Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc composit polyamid lớp mỏng (TFC-PA)và khả năng ứng dụng màng trong xử lý nước ô nhiễm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đề cập đến việc nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc TFC-PA ,và khả năng loại bỏ một số hợp chất hữu cơ, muối vô cơ và ion kim loại nặng trong nước của màng. Các kết quả nghiên cứu có thể đóng góp một phần vào việc phát triển vật liệu màng lọc hiệu năng cao, nâng cao khả năng ứng dụng công nghệ lọc màng một cách kinh tế và hiệu quả hơn trong sản xuất nước sạch và siêu sạch, cũng như trong xửlý nước ô nhiễm, nhằm tái sử dụng, tiết kiệm nguồn nước và giảm thiểu ô nhiễm môi trường một cách bền vững.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc composit polyamid lớp mỏng (TFC-PA)và khả năng ứng dụng màng trong xử lý nước ô nhiễm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ NGÔ HỒNG ÁNH THU NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG LỌC COMPOSIT POLYAMID LỚP MỎNG (TFC-PA) VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÀNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ NGÔ HỒNG ÁNH THU NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG LỌC COMPOSIT POLYAMID LỚP MỎNG (TFC-PA) VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÀNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM Chuyên ngành: Hóa Môi trường Mã số: 62440120 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. TRẦN THỊ DUNG 2. PGS.TS. SHINSUKE MORI Hà Nội - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn tài liệu nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Ngô Hồng Ánh Thu i
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, xin cho phép em dành những dòng đầu tiên của luận án gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS. Trần Thị Dung, người đã tiếp nhận, giao đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện luận án. Em xin được gửi lời tri ân chân thành nhất đến cô. Với thầy hướng dẫn thứ hai, PGS.TS. Shinsuke Mori, em xin chân thành cảm ơn thầy bởi sự hướng dẫn tận tình của thầy, đặc biệt là trong thời gian em sang Nhật thực tập. Em xin cảm ơn thầy về món quà của thầy dành cho em. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong khoa Hoá học, các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hóa học, các thầy cô trong phòng thí nghiệm Hóa Môi trường đã truyền thụ cho em những kiến thức quý báu, cũng như động viên, giúp đỡ, đóng góp giúp em nhiều ý kiến trong suốt quá trình em học tập và công tác. Tác giả xin được cảm ơn TS. Đinh Hùng Cường, TS. Trịnh Xuân Đại đã giúp tác giả đo đạc các mẫu phân tích; xin cảm ơn ThS. Đỗ Đình Khải đã giúp tác giả rất nhiều về mặt kỹ thuật để tác giả có thể hoàn thiện công trình này. Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia (NAFOSTED), chương trình 911 của Chính phủ Việt Nam, Quỹ Ryoichi Sasakawa Young Leaders Fellowship Fund (Sylff), Đại học Quốc gia Hà Nội (VNU) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (HUS) đã giúp tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi học tập. Cuối cùng, xin đựơc bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình tôi, đặc biệt là người mẹ luôn dõi theo từng bước tôi đi, người mẹ chồng đã giúp đỡ tôi rất nhiều, người chồng là điểm tựa vững chắc, chia sẻ mọi khó khăn trong cuộc sống, con gái đáng yêu và tới các chị em thân thiết, bạn bè thân yêu của tôi. Ngô Hồng Ánh Thu ii
