Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile, góp phần nâng cao hiệu suất lọc và ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Phạm Thị Phượng
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thị Dung
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Biến Tính Bề Mặt Màng Lọc Polyacrylonitrile
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Giới thiệu về màng lọc và các quá trình tách dùng màng
• 1.1. Cơ chế tách qua màng
• 1.1.1. Thuyết sàng lọc
• 1.1.2. Thuyết hòa tan khuếch tán
• 1.1.3. Thuyết mô hình mao quản
• 1.2. Một số đặc trưng cơ lý của màng
• 1.3. Các quá trình màng động lực áp suất
• 1.3.1. Màng vi lọc (Microfiltration) (MF)
• 1.3.2. Màng siêu lọc (Ultrafitration) (UF)
• 1.3.3. Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) và lọc nano (Nanofiltration)
• 1.4. Các thông số của quá trình tách qua màng
• 1.4.1. Độ lưu giữ R
• 1.4.2. Độ chọn lọc φ
• 1.4.3. Lưu lượng lọc J
• 1.4.4. Độ thấm nước
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng
• 1.5.1. Sự phân cực nồng độ
• 1.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách
• 1.6. Ứng dụng của màng lọc
• 1.7. Các phương pháp chế tạo màng
• 1.7.1. Kỹ thuật dung kết nhiệt (sintering)
• 1.7.2. Kỹ thuật ăn mòn theo vết (track – etching)
• 1.7.3. Kỹ thuật đảo pha (phase inversion)
• 1.7.4. Cơ chế hình thành màng đảo pha đông tụ chìm
• 1.7.5. Tốc độ đông tụ và cấu trúc màng
• 1.7.6. Ảnh hưởng của nồng độ polyme trong dung dịch tạo màng
• 1.7.7. Ảnh hưởng của thời gian bay hơi dung môi
• 1.7.8. Nhiệt độ môi trường đông tụ
• 1.8. Biến tính bề mặt màng lọc
• 1.8.1. Trùng hợp ghép khơi mào plasma
• 1.8.2. Trùng hợp ghép khơi mào bằng các ion kim loại
• 1.8.3. Trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại (UV)
• 1.8.4. Trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử
• 1.9. Màng lọc Polyacrylonitrile (PAN)
• 1.10. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Chế tạo màng PAN bằng phương pháp đảo pha đông tụ chìm
• 2.4. Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép quang hóa
• 2.5. Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử
• 2.6. Đánh giá các đặc tính của màng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đường chuẩn xác định nồng độ protein trong dung dịch
• 3.2. Chế tạo màng lọc polyacrylonitrile (PAN)
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng
• 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian bay hơi dung môi
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đông tụ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của thành phần maleic trong dung dịch tạo màng
• 3.3. Biến tính bề mặt màng lọc PAN
• 3.3.1. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử bề mặt màng với acid maleic
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thực hiện phản ứng trùng hợp
• 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép (redox) với MA
• 3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch acid maleic
• 3.3.5. Trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử với acid acrylic
• 3.3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ tiến hành phản ứng trùng hợp ghép
• 3.3.7. Ảnh hưởng của nồng độ acid acrylic trong dung dịch trùng hợp
• 3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian trùng hợp ghép AA
• 3.3.9. Trùng hợp ghép quang hóa bề mặt màng với acid acrylic
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về màng lọc polyacrylonitrile hiệu quả

Màng lọc polyacrylonitrile (PAN) là một trong những loại màng lọc được sử dụng phổ biến trong công nghệ tách lọc hiện đại. Với khả năng tách lọc hiệu quả, màng PAN đã chứng minh được vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước, công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Màng lọc này có đặc điểm nổi bật là độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt và tính thấm chọn lọc ưu việt. Việc nghiên cứu và phát triển màng lọc polyacrylonitrile không chỉ giúp nâng cao hiệu quả tách lọc mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghệ lọc hiện đại.

