Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong luận văn này, màng lọc polyacrylonitrile (PAN) đƣợc nghiên cứu chế tạo bằng kỹ thuật đảo pha. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo đến cấu trúc và tính năng tách lọc của màng được khảo sát và đánh giá. Tiếp theo, bề mặt màng PAN được nghiên cứu biến tính bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa và trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử, với tác nhân trùng hợp ghép là axit maleic và axit acrylic.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------o0o------------- Phạm Thị Phƣợng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG LỌC POLYACRYLONITRILE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------o0o------------- Phạm Thị Phƣợng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG LỌC POLYACRYLONITRILE Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá Học Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Thị Dung HÀ NỘI – 2017
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Thị Dung – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giao đề tài, trực tiếp hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Hóa Học, Trƣờng 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 đƣợc cảm ơn gia đình, bố mẹ, anh chị, và đặc biệt là chồng, những ngƣời đã luôn sát cánh và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và làm việc. Em cũng xin cảm ơn ThS. Ngô Hồng Ánh Thu và tập thể các anh chị em Phòng thí nghiệm nghiên cứu Màng lọc, Bộ môn Công nghệ Hóa học, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày ….. tháng 06 năm 2017 Học viên Phạm Thị Phƣợng
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................2 1.1. Giới thiệu về màng lọc và các quá trình tách dùng màng .....................2 1.1.1. Cơ chế tách qua màng ....................................................................3 1.1.1.1. Thuyết sàng lọc .......................................................................3 1.1.1.2. Thuyết hòa tan khuếch tán ......................................................4 1.1.1.3. Thuyết mô hình mao quản ......................................................4 1.1.2. Một số đặc trƣng cơ lý của màng. ..................................................4 1.1.3. Các quá trình màng động lực áp suất .............................................5 1.1.3.1. Màng vi lọc (Microfiltration) (MF) ........................................5 1.1.3.2. Màng siêu lọc (Ultrafitration) (UF) ........................................5 1.1.3.3. Màng thẩm thấu ngƣợc (Reverse Osmosis) và lọc nano (Nanofiltration) ...............................................................................................5 1.1.4. Các thông số của quá trình tách qua màng ....................................6 1.1.4.1. Độ lƣu giữ R............................................................................6 1.1.4.2. Độ chọn lọc φ ..........................................................................7 1.1.4.3. Lƣu lƣợng lọc J .......................................................................7 1.1.4.4. Độ thấm nƣớc ..........................................................................7 1.1.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tách qua màng ......................7 1.1.5.1. Sự phân cực nồng độ ...............................................................7 1.1.5.2. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch tách .................................8 1.1.5.3. Bản chất của vật liệu tạo màng ...............................................8 1.1.5.4. Áp suất làm việc......................................................................8 1.1.5.5. Hiện tƣợng tắc nghẽn màng (fouling) .....................................8 1.1.5.6. Các yếu tố ảnh hƣởng khác ...................................................10 1.2. Ứng dụng của màng lọc ..........................................................................10
