I H C QU C GIA TP. HCM
I H C BÁCH KHOA
NGUY N
C BÌNH
NGHIÊN C U CH T O C
U KHI N
TRONG C U TRÚC L X P C A MÀNG L C N N
POLYAMIDE B NG NG NANO CARBON
Chuyên ngành: K thu t Hóa H c
Mã s :
8520301
LU N
TP. H
Cơng trình
c hồn thành t i:
i h c Bách Khoa
Cán b
ng d n khoa h
____________
Cán b
ng d n khoa h
____________
Cán b ch m nh n xét 1: PGS.TS. Nguy n Th
____________
Cán b ch m nh n xét 2: PGS.TS. B ch Long Giang
____________
Lu
c b o v t
i h c Bách
Thành ph n H
m:
1. PGS.TS. Lê Th Kim Ph ng
- Ch t ch
2. PGS.TS. Nguy n Th
- Ph n bi n 1
3. PGS.TS. B ch Long Giang
- Ph n bi n 2
4.
- y viên
5. TS. Ph
cL i
-
Xác nh n c a Ch t ch H
chuyên ngành sau khi nh n lu
CH T CH H I
-HCM
NG
ng Khoa qu n lý
c s a ch a (n u có).
NG KHOA
KHOA K THU T HĨA H C
I H C QU C GIA TP.HCM
I H C BÁCH KHOA
C NG HÒA XÃ H I CH
c l p - T do - H nh phúc
T NAM
NHI M V LU
H tên h c viên: Nguy
c Bình
Ngày,
7/05/1996
Chuyên ngành: K thu t Hóa h c
I.
II.
MSHV: 1970261
Khánh Hịa
Mã s : 8520301
TÀI:
Ti ng Vi t: Nghiên c u ch t o c
u khi n trong c u trúc l x p
c a màng l c n n polyamide b ng ng nano carbon
Ti ng Anh: Generation of controllable mesh in the porous structure of
polyamide-based membranes by carbon nanotubes
NHI M V VÀ N I DUNG
1. Xây d ng quy trình bi n tính, t o c
i ng nano carbon (CNTs) trong
l x p c a màng polyamide b ng ph n ng th y phân và amide hóa trên b m t
s i polyamide mà không phá h y c u trúc màng.
2. Ch t o màng nanocomposite polyamide/diamine/CNTs có c
i CNTs
g n trên khung s i polyamide và kh o sát
ng c a m t s
u ki n ph n
n c u trúc c a màng.
3. Phân tích c u trúc, hình thái b m
c tính th
t c a màng nanocomposite
polyamide/diamine/CNTs b
p nh
ng d ng c a màng.
III. NGÀY GIAO NHI M V : 22/02/2021
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 02/01/2022
V. CÁN B
NG D N
CBHD 1:
CBHD 2:
CÁN B
NG D N 1
(H tên và ch ký)
TP.HCM, ngày 02 tháng 01
CH NHI M B
(H tên và ch ký)
PGS.TS.
CÁN B
NG D N 2
(H tên và ch ký)
TS. Lê
NG KHOA
KHOA K THU T HÓA H C
(H tên và ch ký)
2
O
L IC
n bó v i
i h c Bách Khoa
i h c Qu c gia TP.HCM, không
i cho tôi r t nhi u tr i nghi
quý giá. Tôi hy v ng m i dun gi a tơi v
c lu
cịn c
ns
nghi
ng s ti p t
i s n l c, c g ng c a b n thân mà
ng viên, c
ng nghi p trong phịng thí
c bi t là s
nhi t tình c a t p th cán b
u tiên, tôi xin g i l i c
Th
c lu
sâu s c nh
n th c
ng d n.
n t p th cán b
ng d n
ng d
ng góp ý
t
n th
om
làm vi c, h c t p và trau d
i tri ân
u ki n t t nh
tơi có th
u khoa h c t i Phịng thí nghi m Tr ng
i h c Qu c gia v Công Ngh V t Li u, giúp tơi có th tồn tâm tồn ý hồn
thành lu
Tơi xin g i l i c
nhi u góp ý và ch nh s
t
tơi có th
c lu
ng th i, tơi
ng nghi p t i phịng thí nghi
trong su t quá trình th c hi n lu
Cu i cùng, tơi xin bày t lịng bi
viên và t o m
u ki n t t nh
tr
tơi có th hồn thành thành lu
H c viên
Nguy
i
c Bình
ng
TÓM T T
Nguyên t c ch n l c c a h u h t các lo i màng l c th c ph m d a trên vi
khi
c l x p trong c u trúc màng, ch cho phép các ch
t phù h
ng t i vi c gi
i nh
u
c phân
c l x p c a màng
n im
ng nano carbon thành m t l p
màng lên trên b m t màng nylon 66 nh c u n i diamine. L p màng CNT trên b m t
b n và kh
nl cc
i. CNT cịn có kh
un
ho
c
b
u ki n áp su
m t hóa h c
b n hóa cho t m màng, giúp màng ho
u ki n kh c
nghi
cs
d ng trong nghiên c
n, d áp d ng quy mô
c
giá tr s d ng c a s n ph m.