1.1. Đặc điểm và tính chất của màng lọc polyacrylonitrile

Màng lọc polyacrylonitrile có nhiều đặc điểm nổi bật như độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt và tính thấm chọn lọc ưu việt. Đặc biệt, màng PAN có khả năng tách lọc các phân tử lớn và ion, giúp nâng cao hiệu quả trong các quá trình tách lọc. Các nghiên cứu cho thấy màng PAN có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, từ áp suất thấp đến cao, và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

1.2. Ứng dụng của màng lọc polyacrylonitrile trong công nghiệp

Màng lọc polyacrylonitrile được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như xử lý nước, sản xuất thực phẩm và dược phẩm. Trong ngành xử lý nước, màng PAN giúp loại bỏ các tạp chất và vi khuẩn, đảm bảo nước sạch cho sinh hoạt và sản xuất. Trong ngành thực phẩm, màng này được sử dụng để tách lọc các thành phần trong quá trình chế biến, nâng cao chất lượng sản phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu màng lọc polyacrylonitrile

Mặc dù màng lọc polyacrylonitrile có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề và thách thức trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng. Một trong những thách thức lớn nhất là hiện tượng fouling, tức là sự tích tụ của các chất bẩn trên bề mặt màng, làm giảm hiệu suất lọc. Ngoài ra, việc tối ưu hóa quy trình sản xuất màng cũng là một vấn đề cần được giải quyết để nâng cao chất lượng và hiệu quả của màng lọc.

2.1. Hiện tượng fouling và ảnh hưởng đến hiệu suất lọc

Hiện tượng fouling là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất trong quá trình sử dụng màng lọc polyacrylonitrile. Sự tích tụ của các chất bẩn trên bề mặt màng không chỉ làm giảm hiệu suất lọc mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ của màng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kiểm soát và giảm thiểu fouling là rất quan trọng để duy trì hiệu quả hoạt động của màng.

2.2. Quy trình sản xuất màng lọc polyacrylonitrile

Quy trình sản xuất màng lọc polyacrylonitrile cần được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của màng. Các yếu tố như nồng độ polymer, thời gian bay hơi dung môi và nhiệt độ môi trường đông tụ đều ảnh hưởng đến cấu trúc và tính năng của màng. Việc nghiên cứu và điều chỉnh các yếu tố này sẽ giúp nâng cao hiệu quả tách lọc của màng.

III. Phương pháp chế tạo màng lọc polyacrylonitrile hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo màng lọc polyacrylonitrile, trong đó kỹ thuật đảo pha là phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp này cho phép tạo ra màng với cấu trúc đồng nhất và tính năng tách lọc tốt. Ngoài ra, việc biến tính bề mặt màng cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả tách lọc.

3.1. Kỹ thuật đảo pha trong chế tạo màng

Kỹ thuật đảo pha là phương pháp chính để chế tạo màng lọc polyacrylonitrile. Phương pháp này cho phép tạo ra màng với cấu trúc đồng nhất và tính năng tách lọc tốt. Quá trình này bao gồm việc hòa tan polymer trong dung môi, sau đó tạo ra màng bằng cách làm đông tụ. Các yếu tố như nồng độ polymer và nhiệt độ đông tụ đều ảnh hưởng đến chất lượng của màng.

3.2. Biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile

Biến tính bề mặt màng lọc polyacrylonitrile là một trong những phương pháp quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả tách lọc. Các phương pháp biến tính như trùng hợp ghép quang hóa và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử đã được nghiên cứu và áp dụng. Việc biến tính bề mặt giúp cải thiện tính thấm và khả năng giữ lại các cấu tử cần tách.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của màng lọc polyacrylonitrile

Nghiên cứu về màng lọc polyacrylonitrile đã cho thấy nhiều kết quả khả quan trong việc nâng cao hiệu suất tách lọc. Các thí nghiệm cho thấy màng PAN có khả năng tách lọc cao đối với các phân tử lớn và ion, đồng thời duy trì được độ bền cơ học trong quá trình sử dụng. Những kết quả này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới cho màng lọc trong các lĩnh vực công nghiệp.

