Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc Polyethersulfone (PES)

Nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc polyethersulfone PES trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học vật liệu luyện kim và môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thị Minh Châu
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thị Dung
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá Học
• Đề tài: Biến Tính Bề Mặt Màng Lọc Polyethersulfone
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: Màng lọc và các quá trình màng
• 1.1. Màng lọc và các quá trình màng
• 1.2. Cơ chế tách qua màng
• 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách qua màng
• 1.4. Hiện tượng tắc màng
• 1.5. Các giải pháp nâng cao hiệu suất tách lọc cho màng
• 1.6. Biến tính bề mặt màng lọc
• 1.6.1. Biến tính bề mặt màng lọc bằng phương pháp trùng hợp ghép
• 1.6.2. Trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại
• 1.6.3. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử
• 1.7. Polyethersulfone và màng lọc polyethersulfone (PES)
• 1.8. Ứng dụng màng lọc trong xử lý nước thải của quá trình chế biến sữa
• 1.9. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2. CHƯƠNG II: Hóa chất và thiết bị
• 2.1. Hóa chất, vật liệu
• 2.2. Thiết bị, dụng cụ
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Biến tính bề mặt màng. Đánh giá đặc tính bề mặt màng
• 2.5. Đánh giá tính năng tách lọc của màng
• 2.6. Khả năng lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng
• 3. CHƯƠNG III: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
• 3.1. Trùng hợp ghép 1-vinyl-2-pyrolidinone (NVP) biến tính bề mặt màng PES
• 3.2. Trùng hợp ghép quang hóa NVP lên bề mặt màng PES
• 3.3. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa-khử NVP lên bề mặt màng PES
• 3.4. Trùng hợp ghép poly(etylen glycol) metacrylat (PEGMA)
• 3.5. Trùng hợp ghép quang hóa PEGMA lên bề mặt màng PES
• 3.6. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử PEGMA lên bề mặt màng PES
• 3.7. Khả năng lọc tách thu hồi protein trong dung dịch sữa loãng của màng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về biến tính bề mặt màng lọc Polyethersulfone PES

Màng lọc Polyethersulfone (PES) là một trong những loại màng lọc phổ biến trong công nghệ tách. Với khả năng tách lọc hiệu quả, PES được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước thải, chế biến thực phẩm và y tế. Tuy nhiên, bề mặt màng PES thường không đáp ứng được yêu cầu tách lọc cho các đối tượng khác nhau. Do đó, việc biến tính bề mặt màng PES trở thành một giải pháp quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất tách lọc. Biến tính bề mặt giúp cải thiện tính chất màng mà không làm thay đổi cấu trúc bên trong, từ đó tối ưu hóa khả năng tách lọc của màng.

1.1. Đặc điểm và ứng dụng của màng lọc PES

Màng lọc PES có nhiều ưu điểm như độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt và tính ổn định hóa học. Những đặc điểm này giúp màng PES được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ lọc nước đến tách protein trong ngành thực phẩm. Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu suất tách lọc, cần phải cải thiện bề mặt màng thông qua các phương pháp biến tính.

1.2. Tại sao cần biến tính bề mặt màng lọc

Việc biến tính bề mặt màng lọc PES giúp cải thiện khả năng tương tác với các chất cần tách, từ đó nâng cao hiệu suất lọc. Các phương pháp biến tính như trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử đã được nghiên cứu và chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện tính chất bề mặt màng.

II. Vấn đề và thách thức trong biến tính bề mặt màng lọc PES

Mặc dù biến tính bề mặt màng PES mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự tắc nghẽn màng trong quá trình lọc. Hiện tượng này xảy ra khi các tiểu phân bám vào bề mặt màng, làm giảm hiệu suất lọc. Ngoài ra, việc lựa chọn phương pháp biến tính phù hợp cũng là một thách thức lớn, vì không phải phương pháp nào cũng mang lại kết quả như mong đợi.

2.1. Hiện tượng tắc màng và nguyên nhân

Tắc màng là hiện tượng phổ biến trong quá trình lọc, đặc biệt là khi lọc các dung dịch có chứa protein hoặc chất béo. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do sự hấp phụ của các tiểu phân lên bề mặt màng, dẫn đến giảm năng suất lọc. Việc hiểu rõ nguyên nhân gây tắc màng sẽ giúp tìm ra giải pháp hiệu quả hơn.

