Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ màng lọc ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước, công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và y sinh, việc nâng cao hiệu quả và tính năng của màng lọc trở thành một nhu cầu cấp thiết. Màng lọc polyacrylonitrile (PAN) là một trong những vật liệu polyme được quan tâm nhờ tính bền nhiệt, bền hóa học và khả năng chống vi sinh vật tốt. Tuy nhiên, nhược điểm của màng PAN là tính kỵ nước và dễ bị tắc nghẽn sinh học do hấp phụ protein và tế bào, ảnh hưởng đến năng suất lọc và tuổi thọ màng.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo màng lọc PAN bằng kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo như nồng độ PAN, thời gian bay hơi dung môi, nhiệt độ môi trường đông tụ và thành phần dung dịch tạo màng đến cấu trúc và tính năng lọc của màng. Đồng thời, nghiên cứu biến tính bề mặt màng PAN bằng phương pháp trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với các monome axit maleic và axit acrylic nhằm nâng cao khả năng ưa nước, chống tắc nghẽn và cải thiện hiệu suất lọc.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, với đối tượng chính là màng lọc PAN và dung dịch protein albumin làm mẫu tách. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển màng lọc hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường, góp phần nâng cao chất lượng công nghệ màng lọc trong các ứng dụng công nghiệp và y sinh.

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 sau:

  • Thuyết sàng lọc (Molecular Sieving Theory): Giải thích cơ chế tách lọc dựa trên kích thước lỗ màng và kích thước cấu tử cần tách. Màng có lỗ nhỏ hơn cấu tử sẽ giữ lại, ngược lại cấu tử nhỏ hơn sẽ đi qua màng. Thuyết này phù hợp với màng vi lọc và siêu lọc.

  • Thuyết hòa tan khuếch tán (Solution-Diffusion Theory): Mô tả quá trình thẩm thấu của dung môi và chất tan qua màng dưới áp suất cao, trong đó tốc độ khuếch tán của dung môi và chất tan khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu quả tách lọc.

  • Thuyết mô hình mao quản (Pore Model): Màng bán thấm được cấu tạo từ nhiều mao quản có lớp nước liên kết hấp phụ trên bề mặt và trong mao quản, ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu và giữ lại chất tan.

Các khái niệm chính bao gồm: độ lưu giữ (Retention, R), lưu lượng lọc (Flux, J), độ chọn lọc (Selectivity, φ), hiện tượng tắc nghẽn màng (Fouling), tính ưa nước (Hydrophilicity), và các phương pháp biến tính bề mặt màng như trùng hợp ghép quang hóa và khơi mào oxy hóa khử.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm màng lọc, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Dữ liệu thu thập bao gồm các thông số cấu trúc màng (SEM, AFM), tính năng lọc (độ lưu giữ protein, lưu lượng lọc), và đặc tính bề mặt (độ ưa nước, hệ số fouling).

  • Phương pháp chế tạo màng: Màng PAN được chế tạo bằng kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm, với dung dịch PAN hòa tan trong DMF ở các nồng độ từ 7,7% đến 22,7% khối lượng. Lớp dung dịch được trải mỏng 350 µm, bay hơi dung môi trong thời gian xác định, sau đó đông tụ ở nhiệt độ kiểm soát (7-8°C). Màng được xử lý thủy nhiệt và rửa sạch trước khi đánh giá.

  • Phương pháp biến tính bề mặt:

    • Trùng hợp ghép quang hóa: Màng nền PAN được phủ benzophenone (BP) làm chất nhạy sáng, sau đó ngâm trong dung dịch monome (axit maleic hoặc axit acrylic) và chiếu bức xạ UV để kích thích trùng hợp ghép.
    • Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử: Màng PAN được ngâm trong dung dịch chứa monome và hệ khơi mào K2S2O8/Na2S2O5, phản ứng trùng hợp ghép diễn ra ở nhiệt độ phòng.