TÓM TẮT LUẬN ÁN Màng lọc composit polyamid lớp mỏng (TFC-PA) là một trong các loại màng đang được sử dụng khá rộng rãi do có tính năng lọc tách vượt trội và có độ bền cơ học, ít bị ảnh hưởng bởi sinh vật. Tuy nhiên, màng TFC-PA có nhược điểm là dễ bị tắc nghẽn trong quá trình lọc tách, làm giảm hiệu quả của toàn bộ quá trình màng. Cho đến nay, việc nâng cao khả năng chống tắc mà không làm giảm tính năng lọc tách của màng nói chung và màng TFC-PA nói riêng vẫn là một thách thức trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng màng lọc. Luận án đã tiến hành nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc composit TFC-PA bằng một số phương pháp như trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại, trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử và phủ lớp hạt TiO2 kích thước nanomet lên trên bề mặt màng, nhằm nâng cao tính năng lọc tách và khả năng chống tắc cho màng. Các đặc tính bề mặt và đặc tính tách lọc của màng được khảo sát và đánh giá, với đối tượng tách lọc là một số chất hữu cơ, vô cơ và ion kim loại nặng độc hại trong nước. Các kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình biến tính bề mặt màng lọc composit TFC-PA đã làm thay đổi rõ rệt đặc tính bề mặt và tính năng tách lọc của màng. Các điều kiện biến tính bề mặt màng như nồng độ tác nhân ghép, thời gian trùng hợp ghép, nồng độ chất khơi mào, hàm lượng huyền phù TiO2 kích thước nanomet, thời gian kích thích bức xạ tử ngoại (UV)… có ảnh hưởng mạnh đến đặc tính của màng. Từ các kết quả thực nghiệm, có thể rút ra các điều kiện biến tính bề mặt màng thích hợp và cho hiệu quả tách lọc tốt nhất là màng trùng hợp ghép quang hóa với acid acrylic 10 g/L trong 7 phút, màng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với acid acrylic 10 g/L trong 5 phút, màng trùng hợp ghép quang hóa với poly (ethylen glycol) 30 g/L trong 10 phút và màng phủ lớp hạt TiO2 kích thước nanomet 15 ppm, chiếu bức xạ tử ngoại trong 30 giây. Phổ hồng ngoại phản xạ cho thấy sự xuất hiện các nhóm chức carbonyl, hydroxyl và TiOH ưa nước trên bề mặt màng sau khi biến tính, tương ứng với các tác iii
nhân sử dụng là acid acrylic (AA), poly (etylen glycol) (PEG) và TiO2. Bề mặt màng trở nên ưa nước hơn với góc thấm ướt giảm mạnh, từ 51o của màng nền ban đầu xuống khoảng 25o cho các màng trùng hợp ghép với AA, khoảng 15o cho màng trùng hợp ghép với PEG, khoảng 33o cho màng phủ TiO2 và trở nên siêu ưa nước với góc thấm ướt nhỏ hơn 10o cho màng phủ TiO2 được chiếu bức xạ UV. Ảnh chụp hiển vi điện tử quét và hiển vi lực nguyên tử cho thấy bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép trở nên chặt sít hơn và trơn nhẵn hơn do sự hình thành lớp polyme ghép, độ thô nhám bề mặt màng giảm xuống rõ rệt. Kết quả đánh giá đặc tính lọc tách của màng biến tính bề mặt chứng tỏ sự tăng lên đồng thời của cả ba thông số gồm độ lưu giữ, năng suất lọc và khả năng chống tắc. Độ lưu giữ tăng khoảng 4 %, trong khi năng suất lọc của màng tăng từ 35 đến 60 %, mức độ duy trì năng suất lọc cao hơn từ 20 đến 40 % so với màng nền. Màng sau khi biến tính bề mặt có độ lưu giữ khá ổn định trong khoảng pH từ 2 đến 11, đặc biệt khả năng chịu chlor hoạt động của màng trùng hợp ghép bề mặt trở nên tốt hơn nhiều so với màng ban đầu. Màng sau khi biến tính bề mặt với AA, PEG và TiO2 kích thước nanomet có khả năng tách loại khá triệt để các chất hữu cơ tự nhiên tan trong nước, cũng như các ion kim loại nặng, amoni, cromat. Kết quả đánh giá với một số mẫu nước thải thực tế cho thấy, màng TFC-PA biến tính bề mặt có thể loại bỏ gần như hoàn toàn thuốc nhuộm dư trong nước thải dệt nhuộm, protein và các chất hữu cơ trong dịch thải bia sau lên men, các ion kim loại nặng trong nước thải mạ, với các tính năng tách lọc được nâng lên đáng kể so với màng nền. iv
