Luận án tiến sĩ nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc composit polyamid lớp mỏng

Màng TFC-PA có nhược điểm cố hữu. Màng dễ bị fouling (tắc nghẽn) trong quá trình hoạt động. Fouling làm giảm lưu lượng thấm, tăng chi phí vận hành. Vấn đề này làm hạn chế ứng dụng rộng rãi của màng. Giữ nguyên hiệu suất tách cao là yêu cầu bắt buộc. Màng cần có khả năng chống bám bẩn tốt hơn. Tìm kiếm giải pháp tối ưu cho màng polyme composite là cần thiết.

Nghiên cứu đặt mục tiêu biến tính bề mặt màng lọc composite TFC-PA. Mục đích là nâng cao tính thấm nước màng lọc. Màng cũng cần có khả năng chống bám bẩn tốt hơn. Các phương pháp biến tính được khảo sát. Điều này bao gồm trùng hợp ghép quang hóa, trùng hợp ghép khởi mào oxy hóa khử. Phủ các hạt nano TiO2 cũng được thực hiện. Đánh giá đặc tính bề mặt và hiệu suất lọc của màng là trọng tâm.

Màng lọc composite biến tính mang lại nhiều lợi ích. Màng có khả năng chống bám bẩn vượt trội. Điều này kéo dài tuổi thọ của màng. Hiệu suất lọc được duy trì ổn định hơn. Chi phí vận hành hệ thống giảm đáng kể. Các màng nano composite có thể ứng dụng rộng rãi. Chúng phù hợp cho xử lý nước ô nhiễm, nước thải công nghiệp. Đây là bước tiến quan trọng trong công nghệ màng lọc nước composite.

Hai phương pháp trùng hợp ghép chính được triển khai. Phương pháp đầu tiên là trùng hợp ghép quang hóa. Nó sử dụng bức xạ UV để khởi động phản ứng. Phương pháp thứ hai là trùng hợp ghép khởi mào oxy hóa khử. Cả hai phương pháp đều dùng acid acrylic (AA) hoặc poly(ethylen glycol) (PEG) làm tác nhân ghép. Các tác nhân này tạo ra các nhóm chức hydrophilic mới trên bề mặt màng. Điều này làm tăng tính thấm nước màng lọc. Màng lọc polyme composite được cải thiện đáng kể.

Một phương pháp biến tính khác là phủ lớp hạt TiO2. Hạt TiO2 có kích thước nanomet. Lớp phủ này được tạo ra trên bề mặt màng TFC-PA. TiO2 được biết đến với tính chất siêu ưa nước và khả năng quang xúc tác. Khi chiếu xạ UV, TiO2 tăng cường tính ưa nước của màng. Điều này cũng giúp màng có khả năng chống bám bẩn tốt hơn. Đây là một giải pháp hiệu quả cho màng nano composite.

Quá trình biến tính bề mặt đã thay đổi đáng kể đặc tính màng. Phổ hồng ngoại phản xạ (ATR-FTIR) xác nhận sự xuất hiện của các nhóm chức mới. Các nhóm carbonyl, hydroxyl và TiOH ưa nước được tìm thấy. Góc tiếp xúc bề mặt giảm mạnh. Màng trở nên ưa nước hơn. Các hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) cho thấy sự thay đổi cấu trúc. Bề mặt màng composite biến tính trở nên nhám hơn và đồng đều hơn. Điều này đóng góp vào việc cải thiện hiệu suất của màng lọc nước composite.

Sau khi biến tính, bề mặt màng trở nên ưa nước hơn. Góc tiếp xúc bề mặt giảm mạnh. Từ 51 độ của màng ban đầu, nó giảm xuống khoảng 25 độ cho màng ghép với AA. Màng ghép với PEG giảm xuống khoảng 15 độ. Màng phủ TiO2 giảm xuống khoảng 33 độ. Đặc biệt, màng phủ TiO2 chiếu UV trở nên siêu ưa nước, với góc tiếp xúc nhỏ hơn 10 độ. Sự tăng cường tính thấm nước màng lọc này giúp dòng thấm qua màng ổn định hơn.

Việc giảm góc tiếp xúc bề mặt là một chỉ số quan trọng. Nó cho thấy bề mặt màng đã trở nên ưa nước hơn. Bề mặt ưa nước hơn làm giảm sự hấp phụ của các chất kỵ nước. Điều này giúp ngăn ngừa sự hình thành lớp bám bẩn. Màng lọc composite biến tính thể hiện khả năng này. Các phương pháp biến tính khác nhau tạo ra mức độ ưa nước khác nhau. Nhưng tất cả đều dẫn đến sự cải thiện đáng kể.

