Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với tình trạng thiếu hụt nguồn nước ngọt nghiêm trọng, việc phát triển các công nghệ xử lý nước hiệu quả và bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo ước tính, chỉ khoảng 2,5% tổng lượng nước trên Trái Đất là nước ngọt có thể sử dụng, trong đó phần lớn tồn tại dưới dạng nước ngầm hoặc băng tuyết, chiếm khoảng 0,008% trên bề mặt. Tình trạng ô nhiễm và khai thác quá mức nguồn nước ngọt ngày càng gia tăng do sự phát triển công nghiệp và biến đổi khí hậu, đòi hỏi các giải pháp công nghệ tiên tiến để xử lý và tái tạo nguồn nước. Công nghệ màng lọc, đặc biệt là màng composite và nanocomposite, đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc xử lý nước ô nhiễm và khử mặn, với chi phí vận hành thấp và thân thiện môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide) dựa trên vải lọc nylon 6 thương mại, sử dụng phản ứng xâm nhập tuần hoàn kết hợp kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trong dung dịch nước. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM trong năm 2023, với mục tiêu thiết kế hệ thiết bị chế tạo màng, khảo sát ảnh hưởng của các diamine mạch thẳng đầu cuối có độ dài khác nhau (n = 2, 4, 6, 8) đến cấu trúc và tính chất màng, đồng thời đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ màng lọc mới, góp phần giải quyết các vấn đề về ô nhiễm nguồn nước và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp xử lý nước và thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về màng lọc, đặc biệt là màng mỏng composite (TFC) và màng mỏng nanocomposite (TFN). Màng TFC-PA được hình thành qua phản ứng trùng hợp tạo lớp polyamide siêu mỏng trên nền xốp, có khả năng loại bỏ muối và các cấu tử hòa tan hiệu quả. Màng TFN CNT-PA là sự kết hợp giữa ống nanocarbon đa thành (MWCNT) và màng TFC-PA, giúp cải thiện tính thấm, tính chọn lọc và khả năng chống tắc nghẽn màng.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Phản ứng xâm nhập tuần hoàn (Circulating-Infiltrating Reaction - CIR): Phương pháp chế tạo màng mới, sử dụng hệ thiết bị chuyên dụng kết hợp siêu âm để tăng cường sự thâm nhập và phản ứng hóa học giữa các thành phần màng.
  • Liên kết amine CO-NH: Cơ chế hóa học chính tạo cầu nối giữa vải nylon 6 đã làm giàu amino và MWCNT-COOH, đảm bảo sự bám dính và phân bố đồng đều của nanocarbon trên màng.
  • Ảnh hưởng độ dài mạch alkane của diamine: Độ dài chuỗi alkane trong diamine ảnh hưởng đến khả năng hình thành liên kết và cấu trúc màng, từ đó tác động đến tính chất hấp phụ ion và cơ tính của màng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các mẫu màng MWCNT@(H2N-polyamide) được chế tạo từ vải lọc nylon 6 thương mại, làm giàu amino bằng các diamine mạch thẳng đầu cuối với n = 2, 4, 6, 8. Quá trình chế tạo màng thực hiện trên hệ thiết bị CIR do tác giả thiết kế và chế tạo, tích hợp công nghệ siêu âm nhằm hỗ trợ phản ứng và phân tán vật liệu nano.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích cấu trúc và liên kết hóa học: Sử dụng phổ FTIR và Raman để xác định sự hình thành liên kết amine CO-NH và sự hiện diện của MWCNT trên màng.
  • Đánh giá hình thái bề mặt: Quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát sự phân bố và bao phủ của MWCNT trên cả hai bề mặt màng.
  • Đo góc thấm ướt: Xác định tính ưa nước của màng, liên quan đến khả năng hấp phụ và tương tác với dung dịch.
  • Phân tích nhiệt: Sử dụng DSC và TGA để đánh giá độ bền nhiệt và tính ổn định của màng composite.
  • Thử nghiệm hấp phụ ion: Đánh giá khả năng loại bỏ ion kim loại nặng qua thử lọc dung dịch mẫu và dung dịch thực tế, đo thông lượng lọc và hiệu suất hấp phụ.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu màng với các biến thể diamine khác nhau, được lựa chọn ngẫu nhiên nhằm đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2023, bao gồm giai đoạn thiết kế thiết bị, chế tạo màng, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của phương pháp phản ứng xâm nhập tuần hoàn (CIR) kết hợp siêu âm: Hình ảnh SEM cho thấy MWCNT-COOH được phân bố đồng đều và bám chắc trên bề mặt màng, bao phủ cả hai mặt với mật độ cao. So với phương pháp truyền thống, thông lượng lọc qua màng tăng khoảng 25%, đồng thời số chu kỳ lọc hiệu quả được cải thiện đáng kể.

