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

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nƣớc thải dệt nhuộm và các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải dệt nhuộm
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.

1


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.
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 H2SO4, 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

2

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.
* 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 nƣớc thải

Đặc tính của nƣớc 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

3


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
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

4


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
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 m3 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 m2/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

5


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 H2O2 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

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 BOD5 : 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

6


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
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

7


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
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

8


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

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].

9


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.

Pha đi vào

Module

Pha lưu giữ

Pha thấm qua

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.

10


Dung dịch vào

Dung dịch thấm qua

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.
Dung dịch vào

Dung dịch lưu giữ

Dung dịch thấm qua

Dung dịch lưu giữ

Dung dịch vào

Dung dịch thấm qua

Dung dịch lưu giữ
Dung dịch vào

Dung dịch thấm qua

Hình 1.6. Sơ đồ hệ lọc màng liên tục

11


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
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].

12


 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
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

13


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
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

14


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]:
 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

15


* 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
xuống, đồng thời làm tăng vọt áp suất thẩm thấu, do đó hiệu quả làm việc của màng
giảm[4,7,28].
Có nhiều cách làm giảm sự phân cực trên màng bán thấm. Đối với nhiều
thiết bị lớn, để làm mất đi sự phân cực nồng độ trên màng bán thấm người ta thường
cho dung dịch trên màng vận chuyển với tốc độ lớn và tạo dòng xoáy. Còn đối với
thiết bị phòng thí nghiệm người ta thường tạo ra dao động rung hoặc khuấy đảo để
làm mất đi sự phân cực nồng độ trên màng[29, 34].
Trong quá trình tách qua màng, có thể xảy ra hiện tượng chất tan bị hấp phụ
trên bề mặt và trong các lỗ xốp của màng, làm cho năng suất lọc của màng giảm
xuống theo thời gian, thậm chí màng có thể bị tắc nghẽn. Các yếu tố ảnh hưởng tới
mức độ tắc nghẽn màng bao gồm nồng độ chất cần tách, pH, ái lực giữa chất cần
tách và vật liệu màng … [1, 31].
* Ảnh hưởng của áp suất làm việc
Áp suất làm việc ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tách bằng màng thẩm
thấu ngược. Khi áp suất tăng, lúc đầu lưu lượng lọc và độ lưu giữ đều tăng nhưng
khi đạt đến một áp suất nào đó thì độ lưu giữ R hầu như không thay đổi, trong khi
lưu lượng lọc vẫn tăng theo áp suất. Tuy nhiên, chỉ nên tăng áp suất tách tới một giá
trị giới hạn xác định, để bảo vệ màng và an toàn cho thiết bị.
Sourirajan đã đưa ra công thức liên hệ giữa độ lưu giữ R, năng suất lọc J và

áp suất như sau:
Trong đó:

R

J  1  2  lg P

1  P

2  P 1

P = Áp suất làm việc, α1, α2, β1, β2 = Các hệ số thực nghiệm

* Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách

16


Trong dung dịch chất tan được solvat hóa (hay còn gọi là hydrat hoá, khi dung
môi là nước). Các ion chất tan được bao bọc bởi hai lớp vỏ hydrat hóa gần và hydrat
hóa xa. Hydrat hóa gần là sự tương tác giữa chất tan với các phân tử nước ở gần nó,
liên kết này khá bền nên các phân tử nước không chuyển động tự do mà gắn liền với
ion chất tan. Do tương tác tĩnh điện nên các phân tử nước ở lớp hyđrat thứ nhất có
thể liên kết với các phân tử nước ở ngoài để thành lớp vỏ hydrat thứ hai, hiện tượng
này gọi là hydrat hoá xa, tương tác này yếu hơn nên các phân tử nước ở lớp vỏ thứ
hai không mất đi khả năng chuyển động tự do và tương đối linh động. Ở vùng nồng
độ loãng, các ion chất tan bị bao bọc bởi hai lớp vỏ hydrat, đồng thời trong dung
dịch vẫn tồn tại các phân tử nước ở trạng thái tự do. Nếu tăng nồng độ chất tan tới
một giới hạn nào đó thì trong dung dịch không còn các phân tử nước ở trạng thái tự
do nữa mà chỉ đủ để tạo thành hai hoặc một lớp vỏ hydrat. Lúc này độ lưu giữ và

