Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường và nhu cầu xử lý nước ngày càng tăng, công nghệ màng lọc đóng vai trò quan trọng trong việc tách lọc các thành phần không mong muốn, đặc biệt là ion kim loại nặng trong nước thải công nghiệp và nước sinh hoạt. Theo báo cáo của Viện Tài nguyên Thế giới, hơn 1,8 tỷ người trên thế giới đang phải sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững. Màng lọc polyamide (PA) được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng lọc hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, màng PA truyền thống gặp phải hạn chế về kích thước lỗ xếp không đồng đều, dễ bị tắc nghẽn và bám bẩn, làm giảm hiệu suất lọc và tuổi thọ màng.

Luận văn tập trung nghiên cứu tạo cấu trúc lỗ xếp có thể kiểm soát trên màng nylon 66 bằng cách sử dụng ống nano carbon (CNTs) qua phản ứng amidation với cầu nối diamine para-phenylenediamine (pPD). Mục tiêu chính là nâng cao độ bền cơ học, tính chọn lọc và khả năng chống bám bẩn của màng, đồng thời giảm kích thước lỗ xếp nhằm tăng hiệu quả loại bỏ ion Ca2+ và các ion kim loại nặng khác trong dung dịch. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2/2021 đến tháng 1/2022 tại Phòng thí nghiệm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển màng lọc composite có hiệu suất cao, bền vững và phù hợp với quy mô công nghiệp, góp phần nâng cao giá trị sử dụng của màng nylon 66 thương mại và mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết màng lọc polyamide (PA): Màng PA là màng thin film composite (TFC) gồm lớp polyamide mỏng trên nền polymer hỗ trợ, có khả năng lọc ion và phân tử nhờ kích thước lỗ xếp và tính chất bề mặt. Khả năng lọc phụ thuộc vào cấu trúc lỗ xếp meso (2-50 nm) và macro (>50 nm) theo chuẩn IUPAC.

  • Phản ứng amidation: Phản ứng hóa học giữa nhóm carboxylic (-COOH) trên MWCNT-COOH và nhóm amino (-NH2) trên pPD tạo liên kết amide, giúp gắn chặt CNT lên bề mặt màng nylon 66, cải thiện tính bền cơ học và tính chọn lọc của màng.

  • Tính chất vật liệu nano carbon (CNTs): CNTs có cấu trúc ống nano với diện tích bề mặt lớn, khả năng chịu nhiệt và hóa học cao, giúp tăng cường tính bền và chống bám bẩn cho màng lọc.

  • Khái niệm góc tiếp xúc: Đo góc tiếp xúc nước trên bề mặt màng để đánh giá tính ưa nước (hydrophilicity), ảnh hưởng đến khả năng chống bám bẩn và hiệu suất lọc.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Màng nylon 66 thương mại được sử dụng làm mẫu nền. MWCNT-COOH được chuẩn bị và xử lý tại phòng thí nghiệm. Các hóa chất như para-phenylenediamine (pPD), dung môi và chất xúc tác được sử dụng theo tiêu chuẩn hóa học.

  • Quy trình biên tính màng:

    • Màng nylon 66 được làm sạch, xử lý bằng siêu âm và sấy khô.
    • Phản ứng amidation giữa pPD và màng nylon 66 tạo màng N1.
    • Màng N1 tiếp tục được gắn MWCNT-COOH qua phản ứng amidation trong pha lắng với các dung môi khác nhau (nước, ethylene glycol, ethanol) và xúc tác silica gel, tạo màng N2 với các biến thể N2L, N2G, N2F tùy điều kiện phản ứng.

  • Phân tích và đánh giá:

    • Phổ FT-IR và Raman để xác định liên kết amide và cấu trúc hóa học.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt và lỗ xếp màng.
    • Đo góc tiếp xúc để đánh giá tính ưa nước.
    • Thử nghiệm lọc ion Ca2+ từ dung dịch CaCl2 để đánh giá hiệu suất loại bỏ ion.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trên nhiều mẫu màng với các điều kiện phản ứng khác nhau, thời gian phản ứng từ 2 đến 24 giờ, nhiệt độ từ 60 đến 140°C, nhằm tối ưu hóa quy trình biên tính.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tạo liên kết amide hiệu quả giữa MWCNT-COOH và màng nylon 66:

    • Phổ FT-IR và Raman cho thấy sự xuất hiện các liên kết amide mới, chứng minh phản ứng amidation thành công.
    • Liên kết amide giúp MWCNT-COOH gắn chặt lên bề mặt và trong cấu trúc lỗ xếp của màng.

  2. Giảm kích thước lỗ xếp và tăng tính đồng nhất cấu trúc màng:

    • Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc lỗ xếp trên màng N2 giảm rõ rệt so với màng nylon 66 gốc, với sự phân bố đồng đều của CNT.
    • Màng N2 có cấu trúc lỗ xếp meso và macro được kiểm soát tốt hơn, giúp tăng khả năng loại bỏ các phân tử không mong muốn.

  3. Cải thiện tính ưa nước và chống bám bẩn:

    • Góc tiếp xúc nước của màng N2 giảm từ khoảng 60,5° xuống còn khoảng 50,5°, cho thấy màng trở nên ưa nước hơn nhờ sự hiện diện của nhóm chức COOH trên CNT.
    • Tính ưa nước cao giúp giảm hiện tượng bám bẩn và tăng hiệu suất lọc lâu dài.

  4. Tăng hiệu suất loại bỏ ion Ca2+:

    • Thử nghiệm lọc dung dịch CaCl2 cho thấy màng N2 loại bỏ ion Ca2+ hiệu quả hơn màng nylon 66 gốc, với tỷ lệ loại bỏ tăng khoảng 20-30%.
    • Cơ chế hấp phụ ion Ca2+ trên sợi MWCNT-COOH góp phần nâng cao hiệu quả lọc.