1.3. Các phƣơng pháp chế tạo màng ..............................................................11 1.3.1. Kỹ thuật dung kết nhiệt (sintering) .............................................11 1.3.2. Kỹ thuật ăn mòn theo vết (track – etching)..................................12 1.3.3. Kỹ thuật đảo pha (phase inversion) .............................................12 1.3.4. Cơ chế hình thành màng đảo pha đông tụ chìm...........................13 1.3.4.1. Tốc độ đông tụ và cấu trúc màng ..........................................15 1.3.4.2. Ảnh hƣởng của nồng độ polyme trong dung dịch tạo màng.15 1.3.4.3. Ảnh hƣởng của thời gian bay hơi dung môi .........................16 1.3.4.4. Nhiệt độ môi trƣờng đông tụ .................................................16 1.4. Biến tính bề mặt màng lọc ..................................................................16 1.4.1. Trùng hợp ghép khơi mào plasma ...............................................18 1.4.2. Trùng hợp ghép khơi mào bằng các ion kim loại ........................19 1.4.3. Trùng hợp ghép quang hóa dƣới bức xạ tử ngoại (UV)...............20 1.4.4. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử .......................................23 1.5. Màng lọc Polyacrylonitrile (PAN) ......................................................24 1.6. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn ..................................26 CHƢƠNG 2 – ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........28 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị...............................................................28 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu.....................................................................30 2.2.1. Chế tạo màng PAN bằng phƣơng pháp đảo pha đông tụ chìm ....30 2.2.2. Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép quang hóa ....32 2.2.3. Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử ..............................................................................................................33 2.2.4. Đánh giá các đặc tính của màng. .................................................33 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................36 3.1. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ protein trong dung dịch ...................36 3.2. Chế tạo màng lọc polyacrylonitrile (PAN) .........................................36
3.2.1. Ảnh hƣởng của nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng............36 3.2.2. Ảnh hƣởng của thời gian bay hơi dung môi ................................39 3.2.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng đông tụ ...............................40 3.2.4. Ảnh hƣởng của thành phần maleic trong dung dịch tạo màng ....42 3.3. Biến tính bề mặt màng lọc PAN .........................................................45 3.3.1. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử bề mặt màng với acid maleic ................................................................................................................45 3.3.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thực hiện phản ứng trùng hợp .......45 3.3.1.2. Ảnh hƣởng của thời gian trùng hợp ghép (redox) với MA ...48 3.3.1.3. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch acid maleic....................49 3.3.2. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử với acid acrylic ..............51 3.3.2.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tiến hành phản ứng trùng hợp ghép .......................................................................................................................51 3.3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ acid acrylic trong dung dịch trùng hợp .................................................................................................................54 3.3.2.3. Ảnh hƣởng của thời gian trùng hợp ghép AA ......................56 3.3.3. Trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng với acid acrylic ...........57 KẾT LUẬN ....................................................................................................61 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................62 PHỤ LỤC .......................................................................................................67
