Luận văn nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc Polyacrylonitrile - ĐHKHTN Hà Nội

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Phạm Thị Phƣợng
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thị Dung
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá Học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Giới thiệu về màng lọc và các quá trình tách dùng màng
• 1.1. Cơ chế tách qua màng
• 1.1.1. Thuyết sàng lọc
• 1.1.2. Thuyết hòa tan khuếch tán
• 1.1.3. Thuyết mô hình mao quản
• 1.2. Một số đặc trưng cơ lý của màng
• 1.3. Các quá trình màng động lực áp suất
• 1.3.1. Màng vi lọc (Microfiltration) (MF)
• 1.3.2. Màng siêu lọc (Ultrafitration) (UF)
• 1.3.3. Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) và lọc nano (Nanofiltration)
• 1.4. Các thông số của quá trình tách qua màng
• 1.4.1. Độ lưu giữ R
• 1.4.2. Độ chọn lọc φ
• 1.4.3. Lưu lượng lọc J
• 1.4.4. Độ thấm nước
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng
• 1.5.1. Sự phân cực nồng độ
• 1.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách
• 1.5.3. Bản chất của vật liệu tạo màng
• 1.5.4. Áp suất làm việc. Hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling)
• 1.5.5. Các yếu tố ảnh hưởng khác
• 1.6. Ứng dụng của màng lọc
• 1.7. Các phương pháp chế tạo màng
• 1.7.1. Kỹ thuật dung kết nhiệt (sintering)
• 1.7.2. Kỹ thuật ăn mòn theo vết (track – etching)
• 1.7.3. Kỹ thuật đảo pha (phase inversion)
• 1.7.4. Cơ chế hình thành màng đảo pha đông tụ chìm
• 1.7.5. Tốc độ đông tụ và cấu trúc màng
• 1.7.6. Ảnh hưởng của nồng độ polyme trong dung dịch tạo màng
• 1.7.7. Ảnh hưởng của thời gian bay hơi dung môi
• 1.7.8. Nhiệt độ môi trường đông tụ
• 1.8. Biến tính bề mặt màng lọc
• 1.8.1. Trùng hợp ghép khơi mào plasma
• 1.8.2. Trùng hợp ghép khơi mào bằng các ion kim loại
• 1.8.3. Trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại (UV)
• 1.8.4. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử
• 1.9. Màng lọc Polyacrylonitrile (PAN)
• 1.10. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Chế tạo màng PAN bằng phương pháp đảo pha đông tụ chìm
• 2.4. Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép quang hóa
• 2.5. Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử
• 2.6. Đánh giá các đặc tính của màng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đường chuẩn xác định nồng độ protein trong dung dịch
• 3.2. Chế tạo màng lọc polyacrylonitrile (PAN)
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng
• 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian bay hơi dung môi
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đông tụ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của thành phần maleic trong dung dịch tạo màng
• 3.3. Biến tính bề mặt màng lọc PAN
• 3.3.1. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử bề mặt màng với acid maleic
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thực hiện phản ứng trùng hợp
• 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép (redox) với MA
• 3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch acid maleic
• 3.3.5. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử với acid acrylic
• 3.3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ tiến hành phản ứng trùng hợp ghép
• 3.3.7. Ảnh hưởng của nồng độ acid acrylic trong dung dịch trùng hợp
• 3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép AA
• 3.3.9. Trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng với acid acrylic
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo màng lọc polyacrylonitrile

Màng lọc polyacrylonitrile (PAN) là một trong những loại màng lọc phổ biến trong công nghệ tách. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước, công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Việc nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc PAN không chỉ giúp nâng cao hiệu suất lọc mà còn cải thiện độ bền và khả năng tái sử dụng của màng. Nghiên cứu này tập trung vào các phương pháp chế tạo màng và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của màng.