K t qu FT-
y s xu t hi n c a các liên k t amide gi a
MWCNT-COOH v i màng nylon 66 thông qua c u n i pPD. Góc th
bi n tính trong pha l ng gi m m
i màng nyl
hi n c a MWCNT-COOH s giúp c i thi
n t quét cho th
u ch ng t s xu t
c c a màng. nh ch p kính hi n
cc
m t màng ph n
t, d
n làm gi m
c l x p trên b
c ion Ca2+ còn cho
m t màng xu ng 1 cách rõ r t. Ngoài ra, k t qu
th y hi u qu lo i b mu i CaCl2 ra kh i dung d ch c a màng thành ph
so v
MWCNT-COOH. K t qu nghiên c
n ng t n t
u
h p ph ion Ca2+ lên trên b m t s i
i nh
i, m ra ti
t c a màng
s d ng c a màng nylon 66
ng d ng l n c a màng trong v
c.
ii
x lý ion kim lo i
ABSTRACT
The selection principle of most food separation processes is based on controlling
the pore size in the membrane structure to allow only substances of the right molecular
size to pass through. Membranes are easily deceived by molecules that are equal to or
smaller than the pore size. There have been many studies around the world focusing on
solving this problem. Most researches have focused on the creation of a new polyamide
layer on polysulfone surface. However, this approach is difficult to control the pore size
and the uniformity of the product. In this study, the pore size of commercial nylon 66
membrane was reduced by using the cross-linked carbon nanotubes (CNTs) on the
membrane surface via diamine bridge. CNTs film on the surface led to significant
improvements in the durability and selectivity of commercial membranes. CNTs also
surround diamine bridges to increase the mechanical strength of the membrane, helping
the membrane work under high-pressure conditions. Additionally, CNTs are chemically
inert t
conditions such as high temperature, acidic and alkaline media. Besides, the method
used in the thesis is relatively simple and facile to apply on a pilot scale and is expected
to improve the product value.
FT-IR and Raman spectra indicated the appearance of amide linkages between
MWCNT-COOH and nylon 66 membrane through pPD bridging. The contact angle of
modified PA with MWCNT-COOH in the liquid phase decreased more sharply than the
commercial nylon 66, demonstrating that the presence of MWCNT-COOH will improve
the hydrophilicity. Scanning electron microscopy images show that a cross-linked
structure has been created in the vapor phase and the fluid stream, leading to a decreased
pore size on the membrane surface. In addition, the rejection results also show that the
efficiency of removing CaCl2 salts from the solution of the modified membrane is much
higher than the commercial nylon 66 membranes due to the Ca2+ ion adsorption
mechanism on the MWCNT-COOH fiber. The study helps to increase the use-value of
commercial nylon 66 membranes, opening up great application potentials of treatment
heavy metal ions existing in the water.
iii
L
Tác gi
trình nghiên c u c a b n thân tác gi . Các k t
qu nghiên c u và các k t lu n trong lu n
b t kì m t ngu
(n
này là trung th c, và không sao chép t
i b t kì hình th c nào. Vi c tham kh o các ngu n tài li u
c th c hi n trích d n và ghi ngu n tài li u tham kh
nh.
Tp. H Chí Minh, ngày 02 tháng 01
H c viên
Nguy
iv
c Bình
2
M CL C
L IC
................................................................................................................... i
TÓM T T........................................................................................................................ii
ABSTRACT .................................................................................................................. iii
L
........................................................................................................... iv
M C L C ....................................................................................................................... v
DANH M C HÌNH NH ........................................................................................... viii
DANH M C B NG BI U ...........................................................................................xii
DANH SÁCH CÁC T
VI T T T ........................................................................... xiii
NHU C U NGHIÊN C U V MÀNG L C........................................................ 3
TÌNH HÌNH NGHIÊN C U V V T LI U MÀNG L C .................................. 9
1.2.1.
Màng Polymer .................................................................................................. 10
1.2.2.
....................................................................................................... 12
1.2.3.
Màng composite ma tr n m ng liên k t (mixed matrix membranes, MMMs) 13
TÌNH HÌNH NGHIÊN C U V
T O MÀNG L C .... 15
1.3.1.
Bi n tính b m t màng l c ................................................................................ 15
1.3.2.
Ch t
polyamide và ng nano carbon ........................ 17
TÌNH HÌNH NGHIÊN C U V MÀNG L
M C TIÊU C
C ........................ 20
TÀI .................................................................................... 21
N I DUNG NGHIÊN C U ................................................................................. 23
HÓA CH T VÀ THI T B ................................................................................. 27
2.2.1.
Hóa ch t ............................................................................................................ 27
v
2.2.2.