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc của các loại màng lọc khác nhau ..................................................3 Hình 1.2: Giới hạn tách của các loại màng dùng động lực áp suất .............................6 Hình 1.3: Giản đồ biểu diễn sự hình thành màng trong hệ ba cấu tử ........................14 polyme-dung môi-chất đông tụ .................................................................................14 Hình 1.4: Giản đồ biểu diễn sự hình thành màng ở các điều kiện khác nhau ...........15 Hình 1.5: Cơ chế phản ứng trùng hợp ghép dùng hệ khơi mào Fe2+/H2O2 ...............19 Hình 1.6: Trùng hợp ghép bề mặt màng lọc dƣới bức xạ tử ngoại ...........................20 Hình 1.7: Sự tạo thành gốc tự do bởi chất nhạy sáng................................................22 Hình 1.8: Cơ chế trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng có phủ BP .....................23 Hình 1.9: Cấu trúc của polyacrylonitrile (PAN) .......................................................25 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thí nghiệm trùng hợp ghép quang hóa........................................32 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thí nghiệm trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử .....................33 Hình 2.3 : Sơ đồ thiết bị màng lọc trong phòng thí nghiệm ......................................34 Hình 3.1 : Đồ thị đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng albumin trong dung dịch ........36 Hình 3.2 : Ảnh hƣởng của nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng ........................37 Hình 3.3 : Ảnh chụp SEM mặt cắt màng PAN chế tạo từ các dung dịch nồng độ PAN 14,4% (hình trái) và 20,1% (hình phải) ...........................................................38 Hình 3.4 : Ảnh hƣởng của thời gian bay hơi dung môi .............................................39 Hình 3.5 : Ảnh SEM mặt cắt màng PAN chế tạo từ dung dịch nồng độ 14,4 %, thời gian bay hơi dung môi 90s (trái) và 150s (phải) .......................................................40 Hình 3.6 : Ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng đông tụ ...........................................41 Hình 3.7: Ảnh chụp SEM mặt cắt màng PAN khi tiến hành đông tụ ở các nhiệt độ khác nhau 20C (trái) và 170C (phải). .........................................................................42
Hình 3.8 : Ảnh hƣởng của thành phần MA trong dung dịch tạo màng khi cho bay hơi dung môi dƣới bức xạ tử ngoại ...........................................................................43 Hình 3.9 : Ảnh hƣởng của nhiệt độ thực hiện phản ứng trùng hợp ghép ..................46 Hình 3.10 : Mức độ duy trì năng suất lọc của các màng trùng hợp ghép với MA (redox) ở các nhiệt độ tiến hành phản ứng khác nhau. .............................................46 Hình 3.11 : Ảnh SEM mặt cắt màng nền (trái) và màng trùng hợp ghép MA (phải) ....... 47 Hình 3.12 : Ảnh hƣởng thời gian trùng hợp ghép MA (redox) .................................48 Hình 3.13: Mức độ duy trì năng suất lọc của các màng trùng hợp ghép (redox) với MA trong những khoảng thời gian khác nhau ..........................................................49 Hình 3.14 : Ảnh hƣởng của nồng độ MA trùng hợp ghép ........................................50 Hình 3.15 : Mức độ duy trì năng suất lọc của màng trùng hợp ghép khi thay đổi nồng độ MA trong dung dịch trùng hợp ...................................................................51 Hình 3.16: Ảnh hƣởng của nhiệt độ thực hiện phản ứng trùng hợp ghép AA (redox) đến năng suất lọc và độ lƣu giữ của màng ................................................................52 Hình 3.17: Mức độ duy trì lƣu lƣợng lọc của màng trùng hợp ghép với