Tổng quan nghiên cứu

Kỹ thuật lọc màng đã trở thành một công nghệ then chốt trong xử lý nước sạch và nước thải công nghiệp, với hơn 20 năm ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như dược phẩm, hóa dầu, thực phẩm và môi trường. Trong đó, màng composite polyamide lớp mỏng (TFC-PA) được đánh giá cao nhờ khả năng tách lọc vượt trội, độ bền cơ học và khả năng chịu được môi trường pH rộng (2-11). Tuy nhiên, hiện tượng tắc màng (fouling), đặc biệt là tắc màng sinh học (biofouling), vẫn là thách thức lớn làm giảm hiệu suất lọc và tăng chi phí vận hành. Tắc màng sinh học hình thành do vi sinh vật phát triển trên bề mặt màng, tạo thành lớp biofilm dày 20-30 µm, rất khó loại bỏ bằng các phương pháp rửa thông thường.

Mục tiêu nghiên cứu là cải thiện tính năng tách lọc và khả năng kháng tắc, kháng tắc sinh học của màng TFC-PA thông qua biến tính bề mặt bằng polyme ưa nước polyethylene glycol (PEG) kết hợp với hạt nano bạc (AgNPs) và nano đồng (CuNPs) có tính kháng khuẩn cao. Nghiên cứu được thực hiện trên màng TFC-PA thương mại, sử dụng dung dịch albumin huyết thanh bò (BSA) 500 ppm, phẩm đỏ hoạt tính (RR261) 500 ppm và axit humic (HA) 500 ppm làm tác nhân tách lọc. Thời gian thí nghiệm kéo dài 10 giờ, tại áp suất 15 bar, nhằm đánh giá hiệu quả kháng tắc và kháng tắc sinh học trong điều kiện thực tế xử lý nước ô nhiễm hữu cơ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ và hiệu suất của màng lọc, giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm, nước mặt ô nhiễm hữu cơ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp xử lý nước tại Việt Nam.

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:

  • Cơ chế tách qua màng TFC-PA (Thuyết hấp phụ mao quản): Màng bán thấm được cấu tạo từ nhiều mao quản nhỏ, lớp nước liên kết hấp phụ trên bề mặt và trong mao quản ngăn cản chất tan đi qua nếu kích thước lỗ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nước liên kết. Cơ chế này giải thích hiệu quả tách lọc và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc.

  • Hiện tượng tắc màng và tắc màng sinh học: Tắc màng do hấp phụ các chất vô cơ, hữu cơ và vi sinh vật trên bề mặt và trong mao quản màng, làm giảm thông lượng lọc. Biofouling là sự hình thành lớp màng sinh học do vi khuẩn tiết polyme ngoại bào (EPS), gây tắc nghẽn khó loại bỏ.

  • Tính ưa nước và kháng khuẩn của màng: Bề mặt màng ưa nước giúp hình thành lớp nước liên kết, giảm hấp phụ chất gây tắc. PEG là polyme ưa nước, có nhóm OH giúp tăng tính ưa nước và phân tán hạt nano. Nano bạc và nano đồng có khả năng kháng khuẩn mạnh, tiêu diệt vi sinh vật, hạn chế hình thành biofilm.

  • Phương pháp biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép quang hóa: Sử dụng bức xạ tử ngoại kích thích tạo gốc tự do trên bề mặt màng và dung dịch PEG phân tán hạt nano, tạo liên kết hóa học cố định hạt nano trên màng, tăng tính ổn định và hiệu quả kháng tắc.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Màng composite polyamide lớp mỏng (TFC-PA) thương mại, dung dịch PEG 35 g/L, dung dịch AgNO3 và CuSO4 với nồng độ từ 10 đến 50 mM, dung dịch NaBH4 làm tác nhân khử, dung dịch BSA 500 ppm, RR261 500 ppm và HA 500 ppm làm tác nhân tách lọc.

  • Quy trình tổng hợp hạt nano: Nano bạc và nano đồng được tổng hợp trong dung dịch PEG bằng phương pháp khử hóa học ion Ag+ và Cu2+ bằng NaBH4, tạo dung dịch PEG-AgNPs và PEG-CuNPs.

  • Biến tính bề mặt màng: Màng TFC-PA được chiếu xạ tử ngoại 254 nm trong 10 phút, sau đó trùng hợp ghép dung dịch PEG-AgNPs hoặc PEG-CuNPs lên bề mặt trong 15 phút, rửa sạch và sấy khô.

  • Phân tích đặc trưng bề mặt: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tích hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để quan sát hình thái và xác định thành phần nguyên tố; phổ hồng ngoại phản xạ ATR-FTIR để xác định nhóm chức hóa học; đo góc thấm ướt (WCA) để đánh giá tính ưa nước; đánh giá khả năng kháng khuẩn bằng tiếp xúc với vi khuẩn E.coli.