  2. Ảnh hưởng độ dài mạch alkane của diamine: Màng sử dụng diamine với n = 8 (OMDA) cho thấy khả năng hình thành liên kết amine CO-NH mạnh nhất, dẫn đến cấu trúc màng ổn định và khả năng hấp phụ ion kim loại cao nhất, đạt hiệu suất loại bỏ ion lên đến 85% trong dung dịch mẫu. Màng với n = 2 (DMDA) có hiệu suất thấp hơn khoảng 60%, cho thấy độ dài mạch alkane ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất màng.

  3. Tính ưa nước và độ bền nhiệt: Góc thấm ướt của màng composite giảm trung bình 15% so với vải nylon 6 ban đầu, chứng tỏ tính ưa nước được cải thiện. Phân tích DSC và TGA cho thấy màng composite có nhiệt độ phân hủy tăng khoảng 20°C so với màng gốc, khẳng định độ bền nhiệt được nâng cao nhờ sự có mặt của MWCNT.

  4. Khả năng hấp phụ ion kim loại: Thử nghiệm lọc dung dịch thực tế từ dịch tôm cho thấy màng C@(A8-nylon) duy trì hiệu suất hấp phụ ion trên 80% sau 20 chu kỳ lọc, đồng thời thông lượng lọc ổn định ở mức 0,32 L/m²h.bar, cao hơn 30% so với màng nylon 6 ban đầu.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp CIR kết hợp siêu âm là giải pháp hiệu quả để chế tạo màng nanocomposite MWCNT@(H2N-polyamide) với cấu trúc đồng nhất và tính năng vượt trội. Sự phân bố đồng đều của MWCNT trên màng không chỉ tạo lớp chọn lọc siêu mỏng mà còn đóng vai trò như rào cản vật lý giúp loại bỏ ion kim loại thông qua cơ chế hấp phụ. Độ dài mạch alkane của diamine ảnh hưởng đến khả năng tạo liên kết amine CO-NH, từ đó tác động đến cấu trúc và hiệu suất màng, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của cấu trúc hóa học đến tính chất màng nanocomposite.

Việc cải thiện tính ưa nước và độ bền nhiệt giúp màng hoạt động ổn định trong môi trường lọc nước có tính axit hoặc kiềm nhẹ, đồng thời giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn màng. So sánh với các nghiên cứu tương tự trong nước và quốc tế, màng chế tạo trong luận văn có hiệu suất hấp phụ ion và thông lượng lọc cạnh tranh, mở ra triển vọng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và thực phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất hấp phụ ion theo độ dài mạch alkane, bảng phân tích góc thấm ướt và nhiệt độ phân hủy, cũng như hình ảnh SEM minh họa sự phân bố MWCNT trên màng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô chế tạo màng: Áp dụng phương pháp phản ứng xâm nhập tuần hoàn kết hợp siêu âm trên hệ thiết bị công nghiệp nhằm sản xuất màng MWCNT@(H2N-polyamide) với công suất lớn, dự kiến trong vòng 12-18 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác thực hiện.

  2. Tối ưu hóa thành phần diamine: Khuyến nghị sử dụng diamine có độ dài mạch alkane từ 6 đến 8 để đạt hiệu suất hấp phụ ion tối ưu, đồng thời nghiên cứu thêm các loại diamine khác để mở rộng phạm vi ứng dụng màng.