1.1. Đặc điểm và ứng dụng của màng lọc polyacrylonitrile

Màng lọc polyacrylonitrile có nhiều đặc điểm nổi bật như độ bền cơ học cao, khả năng chịu hóa chất tốt và tính thấm chọn lọc. Chúng thường được sử dụng trong các quá trình lọc vi sinh, siêu lọc và thẩm thấu ngược. Việc hiểu rõ về đặc điểm này giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo và ứng dụng màng.

1.2. Lịch sử phát triển và xu hướng nghiên cứu màng lọc

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về màng lọc polyacrylonitrile đã có những bước tiến đáng kể. Các phương pháp chế tạo mới và công nghệ biến tính bề mặt đã được phát triển nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của màng. Xu hướng hiện nay là tìm kiếm các phương pháp thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu màng lọc

Mặc dù màng lọc polyacrylonitrile có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề và thách thức trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng. Các vấn đề này bao gồm hiện tượng tắc nghẽn màng, độ bền của màng trong môi trường làm việc khắc nghiệt và chi phí sản xuất. Việc giải quyết những thách thức này là cần thiết để nâng cao hiệu quả sử dụng màng.

2.1. Hiện tượng tắc nghẽn màng và giải pháp khắc phục

Hiện tượng tắc nghẽn màng là một trong những vấn đề lớn nhất trong quá trình lọc. Nó xảy ra khi các chất bẩn tích tụ trên bề mặt màng, làm giảm hiệu suất lọc. Các giải pháp như tăng cường rửa màng, sử dụng hóa chất tẩy rửa hoặc thay đổi điều kiện vận hành có thể giúp giảm thiểu hiện tượng này.

2.2. Độ bền và tuổi thọ của màng lọc trong ứng dụng thực tế

Độ bền của màng lọc polyacrylonitrile phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất và hóa chất tiếp xúc. Việc nghiên cứu các yếu tố này giúp cải thiện tuổi thọ của màng và giảm chi phí bảo trì trong quá trình sử dụng.

III. Phương pháp chế tạo màng lọc polyacrylonitrile hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo màng lọc polyacrylonitrile, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng và hiệu suất của màng. Các phương pháp phổ biến bao gồm kỹ thuật đảo pha, kỹ thuật dung kết nhiệt và kỹ thuật ăn mòn theo vết.

3.1. Kỹ thuật đảo pha trong chế tạo màng lọc

Kỹ thuật đảo pha là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo màng lọc polyacrylonitrile. Phương pháp này cho phép tạo ra màng với cấu trúc xốp và độ thấm cao. Các yếu tố như nồng độ polymer, nhiệt độ và thời gian đông tụ đều ảnh hưởng đến chất lượng màng.

3.2. Kỹ thuật ăn mòn theo vết và ứng dụng

Kỹ thuật ăn mòn theo vết là một phương pháp tiên tiến giúp tạo ra các màng lọc với kích thước lỗ chính xác. Phương pháp này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như lọc vi khuẩn và virus.

IV. Biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile để nâng cao hiệu suất

Biến tính bề mặt màng lọc là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chất và hiệu suất của màng. Các phương pháp biến tính phổ biến bao gồm trùng hợp ghép quang hóa và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử. Những phương pháp này giúp tăng cường khả năng giữ lại các cấu tử cần tách và giảm thiểu hiện tượng fouling.

4.1. Trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng

Trùng hợp ghép quang hóa là một phương pháp hiệu quả để biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile. Phương pháp này sử dụng bức xạ UV để kích hoạt phản ứng trùng hợp, tạo ra các nhóm chức năng mới trên bề mặt màng, từ đó cải thiện khả năng tương tác với các cấu tử cần tách.

4.2. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử

Phương pháp trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử cũng được sử dụng để biến tính bề mặt màng. Phương pháp này giúp tạo ra các nhóm chức năng có khả năng tương tác tốt hơn với các chất cần tách, từ đó nâng cao hiệu suất lọc của màng.

V. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của màng lọc

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng lọc polyacrylonitrile sau khi được chế tạo và biến tính có hiệu suất lọc cao hơn so với màng chưa được biến tính. Các ứng dụng thực tiễn của màng lọc này rất đa dạng, từ xử lý nước thải đến lọc trong ngành thực phẩm và dược phẩm. Việc áp dụng các màng lọc này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn bảo vệ môi trường.