2.2. Thách thức trong việc lựa chọn phương pháp biến tính

Có nhiều phương pháp biến tính bề mặt màng PES, nhưng không phải phương pháp nào cũng phù hợp với mọi loại dung dịch. Việc lựa chọn phương pháp cần dựa trên tính chất của dung dịch và yêu cầu tách lọc cụ thể. Điều này đòi hỏi sự nghiên cứu kỹ lưỡng và thử nghiệm để tìm ra giải pháp tối ưu.

III. Phương pháp biến tính bề mặt màng lọc PES hiệu quả

Có nhiều phương pháp biến tính bề mặt màng PES, trong đó hai phương pháp phổ biến nhất là trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện tính chất bề mặt mà còn tăng cường khả năng tách lọc của màng. Việc áp dụng các phương pháp này cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo hiệu quả tối ưu.

3.1. Trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại

Phương pháp trùng hợp ghép quang hóa sử dụng bức xạ tử ngoại để kích hoạt quá trình biến tính bề mặt màng PES. Phương pháp này giúp tạo ra các nhóm chức năng mới trên bề mặt màng, từ đó cải thiện khả năng tương tác với các chất cần tách. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa điều kiện trùng hợp có thể nâng cao đáng kể hiệu suất lọc.

3.2. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử

Phương pháp này sử dụng các tác nhân oxy hóa khử để biến tính bề mặt màng PES. Quá trình này giúp tạo ra các nhóm chức năng có khả năng hấp phụ tốt hơn, từ đó cải thiện khả năng tách lọc. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh nồng độ và thời gian phản ứng có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của quá trình biến tính.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng lọc PES sau biến tính

Sau khi biến tính, màng lọc PES có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong xử lý nước thải và chế biến thực phẩm. Việc cải thiện tính chất bề mặt giúp màng có khả năng tách lọc tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả trong các quy trình công nghiệp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng PES sau biến tính có thể thu hồi protein hiệu quả trong dung dịch sữa, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong ngành thực phẩm.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Màng lọc PES sau biến tính có khả năng tách lọc tốt hơn, giúp loại bỏ các tạp chất trong nước thải hiệu quả. Điều này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng màng PES biến tính có thể đạt được hiệu suất tách lọc cao trong các hệ thống xử lý nước thải.

4.2. Ứng dụng trong chế biến thực phẩm

Trong ngành chế biến thực phẩm, màng lọc PES sau biến tính được sử dụng để thu hồi protein và các chất dinh dưỡng từ dung dịch sữa. Việc này không chỉ giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất. Nghiên cứu cho thấy rằng màng PES biến tính có khả năng thu hồi protein cao hơn so với màng chưa biến tính.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc PES

Nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc Polyethersulfone (PES) đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc cải thiện hiệu suất tách lọc. Các phương pháp biến tính như trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử đã chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao tính chất bề mặt màng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới, đặc biệt trong các lĩnh vực công nghiệp và môi trường.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp biến tính mới, nhằm tối ưu hóa hơn nữa tính chất bề mặt màng PES. Việc kết hợp nhiều phương pháp biến tính có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc cải thiện khả năng tách lọc.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Việc ứng dụng màng lọc PES sau biến tính trong ngành công nghiệp sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường. Các giải pháp tách lọc hiệu quả sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm tài nguyên, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong công nghệ phân tách hiện đại, màng polyethersulfone được ứng dụng rộng rãi nhờ độ bền nhiệt vượt trội và khả năng hoạt động ổn định trong dải pH rộng từ 1 đến 14. Tuy nhiên, tính kỵ nước tự nhiên của vật liệu này thường dẫn đến hiện tượng tắc màng nghiêm trọng khi xử lý các dòng chất thải chứa hợp chất hữu cơ và protein. Thực tế vận hành cho thấy hiện tượng tắc màng bất thuận nghịch có thể làm suy giảm từ 40% đến hơn 60% năng suất lọc chỉ sau một thời gian ngắn, gây tiêu hao năng lượng và tăng chi phí thay thế màng định kỳ.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết tình trạng bám bẩn bề mặt của màng polyethersulfone trong môi trường lọc protein mà không phá vỡ cấu trúc cơ học bên trong vật liệu. Mục tiêu cụ thể là biến tính bề mặt màng thương mại bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, sử dụng hai monome ưa nước gồm N-vinyl-2-pyrrolidone và poly(ethylene glycol) methacrylate.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Màng lọc thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn năm 2018. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc: giảm độ thô nhám bề mặt trung bình từ 79 nm xuống 56 nm, nâng cao năng suất lọc trung bình lên 1,33 đến 1,61 lần so với màng gốc, đồng thời duy trì độ lưu giữ protein huyết thanh bò đạt trên 98%. Đây là tiền đề kỹ thuật vững chắc để nâng cao hiệu suất xử lý nước thải và thu hồi dinh dưỡng trong công nghiệp chế biến sữa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết nền tảng về vận chuyển chất qua màng lọc và cơ chế phản ứng hóa học bề mặt polymer:

Lý thuyết phân tách màng bao gồm thuyết sàng lọc cơ học đối với quá trình siêu lọc và vi lọc, thuyết hòa tan khuếch tán giải thích sự chuyển khối qua màng bán thấm, cùng thuyết hấp phụ mao quản mô tả lớp nước liên kết bề mặt ngăn cản chất tan tiếp cận lỗ xốp.

Cơ chế trùng hợp ghép gốc tự do được triển khai qua hai hướng chính. Hướng thứ nhất là trùng hợp quang hóa, trong đó bức xạ tử ngoại kích thích các liên kết nhạy sáng trên mạch polyethersulfone tự sinh gốc tự do bề mặt để bắt cặp với monome vinyl. Hướng thứ hai là trùng hợp khơi mào oxy hóa khử sử dụng hệ persulfate và metabisulfite nhằm tạo gốc tự do sulfate hoạt tính cao ở nhiệt độ phòng 30 độ C.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi gồm có: Hiện tượng tắc màng bất thuận nghịch do tích tụ protein; Mức độ trùng hợp ghép tính theo tỷ lệ phần trăm gia tăng khối lượng; Độ duy trì năng suất lọc theo thời gian; và Cấu trúc màng bất đối xứng gồm lớp hoạt động mỏng bên trên cùng lớp đỡ xốp dày 50 đến 150 micromet bên dưới.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn vật liệu chính là màng siêu lọc polyethersulfone thương mại do Sartorius của Đức sản xuất, có cấu trúc phẳng bất đối xứng. Hóa chất sử dụng gồm monome N-vinyl-2-pyrrolidone và poly(ethylene glycol) methacrylate độ tinh khiết cao của Aldrich, protein huyết thanh bò của Wako Nhật Bản, hệ chất khơi mào K2S2O8 và Na2S2O5.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết kế với hơn 30 mẫu màng thử nghiệm độc lập ở các dải nồng độ monome từ 0,1% đến 1,0% thể tích và thời gian phản ứng từ 1 đến 10 phút. Phương pháp chọn mẫu là phân nhóm ngẫu nhiên theo điều kiện công nghệ để đảm bảo tính đại diện và loại trừ sai số hệ thống.

Phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn kỹ lưỡng: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM Hitachi S-4800 (phủ lớp bạch kim 3 nm) quan sát hình thái cấu trúc; Kính hiển vi lực nguyên tử AFM PicoScan 2500 đo lường độ thô nhám bề mặt ở thang nanomet; Quang phổ hồng ngoại phản xạ toàn phần biến đổi FTIR-ATR Affinity-1S xác định liên kết hóa học; Thiết bị trắc quang Spectro 2000RS ở bước sóng 540 nm với thuốc thử biuret nhằm định lượng chính xác nồng độ protein. Đánh giá tính năng thủy lực được thực hiện trên hệ lọc Osmonics của Mỹ ở áp suất kiểm soát nghiêm ngặt 10 bar với thể tích dịch lọc cố định 300 ml.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã xác định bốn phát hiện khoa học mang tính đột phá:

Thứ nhất, cấu trúc bề mặt màng biến tính trở nên phẳng mịn và chặt sít rõ rệt. Dữ liệu AFM chỉ ra độ thô nhám trung bình Ra giảm từ 79 nm ở màng nền xuống 56 nm ở màng ghép N-vinyl-2-pyrrolidone, đồng thời độ thô nhám bình phương trung bình Rms giảm từ 95 nm xuống 71 nm, hạn chế tối đa các vị trí bám giữ của protein.

