Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng nước sạch trên toàn cầu ngày càng gia tăng do sự phát triển dân số và các hoạt động công nghiệp gây ô nhiễm nguồn nước. Theo ước tính, chỉ khoảng 0,003% lượng nước ngọt trên Trái Đất có thể sử dụng trực tiếp cho con người, trong khi đó, khoảng 97% tổng lượng nước là nước mặn, chủ yếu tồn tại trong các đại dương. Tại Việt Nam, các dự án cấp nước sạch mới chỉ đáp ứng được khoảng 50% nhu cầu toàn dân, đặt ra thách thức lớn trong việc tìm kiếm và xử lý nguồn nước sạch. Trong bối cảnh đó, công nghệ lọc màng được xem là giải pháp ưu việt, với khả năng tách các cấu tử có kích thước phân tử và ion mà không cần sử dụng hóa chất, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng polymer polysulfone (PSf) và màng composite polyamid lớp mỏng (TFC-PA) bằng vật liệu nano ưa nước gồm graphene oxide (GO) và titanium dioxide (TiO2). Mục tiêu chính là nâng cao tính năng tách lọc, giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn màng, từ đó ứng dụng trong công nghệ khử mặn nước biển. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp vật liệu GO và GO biến tính TiO2, chế tạo màng PSf tự tạo và biến tính màng TFC-PA thương mại, khảo sát đặc tính vật liệu và hiệu suất tách lọc dung dịch muối NaCl cũng như nước biển thực tế tại Quy Nhơn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển kỹ thuật lọc màng, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước sạch bền vững, đáp ứng nhu cầu cấp nước trong điều kiện nguồn nước ngọt hạn chế.

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 và quá trình tách bằng màng, trong đó:

  • Lý thuyết màng lọc bất đối xứng và composite: Màng bất đối xứng gồm lớp hoạt động mỏng và lớp đỡ xốp, trong đó lớp hoạt động quyết định khả năng tách lọc. Màng composite polyamid lớp mỏng (TFC-PA) có cấu trúc ba lớp, với lớp bề mặt polyamid mỏng dưới 50 nm, có kích thước lỗ nhỏ hơn 2 nm, đảm bảo hiệu quả tách cao.

  • Khái niệm tính ưa nước và tắc màng (fouling): Tính ưa nước của màng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống tắc nghẽn. Màng có bề mặt ưa nước giúp giảm hấp phụ các tiểu phân gây tắc, nhờ liên kết hydro với phân tử nước. Hiện tượng tắc màng do các chất vô cơ, hữu cơ, keo và vi sinh vật bám lên bề mặt và lỗ xốp màng làm giảm năng suất lọc.

  • Mô hình biến tính bề mặt màng bằng hạt nano vô cơ: Sử dụng các hạt nano graphene oxide (GO) và titanium dioxide (TiO2) phủ lên bề mặt hoặc kết hợp trong cấu trúc màng nhằm tăng tính ưa nước, nâng cao năng suất lọc và khả năng chống tắc nghẽn. GO chứa nhiều nhóm chức oxy như hydroxyl, carboxyl, epoxy giúp tăng tính phân tán và ưa nước. TiO2 có tính chất quang xúc tác, khả năng siêu thấm ướt khi chiếu tia UV, giúp tự làm sạch bề mặt màng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng vật liệu graphene oxide tổng hợp theo phương pháp Hummers biến tính, GO biến tính TiO2 tổng hợp trực tiếp, màng polysulfone tự chế tạo bằng phương pháp spincoating và màng composite polyamid lớp mỏng thương mại (TFC-PA). Mẫu nước muối chuẩn NaCl 20 g/L và nước biển thực tế lấy tại biển Quy Nhơn được sử dụng để đánh giá hiệu suất tách lọc.

  • Phương pháp phân tích vật liệu: Đặc tính vật liệu và bề mặt màng được khảo sát bằng các kỹ thuật hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại phản xạ bề mặt (FTIR-ATR), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ quang điện tử tia X (XPS).