Thi t b .............................................................................................................. 27
BI N TÍNH MÀNG NYLON 66 B NG PPD .................................................... 28
BI N TÍNH MÀNG N1 B NG MWCNT-COOH D A TRÊN PH N
NG
AMIDATION ....................................................................................................... 30
2.4.1.
Ph n ng amidation trong pha l ng ................................................................. 30
2.4.2.
Ph n
................................................................... 31
2.4.3.
Ph n
t ......................................................... 35
U ........................................................................ 38
2.5.1.
Quang ph h ng ngo i FT IR .......................................................................... 38
2.5.2.
Ph Raman........................................................................................................ 39
2.5.3.
Kính hi
n t quét (SEM) ...................................................................... 39
2.5.4.
t ............................................................................................... 39
2.5.5.
c ion Ca2+ c a màng ................................................................. 40
kh
BI N TÍNH MÀNG N1 ........................................................................................ 41
3.1.1.
i quan c a màng N1 ................................................................... 41
3.1.2.
Kh o sát kh
t c a pPD v i màng nylon 66 ................................. 44
3.1.3.
Kh
t c a màng N1 ......................................................... 47
3.1.4.
K t qu SEM c a màng N1............................................................................... 51
c tính th
BI N TÍNH MÀNG N1 V I MWCNT-COOH TRONG PHA L NG ............... 52
3.2.1.
i quan c a màng N2L ................................................................. 52
3.2.2.
Kh o sát kh
t c a MWCNT-COOH trong màng N2L.................. 55
3.2.3.
Kh
t c a màng N2L ....................................................... 58
3.2.4.
K t qu SEM c a màng N2L ............................................................................. 60
c tính th
BI N TÍNH MÀNG N1 V I MWCNTvi
................... 62
3.3.1.
ng c
3.3.2.
ng c a nhi
3.3.3.
ng c a th i gian ph n
3.3.4.
ng MWCNT-
n màng N2G .................................. 62
ph n
n màng N2G ........................................... 69
n màng N2G .......................................... 76
K t qu SEM c a màng N2G ............................................................................. 82
BI N TÍNH MÀNG N1 V I MWCNT-
T
LIÊN T C ............................................................................................................ 84
3.4.1.
ng c a nhi
3.4.2.
ng c a th i gian ph n
3.4.3.
ph n
n màng N2F ............................................ 84
n màng N2F ........................................... 89
K t qu SEM c a màng N2F ............................................................................. 95
C TÍNH TH
TC
O MÀNG
N2 .......................................................................................................................... 97
C ION CA2+ C A MÀNG SAU Q TRÌNH BI N TÍNH V I
KH
MWCNT-COOH .................................................................................................. 99
K T QU
H N CH
C ..................................................................................... 102
NG PHÁT TRI
TÀI .............................................. 103
4.2.1.
H n ch ........................................................................................................... 103
4.2.2.
ng phát tri n ............................................................................................. 103
DANH M C
............................................................ 104
TÀI LI U THAM KH O ........................................................................................... 105
PH L C-NGUYÊN LI U MWCNT-COOH ............................................................ xiv
vii
DANH M C HÌNH NH
Hình 1.1:
B
c c a các qu c gia trên th gi i .......................... 3
Hình 1.2:
Các lo i màng l
c l x p. .................................................. 4
Hình 1.3:
hình thành và phát tri n m ng bám lên b m t màng...................... 6
Hình 1.4:
Hai ki u dịng ch y qua màng RO ............................................................... 6
Hình 1.5:
H màng (a) d ng t m ph ng, (b) d ng s i r ng và (c) d ng ng ............... 7
Hình 1.6:
T ng quan tình hình nghiên c u v t li u cho màng RO ............................ 10
Hình 1.7:
ph n
ng màng TFC t
các monomer Pararosaniline,
1,3 phenylenediamine và 1,3,5 benzenetricarbonyl trichloride. .............. 11
Hình 1.8:
Hình 1.9:
quy trình ch t o màng TFC có c u trúc tr c giao xen k .............. 12
Quy trình ch t o màng TiO2 b
............................ 13
Hình 1.10: C u trúc màng TFC ma tr n m ng gi a CNT và PA ................................ 14
Hình 1.11: T ng h p màng PA/CNT b
k t h p
trùng h p ghép polymer ............................................................................. 18
Hình 2.1:
l cc
CNT th
ng tr t
t cao .......................................................................................................... 24
Hình 2.2:
C u trúc c
Hình 2.3:
Hình 2.4:
ph n ng t
bi n tính tồn di n màng nylon 66 ............. 25
Quy trình th c nghi m trong
Hình 2.5:
Hình 2.6:
c g n thêm nhóm ch c COOH ....................... 24
tài ............................................................ 26
quy trình bi n tính màng nylon 66 b ng pPD ................................. 28
(a) Màng nylon 66 b th y phân hoàn toàn trong HCl 4M sau 4 gi và
(b) pPD b oxi hóa và k t t a trong dung d ch NaOH 4M......................... 29
Hình 2.7:
Quy trình bi n tính màng N2L .................................................................... 30
Hình 2.8:
Quy trình bi n tính màng N2G .................................................................... 32
Hình 2.9:
Mơ hình h ph MWCNT-COOH lên màng N1 ........................................ 33
Hình 2.10: Quy trình bi n tính màng N2F .................................................................... 36
Hình 2.11:
h th ng thi t b c a h ph n ng .................................................... 37
Hình 2.12: C u t o chi ti t bu ng ph n ng ................................................................ 37
Hình 2.13: H
c ion Ca2+ c a màng thành ph m và thi t b
ng ch t r n hòa tan trong dung d ch ........................................ 40
Hình 3.1:
Màu s c c
ng dung mơi th y phân khác nhau ........ 41
viii
Hình 3.2:
K t qu ngo i quan màng N1 ..................................................................... 42
Hình 3.3:
bi n thiên kh
ng c a màng N1 ..................................................... 43
Hình 3.4:
Ph FT-IR c a các m u bi n tính màng nylon 66 b ng pPD .................... 45
Hình 3.5:
K t qu Raman màng N1 ........................................................................... 46
Hình 3.6:
Góc th
Hình 3.7:
T
Hình 3.8:
K t qu SEM c a (a, b) màng nylon 66 và (c, d) màng N1-NaOH-1,0M
t c a các m u màng N1 ......................................................... 48
th
c c a màng N1 ................................................................ 49
.................................................................................................................... 51
Hình 3.9:
bao ph MWCNT-COOH trên b m t màng N2L ................................ 52
Hình 3.10: K t qu FT-IR c a MWCNT-COOH, màng nylon 66, N1 và N2L ............ 55
Hình 3.11: K t qu Raman c a MWCNT-COOH, màng nylon 66, N1 và N2L ........... 57
Hình 3.12: Góc th
t c a màng N2L
c chu n b trong các h xúc tác/dung
môi khác nhau ............................................................................................ 58
Hình 3.13: T
th
c c a màng N2L
c chu n b trong các h xúc
tác/dung môi khác nhau ............................................................................. 59
Hình 3.14: K t qu SEM (a, b) m
Hình 3.15:
c và (c, d) m t sau c a màng N2L-EtOH ...... 60
xu t cho ph n ng bi n tính màng nylon 66 v i MWCNTCOOH thơng qua c u n i pPD .................................................................. 61
Hình 3.16: K t qu
th
bám dính c a MWCNT-COOH lên màng
(a) N2G-10mg-100 C-6h, (b) N2G-20mg-100 C-6h và (c) N2G-30mg100 C-6h .................................................................................................... 62
Hình 3.17: K t qu FT-IR c a màng N2G
c chu n b
ng MWCNT-
COOH khác nhau ....................................................................................... 64
Hình 3.18: C u trúc màng (a) N2L và (b) màng N2G .................................................... 65
Hình 3.19: K t qu Raman c a màng N2G
c chu n b
ng MWCNT-
COOH khác nhau ....................................................................................... 66
Hình 3.20: Góc th
t c a màng N2G
c chu n b
ng MWCNT-
COOH khác nhau ....................................................................................... 67
Hình 3.21: T
th
c c a màng N2G
c chu n b
ng MWCNT-
COOH khác nhau ....................................................................................... 68
ix
Hình 3.22: K t qu FT-IR c a màng N2G
c chu n b
các nhi
ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 71
Hình 3.23: K t qu Raman c a màng N2G
c chu n b
các nhi
ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 72
Hình 3.24: Góc th
t c a màng N2G
c chu n b
các nhi
ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 74
Hình 3.25: T
th
c c a màng N2G
c chu n b
các nhi
ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 75
Hình 3.26: K t qu FT-IR c a màng N2G
c chu n b
các th i gian ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 78
Hình 3.27: K t qu Raman c a màng N2G
c chu n b
các th i gian ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 79
Hình 3.28: Góc th
t c a màng N2G
c chu n b
các th i gian ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 81
Hình 3.29: T
th
c c a màng N2G
c chu n b
các th i gian ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 82
Hình 3.30: K t qu SEM m t bi n tính v i MWCNT
i (a) 2 m,
(b) 500 nm và m t không bi n tính
i (c) 2 m, (d) 500
nm c a màng N2G ....................................................................................... 83
Hình 3.31: K t qu FT-IR c a màng N2F
c chu n b
các nhi
ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 86
Hình 3.32: K t qu Raman c a màng N2F
c chu n b
các nhi
ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 87
Hình 3.33: Góc th
t c a màng N2F
c chu n b