Thứ hai, phổ FTIR-ATR khẳng định sự tạo thành liên kết cộng hóa trị bền vững của các chuỗi polymer ưa nước. Bề mặt màng ghép N-vinyl-2-pyrrolidone xuất hiện pic hấp thụ mới tại số sóng 1730 cm-1 đặc trưng cho nhóm C=O của vòng lactam. Tương tự, màng ghép poly(ethylene glycol) methacrylate xuất hiện các pic đặc trưng tại 1734 cm-1 (nhóm C=O ester) và vùng 3066 đến 3095 cm-1 (dao động liên kết C-H).

Thứ ba, hiệu suất dòng thấm và độ lưu giữ được cải thiện vượt bậc. Ở điều kiện quang hóa tối ưu với nồng độ N-vinyl-2-pyrrolidone 0,3% trong 3 phút, năng suất lọc tăng 33% (tỷ số J trên J0 đạt 1,33) và độ lưu giữ protein đạt xấp xỉ 98%. Đối với phương pháp oxy hóa khử ở 30 độ C trong 3 phút, năng suất lọc tăng tới 61% (J trên J0 đạt 1,61) và độ lưu giữ duy trì từ 91% đến 95%, cao hơn hẳn mức 84% của màng nền.

Thứ tư, khả năng chống bám bẩn được củng cố mạnh mẽ khi lọc dung dịch sữa loãng Ba Vì và Vinamilk pha loãng 30 lần. Sau 60 phút vận hành liên tục, độ duy trì năng suất lọc của màng biến tính đạt từ 52% đến 55%, cao hơn mức 46% của màng gốc, nhờ lượng protein hấp phụ trên màng giảm đi đáng kể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp gia tăng hiệu suất lọc là sự hình thành lớp rào cản hydrat hóa siêu mỏng gồm các phân tử nước liên kết hydro chặt chẽ trên bề mặt ưa nước. Lớp nước này hoạt động như một tấm đệm nhiệt động lực học ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp và biến tính cấu hình của các phân tử protein. Khi nồng độ monome tăng quá mức (trên 0,5%) hoặc thời gian phản ứng vượt quá 5 phút, mật độ chuỗi polymer ghép quá dày đặc sẽ làm tăng trở lực thủy lực và bít hẹp kích thước lỗ màng, dẫn đến xu hướng giảm nhẹ lưu lượng dòng.

So sánh với các công bố quốc tế, kết quả này hoàn toàn tương đồng với nghiên cứu của Pieracci và các cộng sự khi giảm được khoảng 49% mức độ tắc màng protein, đồng thời mở rộng công trình của Belfer khi chứng minh hệ oxy hóa khử persulfate và metabisulfite hoạt động hiệu quả ngay ở nhiệt độ phòng 30 độ C mà không cần gia nhiệt phức tạp.

Về phương diện trực quan hóa dữ liệu khoa học, các kết quả động học dòng thấm được mô tả tối ưu qua biểu đồ suy giảm thông lượng 2D theo thời gian từ 0 đến 60 phút, kết hợp đồ thị cột so sánh tương quan giữa tỷ số tăng lưu lượng J trên J0 và độ lưu giữ R theo các biến số nồng độ monome, cùng bảng đối chiếu các chỉ số vi cấu trúc bề mặt đo từ AFM và FE-SEM.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp xử lý nước và chế biến thực phẩm, bốn nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình biến tính bề mặt màng bằng hệ oxy hóa khử quy mô pilot. Áp dụng hệ khơi mào K2S2O8 và Na2S2O5 nồng độ 0,01 M kết hợp monome N-vinyl-2-pyrrolidone 0,3% ở 30 độ C trong thời gian 3 phút. Mục tiêu đạt độ tăng thông lượng ổn định từ 50% đến 60% và giảm 30% chi phí năng lượng do không cần nguồn chiếu xạ tử ngoại. Đơn vị chủ trì là các viện nghiên cứu công nghệ hóa học và doanh nghiệp sản xuất màng lọc, lộ trình triển khai từ 6 đến 12 tháng.

Thứ hai, thiết kế module tích hợp siêu lọc và lọc nano hai giai đoạn để xử lý nước thải ngành sữa. Màng polyethersulfone biến tính được bố trí ở giai đoạn siêu lọc nhằm thu hồi từ 90% đến 95% lượng protein hòa tan, kết hợp màng lọc nano thu hồi lactose và tái tuần hoàn 95% thể tích nước sạch đạt tiêu chuẩn. Chủ thể thực hiện là các tập đoàn sữa quy mô lớn, lộ trình hoàn thiện trong 12 đến 18 tháng.

