Luận văn Nghiên cứu tách thu hồi thuốc nhuộm dư trong nước thải nhuộm bằng màng lọc và khả năng giảm thiểu fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng

hấu ngược và trao đổi ion. Ô nhiễm hữu cơ và vi khuẩn được xử lý bằng các biện pháp là: khử trùng, ôxi hoá, diệt các vi khuẩn, oxy hoá ít nhiều hay toàn bộ chất hữu cơ, dùng màng lọc để loại bỏ ô nhiễm đặc biệt và hữu cơ[1,3,4]. Màng vi lọc được dùng chủ yếu làm tiền lọc (lọc sơ bộ) cho quá trình thẩm thấu ngược khi xử lý nước, hậu lọc ở phía sau cột nhựa trao đổi ion để giữ lại các hạt nhựa nhỏ, hoặc để giữ lại các vi khuẩn[10,14]. Màng siêu lọc được dùng trong các chu trình sản xuất ở khâu xử lý kết thúc để giữ lại các virut, phân tử lớn và các hạt. Nó được sử dụng nhiều nhất là khi súc rửa nóng ở nhiệt độ 60 - 80oC. Thẩm thấu ngược được dùng cho hệ thống nước cấp để giảm nhẹ khâu loại muối khoáng, mặt khác có thể loại bỏ hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ khác. Trong công nghiệp dược phẩm, yêu cầu về lượng nước thấp hơn nhưng về chất lượng thì cũng tương tự như trong công nghiệp điện tử. Do vậy, đã có nhiều kỹ thuật xử lý khác nhau trong đó kỹ thuật màng cũng được nghiên cứu để triển khai ứng dụng. Sơ đồ một hệ thống sản xuất nước siêu sạch được đưa ra ở hình 1.8. Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống sản xuất nước siêu sạch dùng màng lọc Xử lý nước Màng lọc có khả năng giải quyết một cách hiệu quả các vấn đề về xử lý nước, xét về khía cạnh kinh tế ngày nay kỹ thuật này được ứng dụng ngày càng nhiều trong xử lý công nghiệp nhằm: Thu hồi nước có chất lượng cao để dùng lại. Làm tăng giá trị chất cô đặc. Trong trường hợp này, thu hồi chất thải đồng thời loại bỏ ô nhiễm và làm tăng giá trị chất cô đặc. Xử lý các chất thải khó và ít có khả năng phân huỷ sinh học hay gây độc... Cô đặc huyền phù từ 30 ppm đến 300 ppm Làm trong các dung dịch chứa các tạp chất dưới dạng huyền phù, dầu và mỡ. Trên thị trường hiện có nhiều loại thiết bị lọc màng được bán kèm với các bộ lọc khác nhau, nhiều nhất là các thiết bị lọc dùng cho các hộ gia đình và cơ quan để lọc làm sạch nước dùng cho sinh hoạt và ăn uống. Các bộ lọc đi kèm hệ thống thiết bị gồm các lõi lọc thô và lọc tinh, lọc tiệt trùng, lọc tạo khoáng . Một hệ lọc thường gồm ít nhất 3 lõi lọc và nhiều nhất là 7 lõi. Bộ phận quan trọng nhất quyết định chất lượng nước sản phẩm là lõi lọc RO/NF. Thông thường, sau một thời gian sử dụng thì phải thay thế các lõi lọc để đảm bảo chất lượng của nước sử dụng. Các lõi lọc RO hiện có trên thị trường do nước ngoài sản xuất gồm Filmtech (Mỹ), Vontron (Trung quốc), Nasa (Nhật), Hansan (Hàn Quốc) Màng lọc RO viết tắt từ hai chữ REVERSE OSMOSIS (thẩm thấu ngược). Màng lọc RO được sản xuất từ chất liệu Polyamide (PA) hoặc Cellulose Acetate (CA) với kích thước lỗ màng từ 0.001-0.0001µm. Công nghệ lọc RO được phát minh và nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển hoàn thiện vào thập niên 80 sau đó. Đầu tiên màng RO được nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu cho lĩnh vực hàng hải và vũ trụ của Mỹ. Sau này công nghệ RO được ứng dụng rộng rãi vào trong đời sống và sản