc nghẽn trong quá trình lọc bằng màng UF – cellulose triacetate Và một cách tổng quát, khi tốc độ dòng nhập liệu cao, chất tan có xu hướng chảy lướt nhanh qua bề mặt màng, do đó lớp tắc nghẽn trên bề mặt màng sẽ giảm Ngoài ra, thông lượng dòng thẩm thấu sẽ tăng khi tăng áp suất làm việc Tuy nhiên, khi phân cực nồng độ đạt giá trị cực đại và lớp kem được hình thành trên bề mặt màng, thông lượng dòng thẩm thấu sẽ không tăng theo áp suất

II.3.3.Phương pháp kiểm soát tắc nghẽn màng thông qua biến tính màng [4]:

Mỗi quá trình tắc nghẽn khác nhau sẽ được kiểm soát bằng các phương pháp khác nhau, phụ thuộc vào loại màng và thành phần dung dịch nhập liệu khác nhau Một cách tổng quát, kiểm soát quá trình tắc nghẽn màng UF được thực hiện theo 3 phương pháp sau: phương pháp nhiệt động lực học, vật lý và hóa học

Nhiệt động lực học là phương pháp được sử dụng nhiều để giảm và kiểm soát quá trình tắc nghẽn màng Về cơ bản, phương pháp này giảm tắc nghẽn dựa trên kiểm soát các thông số vận hành như áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng chảy ngang hoặc cải tiến thiết

kế mô hình, thiết bị vận hành để tăng cường quá trình truyền khối và loại bỏ chất tan tại bề mặt phân pha màng – dung dịch Ngoài ra, tăng cường mức độ chảy rối của của dòng nhập liệu, rửa ngược màng lọc sau một thời gian sử dụng cũng có tác dụng giảm tắc nghẽn cho màng

Phương pháp vật lý để kiểm soát tắc nghẽn dựa trên việc bổ sung một số hạt vào dung dịch nhập liệu và sử dụng trường điện từ Các hạt được phân tán vào dung dịch nhập liệu sẽ thu hút các phân tử có kích thước lớn và kéo chúng ra xa bề mặt bằng trường điện từ Do đó, hiện tượng phân cực nồng độ có thể sẽ giảm, kết quả là làm tăng thông lượng thẩm thấu qua màng

Ngoài ra, tắc nghẽn còn có thể được kiểm soát theo phương pháp hóa học thông qua việc biến tính bề mặt màng để làm giảm lực hút giữa các phân tử chất tan và bề mặt màng Steuck đã biến tính màng bằng phương pháp phản ứng hóa học dị thể để hạn chế quá trình tắc nghẽn Trong đó, lớp màng xốp PVDF đã được phủ một lớp

polymer đã được kết mạng (hydroxyalkyl acrylate) Hơn nửa, tính ưa nước của các loại polymer được dùng để phủ màng cũng có vai trò giảm tắc nghẽn màng Kết hợp với biến tính bề mặt màng, quá trình tắc nghẽn có thể được kiểm soát theo phương pháp hóa học thông qua điều chỉnh tính chất hóa học của dung dịch nhập liệu như là: pH, độ mạnh ion (trong nhiều trường hợp, tính chất của protein, acid béo và các hợp chất hữu

cơ tự nhiên sẽ bị ảnh hưởng bởi pH và độ mạnh của ion)

Một cách tổng quát, các kết quả nghiên cứu trước cho rằng tắc nghẽn màng trong quá trình siêu lọc có thể kiểm soát được thông qua tối ưu hóa quá trình, phương pháp vật lý và phương pháp hóa học Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, thông lượng dòng thẩm thấu phụ thuộc bởi bản chất màng Do đó, kiểm soát tắc nghẽn thông qua biến tính bề mặt màng được xem là một kỹ thuật có triển vọng Kiểm soát tắc nghẽn thông qua biến tính màng là phương pháp ngăn chặn trực tiếp các quá trình hấp phụ hoặc bám dính lên bề mặt màng của các chất có khả năng gây tắc nghẽn Phương pháp này sẽ hạn chế sự tích tụ của các chất dạng keo, sự biến tính, kết tụ của protein Đây là phương pháp hiệu quả để hướng đến chế tạo màng UF có khả năng chống tắc nghẽn tốt Một số kết quả thí nghiệm cho thấy độ thẩm thấu của màng bị giảm sau khi được biến tính Lựa chọn giải pháp cụ thể để giảm tắc nghẽn nhưng không ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của màng là vấn đề cần được quan tâm Màng có thể được biến tính bằng cách tích điện hoặc tạo bề mặt màng ưa nước Hiệu quả hoạt động của màng mang điện tích sẽ phụ thuộc vào pH và độ mạnh của các ion trong dung dịch nhập liệu Hơn nửa, đây là cách tiếp cận khó để áp dụng thực tế đối với dung dịch nhập liệu có nhiều chất tan Mặt khác, bề mặt màng ưa nước có khả năng giảm quá trình hấp phụ cũng như tắc nghẽn của protein do khả năng kéo các phân tử nước mạnh để hình thành lớp nước mỏng trên bề mặt màng Và hiệu quả hoạt động của màng không bị ảnh hưởng bởi tính chất hóa lý của dung dịch nhập liệu Do đó, phương pháp biến tính màng tạo bề mặt ưa nước là phương pháp được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

