Nghiên cứu khả năng chống tắc nghẽn của màng siêu lọc polysulfone có phủ lớp vật liệu polyvinyl alcohol tio2 và ứng dụng trong tái sinh nước thải công nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
-------------------o0o------------------

CAO XUÂN THẮNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA
MÀNG SIÊU LỌC POLYSULFONE CÓ PHỦ LỚP VẬT
LIỆU POLYVINYL ALCOHOL – TiO2 VÀ ỨNG DỤNG
TRONG TÁI SINH NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP
Chun ngành: Cơng nghệ hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011


1

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :..........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
. . . . . tháng . . . . năm . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 20.. .
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: CAO XUÂN THẮNG

Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 11/02/1985

Nơi sinh: THANH HĨA

Chun ngành: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

MSHV: 09050118

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG
SIÊU LỌC POLYSULFONE CÓ PHỦ LỚP VẬT LIỆU POLYVINYL ALCOHOL –
TiO2 VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÁI SINH NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tổng quan về quy trình xử lý nước thải bằng cơng nghệ màng siêu lọc.
Biến tính màng siêu lọc Polysulfone thương mại bằng lớp vật liệu Polyvinyl
Alcohol – TiO2.
- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lọc của màng siêu lọc
Polysulfone khi được phủ lớp Polyvinyl Alcohol – TiO2 như nồng độ Polyvinyl
Alcohol trong dung dịch phủ màng, nhiệt độ kết nối mạng Polyvinyl Alcohol,
nồng độ TiO2 trong dung dịch phủ màng.
- Khảo sát khả năng chống tắc nghẽn của màng siêu lọc Polysulfone có phủ lớp
vật liệu Polyvinyl Alcohol – TiO2.
- Khảo sát khả năng diệt khuẩn E.Coli của màng siêu lọc Polysulfone có chứa
TiO2 dưới ánh sáng UV.
- So sánh khả năng chống tắc nghẽn của màng siêu lọc Polysulfone có phủ lớp
Polyvinyl Alcohol và màng Polysulfone thương mại trong quá trình xử lý nước
thải dệt nhuộm.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09/2010
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2011
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. MAI THANH PHONG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH


3

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn Thạc sĩ này, tơi đã gặp rất nhiều khó khăn và
bỡ ngỡ, nếu khơng có sự quan tâm, giúp đỡ từ phía thầy cơ, gia đình và bạn bè thì luận
văn này khó có thể hồn thành tốt được.
Đầu tiên, tơi xin chân thành cảm ơn TS. Mai Thanh Phong và TS. Nguyễn Thế
Vinh đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện tốt luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị phòng thí nghiệm Khoa Mơi Trường
đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất trong suốt q trình tơi thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Hoá Học, Trường Đại
Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tơi những kiến thức quý
báu trong suốt quá trình học tập.
Xin cảm ơn tất cả những người bạn thân đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, nhưng do điều kiện khách quan và hạn chế về thời
gian nên luận văn vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong q thầy cơ
góp ý và thơng cảm.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2011.
Cao Xuân Thắng


4

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Những năm gần đây vấn đề về xử lý nước thải được quan tâm bởi vì nguồn nước
ngọt đang ngày một cạn kiệt cùng với sự ô nhiễm bởi nguồn nước thải. Hiện nay, ứng
dụng công nghệ màng trong xử lý nước trở nên phổ biến bởi một số hiệu quả mà công