các nhi
ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 88
Hình 3.34: T
th
c c a màng N2F
c chu n b
các nhi
ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 89
Hình 3.35: K t qu FT-IR c a màng N2F
c chu n b
các th i gian ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 91
Hình 3.36: K t qu Raman c a màng N2F
c chu n b
các th i gian ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 92
x
Hình 3.37: Góc th
t c a màng N2F
c chu n b
các th i gian ph n ng
khác nhau ................................................................................................... 93
Hình 3.38: T
th
c c a màng N2F
c chu n b
các th i gian ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 94
Hình 3.39: K t qu SEM m t bi n tính v i MWCNT
(b) 500 nm và m t khơng bi n tính
i (a) 2 m,
i (c) 2 m, (d) 500
nm c a màng N2F ....................................................................................... 95
Hình 3.40:
ph n ng cho tồn q trình .......................................................... 96
Hình 3.41: Góc th
Hình 3.42: T
tc
th
c bi n tính màng .............. 97
cc
Hình 3.43: K t qu so sánh kh
c bi n tính màng ....... 98
i b ion Ca2+ gi a màng nylon 66 ban
u v i màng thành ph m .......................................................................... 99
Hình 3.44: B m
c khi l c, (c, d) m t bi n tính v i MWCNT-
COOH sau khi l c v i CaCl2 và (e, f) m t khơng bi n tính v i
MWCNT-COOH sau khi l c ................................................................... 100
xi
DANH M C B NG BI U
B ng 1.1:
M t s nghiên c u v bi n tính b m t màng PA...................................... 17
B ng 1.2:
M t s nghiên c u v ch t o màng PA-TFC có c u trúc sandwich ......... 19
B ng 2.1:
Hóa ch t s d
tài .................................................................... 27
B ng 2.2:
Thi t b s d
tài ...................................................................... 27
B ng 2.3:
Kh o sát l a ch n dung môi cho ph n ng t o màng N1 .......................... 29
B ng 2.4:
Kh o sát h n h p dung d ch cho ph n ng t o màng N2L ......................... 31
B ng 2.5:
Thông s kh o sát
ng MWCNT-
n ph n ng
............................................................................. 33
B ng 2.6:
Thông s kh o sát
ng c a nhi
n ph n ng amidation
.............................................................................................. 34
B ng 2.7:
Thông s kh o sát
ng c a th
n ph n ng amidation
.............................................................................................. 34
B ng 2.8:
Thông s kh o sát
ng c a nhi
n ph n ng amidation
t .................................................................................... 38
B ng 2.9:
Thông s kh o sát
ng c a th
n ph n ng amidation
t .................................................................................... 38
B ng 3.1:
i quan c a màng N2L ........................................................... 53
B ng 3.2:
Tính ch t c a dung mơi ph n ng ............................................................. 54
B ng 3.3:
i quan c a màng N2G
c chu n b
ng
MWCNT-COOH khác nhau ...................................................................... 63
B ng 3.4:
i quan c a màng N2G
c chu n b
các nhi
ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 69
B ng 3.5:
giá ngo i quan c a màng N2G
c chu n b
các th i gian ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 76
B ng 3.6:
i quan c a màng N2F
c chu n b
các nhi
ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 85
B ng 3.7:
i quan c a màng N2F
c chu n b
các th i gian ph n
ng khác nhau ............................................................................................ 90
xii
DANH SÁCH CÁC T
VI T T T
T vi t t t
Cách vi
gi
AEM
Anion exchange membrane
AFM
Atomic force microscope Kính hi n vi l c nguyên t
AL
Active layer L p ho
CEM
Cation exchange membrane
CNT
Carbon nanotubes
FO
Forward osmosis Th m th u t nhiên
FT IR
Fourier transform infrared spectroscopy
i anion
ng c a màng
i cation
ng nano carbon
Ph h ng ngo i bi
i
Fourier
IP
Interfacial polymerization
p polymer trên b
m t
MED
Multi effect distillation
ng
MLD
Molecular layer deposition
MMMs
Mixed matrix membranes Màng ma tr n m ng
MSF
Multi stage flash distillation
MTLab
Materials Technologies Laboratory
ng l p phân t
ng
Phòng thí nghi m Tr
Cơng Ngh V t Li u
MVC
Mechanical vapor compression
NIPS
Non solvent induced phase separation
c n dung môi
SEM
Scanning Electron Microscope Kính hi
SI ATRP
Surface initiated atom transfers radical polymerization
SuL
Support layer L
m h tr c a màng.
xiii
n t quét
m
M
U
Cơng ngh màng l c hi
m t vai trị quan tr ng trong các ngành
công nghi
ng, th c ph
ngh màng l c là có th
c các c u t
c ph
m c a công
c khác nhau, t phân t
t i ion mà không c n ph i s d ng thêm các hóa ch t khác, các c u t c n tách không
ph i chuy n pha, ti t ki
ng và thân thi n v
l c d dàng b
ng. Tuy nhiên, màng
i các lo i phân t
c nh
c l x p và cho phép nh ng lo i phân t không mong mu
y cho
u nghiên c u trên th gi i t p trung vào gi i quy t v
màng. H u h t các nghiên c
u t p trung vào vi c t o ra m t l p polyamide m i có
cl x
n
khó ki
mc
cl x
u c a s n ph m và khó áp d ng quy
mơ cơng nghi p. Các lo i màng có kh
c ion v
cao do quá trình ch t o ph c t
kh
này c a
i ít v i giá thành
c nghiên c
t o ra m t lo i màng có
t
t quan
c ion giá thành r v
tr ng.