4.1. Kết quả thí nghiệm về hiệu suất tách lọc

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng màng lọc polyacrylonitrile có khả năng tách lọc cao đối với các phân tử lớn và ion. Hiệu suất tách lọc của màng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ polymer, thời gian bay hơi dung môi và nhiệt độ môi trường đông tụ. Những kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của màng trong các lĩnh vực khác nhau.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của màng lọc polyacrylonitrile

Màng lọc polyacrylonitrile đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước, sản xuất thực phẩm và dược phẩm. Việc sử dụng màng PAN giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Những ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu màng lọc polyacrylonitrile

Nghiên cứu về màng lọc polyacrylonitrile đã đạt được nhiều kết quả khả quan, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghệ tách lọc hiện đại. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả và độ bền của màng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ mới trong lĩnh vực công nghệ lọc.

5.1. Những thách thức trong nghiên cứu và phát triển màng lọc

Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả khả quan, nhưng nghiên cứu về màng lọc polyacrylonitrile vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Hiện tượng fouling và quy trình sản xuất màng là hai vấn đề lớn cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả và độ bền của màng.

5.2. Triển vọng tương lai của màng lọc polyacrylonitrile

Tương lai của nghiên cứu màng lọc polyacrylonitrile hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ mới trong lĩnh vực công nghệ lọc. Việc phát triển các phương pháp chế tạo và biến tính bề mặt màng sẽ giúp nâng cao hiệu quả tách lọc, mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghiệp và đời sống.

Nội dung chính

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 yêu cầu cấp thiết. Màng lọc polyacrylonitrile (PAN) được đánh giá cao nhờ tính bền nhiệt, bền hóa học và khả năng chống vi khuẩn tốt, tuy nhiên, nhược điểm về tính kỵ nước và dễ bị tắc nghẽn sinh học làm giảm hiệu suất sử dụng. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt màng lọc PAN nhằm nâng cao năng suất lọc, độ lưu giữ và khả năng chống tắc nghẽn màng.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo màng bằng kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm đến cấu trúc và tính năng tách lọc, đồng thời nghiên cứu biến tính bề mặt màng PAN bằng các 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. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm màng lọc, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội trong năm 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển màng lọc có hiệu suất cao, giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn, từ đó nâng cao tuổi thọ và hiệu quả kinh tế của hệ thống lọc màng. Các chỉ số đánh giá như lưu lượng lọc, độ lưu giữ protein và hệ số fouling bất thuận nghịch được sử dụng làm metrics chính để đo lường hiệu quả của màng sau biến tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về quá trình tách qua màng, bao gồm:

• Thuyết sàng lọc: Màng lọc gồm nhiều mao quản với kích thước lỗ xác định, cấu tử nhỏ hơn kích thước lỗ sẽ đi qua màng, còn lại bị giữ lại. Thuyết này phù hợp với màng siêu lọc và vi lọc.

• Thuyết hòa tan khuếch tán: Dưới áp suất cao, dung môi và chất tan khuếch tán qua màng với tốc độ khác nhau, hiệu quả tách phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của từng thành phần.

• Thuyết mô hình mao quản: Màng bán thấm có lớp nước liên kết hấp phụ trên bề mặt và trong mao quản, lớp này hạn chế sự hòa tan và đi qua của chất tan, giúp màng chỉ cho nước tinh khiết đi qua.

Ngoài ra, các đặc trưng cơ lý của màng như mật độ lỗ, độ xốp, độ dày, độ thấm ướt, độ nén ép và trở lực màng cũng được xem xét để giải thích ảnh hưởng đến hiệu suất lọc. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng như sự phân cực nồng độ, bản chất vật liệu, áp suất làm việc và hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling) cũng được phân tích chi tiết.

Phương pháp biến tính bề mặt màng tập trung vào kỹ thuật trùng hợp ghép quang hóa dưới bức xạ tử ngoại (UV) và trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, nhằm cải thiện tính ưa nước và khả năng chống tắc nghẽn màng mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong của màng PAN.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo và biến tính màng PAN tại phòng thí nghiệm, sử dụng các hóa chất như PAN, axit maleic, axit acrylic, benzophenone, dung môi DMF, methanol và các thiết bị chuyên dụng như thiết bị chiếu bức xạ UV, thiết bị trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử, máy đo phổ hồng ngoại, máy hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi lực nguyên tử (AFM), thiết bị lọc màng gián đoạn.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Chế tạo màng PAN bằng kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm với biến đổi các điều kiện: nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng, thời gian bay hơi dung môi, nhiệt độ môi trường đông tụ, thành phần dung dịch tạo màng (thêm axit maleic), và bay hơi dung môi dưới bức xạ UV.