ABSTRACT The polyamide thin film composite (TFC-PA) membranes exhibit superior water flux and good resistance to pressure compaction. They have wide operating pH range and good stability to biological attack. Therefore, the TFC-PA membranes are widely accepted as the relevant choice for water treatments, especially for producing of the pure and ultrapure water. However, the poor fouling restrain the filtration capacity and lifetime of the TFC-PA membranes, leading to an appreciable increase for operational costs of membrane processes. Therefore, the simultaneous improvement of fouling resistance, flux and retention is still very challenging for the development of membrane applications. In this work, the UV-photo-induced grafting, the redox-initiated grafting and the coating of titanium dioxide nanoparticles onto the surface of commercial TFC-PA membrane have been carried out to enhance the membrane separation performance and antifouling property. The changes of the membrane surface characteristics were evaluated and the membrane separation performance were determined through the possibility for removal of organic and inorganic compounds, heavy metal ions in water. The experimental results demonstrated that the grafting polymerizations and the coating of titanium dioxide nanoparticles led to changes in the membrane surface characteristics and membrane filtration performance. The conditions of the modification of membrane surface such as monomer concentration, graft polymerization time, TiO2 concentration and UV irradiation time highly influenced on membrane characteristics. From the experimental results, the most suitable modification conditions using acid acrylic (AA), poly (ethylene glycol) (PEG) and TiO2 nanoparticles for the membrane characteristics could be obtained: 10 AA-UV 7min, 10 AA-Redox 5min, 30 PEG-UV 10min and TFC-PA/TiO2,UV. The FTIR-ATR analysis verified the appearances of hydrophilic groups such as carbonyl, hydroxyl and Ti-OH after grafting of AA, PEG or coating of TiO2 nanoparticles onto membrane surface. The formation of the hydrophilic layer increased the hydrophilicity of membranes with the strongly reduced water contact angles, from v
51o of unmodified membrane to about 25o, 15o and 33o for the AA-grafted, PEG-grafted and TiO2-coated membranes, respectively. The TiO2-coated membrane surface became super-hydrophilic with the contact angles are less than 10o. The SEM and AFM images demonstrated that the grafted membrane surface is more relative compact and smoother after grafting. The filtration experiments illustrated the improved separation performance of the modified membranes with the simultaneous enhancement of membrane flux and retention and antifouling property for separation of the different organic and inorganic substances in an aqueous feed solution. The retention increased about 4 %, while the membrane flux increased from 35 to 60 %, the antifouling property increased from 20 to 40 % compared to the unmodified one. The modified membranes showed the stable retention for a wide range of pH from 2 to 11, especially the chlorine resistance of the grafted membranes was significantly improved compared to the unmodified one. The modified membranes using AA, PEG and TiO2 nanoparticles showed the good possibility for removal of the polluted substances such as the natural organic matter dissolved, heavy metal ions, ammonium, chromate in water. The experimental results for the wastewater treatments indicated that the modified membranes could remove well the residual dyes, organic substances and metal ions in water, with the much better filtration performance compared to the unmodified one. vi
MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN ÁN iii ABSTRACT v MỤC LỤC vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x DANH MỤC HÌNH xii DANH MỤC BẢNG xvii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I – TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu về màng lọc và các quá trình tách bằng màng 3 1.1.1. Các quá trình màng động lực áp suất 3 1.1.2. Cơ chế tách qua màng 5 1.1.3. Màng composit polyamid lớp mỏng (TFC-PA) 6 1.2. Ứng dụng của màng lọc trong xử lý nước ô nhiễm 9 1.2.1. Ứng dụng của màng trong xử lý nước ô nhiễm bởi một số hợp chất hữu cơ 10 1.2.2. Ứng dụng của màng trong xử lý nước ô nhiễm bởi các ion kim loại nặng và 13 một số ion vô cơ khác 1.3. Hiện tượng tắc màng trong quá trình tách lọc 16 1.3.1. Hiện tượng tắc màng 16 1.3.2. Hiện tượng tắc màng khi tách lọc dung dịch hữu cơ 18 1.3.3. Hiện tượng tắc màng khi tách lọc dung dịch muối vô cơ 20 vii
1.3.4. Các tính chất bề mặt ảnh hưởng đến mức độ tắc màng 22 1.4. Biến tính bề mặt màng lọc 24 1.4.1. Biến tính bề mặt màng lọc bằng phương pháp trùng hợp ghép 27 1.4.2. Biến tính bề mặt màng lọc bằng phương pháp phủ lớp hạt kích thước 39 nanomet 1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của Luận án 45 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu 45 1.5.2. Nội dung nghiên cứu 45 CHƯƠNG II –THỰC NGHIỆM 47 2.1. Thiết bị, hóa chất, vật liệu 47 2.1.1. Thiết bị 47 2.1.2. Hóa chất, vật liệu 48 2.2. Phương pháp nghiên cứu 50 2.2.1. Biến tính bề mặt màng 50 2.2.2. Đánh giá đặc tính bề mặt màng 53 2.2.3. Đánh giá đặc tính tách lọc của màng 54 2.2.4. Đánh giá khả năng chống tắc nghẽn của màng 58 2.2.5. Đánh giá khả năng chịu pH, chlor hoạt động, nhiệt độ, và độ ổn định của 58 màng theo thời gian bảo quản 2.2.6. Đánh giá khả năng tách loại các thành phần gây ô nhiễm nước của màng 59 CHƯƠNG III – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 60 3.1. Trùng hợp ghép biến tính bề mặt màng lọc TFC-PA 60 3.1.1. Đánh giá đặc tính bề mặt màng TFC-PA trước và sau khi trùng hợp ghép 60 3.1.2. Khảo sát đặc tính tách lọc của màng 75 3.1.3. Khảo sát khả năng chống tắc của màng 81 3.2. Phủ lớp hạt TiO2 kích thước nanomet lên bề mặt màng TFC-PA 88 viii
3.2.1. Khảo sát đặc tính bề mặt màng tổ hợp TFC-PA/TiO2 89 3.2.2. Khảo sát đặc tính tách lọc của màng tổ hợp TFC-PA/TiO2 93 3.2.3. Khả năng chống tắc của màng tổ hợp TFC-PA/TiO2, UV 95 3.3. Khả năng chịu pH, chlor hoạt động, nhiệt độ và độ ổn định của màng 99 theo thời gian bảo quản 3.4. Khả năng tách loại các thành phần gây ô nhiễm nước của màng 103 3.4.1. Đặc tính tách lọc của màng với các mẫu pha 103 3.4.2. Đặc tính tách lọc của màng với một số mẫu nước thực tế 108 KẾT LUẬN 119 ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 121 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN 122 LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ 140 ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt AA Acrylic acid Acid acrylic AFM Atomic force microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử antifouling chống tắc nghẽn BOD Biochemical oxygen demand Nhu cầu oxy sinh hóa BSA Bovine serum albumin Protein huyết thanh bò BW Brackish water Nước lợ COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học Cell teflon Bộ cell lắp màng khi biến tính bề mặt DB 56 Disperse blue 56 Thuốc nhuộm xanh phân tán 56 FM Maintained flux ratio Độ duy trì năng suất lọc theo thời gian FRw Irreversible fouling water Hệ số tắc màng bất thuận nghịch FTIR-ATR Attenuated total reflectance-Fourier Phổ hồng ngoại phản xạ toàn transform infrared spectroscopy phần biến đổi GD Graft degree Mức độ polyme ghép trên bề mặt màng HA Humic acid Acid humic Hydraulic resistance Trở lực/ Độ cản thủy lực MA Maleic acid Acid maleic MAH Maleic anhydride Anhydrite maleic MF Microfiltration Vi lọc MWCO Molecular Weight Cut-off Giới hạn tách phân tử x