5.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Màng lọc polyacrylonitrile được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, giúp loại bỏ các tạp chất và vi khuẩn có hại. Việc sử dụng màng lọc này không chỉ nâng cao chất lượng nước mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

5.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm và dược phẩm

Trong ngành thực phẩm và dược phẩm, màng lọc polyacrylonitrile được sử dụng để lọc và tinh chế các sản phẩm, đảm bảo an toàn và chất lượng. Việc áp dụng màng lọc này giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu màng lọc

Nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ lọc. Các phương pháp chế tạo và biến tính hiện đại không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong công nghệ lọc.

6.1. Triển vọng nghiên cứu và phát triển công nghệ màng lọc

Triển vọng nghiên cứu trong lĩnh vực màng lọc polyacrylonitrile rất rộng mở. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các loại màng mới với tính năng vượt trội hơn, đồng thời tìm kiếm các phương pháp chế tạo thân thiện với môi trường.

6.2. Tác động của nghiên cứu đến ngành công nghiệp

Nghiên cứu chế tạo và biến tính màng lọc polyacrylonitrile có thể tạo ra những tác động tích cực đến ngành công nghiệp, từ việc cải thiện quy trình sản xuất đến giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong công nghệ xử lý nước hiện đại, quá trình phân tách bằng màng polymer đóng vai trò chủ chốt khi chiếm khoảng 50% thị phần khử mặn và hơn 40% trong sản xuất nước siêu sạch phục vụ y sinh và dược phẩm. Vật liệu Polyacrylonitrile (PAN) sở hữu nhiều đặc tính cơ lý ưu việt như độ bền nhiệt vượt trội trên 250 độ C và khả năng kháng dung môi cao. Tuy nhiên, tính kỵ nước cố hữu của chuỗi polymer PAN là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling) nghiêm trọng. Khi lọc các dung dịch sinh học, tỷ lệ tắc nghẽn protein bất thuận nghịch của màng PAN nguyên bản có thể lên tới 93% đến 97%, làm suy giảm lưu lượng dòng thấm và làm tăng chi phí năng lượng vận hành từ 30% đến 45%.

Trước thách thức đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học của học viên Phạm Thị Phượng, thực hiện năm 2017 tại Phòng thí nghiệm Màng lọc thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tập trung nghiên cứu tối ưu quy trình chế tạo màng PAN và biến tính bề mặt. Mục tiêu cụ thể của đề tài là làm chủ kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm để tạo màng siêu lọc PAN, đồng thời ứng dụng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại (UV) và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với hai monomer acid maleic (MA) và acid acrylic (AA). Nghiên cứu hướng tới việc nâng cao độ lưu giữ protein albumin đạt trên 82%, đồng thời giảm hệ số bám bẩn bất thuận nghịch xuống dưới 45%, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu màng trong các hệ thống lọc y sinh và xử lý môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết tách màng kinh điển: Thuyết sàng lọc rây phân tử và Thuyết mô hình mao quản. Thuyết sàng lọc giải thích cơ chế phân tách các phân tử kích thước lớn trong quá trình siêu lọc (UF) với kích thước lỗ xốp từ 0,01 đến 0,1 micromet dựa trên sự sai khác về kích thước hình học. Thuyết mô hình mao quản mô tả sự hình thành lớp nước hấp phụ liên kết trên bề mặt màng giúp ngăn cản chất tan đi qua lỗ rỗng dưới áp suất thủy tĩnh từ 1 đến 5 bar.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm then chốt như hiện tượng phân cực nồng độ, hiện tượng bám bẩn sinh học (biofouling), và kỹ thuật trùng hợp ghép từ dưới lên (grafting from). Cơ chế phản ứng ghép mạch sử dụng hệ chất nhạy sáng Benzophenone (BP) nồng độ 0,01% hoặc hệ khơi mào oxy hóa khử persulfate/pyrosulfite giúp gắn kết các nhóm chức carboxyl (-COOH) linh động lên chuỗi carbon của màng PAN, tạo ra lớp bề mặt ưa nước bền vững mà không phá vỡ cấu trúc chịu lực bên trong vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực nghiệm trong thời gian 12 tháng tại phòng thí nghiệm chuyên ngành. Toàn bộ dữ liệu được thu thập từ hơn 30 mẫu màng PAN được chế tạo và khảo sát độc lập theo phương pháp lấy mẫu phân tầng có chủ đích, nhằm kiểm soát các thông số kỹ thuật then chốt.

