ĐẶT VẤN ĐỀ nanocomposite polyamide-TiO2 ứng dụng khử muối nước biển” đặt ra những mục tiêu nghiên cứu sau: - Chế tạo và đánh giá khả năng phân tách muối của màng lọc thẩm thấu ngược cấu trúc màng mỏng composite (TFC) trên cơ sở vật liệu polyamide. - Chế tạo màng lọc thẩm thấu ngược nanocomposite TiO2 trên nền polyamide (TFN) nhằm cải thiện độ thẩm thấu nước của màng trong quá trình lọc muối nước biển. - Biến tính màng TFC bằng lớp phủ poly (vinyl alcohol) (PVA) và PVA-TiO2 nhằm tăng cường tính năng chống tắc nghẽn của màng trong quá trình lọc muối nước biển. Kết quả nghiên cứu hy vọng đem lại các hiểu biết cơ bản, làm nền tảng hướng tới làm chủ được công nghệ chế tạo màng lọc RO cũng như những nghiên cứu sâu hơn để cải thiện tính năng, hiệu quả phân tách của màng và giảm giá thành của màng lọc ứng dụng trong lĩnh vực lọc muối nước biển, và các lĩnh vực khác như tái sinh nước thải, sản xuất nước siêu tinh khiết.
Chế tạo màng lọc thẩm thấu ngược nanocomposite polyamide - TiO2 ứng dụng khử muối nước biển 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Phân loại màng lọc phân tách Quá trình phân tách bằng màng hiện đang trở thành một công nghệ phân tách nổi trội, với sự phát triển nhanh chóng trong vài thập kỷ gần đây. Công nghệ này ngày nay đang được chú ý đặc biệt và cạnh tranh với các công nghệ phân tách truyền thống khác như chưng cất, hấp thụ, tách chiết. Màng lọc phân tách có khả năng vận chuyển một cấu tử nhanh chóng hơn các cấu tử khác dựa trên sự khác biệt về tính chất vật lý giữa màng và các cấu tử thẩm thấu.
Do đó, một số cấu tử có thể thẩm thấu tự do qua màng, trong khi một số cấu tử khác bị giữ lại. Một màng lọc có thể ứng dụng trong thương mại phải đáp ứng được độ ổn định cơ học, hóa học, vi sinh, có độ thẩm thấu cao và độ chọn lọc tốt. Thông thường có thể phân loại màng lọc theo hình thái cấu trúc, cơ chế lọc và bản chất hóa học của màng lọc. Phân loại theo hình thái cấu trúc, có hai loại màng: đối xứng và bất đối xứng.
Màng đối xứng có đường kính lỗ xốp hầu như không đổi trong suốt mặt cắt của màng. Ngoài ra độ dày tổng thể của màng hoạt động như một lớp chọn lọc tạo ra sự chống lại quá trình truyền khối. Đối với màng bất đối xứng được cấu tạo từ hai lớp, lỗ xốp tại bề mặt có kích thước khác với lỗ xốp vùng phía dưới màng. Nhờ đó các hạt bẩn lớn không thể chui vào bên trong màng và tránh được sự bịt kín bên trong lỗ xốp của màng.
Lớp trên cùng có thể là lớp không lỗ xốp và chế tạo bằng một loại vật liệu khác, gọi là màng composite. Màng mỏng composite gồm hai lớp, lớp màng hỗ trợ và lớp bề mặt. Lớp hỗ trợ hay lớp đế là lớp màng có độ xốp cao, không có chức năng phân tách và dày 50 – 150 µm. Lớp màng phía trên cùng có độ dày rất mỏng (từ 50 – 500 nm), có chức năng chọn lọc.
Chế tạo màng lọc thẩm thấu ngược nanocomposite polyamide - TiO2 ứng dụng khử muối nước biển 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Màng đối xứng Màng bất đối xứng Màng composite Hình 2. Phân loại màng lọc theo hình thái cấu trúc của màng Dựa vào cơ chế phân tách có thể chia màng ra làm ba loại: phân tách theo cơ chế rây lọc (dựa vào yếu tố kích thước), theo cơ chế hòa tan – khuếch tán và theo cơ chế điện tích. • Theo yếu tố kích thước: yêu cầu màng vi xốp phải có độ rộng của lỗ xốp khác nhau. Màng vi xốp có cấu trúc xốp cao, dạng mắt lưới với các lỗ xốp kết nối với nhau và phân bố ngẫu nhiên.