Thứ ba, hoàn thiện quy trình làm sạch màng và tối ưu hóa chế độ dòng chảy trượt. Thiết lập áp suất vận hành định mức từ 8 đến 10 bar kết hợp vận tốc dòng trượt bề mặt thích hợp nhằm hạn chế phân cực nồng độ, gia tăng tuổi thọ làm việc của màng thêm 35% đến 40%. Đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy xử lý nước thải chịu trách nhiệm thực thi trong vòng 3 đến 6 tháng.

Thứ tư, mở rộng thử nghiệm đồng trùng hợp ghép đa chức năng. Nghiên cứu phối trộn monome poly(ethylene glycol) methacrylate với các monome mang điện tích âm để tăng lực đẩy tĩnh điện đối với các hệ keo hữu cơ phức tạp. Đơn vị nghiên cứu vật liệu polymer chuyên sâu chủ trì với thời gian thực hiện 18 đến 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho bốn nhóm đối tượng:

Kỹ sư công nghệ môi trường và quản lý vận hành trạm xử lý nước thải: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật cụ thể để khắc phục hiện tượng nghẹt màng trong các hệ thống màng lọc sinh học và xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm, giúp tối ưu hóa chu kỳ rửa màng.

Các nhà khoa học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu Polymer: Khai thác quy trình công nghệ trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử trên nền vật liệu polyethersulfone, phục vụ giảng dạy và mở rộng các hướng nghiên cứu biến tính màng lọc nano hoặc màng thẩm thấu ngược.

Doanh nghiệp sản xuất và chế biến sữa, đồ uống dinh dưỡng: Tìm kiếm cơ sở dữ liệu thực nghiệm để đầu tư dây chuyền thu hồi protein và lactose có giá trị cao từ dòng nước thải rửa bồn chứa, giảm thiểu chỉ số ô nhiễm COD và BOD ra môi trường.

Học viên cao học và sinh viên ngành Hóa học phân tích, Công nghệ màng: Nắm bắt phương pháp luận nghiên cứu kết hợp giữa các kỹ thuật phân tích cấu trúc hiện đại như AFM, FE-SEM, FTIR-ATR với mô hình đánh giá động học phân tách màng ở quy mô chuẩn phòng thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao màng polyethersulfone nguyên bản lại dễ bị tắc nghẽn khi lọc dung dịch chứa protein?

Màng polyethersulfone có bản chất kỵ nước tự nhiên với các vòng thơm trong cấu trúc. Khi tiếp xúc với protein huyết thanh bò hoặc protein sữa, tương tác kỵ nước mạnh mẽ sẽ thúc đẩy protein hấp phụ bất thuận nghịch lên bề mặt và bít nghẽn bên trong các lỗ xốp, làm giảm lưu lượng dòng nhanh chóng sau khoảng 10 đến 15 phút vận hành.

Phương pháp trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử có ưu điểm gì vượt trội so với quang hóa UV?

Phương pháp oxy hóa khử sử dụng hệ K2S2O8 và Na2S2O5 có thể tiến hành trực tiếp trong dung dịch lỏng ở nhiệt độ phòng 30 độ C mà không cần loại bỏ oxy hòa tan hay đầu tư hệ thống đèn phát xạ tử ngoại công suất 60 W đắt tiền, mang lại độ tăng năng suất lọc tới 1,61 lần và rất thuận tiện để mở rộng quy mô công nghiệp.

Vì sao việc tăng nồng độ monome N-vinyl-2-pyrrolidone vượt quá 0,5% lại làm giảm năng suất lọc?

Khi nồng độ monome tăng cao trên 0,5%, mật độ và độ dài chuỗi polymer ghép gia tăng quá mức trên bề mặt, làm hẹp kích thước mao quản và tăng trở lực thủy lực tổng thể. Đồng thời, phản ứng phụ tạo homopolymer trong dung dịch cũng cản trở quá trình chuyển khối qua màng.

Độ thô nhám bề mặt giảm tác động như thế nào đến khả năng chống bám bẩn của màng?

Khi độ thô nhám trung bình Ra giảm từ 79 nm xuống 56 nm, bề mặt màng trở nên trơn nhẵn, triệt tiêu các hốc vi mô nơi các hạt keo và phân tử protein dễ dàng mắc kẹt. Do đó, các chất bẩn dễ dàng bị dòng chất lỏng cuốn trôi theo dòng chảy trượt thay vì bám dính vĩnh viễn.