xuất, như sản xuất nước uống, cung cấp nước tinh khiết cho sản xuất thực phẩm, dược phẩm hay phòng thí nghiệm... [21] Nguyên lý làm việc của quá trình thẩm thấu ngược có thể tóm tắt như sau: Khi đặt màng bán thấm vào giữa dung môi và dung dịch, một cách tự nhiên dung môi sẽ vận chuyển qua màng sang phía dung dịch cho tới khi chênh lệch áp suất thủy tĩnh ngăn không cho dung môi tiếp tục đi sang phía dung dịch. Hiện tượng này gọi là hiện tượng thẩm thấu và chênh lệch áp suất thủy tĩnh chính bằng áp suất thẩm thấu. Nếu ta đặt lên phía dung dịch một áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu thì sẽ xảy ra hiện tượng ngược lại, dung môi sẽ đi từ phía dung dịch sang phía dung môi, hiện tượng này gọi là thẩm thấu ngược. Một số mục tiêu tách loại các chất ô nhiễm của màng RO được đưa ra ở Bảng 1.2. Bảng 1.2. Một số mục tiêu tách loại các chất ô nhiễm của màng RO [23] Đối tượng tách Độ lưu giữ (%) Đối tượng tách Độ lưu giữ (%) Barium 97 Total dissol 95 Bicarbonate 94 Potassium 92 Cadmium 97 Radium 97 Calcium 97 Selenium 97 Chromate 92 Silicate 96 Copper 97 Silver 85 Detergents 97 Sodium 92 Fluoride 90 Strontium 97 Lead 97 Sulfate 97 Magnesium 97 PCBs 97 Nickel 97 Insecticides 97 Nitrates 80 Herbicides 97 Biến tính bề mặt màng lọc Để nâng cao tính năng tách của màng, giảm mức độ tắc màng nói chung, đặc biệt là trong quá trình tách các chất hữu cơ, ngoài các phương pháp rửa cơ học và lựa chọn chế độ thủy động thích hợp, gần đây việc nghiên cứu biến tính bề mặt màng là một giải pháp rất được quan tâm nghiên cứu. Phương pháp biến tính bề mặt có nhiều ưu điểm: Cải thiện được tính chất bề mặt vật liệu mà không gây ảnh hưởng đến tính chất bên trong vật liệu như khả năng bám dính, độ thấm nước, tính thích ứng sinh học, chống fouling ... mà không cần phải chế tạo lại toàn bộ khối vật liệu, nhưng vẫn có được bề mặt vật liệu với các tính chất mong muốn; hơn nữa phương pháp này sẽ giảm bớt chi phí chế tạo vật liệu vì chỉ cần tác động lên bề mặt mà không cần phải chế tạo toàn bộ khối vật liệu [36]. Hiện nay có rất nhiều phương pháp biến tính bề mặt vật liệu đang được nghiên cứu và phát triển, có thể chia thành ba nhóm chính là: Phương pháp vật lý – hóa học; Phương pháp cơ học và phương pháp sinh học. Trong đó, đa dạng và phổ biến nhất là phương pháp vật lý – hóa học, phương pháp này được chia thành ba nhóm nhỏ: thứ nhất là các phương pháp pha khí – vật liệu được xử lý trong các môi trường khí chứa các phần tử hoạt động (gốc tự do, electron, các phân tử bị kích thích) hay dưới các bức xạ điện từ (tia UV, tia γ, điện quang); thứ hai là các phương pháp pha lỏng và khối – bao gồm các kỹ thuật tạo lớp phủ vật lý hoặc thực hiện các phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu; thứ ba là kết hợp hai phương pháp thứ nhất và thứ hai tạo ra các lớp polyme trùng hợp ghép trên bề mặt vật liệu, ngoài ra người ta còn có thể biến tính bề mặt vật liệu trong những môi trường khí được phóng điện với tần số cao – môi trường plasma, kỹ thuật này có tác dụng chủ yếu là ăn mòn bề mặt, tạo các liên kết ngang trên bề mặt và phủ một lớp polyme mới lên trên bề mặt của vật liệu nền. Phương