Hi n nay, màng l
i có giá thành r
d ng r
c s n xu
lo i màng này là có kho
v
u ki n làm vi c r
ng. Tuy nhiên, m t s v
màng thô nhám, k
c, d
làm gi m hi u qu
c
m
c s ch và x
c ô nhi
b
cs
mc a
c cao và thân thi n
ng g p c a màng polyamide là b m t
n hi
ng t c ngh n, d b bám b n trên b m t màng,
tl cc
c i thi n các tính ch t
s d ng cho màng, vi c bi n tính màng polyamide là
ng nghiên c u ti
c quan tâm. Vi c bi n tính màng giúp
c tính c a màng mà khơng làm
giúp màng không ch gi
n c u trúc khung c a màng,
b nv
c kh
ng bám
b n và hi u qu l c c a màng. Ngồi ra, q trình bi n tính t
m i s giúp kh ng ch
c l x p d dàng và ti t ki
vi c nghiên c u ch t o v t li u màng l c m i.
Trang 1 / 115
i
M
u
HVTH: Nguy
ng nano carbon (CNT)
b nt t
thi
c bi
n v i kh
c Bình
n cao, ch ng bám
xu t hi n c a CNT trên màng PA s giúp c i
b n, kh
ng, ch ng bám b n, t
và hi u su t l c c a
c g n lên
giúp màng có kh
ib
n tính cịn
c các ion kim lo
u qu khi l
c,
i b kim lo i n ng t n t i trong ch t th i công nghi p.
Vi t Nam hi n nay v
tính màng polyamide b
c nào v vi c nghiên c u bi n
n ng d ng l c ion kim lo i ra kh
tách chi t d ch th c ph
m
n bi n tính màng l
c ion Ca2+ thành màng
c l x p ~0,45 m, khơng có kh
composite có c
polyamide v i 3 c
h p ph . T nh
c và
a
n tính v i màng
i b ion Ca2+ nh q trình
c l x p và có kh
Nghiên c u ch t o c
u khi n
trong c u trúc l x p c a màng l c n n polyamide b ng ng nano carbon
và mang tính c p thi t v i m c tiêu nâng cao kh
m t cách kinh t và hi u qu
c, gi m thi u ô nhi
ng d ng công ngh màng l c
c, nh m tái s d ng, ti t ki m ngu n
ng và phát tri n b n v ng.
Trang 2 / 115
T NG QUAN V
TÀI
NHU C U NGHIÊN C U V MÀNG L C
Dân s trên th gi
v
thái và tài nguyên thiên nhiên, v
ng th i kéo theo h l y ngu
n ki t nhanh chóng trong khi nhu c u v
m t cách nhanh chóng. Liên H p Qu c d
1,8 t
c [1]
i trên th gi i s
hi n nay,
a lý trên th gi i s b
ng b i tình
c
c a T ch c Y t Th gi i (WHO) và Qu
c ng t
c s ch trên toàn c
ng v i t
a, m t n a các khu v
tr ng khan hi m n
ng, h sinh
c và v sinh
ng Liên Hi p Qu
d
c u ng b ô nhi m [2]. Theo báo
cáo c a Vi n Tài nguyên Th gi i (WRI) công b vào ngày 6/8/2019 cho th y m t ph n
th gi
im tv iv
thi
c. Nh ng qu
c
tr m tr ng nh t bao g m Quatar,
Hình 1.1: B
c c a các qu c gia trên th gi i [3].
Vi c x
t quan tr
t các ngành công nghi
Ph n l n các v
h n ch vi c x
c th i tr c ti p
p th c ph m.
c a ngành công nghi p th c ph m k trên liên quan tr c ti
Trang 3 / 115
n
ng quan v
tài
HVTH: Nguy
c Bình
vi c lo i b , l c, tách các thành ph n khác nhau có trong ngu n nguyên li u ho c thành
ph m, tùy theo yêu c u. Các công ngh phân tách b ng nhi
t ng (multi
a tác d ng (multi
effect
n
th
t, hi u su
tính th c ph
n
phân tách b
ai trị quy
nh trong
t xuyên su t quá trình s n xu
ch t (bao g m d ch th c ph m bán thành ph m ho c thành ph
c r a, ch t th
i áp l c cao trong dây chuy n s n xu t. Qua m
ng các ch
n,
c kh ng ch b ng các h th ng phân
p màng l c s
nh hi u qu phân riêng
c a h th ng d a trên hi u su
iv it
l c có c u trúc x p, bán th m v
ng phân riêng. Các màng
c l x p khác nhau có th l
n, phân t h
cl n
ng c
ng
nh , protein, h p ch t vơ
i ta có th s d ng các lo i màng,
c (microfiltration, MF), siêu l c (ultrafiltration,
UF), l c nano (nanofiltration, NF) và th m th
[4]
c (reverse osmosis, RO) (hình 1.2)
màng l c RO có th
c nh nh t.
