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

1.Nước thải dệt nhuộm và các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm
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 10 0C 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.
1.2. 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.
* 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 dệtnhuộm 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 Tinh bột, glucose, carboxy metyl BOD cao (34 đến 50 %
hồ

xenlulo, polyvinyl alcol, nhựa, chất béo tổng BOD)

Nấu tẩy

và sáp

NaOH, chất sáp và dầu mỡ, tro, soda, Độ kiềm cao, màu tối,
silicat natri và xơ sợi vụn

BOD cao (30 % tổng

Tẩy trắng

BOD)
Hypoclorit, hợp chất chứa clo, NaOH, Độ kiềm cao, chiếm 5 %

Làm bóng

AOX, axit …
NaOH, tạp chất

Nhuộm

(dưới 1% tổng BOD)
Các loại thuốc nhuộm, axit axetic và Độ màu rất cao, BOD khá

In

các muối kim loại
cao, TS cao
Chất màu, tinh bột, dầu, đất sét, muối, Độ màu cao, BOD cao và

BOD
Độ kiềm cao, BOD thấp

kim loại, axit …
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.
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 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 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 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 lý nước thải nhuộm tốt hơn rất nhiều so với các
phương pháp thông thường [9,17, 18, 26,28,37,46].
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.
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 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].
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

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].

Hình 1.3. Module cuộn
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.

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.

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.


Hình 1.6. Sơ đồ hệ lọc màng liên tục
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].
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].
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 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
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.
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 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:

J = β1 + β 2 × lg P

R=

α1 × P
α2 × P + 1

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

* Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tách
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 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.
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 khoẻ, 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


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.

Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống sản xuất nước siêu sạch dùng màng lọc
Xử lý nước


Màng lọc có khả năng giải quyết một cách hiệu quả các vấn đề về xử lý nước,
xét về khía cạnh kinh tế ngày nay kỹ thuật này được ứng dụng ngày càng nhiều
trong xử lý công nghiệp nhằm:
Thu hồi nước có chất lượng cao để dùng lại.
Làm tăng giá trị chất cô đặc. Trong trường hợp này, thu hồi chất thải đồng thời
loại bỏ ô nhiễm và làm tăng giá trị chất cô đặc.
Xử lý các chất thải khó và ít có khả năng phân huỷ sinh học hay gây độc...
Cô đặc huyền phù từ 30 ppm đến 300 ppm
Làm trong các dung dịch chứa các tạp chất dưới dạng huyền phù, dầu và mỡ.
Trên thị trường hiện có nhiều loại thiết bị lọc màng được bán kèm với các bộ lọc
khác nhau, nhiều nhất là các thiết bị lọc dùng cho các hộ gia đình và cơ quan để
lọc làm sạch nước dùng cho sinh hoạt và ăn uống.
Các bộ lọc đi kèm hệ thống thiết bị gồm các lõi lọc thô và lọc tinh, lọc tiệt trùng,
lọc tạo khoáng …. Một hệ lọc thường gồm ít nhất 3 lõi lọc và nhiều nhất là 7 lõi.
Bộ phận quan trọng nhất quyết định chất lượng nước sản phẩm là lõi lọc RO/NF.
Thông thường, sau một thời gian sử dụng thì phải thay thế các lõi lọc để đảm
bảo chất lượng của nước sử dụng. Các lõi lọc RO hiện có trên thị trường do
nước ngoài sản xuất gồm Filmtech (Mỹ), Vontron (Trung quốc), Nasa (Nhật),
Hansan (Hàn Quốc) …
Màng lọc RO viết tắt từ hai chữ REVERSE OSMOSIS (thẩm thấu ngược).
Màng lọc RO được sản xuất từ chất liệu Polyamide (PA) hoặc Cellulose Acetate
(CA) với kích thước lỗ màng từ 0.001-0.0001µm. Công nghệ lọc RO được phát
minh và nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển hoàn thiện

