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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
........................................

CÙ THỊ VÂN ANH

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


HÀ NỘI


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
........................................

CÙ THỊ VÂN ANH

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

Chuyên ngành : Hóa Môi trường
Mã số 60 44 41

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THỊ DUNG

HÀ NỘI


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Trần Thị Dung, người đã giao
đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô và các anh chị công tác tại Phòng thí
nghiệm Nghiên cứu màng lọc, Phòng thí nghiệm Hóa môi trường – Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, đã động viên và tạo mọi điều kiện cho tôi trong
quá trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn làm việc tại Trung tâm
CETASD – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi
thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Học viên

Cù Thị Vân Anh


MỤC LỤC
2.2.2. Xác định độ giảm năng suất lọc theo thời gian..................................................36

MỤC LỤC HÌNH
2.2.2. Xác định độ giảm năng suất lọc theo thời gian..................................................36

MỤC LỤC BẢNG

2.2.2. Xác định độ giảm năng suất lọc theo thời gian..................................................36


BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AA: axit acrylic
AFM: chụp phổ hiểm vi lực nguyên tử
BOD: Nhu cầu oxy sinh hóa
COD: Nhu cầu oxy hóa học
DR: trực tiếp
DS: phân tán
FTIR – ATR: phổ hồng ngoại phản xạ ngoài
MA: axit maleic
MN: Màng nền
PP: phương pháp
SEM: chụp hiểm vi điện tử quét
SS: song song
TSS: Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng


MỞ ĐẦU

Ngành dệt nhuộm đã có từ lâu đời vì nó gắn liền với một trong những nhu cầu
cơ bản của con người là may mặc. Sản lượng dệt trên thế giới ngày càng tăng,
không chỉ về chất lượng mà còn đa dạng về mẫu mã, màu sắc của sản phẩm. Ở Ấn
Độ, hàng năm sản xuất khoảng trên 4000 triệu mét vải. Ở Việt nam, ngành công
nghiệp dệt may đang trở thành một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, hàng
năm sản xuất khoảng trên 2000 triệu mét vải và trong các năm tới sẽ còn tăng thêm.
Tuy nhiên, một vấn đề luôn đi kèm theo qui mô sản xuất là vấn đề chất thải của
ngành này, trong đó có nước thải. Nước thải phát sinh trong ngành công nghiệp dệt
nhuộm xuất phát từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm... Nếu lượng

nước thải này chỉ xử lý sơ bộ, sau đó xả ra môi trường sau mỗi chu trình thì không
chỉ gây thiệt hại cho nguồn tài nguyên nước mà còn làm ô nhiễm môi trường nước
và không tận dụng hết thuốc nhuộm còn tồn dư. Hiện nay, các phương pháp xử lý
nước thải dệt nhuộm đòi hỏi khá nhiều chi phí, kỹ thuật phức tạp mà hiệu quả
không cao. Thành phần gây ô nhiễm chính trong nước thải dệt nhuộm là lượng
thuốc nhuộm tồn dư trong dòng thải sau công đoạn nhuộm. Do đó, việc tách thu hồi
thuốc nhuộm tồn dư ngay tại công đoạn phát sinh là một trong những giải pháp hữu
ích để xử lý và giảm thiểu ô nhiễm nước thải dệt nhuộm. So với các phương pháp
xử lý thông thường, ngoài mục đích tách thuốc nhuộm dư trong nước thải nhuộm,
kỹ thuật lọc màng còn cho phép tái sử dụng lại dung dịch nhuộm và nước sạch sau
khi đã tách thuốc nhuộm, đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm và đã được áp
dụng ở một số nước. Ở nước ta, việc áp dụng kỹ thuật lọc màng trong xử lý nước
thải dệt nhuộm là vấn đề còn rất mới.
Phương pháp tách bằng màng là một trong những kỹ thuật tách hiện đại và
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong khoảng vài chục năm trở lại
đây, kỹ thuật lọc màng đã có những bước tiến bộ vượt bậc và được áp dụng rộng rãi
ở qui mô công nghiệp cho nhiều mục đích khác nhau, như sản xuất nước sạch và

1


siêu sạch, lọc hoá dầu, dược phẩm, thực phẩm, hoá chất, y tế, môi trường … Ưu
điểm của phương pháp lọc bằng màng là có thể tách được các cấu tử có kích thước
rất khác nhau, từ cỡ hạt tới cỡ ion mà không cần phải sử dụng thêm các hoá chất
khác, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, là phương pháp tách hiện đại, tiết
kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.
Trong luận văn này, chúng tôi đã thực hiện đề tài “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”
Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu màng lọc, Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Nước thải dệt nhuộm và các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm

2


1.1.1. Công nghệ sản xuất và nguồn phát sinh nước thải
Ngành dệt nhuộm là ngành công nghiệp có dây chuyền công nghệ sản xuất
khá phức tạp với nhiều loại hình công nghệ khác nhau. Quá trình sản xuất sử dụng
các nguồn nguyên liệu, hóa chất khác nhau để sản xuất các mặt hàng với mẫu mã,
màu sắc, chủng loại rất đa dạng. Nguyên liệu chủ yếu là xơ bông, xơ nhân tạo để
sản xuất các loại vải cotton và vải pha, ngoài ra còn dùng các nguyên liệu như lông
thú, đay gai, tơ tằm …
Thông thường công nghệ dệt nhuộm gồm ba quá trình cơ bản: Kéo sợi, dệt
vải và xử lý (nấu tẩy), nhuộm và hoàn thiện vải. Các công đoạn chính gồm[14-42]:
Làm sạch nguyên liệu: Nguyên liệu bông thô chứa các sợi bông có kích
thước khác nhau cùng với các tạp chất cơ học được đánh tung, làm sạch và trộn đều.
Chải: Các sợi bông được chải song song và tạo thành các sợi thô.
Kéo sợi, đánh ống, mắc sợi: Kéo sợi thô tại các máy sợi con để giảm kích
thước sợi, tăng độ bền và quấn sợi vào các ống thích hợp. Sợi con trong các ống
nhỏ được đánh ống thành các quả to để chuẩn bị dệt vải. Mắc sợi để chuẩn bị cho
công đoạn hồ sợi.
Hồ sợi dọc: Hồ sợi bằng hồ tinh bột và tinh bột biến tính để tạo màng hồ bao
quanh sợi, tăng độ bền, độ trơn và độ bóng của sợi. Ngoài ra còn dùng các loại hồ
nhân tạo như polyvinylalcol PVA, polyacrylat …
Dệt vải: Kết hợp sợi ngang và sợi dọc để hình thành tấm vải mộc.
Giũ hồ: Tách các thành phần hồ bám trên vải mộc bằng enzim hoặc axit

sunfuric 0.5%, sau đó giặt bằng nước, xà phòng, xút, chất ngấm rồi đưa sang nấu
tẩy.
Nấu vải: Loại trừ phần hồ còn lại và các tạp chất thiên nhiên của xơ sợi. Vải
được nấu trong dung dịch kiềm và các chất tẩy giặt ở áp suất 2 đến 3 at, nhiệt độ
120 đến 1300C, sau đó vải được giặt nhiều lần.
Làm bóng vải: Mục đích làm trương nở sợi cotton, xơ sợi trở nên xốp, thấm
nước, bóng hơn, tăng khả năng bắt màu thuốc nhuộm. Thường dùng dung dịch
NaOH nồng độ 300 ppm, nhiệt độ 100C đến 200C, sau đó vải được giặt nhiều lần.

3


Tẩy trắng: Các chất tẩy thường dùng là NaClO2, NaOCl hoặc H2O2 cùng với
các hóa chất phụ trợ khác.
Nhuộm vải và hoàn thiện: Thường sử dụng các loại thuốc nhuộm tổng hợp
và các hóa chất trợ nhuộm để tăng sự gắn màu của vải. Phần thuốc nhuộm dư không
gắn vào vải sẽ đi vào nước thải. Tỷ lệ màu gắn vào sợi nằm trong khoảng 50 đến
98%, tùy thuộc vào công nghệ nhuộm, loại vải, độ màu yêu cầu … Để tăng hiệu quả
quá trình nhuộm, các hóa chất được sử dụng là các loại axit H 2SO4, CH3COOH, các
muối sunfat natri, các chất cầm màu như syntephix, tinofix.
Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các công đoạn
hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất, trong đó lượng nước thải chủ yếu do
quá trình giặt sau mỗi công đoạn, và nước thải công đoạn giặt sau nhuộm chiếm từ
20 đến 60 % tổng lượng nước thải.
1.1.2. Đặc trưng nước thải dệt nhuộm và các tác động đến môi trường
Vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong công nghiệp dệt nhuộm là ô nhiễm nước thải.
Các chất thải trong nước thải dệt nhuộm bao gồm: Các thành phần nguyên liệu (tạp
chất thiên nhiên, muối, dầu, mỡ trong bông và len, xơ sợi), hóa chất, thuốc nhuộm
còn tồn dư sau khi hoàn thành công đoạn nhuộm, in hoa và chất thải của các công
đoạn phụ trợ. Mức độ ô nhiễm nước thải phụ thuộc chủ yếu vào loại và lượng các