NF Nanofiltration Lọc nano NOM Natural organic matter Các chất hữu cơ tự nhiên PAA Poly acrylic acid Poly acrylic acid PA Polyamide Polyamid PAN Polyacrylonitrile PE Polyethylene Polyethylen PEG Poly(ethylene glycol) Poly(ethylen glycol) PES Polyethersulfone Polyethersulfone PS Polysulfone Ra Average roughness Độ thô nhám trung bình Rms Root mean square Roughness Độ thô nhám bình phương trung bình RO Reverse osmosis Thẩm thấu ngược RR 261 Reactive Red 261 Thuốc nhuộm đỏ hoạt tính 261 Redox Reduction-Oxidation Hệ oxy hóa khử SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét TDS Total dissolved solids Tổng chất rắn hòa tan TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua TFC-PA Thin film composite - polyamide Composit polyamid lớp mỏng TOC Total Organic Carbon Tổng Carbon hữu cơ TofSIMS Time of flight secondary ion mass Phổ khối lượng ion thứ cấp spectrometry UF Ultrafiltration Siêu lọc UV Ultra violet Bức xạ tử ngoại WCA Water contact angle Góc thấm ướt xi
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Giới hạn tách của các quá trình màng động lực áp suất 4 Hình 1.2. Mô hình các cơ chế tách qua màng 6 Hình 1.3. Cấu trúc màng TFC-PA 7 Hình 1.4. Giản đồ minh họa quá trình trùng hợp qua bề mặt phân giới tạo màng 8 TFC-PA Hình 1.5. Cơ chế phản ứng của nhóm polyamid trên bề mặt màng khi tiếp xúc 9 với dung dịch Chlor hoạt động Hình 1.6. Mô hình cấu trúc phân tử acid humic 12 Hình 1.7. Các cơ chế gây tắc màng 18 Hình 1.8. Cơ chế đẩy do điện tích giữa bề mặt màng và tác nhân gây tắc màng 23 Hình 1.9. Cơ chế dự đoán quá trình trùng hợp tác nhân ghép M lên bề mặt màng 28 TFC-PA Hình 1.10. Các trạng thái tồn tại của vật chất 35 Hình 1.11. Cơ chế trùng hợp ghép khơi mào plasma với acid acrylic lên bề mặt 36 màng Hình 1.12. Chuỗi ghép PEG ngăn cản sự hấp phụ các tiểu phân lên bề mặt màng 39 Hình 1.13. Cấu trúc màng TFC-PA phủ hạt TiO2 40 Hình 1.14. Cơ chế siêu ưa nước của màng phủ TiO2 41 Hình 1.15. Cơ chế tự ráp của hạt TiO2 trên bề mặt màng TFC-PA 44 Hình 2.1. Hệ thiết bị thí nghiệm trùng hợp ghép quang hóa 51 Hình 2.2. Cell teflon dùng cho trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử hoặc phủ 52 lớp hạt TiO2 Hình 2.4. Sơ đồ hệ thiết bị lọc màng phòng thí nghiệm 55 xii
Hình 3.1. Ảnh SEM màng nền (a-1, a-2, a-3) và các màng trùng hợp ghép quang 61 hóa 10AA-UV 7min (b-1, b-2, b-3) và 50AA-UV 7min (c-1, c-2, c-3) Hình 3.2. Ảnh SEM màng nền (a-1, a-2, a-3) và màng trùng hợp ghép 10AA- 62 Redox 5min (d-1, d-2, d-3) Hình 3.3. Ảnh SEM màng nền (a-1, a-2, a-3) và các màng trùng hợp ghép 63 30PEG-UV 1min (e-1, e-2, e-3) và 30PEG-UV 10min (f-1, f-2, f-3) Hình 3.4. Ảnh AFM bề mặt (a) màng nền và các màng trùng hợp ghép quang 64 hóa (b) 10AA-UV 7min, (c) 50AA-UV 7min Hình 3.5. Ảnh AFM bề mặt (a) màng nền và các màng trùng hợp ghép khơi 64 mào oxy hóa khử (d) 10AA-Redox 1min, (d’) 50AA-Redox 1min Hình 3.6. Ảnh AFM bề mặt (a) màng nền và các màng trùng hợp ghép quang 64 hóa (e) 30PEG-UV 1min, (f) 30PEG-UV 10min Hình 3.7. Phổ hồng ngoại phản xạ FTIR-ATR bề mặt màng nền TFC-PA và 67 các màng trùng hợp ghép với AA (a) 10 AA-UV 1min, (b) 10 AA-UV 5min, (c) 50 AA-UV 5min và (d) 10AA-Redox 5min Hình 3.8. Cơ chế dự đoán của quá trình trùng hợp ghép AA lên bề mặt màng 68 TFC-PA Hình 3.9. Phổ hồng ngoại phản xạ FTIR-ATR bề mặt màng nền TFC-PA và 69 các màng trùng hợp ghép quang hóa (e) 30PEG-10 min, (f) 50PEG-10 min Hình 3.10. Cơ chế dự đoán của quá trình trùng hợp ghép quang hóa với PEG 70 Hình 3.11. Góc thấm ướt của màng nền TFC-PA và các màng trùng hợp ghép 71 quang hóa với AA Hình 3.12. Góc thấm ướt của màng nền TFC-PA và các màng trùng hợp ghép 72 khơi mào oxy hóa khử với AA Hình 3.13. Góc thấm ướt của màng nền TFC-PA và các màng trùng hợp ghép 72 quang hóa với PEG Hình 3.14. Mức độ trùng hợp ghép quang hóa với AA 73 xiii