Quy trình kết hợp siêu lọc và lọc nano hai giai đoạn giải quyết bài toán nước thải nhà máy sữa như thế nào?

Mô hình hai giai đoạn sử dụng màng siêu lọc biến tính ở bước đầu để giữ lại toàn bộ lipid và protein nhằm tái chế dinh dưỡng, sau đó đưa dịch thấm qua màng lọc nano để tách giữ đường lactose và thu hồi tới 95% lượng nước sạch đạt tiêu chuẩn tái sử dụng trong sản xuất.

Kết luận

Năm giá trị cốt lõi đúc kết từ công trình nghiên cứu:

• Làm chủ thành công hai công nghệ biến tính bề mặt màng polyethersulfone gồm trùng hợp quang hóa dưới tia tử ngoại và trùng hợp khơi mào oxy hóa khử bằng hệ persulfate và metabisulfite.
• Tạo lập bề mặt màng mới siêu ưa nước và trơn nhẵn với độ thô nhám trung bình giảm 29% (từ 79 nm xuống 56 nm), giúp hạn chế triệt để sự hấp phụ protein gây tắc nghẽn.
• Nâng cao năng suất lọc trung bình từ 33% đến 61% đồng thời duy trì hiệu suất lưu giữ protein huyết thanh bò đạt từ 91% đến 98%.
• Chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc duy trì độ thông lượng lọc ổn định trên 52% sau 60 phút thử nghiệm với các mẫu sữa tươi thương phẩm Ba Vì và Vinamilk.
• Mở ra hướng tiếp cận kinh tế và kỹ thuật khả thi cho bài toán thu hồi tài nguyên protein và tái tuần hoàn 95% nước trong các nhà máy chế biến thực phẩm.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện bộ thông số công nghệ chuẩn xác cho quá trình biến tính bề mặt màng lọc màng phẳng polyethersulfone bằng các hóa chất thân thiện. Lộ trình tiếp theo trong 12 tháng tới cần tập trung chế tạo thử nghiệm module màng dạng cuộn xoắn hoặc sợi rỗng ở quy mô tiền công nghiệp. Các kỹ sư và nhà quản lý môi trường hãy áp dụng ngay các thông số công nghệ này để nâng cấp hệ thống tách lọc, tối ưu hóa chi phí vận hành và hướng tới mô hình kinh tế tuần hoàn bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ màng lọc phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ưu điểm của kỹ thuật lọc màng là có thể tách được các cấu tử có kích thước khác nhau, từ cỡ hạt đến cỡ ion, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, quá trình tách không cần sử dụng thêm các hóa chất khác, là phương pháp tách hiện đại, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Màng lọc là bộ phận quan trọng nhất trong hệ tách dùng màng, trong đó lớp bề mặt màng đóng vai trò quyết định khả năng tách lọc của màng. Với các đối tượng tách lọc khác nhau, những đặc tính đã có của bề mặt màng có thể chưa đáp ứng hoặc đáp ứng chưa tốt yêu cầu đặt ra.

Để có thể nâng cao tính năng tách lọc của màng đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của những tính chất không mong muốn, người ta đã tìm cách biến tính bề mặt màng. Phương pháp biến tính bề mặt màng có nhiều ưu điểm. Một mặt, có thể thay đổi đặc tính lớp bề mặt mà không ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong của màng, vì vậy, vẫn giữ được những đặc tính tốt của vật liệu màng ban đầu. Mặt khác, lớp bề mặt sau khi biến tính có những đặc tính phù hợp hơn với đối tượng tách.

Ngoài ra, do chỉ cần tác động lên lớp bề mặt nên có thể tiết kiệm được khá nhiều chi phí so với việc nghiên cứu chế tạo vật liệu hoàn toàn mới. Đề tài luận văn "Biến tính bề mặt màng lọc Polyethersulfone (PES)” tiến hành nghiên cứu biến tính bề mặt màng PES bằng các phương pháp trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, với hai tác nhân sử dụng cho quá trình trùng hợp ghép là Poly(ethylene glycol) methacrylate (PEGMA) và N-vinyl-2-pyrolidinone (NVP). Ảnh hưởng của các điều kiện biến tính bề mặt đến đặc tính của màng được khảo sát và đánh giá, với đối tượng lọc tách là protein trong dung dịch. Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm màng lọc, Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.