pháp cơ học chủ yếu là làm nhám bề mặt vật liệu (roughing). Phương pháp biến tính sinh học gồm có: hấp phụ vật lý các phân tử sinh học (protein, lipid, receptor,...) lên bề mặt vật liệu, tạo liên kết hóa học của các phân tử sinh học với các nhóm bề mặt hay nuôi cấy tế bào trên bề mặt vật liệu [11]. Hiện nay, việc nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc polyme là một vấn đề thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chế tạo màng do những ưu thế đặc biệt của phương pháp này. Một số kỹ thuật đã và đang được nghiên cứu là: kỹ thuật trùng hợp bề mặt, kỹ thuật phủ bề mặt, kỹ thuật plasma, kỹ thuật xử lý ozon, kỹ thuật trùng hợp ghép quang dùng tia UV... 1.3.1. Kỹ thuật trùng hợp bề mặt (tạo lớp hoạt động) Lớp đỡ xốp được ngâm trong dung dịch chứa một monome hoạt động, sau đó đưa vào dung dịch chứa một monome hoạt động khác. Hai monome này tương tác với nhau tạo thành một lớp polyme phủ trên bề mặt lớp đỡ xốp. Lớp polyme tạo thành (lớp hoạt động) có cấu trúc đặc khít với chiều dày thường nhỏ hơn 50 nm [7,8,35,37]. Hình 1.9. Kỹ thuật trùng hợp bề mặt 1.3.2. Kỹ thuật phủ nhúng Lớp đỡ (hay lớp đế) của màng bất đối xứng được nhúng vào dung dịch phủ có chứa một loại polyme hoặc monome. Nồng độ dung dịch phủ nhúng thấp (thường < 1 %). Khi lấy màng ra khỏi bể nhúng sẽ có một lớp mỏng dung dịch bám vào bề mặt lớp đỡ. Sau đó màng được xử lý nhiệt, bay hơi dung môi để cố định lớp phủ trên lớp đỡ [7]. Hình 1.10. Kỹ thuật phủ nhúng Phủ nhúng là phương pháp biến tính vật lý, nó có nhược điểm là lớp phủ không liên kết với bề mặt vật liệu bởi liên kết cộng hóa trị, do đó lớp phủ có xu hướng không bền và dễ bị loại bỏ khỏi bề mặt vật liệu [23, 38]. 1.3.3. Kỹ thuật trùng hợp plasma Plasma là một dạng tồn tại thứ tư của vật chất (ngoài ba dạng rắn, lỏng, khí). Plasma tạo thành khi một chất khí hoặc hỗn hợp khí được đặt trong điện trường thích hợp. Môi trường plasma chứa các phần tử bị kích thích (nguyên tử, phân tử, ion, điện tử). Khi đặt một chất nền vào môi trường plasma thì bề mặt chất nền sẽ bị tác dụng bởi các phần tử kích thích trong môi trường plasma, các tác động này có thể là tác động vật lý hoặc hoá học hay tác động đồng thời cả vật lý và hoá học [8]. Khi đặt một lớp đỡ (màng vi lọc hay siêu lọc) vào môi trường plasma tạo bởi các monome có khả năng trùng hợp. Trên bề mặt chất nền sẽ tạo thành một lớp màng cực mỏng (lớp bề mặt cho màng composite). Tính chất của lớp màng trùng hợp bằng kỹ thuật plasma phụ thuộc vào các yếu tố: Nồng độ monome trong môi trường plasma, bản chất vật liệu nền, thời gian trùng hợp, cường độ điện trường [33,31,38] Thông thường, kỹ thuật plasma được sử dụng để cải thiện tính ưa nước của bề mặt màng lọc polyme, theo đó làm giảm khả năng hấp phụ của bề mặt đối với protein cũng như các đối tượng tách có tính âm điện khác. Các tác giả trường đại học Colorado, Mỹ đã tiến hành nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc polyme trong môi trường plasma CO2 được đưa thêm vào một số hợp chất chứa oxy như axit carboxylic, ketone/aldehyde, các chất có nhóm chức ester. Quá trình xử lý trong môi trường plasma CO2 sẽ làm oxy hóa bề mặt vật liệu và hình thành nên bề mặt mới có tính ưa nước cao hơn. Kết quả thực nghiệm với màng vi lọc polyethersulfone cho thấy màng sau khi biến tính có tính ưa nước cao hơn hẳn và tính ưa nước của nó không hề thay đổi thậm chí sau sáu tháng để tiếp xúc với không khí [15]. 