hóa chất, chất trợ thuốc nhuộm sử dụng, phụ thuộc vào công nghệ và các máy móc
thiết bị trong dây chuyền công nghệ áp dụng. Các chất gây ô nhiễm trong nước thải
dệt nhuộm được chia thành ba nhóm chính gồm:
* Các chất độc với vi sinh và tôm cá gồm xút, natricabonat, axit vô cơ, các
chất khử vô cơ như natrisunfua và natrihidrosunfit, dung môi hữu cơ clo hóa, các
dẫn xuất phenol và đi phenol, các hợp chất kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ
hay dung môi.
* Các chất khó phân giải vi sinh gồm phần lớn thuốc nhuộm và chất tăng
trắng quang học, các chất tạo phức-càng hóa, nhũ hóa, làm mềm, các chất hồ sợi,
các chất giặt vòng thơm, ankylenoxit dài hay mạch nhánh ankyl.

4


* Các chất tương đối không độc và có thể phân giải vi sinh gồm xơ sợi và
các tạp chất thiên nhiên của chúng, bột sắn không biến tính hóa học dùng để hồ sợi,
các chất giặt ankyl mạch thẳng, axit axetic và axit fomic, muối trung tính nồng độ
thấp.
Các thông số đặc trưng cho tính chất nước thải dệt-nhuộm gồm các thông số
vật lý (nhiệt độ, pH, màu sắc, tổng lượng chất rắn lơ lửng, tổng lượng chất rắn hòa
tan), các thông số sinh học, sinh thái (BOD, COD, tổng cacbon hữu cơ TOC,
cacbon hữu cơ hòa tan DOC, kim loại nặng, halogen hữu cơ AOX) và các thông số
hóa học (clo tự do trong nước, nito amoni, nito tổng, phosphor tổng, sulfua, sulfite,
sunfat, hidrocacbon tổng, các chất thơm, các chất hoạt động bề mặt..).
Đặc tính nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải ngành dệt-nhuộm
được thể hiện trong bảng sau.
Bảng 1.1. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính của nước thải ngành dệt-nhuộm [14 ]
Công đoạn

Chất ô nhiễm trong nước thải

Đặc tính của nước thải

Hồ sợi, giũ hồ

Tinh bột, glucose, carboxy metyl xenlulo,
polyvinyl alcol, nhựa, chất béo và sáp

BOD cao (34 đến 50 % tổng
BOD)

Nấu tẩy

NaOH, chất sáp và dầu mỡ, tro, soda,
silicat natri và xơ sợi vụn

Độ kiềm cao, màu tối, BOD
cao (30 % tổng BOD)

Tẩy trắng

Hypoclorit, hợp chất chứa clo, NaOH,
AOX, axit …

Độ kiềm cao, chiếm 5 %
BOD

Làm bóng

NaOH, tạp chất

Độ kiềm cao, BOD thấp
(dưới 1% tổng BOD)

Nhuộm

Các loại thuốc nhuộm, axit axetic và các
muối kim loại

Độ màu rất cao, BOD khá
cao, TS cao

In

Chất màu, tinh bột, dầu, đất sét, muối, kim
loại, axit …

Độ màu cao, BOD cao và
dầu mỡ

Hoàn thiện

Vết tinh bột, mỡ động vật, muối

Kiềm nhẹ, BOD thấp

Trong các chất thải dệt nhuộm thì thuốc nhuộm là một trong những thành phần
rất được quan tâm. Thuốc nhuộm đi vào nước thải do còn tồn dư sau khi hoàn tất
công đoạn nhuộm. Các thuốc nhuộm thường có trong nước thải xưởng nhuộm ở