Khả năng chống bám bẩn màng được cải thiện rõ rệt. Thử nghiệm với các chất gây ô nhiễm cho thấy điều này. Màng biến tính duy trì lưu lượng thấm tốt hơn. Màng cũng dễ dàng phục hồi sau khi vệ sinh. Điều này trực tiếp kéo dài chu kỳ hoạt động của màng. Nó giảm tần suất vệ sinh. Các màng nano composite với TiO2 thể hiện tính năng chống bám bẩn xuất sắc. Đây là một lợi thế lớn cho các ứng dụng thực tế.

Màng biến tính cho thấy hiệu quả tách cao đối với các chất hữu cơ. Màng cũng tách tốt các chất vô cơ hòa tan trong nước. Các hợp chất này thường gây ô nhiễm nguồn nước. Màng composite biến tính giúp loại bỏ chúng. Điều này cải thiện chất lượng nước sau xử lý. Màng lọc nước composite cung cấp một giải pháp bền vững.

Nghiên cứu cũng đánh giá khả năng loại bỏ ion kim loại nặng. Các ion này là mối quan ngại lớn đối với sức khỏe con người. Màng lọc composit biến tính đã chứng minh hiệu quả. Màng có khả năng loại bỏ các ion kim loại nặng. Điều này làm tăng giá trị ứng dụng của màng. Đặc biệt trong các ngành công nghiệp. Màng UF composite và màng NF composite rất hứa hẹn.

Kết quả nghiên cứu mở ra nhiều tiềm năng. Màng lọc nước composite có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Xử lý nước cấp, nước thải công nghiệp, tái sử dụng nước là các ví dụ. Màng nano composite thể hiện tính ưu việt. Màng kết hợp hiệu suất tách cao và khả năng chống bám bẩn tốt. Đây là công nghệ tiên tiến cho ngành xử lý nước.

Nồng độ tác nhân ghép và thời gian trùng hợp rất quan trọng. Acid acrylic (AA) và poly(ethylen glycol) (PEG) được sử dụng làm tác nhân ghép. Nồng độ tối ưu của AA là 10 g/L. Thời gian trùng hợp tối ưu là 7 phút cho quang hóa và 5 phút cho oxy hóa khử. Đối với PEG, nồng độ tối ưu là 30 g/L. Thời gian trùng hợp là 10 phút. Các điều kiện này giúp tạo ra lớp biến tính đồng đều. Lớp biến tính có các nhóm chức ưa nước mong muốn.

Nồng độ chất khởi mào ảnh hưởng đến hiệu quả trùng hợp ghép. Chất khởi mào cần được tối ưu. Nó đảm bảo phản ứng diễn ra hiệu quả mà không làm hỏng màng. Đối với phương pháp phủ TiO2, hàm lượng huyền phù TiO2 cũng quan trọng. Hàm lượng 15 ppm cho kết quả tốt nhất. Việc này đảm bảo lớp phủ mỏng, đồng đều. Lớp phủ duy trì cấu trúc xốp của màng.

Nghiên cứu đã xác định các điều kiện tối ưu. Màng ghép quang hóa với AA (10 g/L, 7 phút) cho hiệu quả cao. Màng ghép oxy hóa khử với AA (10 g/L, 5 phút) cũng vậy. Màng ghép quang hóa với PEG (30 g/L, 10 phút) cũng rất tốt. Màng phủ TiO2 (15 ppm, chiếu UV 30 giây) đạt tính siêu ưa nước. Các điều kiện này là cơ sở để sản xuất màng nano composite. Màng có hiệu suất cao, ứng dụng thực tiễn.

Tính thấm nước và khả năng chống bám bẩn được đánh giá song song. Góc tiếp xúc bề mặt là chỉ số trực tiếp của tính ưa nước. Các thử nghiệm lọc dài hạn được tiến hành. Điều này để đánh giá sự suy giảm lưu lượng. Màng biến tính thể hiện sự ổn định vượt trội. Màng duy trì lưu lượng cao hơn so với màng gốc. Khả năng phục hồi lưu lượng sau vệ sinh cũng tốt hơn. Đây là bằng chứng rõ ràng cho khả năng chống bám bẩn màng được cải thiện.

Màng UF composite biến tính có nhiều ứng dụng thực tế. Màng này phù hợp cho tiền xử lý nước. Màng có thể dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Khả năng loại bỏ các hạt lơ lửng, vi khuẩn và virus là cao. Màng biến tính giúp kéo dài chu kỳ hoạt động. Màng giảm chi phí vận hành cho các nhà máy xử lý nước.

Màng NF composite biến tính cũng có tiềm năng lớn. Màng này có khả năng loại bỏ các ion hóa trị hai. Màng cũng loại bỏ các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp. Ứng dụng của màng NF composite bao gồm làm mềm nước. Màng cũng được dùng để loại bỏ các vi chất ô nhiễm. Với khả năng chống bám bẩn được cải thiện, màng NF composite trở thành lựa chọn hấp dẫn. Màng có thể được sử dụng trong các quy trình tách và tinh chế tiên tiến.