Quy trình chế tạo màng ứng dụng phương pháp đảo pha đông tụ chìm: hòa tan hạt nhựa PAN khối lượng phân tử 120.000 Dalton trong dung môi N,N-Dimethylformamide (DMF) với nồng độ khảo sát từ 7,7% đến 22,7% khối lượng. Dung dịch được gạt màng phẳng với chiều dày 350 micromet, cho bay hơi dung môi từ 30 đến 150 giây, sau đó đông tụ trong bể nước ở nhiệt độ 7 đến 20 độ C và xử lý nhiệt ở 80 độ C trong 5 phút.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn có chủ đích rõ ràng: kính hiển vi điện tử quét FE-SEM Hitachi S-4800 dùng để quan sát cấu trúc mặt cắt bất đối xứng; kính hiển vi lực nguyên tử AFM xác định độ nhám bề mặt nano mét; phương pháp đo quang phổ UV-Vis tại bước sóng 540 nm xác định nồng độ albumin qua phức màu Biuret. Hệ thống cell lọc màng gián đoạn vận hành ở áp suất chuẩn 1 bar bằng khí nén Nitơ được sử dụng để xác định lưu lượng lọc J và hệ số lưu giữ R.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, nồng độ polymer PAN tối ưu để tạo màng siêu lọc ổn định nằm trong dải từ 11,2% đến 20,1%. Khi tăng nồng độ PAN từ 11,2% lên 20,1%, độ lưu giữ protein albumin tăng vọt từ 25,5% lên 88,4% (tăng hơn 3,4 lần), trong khi lưu lượng dòng thấm giảm tương ứng từ 34,96 L/m2.h xuống 10,49 L/m2.h do lớp bề mặt trở nên dày và chặt sít hơn.

Thứ hai, việc điều chỉnh thời gian bay hơi dung môi 90 giây ở nhiệt độ đông tụ 7 đến 8 độ C tạo ra màng bất đối xứng có cấu trúc ngón tay (finger-type) tối ưu ở lớp dưới và lớp vỏ mỏng mịn, đạt lưu lượng lọc 22,75 L/m2.h tại nồng độ 14,4% PAN.

Thứ ba, biến tính bề mặt màng bằng trùng hợp ghép acid maleic (MA) và acid acrylic (AA) qua hệ khơi mào oxy hóa khử làm tăng mạnh tính ưa nước. Độ lưu giữ albumin của màng ghép AA tăng từ 55,3% lên 82,6%, trong khi khả năng duy trì năng suất lọc theo thời gian tăng thêm khoảng 35% so với màng nền.

Thứ tư, phương pháp trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ UV bước sóng 254 nm công suất 16 W có phủ Benzophenone 0,01% giúp bề mặt màng đồng nhất hơn trên ảnh AFM, qua đó giảm hệ số tắc nghẽn fouling bất thuận nghịch từ 94,0% xuống còn 42,0%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự cải thiện tính năng lọc tách bắt nguồn từ cơ chế chuyển pha nhiệt động và cấu trúc hóa học bề mặt. Trong quá trình đảo pha, chênh lệch tốc độ khuếch tán giữa dung môi DMF và nước quyết định mật độ lỗ xốp. Nồng độ PAN cao làm tăng độ nhớt, làm chậm quá trình trao đổi dung môi, tạo ra lớp bề mặt đặc khít ngăn chặn protein lọt qua.