5


nồng độ 10-50 mppm. Tuy nhiên, tùy thuộc vào qui mô và công nghệ áp dụng, nồng
độ thuốc nhuộm trong nước thải có thể cao hơn nhiều. Cho đến nay, việc xử lý
thuốc nhuộm tồn dư trong nước thải dệt nhuộm vẫn là một thách thức đáng kể với
ngành công nghiệp này.
1.1.3. Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu và xử lý nước thải dệt nhuộm
Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu ô nhiễm nước thải ngành dệt nhuộm
có thể thực hiện trong quá trình sản xuất như:
- Giảm nhu cầu sử dụng nước bằng cách thường xuyên kiểm tra hệ thống
nước cấp, tránh rò rỉ nước. Sử dụng công nghệ tẩy, nhuộm, giặt hợp lý. Tuần hoàn,
sử dụng lại các dòng nước giặt ít ô nhiễm và nước làm nguội.
- Hạn chế sử dụng các hóa chất trợ, thuốc nhuộm ở dạng độc hay khó phân
hủy sinh học. Giảm các chất gây ô nhiễm nước thải trong quá trình tẩy, giảm ô
nhiễm kiềm trong nước thải từ công đoạn làm bóng.
- Thu hồi và sử dụng lại dung dịch hồ từ công đoạn hồ sợi và giũ hồ, phương
pháp lọc màng dùng để thu hồi PVA được ứng dụng lần đầu tiên ở Mỹ năm 1974 và
cho đến nay đã được áp dụng ở nhiều nước châu Âu.
- Sử dụng nhiều lần dịch nhuộm vừa tiết kiệm hóa chất, thuốc nhuộm và
giảm được ô nhiễm môi trường. Các loại thuốc nhuộm cho phép sử dụng lại nhiều
lần gồm: Thuốc nhuộm axit dùng cho len và polyamit, thuốc nhuộm bazo dùng cho
polyacrylonitril, thuốc nhuộm trực tiếp cho mặt hàng bông, thuốc nhuộm phân tán
cho sợi tổng hợp như polyester. Cho đến nay, việc thu hồi thuốc nhuộm từ dịch
nhuộm bằng phương pháp lọc màng đã được thực hiện thành công ở một số nước để
thu hồi thuốc nhuộm indigo từ quá trình nhuộm sợi bông. Sau khi nhuộm thì phần
thuốc nhuộm không gắn vào sợi sẽ đi vào nước giặt với nồng độ 0,1 ppm. Để thu
hồi thuốc nhuộm, dùng phương pháp lọc màng để nâng nồng độ thuốc nhuộm sau
lọc lên 60 đến 80 ppm và có thể đưa vào bể nhuộm để sử dụng lại.
Do đặc thù của công nghệ, nước thải ngành dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chất

rắn, độ màu, BOD, COD cao. Việc lựa chọn phương pháp xử lý cần phải dựa vào
nhiều yếu tố như lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêu chuẩn thải … Về nguyên

6


lý, hiện có các phương pháp sau được áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm:
* Phương pháp đông keo tụ: Đây là phương pháp khá thông dụng trong xử lý nước
thải dệt nhuộm. Trong phương pháp này người ta dùng phèn nhôm hoặc phèn sắt
cùng với sữa vôi khử màu và một phần COD. Điều chỉnh pH thích hợp cho từng
loại phèn và loại nước thải cần xử lý. Về nguyên tắc, trong hệ phản ứng có các bông
hydroxit sắt hoặc nhôm sẽ hấp phụ các hợp chất màu và các chất khó phân hủy sinh
học, lắng xuống tạo thành bùn. Phương pháp này ứng dụng để khử màu của nước
thải và cho hiệu suất khá cao với thuốc nhuộm phân tán. Có thể áp dụng phương
pháp keo tụ điện hóa để tăng sự tạo bông và áp dụng trên quy mô lớn. Để tăng sự
tạo bông và trợ lắng người ta thường cho thêm các polime hữu cơ. Tuy nhiên
phương pháp này tạo ra lượng lớn bùn (từ 0,5 đến 2,5 kg/1 m 3 nước thải), bùn này
sau đó phải tách nước và chôn lấp đặc biệt, nhưng COD chỉ giảm từ 60 đến 70%.
* Phương pháp hấp phụ: Dùng để xử lý các chất thải không có khả năng phân hủy
sinh học và các chất hữu cơ không hoặc khó xử lý bằng phương pháp sinh học,
nước thải dệt nhuộm có thuốc nhuộm hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính. Cơ sở của
quá trình là hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn xốp (chất hấp phụ). Các chất hấp
phụ thường là than hoạt tính, than nâu, đất sét, cacbonat, magie, trong đó than hoạt
tính có bề mặt riêng lớn từ 400 đến 500 m 2/g. Tuy nhiên phương pháp này cũng
chỉ giảm tối đa 70% COD.
* Phương pháp oxi hóa: Các chất nhuộm vải hầu hết đều là các chất bền hóa học
nên phải dùng các chất oxi hóa mạnh. Nhiều kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi
dùng ozon hoặc không khí có chứa hàm lượng ozon nhất định có khả năng khử màu
tốt, đặc biệt cho nước thải có chứa thuốc nhuộm hoạt tính. Theo tài liệu cứ 1g thuốc
nhuộm hoạt tính cần 0,5g O3. Tuy nhiên giá thành cho việc sản xuất ozon khá cao.