Khác v i cách l c th m th u t nhiên, công ngh RO s d ng áp l
l ng qua các màng l
t c a quá trình.
Hình 1.2: Các lo i màng l c
Trang 4 / 115
c l x p [4].
y ngu n
ng quan v
Màng l
tài
HVTH: Nguy
ng d b ô nhi m, bám b n, gi m hi u su
c Bình
ng c a các quá
trình sau:
- Phân c c n
(concentration polarization) là hi
ch t tan c a kh i dung d ch t i l p ranh gi i m ng b m t màng phía bên dung
d ch vào. Phân c c n
có
ng tiêu c
n hi u su t màng RO, gi m
c qua màng [5].
- S t c ngh n màng (membrane fouling) là quá trình x y ra s l
ch
ng các
ng ho c ch t hòa tan t i các l x p trên b m t ho c trong màng, t o
thành l p b n làm gi m hi u su t l c c a màng. L p b n này cịn có th làm
i c u trúc, tính ch t c a v t li u màng do x y ra ph n ng ho c b bi n
tính. S t c ngh n c a màng th m th
Các ch
c là g
c gi l
tránh kh i.
ng cho sinh kh i, d
n các ph n
ng sinh h c.
- S
ng bám trên b m t màng (membrane scaling) là hình th c ơ
nhi m
phía dung d ch vào, x y ra khi các ch
ng l
t quá gi i
h n hòa tan c a chúng. Các màng bám ngày càng m r ng quy mô và tr m tr ng
eo th i gian n
C
t c ngh n. C
x p và l
nh kì.
hình thành và phát tri n m ng bám lên b m t khác nhau tùy vào t ng lo i
c a t c ngh n màng
ng d
ng
c chia
n hình thành l p m ng bám. Vi
vào t s
- V i
c làm s
: h p ph , khóa l
ph thu c
(hình 1.3).
:
ch h p ph .
- V i
khóa l x p.
- V i
l
ng d
n hình thành l p m ng bám lên màng.
Trang 5 / 115
ng quan v
Hình 1.3:
tài
HVTH: Nguy
hình thành và phát tri n m ng bám lên b m t màng.
Công ngh RO có 2 ch
ho
ng khác nhau tùy thu c vào 2 ki u dòng ch y:
ki u dòng ch y ngang (cross flow) và ki u dòng ch
dòng ch y ngang kh c ph
ch y
ng
ch y ngang,
c Bình
ng (dead end) (hình 1.4). Ki u
m t c ngh n màng nhanh chóng c a ki u dòng
c s d ng r ng rãi trong các quy trình x
t có áp su
c. Trong ki u dòng
c ch y ngang trên b m t màng t
cao làm h n
ch s t c ngh n do các ch t b n chen vào l x p và t o l p m ng bám bên trên b m t
màng.
Hình 1.4: Hai ki u dịng ch y qua màng RO.
Thi t k c a 1 h màng RO ch y
c chia thành 3 lo
ng v i 2
ki u dịng ch y (hình 1.5):
- D ng t m ph ng (flat sheet): các h m
t th
dung d
c x lý có ch a n
nh t cao [6, 7].
Trang 6 / 115
c s d ng nhi u trong x lý
ch t b n cao ho c các
ng quan v
tài
HVTH: Nguy
- D ng s i r ng (hollow fiber): các h
cl
m
c s d ng trong x lý th
c bi n ho c x
c th i
- D ng ng (tubular): Các h màng này ch y
l c [10]. Các h hình
phong
c Bình
h
[8, 9].
c s d ng trong vi l c và siêu
s n xu t vì chúng ch yêu c u niêm
u.
Hình 1.5: H màng (a) d ng t m ph ng, (b) d ng s i r ng và (c) d ng ng.
Màng RO r t d b t c ngh n, bám b n làm gi m kh
dung d ch
x
ch
cc
c thô (MF, UF, NF), các
c khi cho qua màng RO. Màng RO c
b
c áp l c l n trong su t quá trình s d ng.
ct t
gi i quy t v
n ti n
màng có th
này, màng RO
ng là màng thin film composite (TFC) g m 3 l p:
- L p ho
ng có ch
l i các
phân t và các ch t r n hịa tan. Các tính ch
tách
n kh
c l x p, hình thái b m t ho
tích b m t và tính k
c c a v t li u [11]
phân tách các ch t r n hịa
tan trong dung d ch d a trên cá
khơng gian, l
- L p
m 1 có tác d
m2
n tr
n, tính k
ng c c).
b
ng trùng h p t o thành l p ho
- L
i ch
n cho các ch
ng c c
n
có tác d
c cho l
y ra ph n
ng giao thoa v i l
b
i v i nhau.