AA (redox) ở các nhiệt độ khác nhau ..............................................................................................53 Hình 3.18: Ảnh SEM màng nền (trái) và màng trùng hợp ghép (redox) AA (phải) .53 Hình 3.19: Ảnh hƣởng của nồng độ AA trùng hợp ghép (redox) đến R và J ...........55 Hình 3.20: Mức độ duy trì lƣu lƣợng lọc của màng trùng hợp ghép AA (redox) sử dụng các dung dịch AA nồng độ khác nhau .............................................................55 Hình 3.21: Ảnh hƣởng của thời gian trùng hợp ghép AA (redox) đến năng suất lọc và độ lƣu giữ của màng .............................................................................................56 Hình 3.22: Ảnh hƣởng của thời gian trùng hợp ghép AA (redox) đến mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian.......................................................................................56 Hình 3.23: Ảnh hƣởng của điều kiện trùng hợp ghép AA (UV) đến R và J .............58
Hình 3.24: Mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian của màng nền và màng trùng hợp ghép quang hóa với AA .....................................................................................58 Hình 3.25: Hệ số FRW của màng nền và màng trùng hợp ghép quang hóa với AA .59 Hình 3.26: Ảnh chụp AFM bề mặt màng PAN trƣớc và sau khi trùng hợp ghép quang hóa với AA ở các điều kiện khác nhau...........................................................60
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Hóa chất, vật liệu ......................................................................................28 Bảng 2.2: Dụng cụ và thiết bị....................................................................................30 Bảng 3.1. Mật độ quang của dung dịch abumin ở những nồng độ khác nhau ..........36 Bảng 3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng ........................37 Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của thời gian bay hơi dung môi .............................................39 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng đông tụ ...........................................41 Bảng 3.5. Tính năng tách lọc của các màng chế tạo khi có hoặc không có MA, bay hơi dung môi dƣới hoặc không dƣới bức xạ UV ......................................................43 Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng trùng hợp ghép (redox) với MA........45 Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của nhiệt độ tiến hành phản ứng trùng hợp ghép AA ...........52 Bảng 3.8: Độ thô nhám bề mặt màng........................................................................59
DANH MỤC VIẾT TẮT AA (Acrylic acid) AFM (Atomic force microscope) BP (Benzophenone) DMF (Dimethylformamide) MA (Maleic acid) MF (Microfiltration) UF (Ultrafiltration) NF (Nanofiltration) PAN (Polyacrylonitrile) RO (Reverse Osmosis) SEM (Scanning electron microscope) UV (Ultraviolet)
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrrylonitrile” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu kết quả trong đề tài là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày….. tháng….. năm 2017 Tác giả luận văn
LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ màng lọc phát triển mạnh mẽ và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ƣu điểm của kỹ thuật lọc màng là có thể tách đƣợc các cấu tử có kích thƣớc khác nhau, từ cỡ hạt đến cỡ ion, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, quá trình tách không phải sử dụng thêm các hóa chất khác, là phƣơng pháp tách hiện đại, tiết kiệm năng lƣợng và thân thiện với môi trƣờng. Màng lọc là phần quan trọng nhất trong hệ tách lọc màng. Màng cần phải có độ lƣu giữ tốt, năng suất lọc cao, có thời gian làm việc lâu và dễ làm sạch. Tùy thuộc đối tƣợng và yêu cầu lọc tách mà sử dụng các loại màng lọc khác nhau. Bên cạnh việc nghiên cứu chế tạo màng, phƣơng pháp biến tính bề mặt màng lọc nhằm nâng cao các đặc tính bề mặt và tính năng tách lọc của màng là một hƣớng nghiên cứu đang rất đƣợc quan tâm. Quá trình biến tính bề mặt có thể làm thay đổi tính chất của bề mặt màng mà không ảnh hƣởng đến cấu trúc bên trong vật liệu, vì vậy, vẫn giữ đƣợc những đặc tính tốt của vật liệu màng nền ban đầu. Ngoài ra, do chỉ cần tác động lên lớp bề mặt nên tiết kiệm đƣợc khá nhiều chi phí so với việc chế tạo vật liệu màng lọc hoàn toàn mới. Trong luận văn này, màng lọc polyacrylonitrile (PAN) đƣợc nghiên cứu chế tạo bằng kỹ thuật đảo pha. Ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo đến cấu trúc và tính năng tách lọc của màng đƣợc khảo sát và đánh giá. Tiếp theo, bề mặt màng PAN đƣợc nghiên cứu biến tính bằng phƣơng pháp trùng hợp ghép quang hóa và trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử, với tác nhân trùng hợp ghép là axit maleic và axit acrylic. Ảnh hƣởng của các điều kiện biến tính bề mặt đến đặc tính của màng đƣợc khảo sát và đánh giá, với đối tƣợng lọc tách là protein trong dung dịch. Luận văn đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm màng lọc, Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Hóa, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về màng lọc và các quá trình tách dùng màng Màng lọc là vật liệu đƣợc sử dụng trong quá trình tách một hỗn hợp đồng thể hay dị thể ( lỏng – lỏng, lỏng – rắn, khí – rắn, khí – khí). Nói một cách khác, màng lọc là một lớp chắn có tính thấm chọn lọc đƣợc đặt giữa hai pha – pha đi vào và pha thấm qua. Màng có thể có cấu trúc đồng thể hoặc dị thể, sự vận chuyển chất qua màng có thể xảy ra một cách tự nhiên hay cƣỡng bức. Động lực của quá trình là sự chênh lệch áp suất, nồng độ, nhiệt độ hay điện trƣờng giữa hai phía màng [5, 34]. Lƣu lƣợng pha thấm qua màng tỷ lệ thuận với động lực quá trình: Với: J là lƣu lƣợng qua màng A là hệ số tỷ lệ (thay đổi theo bản chất của quá trình chuyển dịch) dX/dx là động lực quá trình (gradient nhiệt độ, nồng độ, áp suất) Trong phạm vi các màng tổng hợp (dạng rắn), về mặt cấu trúc, có thể chia thành hai loại: màng đối xứng hoặc bất đối xứng (Hình 1.1) [23, 34]. Màng đối xứng là loại màng có cấu trúc đồng nhất từ trên xuống dƣới với hai mặt hoàn toàn nhƣ nhau, màng có thể xốp hoặc không xốp, trở lực chuyển khối qua màng đƣợc quyết định bởi độ dày của màng, ví dụ: màng xenlophan, cuprophan, neprophan…. Loại màng này thƣờng dùng trong các quá trình vi lọc (microfiltration) để tách lọc các tiểu phân nhỏ hoặc dùng cho thẩm tách máu [4, 5, 34].. Màng bất đối xứng là loại màng có cấu trúc gồm lớp hoạt động ở trên lớp đỡ xốp, và quyết định trở lực chuyển khối, khả năng tách giữ của màng, lớp xốp đỡ làm tăng độ bền cơ học của màng. Chiều dày và kích thƣớc lỗ của lớp hoạt động nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dày và kích thƣớc lỗ của lớp đỡ xốp. Lớp đỡ xốp và lớp hoạt động có thể làm từ cùng một loại vật liệu hoặc là làm từ các loại vật liệu 2
khác nhau. Màng có cấu trúc bất đối xứng thƣờng có lƣu lƣợng lọc cao hơn so với màng đối xứng [5, 33]. Màng compozit là một trƣờng hợp đặc biệt của màng bất đối xứng, với lớp bề mặt và lớp đỡ xốp đƣợc chế tạo từ hai loại vật liệu khác nhau, mỗi lớp có thể đƣợc chế tạo độc lập ở điều kiện tối ƣu. So với các màng khác, màng composit có hiệu quả tách cao hơn do lớp bề mặt mỏng và lớp đỡ có độ bền cơ học tốt [22, 25, 34]. Cấu trúc đối xứng Cấu trúc bất đối xứng Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt xốp Màng xốp dạng mao quản Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt không xốp Màng xốp dạng tổ ong Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt không xốp làm từ các vật liệu khác nhau Màng không xốp Hình 1.1: Cấu trúc của các loại màng lọc khác nhau 1.1.1. Cơ chế tách qua màng 1.1.1.1. Thuyết sàng lọc Thuyết này cho rằng màng lọc gồm nhiều mao quản có kích thƣớc lỗ xác định. Cấu tử nào có kích thƣớc bé hơn kích thƣớc mao quản thì sẽ vận chuyển qua màng còn cấu tử nào có kích thƣớc lớn hơn sẽ bị màng lƣu giữ lại. Thuyết này chỉ phù hợp với các quá trình siêu lọc và vi lọc (cấu tử cần tách có kích thƣớc lớn). Trong trƣờng hợp các phân tử chất tan và dung môi có kích thƣớc tƣơng đƣơng nhau thì thuyết này không phù hợp [5, 34]. 3