Hình 3.15. Mức độ trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với AA 74 Hình 3.16. Mức độ trùng hợp ghép quang hóa với PEG 74 Hình 3.17. Độ thấm nước của màng TFC-PA và màng trùng hợp ghép với AA 76 (UV) Hình 3.18. Độ thấm nước của màng TFC-PA và màng trùng hợp ghép oxh-khử 76 với AA Hình 3.19. Độ thấm nước của màng TFC-PA và màng trùng hợp ghép với PEG 77 (UV) Hình 3.20. Đặc tính tách lọc của màng nền TFC-PA và các màng trùng hợp 78 ghép quang hóa với AA Hình 3.21. Đặc tính tách lọc của màng nền TFC-PA và các màng trùng hợp 79 ghép khơi mào oxy hóa khử với AA Hình 3.22. Đặc tính tách lọc của màng nền TFC-PA và các màng trùng hợp 80 ghép quang hóa với PEG Hình 3.23. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và các màng trùng 82 hợp ghép khi tách lọc các dung dịch hữu cơ Hình 3.24. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và các màng trùng 83 hợp ghép khi tách lọc dung dịch các kim loại nặng Hình 3.25. Hệ số tắc màng bất thuận nghịch của màng nền TFC-PA và các 85 màng trùng hợp ghép khi tách lọc dung dịch các chất hữu cơ Hình 3.26. Hệ số tắc màng bất thuận nghịch của màng nền TFC-PA và các 86 màng trùng hợp ghép khi tách lọc dung dịch các kim loại nặng Hình 3.27. So sánh đặc tính tách lọc của màng nền TFC-PA và các màng trùng 87 hợp ghép bề mặt với các tác nhân khác nhau Hình 3.28. So sánh độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và các màng 88 trùng hợp ghép bề mặt với các tác nhân khác nhau xiv
Hình 3.29. Ảnh SEM bề mặt (a) màng nền và màng phủ hạt TiO2 kích thước 89 nanomet khi sử dụng huyền phù TiO2 (b) 15 ppm và (c) 80 ppm Hình 3.30. Phổ khối Tof-SIMS (MiniSIMS) bề mặt (a) màng nền và màng phủ 90 hạt TiO2 kích thước nanomet sử dụng huyền phù TiO2 (b) 15 ppm, (c) 80 ppm Hình 3.31. Góc thấm ướt của màng nền TFC-PA và các màng phủ hạt TiO2 15 91 và 35 ppm có chiếu và không chiếu bức xạ tử ngoại Hình 3.32. Phổ hồng ngoại phản xạ FTIR-ATR bề mặt màng nền TFC-PA, 92 (b,b1) màng phủ hạt TiO2 không chiếu UV và (c,c1) màng phủ hạt TiO2 có chiếu UV Hình 3.33. Ảnh hưởng của thời gian chiếu bức xạ UV lên đặc tính tách lọc của 93 màng tổ hợp TFC-PA/TiO2 Hình 3.34. Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 lên đặc tính tách lọc của màng tổ 95 hợp TFC-PA/TiO2, UV Hình 3.35. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và màng tổ hợp 96 TFC-PA/TiO2, UV khi tách lọc các dung dịch hữu cơ Hình 3.36. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và màng tổ hợp 97 TFC-PA/TiO2, UV khi tách lọc dung dịch các kim loại nặng Hình 3.37. Hệ số tắc màng bất thuận nghịch của màng nền TFC-PA và màng 98 tổ hợp TFC-PA/TiO2, UV khi tách lọc các dung dịch hữu cơ và kim loại nặng Hình 3.38. Khả năng chịu pH của màng nền TFC-PA và các màng biến tính bề 100 mặt Hình 3.39. Phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt màng nền TFC-PA khi ngâm trong 100 môi trường pH 1, 12 và 13 Hình 3.40. Khả năng chịu chlor hoạt động của màng nền TFC-PA và các màng 101 biến tính bề mặt Hình 3.41. Khả năng chịu nhiệt độ của màng nền TFC-PA và các màng biến 102 tính bề mặt xv