Dùng khí clo là phương pháp kinh tế để khử màu nước thải dệt nhuộm. Xử lý vi
sinh tiếp theo sẽ giảm đáng kể tải lượng COD và độ độc. Tuy nhiên, phương pháp
này có bất lợi là sinh ra hợp chất clo hữu cơ, do đó làm tăng tổng lượng halogen
hữu cơ AOX trong nước thải. Nếu dùng peroxit H 2O2 trong môi trường axit với chất
xúc tác muối sắt (II) thì gốc hydroxyl trung gian được tạo ra có thể có khả năng oxi

7


hóa cao hơn cả ozon, tuy vậy phương pháp này cũng khá tốn kém.
* Phương pháp sinh học: Mặc dù thuốc nhuộm hầu hết đều là các chất khó phân
hủy nhưng trong thành phần nước thải dệt nhuộm cũng có chứa nhiều chất có thể
phân hủy sinh học. Tuy nhiên trong nước thải dệt nhuộm có nhiều chất gây độc cho
vi sinh vật như chất thải vô cơ, fomandehit, kim loại nặng.... và các chất khó phân
hủy sinh học như chất tẩy giặt, hồ PVA.... cho nên trước khi đưa vào xử lý sinh học
cần xử lý sơ bộ các chất gây độc, giảm tỷ lệ các chất khó phân hủy. Với phương
pháp xử lý hiếu khí cần kiểm tra tỷ lệ theo chỉ tiêu BOD 5 : N : P = 100:5:1. Do nước
thải dệt nhuộm có chứa nito và photpho nên các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng
nên trộn cùng nước thải sinh hoạt để đưa vào xử lý sinh học. Các phương pháp sinh
học thường dùng là phương pháp bùn hoạt tính, lọc sinh học, hồ oxy hóa hoặc kết
hợp xử lý sinh học nhiều bậc. Các kết quả cho thấy nước sau xử lý không màu và
hàm lượng chất rắn nhỏ song lượng bùn sinh khối tạo ra tương đối lớn. Như vậy sẽ
kèm theo chi phí xử lý bùn và giá thành sẽ lại cao.
Các nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các phương pháp như sinh hóa, hấp phụ,
bùn lắng.... cũng không mang lại hiệu quả cao, chi phí tốn kém nhưng chỉ loại bỏ tối
đa được khoảng 70% COD [41]
* Phương pháp màng lọc: Phương pháp này đã được ứng dụng trong xử lý nước
thải ngành dệt nhuộm với mục đích thu hồi các chất tái sử dụng lại như hồ tinh bột,
PVA, thu hồi muối và thuốc nhuộm. Một số kết quả nghiên cứu về việc áp dụng kỹ
thuật lọc màng NF và RO đã cho thấy phương pháp này khá hiệu quả, có thể giảm

COD tới 99,5 % [41]. Việc áp dụng công nghệ màng có thể giảm lượng nước sạch
tiêu tốn cho quá trình nhuộm vải tới 70%. Kỹ thuật lọc màng có thể áp dụng để xử
lý nước thải nhuộm tốt hơn rất nhiều so với các phương pháp thông thường [9,17,
18, 26,28,37,46].
1.2. Giới thiệu về màng lọc và các quá trình phân tách màng
Màng lọc là một loại vật liệu được sử dụng trong quá trình tách một hỗn hợp
đồng thể hay dị thể (lỏng – lỏng, lỏng – rắn, khí – rắn, khí – khí). Một cách khái

8


quát, có thể coi màng là một lớp chắn có tính thấm chọn lọc đặt giữa hai pha – pha
đi vào (feed) và pha thấm qua (filtrate). Trong quá trình tách, màng có khả năng lưu
giữ được một số cấu tử trong hỗn hợp và cho các cấu tử khác đi qua. Quá trình vận
chuyển chất qua màng được thực hiện một cách tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động
lực giữa hai phía màng. Động lực của quá trình tách qua màng là chênh lệch áp
suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch nhiệt độ hay chênh lệch điện trường.
1.2.1. Phân loại màng lọc
Dựa vào bản chất, người ta chia màng thành hai loại: màng sinh học và màng
tổng hợp. Đây là cách phân loại rõ ràng nhất vì hai loại màng này khác nhau hoàn
toàn cả về cấu trúc và chức năng [27].
Một cách phân loại khác là dựa vào cấu trúc màng, đây cũng là một cách
phân loại quan trọng vì cấu trúc màng quyết định cơ chế tách và phạm vi ứng dụng
của màng. Trong phạm vi các màng tổng hợp rắn, người ta chia thành hai loại:
màng đối xứng và màng bất đối xứng [28].
Màng đối xứng là loại màng có cấu trúc đồng nhất từ trên xuống dưới với hai
mặt hoàn toàn như nhau (ví dụ như màng xenlophan, cuprophan). Độ dày của màng
đối xứng (xốp hoặc không xốp) nằm trong khoảng từ 10 đến 200 μm, trở lực chuyển
khối được quyết định bởi độ dày của toàn bộ màng, nếu giảm độ dày của màng thì
sẽ làm tăng tốc độ thấm qua. Loại màng này thường được dùng trong các quá trình