  3. Phát triển ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Đề xuất thử nghiệm màng trong các hệ thống xử lý nước thải chứa ion kim loại nặng như Cd²⁺, Pb²⁺ tại các khu công nghiệp, với mục tiêu giảm nồng độ ion kim loại xuống dưới ngưỡng cho phép trong vòng 6 tháng.

  4. Nâng cao tính năng màng: Khuyến khích nghiên cứu kết hợp MWCNT với các vật liệu nano khác như TiO₂ hoặc graphene để cải thiện khả năng kháng khuẩn, chống tắc nghẽn và tăng tuổi thọ màng, thực hiện trong giai đoạn tiếp theo của dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Kỹ thuật Vật liệu và Công nghệ Màng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp chế tạo màng nanocomposite mới, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng trong nghiên cứu khoa học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng màng lọc: Các công ty trong lĩnh vực xử lý nước, thực phẩm và hóa chất có thể áp dụng công nghệ chế tạo màng MWCNT@(H2N-polyamide) để nâng cao hiệu quả sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Thông tin về khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của màng giúp xây dựng các tiêu chuẩn và chính sách xử lý nước thải phù hợp, góp phần bảo vệ môi trường.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Vật liệu, Hóa học và Môi trường: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến công nghệ màng và vật liệu nano.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng xâm nhập tuần hoàn (CIR) là gì và có ưu điểm gì?
    Phản ứng CIR là phương pháp chế tạo màng bằng cách tuần hoàn dung dịch phản ứng qua màng nhằm tăng cường sự thâm nhập và phản ứng hóa học. Ưu điểm là tạo màng đồng đều, giảm thời gian phản ứng và tăng hiệu suất phủ vật liệu nano.

  2. Tại sao sử dụng MWCNT-COOH trong màng nanocomposite?
    MWCNT-COOH có nhóm chức carboxylic giúp tăng tính ưa nước và khả năng liên kết với polyamide qua liên kết amine CO-NH, cải thiện tính cơ học, chống tắc nghẽn và tăng hiệu quả hấp phụ ion.

  3. Độ dài mạch alkane của diamine ảnh hưởng thế nào đến màng?
    Độ dài mạch alkane ảnh hưởng đến khả năng tạo liên kết và cấu trúc mạng polyamide, từ đó tác động đến tính ổn định, khả năng hấp phụ ion và tính chọn lọc của màng. Mạch dài hơn thường tạo màng ổn định và hiệu quả hơn.

  4. Kỹ thuật siêu âm hỗ trợ gì trong quá trình chế tạo màng?
    Siêu âm giúp phân tán đều vật liệu nano, tăng cường phản ứng hóa học và thâm nhập sâu vào cấu trúc màng, giảm hiện tượng kết tụ và tạo màng có cấu trúc đồng nhất, nâng cao hiệu suất lọc.

  5. Màng MWCNT@(H2N-polyamide) có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Màng phù hợp cho xử lý nước thải công nghiệp, khử ion kim loại nặng, lọc nước trong ngành thực phẩm và dược phẩm, cũng như các ứng dụng cần màng có tính chọn lọc cao và khả năng chống tắc nghẽn.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thiết bị phản ứng xâm nhập tuần hoàn tích hợp siêu âm, tạo điều kiện cho quy trình chế tạo màng nanocomposite đồng đều và hiệu quả.
  • Màng MWCNT@(H2N-polyamide) được chế tạo từ vải nylon 6 thương mại sau khi làm giàu amino bằng diamine mạch thẳng có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng vượt trội so với màng gốc.
  • Độ dài mạch alkane của diamine ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc và tính chất màng, với diamine có n = 8 cho hiệu suất hấp phụ ion cao nhất, đạt khoảng 85%.
  • Màng composite cải thiện tính ưa nước, độ bền nhiệt và khả năng chống tắc nghẽn, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước và thực phẩm.
  • Đề xuất mở rộng quy mô sản xuất và phát triển ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời nghiên cứu kết hợp vật liệu nano khác để nâng cao tính năng màng.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô pilot và hợp tác với doanh nghiệp để ứng dụng công nghệ màng trong thực tế, góp phần giải quyết các vấn đề về nguồn nước và phát triển bền vững.