Thảo luận kết quả

Việc gắn MWCNT-COOH lên màng nylon 66 qua phản ứng amidation không chỉ tạo ra liên kết hóa học bền vững mà còn giúp cải thiện đáng kể cấu trúc lỗ xếp của màng. Sự giảm kích thước lỗ xếp và tăng tính đồng nhất giúp màng có khả năng loại bỏ các ion và phân tử nhỏ hiệu quả hơn, đồng thời tăng cường độ bền cơ học nhờ sự gia cố của CNT.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào tạo lớp polyamide mới trên bề mặt màng polysulfone, phương pháp này đơn giản hơn, dễ kiểm soát và có thể áp dụng quy mô công nghiệp. Các kết quả về góc tiếp xúc và hiệu suất lọc ion Ca2+ cũng phù hợp với báo cáo của ngành về việc sử dụng CNT để cải thiện tính ưa nước và khả năng chống bám bẩn của màng lọc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh góc tiếp xúc nước giữa các mẫu màng, hình ảnh SEM minh họa cấu trúc lỗ xếp, và bảng số liệu hiệu suất loại bỏ ion Ca2+ để minh chứng rõ ràng các cải tiến đạt được.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai quy trình biên tính màng nylon 66 với CNTs trên quy mô pilot:

    • Áp dụng phản ứng amidation trong pha lắng với dung môi ethanol và xúc tác silica gel.
    • Mục tiêu tăng độ bền và hiệu suất lọc màng trong vòng 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu và doanh nghiệp sản xuất màng lọc.

  2. Phát triển màng composite có khả năng loại bỏ đa dạng ion kim loại nặng:

    • Nghiên cứu mở rộng sử dụng CNTs chức năng hóa để hấp phụ các ion như Pb2+, Cd2+, Hg2+.
    • Mục tiêu nâng cao hiệu suất lọc trên 90% trong 1 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và công ty xử lý nước thải.

  3. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng amidation để kiểm soát kích thước lỗ xếp:

    • Điều chỉnh nồng độ pPD, thời gian và nhiệt độ phản ứng.
    • Mục tiêu đạt kích thước lỗ xếp đồng đều dưới 0,45 µm.
    • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm.

  4. Ứng dụng màng nanocomposite trong xử lý nước thải công nghiệp và nước sinh hoạt:

    • Thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải.
    • Mục tiêu giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ màng.
    • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp xử lý nước và cơ quan quản lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu:

    • Hiểu rõ về công nghệ biên tính màng lọc composite và ứng dụng CNT.
    • Áp dụng kiến thức vào nghiên cứu phát triển vật liệu lọc mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất màng lọc và thiết bị xử lý nước:

    • Nắm bắt công nghệ cải tiến màng nylon 66 để nâng cao chất lượng sản phẩm.
    • Tối ưu quy trình sản xuất và mở rộng thị trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và các tổ chức xử lý nước thải:

    • Đánh giá hiệu quả công nghệ lọc mới trong xử lý nước ô nhiễm.
    • Lập kế hoạch ứng dụng công nghệ thân thiện môi trường.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghệ môi trường:

    • Hiểu tiềm năng thương mại và ứng dụng thực tế của màng lọc nanocomposite.
    • Đưa ra quyết định đầu tư phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng amidation giúp gì cho màng nylon 66?
    Phản ứng amidation tạo liên kết amide giữa nhóm carboxylic trên CNT và nhóm amino trên pPD, giúp gắn chặt CNT lên màng nylon 66, tăng độ bền cơ học và cải thiện tính chọn lọc màng.

  2. Tại sao sử dụng CNTs trong màng lọc?
    CNTs có diện tích bề mặt lớn, khả năng chịu nhiệt và hóa học cao, giúp tăng tính bền, chống bám bẩn và cải thiện hiệu suất lọc ion kim loại nặng.

  3. Quy trình biên tính màng có thể áp dụng quy mô công nghiệp không?
    Quy trình sử dụng phản ứng amidation trong pha lắng với dung môi ethanol và xúc tác silica gel đơn giản, dễ kiểm soát, phù hợp để triển khai quy mô pilot và công nghiệp.

  4. Hiệu suất loại bỏ ion Ca2+ của màng nanocomposite như thế nào?
    Màng nanocomposite có hiệu suất loại bỏ ion Ca2+ cao hơn màng nylon 66 gốc khoảng 20-30%, nhờ cơ chế hấp phụ ion trên sợi MWCNT-COOH.

  5. Tính ưa nước của màng ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất lọc?
    Tính ưa nước cao giúp giảm hiện tượng bám bẩn, tăng khả năng thấm nước và duy trì hiệu suất lọc ổn định trong thời gian dài.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình biên tính màng nylon 66 bằng phản ứng amidation với pPD và MWCNT-COOH, tạo màng nanocomposite có cấu trúc lỗ xếp kiểm soát tốt.
  • Màng nanocomposite cải thiện đáng kể tính ưa nước, độ bền cơ học và khả năng loại bỏ ion Ca2+ so với màng nylon 66 gốc.
  • Phương pháp biên tính đơn giản, dễ áp dụng quy mô công nghiệp, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải và công nghiệp thực phẩm.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sử dụng màng nylon 66 thương mại, đồng thời giảm chi phí và tăng tuổi thọ màng trong thực tế.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng màng nanocomposite trong xử lý các ion kim loại nặng khác và thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai quy trình biên tính trên quy mô pilot, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng để phát triển sản phẩm màng lọc hiệu quả, bền vững.