Khi thực hiện trùng hợp ghép monomer AA hoặc MA, các nhóm -COOH phân cực được cố định trên bề mặt, hình thành lớp nước hydrat hóa qua liên kết hydro. Lớp nước liên kết này đóng vai trò như một màng chắn ngăn cản sự hấp phụ kỵ nước của albumin. So với các nghiên cứu biến tính bằng plasma trong và ngoài nước, phương pháp ghép hóa học trong đề tài này có ưu điểm vượt trội về độ bền liên kết và giảm thiểu chi phí năng lượng khoảng 40%.

Dữ liệu thực nghiệm được minh họa rõ nét qua bảng tổng hợp các thông số tách lọc và biểu đồ hai trục tung biểu diễn mối quan hệ nghịch đảo giữa lưu lượng J và độ lưu giữ R theo nồng độ polymer, kết hợp cùng đồ thị duy trì lưu lượng trong 120 phút vận hành liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị cụ thể:

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo màng phẳng PAN quy mô bán công nghiệp: Doanh nghiệp sản xuất cần cố định tỷ lệ phối trộn 14,4% đến 17,4% PAN trong dung môi DMF, kiểm soát thời gian bay hơi dung môi 90 giây ở nhiệt độ 25 độ C để duy trì lưu lượng lọc ổn định trên 20 L/m2.h trong kế hoạch sản xuất giai đoạn 2027.

2. Áp dụng công nghệ biến tính trùng hợp ghép quang hóa UV liên tục: Đội ngũ kỹ sư tại các nhà máy xử lý nước nên thiết lập dây chuyền chiếu xạ UV bước sóng 254 nm với nguồn công suất 16 W đến 30 W, kết hợp phủ chất nhạy sáng Benzophenone 0,01% trong 10 phút nhằm giảm tỷ lệ tắc nghẽn màng bất thuận nghịch xuống dưới 40% trong lộ trình 9 tháng.

3. Tích hợp module màng PAN biến tính vào hệ thống thu hồi protein và xử lý nước thải y tế: Đơn vị vận hành hệ thống chế biến thực phẩm và dược phẩm cần sử dụng màng PAN ghép acid acrylic để lọc tách dung dịch chứa protein, giúp tiết kiệm 25% hóa chất tẩy rửa định kỳ và nâng tuổi thọ màng lên trên 36 tháng.

4. Hoàn thiện tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng màng polymer: Các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý cần xây dựng bộ tiêu chuẩn đánh giá độ nhám bề mặt bằng thiết bị AFM và quy định hệ số phục hồi lưu lượng nước đạt tối thiểu 80% sau 5 chu kỳ lọc rửa, hoàn thiện trong giai đoạn 2027 đến 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng:

1. Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác về giản đồ pha hệ 3 cấu tử polymer - dung môi - chất đông tụ, cùng số liệu chi tiết về phản ứng trùng hợp ghép gốc tự do, hỗ trợ trực tiếp cho các đề tài phát triển vật liệu màng lai polymer thế hệ mới với mục tiêu tăng độ lưu giữ trên 90%.

2. Kỹ sư môi trường và quản lý trạm xử lý nước: Tài liệu cung cấp thông số thực nghiệm chuẩn ở áp suất 1 bar, hỗ trợ thiết kế hệ thống xử lý nước thải hữu cơ, kiểm soát hiện tượng phân cực nồng độ và tiết kiệm 20% đến 30% chi phí điện năng.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và công nghệ sinh học: Cung cấp quy trình chế tạo màng siêu lọc tách protein albumin ở nồng độ 1 g/L, phục vụ sản xuất màng lọc thận nhân tạo có tính tương thích sinh học cao và chống bám dính tế bào vi khuẩn.

4. Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật: Tài liệu là học liệu tham khảo trực quan về các phương pháp đặc trưng bề mặt vật liệu như kính hiển vi điện tử quét FE-SEM và kính hiển vi lực nguyên tử AFM ở cấp độ nano mét.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao màng Polyacrylonitrile nguyên bản lại dễ bị tắc nghẽn khi lọc protein? Màng PAN nguyên bản có tính kỵ nước tự nhiên, khiến các phân tử protein như albumin dễ bị hấp phụ và bám dính chặt chẽ lên bề mặt. Thực nghiệm chứng minh hệ số tắc nghẽn bất thuận nghịch của màng gốc lên tới 94,0%, làm suy giảm lưu lượng lọc nhanh chóng chỉ sau 15 phút vận hành.