• Biến tính bề mặt màng PAN bằng trùng hợp ghép quang hóa với benzophenone làm chất nhạy sáng và monome axit maleic hoặc axit acrylic, đồng thời trùng hợp ghép khơi mào oxy hóa khử sử dụng hệ K2S2O8/Na2S2O5.

• Đánh giá đặc tính màng qua các chỉ số: lưu lượng lọc (J), độ lưu giữ protein (R), hệ số fouling bất thuận nghịch (FRW), độ thấm nước, và mức độ duy trì lưu lượng lọc theo thời gian (FM).

• Quan sát cấu trúc màng bằng SEM và AFM để phân tích hình thái và độ thô nhám bề mặt.

Cỡ mẫu thí nghiệm được lựa chọn phù hợp với từng điều kiện biến đổi, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu là chọn các nồng độ và điều kiện chế tạo tiêu biểu để khảo sát ảnh hưởng từng yếu tố. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2017 với các giai đoạn chuẩn bị, thực hiện thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

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 phù hợp để tạo màng có độ bền cơ học tốt.
   • Khi tăng nồng độ PAN, lưu lượng lọc giảm từ khoảng 35 L/m²h xuống còn khoảng 10,5 L/m²h, trong khi độ lưu giữ protein tăng từ 25,5% lên đến 88,4%.
   • Hệ số fouling bất thuận nghịch duy trì ở mức cao từ 93% đến 97%, cho thấy màng dễ bị tắc nghẽn.
   • SEM cho thấy màng với nồng độ PAN cao có cấu trúc ít xốp hơn, lớp bề mặt dày và chặt sít hơn.

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

   • Thời gian bay hơi dài 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.
   • Thời gian bay hơi ngắn hơn tạo màng xốp hơn, lưu lượng lọc cao hơn nhưng độ lưu giữ protein thấp hơn.

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

   • Nhiệt độ đông tụ cao (khoảng 17°C) làm quá trình đông tụ nhanh, màng có cấu trúc xốp hơn, kích thước lỗ lớn hơn, lưu lượng lọc tăng.
   • Nhiệt độ thấp (khoảng 7°C) làm quá trình đông tụ chậm, màng có cấu trúc chặt sít hơn, kích thước lỗ nhỏ hơn, lưu lượng lọc giảm nhưng độ lưu giữ protein tăng.

4. Biến tính bề mặt màng bằng trùng hợp ghép quang hóa và khơi mào oxy hóa khử:

   • Màng biến tính với axit maleic và axit acrylic tăng đáng kể tính ưa nước, giảm hấp phụ protein và cải thiện khả năng chống tắc nghẽn.
   • Nồng độ monome, thời gian trùng hợp và nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng rõ đến hiệu quả biến tính.
   • Hệ số fouling bất thuận nghịch giảm đáng kể sau biến tính, cho thấy khả năng chống tắc nghẽn được cải thiện.
   • AFM và SEM cho thấy bề mặt màng trở nên trơn nhẵn hơn, độ thô nhám giảm sau biến tính.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc điều chỉnh nồng độ PAN trong dung dịch tạo màng và các điều kiện đông tụ có thể kiểm soát cấu trúc màng, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng lọc và độ lưu giữ protein. Cấu trúc màng bất đối xứng với lớp bề mặt mỏng và lớp đỡ xốp được hình thành nhờ kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm, phù hợp với các ứng dụng siêu lọc.

Biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép quang hóa và khơi mào oxy hóa khử giúp cải thiện tính ưa nước và giảm hiện tượng fouling, đồng thời giữ nguyên cấu trúc bên trong màng. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học về khả năng nâng cao hiệu suất lọc và chống tắc nghẽn của màng PAN sau biến tính bề mặt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lưu lượng lọc theo nồng độ PAN, đồ thị độ lưu giữ protein, biểu đồ hệ số fouling theo thời gian trùng hợp, cùng hình ảnh SEM và AFM minh họa cấu trúc và bề mặt màng trước và sau biến tính.

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.
   • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng để điều chỉnh quy trình sản xuất.
   • Chủ thể thực hiện: Bộ phận R&D các nhà máy sản xuất màng lọc.