1.3.4. Xử lý nhiệt trong môi trường Ozone (O3) Trong những năm gần đây, công nghệ hóa học xanh đang thu hút được nhiều mối quan tâm trong vấn đề biến tính bề mặt vật liệu dưới các điều kiện êm dịu và an toàn, không đòi hỏi năng lượng cao. So với kỹ thuật plasma, kỹ thuật xử lý bằng O3 có một số ưu điểm như: an toàn với môi trường (vì O3 chỉ phân hủy thành O2), bề mặt polyme có thể được biến tính dưới áp suất khí quyển, tuy nhiên, hiệu quả biến tính bằng O3 thấp hơn một chút [9]. Theo phương pháp này, vật liệu polyme được đặt trong môi trường O3, dưới tác dụng của nhiệt độ, O3 phân hủy thành O2 và O, O có tính oxy hóa mạnh, nó phản ứng với bề mặt vật liệu tạo thành các nhóm C–O và C=O, sự có mặt của các nhóm này làm cho bề mặt vật liệu trở nên ưa nước hơn. Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc vào nhiệt độ phân hủy O3, thời gian tiếp xúc của vật liệu với O3, và bản chất của vật liệu nền. 1.3.5. Trùng hợp ghép quang bằng tia UV Tia UV được sử dụng rộng rãi trong quá trình trùng hợp ghép bề mặt vật liệu, tùy từng trường hợp, người ta có thể thêm các chất khơi mào quang hoặc chất nhạy sáng (điển hình là benzophenone và các dẫn xuất) để làm tăng tốc độ cũng như hiệu quả của quá trình trùng hợp. So với các phương pháp biến tính khác, trùng hợp ghép bề mặt bằng bức xạ UV cho thấy được những ưu điểm nổi bật như: tốc độ phản ứng nhanh, giá thành rẻ, thiết bị đơn giản, dễ dàng triển khai ở quy mô công nghiệp và quan trọng nhất là các chuỗi polyme được ghép chỉ giới hạn ở bề mặt vật liệu [23]. Trùng hợp ghép quang bằng tia UV có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào từng loại vật liệu nền, loại monome và mục đích sử dụng vật liệu sau biến tính. Quá trình có thể được mô tả khái quát như sau: vật liệu nền ban đầu được phủ chất nhạy sáng (nếu có), sau đó ngâm vật liệu vào dung dịch monome (có khả năng trùng hợp) rồi lấy ra chiếu bức xạ UV, hoặc trong quá trình ngâm kết hợp đồng thời chiếu tia UV, cũng có thể chiếu bức xạ UV lên bề mặt vật liệu trước sau đó mới ngâm vật liệu vào dung dịch monome [13,26,34]. Dưới tác dụng của tia UV, chất nhạy sáng bị kích thích, ở trạng thái kích thích nó có khả năng lấy đi một proton của vật liệu nền, tạo thành các gốc tự do trên bề mặt vật liệu, khơi mào cho quá trình trùng hợp. Với vật liệu nền có chứa các nhóm chức carbonyl hoặc ester thì có thể không cần dùng chất khơi mào quang, khi đó dưới tác dụng của tia UV, bản thân vật liệu có thể tự tách ra một proton hoặc một nhóm nhạy sáng để tạo các gốc tự do và quá trình trùng hợp vẫn xảy ra. Hoặc nếu sử dụng monome có khả năng tự trùng hợp (như axit acrylic, axit methacrylic, glycidyl acrylate, styrene,) thì cũng không cần dùng chất khơi mào quang. Việc ứng dụng kỹ thuật trùng hợp ghép quang trong lĩnh vực chế tạo màng lọc là một hướng nghiên cứu đang được quan tâm và phát triển do những lợi thế