Hình 3.42. Đặc tính tách lọc của màng nền TFC-PA và các màng biến tính đối 104 với dung dịch các chất hữu cơ khác nhau Hình 3.43. Đặc tính tách lọc của màng nền TFC-PA và các màng biến tính đối 105 với các dung dịch muối vô cơ khác nhau Hình 3.44. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và các màng biến 110 tính với mẫu nước thải dệt nhuộm sau lọc UF150 Hình 3.45. Hình ảnh trực quan các mẫu nước thải dệt nhuộm trước và sau xử 111 lý Hình 3.46. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và các màng biến 113 tính với mẫu dịch thải bia sau lọc UF150 Hình 3.47. Hình ảnh trực quan các mẫu dịch thải bia trước và sau xử lý 113 Hình 3.48. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và các màng biến 115 tính với mẫu nước sông Hình 3.49. Độ duy trì năng suất lọc của màng nền TFC-PA và các màng biến 117 tính với dung dịch nước thải mạ chromi Hình 3.50. Hình ảnh trực quan các mẫu nước thải mạ chromi trước và sau xử 118 lý xvi
DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Tác nhân gây tắc màng trong nước sinh hoạt trước xử lý 21 Bảng 1.2. Một số nghiên cứu trùng hợp ghép quang hóa biến tính bề mặt 29 màng Bảng 1.3. Một số nghiên cứu trùng hợp ghép khơi mào oxh-kh biến tính 34 bề mặt màng Bảng 1.4. Một số nghiên cứu trùng hợp ghép khơi mào plasma biến tính 37 bề mặt màng Bảng 3.1. Độ thô nhám bề mặt màng nền và các màng trùng hợp ghép với 65 AA và PEG Bảng 3.2. Độ ổn định của màng nền TFC-PA và các màng biến tính bề 102 mặt khi bảo quản ướt Bảng 3.3. Tính năng tách lọc của màng nền và các màng biến tính với 107 một số đối tượng trong các mẫu pha Bảng 3.4. Một số thông số mẫu nước thải dệt nhuộm 109 Bảng 3.5. Kết quả lọc mẫu nước thải dệt nhuộm sau UF150 của màng nền 109 TFC-PA và các màng biến tính bề mặt Bảng 3.6. Một số thông số mẫu dịch thải bia 112 Bảng 3.7. Kết quả lọc mẫu dịch thải bia sau UF150 của màng nền TFC- 112 PA và các màng biến tính bề mặt Bảng 3.8. Kết quả lọc mẫu nước sông của màng nền TFC-PA và các màng 114 biến tính bề mặt Bảng 3.9. Một số thông số ban đầu mẫu nước thải mạ chromi 116 Bảng 3.10. Hàm lượng chromi trong dịch lọc và tỷ lệ J/Jo khi lọc qua màng 117 nền TFC-PA và các màng TFC-PA biến tính bề mặt xvii
MỞ ĐẦU Cùng với sự gia tăng dân số, công nghiệp hóa và đô thị hóa, nhu cầu sử dụng nước sạch đang trở thành mối quan tâm lớn của con người. Tuy nhiên, hiện rất nhiều nguồn nước sạch đang dần trở nên không thể sử dụng được bởi đã bị ô nhiễm do các hoạt động công nghiệp. Ước tính, hơn một tỷ người không có nước sạch để uống, và khoảng hơn hai tỷ người (41 % dân số thế giới) đang sống trong vùng thiếu nước [34]. Do đó, việc tái tạo tài nguyên nước, cũng như giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước đang dần trở nên vô cùng cấp thiết. Trong những năm gần đây, việc áp dụng công nghệ màng lọc trong sản xuất nước sạch, xử lý nước ô nhiễm và/ hoặc tái sử dụng nguồn nước đã và đang được phát triển mạnh mẽ. Ưu điểm của phương pháp lọc màng là có thể tách được các cấu tử có kích thước rất khác nhau, từ cỡ phân tử tới cỡ ion mà không cần phải sử dụng thêm các hoá chất khác, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, là phương pháp tách hiện đại, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Trong số các loại vật liệu màng lọc thương mại hiện nay, màng lọc composit polyamid lớp mỏng (TFC-PA) đang được sử dụng nhiều trong sản xuất nước sạch, nước siêu sạch và xử lý nước ô nhiễm. Sự phát triển của màng lọc TFC-PA là bước đột phá quan trọng trong công nghệ màng do loại màng này có đặc tính tách lọc vượt trội, bền cơ học, và chịu được môi trường có pH thay đổi trong một khoảng rộng. Tuy nhiên, một vấn đề thường gặp trong các quá trình lọc màng nói chung, và lọc màng TFC-PA nói riêng là hiện tượng tắc màng (fouling), do tính chất kỵ nước và thô nhám của lớp hoạt động polyamid, khiến các cấu tử lưu giữ dễ bị tích lũy trên bề mặt màng trong quá trình lọc, làm giảm năng suất lọc, và làm tăng chi phí cho toàn bộ quá trình màng [49]. Việc nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao đặc tính tách lọc và giảm hiện tượng tắc màng có ý nghĩa rất quan trọng, góp phần làm tăng hiệu quả cho quá trình lọc 1