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

   • Khuyến nghị điều chỉnh thời gian bay hơi và nhiệt độ đông tụ để tạo cấu trúc màng phù hợp với mục đích sử dụng (ví dụ: màng xốp cho lưu lượng cao hoặc màng chặt sít cho độ lưu giữ cao).
   • Thời gian thực hiện: 2-4 tháng thử nghiệm và hiệu chỉnh.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm phát triển sản phẩm.

3. Áp dụng phương pháp biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép quang hóa và khơi mào oxy hóa khử

   • Khuyến khích sử dụng axit maleic và axit acrylic làm monome biến tính để tăng tính ưa nước và khả năng chống fouling.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để hoàn thiện quy trình biến tính và đánh giá hiệu quả.
   • Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ màng.

4. Phát triển hệ thống đánh giá và kiểm soát chất lượng màng sau biến tính

   • Thiết lập quy trình kiểm tra lưu lượng lọc, độ lưu giữ protein và hệ số fouling để đảm bảo chất lượng màng ổn định.
   • Thời gian thực hiện: 3 tháng xây dựng và đào tạo.
   • Chủ thể thực hiện: Bộ phận kiểm soát chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Màng

   • Lợi ích: Hiểu rõ về quy trình chế tạo và biến tính màng PAN, áp dụng vào nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.
   • Use case: Phát triển màng lọc có hiệu suất cao, chống fouling.

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

   • Lợi ích: Áp dụng các kỹ thuật chế tạo và biến tính để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và thay thế màng.
   • Use case: Tối ưu hóa quy trình sản xuất màng PAN thương mại.

3. Các tổ chức và cơ quan quản lý môi trường, xử lý nước thải

   • Lợi ích: Hiểu về công nghệ màng lọc tiên tiến, lựa chọn màng phù hợp cho các hệ thống xử lý nước.
   • Use case: Cải thiện hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

4. Ngành y sinh và dược phẩm

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ màng lọc siêu lọc và biến tính bề mặt để ứng dụng trong lọc máu, sản xuất dược phẩm.
   • Use case: Phát triển màng lọc có tính tương thích sinh học cao, giảm hấp phụ protein.

Câu hỏi thường gặp

1. Màng PAN có ưu điểm gì so với các loại màng khác?
   Màng PAN có tính bền nhiệt, bền hóa học và khả năng chống vi khuẩn tốt. Tuy nhiên, nó kỵ nước và dễ bị fouling, nên cần biến tính bề mặt để cải thiện hiệu suất.

2. Kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm ảnh hưởng thế nào đến cấu trúc màng?
   Kỹ thuật này cho phép kiểm soát cấu trúc màng bất đối xứng với lớp bề mặt mỏng và lớp đỡ xốp, ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng lọc và độ lưu giữ.

3. Phương pháp trùng hợp ghép quang hóa có ưu điểm gì?
   Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp, tạo liên kết hóa học bền vững trên bề mặt màng, tăng tính ưa nước và khả năng chống fouling mà không ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong.

4. Làm thế nào để giảm hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling)?
   Có thể giảm fouling bằng cách biến tính bề mặt màng để tăng tính ưa nước, giảm hấp phụ protein, đồng thời điều chỉnh điều kiện vận hành như áp suất, tốc độ dòng chảy.

5. Các chỉ số nào dùng để đánh giá hiệu quả màng lọc?
   Các chỉ số chính gồm lưu lượng lọc (J), độ lưu giữ protein (R), hệ số fouling bất thuận nghịch (FRW), độ thấm nước và mức độ duy trì lưu lượng theo thời gian (FM).

Kết luận

• Đã nghiên cứu thành công quy trình chế tạo màng lọc PAN bằng kỹ thuật đảo pha đông tụ chìm với các điều kiện tối ưu cho cấu trúc và tính năng lọc.
• Phương pháp biến tính bề mặt bằng trùng hợp ghép quang hóa và khơi mào oxy hóa khử với axit maleic và axit acrylic nâng cao tính ưa nước và khả năng chống fouling của màng.
• Kết quả thí nghiệm cho thấy lưu lượng lọc và độ lưu giữ protein được cải thiện rõ rệt, đồng thời giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn màng.
• Các kỹ thuật phân tích SEM và AFM minh họa rõ sự thay đổi cấu trúc và bề mặt màng sau biến tính.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng trong các lĩnh vực xử lý nước, y sinh và công nghiệp.