nghệ này mang lại, màng trong công nghệ xử lý nước bao gồm các loại: màng vi lọc
MF (microfiltration), màng siêu lọc UF (ultrafiltration), màng lọc nano
(nanofiltration), màng lọc thẩm thấu ngược RO (reserve osmosic). Trong đó màng siêu
lọc UF là loại màng lọc được sử dụng ở áp suất lọc thấp được sử dụng tăng lên đáng
kể để xử lý nước uống như một cơng nghệ thay thế cho các q trình lọc thơng thường
nhằm loại bỏ gần như triệt để các cặn lơ lửng, bùn, vi sinh vật và chất thải hữu cơ tự
nhiên. Tuy nhiên một vấn đề giới hạn sự thành cơng của q trình ứng dụng cho xử lý
nước này là vấn đế tắc nghẽn, nguyên nhân là do sự tương tác đặc biệt giữa màng và
các thành phần trong nước thải và thường nhanh chóng gây ra một sự sụt giảm thông
thượng bất thuận nghịch của màng. Để giảm bớt ảnh hưởng của tắc nghẽn thì nhiều
biện pháp khắc phục được đưa ra như rửa ngược màng bằng nước sạch, rửa màng bằng
hóa chất, thay đổi tính chất của màng…Trong những biện pháp đó thì biến tính bề mặt
màng là biện pháp đem lại tác dụng lâu dài về mặt hiệu quả xử lý cũng như hiệu quả
kinh tế.
Đề tài này đã tập trung nghiên cứu vấn đề chính là cải thiện khả năng chống tắc
nghẽn cho màng UF thương mại bằng cách phủ lớp vật liệu PVA, PVA-TiO2 lên trên
bề mặt màng, sau đó màng được ủ tại các nhiệt độ khác nhau. Kết quả phân tích SEM,
IR và kết quả thực nghiệm cho thấy màng UF được phủ PVA – TiO2 với nồng độ
tương ứng là 0.25 (g/l) – 0.003% khối lượng được ủ nhiệt ở 850C trong thời gian 10
phút cho hiệu quả chống tắc nghẽn tốt nhất đối với dung dịch giả thải Sodium Alginate
có thành phần chủ yếu là Polysaccharite, cũng như khả năng chống tắc nghẽn và khả
năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ của các màng UF có phủ lớp PVA-TiO2 đối với nước
thải thực tế là nước thải dệt nhuộm. Bên cạnh đó khả năng diệt khuẩn E.Coli của các
màng có chứa TiO2 được khảo sát dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại UV đã cho
hiệu quả tốt hơn hẳn so với các màng không chứa TiO2.


5

ABSTRACT

Recently, the wastewater treatment has been more concerned due to the
limitation of the underground water source, and wastewater pollutions. At present, the
wastewater treatment using a membrane such as microfiltration (MF), ultrafiltration
(UF), nanofiltration (NF), reserveosmosic (RO) has been commonly developed
because of its high efficiency. Among them, UF–a low pressure membrane process is
being increasingly used for drinking water treatment because it can remove almost of
the solid suspension, sludge, bacteria, and natural organic matter in the wastewater.
The challenge of this method is the membrane fouling which is often caused by the
irreversible decomposition of the organic compounds in the feed water on the surface
of a hydrophobic membrane. It has been investigated that several strategies include
backwater, chemical cleaning, and modification membrane could alleviate the
membrane fouling. Among these methods, the hydrophilic modification of the
membrane surface performed both high efficiency and low cost for operating in a long
term.
The object of this research was to investigate the potential anti-fouling of the
modified membrane for treating the industrial wastewater using the UF methods. A
commercial polysulfone membrane was modified by coating a thin film of Polyvinyl
Alcohol (PVA), or a mixture of Polyvinyl Alcohol (PVA) and Titanium dioxide (TiO2)
on its surface. The sample was then dried at different temperatures. The features of the
membrane were characterized using scanning electron microscopic (SEM) and
infrared spectroscopy (IR). The concentration of PVA, the contents of TiO2, the drying
temperature were considered as the variables to optimize the process. It was found that
the UF membrane which was coated by the mixture of PVA (0.25 g/l) and TiO2 (0.003
wt. %), and then heated at 85oC for 10 minutes showed the highest anti–fouling
performance. Moreover, the application of this membrane was investigated in the dye
wastewater treatment. Furthermore, the effects of TiO2 loading on the photo-catalytic
bactericidal efficiency have been investigated by determining the survival ratio of the
Escherichia Coli (E. Coli) cell with UV light illumination. The results indicated that
the photo-catalytic bactericial efficiency on the modified membrane was remarkably
higher than that on the neat membrane.