đặc biệt của phương pháp này. Ưu thế của kỹ thuật trùng hợp ghép bề mặt là phương pháp này có thể thực hiện được ở các điều kiện phản ứng êm dịu và nhiệt độ thấp, có độ chọn lọc cao bằng cách lựa chọn các chất nhạy sáng và chiều dài bước sóng kích thích thích hợp [16,27], và là một kỹ thuật tương đối đơn giản, chi phí thấp và có thể áp dụng trong phạm vi rộng [25]. lỗ xốp UV monome Màng nền Bề mặt Màng trùng hợp ghép bề mặt Hình. 1.11. Quá trình trùng hợp ghép bề mặt dưới bức xạ UV Một trong những mục đích chủ yếu của phương pháp biến tính trùng hợp ghép bề mặt màng lọc là nhằm làm tăng tính ưa dung môi cần lọc và giảm thiểu mức độ tắc màng (fouling), nâng cao hiệu quả của quá trình tách qua màng. Tính chất bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép phụ thuộc mạnh vào các điều kiện tiến hành trùng hợp như tính chất vật liệu nền, bản chất monome, nồng độ dung dịch monome, cường độ bức xạ, thời gian trùng hợp [16, 25, 33]. Khi được kích thích bởi bức xạ tử ngoại, trên bề mặt màng sẽ xuất hiện các gốc tự do, monome sẽ được trùng hợp ghép vào vị trí của các gốc tự do này và tạo thành một lớp polyme ghép trên bề mặt màng lọc, làm thay đổi tính chất của màng. Chiều dài của mạch ghép, mức độ chặt khít của lớp ghép phụ thuộc vào các điều kiện tiến hành trùng hợp. Mục tiêu nghiên cứu Nội dung của luận văn tập trung vào việc nghiên cứu khả năng tách loại thuốc nhuộm trong dung dịch nước bằng phương pháp lọc màng và đánh giá khả năng giảm fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng. Các loại màng lọc được sử dụng là các màng thương mại Filmtech TW30 (Mỹ) và màng SAEHAN (Hàn Quốc), quá trình tách được tiến hành trên các thiết bị lọc liên tục và lọc gián đoạn. Việc biến tính bề mặt màng lọc được thực hiện bằng kỹ thuật trùng hợp ghép quang hoá dưới bức xạ tử ngoại cường độ thấp, nhằm làm tăng năng suất lọc và giảm fouling cho màng. Các nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ thuốc nhuộm, loại thuốc nhuộm, áp lực dòng vào, mức độ cô đặc dung dịch đến tính năng lọc tách thuốc nhuộm của màng. Khả năng giảm fouling cho màng được đánh giá qua mức độ phục hồi năng suất lọc bằng phương pháp rửa với các tác nhân rửa khác nhau, cũng như sự tăng năng suất lọc và độ giảm năng suất lọc của màng sau khi được biến tính bề mặt so với màng ban đầu. CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 2.1.1 Hóa chất STT Hóa chất Mục đích sử dụng Ghi chú 1 Thuốc nhuộm trực tiếp Red 3BF Pha dung dịch tách Trung Quốc Blue MERF Pha dung dịch tách Trung Quốc Yellow 3GF Pha dung dịch tách Trung Quốc 2 Thuốc nhuộm phân tán Yellow E3G Pha dung dịch tách Trung Quốc 3 Axit acrylic, C3H4O2 Monome 98.5%, Trung Quốc 4 Axit malelic Monome 99.9%, Nhật 5 Natri hydroxit Pha dung dịch ngâm thử độ bền màng > 96%, Trung Quốc 6 Nước cất Pha hóa chất 7 Dung dịch HCl 36.5% Pha dung dịch ngâm thử độ bền màng Trung Quốc 8 Màng lọc TW30 Màng nền Filmtech, Mỹ 9 Màng lọc CMS® Màng nền SAEHAN, Hàn quốc 10 Natri triphotphat Pha dung dịch rửa Trung Quốc 11 Axit xitric Pha dung dịch rửa Trung Quốc 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị STT Dụng cụ và thiết bị Mục đích sử