Áp dụng quy trình biến tính bề mặt vào sản xuất thử nghiệm, đồng thời phát triển hệ thống đánh giá chất lượng màng để đảm bảo hiệu quả lâu dài. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để chuyển giao công nghệ và thương mại hóa sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ màng lọc phát triển mạnh mẽ và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ƣu điểm của kỹ thuật lọc màng là có thể tách đƣợc các cấu tử có kích thƣớc khác nhau, từ cỡ hạt đến cỡ ion, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, quá trình tách không phải sử dụng thêm các hóa chất khác, là phƣơng pháp tách hiện đại, tiết kiệm năng lƣợng và thân thiện với môi trƣờng. Màng lọc là phần quan trọng nhất trong hệ tách lọc màng. Màng cần phải có độ lƣu giữ tốt, năng suất lọc cao, có thời gian làm việc lâu và dễ làm sạch.

Tùy thuộc đối tƣợng và yêu cầu lọc tách mà sử dụng các loại màng lọc khác nhau. Bên cạnh việc nghiên cứu chế tạo màng, phƣơng pháp biến tính bề mặt màng lọc nhằm nâng cao các đặc tính bề mặt và tính năng tách lọc của màng là một hƣớng nghiên cứu đang rất đƣợc quan tâm. Quá trình biến tính bề mặt có thể làm thay đổi tính chất của bề mặt màng mà không ảnh hƣởng đến cấu trúc bên trong vật liệu, vì vậy, vẫn giữ đƣợc những đặc tính tốt của vật liệu màng nền ban đầu. Ngoài ra, do chỉ cần tác động lên lớp bề mặt nên tiết kiệm đƣợc khá nhiều chi phí so với việc chế tạo vật liệu màng lọc hoàn toàn mới.

Trong luận văn này, màng lọc polyacrylonitrile (PAN) đƣợc nghiên cứu chế tạo bằng kỹ thuật đảo pha. Ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo đến cấu trúc và tính năng tách lọc của màng đƣợc khảo sát và đánh giá. Tiếp theo, bề mặt màng PAN đƣợc nghiên cứu biến tính bằng phƣơng pháp trùng hợp ghép quang hóa và trùng hợp ghép khơi mào oxi hóa khử, với tác nhân trùng hợp ghép là axit maleic và axit acrylic. Ảnh hƣởng của các điều kiện biến tính bề mặt đến đặc tính của màng đƣợc khảo sát và đánh giá, với đối tƣợng lọc tách là protein trong dung dịch.

Luận văn đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm màng lọc, Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Hóa, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội. 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1. Giới thiệu về màng lọc và các quá trình tách dùng màng Màng lọc là vật liệu đƣợc sử dụng trong quá trình tách một hỗn hợp đồng thể hay dị thể ( lỏng – lỏng, lỏng – rắn, khí – rắn, khí – khí). Nói một cách khác, màng lọc là một lớp chắn có tính thấm chọn lọc đƣợc đặt giữa hai pha – pha đi vào và pha thấm qua.

Màng có thể có cấu trúc đồng thể hoặc dị thể, sự vận chuyển chất qua màng có thể xảy ra một cách tự nhiên hay cƣỡng bức. Động lực của quá trình là sự chênh lệch áp suất, nồng độ, nhiệt độ hay điện trƣờng giữa hai phía màng [5, 34]. Lƣu lƣợng pha thấm qua màng tỷ lệ thuận với động lực quá trình: Với: J là lƣu lƣợng qua màng A là hệ số tỷ lệ (thay đổi theo bản chất của quá trình chuyển dịch) dX/dx là động lực quá trình (gradient nhiệt độ, nồng độ, áp suất) Trong phạm vi các màng tổng hợp (dạng rắn), về mặt cấu trúc, có thể chia thành hai loại: màng đối xứng hoặc bất đối xứng (Hình 1. Màng đối xứng là loại màng có cấu trúc đồng nhất từ trên xuống dƣới với hai mặt hoàn toàn nhƣ nhau, màng có thể xốp hoặc không xốp, trở lực chuyển khối qua màng đƣợc quyết định bởi độ dày của màng, ví dụ: màng xenlophan, cuprophan, neprophan….