  • Phương pháp đánh giá tính năng tách lọc: Đo năng suất lọc (flux), độ thấm nước, độ lưu giữ muối, khả năng duy trì năng suất lọc theo thời gian và hệ số tắc màng bất thuận nghịch. Các thông số này được xác định qua quá trình lọc dung dịch NaCl và nước biển, kết hợp với phương pháp lọc màng gián đoạn và chưng cất.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp vật liệu, chế tạo màng và biến tính bề mặt được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 9 năm 2019, với các bước chuẩn bị mẫu, phân tích vật liệu, đánh giá tính năng tách lọc và xử lý dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu GO và GO-TiO2: Kết quả phân tích XRD, FTIR và SEM cho thấy vật liệu GO có cấu trúc lớp với nhiều nhóm chức oxy, trong khi GO-TiO2 có sự phân tán đồng đều các hạt TiO2 trên bề mặt GO. Hàm lượng GO trong composite ảnh hưởng đến tính chất vật liệu, với các mẫu GO-T10, GO-T15, GO-T20 tương ứng 10%, 15%, 20% trọng lượng TiO2.

  2. Tính chất bề mặt màng biến tính: Màng PSf/GO và PSf/GO-TiO2 có độ thấm nước tăng từ 0,110 lên 0,219 L/m2.bar, năng suất lọc tăng hơn 2 lần so với màng PSf nền. Góc tiếp xúc giảm từ 78,5° xuống còn 48,5°, chứng tỏ tính ưa nước được cải thiện rõ rệt. Hệ số tắc màng bất thuận nghịch giảm khoảng 30%, cho thấy khả năng chống tắc nghẽn được nâng cao.

  3. Khả năng tách lọc muối: Màng TFC-PA biến tính với GO và GO-TiO2 đạt hiệu suất tách muối trên 95% khi lọc dung dịch NaCl 1500 mg/L ở áp suất 1,4 MPa, cao hơn 7-10% so với màng nền. Nồng độ ion Na+ và Cl- giảm đáng kể sau quá trình lọc và chưng cất, minh chứng hiệu quả khử mặn.

  4. Khả năng duy trì năng suất lọc: Màng biến tính duy trì năng suất lọc ổn định trong thời gian 48 giờ, giảm năng suất lọc chỉ khoảng 10%, trong khi màng nền giảm tới 35%. Điều này cho thấy màng biến tính có khả năng chống tắc nghẽn và bền vững hơn trong vận hành liên tục.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính năng màng là do sự tăng tính ưa nước và giảm độ thô nhám bề mặt sau khi phủ các hạt nano GO và TiO2. Liên kết hydro giữa các nhóm chức oxy trên GO và phân tử nước tạo thành lớp nước mỏng trên bề mặt màng, ngăn cản sự hấp phụ các chất gây tắc. TiO2 với tính chất quang xúc tác và khả năng siêu thấm ướt khi chiếu tia UV giúp màng tự làm sạch, giảm hiện tượng tắc nghẽn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học về việc tăng năng suất lọc và khả năng chống tắc nghẽn khi sử dụng vật liệu nano vô cơ biến tính màng. Việc kết hợp GO và TiO2 tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, nâng cao hiệu quả hơn so với chỉ sử dụng một loại vật liệu nano.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh năng suất lọc, góc tiếp xúc bề mặt, hiệu suất tách muối và hệ số tắc màng giữa các mẫu màng nền và màng biến tính, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu điểm của màng biến tính.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi màng biến tính trong công nghệ khử mặn: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước biển và nước nhiễm mặn áp dụng màng PSf/GO-TiO2 và TFC-PA/GO-TiO2 để nâng cao hiệu quả lọc và giảm chi phí bảo trì do tắc nghẽn màng. Thời gian triển khai dự kiến trong 1-2 năm.

  2. Phát triển quy trình phủ hạt nano tự động: Đề xuất nghiên cứu và xây dựng quy trình phủ hạt nano GO và TiO2 lên bề mặt màng theo phương pháp tự ráp hoặc phun phủ, nhằm đảm bảo độ đồng đều và tăng tính ổn định của màng biến tính. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất màng.