vi lọc để lọc các tiểu phân nhỏ hoặc hoặc dùng cho thẩm tách máu [4, 28].
Một bước đột phá trong các ứng dụng công nghiệp là sự phát triển của màng
bất đối xứng. Loại màng này có cấu trúc gồm hai lớp: lớp thứ nhất là lớp hoạt động
rất mỏng (cỡ khoảng từ 0.1 đến 0.5 μm), lớp thứ hai là lớp đỡ xốp nằm ở dưới, lớp
này dày hơn rất nhiều so với lớp hoạt động (cỡ khoảng 50 đến 150 μm). Kích thước
lỗ của lớp hoạt động nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước lỗ của lớp đỡ. Trở lực
chuyển khối của màng hoàn toàn do lớp hoạt động quyết định, lớp đỡ có tác dụng
làm tăng độ bền cơ học của màng, giữ cho lớp hoạt động khỏi bị rách nhưng không
ảnh hưởng tới việc vận chuyển dung môi và các chất qua màng. Do đó, loại màng
này có năng suất lọc rất cao. Các lớp đỡ thường có cấu trúc xốp kiểu ngón tay hoặc

9


kiểu tổ ong [1, 4, 28]. Với cấu trúc đặc biệt như vậy, màng bất đối xứng có hiệu quả
tách cao, có độ bền cơ học tốt và được ứng dụng nhiều trong quá trình siêu lọc, lọc
nano, tách khí, thẩm thấu ngược,… Tùy theo điều kiện chế tạo màng ta có thể thay
đổi chiều dày và kích thước lỗ của lớp hoạt động cũng như cấu trúc xốp của lớp đỡ.
Màng composite là một trường hợp đặc biệt của màng bất đối xứng, lớp hoạt
động và lớp đỡ xốp của nó được làm từ hai loại vật liệu khác nhau, mỗi lớp có thể
được chế tạo tối ưu hóa một cách độc lập. Loại màng này có hiệu quả tách rất cao,
có tính năng cơ học và hóa học rất tốt [6, 28, 31].
1.2.2. Module màng lọc
Trong các ứng dụng lớn ở quy mô công nghiệp và bán công nghiệp, màng
thường được sử dụng ở dạng module (bộ lọc), để tăng diện tích làm việc và công
suất lọc[7, 28].
• Module sợi rỗng

Hình 1.1. Module sợi rỗng
Module sợi rỗng (hollow fibre) gồm những sợi rỗng rất nhỏ, có đường kính

ngoài khoảng 80 μm và đường kính trong khoảng 40 μm. Lớp hoạt động nằm ở phía
trong sợi. Loại màng này có thể chịu được áp suất cao.
• Module khung bản

10


Hình 1.2.
Module
khung bản
Module
khung bản
gồm nhiều
tấm

màng

đặt

song

song nhau. Giữa các tấm có lớp đệm, dung dịch đi vào giữa hai tấm màng còn dung
dịch thấm qua và dung dịch lưu giữ được dẫn ra ngoài theo các kênh khác nhau.
• Module cuộn
Module cuộn là các tấm dài được cuộn quanh một lõi. Hai tấm màng dài
được đặt song song ở giữa có lớp đệm xốp. Module cuộn có chiều dài từ 30 – 150
cm với đường kính từ 5 – 30 cm [7,9,28].

11

Hình 1.3. Module cuộn
1.2.3. Mô hình dòng qua module và cách sắp xếp hệ thống module màng lọc
Trong quá trình lọc màng, bao giờ cũng có tối thiểu 3 pha trong một module
(bộ lọc) gồm pha đi vào, pha lưu giữ và pha thấm qua. Sơ đồ mô tả các dòng (pha)
đi qua một module màng lọc được đưa ra ở Hình 1.3.

12


Hình 1.4. Sơ đồ dòng qua module màng lọc

Trong phương pháp làm việc gián đoạn, một thể tích nhất định dung dịch
được nén qua màng, theo thời gian nồng độ chất bị lưu giữ tăng dần trên bề mặt
màng và năng suất lọc giảm dần. Sơ đồ mô tả quá trình được đưa ra ở hình 1.5.

13


Hình 1.5. Sơ đồ quá trình lọc gián đoạn
Trong phương pháp làm việc liên tục, dung dịch vào được bơm liên tục qua
module, sản phẩm (dung dịch thấm qua) được lấy ra liên tục. So với phương pháp
gián đoạn, phương pháp này có chất lượng sản phẩm và năng suất lọc ổn định, mặt
khác sẽ giảm được hiện tượng phân cực nồng độ và tắc màng.