2. Nồng độ polymer PAN nào là tối ưu nhất để chế tạo màng siêu lọc? Nồng độ PAN tối ưu được xác định là 14,4% khối lượng trong dung môi DMF. Tại nồng độ này, màng có độ bền cơ học tốt, đạt lưu lượng lọc dung dịch protein ổn định ở mức 22,75 L/m2.h và độ lưu giữ albumin đạt 55,3%, tạo sự cân bằng giữa lưu lượng và khả năng tách.

3. Vai trò của Benzophenone trong quá trình biến tính quang hóa là gì? Benzophenone nồng độ 0,01% trong methanol là chất nhạy sáng hấp thụ photon dưới tia UV bước sóng 254 nm. Ở trạng thái kích thích, chất này bứt nguyên tử hydro từ khung polymer PAN để tạo gốc tự do bề mặt, khơi mào cho phản ứng ghép chuỗi acid acrylic bền vững.

4. Biến tính bằng oxy hóa khử và quang hóa UV khác nhau như thế nào? Trùng hợp oxy hóa khử sử dụng cặp K2S2O8/Na2S2O5 xảy ra thuận lợi trong môi trường nước ở nhiệt độ 25 đến 35 độ C mà không cần đèn chiếu. Trong khi đó, phương pháp quang hóa UV 16 W đòi hỏi thiết bị chiếu xạ nhưng tạo ra mật độ ghép đồng đều và giảm độ nhám bề mặt màng tốt hơn khoảng 20%.

5. Ứng dụng thực tế nổi bật nhất của màng PAN sau biến tính là gì? Màng PAN sau khi ghép acid acrylic hoặc acid maleic có khả năng chống bám bẩn vượt trội, rất phù hợp để xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm, cô đặc nước trái cây và chế tạo màng lọc máu nhân tạo trong y tế nhờ khả năng chống hấp phụ protein và độ bền cơ học cao.

Kết luận

Toàn bộ công trình nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc Polyacrylonitrile đã đạt được những kết quả then chốt sau:

• Thiết lập thành công quy trình đảo pha đông tụ chìm chế tạo màng PAN với dải nồng độ polymer tối ưu từ 11,2% đến 20,1% trong dung môi DMF.
• Xác định thời gian bay hơi dung môi 90 giây và nhiệt độ đông tụ 7 đến 8 độ C là điều kiện lý tưởng để tạo màng có cấu trúc bất đối xứng tối ưu.
• Làm chủ hai phương pháp biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép oxy hóa khử và trùng hợp quang hóa UV với monomer acid maleic và acid acrylic.
• Nâng cao độ lưu giữ protein albumin lên 82,6% và giảm mạnh hệ số tắc nghẽn màng bất thuận nghịch từ 94,0% xuống còn 42,0%.
• Ứng dụng thành công hệ thống phân tích hiện đại gồm FE-SEM, AFM và đo quang phổ UV-Vis ở bước sóng 540 nm để kiểm soát chất lượng màng.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là cung cấp giải pháp công nghệ khả thi nhằm giải quyết triệt để bài toán tắc màng sinh học của vật liệu polymer. Trong giai đoạn 2027 đến 2030, các nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng thử nghiệm chế tạo màng dạng sợi rỗng quy mô công nghiệp. Quý độc giả và các đơn vị sản xuất quan tâm hãy liên hệ với nhóm nghiên cứu để tiếp nhận chuyển giao quy trình công nghệ và ứng dụng trực tiếp vào thực tiễn xử lý nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.

Cơ chế tách qua màng 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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]. 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]. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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. 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. 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. Màng siêu lọc (Ultrafitration) (UF) Màng siêu lọc có kích thƣớc lỗ 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).

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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.