dụng 1 Bình nén khí Nitơ Tạo chênh lệch áp suất tách 2 Bình nón, phễu thủy tinh Lọc sơ bộ dung dịch thuốc nhuộm thực trước khi tách 3 Cân kỹ thuật Cân hóa chất 4 Cân phân tích Cân khối lượng màng trước và sau biến tính 5 Cốc thủy tinh Đựng dung dịch, rửa màng, 6 Cuvet thủy tinh Đo màu xác định hàm lượng thuốc nhuộm 7 Đĩa petri Đựng màng 8 Máy khuấy Khuấy dung dịch trong quá trình tách, giảm phân cực nồng độ 9 Ống nghiệm Đựng mẫu dung dịch thuốc nhuộm 10 Ống đong Đo thể tích dịch lọc 11 Pipet Lấy mẫu, lấy dung dịch 12 Thiết bị lọc màng gián đoạn (Osmonic, USA) Đánh giá tính chất tách của màng trước và sau biến tính 13 Thiết bị lọc màng liên tục (tự lắp đặt) Lọc tách thuốc nhuộm trong dung dịch 14 Thiết bị đo quang (Shimazu, Nhật) Đo độ hấp thụ quang của dung dịch thuốc nhuộm 15 Thiết bị chiếu bức xạ tử ngoại (tự lắp đặt) Biến tính bề mặt màng 16 Thiết bị chụp hiển vi điện tử quét, SEM (Hitachi S4800, Japan) Quan sát hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu màng 17 Thiết bị chụp phổ hồng ngoại phản xạ, FTIR-ATR (GX-Perkin-Elmer, USA) Xác định nhóm chức trên bề mặt vật liệu màng 18 Thiết bị chụp hiển vi lực nguyên tử AFM, Pico Plus 2500. Quan sát hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu màng *) Sơ đồ nguyên tắc của thiết bị lọc màng liên tục (tự lắp đặt): a) Sơ đồ thiết bị Áp kế Bơm Dịch lưu giữ Dịch tuần hoàn Dịch lọc Dung dịch đầu Module màng lọc Hình 2.1. Sơ đồ thiết bị lọc màng liên tục tự lắp đặt b) Nguyên tắc làm việc: Sau khi dung dịch thuốc nhuộm được nạp vào bình chứa, bơm dung dịch qua module màng ở áp suất và lưu lượng dòng xác định. Thu phần dịch lọc thấm qua màng hoặc cho quay vòng trở lại bình chứa, phần dung dịch lưu giữ bởi màng có thể lấy ra hoặc cũng được trộn trở lại với dung dịch đầu. *) Sơ đồ và nguyên tắc làm việc của thiết bị lọc màng gián đoạn: a) Sơ đồ thiết bị: Hình 2.2. Sơ đồ thiết bị thử màng lọc phòng thí nghiệm Chú thích: 1 – Bình nén khí 4- Tấm đỡ xốp kim loại 2 – Van điều chỉnh áp suất 5- Lối ra của dịch lọc 3 – Bình chứa dung dịch cần lọc 6- Máy khuấy từ b) Nguyên tắc làm việc: Màng được đặt lên tấm đỡ kim loại xốp (4) rồi đặt vào đáy của bình chứa dung dịch tách. Nạp dung dịch cần tách vào bình, lắp kín hệ thống, điều chỉnh áp suất tách thích hợp bằng van điều chỉnh (2). Dưới tác động của khí nén, dung dịch trong bình được nén qua màng và dịch lọc đi ra ngoài qua ống (5). Dung dịch lưu giữ được giữ lại trong bình chứa. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Đánh giá khả năng tách thuốc nhuộm của màng Tính chất tách của màng được đánh giá qua màu của dịch lọc (hoặc độ lưu giữ hoặc hiệu suất lọc) và năng suất lọc với các nồng độ khác nhau của dung dịch thuốc nhuộm cũng như mức độ cô đặc dung dịch so với dung dịch ban đầu. Độ lưu giữ của màng được xác định bởi công thức: (2.1) Trong đó: C0 = Nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch ban đầu (mppm) C = Nồng độ thuốc nhuộm trong dịch lọc (mppm) Với thuốc nhuộm phân tán, khả năng tách của màng được đánh giá qua độ trong và màu của dịch lọc. Năng suất lọc của màng được xác định bằng cách đo thể tích dịch lọc vận chuyển qua màng trong