  • Đánh giá tính năng tách lọc: Thí nghiệm lọc gián đoạn trên thiết bị Osmonics (Mỹ) với diện tích màng 13,2 cm2, áp suất 15 bar, dung dịch BSA 500 ppm làm tác nhân tách. Đo độ thấm nước, thông lượng lọc và độ lưu giữ chất tan.

  • Đánh giá khả năng kháng tắc và kháng tắc sinh học: Đo thông lượng lọc chuẩn hóa theo thời gian (MF) trong 10 giờ lọc dung dịch BSA, RR261 và HA 500 ppm, với màng nền và màng biến tính, cả trong điều kiện ngâm vi khuẩn E.coli 4 ngày.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trên ít nhất 3 mẫu màng cho mỗi điều kiện biến tính, thí nghiệm kéo dài trong 10 giờ cho đánh giá kháng tắc, ngâm vi khuẩn 4 ngày cho đánh giá kháng tắc sinh học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng bề mặt màng biến tính:

    • Ảnh SEM cho thấy màng biến tính có bề mặt chặt sít hơn, xuất hiện hạt nano bạc (~50 nm) và nano đồng (~60 nm) phân tán đồng đều.
    • Phổ EDX xác nhận sự hiện diện của Ag (10,48%) và Cu (0,52%) trên màng biến tính, đồng thời tăng hàm lượng C và O, giảm N do PEG được ghép thành công.
    • Phổ ATR-FTIR ghi nhận đỉnh mới ở 950 cm-1 (liên kết N-O) và mở rộng dải 3500-3100 cm-1 do nhóm -OH của PEG, chứng tỏ liên kết hóa học giữa PEG và màng.
    • Góc thấm ướt giảm từ 49,25º (màng nền) xuống 22,89º (PEG-AgNPs) và 28,68º (PEG-CuNPs), tăng tính ưa nước rõ rệt.

  2. Khả năng kháng khuẩn:

    • Màng biến tính không xuất hiện khuẩn lạc sau 6 giờ tiếp xúc với E.coli 10^5–10^6 CFU/mL, trong khi màng nền có nhiều khuẩn lạc, chứng tỏ hiệu quả kháng khuẩn vượt trội của nano bạc và nano đồng.

  3. Tính năng tách lọc:

    • Ở nồng độ biến tính tối ưu (AgNO3 25 mM, CuSO4 20 mM, PEG 35 g/L), độ thấm nước tăng 30%, thông lượng lọc tăng 36% so với màng nền.
    • Độ lưu giữ BSA duy trì cao (~99%), không giảm hiệu quả tách lọc.
    • Khi tăng nồng độ muối bạc/đồng vượt mức tối ưu, độ thấm nước và thông lượng lọc giảm nhẹ do tăng trở lực màng.

  4. Khả năng kháng tắc và kháng tắc sinh học:

    • Sau 10 giờ lọc dung dịch BSA 500 ppm, thông lượng lọc chuẩn hóa của màng nền giảm còn 46%, trong khi màng biến tính duy trì trên 75%.
    • Khi ngâm vi khuẩn E.coli 4 ngày, màng biến tính duy trì thông lượng lọc chuẩn hóa 78%, cao hơn màng nền 65%.
    • Hiệu quả kháng tắc tương tự được ghi nhận với dung dịch phẩm màu RR261 và axit humic HA 500 ppm.
    • Kết quả cho thấy lớp PEG ưa nước và hạt nano kháng khuẩn giúp giảm hấp phụ chất gây tắc và ngăn chặn sự phát triển biofilm.

Thảo luận kết quả

Việc biến tính bề mặt màng TFC-PA bằng kỹ thuật trùng hợp ghép quang hóa với dung dịch PEG phân tán nano bạc và nano đồng đã thành công trong việc cải thiện tính ưa nước và khả năng kháng khuẩn của màng. Sự giảm góc thấm ướt và sự xuất hiện các nhóm chức PEG trên bề mặt tạo điều kiện hình thành lớp nước liên kết, làm giảm hấp phụ các chất gây tắc hữu cơ và vi sinh vật. Hạt nano bạc và đồng với kích thước nano nhỏ, phân tán đồng đều, phát huy hiệu quả kháng khuẩn mạnh mẽ, ngăn chặn sự hình thành biofilm, từ đó kéo dài chu kỳ sử dụng màng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo về khả năng kháng khuẩn của nano bạc và nano đồng trên màng TFC-PA, đồng thời cải thiện hơn nhờ sự cố định bền vững của hạt nano qua liên kết hóa học với PEG. Việc duy trì độ lưu giữ BSA cao cho thấy biến tính không làm suy giảm khả năng tách lọc, trong khi tăng thông lượng lọc giúp giảm năng lượng vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh góc thấm ướt, thông lượng lọc chuẩn hóa theo thời gian và số lượng khuẩn lạc trên màng, minh họa rõ ràng hiệu quả của biến tính. Bảng tổng hợp phần trăm nguyên tố trên bề mặt màng cũng hỗ trợ xác nhận thành công quá trình biến tính.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi màng biến tính trong xử lý nước thải dệt nhuộm và nước mặt ô nhiễm hữu cơ: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước áp dụng màng TFC-PA biến tính PEG-nano bạc/đồng để nâng cao hiệu quả lọc và giảm tắc màng, kéo dài tuổi thọ màng.