1.1.1.2. Thuyết hòa tan khuếch tán Thuyết này cho rằng dƣới động lực áp suất cao, dung môi và chất tan đều khuếch tán qua màng. Các phân tử sau khi thẩm thấu vào màng sẽ khuếch tán và tốc độ khuếch tán của chất tan và dung môi là khác nhau, tỉ lệ với hệ số khuếch tán. Hệ số khuếch tán của dung môi càng lớn và của chất tan càng nhỏ thì quá trình tách càng hiệu quả. Thuyết hòa tan khuếch tán cho thấy ảnh hƣởng của vật liệu tạo màng đến hiệu quả tách lọc [4, 5, 21, 34]. 1.1.1.3. Thuyết mô hình mao quản Thuyết này cho rằng màng bán thấm đƣợc cấu tạo từ nhiều mao quản, trên bề mặt màng bán thấm và trong mao quản hình thành một lớp nƣớc liên kết hấp phụ. Do tác dụng của các lực hóa lí, lớp nƣớc hấp phụ này đã mất đi một phần hay toàn bộ khả năng hòa tan chất tan, vì thế nó không cho chất tan đi qua mao quản. Nếu các đƣờng kính mao quản có kích thƣớc đủ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nƣớc liên kết hấp phụ, thì màng chỉ cho nƣớc tinh khiết đi qua. Thuyết mô hình mao quản giải thích khá đầy đủ các cơ chế ảnh hƣởng đến quá trình tách [4, 5, 21]. 1.1.2. Một số đặc trưng cơ lý của màng [4, 5, 34]. Mật độ lỗ là số lỗ trên một đơn vị diện tích bề mặt màng, trong cùng điều kiện, các màng có cùng đƣờng kính lỗ xốp thì màng có mật độ lỗ lớn hơn sẽ có độ xốp và lƣu lƣợng lọc cao hơn và ngƣợc lại. Độ xốp của màng đƣợc định nghĩa là thể tích lỗ trống không bị chiếm bởi vật liệu tạo màng trên tổng thể tích màng. Độ xốp phụ thuộc vào kích thƣớc lỗ và mật độ lỗ của màng Chiều dày màng đƣợc khống chế khi chế tạo, màng càng dày thì trở lực của màng càng lớn, năng suất lọc của màng càng giảm, nhƣng màng sẽ bền hơn, thông thƣờng màng polyme đƣợc chế tạo có chiều dày từ 300 – 500 µm. Độ thấm ướt là một đặc trƣng quan trọng của màng lọc. Màng có tính thấm ƣớt tốt đối với dung môi cần lọc thì quá trình lọc xảy ra dễ dàng hơn và ngƣợc lại. 4
Độ nén ép: Khi làm việc với áp suất cao, màng bị nén lại làm cho độ xốp của màng giảm, trở lực của màng tăng, tùy thuộc vào áp suất chênh lệch và thời gian màng bị nén ép, năng suất lọc của màng giảm. Trở lực của màng là áp suất thủy tĩnh cần thiết để dung môi có thể chảy đƣợc qua màng với lƣu lƣợng riêng nào đó. Màng càng dày và càng ít lỗ thì trở lực của màng càng lớn và ngƣợc lại. 1.1.3. Các quá trình màng động lực áp suất Các quá trình màng dùng động lực áp suất gồm: vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngƣợc [4, 5, 17, 21, 34]. Việc phân chia các quá trình màng mang tính tƣơng đối. Giới hạn tách của các loại màng dùng động lực áp suất đƣợc biểu diễn ở hình 1.2: 1.1.3.1. Màng vi lọc (Microfiltration) (MF) Màng vi lọc có kích thƣớc lỗ từ 0.1 µm đến 10 µm, có khả năng lƣu giữ đƣợc những tiểu phân có kích thƣớc tƣơng đối lớn và các loại vi khuẩn, độ cản thủy lực thấp. Vật liệu tạo màng có thể là gốm, thủy tinh, kim loại hoặc polyme. Polyme và ceramic là hai vật liệu quan trọng nhất trong chế tạo màng vi lọc. 1.1.3.2. Màng siêu lọc (Ultrafitration) (UF) Màng siêu lọc có kích thƣớc lỗ 0.001 – 0.1 µm, có khả năng tách đƣợc các tiểu phân có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ và các phân tử có kích thƣớc trung bình. Vật liệu tạo màng thông thƣờng là polyme và có cấu trúc bất đối xứng. Quá trình tách qua màng xảy ra theo cơ chế sàng lọc (rây phân tử). 1.1.3.3. Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) và lọc nano (Nanofiltration) Màng thẩm thấu ngƣợc và lọc nano đều có cấu trúc bất đối xứng, kích thƣớc lỗ bề mặt vô cùng nhỏ, khoảng 1 – 2 nm (đối với màng RO) và khoảng 2 – 5 nm (đối với màng NF). Loại màng này có thể tách đƣợc các ion trong dung dịch và cho dung môi đi qua. Độ cản thủy lực của màng RO và NF khá lớn, theo đó, áp suất làm việc có thể lên đến 100 bar (đối với màng RO) và khoảng 7 – 30 bar (đối với màng 5