một khoảng thời gian tại áp suất xác định, sau đó áp dụng công thức: hoặc (2.2) [L/m2.h.bar] hoặc [L/m2.h] Trong đó: V = Thể tích dịch lọc [L hoặc mL]. S = Diện tích bề mặt làm việc của màng [m2 hoặc cm2]. t = Thời gian lọc [h hoặc phút] DP = Áp suất tách [bar] 2.2.2. Xác định độ giảm năng suất lọc theo thời gian Độ giảm năng suất lọc theo thời gian là một chỉ tiêu khá quan trọng trong các quá trình lọc màng, cho phép đánh giá mức độ cũng như khả năng tắc màng sau một thời gian lọc. Độ giảm năng suất lọc càng nhỏ, màng càng sử dụng được lâu (ít bị tắc hơn), lọc được nhiều dung dịch hơn, chu kỳ rửa màng dài hơn, tiết kiệm thời gian và chi phí cho quá trình lọc. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành xác định độ giảm năng suất lọc bằng phương pháp đo thể tích dịch lọc theo thời gian, cứ sau mỗi 5 phút lại ghi thể tích dịch lọc một lần. Sau đó áp dụng công thức (2.2) để tính năng suất lọc tại thời điểm tương ứng. 2.2.3. Đánh giá độ bền của màng trong các môi trường pH khác nhau Màng được ngâm trong các dung dịch có pH khác nhau (từ 2 đến 10) trong 30 phút, sau đó tiến hành đánh giá các thông số năng suất lọc và độ lưu giữ của màng sau khi ngâm so với năng suất lọc và độ lưu giữ của màng ban đầu. 2.2.4. Đánh giá khả năng phục hồi năng suất lọc bằng phương pháp rửa Màng sau khi lọc được rửa lần lượt bằng nước cất và các dung dịch rửa Na5P3O10 2%, axit xitric 2%, sau mỗi lần rửa đo độ thấm nước của màng. Khả năng phục hồi năng suất lọc của màng được xác định bằng cách so sánh độ thấm nước của màng trước và sau khi rửa. 2.2.5. Biến tính bề mặt màng lọc Bề mặt màng được biến tính bằng phương pháp trùng hợp ghép dưới bức xạ tử ngoại. Các dung dịch monome được sử dụng trong quá trình trùng hợp bao gồm axit acrylic và axit maleic. Ảnh hưởng của thời gian và phương thức tiến hành trùng hợp đến tính năng tách của màng được đánh giá qua các thông số: Khả năng lưu giữ (tách) thuốc nhuộm, năng suất lọc và độ giảm năng suất lọc của màng trong quá trình tách. Chiếu bức xạ tử ngoại Màng nền được chiếu bức xạ tử ngoại trực tiếp trong những khoảng thời gian xác định, để màng ở nhiệt độ phòng sau khoảng 24 tiếng đồng hồ và tiến hành đánh giá khả năng tách của màng. Trùng hợp ghép song song: Màng nền được chiếu bức xạ tử ngoại trong điều kiện xác định, sau đó ngâm trong các dung dịch monome đồng thời chiếu bức xạ tử ngoại trong những khoảng thời gian khác nhau, sấy khô màng và giữ màng ở nhiệt độ phòng sau khoảng 24 tiếng đồng hồ tiến hành đánh giá khả năng tách của màng. Trùng hợp ghép nối tiếp: Màng nền được chiếu bức xạ tử ngoại trong điều kiện xác định, sau đó ngâm màng trong các dung dịch monome ở các khoảng thời gian khác nhau, sấy khô màng và giữ màng ở nhiệt độ phòng, sau khoảng 24 tiếng đồng hồ tiến hành đánh giá khả năng tách của màng. Các thí nghiệm thử màng thực hiện ở áp suất 25bar, diện tích màng lọc là 1.32×10–3 m2, nồng độ dung dịch thuốc nhuộm Red 3BF 30ppm. 2.2.6. Xác định lượng polyme được trùng hợp ghép lên bề mặt màng Lượng polyme trùng hợp ghép lên màng ảnh hưởng đến mức độ chặt khít của bề mặt màng sau khi biến tính. Lượng polyme ghép càng nhiều, bề mặt