vào thập niên 80 sau đó. Đầu tiên màng RO được nghiên cứu và ứng dụng chủ
yếu cho lĩnh vực hàng hải và vũ trụ của Mỹ. Sau này công nghệ RO được ứng
dụng rộng rãi vào trong đời sống và sản xuất, như sản xuất nước uống, cung cấp
nước tinh khiết cho sản xuất thực phẩm, dược phẩm hay phòng thí nghiệm...
[21]
Nguyên lý làm việc của quá trình thẩm thấu ngược có thể tóm tắt như sau: Khi
đặt màng bán thấm vào giữa dung môi và dung dịch, một cách tự nhiên dung


môi sẽ vận chuyển qua màng sang phía dung dịch cho tới khi chênh lệch áp suất
thủy tĩnh ngăn không cho dung môi tiếp tục đi sang phía dung dịch. Hiện tượng
này gọi là hiện tượng thẩm thấu và chênh lệch áp suất thủy tĩnh chính bằng áp
suất thẩm thấu. Nếu ta đặt lên phía dung dịch một áp suất lớn hơn áp suất thẩm
thấu thì sẽ xảy ra hiện tượng ngược lại, dung môi sẽ đi từ phía dung dịch sang
phía dung môi, hiện tượng này gọi là thẩm thấu ngược. Một số mục tiêu tách
loại các chất ô nhiễm của màng RO được đưa ra ở Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số mục tiêu tách loại các chất ô nhiễm của màng RO [23]
Đối tượng tách Độ lưu giữ Đối tượng tách
Barium
Bicarbonate
Cadmium
Calcium
Chromate
Copper
Detergents
Fluoride
Lead
Magnesium
Nickel
Nitrates

(%)
97
94
97
97
92
97
97
90
97
97
97
80

Total dissol
Potassium
Radium
Selenium
Silicate
Silver
Sodium
Strontium
Sulfate
PCBs
Insecticides
Herbicides

Độ

lưu

giữ

(%)
95
92
97
97
96
85
92
97
97
97
97
97

Biến tính bề mặt màng lọc
Để nâng cao tính năng tách của màng, giảm mức độ tắc màng nói chung, đặc
biệt là trong quá trình tách các chất hữu cơ, ngoài các phương pháp rửa cơ học
và lựa chọn chế độ thủy động thích hợp, gần đây việc nghiên cứu biến tính bề
mặt màng là một giải pháp rất được quan tâm nghiên cứu.
Phương pháp biến tính bề mặt có nhiều ưu điểm: Cải thiện được tính chất
bề mặt vật liệu mà không gây ảnh hưởng đến tính chất bên trong vật liệu như
khả năng bám dính, độ thấm nước, tính thích ứng sinh học, chống fouling ... mà
không cần phải chế tạo lại toàn bộ khối vật liệu, nhưng vẫn có được bề mặt vật
liệu với các tính chất mong muốn; hơn nữa phương pháp này sẽ giảm bớt chi phí