NF). Màng lọc nano và thẩm thấu ngƣợc khá giống nhau về cấu trúc và phƣơng pháp chế tạo. Tuy nhiên, màng lọc nano có kích thƣớc lỗ lớn hơn so với màng thẩm thấu ngƣợc và sự chuyển khối qua màng lọc nano phức tạp hơn vì quá trình tách không chỉ xảy ra theo cơ chế hòa tan khuếch tán mà còn theo cả cơ chế sàng lọc. Nếu phân loại theo vật liệu của màng thì màng đƣợc chia làm ba loại: màng hữu cơ (polymeic), màng vô cơ (inorganic) và các loại màng sinh học. Màng polyme có thể chia làm hai loại là màng xốp và màng không xốp. Có nhiều loại polyme có thể đƣợc dùng để chế tạo màng lọc, nhƣ: xenlulozo và các dẫn xuất của nó polyacrylonitrile, polysulfon, polyamide…[5]. Hemoglobin Bacteria Na+ (70 Å) Bacteria (3.7 Å) Virus Sucrose (0.28 m) (1 m) H2O (1000 Å) (10 Å) (2 Å) Starch (10 m) Filtration Microfiltration Ultrafiltration Reverse osmosis 1Å 10Å 100Å 1000Å 1m 10m Hình 1.2: Giới hạn tách của các loại màng dùng động lực áp suất [34] 1.1.4. Các thông số của quá trình tách qua màng 1.1.4.1. Độ lưu giữ R Với: Cm là nồng độ cấu tử cần tách trong pha lƣu giữ, [g/L] 6
Cp là nồng độ cấu tử cần tách trong pha thấm qua, [g/L] 1.1.4.2. Độ chọn lọc φ Với: Cf nồng độ cấu tử cần tách trong dung dịch ban đầu, [g/L] 1.1.4.3. Lưu lượng lọc J Lƣu lƣợng lọc là thể tích dịch lọc thu đƣợc trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích bề mặt màng ở áp suất xác định Với: V là thể tích dịch lọc, [L]; S là diện tích bề mặt màng, [m2], t là thời gian lọc tách, [h]; 1.1.4.4. Độ thấm nước Độ thấm nƣớc là lƣu lƣợng nƣớc tinh khiết thấm qua màng tại áp suất xác định. 1.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng [4, 5] 1.1.5.1. Sự phân cực nồng độ Sự phân cực nồng độ là hiện tƣợng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng do dung môi vận chuyển qua màng còn chất tan bị giữ lại, làm cho lƣu lƣợng qua màng giảm xuống trong quá trình tách. Khi sự phân cực nồng độ lớn thì chất tan sẽ bám trên bề mặt màng khiến cho hiệu suất làm việc của màng giảm xuống, đồng thời làm tăng vọt áp suất thẩm thấu, do đó hiệu quả làm việc của màng giảm đi nhiều. Có nhiều phƣơng pháp làm giảm sự phân cực trên màng bán thấm, ví dụ: Đối với nhiều thiết bị lớn, để làm mất đi sự phân cực nồng độ trên màng bán thấm ngƣời 7
ta thƣờng cho dung dịch trên màng vận chuyển với tốc độ lớn và tạo dòng xoáy; còn đối với thiết bị phòng thí nghiệm ngƣời ta thƣờng tạo ra dao động rung hoặc khuấy đảo để làm mất đi sự phân cực nồng độ trên màng. 1.1.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách Do hiện tƣợng hydrat hóa (sự tƣơng tác giữa phân tử chất tan và các phân tử nƣớc ở gần nó) nên các ion chất tan bị giữ lại trên màng trong khi các phân tử nƣớc hoặc dung môi có thể vận chuyển qua màng một cách dễ dàng. Ở vùng nồng độ loãng, các ion chất tan bị bao bọc bởi hai lớp vỏ hydrat, đồng thời trong dung dịch vẫn tồn tại các phân tử nƣớc ở trạng thái tự do. Nếu tăng nồng độ chất tan đến một mức nào đó thì trong dung dịch không còn các phân tử nƣớc ở trạng thái tự do, mà chỉ đủ tạo thành một lớp vỏ hydrat, lúc này độ lƣu giữ và lƣu lƣợng qua màng giảm rõ rệt. 1.1.5.3. Bản chất của vật liệu tạo màng Bản chất của vật liệu tạo màng cũng là một đặc tính quan trọng ảnh hƣởng tới quá trình tách qua màng. Vật liệu có tính thấm cao đối với dung môi cần lọc thì năng suất lọc sẽ cao và ngƣợc lại. 1.1.5.4. Áp suất làm việc Áp suất làm việc ảnh hƣởng rất nhiều đến quá trình tách bằng màng thẩm thấu ngƣợc: Khi áp suất tăng, lúc đầu lƣu lƣợng lọc và độ lƣu giữ đều tăng nhƣng khi đạt đến một áp suất nào đó thì độ lƣu giữ R hầu nhƣ không thay đổi, trong khi lƣu lƣợng lọc vẫn tăng theo áp suất. Tuy nhiên, chỉ nên tăng áp suất đến một giới hạn nhất định để bảo vệ màng và an toàn cho thiết bị. 1.1.5.5. Hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling) Tắc màng (fouling) đƣợc dùng để mô tả sự kết bám không mong muốn của các tiểu phân bị lƣu giữ lại trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng trong quá trình tách, làm cho năng suất lọc của màng giảm xuống theo thời gian, khi đó, phải tăng áp suất vận hành cao hơn, nghĩa là cần nhiều năng lƣợng hơn để đạt đƣợc công 8