  3. Tích hợp chiếu xạ UV trong hệ thống lọc: Khuyến nghị lắp đặt hệ thống chiếu tia UV để kích hoạt tính năng quang xúc tác của TiO2, giúp màng tự làm sạch và kéo dài tuổi thọ màng. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng đến 1 năm.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng màng biến tính: Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng màng biến tính trong xử lý nước thải công nghiệp, nước sinh hoạt và các lĩnh vực khác nhằm tận dụng ưu điểm của vật liệu nano ưa nước. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu môi trường và các trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường, Kỹ thuật hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu nano, kỹ thuật chế tạo và biến tính màng lọc, phương pháp phân tích vật liệu hiện đại, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng màng lọc: Các công ty sản xuất màng lọc có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và độ bền màng, giảm chi phí vận hành và bảo trì.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về tài nguyên nước: Thông tin về công nghệ khử mặn và xử lý nước sạch giúp xây dựng các chính sách phát triển bền vững, đảm bảo nguồn nước cho cộng đồng.

  4. Các tổ chức môi trường và phát triển bền vững: Luận văn cung cấp giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước, hỗ trợ các dự án phát triển xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải biến tính bề mặt màng lọc bằng vật liệu nano?
    Biến tính bề mặt bằng vật liệu nano như GO và TiO2 giúp tăng tính ưa nước, giảm hiện tượng tắc nghẽn màng, nâng cao năng suất lọc và tuổi thọ màng. Ví dụ, màng PSf/GO-TiO2 có năng suất lọc tăng hơn 2 lần so với màng nền.

  2. Phương pháp tổng hợp graphene oxide được sử dụng là gì?
    Phương pháp Hummers biến tính được áp dụng để tổng hợp GO, dựa trên quá trình oxy hóa graphite bằng các chất oxy hóa mạnh, tạo ra các nhóm chức oxy trên bề mặt GO giúp tăng tính phân tán và ưa nước.

  3. Hiệu quả khử mặn của màng biến tính như thế nào?
    Màng TFC-PA biến tính với GO và TiO2 đạt hiệu suất tách muối trên 95% khi lọc dung dịch NaCl 1500 mg/L, cao hơn 7-10% so với màng nền, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước biển và nước nhiễm mặn.

  4. Tại sao TiO2 được sử dụng trong biến tính màng?
    TiO2 có tính quang xúc tác cao, khả năng siêu thấm ướt khi chiếu tia UV, giúp màng tự làm sạch, chống tắc nghẽn và tăng tính ưa nước. Đây là vật liệu rẻ, không độc hại và ổn định hóa học.

  5. Làm thế nào để đánh giá khả năng chống tắc nghẽn của màng?
    Khả năng chống tắc nghẽn được đánh giá qua hệ số tắc màng bất thuận nghịch, độ duy trì năng suất lọc theo thời gian và sự giảm năng suất lọc. Màng biến tính cho thấy giảm hệ số tắc khoảng 30% và duy trì năng suất lọc ổn định hơn màng nền.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp và biến tính màng polysulfone và composite polyamid lớp mỏng bằng vật liệu nano graphene oxide và titanium dioxide, nâng cao tính năng tách lọc và khả năng chống tắc nghẽn.
  • Màng biến tính có độ thấm nước tăng gấp đôi, góc tiếp xúc giảm đáng kể, hiệu suất tách muối đạt trên 95%, phù hợp ứng dụng trong khử mặn nước biển.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ lọc màng thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng màng biến tính trong các hệ thống xử lý nước biển và nước nhiễm mặn tại Việt Nam trong vòng 1-2 năm tới.
  • Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng ứng dụng màng biến tính trong xử lý nước thải và các lĩnh vực công nghiệp khác nhằm phát triển bền vững nguồn nước sạch.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được mời tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm thúc đẩy phát triển công nghệ lọc màng hiện đại, góp phần giải quyết các vấn đề cấp bách về nguồn nước sạch trong tương lai.