Kích thước lỗ lớn, trung bình và vi xốp được quy cho màng vi lọc (microfiltration), siêu lọc (ultrafiltration) và lọc nano (nanofiltration). Các loại màng này được thiết kế, chế tạo để giữ lại các chất tan và các hạt lơ lửng lớn hơn. Màng phân tách hoạt động như một rây lọc. Đây là cơ chế đơn giản nhất trong phân tách.
• Dựa trên độ hòa tan và khuếch tán của vật liệu: màng hoạt động theo cơ chế này dựa trên sự khuếch tán của chất tan và dung môi qua màng. Các loại màng này thường là dạng composite của một màng đồng nhất trên một màng hỗ trợ vi xốp (màng thẩm thấu ngược), có kích thước lỗ xốp rất nhỏ chỉ cho phép dung môi đi qua do sự khác biệt về tốc độ khuếch tán của các vật chất qua màng. • Phân tách theo điện tích: các loại màng này có thể mang điện tích dương hoặc điện tích âm. Màng mang điện tích có thể có cấu trúc sít chặt hoặc vi xốp, thông thường là những màng có độ vi xốp cao, với thành của các lỗ xốp mang các ion tích điện dương hoặc âm.
Sự phân tách của loại màng này chủ yếu dựa trên cơ sở loại trừ ion cùng điện tích bởi các ion được gắn trên cấu trúc màng, ngoài ra cũng dựa Chế tạo màng lọc thẩm thấu ngược nanocomposite polyamide - TiO2 ứng dụng khử muối nước biển 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN trên cơ sở khác biệt về kích thước của đối tượng loại trừ so với kích thước lỗ xốp. Khả năng phân tách của các loại màng lọc đối với một số cấu tử Màng vi lọc (MF) và màng siêu lọc (UF) sử dụng để loại bỏ các hạt keo, vi khuẩn, virus (UF) và các phân tử lớn hơn (UF) như protein…, màng lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược (RO) sử dụng để loại bỏ các hợp chất nhỏ hơn nhiều như các muối hòa tan trong nước biển. Màng lọc nano (NF) thường dùng loại bỏ các phân tử có khối lượng phân tử cao hơn 200 g/mol. Màng lọc thẩm thấu ngược (RO) có khả năng loại bỏ hầu như tất cả các hợp chất hòa tan trong nước.
Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ đã đề cử màng RO là công nghệ tốt nhất loại bỏ các hợp chất nguy hại như arsen, bari, nitrat [3]. Dựa theo bản chất hóa học của màng, có thể phân chia màng lọc theo hai loại là màng vô cơ và màng hữu cơ. • Màng hữu cơ: về nguyên tắc thì tất cả các loại polymer đều có thể sử dụng. Tuy nhiên, do yêu cầu về chế tạo và độ bền màng theo thời gian hoạt động thì chỉ có một số ít loại polymer được dùng trong thực tế.
Màng cellulose acetate thường được sử dụng do có giá thành thấp, phương pháp chế tạo đơn giản, màng có tính ưa nước rất cao và có khả năng chống tắc nghẽn màng tốt. Tuy nhiên, điểm yếu của màng là khả năng chịu môi trường kém, dễ bị thủy phân trong môi trường kiềm và Chế tạo màng lọc thẩm thấu ngược nanocomposite polyamide - TiO2 ứng dụng khử muối nước biển 8 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN acid, chịu nhiệt kém, dễ bị giảm cấp bởi vi sinh vật. Màng polyamide có độ ưa nước kém hơn so với màng cellulose, nhưng lại rất bền nhiệt, bền hóa học và khả năng chống thủy phân cao. Điểm yếu của màng polyamide là khả năng chống chịu chlorine kém.