1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG I. Màng lọc và các quá trình màng Màng lọc là vật liệu sử dụng trong quá trình tách các hỗn hợp đồng thể (lỏng - lỏng, khí - khí) hoặc dị thể (lỏng - rắn, khí - rắn). Một cách khái quát, có thể coi màng là lớp chắn có tính thấm chọn lọc đặt giữa hai pha - pha đi vào và pha thấm qua. Màng lọc có khả năng lưu giữ một số cấu tử trong pha đi vào, và cho các cấu tử khác đi qua theo pha thấm qua (dịch lọc).

Quá trình vận chuyển chất qua màng có thể xảy ra một cách tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động lực giữa hai phía màng. Động lực của quá trình tách qua màng là chênh lệch áp suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch nhiệt độ hay chênh lệch điện trường [69]. Dựa vào cấu trúc màng, trong phạm vi các màng tổng hợp dạng rắn, người ta chia thành hai loại màng là màng đối xứng và màng bất đối xứng: Màng đối xứng là loại màng có cấu trúc đồng nhất từ trên xuống dưới với hai mặt hoàn toàn giống nhau .Màng đối xứng có thể xốp hoặc không xốp, với độ dày nằm trong khoảng từ 10 đến 200 μm, trở lực chuyển khối của màng được quyết định bởi độ dày của toàn bộ màng, nếu giảm độ dày của màng thì sẽ tăng tốc độ thấm qua. Loại màng này thường dùng trong quá trình vi lọc để lọc các tiểu phân nhỏ hoặc dùng để thẩm tách máu [50].

Màng bất đối xứng là loại màng có cấu trúc hai lớp: lớp hoạt động ở trên và lớp đỡ xốp ở dưới. Lớp hoạt động rất mỏng (dày tử 0. Lớp đỡ dày hơn nhiều so với lớp hoạt động (khoảng từ 50 đến 150 μm), xốp và nằm phía dưới. Kích thước lỗ của lớp đỡ cũng lớn hơn nhiều so với kích thước lỗ của lớp hoạt động.

Lớp đỡ làm tăng độ bền cơ học của màng, giúp cho lớp hoạt động không bị rách nhưng không ảnh hưởng đến vận chuyển chất và dung môi qua màng. Các lớp đỡ thường có cấu trúc xốp kiểu ngón tay hay kiểu tổ ong. Do cấu trúc đặc biệt như vậy, màng bất đối xứng có hiệu quả tách cao, độ bền cơ học tốt và được sử dụng nhiều trong quá trình siêu lọc, lọc nano, tách khí, thẩm thấu ngược. Tùy theo loại vật liệu và điều kiện chế tạo màng mà ta có thể thay đổi chiều dày và và kích thước lỗ của lớp hoạt động, cũng như thay đổi cấu trúc xốp của lớp đỡ.

Lớp hoạt động và lớp đỡ có thể làm từ cùng một loại vật liệu hay từ các vật liệu khác nhau [5, 50]. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Màng composite là trường hợp đặc biệt của màng bất đối xứng, có lớp đỡ và lớp hoạt động làm từ hai loại vật liệu khác nhau, tính năng của mỗi lớp có thể tối ưu một cách độc lập khi chế tạo. Loại màng này có hiệu quả tách rất cao, có tính năng cơ học và hóa học rất tốt [5, 69]. 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.

Cấu trúc của các loại màng lọc khác nhau Vi lọc Màng vi lọc có kích thước lỗ bề mặt từ 0,1 đến 10 μm. Quá trình vi lọc thích hợp cho việc tách lọc nhũ tương, huyền phù, các tiểu phân được lưu giữ có kích thước tương đối lớn. Quá trình tách theo cơ chế sàng lọc: các cấu tử có kích thước lớn hơn kích thước lỗ bề mặt được lưu giữ bởi màng. Vật liệu tạo màng có thể là vật liệu vô cơ (kim loại, gốm.

Vi lọc có nhiều ứng dụng trong sản xuất dược (lọc trong, lọc vô trùng các dung dịch thuốc tiêm, dịch truyền), trong sản xuất bia (lọc trong, lọc vô trùng để loại bỏ men bia và các vi khuẩn sau lên men), sản xuất nước sạch, tiền lọc cho quá trình siêu lọc [69]. Siêu lọc Màng siêu lọc có kích thước lỗ bề mặt từ 0,001 đến 0,1 μm. Quá trình siêu lọc dùng tách lọc các phân tử có kích thước lớn và các hạt keo trong dung dịch 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Vật liệu màng thường làm từ polyme, một số màng được làm từ vật liệu vô cơ.