Loại màng này thƣờng dùng trong các quá trình vi lọc (microfiltration) để tách lọc các tiểu phân nhỏ hoặc dùng cho thẩm tách máu [4, 5, 34]. Màng bất đối xứng là loại màng có cấu trúc gồm lớp hoạt động ở trên lớp đỡ xốp, và quyết định trở lực chuyển khối, khả năng tách giữ của màng, lớp xốp đỡ làm tăng độ bền cơ học của màng. Chiều dày và kích thƣớc lỗ của lớp hoạt động nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dày và kích thƣớc lỗ của lớp đỡ xốp. Lớp đỡ xốp và lớp hoạt động có thể làm từ cùng một loại vật liệu hoặc là làm từ các loại vật liệu 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] khác nhau.

Màng có cấu trúc bất đối xứng thƣờng có lƣu lƣợng lọc cao hơn so với màng đối xứng [5, 33]. Màng compozit là một trƣờng hợp đặc biệt của màng bất đối xứng, với lớp bề mặt và lớp đỡ xốp đƣợc chế tạo từ hai loại vật liệu khác nhau, mỗi lớp có thể đƣợc chế tạo độc lập ở điều kiện tối ƣu. So với các màng khác, màng composit có hiệu quả tách cao hơn do lớp bề mặt mỏng và lớp đỡ có độ bền cơ học tốt [22, 25, 34]. Cấu trúc đối xứng Cấu trúc bất đối xứng Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt xốp Màng xốp dạng mao quản Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt không xốp Màng xốp dạng tổ ong Lớp đỡ xốp, lớp bề mặt không xốp làm từ các vật liệu khác nhau Màng không xốp Hình 1.1: Cấu trúc của các loại màng lọc khác nhau 1.

Cơ chế tách qua màng 1. Thuyết sàng lọc Thuyết này cho rằng màng lọc gồm nhiều mao quản có kích thƣớc lỗ xác định. Cấu tử nào có kích thƣớc bé hơn kích thƣớc mao quản thì sẽ vận chuyển qua màng còn cấu tử nào có kích thƣớc lớn hơn sẽ bị màng lƣu giữ lại. Thuyết này chỉ phù hợp với các quá trình siêu lọc và vi lọc (cấu tử cần tách có kích thƣớc lớn).

Trong trƣờng hợp các phân tử chất tan và dung môi có kích thƣớc tƣơng đƣơng nhau thì thuyết này không phù hợp [5, 34]. 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Thuyết hòa tan khuếch tán Thuyết này cho rằng dƣới động lực áp suất cao, dung môi và chất tan đều khuếch tán qua màng. Các phân tử sau khi thẩm thấu vào màng sẽ khuếch tán và tốc độ khuếch tán của chất tan và dung môi là khác nhau, tỉ lệ với hệ số khuếch tán.

Hệ số khuếch tán của dung môi càng lớn và của chất tan càng nhỏ thì quá trình tách càng hiệu quả. Thuyết hòa tan khuếch tán cho thấy ảnh hƣởng của vật liệu tạo màng đến hiệu quả tách lọc [4, 5, 21, 34]. Thuyết mô hình mao quản Thuyết này cho rằng màng bán thấm đƣợc cấu tạo từ nhiều mao quản, trên bề mặt màng bán thấm và trong mao quản hình thành một lớp nƣớc liên kết hấp phụ. Do tác dụng của các lực hóa lí, lớp nƣớc hấp phụ này đã mất đi một phần hay toàn bộ khả năng hòa tan chất tan, vì thế nó không cho chất tan đi qua mao quản.

Nếu các đƣờng kính mao quản có kích thƣớc đủ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nƣớc liên kết hấp phụ, thì màng chỉ cho nƣớc tinh khiết đi qua. Thuyết mô hình mao quản giải thích khá đầy đủ các cơ chế ảnh hƣởng đến quá trình tách [4, 5, 21]. Một số đặc trưng cơ lý của màng [4, 5, 34]. Mật độ lỗ là số lỗ trên một đơn vị diện tích bề mặt màng, trong cùng điều kiện, các màng có cùng đƣờng kính lỗ xốp thì màng có mật độ lỗ lớn hơn sẽ có độ xốp và lƣu lƣợng lọc cao hơn và ngƣợc lại.