màng sẽ càng chặt khít. Lượng polyme trùng hợp ghép được xác định bằng chênh lệch khối lượng màng trước và sau khi trùng hợp trên một đơn vị diện tích bề mặt màng: G = (mb – ma )/A (mg/cm2) (2.3) Trong đó: mb = Khối lượng màng trước khi biến tính (mg) ma = Khối lượng màng sau khi biến tính (mg) A = Diện tích bề mặt màng (cm2) 2.2.7. Xác định lượng thuốc nhuộm hấp phụ lên màng trong quá trình lọc Lượng thuốc nhuộm bị hấp phụ lên màng là nguyên nhân gây ra độ giảm năng suất lọc của màng theo thời gian. Màng hấp phụ ít thuốc nhuộm hơn sẽ có tốc độ giảm năng suất lọc chậm hơn. Do đó, đây cũng là một thông số quan trọng để đánh giá tính chất lọc của màng. Lượng thuốc nhuộm hấp phụ lên màng được xác định bằng cách so sánh khối lượng của màng trước và sau khi lọc (màng được rửa sạch bằng nước cất và sấy nhẹ đến khô hoàn toàn rồi đem cân khối lượng trên cân phân tích) : P = (m0 – m1 )/A (mg/cm2) (2.4) Trong đó: m0 = Khối lượng màng trước khi lọc (mg) m1 = Khối lượng màng sau khi lọc (mg) A = Diện tích bề mặt màng (cm2) 2.2.8. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất bề mặt màng Cấu trúc hình thái của bề mặt màng được quan sát qua các ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM) và ảnh chụp hiển vi lực nguyên tử (AFM) với các độ khuếch đại khác nhau. Để xác định các nhóm chức mới xuất hiện trên bề mặt màng sau khi trùng hợp bề mặt, sử dụng thiết bị đo phổ hồng ngoại phản xạ ngoài FTIR-ATR, với độ phân giải 4 cm-1, góc quét phổ 300. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch 3.1.1. Xác định bước sóng hấp thụ cực đại của các dung dịch thuốc nhuộm Chuẩn bị các dung dịch thuốc nhuộm hòa tan (Red 3BF, Blue MERF, Yellow 3GF) nồng độ 10 ppm, đo mật độ quang của các dung dịch tại các bước sóng khác nhau trong khoảng từ 300 đến 650 nm, xác định được bước sóng hấp thụ cực đại của từng loại dung dịch thuốc nhuộm. Kết quả thực nghiệm cho thấy: Dung dịch thuốc nhuộm Red 3BF hấp thụ cực đại tại bước sóng 540 nm Dung dịch thuốc nhuộm Blue MERF hấp thụ cực đại tại bước sóng 610nm Dung dịch thuốc nhuộm Yellow 3GF hấp thụ cực đại tại bước sóng 400nm 3.1.2. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch * Thuốc nhuộm Red 3BF: Chuẩn bị dung dịch thuốc nhuộm Red 3BF có nồng độ 500 ppm pha trong nước cất. Lần lượt định mức pha dãy dung dịch có nồng độ từ 5 đến 180 ppm, lắc đều. Đo độ mật độ quang của dung dịch tại bước sóng hấp thụ cực đại. Dựng đường chuẩn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ thuốc nhuộm Red 3BF trong dung dịch (Hình 3.1) Hình 3.1. Sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ dd thuốc nhuộm Red 3BF * Thuốc nhuộm Blue MERF: Chuẩn bị dãy dung dịch thuốc nhuộm BlueMERF có nồng độ từ 10 đến 200 ppm, lắc đều. Đo mật độ quang của dung dịch tại bước sóng hấp thụ cực đại. Dựng đường chuẩn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch (Hình 3.2) Hình 3.2. Sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ dd thuốc nhuộm Blue MERF * Thuốc nhuộm Yellow 3GF: Chuẩn bị dãy dung dịch thuốc nhuộm Yellow 3GF có nồng độ từ 5 đến 185 ppm, lắc đều. Đo độ mật độ quang của dung dịch tại bước sóng hấp thụ cực đại. Dựng