14


Hình 1.6. Sơ đồ hệ lọc màng liên tục
1.2.4. Một số đặc tính của màng

• Mật độ lỗ
Mật độ lỗ là số lỗ trên một đơn vị diện tích bề mặt. Màng công nghiệp thường
có từ 108 – 109 lỗ/cm2. Tính chất này cũng phần nào đánh giá được độ xốp và lưu
lượng lọc của màng. Các màng có cùng đường kính lỗ xốp thì màng nào có mật độ
lỗ lớn sẽ có độ xốp cao hơn, lưu lượng lọc lớn hơn và ngược lại [4,7].
• Độ thấm ướt
Độ thấm ướt là một đặc trưng quan trọng của màng. Màng lọc dễ thấm ướt bởi

15


dung dịch cần lọc thì quá trình lọc xảy ra dễ dàng hơn so với màng lọc không thấm
ướt bởi dung dịch cần lọc [2,4,7].

• Độ xốp của màng
Độ xốp của màng là thể tích lỗ trống không bị chiếm bởi vật liệu màng trên
tổng thể tích của màng. Độ xốp được quyết định bởi kích thước lỗ và mật độ lỗ xốp
[2,4,6,7].
• Chiều dày màng
Chiều dày màng là một đặc trưng quan trọng và được khống chế khi chế tạo.
Màng càng dày thì trở lực của màng càng lớn và năng suất lọc của màng bị giảm
nhưng màng sẽ bền hơn, ngược lại nếu màng mỏng thì sẽ không bền. Thông thường
màng polyme được chế tạo với chiều dày từ 300-500 μm, chiều dày của màng chế
tạo thường dao động 10% so với giá trị xác định [4,7].
• Độ nén ép
Đối với các quá trình lọc đặc biệt là lọc bằng màng thì đòi hỏi phải có sự
chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng lọc. Trong quá trình lọc, do sự chênh
lệch áp suất, màng bị nén lại làm cho độ xốp của màng bị giảm đi, trở lực của màng
tăng lên. Tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp suất và thời gian làm việc mà màng bị nén
ít hay nhiều, khi đó năng suất lọc cũng bị giảm xuống so với khi chưa bị nén trong

cùng điều kiện lọc [4, 7].
• Trở lực của màng
Trở lực của màng là áp suất thuỷ tĩnh để dung dịch có thể chảy được qua màng
với lưu lượng riêng nào đó. Màng càng dày, càng ít lỗ thì trở lực càng lớn và ngược
lại [4, 7].
1.2.5. Các quá trình màng dùng động lực áp suất
Các quá trình màng động lực áp suất chủ yếu gồm: lọc thường, vi lọc, siêu lọc,
lọc nano, thẩm thấu ngược. Việc phân chia thành các quá trình màng dựa theo kích

16


thước lỗ màng và cũng chỉ mang tính tương đối. Ngoài ra còn một số quá trình khác
như điện thẩm tách, thẩm tách và bốc hơi qua màng[3,16,28].

• Vi lọc (Microfiltration)
Màng vi lọc có kích thước lỗ từ 0.1 đến 10µm, có khả năng giữ được những
tiểu phân có kích thước tương đối lớn và các loại vi khuẩn. Loại màng này có độ
cản thuỷ lực thấp. Quá trình tách qua màng xảy ra theo cơ chế sàng lọc. Vật liệu tạo
màng có thể là vô cơ (gốm, thủy tinh, kim loại) hoặc hữu cơ (polyme).
• Siêu lọc (Ultrafitration)
Để tách các tiểu phân có kích thước tương đối nhỏ và các phân tử có kích
thước trung bình, người ta phải dùng màng siêu lọc. Màng này có cấu trúc bất đối
xứng, vật liệu tạo màng thường là polyme hoặc gốm. Kích thước lỗ của lớp hoạt
động khoảng từ 0.001 đến 0.1µm. Độ cản thủy lực của màng lớn hơn so với màng
vi lọc. Quá trình tách qua màng cũng xảy ra theo cơ chế sàng lọc (rây phân tử). Khả
năng tách của màng được đặc trưng bởi hệ số cắt phân tử (MWCO) hay còn gọi là
giới hạn tách phân tử.
• Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis)
Màng thẩm thấu ngược có kích thước lỗ vô cùng nhỏ, khoảng một vài nm. Loại

màng này có thể tách được các ion trong dung dịch và cho dung môi đi qua. Độ cản
thủy lực của màng này rất lớn, theo đó áp suất làm việc cũng rất lớn, có thể lên đến
80 bar [2,6,31]. Quá trình tách qua màng xảy ra theo cơ chế hoà tan khuếch tán và
hấp phụ mao quản.
• Lọc nano (Nanofiltration)
Màng lọc nano có cấu trúc bất đối xứng và thường dùng để tách các tiểu
phân có kích thước nhỏ (đường, amino axit, thuốc trừ sâu, chất diệt cỏ,…) theo cơ
chế thấm khuếch tán và sàng lọc. Độ cản thủy lực của quá trình này cao hơn so với
quá trình siêu lọc.
Màng thẩm thấu ngược và lọc nano dùng cho dung môi nước khá giống nhau