chế tạo vật liệu vì chỉ cần tác động lên bề mặt mà không cần phải chế tạo toàn
bộ khối vật liệu [36].
Hiện nay có rất nhiều phương pháp biến tính bề mặt vật liệu đang được
nghiên cứu và phát triển, có thể chia thành ba nhóm chính là: Phương pháp vật
lý – hóa học; Phương pháp cơ học và phương pháp sinh học. Trong đó, đa dạng
và phổ biến nhất là phương pháp vật lý – hóa học, phương pháp này được chia
thành ba nhóm nhỏ: thứ nhất là các phương pháp pha khí – vật liệu được xử lý
trong các môi trường khí chứa các phần tử hoạt động (gốc tự do, electron, các
phân tử bị kích thích) hay dưới các bức xạ điện từ (tia UV, tia γ, điện quang); thứ
hai là các phương pháp pha lỏng và khối – bao gồm các kỹ thuật tạo lớp phủ vật
lý hoặc thực hiện các phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu; thứ ba là kết hợp
hai phương pháp thứ nhất và thứ hai tạo ra các lớp polyme trùng hợp ghép trên
bề mặt vật liệu, ngoài ra người ta còn có thể biến tính bề mặt vật liệu trong
những môi trường khí được phóng điện với tần số cao – môi trường plasma, kỹ
thuật này có tác dụng chủ yếu là ăn mòn bề mặt, tạo các liên kết ngang trên bề
mặt và phủ một lớp polyme mới lên trên bề mặt của vật liệu nền. Phương pháp
cơ học chủ yếu là làm nhám bề mặt vật liệu (roughing). Phương pháp biến tính
sinh học gồm có: hấp phụ vật lý các phân tử sinh học (protein, lipid, receptor,...)
lên bề mặt vật liệu, tạo liên kết hóa học của các phân tử sinh học với các nhóm
bề mặt hay nuôi cấy tế bào trên bề mặt vật liệu [11].
Hiện nay, việc nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc polyme là một vấn
đề thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chế tạo
màng do những ưu thế đặc biệt của phương pháp này. Một số kỹ thuật đã và
đang được nghiên cứu là: kỹ thuật trùng hợp bề mặt, kỹ thuật phủ bề mặt, kỹ
thuật plasma, kỹ thuật xử lý ozon, kỹ thuật trùng hợp ghép quang dùng tia UV...
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
3.2. Kỹ thuật phủ nhúng
Lớp đỡ (hay lớp đế) của màng bất đối xứng được nhúng vào dung dịch
phủ có chứa một loại polyme hoặc monome. Nồng độ dung dịch phủ nhúng thấp
(thường < 1 %). Khi lấy màng ra khỏi bể nhúng sẽ có một lớp mỏng dung dịch
bám vào bề mặt lớp đỡ. Sau đó màng được xử lý nhiệt, bay hơi dung môi để cố
định lớp phủ trên lớp đỡ [7].

Hình 1.10. Kỹ thuật phủ nhúng
Phủ nhúng là phương pháp biến tính vật lý, nó có nhược điểm là lớp phủ
không liên kết với bề mặt vật liệu bởi liên kết cộng hóa trị, do đó lớp phủ có xu
hướng không bền và dễ bị loại bỏ khỏi bề mặt vật liệu [23, 38].
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 CO 2 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 CO 2 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].
3.4. Xử lý nhiệt trong môi trường Ozone (O3)
Trong những năm gần đây, công nghệ hóa học xanh đang thu hút được
nhiều mối quan tâm trong vấn đề biến tính bề mặt vật liệu dưới các điều kiện êm
dịu và an toàn, không đòi hỏi năng lượng cao. So với kỹ thuật plasma, kỹ thuật
xử lý bằng O3 có một số ưu điểm như: an toàn với môi trường (vì O 3 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 O 3,
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 O 3, thời gian tiếp xúc của vật liệu
với O3, và bản chất của vật liệu nền.