Trang 7 / 115
m 1.
c cho l p màng b ng các s i
ng quan v
tài
Các lo
HVTH: Nguy
c Bình
i hi n nay ch s d ng l
b n
th c hi n ph n ng polymer hóa t o l p ho
n d ng h t vai trò c a l
r ir cg ml x
polymer. C u trúc l x p trong màng phân b
c macro t o b i c u trúc khung c a l
c meso t o b i c u trúc khung l p ho
ct
polymer và kích
t ki u màng m i t n d ng
al
o 1 l p màng TFC phân b
các c u trúc l x
ng
u và
c quan tâm nghiên c u. Các lo i màng l
m i hi n nay ch y u g m 4 lo i v t li u chính:
- Cellulose acetate (CA) kh
h
u dung mơi kém, kho ng pH làm vi c thích
i h p (4,5 7,9), d b
ng b i vi sinh v t và d b
ng
áp su t cao.
-
c tính n i b
hóa ch
b
nh nhi t, kháng
c tuy t v i. PVDF là m t polymer bán tinh th , trong
cung c
b
c và kh
p trong khi pha
nh hình mang l i s linh ho t, kh
c t t [12]
nh khi b t n cơng b i các hóa ch
p ch t h
acid và các ch t oxi hóa m
n
m
b n hóa h c c
là m t c n tr cho vi c bi n tính, c i thi n tính ch t b m t màng.
-
c tính n i b t gi ng v i PVDF
[13]
ng b m t th p và b m t th hi n tính k
c n ph i bi n tính b m
phù h p v i công ngh
h c c a màng PTFE l i gây c n tr
d
b n hóa
c bi n tính b m t màng
c s d ng cho màng l c RO.
- Polyamide (PA) có th ch
c nhi
cao, kho ng pH làm vi c r ng, khó
b phân h y khi có m t vi sinh v t, và
hi n kh
t và ch n l
b
c s d ng r ng rã
i màng l c có nhi
m n, x
trong các quy trình phân tách các dòng s n ph m v
b m t màng PA th hi n tính k
c cao. Màng PA còn th
t tr i.
T nh ng lý do trên, màng l c PAt tr
c nên màng PTFE
m
c th i và
c khác nhau. Tuy nhiên,
c và thô nhám nên màng d b t c do s bám b n
Trang 8 / 115
ng quan v
tài
HVTH: Nguy
c a các ch t tan trong quá trình l c [14, 15]. Các ch t b
màng ho c trên thành c a l x p, d
màng. Kh
(chlorine ho
ng k t t a trên b m t
n gi m hi u qu
ng chlorine ho
c Bình
t l c và tu i th c a
ng c a lo i màng này khá th p
ng và nh ng h p ch t ch a chlorine ho
c
do quá trình kh trùng, làm s ch vi khu n), các h p ch t ch a chlorine ho
ph n ng v i nhóm amide ( CONH ) trên b m
c tính tách c a màng [16-18]
gi i quy
ng có th
h i và làm suy gi m
m trên c a màng polyamdie,
ng t i m t cách ti p c n m i là bi n tính tồn di n c u trúc màng, c trên
b m t và bên trong c u trúc l x p c a màng nh m t o l p màng TFC th h m i.
TÌNH HÌNH NGHIÊN C U V V T LI U MÀNG L C
các nhà máy, dây chuy n s n xu t th c ph m ho
nghiên c u v màng l
c th c hi n liên t c nh m tìm ra các màng có tính th
ch n l
làm s
ng có l i nhu n, các
ng th i, màng ph
c tính ch ng bám b n, t
gi m chi phí thay th , b o trì. Có r t nhi u các nghiên c
th c hi n nh m c i thi n kh
c
t b ng công ngh RO.
ng nghiên c u v c i thi
c quan tâm nhi u nh t
vì ngày càng có nhi u lo i v t li u m i có tính ch t, c
nhi
ng v v t li u c a màng l
ra trong s n xu
xu
c tìm ra. Có r t
gi i quy t v
t c ngh n x y
xu t b i các nhóm nghiên c u trên th gi
ng nghiên c
c
gi i quy t v
c l x p l n ho c thay th
i v i vi c x
n giá tr t i h n nh
thay th b ng v t li u siêu x
polymer
nh, k c
iv
kh
quy mô ng d ng s n xu
n vi c bi n tính tồn di n c u trúc c a màng l
al
c th
c bi t. Theo
th c s kh thi v m t tri n khai, m r ng
d ng t
ng h p
d ng trong công
nghi p do tu i th c a các lo i màng sinh h c này v n còn r t th p và ch m
ng d
c
i v i vi c s d ng màng t bào sinh v t,
các nghiên c u và công ngh hi
nghi m trong m t s
polymer
polymer b ng các v t li u x p khác; (ii) s
d ng màng l c có ngu n g c t bào sinh v
l x p c a v t li u ch có th
này là: (i) s d
polymer
Trang 9 / 115
b n, gi
i. Do
i, t n
cl x p