17


về cấu trúc và phương pháp chế tạo. Tuy nhiên, màng lọc nano có kích thước lỗ lớn
hơn một chút so với màng thẩm thấu ngược và quá trình chuyển khối qua màng lọc
nano là phức tạp hơn vì quá trình tách xảy ra không chỉ do cơ chế thấm khuếch tán
mà còn có cả cơ chế sàng lọc. Màng thẩm thấu ngược và lọc nano cần có tính chất
ưa nước, bền về mặt hoá học (đặc biệt là với các tác nhân làm sạch và khử trùng
chứa clo – nước gia ven), chống được vi khuẩn, và có độ bền cơ học tốt. Màng bất
đối xứng làm từ vật liệu cellulose acetate dùng cho thẩm thấu ngược và lọc nano
hiện nay vẫn khá thông dụng. Tuy nhiên, các loại màng composite (TFC) cũng đang
có ưu thế trên thị trường, ví dụ như màng composite với lớp đỡ là polysulfone hay
polyethersulfone và lớp bề mặt polyamide. So với màng composite, màng làm từ
dẫn xuất cellulose có khả năng chịu được môi trường clo tốt hơn, nhưng khả năng
chịu dung môi kém hơn và khoảng pH làm việc thích hợp hẹp hơn. Giới hạn tách
của các loại màng dùng động lực áp suất có thể được biểu diễn như Hình 1.7.

Hình 1.7. Giới hạn tách của các loại màng lọc dùng động lực áp suất
1.2.6. Cơ chế tách qua màng

Quá trình vận chuyển chất qua màng là một quá trình phức tạp. Qua nghiên
cứu các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau để giải thích cơ chế của
quá trình tách qua màng như[4,7,20]:

18


• Thuyết sàng lọc
Thuyết này cho rằng màng gồm nhiều mao quản có kích thước lỗ xác định.
Cấu tử nào có kích thước bé hơn kích thước mao quản thì sẽ vận chuyển qua màng,
còn cấu tử có kích thước lớn hơn thì bị giữ lại [2,5]. Thuyết này chỉ phù hợp trong
việc giải thích cho các quá trình siêu lọc và vi lọc (chất tan có kích thước lớn).
Trong trường hợp phân tử chất tan và phân tử dung môi có kích thước tương đương
nhau thì thuyết này không giải thích được.
• Thuyết hòa tan khuếch tán
Thuyết này cho rằng dưới 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,
nhưng dòng khuếch tán chất tan và dòng khuếch tán dung môi khác nhau về tốc độ,
tốc độ này tỉ lệ với hệ số khuếch tán của chúng trong màng. Hệ số khuếch tán của
dung môi càng lớn và của chất tan càng nhỏ thì quá trình tách càng hiệu quả.
Thuyết này cho thấy ảnh hưởng của vật liệu tạo màng đến hiệu quả tách.
• Thuyết mô hình mao quản
Thuyết này cho rằng màng bán thấm được cấu tạo từ nhiều mao quản, trên
bề mặt màng bán thấm và trong ống mao quản hình thành một lớp nước liên kết hấp
phụ. Do tác dụng của các lực hoá lý, lớp nước hấp phụ này đã mất đi một phần hay
toàn bộ khả năng hoà tan chất tan, vì thế nó không cho chất tan đi qua các ống mao
quản. Nếu các ống mao quản có đường kính đủ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nước
liên kết hấp phụ thì màng chỉ cho nước tinh khiết đi qua. Thuyết này giải thích được
khá đầy đủ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách.
1.2.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách qua màng

* Sự phân cực nồng độ và tắc màng (fouling)
Sự phân cực nồng độ là hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng
do dung môi vận chuyển được qua màng còn chất tan bị giữ lại. Hiện tượng này làm
cho lưu lượng của màng giảm xuống trong quá trình tách. Khi sự phân cực nồng độ
lớn thì chất tan sẽ bám trên bề mặt màng khiến cho bề mặt làm việc của màng giảm

19