3.5. Trùng hợp ghép quang bằng tia UV
Tia UV được sử dụng rộng rãi trong quá trình trùng hợp ghép bề mặt vật

liệu, tùy từng trường hợp, người ta có thể thêm các chất khơi mào quang hoặc
chất nhạy sáng (điển hình là benzophenone và các dẫn xuất) để làm tăng tốc độ
cũng như hiệu quả của quá trình trùng hợp. So với các phương pháp biến tính
khác, trùng hợp ghép bề mặt bằng bức xạ UV cho thấy được những ưu điểm nổi
bật như: tốc độ phản ứng nhanh, giá thành rẻ, thiết bị đơn giản, dễ dàng triển
khai ở quy mô công nghiệp và quan trọng nhất là các chuỗi polyme được ghép
chỉ giới hạn ở bề mặt vật liệu [23].
Trùng hợp ghép quang bằng tia UV có thể tiến hành theo nhiều cách khác
nhau, tùy thuộc vào từng loại vật liệu nền, loại monome và mục đích sử dụng
vật liệu sau biến tính. Quá trình có thể được mô tả khái quát như sau: vật liệu
nền ban đầu được phủ chất nhạy sáng (nếu có), sau đó ngâm vật liệu vào dung
dịch monome (có khả năng trùng hợp) rồi lấy ra chiếu bức xạ UV, hoặc trong
quá trình ngâm kết hợp đồng thời chiếu tia UV, cũng có thể chiếu bức xạ UV lên
bề mặt vật liệu trước sau đó mới ngâm vật liệu vào dung dịch monome
[13,26,34]. Dưới tác dụng của tia UV, chất nhạy sáng bị kích thích, ở trạng thái
kích thích nó có khả năng lấy đi một proton của vật liệu nền, tạo thành các gốc
tự do trên bề mặt vật liệu, khơi mào cho quá trình trùng hợp. Với vật liệu nền có
chứa các nhóm chức carbonyl hoặc ester thì có thể không cần dùng chất khơi
mào quang, khi đó dưới tác dụng của tia UV, bản thân vật liệu có thể tự tách ra
một proton hoặc một nhóm nhạy sáng để tạo các gốc tự do và quá trình trùng
hợp vẫn xảy ra. Hoặc nếu sử dụng monome có khả năng tự trùng hợp (như axit
acrylic, axit methacrylic, glycidyl acrylate, styrene,…) thì cũng không cần dùng
chất khơi mào quang.
Việc ứng dụng kỹ thuật trùng hợp ghép quang trong lĩnh vực chế tạo màng
lọc là một hướng nghiên cứu đang được quan tâm và phát triển do những lợi thế
đặc biệt của phương pháp này. Ưu thế của kỹ thuật trùng hợp ghép bề mặt là
phương pháp này có thể thực hiện được ở các điều kiện phản ứng êm dịu và
nhiệt độ thấp, có độ chọn lọc cao bằng cách lựa chọn các chất nhạy sáng và

chiều dài bước sóng kích thích thích hợp [16,27], và là một kỹ thuật tương đối
đơn giản, chi phí thấp và có thể áp dụng trong phạm vi rộng [25].
Bề mặt
UV

lỗ xốp

monome
Màng nền

Màng trùng hợp ghép bề mặt

Hình. 1.11. Quá trình trùng hợp ghép bề mặt dưới bức xạ UV
Một trong những mục đích chủ yếu của phương pháp biến tính trùng hợp
ghép bề mặt màng lọc là nhằm làm tăng tính ưa dung môi cần lọc và giảm thiểu
mức độ tắc màng (fouling), nâng cao hiệu quả của quá trình tách qua màng. Tính
chất bề mặt màng sau khi trùng hợp ghép phụ thuộc mạnh vào các điều kiện tiến
hành trùng hợp như tính chất vật liệu nền, bản chất monome, nồng độ dung dịch
monome, cường độ bức xạ, thời gian trùng hợp …[16, 25, 33].
Khi được kích thích bởi bức xạ tử ngoại, trên bề mặt màng sẽ xuất hiện các gốc
tự do, monome sẽ được trùng hợp ghép vào vị trí của các gốc tự do này và tạo
thành một lớp polyme ghép trên bề mặt màng lọc, làm thay đổi tính chất của
màng. Chiều dài của mạch ghép, mức độ chặt khít của lớp ghép phụ thuộc vào
các điều kiện tiến hành trùng hợp.
Mục tiêu nghiên cứu
Nội dung của luận văn tập trung vào việc nghiên cứu khả năng tách loại
thuốc nhuộm trong dung dịch nước bằng phương pháp lọc màng và đánh giá khả
năng giảm fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng. Các loại màng
lọc được sử dụng là các màng thương mại Filmtech TW30 (Mỹ) và màng
SAEHAN (Hàn Quốc), quá trình tách được tiến hành trên các thiết bị lọc liên tục

và lọc gián đoạn. Việc biến tính bề mặt màng lọc được thực hiện bằng kỹ thuật