Biến tính bề mặt màng polymer có thể được thực hiện bằng phương pháp vật lý

và hóa học Phương pháp vật lý sử dụng sóng bức xạ điện từ để làm tác nhân biến tính, trong khi đó phương pháp hóa học xử lý ướt, pha trộn, phủ hoặc phản ứng gắn mạch đối với các nhóm chức trên bề mặt màng

II.4.PHƯƠNG PHÁP BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG UF POLYSULFONE BẰNG LỚP PHỦ PVA

Quá trình tắc nghẽn màng UF polysulfone thường được kiểm soát bởi các phương pháp khác nhau: biến tính bề mặt, kiểm soát thông số vận hành Phương pháp kiểm soát tắc nghẽn hiệu quả phụ thuộc vào bản chất của quá trình tắc nghẽn Phương pháp này dựa trên việc kiểm soát các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng dòng nhập liệu)

và các quá trình vệ sinh màng là phương pháp phổ biến nhất, được áp dụng hầu hết trong các hệ thống màng lọc Tuy nhiên, tốn kém chi phí vận hành, ảnh hưởng của hóa chất đến môi trường sinh thái là những vấn đề của phương pháp này Phương pháp biến tính bề mặt để nâng cao hiệu quả chống tắc nghẽn của màng UF được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trong những năm gần đây Do hiệu quả chống tắc nghẽn cao cũng như giảm chi phí vận hành trong quá trình sản xuất Có nhiều phương pháp như biến tính bề mặt bằng cách chiếu xạ plasma,… để biến tính bề mặt màng, trộn hợp các loại hạt nano

vô cơ có tính ưa nước vào màng, dùng các phản ứng hóa học để gắn các phân tử ưa nước lên bề mặt màng hoặc phủ một lớp polymer ưa nước lên bề mặt màng [4]

Trong đó, phương pháp biến tính bề mặt màng bằng lớp phủ ưa nước được hiệu quả chống tắc nghẽn rất tốt Do do lớp phủ trên bề mặt màng UF có tính ưa nước và bề mặt màng phẳng hơn Hơn nửa, đây cũng là phương pháp không phức tạp Lớp phủ ưa nước có khả năng ngăn cản các chất tắc nghẽn hấp phụ lên bề màng màng [4] Kết quả dẫn đến quá trình tắc nghẽn của màng UF được giảm đáng kể

Hình 2 9 Cơ chế chống tắc nghẽn của lớp phủ ưa nước (a) lớp vi xốp (b) lớp chọn lọc UF[4]

Trong phương pháp này, nhiều tác chất polymer ưa nước được sử dụng để biến tính

bề mặt màng như: poly(vinyl-alcohol), methylcellulose (MC) và polyvinylpyrrolidone (PVP), polyacrylic acid (PA), polyethylene glycol (PEG)…[6] Trong đó, PVA là polymer có tính ưa nước cao, không độc, cơ tính tốt, chịu nhiệt, kháng hóa chất, dễ dàng tạo màng, được xem là polymer phù hợp để tạo bề mặt ưa nước cho màng siêu lọc polysulfone [6,8-11,13] Ngoài ra, PVA cũng là hóa chất phổ biến, giá thành rẻ Đây là điều kiện lựa chọn phương pháp biến tính bề mặt bằng phương pháp phủ PVA trên bề mặt màng UF polysulfone Trong thực tế, PVA đã được sử dụng rộng rãi để làm lớp phủ chống tắc nghẽn bề mặt cho các loại màng MF, UF, NF và RO thương mại [4-7] PVA được lựa chọn là vật liệu phủ để tạo bề mặt ưa nước cho màng lọc UF Polysulfone trong đề tài và acid malic là tác nhân nối mạng Ưu nhược điểm của các

tác nhân nối mạng đã được nghiên cứu trong nhiều công trình trước đây Lớp PVA nối mạng bằng acid malic cho thông lượng nước thẩm thấu cao và hoạt động ở áp suất thấp

so với các tác nhân nối mạng khác như formaldehyde hay glutaraldehyde [12,13] Phản ứng nối mạng PVA với tác nhân acid malic được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cao trong môi trường acid pH=2-3:

Hình 2 10 Phản ứng nối mạng giữa PVA và acid malic [6]

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 được thực hiện đã cho những kết quả khả quan.Trong đó, PVA được 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 Như vậy, lớp vật liệu acetan PVA đóng vai trò là lớp chọn lọc không những cho thông lượng, 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, được 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 được nói mạng

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 lượng được 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 được 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 như 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 ướt 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 chưa 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 lượng và độ loại bỏ của màng được khảo sát Kết quả cho thấy màng được phủ PVA có đặc tính chống tắc nghẽn, độ loại bỏ cao và khả năng phục hồi thông lượng 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 được PVA phải đảm bảo các phân tử PVA phải được nối mạng để làm giảm khả năng trương nở và hòa tan trong môi trường nước [6,8-11] Tuy nhiên,