Độ xốp của màng đƣợc định nghĩa là thể tích lỗ trống không bị chiếm bởi vật liệu tạo màng trên tổng thể tích màng. Độ xốp phụ thuộc vào kích thƣớc lỗ và mật độ lỗ của màng Chiều dày màng đƣợc khống chế khi chế tạo, màng càng dày thì trở lực của màng càng lớn, năng suất lọc của màng càng giảm, nhƣng màng sẽ bền hơn, thông thƣờng màng polyme đƣợc chế tạo có chiều dày từ 300 – 500 µm. Độ thấm ướt là một đặc trƣng quan trọng của màng lọc. Màng có tính thấm ƣớt tốt đối với dung môi cần lọc thì quá trình lọc xảy ra dễ dàng hơn và ngƣợc lại.

4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Độ nén ép: Khi làm việc với áp suất cao, màng bị nén lại làm cho độ xốp của màng giảm, trở lực của màng tăng, tùy thuộc vào áp suất chênh lệch và thời gian màng bị nén ép, năng suất lọc của màng giảm. Trở lực của màng là áp suất thủy tĩnh cần thiết để dung môi có thể chảy đƣợc qua màng với lƣu lƣợng riêng nào đó. Màng càng dày và càng ít lỗ thì trở lực của màng càng lớn và ngƣợc lại. Các quá trình màng động lực áp suất Các quá trình màng dùng động lực áp suất gồm: vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngƣợc [4, 5, 17, 21, 34].

Việc phân chia các quá trình màng mang tính tƣơng đối. Giới hạn tách của các loại màng dùng động lực áp suất đƣợc biểu diễn ở hình 1. Màng vi lọc (Microfiltration) (MF) Màng vi lọc có kích thƣớc lỗ từ 0.1 µm đến 10 µm, có khả năng lƣu giữ đƣợc những tiểu phân có kích thƣớc tƣơng đối lớn và các loại vi khuẩn, độ cản thủy lực thấp. Vật liệu tạo màng có thể là gốm, thủy tinh, kim loại hoặc polyme.

Polyme và ceramic là hai vật liệu quan trọng nhất trong chế tạo màng vi lọc. Màng siêu lọc (Ultrafitration) (UF) Màng siêu lọc có kích thƣớc lỗ 0.1 µm, có khả năng tách đƣợc các tiểu phân có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ và các phân tử có kích thƣớc trung bình. Vật liệu tạo màng thông thƣờng là polyme và có cấu trúc bất đối xứng. Quá trình tách qua màng xảy ra theo cơ chế sàng lọc (rây phân tử).

Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) và lọc nano (Nanofiltration) Màng thẩm thấu ngƣợc và lọc nano đều có cấu trúc bất đối xứng, kích thƣớc lỗ bề mặt vô cùng nhỏ, khoảng 1 – 2 nm (đối với màng RO) và khoảng 2 – 5 nm (đối với màng NF). Loại màng này có thể tách đƣợc các ion trong dung dịch và cho dung môi đi qua. Độ cản thủy lực của màng RO và NF khá lớn, theo đó, áp suất làm việc có thể lên đến 100 bar (đối với màng RO) và khoảng 7 – 30 bar (đối với màng 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Màng lọc nano và thẩm thấu ngƣợc khá giống nhau về cấu trúc và phƣơng pháp chế tạo.

Tuy nhiên, màng lọc nano có kích thƣớc lỗ lớn hơn so với màng thẩm thấu ngƣợc và sự chuyển khối qua màng lọc nano phức tạp hơn vì quá trình tách không chỉ xảy ra theo cơ chế hòa tan khuếch tán mà còn theo cả cơ chế sàng lọc. Nếu phân loại theo vật liệu của màng thì màng đƣợc chia làm ba loại: màng hữu cơ (polymeic), màng vô cơ (inorganic) và các loại màng sinh học. Màng polyme có thể chia làm hai loại là màng xốp và màng không xốp.