  • Phân tích và đánh giá:

    • Cấu trúc màng được quan sát bằng SEM và AFM để xác định độ xốp, độ thô nhám và cấu trúc bất đối xứng.
    • Tính năng lọc được đánh giá qua độ lưu giữ protein albumin (1 g/L), lưu lượng lọc (J), độ thấm nước và hệ số fouling bất thuận nghịch (FRW).
    • Đường chuẩn xác định nồng độ protein được xây dựng bằng phương pháp quang phổ hấp thụ ở bước sóng 540 nm.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Giai đoạn chế tạo và khảo sát màng nền: 3 tháng.
    • Giai đoạn biến tính bề mặt và đánh giá tính năng: 4 tháng.
    • Phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn: 2 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng:

    • Nồng độ PAN từ 11,2% đến 20,1% là khoảng thích hợp để tạo màng có độ bền cơ học và tính năng lọc tốt.
    • Khi tăng nồng độ PAN, lưu lượng lọc giảm từ khoảng 34,96 L/m²h xuống còn 10,49 L/m²h, trong khi độ lưu giữ protein tăng từ 25,5% lên đến 88,4%.
    • Hệ số fouling bất thuận nghịch (FRW) duy trì ở mức cao 93-97%, cho thấy màng có khả năng chống tắc nghẽn tương đối tốt.
    • Ảnh SEM cho thấy màng với nồng độ PAN cao có cấu trúc ít xốp hơn, lớp bề mặt dày và chặt sít hơn, phù hợp với lý thuyết về tốc độ đông tụ chậm khi nồng độ polyme tăng.

  2. Ảnh hưởng của thời gian bay hơi dung môi:

    • Thời gian bay hơi dung môi tăng làm tăng nồng độ polyme tại bề mặt, tạo màng có cấu trúc bề mặt chặt sít hơn, giảm độ xốp và lưu lượng lọc.
    • Điều chỉnh thời gian bay hơi giúp kiểm soát cấu trúc màng phù hợp với yêu cầu lọc tách.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đông tụ:

    • Nhiệt độ đông tụ cao làm tăng tốc độ đông tụ, tạo màng xốp hơn với kích thước lỗ lớn hơn, tăng lưu lượng lọc nhưng giảm độ lưu giữ protein.
    • Nhiệt độ thấp tạo màng có cấu trúc chặt sít, kích thước lỗ nhỏ hơn, tăng độ lưu giữ nhưng giảm lưu lượng.

  4. Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép:

    • Trùng hợp ghép quang hóa với axit maleic và axit acrylic dưới bức xạ UV làm tăng đáng kể tính ưa nước của màng, giảm hấp phụ protein và cải thiện khả năng chống tắc nghẽn.
    • Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử với hệ K2S2O8/Na2S2O5 tạo ra lớp polyme ghép bền vững trên bề mặt màng, nâng cao độ thấm nước và duy trì lưu lượng lọc ổn định trong thời gian dài.
    • Màng biến tính có hệ số fouling bất thuận nghịch thấp hơn so với màng nền, chứng tỏ khả năng chống tắc nghẽn được cải thiện rõ rệt.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy sự điều chỉnh nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng là yếu tố quyết định cấu trúc và tính năng lọc của màng. Nồng độ cao làm giảm lưu lượng do cấu trúc màng chặt sít hơn, nhưng tăng độ lưu giữ protein, phù hợp với yêu cầu lọc siêu lọc. Thời gian bay hơi dung môi và nhiệt độ đông tụ là các thông số quan trọng để kiểm soát tốc độ đông tụ và cấu trúc màng, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất lọc.

Biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép là phương pháp hiệu quả để cải thiện tính ưa nước và khả năng chống tắc nghẽn màng PAN mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong. So với các nghiên cứu trước đây về biến tính màng PAN bằng plasma hoặc thủy phân, phương pháp trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử cho phép kiểm soát tốt hơn mật độ và vị trí polyme ghép, nâng cao độ bền và hiệu quả sử dụng màng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng lọc và độ lưu giữ protein theo nồng độ PAN, thời gian bay hơi và nhiệt độ đông tụ; bảng so sánh hệ số fouling trước và sau biến tính; hình ảnh SEM và AFM minh họa cấu trúc và độ thô nhám bề mặt màng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng:

    • Đề xuất sử dụng nồng độ PAN trong khoảng 14-20% để cân bằng giữa lưu lượng lọc và độ lưu giữ protein.
    • Thực hiện trong vòng 1-2 tháng, do bộ phận nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  2. Kiểm soát thời gian bay hơi dung môi và nhiệt độ đông tụ:

    • Áp dụng thời gian bay hơi từ 90-150 giây và nhiệt độ đông tụ từ 7-20°C để điều chỉnh cấu trúc màng phù hợp với mục tiêu lọc.
    • Thời gian thực hiện 1 tháng, do phòng thí nghiệm sản xuất màng.