Hai loại màng kể trên là hai loại màng được sử dụng chủ yếu để chế tạo màng RO thương mại. Màng polyacrylonitrile (PAN) được chủ yếu sử dụng để làm màng UF do có tính chọn lọc muối kém. Một loại khác được ứng dụng rất nhiều trong chế tạo màng UF là màng polysulfone (PSF) và màng polyethersulfone (PES). Các loại màng này có độ bền cơ lý, bền nhiệt, bền hóa học rất cao.
Tuy nhiên chúng lại có tính ưa nước rất kém và khả năng hấp phụ rất cao nên rất dễ bị tắc nghẽn trong quá trình sử dụng. Một số loại polymer khác được sử dụng để chế tạo màng vi xốp như polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, isotactic polypropylene (PP) và polycarbonate (PC). • Màng vô cơ: vật liệu vô cơ sở hữu độ bền hóa học, cơ lý và nhiệt cao hơn rất nhiều so với vật liệu polymer. Tuy nhiên các loại vật liệu này lại có nhược điểm là rất dòn và rất mắc tiền.
Đó chính là nguyên nhân mà ứng dụng của loại màng này bị giới hạn trong các ứng dụng thực tế. Màng vô cơ chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp hóa chất để xử lý các quá trình ở nhiệt độ cao hay môi trường khắc nghiệt, hoặc trong quá trình khử trùng trong công nghiệp dược phẩm và sữa. Màng ceramic vô cơ chủ yếu được chế tạo từ các dạng oxide và carcbide của các kim loại như aluminium, zirconium, titanium. Khái niệm quá trình thẩm thấu ngược Sự thẩm thấu xảy ra khi một màng bán thấm có tính chọn lọc (chỉ thẩm thấu nước, không cho chất tan đi qua) phân tách hai dung dịch lỏng có nồng độ khác nhau.
Tại nhiệt độ và áp suất cân bằng ở cả hai bên màng, nước sẽ thẩm thấu và khuếch tán qua màng tạo một dòng lưu chất từ dung dịch có nồng độ nước cao sang dung dịch có nồng độ thấp hơn cho đến khi nồng độ của hai bên màng đạt cân bằng. Quá trình này cũng có thể diễn ra nếu có sự chênh lệch áp suất ΔP ở hai bên màng không lớn hơn áp suất thẩm thấu Δπ (tương ứng chênh lệch nồng độ). Nếu chênh lệch áp suất ΔP lớn hơn áp suất thẩm thấu Δπ, hướng dòng lưu chất thẩm thấu sẽ bị Chế tạo màng lọc thẩm thấu ngược nanocomposite polyamide - TiO2 ứng dụng khử muối nước biển 9 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN đảo ngược, nước sẽ đi từ phía dung dịch có nống độ thấp sang phía có nồng độ cao. Quá trình này gọi là quá trình thẩm thấu ngược (RO).
Nguyên lý quá trình thẩm thấu xuôi và thẩm thấu ngược Sự truyền vận của các cấu tử muối và nước trong quá trình thẩm thấu ngược qua màng RO được mô tả theo mô hình hòa tan - khuếch tán. Trong đó tốc độ dòng thẩm thấu hay thông lượng nước qua màng (Jw) được mô tả bởi phương trình (1) ! 𝐽! = ∆!.!! = 𝐴 ∆𝑃 − ∆𝜋 (1) ! Trong đó, QP; ΔP; Am; A; Δπ lần lượt là lưu lượng nước thẩm thấu qua màng, áp suất vận hành của hệ thống, diện tích của màng lọc, độ thẩm thấu nước của màng và áp suất thẩm thấu của dung dịch muối. Trong trường hợp màng RO được vận hành với nước tinh khiết, do áp suất thẩm thấu của dung dịch rất nhỏ nên phương trình (1) được rút gọn 𝐽! = 𝐴. Hiệu suất khử muối của màng lọc RO (XS) được tính toán theo công thức (4) Chế tạo màng lọc thẩm thấu ngược nanocomposite polyamide - TiO2 ứng dụng khử muối nước biển 10 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN !! 𝑋!