  2. Phát triển quy trình biến tính bề mặt màng quy mô công nghiệp: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô trùng hợp ghép quang hóa, tối ưu hóa thời gian và nồng độ dung dịch biến tính để đảm bảo hiệu quả và chi phí hợp lý.

  3. Tích hợp hệ thống lọc màng biến tính với các công nghệ xử lý khác: Kết hợp màng biến tính với phương pháp keo tụ, hấp phụ để xử lý triệt để các chất ô nhiễm khó phân hủy, nâng cao chất lượng nước đầu ra.

  4. Theo dõi và đánh giá lâu dài hiệu suất màng trong điều kiện vận hành thực tế: Khuyến nghị các đơn vị vận hành thực hiện giám sát thông lượng lọc, tần suất rửa màng và khả năng kháng tắc sinh học để điều chỉnh quy trình bảo trì phù hợp.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng các loại hạt nano khác và polyme ưa nước: Khuyến khích nghiên cứu thêm các vật liệu nano có tính kháng khuẩn và polyme ưa nước khác nhằm đa dạng hóa lựa chọn biến tính màng, tăng cường hiệu quả và độ bền.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa Môi trường, Công nghệ Màng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về biến tính màng lọc, giúp phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu lọc và xử lý nước.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp màng lọc công nghiệp: Thông tin về kỹ thuật biến tính bề mặt và hiệu quả cải thiện tính năng màng giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu xử lý nước ngày càng khắt khe.

  3. Các nhà quản lý và kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải: Hiểu rõ về nguyên nhân tắc màng và giải pháp kháng tắc sinh học giúp tối ưu hóa vận hành, giảm chi phí bảo trì và nâng cao hiệu quả xử lý.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học về công nghệ xử lý nước tiên tiến, hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách phát triển bền vững ngành xử lý nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải biến tính bề mặt màng TFC-PA?
    Màng TFC-PA có bề mặt kỵ nước và thô nhám, dễ bị tắc do hấp phụ chất hữu cơ và vi sinh vật. Biến tính bề mặt giúp tăng tính ưa nước và kháng khuẩn, giảm tắc màng, nâng cao hiệu suất lọc.

  2. PEG có vai trò gì trong biến tính màng?
    PEG là polyme ưa nước, giúp tăng tính ưa nước cho bề mặt màng, tạo lớp nước liên kết ngăn hấp phụ chất gây tắc. PEG còn giúp phân tán đồng đều hạt nano bạc và đồng trên màng.

  3. Nano bạc và nano đồng có ưu điểm gì?
    Cả hai loại nano này đều có khả năng kháng khuẩn mạnh, tiêu diệt vi sinh vật gây biofouling. Nano đồng có chi phí thấp hơn, nano bạc có hiệu quả kháng khuẩn vượt trội. Khi kết hợp với PEG, hiệu quả kháng tắc được tăng cường.

  4. Khả năng tách lọc của màng biến tính có bị ảnh hưởng không?
    Nghiên cứu cho thấy màng biến tính giữ được độ lưu giữ BSA khoảng 99%, không giảm hiệu quả tách lọc, đồng thời tăng độ thấm nước và thông lượng lọc lên đến 30-36%.

  5. Ứng dụng thực tế của màng biến tính này là gì?
    Màng biến tính phù hợp cho xử lý nước thải dệt nhuộm, nước mặt ô nhiễm hữu cơ, giúp giảm tắc màng, kéo dài tuổi thọ màng, tiết kiệm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng nước đầu ra.

Kết luận

  • Màng composite polyamide lớp mỏng (TFC-PA) đã được biến tính thành công bằng kỹ thuật trùng hợp ghép quang hóa với dung dịch PEG phân tán nano bạc và nano đồng.
  • Biến tính làm tăng tính ưa nước (góc thấm ướt giảm từ 49º xuống ~26º), cải thiện độ thấm nước và thông lượng lọc lên 30-36%, đồng thời duy trì độ lưu giữ chất tan ~99%.
  • Màng biến tính thể hiện khả năng kháng khuẩn vượt trội, ngăn chặn sự phát triển vi sinh vật và hình thành biofilm, giảm hiện tượng tắc màng sinh học.
  • Khả năng kháng tắc và kháng tắc sinh học được nâng cao rõ rệt, thông lượng lọc chuẩn hóa sau 10 giờ lọc duy trì trên 75%, so với 46% của màng nền.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển màng lọc hiệu quả, bền vững cho xử lý nước ô nhiễm hữu cơ, đề xuất ứng dụng và phát triển quy trình biến tính quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải dệt nhuộm và nước mặt, đồng thời nghiên cứu mở rộng các vật liệu biến tính mới để nâng cao hiệu quả và độ bền của màng lọc.