Màng siêu lọc được sử dụng nhiều trong y tế để lọc máu cho các bệnh nhân suy thận (thận nhân tạo), ngoài ra còn được dùng để thu hồi và xử lý nước thải công nghiệp, thu hồi dầu mỡ trong dung dịch nhũ tương dầu-nước, thu hồi tác nhân keo PVA trong nước thải dệt. Trong công nghiệp thực phẩm và bơ sữa, việc cô đặc sữa bằng màng siêu lọc là một phương pháp được sử dụng rộng rãi. Sữa chứa protein và các chất có giá trị dinh dưỡng cao, hàm lượng của các chất này được nâng lên sau khi lọc qua màng. Siêu lọc còn sử dụng để lọc trong nước quả, độ đục của nước táo ép giảm xuống rõ rệt sau khi lọc qua màng, nước táo lọc qua màng có thời gian sử dụng lâu hơn do loại bỏ được tối đa lượng enzym và vi sinh vật có trong nước táo sau khi nghiền [5,11].

Thẩm thấu ngược và lọc nano Màng thẩm thấu ngược và lọc nano có kích thước lỗ bề mặt vô cùng nhỏ, khoảng một vài nm. Có cấu trúc bất đối xứng và thường được dùng để lọc tách các tiểu phân có kích thước nhỏ. Màng có khả năng tách được ion và các chất tan có trọng lượng phân tử thấp trong môi trường nước. Trở khối thủy lực của quá trình thẩm thấu ngược và lọc nano lớn hơn nhiều so với vi lọc và siêu lọc.

Bên cạnh ảnh hưởng bởi áp suất động lực thì quá trình thẩm thấu ngược và lọc nano cũng bị ảnh hưởng bởi nồng độ chất tan. Thẩm thấu ngược và lọc nano có nhiều ứng dụng quan trọng như làm ngọt nước mặn (50% ứng dụng), sản xuất nước sạch và siêu sạch phục vụ cho công nghệp dược, xử lý nước thải, trong công nghiệp thực phẩm (cô đặc sữa, dịch quả) [40].2 chỉ ra giới hạn tách của các quá trình màng dùng động lực áp suất. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hemoglobin Bacteria Na+ (70 Å) Bacteria (3.28 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. Giới hạn tách của các quá trình màng Ngoài các quá trình dùng màng động lực áp suất (vi lọc, siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược), còn có các quá trình màng khác như thẩm tách, điện thẩm tách, tách khí, thẩm hơi qua màng, chưng cất qua màng [5].

Cơ chế tách qua màng Quá trình vận chuyển chất qua màng là một quá trình phức tạp. Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau để giải thích cơ chế của quá trình tách qua màng như: - Thuyết sàng lọc - Thuyết hòa tan khuếch tán - Thuyết hấp phụ mao quản. Thuyết sàng lọc Thuyết này cho rằng bề mặt màng gồm nhiều mao quản có kích thước lỗ xác định. Cấu tử nào có kích thước bé hơn kích thước lỗ mao quản thì sẽ vận chuyển qua màng, còn cấu tử có kích thước lớn hơn thì bị màng lưu giữ lại [69].

Thuyết này chỉ phù hợp trong việc giải thích cho các quá trình siêu lọc và vi lọc (chất tan có kích thước lớn). Trong trường hợp phân tử chất tan và phân tử dung môi có kích thước tương đương nhau thì thuyết này không giải thích được. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Thuyết hòa tan khuếch tán Thuyết này cho rằng dưới động lực áp suất, dung môi và chất tan đều khuếch tán qua màng. Các phân tử sau khi thẩm thấu vào màng sẽ khuếch tán, nhưng dòng khuếch tán chất tan và dòng khuếch tán dung môi khác nhau về tốc độ, tốc độ này tỉ lệ với hệ số khuếch tán của chúng trong màng.

Hệ số khuếch tán của dung môi càng lớn và của chất tan càng nhỏ thì quá trình tách càng hiệu quả. Thuyết này cho thấy ảnh hưởng của vật liệu tạo màng đến hiệu quả tách [69]. Thuyết hấp phụ mao quản Thuyết này cho rằng màng bán thấm được cấu tạo từ nhiều mao quản, trên bề mặt màng bán thấm và trong ống mao quản hình thành một lớp nước liên kết hấp phụ.