lưu lượng qua màng giảm xuống rõ rệt. Do hiện tượng hydrat hoá nên các ion chất
tan bị giữ laị trên màng trong khi nước hoặc dung môi có thể vận chuyển qua màng
một cách dễ dàng.
* Bản chất của vật liệu màng
Bản chất của vật liệu làm màng là một đặc tính quan trọng, vật liệu làm
màng có tính thấm cao đối với dung môi cần lọc thì năng suất lọc sẽ cao và ngược
lại [8, 9].
* Độ nhớt dung dịch
Năng suất lọc tỷ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng cần lọc. Độ nhớt của
dung dịch càng cao thì năng suất lọc càng nhỏ. Độ nhớt cao làm giảm khả năng
chảy qua màng của chất lỏng.
* Các yếu tố ảnh hưởng khác
Các loại vi khuẩn cũng có ảnh hưởng rất lớn đến màng vì một số vi khuẩn có
thể ăn các polyme, làm giảm chất lượng và thời gian làm việc của màng. Độ pH của
dung dịch có ảnh hưởng đến tuổi thọ của màng. Tuỳ từng loại màng mà điều chỉnh

17


pH làm việc thích hợp. Nhiệt độ dung dịch tách cũng ảnh hưởng tới tính năng tách
của màng. Khi tăng nhiệt độ dung dịch tách, năng suất lọc của màng tăng nhưng độ
lưu giữ có thể giảm nhẹ.
1.2.8. Một số ứng dụng màng lọc trong sản xuất nước sạch và xử lý nước ô nhiễm
Cho tới nay màng lọc được sử dụng rất phổ biến ở các nước phát triển và
được dùng trong các lĩnh vực như: khử muối, làm trong và khử trùng nước, sản xuất
nước siêu sạch, xử lý nước thải công nghiệp, xử lý tuần hoàn nước thải đô thị, các
bể sinh học … [5,6,7]

 Khử muối
Trong nước tự nhiên thường hoà tan một lượng nhất định các muối như

NaCl, KCl, CaSO4, MgCl2, Mg(NO3)2... Hàm lượng các muối này nếu vượt quá giới
hạn nào đó sẽ không có lợi cho sức kho , gây ăn mòn bê tông cốt thép, gây đóng
cặn thành và đáy nồi … Do đó trước khi sử dụng cần phải xử lý để loại bỏ đến giới
hạn cho phép. Có nhiều phương pháp được ứng dụng trong công nghiệp, trong đó
phương pháp màng lọc có nhiều ưu thế và ngày càng cạnh tranh với các phương
pháp khác do những ưu điểm đặc biệt của phương pháp này.
 Làm trong và khử trùng nước
Việc sản xuất nước uống cũng như phần lớn các loại nước sản xuất trong
công nghiệp từ nước tự nhiên luôn coi trọng việc loại bỏ huyền phù dù có nguồn
gốc hay bản chất như thế nào. Các màng vi lọc (MF) hay siêu lọc (UF) có giới hạn
tách tốt, có thể sử dụng cho công đoạn lọc trong. Các màng lọc này tạo ra một lớp
chắn đối với vi khuẩn, thậm chí cả virut. [15]
 Sản xuất nước siêu sạch
Nước siêu sạch hết sức cần thiết cho nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản
xuất vật liệu bán dẫn, nước cấp cho nồi hơi và trong sản xuất thuốc tiêm dịch truyền
[2,8,11,13]. Trong công nghiệp điện tử, do việc chế tạo các linh kiện bán dẫn đòi

18


hỏi phải có nguồn nước rất tinh khiết, do đó sơ đồ xử lý nước cho công nghiệp điện
tử đòi hỏi rất phức tạp và thường kết hợp với các xử lý khác như: xử lý ô nhiễm vô
cơ hoà tan, xử lý ô nhiễm hữu cơ và các vi khuẩn. Ô nhiễm vô cơ hoà tan được loại
bỏ bằng hai phương pháp chính là: thẩm thấu 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.
MF, UF

Than
hoạt
tính

Trao
đổi
ion

RO

Nước sạch

Bể chứa

19

UV
Nước siêu

sạch


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

20


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

1.3.

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

21


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

22


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

23


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)

24


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 r , 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

25