  3. Ứng dụng phương pháp biến tính bề mặt trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử:

    • Sử dụng axit maleic và axit acrylic làm monome biến tính để tăng tính ưa nước và khả năng chống tắc nghẽn.
    • Thời gian triển khai 3-4 tháng, do nhóm nghiên cứu công nghệ màng.

  4. Phát triển quy trình sản xuất màng PAN biến tính quy mô công nghiệp:

    • Nghiên cứu mở rộng quy mô và kiểm soát chất lượng sản phẩm cuối cùng.
    • Thời gian 6 tháng, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ màng lọc:

    • Lợi ích: Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp chế tạo, biến tính màng PAN hiệu quả.
    • Use case: Phát triển màng lọc mới cho xử lý nước và y sinh.

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

    • Lợi ích: Áp dụng quy trình chế tạo và biến tính để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì.
    • Use case: Sản xuất màng lọc PAN có khả năng chống tắc nghẽn cao, tăng tuổi thọ.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực xử lý nước và môi trường:

    • Lợi ích: Hiểu rõ tính năng màng lọc PAN và cách cải thiện hiệu quả lọc trong xử lý nước thải và nước sạch.
    • Use case: Lựa chọn màng lọc phù hợp cho hệ thống xử lý nước công nghiệp.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Màng:

    • Lợi ích: Tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật chế tạo và biến tính màng, phương pháp phân tích.
    • Use case: Nghiên cứu luận văn, đề tài khoa học liên quan đến màng lọc polyme.

Câu hỏi thường gặp

  1. Màng PAN có ưu điểm gì so với các loại màng polyme khác?
    Màng PAN có độ bền nhiệt và hóa học cao, khả năng chống vi sinh vật tốt, phù hợp cho nhiều ứng dụng lọc siêu lọc và lọc nano. Tuy nhiên, tính kỵ nước là nhược điểm cần khắc phục bằng biến tính bề mặt.

  2. Tại sao cần biến tính bề mặt màng PAN?
    Biến tính bề mặt giúp tăng tính ưa nước, giảm hấp phụ protein và tế bào, từ đó giảm hiện tượng tắc nghẽn màng, nâng cao lưu lượng lọc và tuổi thọ màng trong quá trình sử dụng.

  3. Phương pháp trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử khác nhau như thế nào?
    Trùng hợp ghép quang hóa sử dụng bức xạ UV và chất nhạy sáng để tạo gốc tự do trên bề mặt màng, trong khi phương pháp oxy hóa khử dùng hệ hóa chất khơi mào tạo gốc tự do trong dung dịch, cho phép thực hiện ở nhiệt độ phòng và điều kiện êm dịu hơn.

  4. Ảnh hưởng của nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng đến cấu trúc màng ra sao?
    Nồng độ PAN cao làm tăng độ chặt sít và giảm độ xốp của màng, giảm lưu lượng lọc nhưng tăng độ lưu giữ protein. Nồng độ quá thấp hoặc quá cao đều không tạo được màng có chất lượng tốt.

  5. Làm thế nào để đánh giá khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc?
    Khả năng chống tắc nghẽn được đánh giá qua hệ số fouling bất thuận nghịch (FRW), lưu lượng lọc duy trì theo thời gian và khả năng làm sạch màng sau khi sử dụng. Màng có FRW thấp và lưu lượng ổn định được coi là có khả năng chống tắc tốt.

Kết luận

  • Nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc và tính năng lọc, với khoảng 14-20% là phù hợp để tạo màng có độ bền và hiệu suất cao.
  • Thời gian bay hơi dung môi và nhiệt độ môi trường đông tụ là các yếu tố quan trọng để điều chỉnh cấu trúc màng bất đối xứng, ảnh hưởng đến lưu lượng và độ lưu giữ.
  • Phương pháp biến tính bề mặt trùng hợp ghép quang hóa và oxy hóa khử với axit maleic và axit acrylic nâng cao tính ưa nước, giảm tắc nghẽn và duy trì lưu lượng lọc ổn định.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển màng lọc PAN hiệu quả, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng trong các ngành công nghiệp xử lý nước và y sinh.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình chế tạo và biến tính màng PAN trong sản xuất thử nghiệm, đồng thời nghiên cứu thêm các monome và điều kiện biến tính để tối ưu hóa tính năng màng.