6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MF

quá trình lọc bằng màng vi lọc (micro filtration)

UF

quá trình lọc bằng màng siêu lọc (ultra filtration)

NF

q trình lọc bằng màng lọc có kích thước lỗ xốp cỡ nano
(nano filtration)

RO

quá trình thẩm thấu ngược (reserve osmosic)

PVA

Polyvinyl Alcohol

MA

Axit Malic

UV

ánh sáng tử ngoại (ultraviolet)

PS

Polysulfone

PES

Polyethersulfone

GA

Glutaraldehyde

MBR

Membrane bioreactor

BSA

Bovine Serum Albumin


7

MỤC LỤC
TRANG BÌA....................................................................................................................i
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ............................................................................................. ii

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................3 
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................4 
ABSTRACT ...................................................................................................................5 
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................6 
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................10 
DANH MỤC HÌNH .....................................................................................................11 
CHƯƠNG 1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ Ý
NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI..........................................................................13 
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ....................................................................................13 
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ..............................................................................14 
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU...................................................14 
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm: ...................................................... 14 
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: ........................................................................ 15 

1.4. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .............................................................16 
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
THẢI .............................................................................................................................17 
2.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC [1]............17 
2.2. CÔNG NGHỆ MÀNG SIÊU LỌC UF (Ultrafiltration) ....................................18 
2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC .............................21 
2.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước.............................................................................. 21 
2.3.2. Các nghiên cứu trong nước .............................................................................. 37 

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................39 
3.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ TẮC NGHẼN MÀNG ........................................39 
3.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TẮC NGHẼN MÀNG TRONG QUÁ
TRÌNH VẬN HÀNH .....................................................................................42 
3.2.1. Keo tụ ............................................................................................................ 43 
3.2.2. Hấp phụ ............................................................................................................ 43 
3.2.3. Tiền oxi hóa...................................................................................................... 44 

8

3.3. CƠ CHẾ CỦA SỰ TẮC NGHẼN MÀNG UF..................................................44 
3.3.1. Tốc độ tích lũy hạt............................................................................................ 47 
3.3.2. Sự khóa lỗ xốp và sự hình thành lớp bã ........................................................... 48 

3.4. SỰ KẾT NỐI MẠNG PVA (Cross-linking PVA).............................................50 
3.4.1. Phương pháp kết tinh [48]................................................................................ 51 
3.4.2. Phương pháp xử lý nhiệt [48]........................................................................... 51 
3.4.3. Nối mạng bằng phản ứng dehydrate hóa với xúc tác acid [48]........................ 51 
3.4.4. Nối mạng bằng các gốc tự do [48] ................................................................... 52 
3.4.5. Phương pháp sử dụng hóa chất ........................................................................ 52 

3.5. SƠ LƯỢC VỀ XÚC TÁC QUANG TiO2 [15,49] .............................................53 
3.5.1. Cơ chế của phản ứng xúc tác quang TiO2 [15,50,49] ......................................53 
3.5.2. Hiện tượng siêu thấm ướt [15,51,49] ............................................................... 55 

3.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................................................................55 
3.6.1. Phương pháp hồi cứu: ...................................................................................... 55 
3.6.2. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích:...................................................... 56 
3.6.3. Phương pháp đánh giá khả năng diệt khuẩn của màng UF sau khi được phủ lớp
PVA – TiO2 .................................................................................................. 56 
3.6.4. Phương pháp nghiên cứu mô hình: .................................................................. 59 
3.6.5. Phương pháp xử lý số liệu:............................................................................... 59 

CHƯƠNG 4. NỘI DUNG THỰC NGHIỆM ............................................................60 
4.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:.................................60 
4.1.1. Hóa chất: .......................................................................................................... 60 

4.1.2. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm:............................................................................ 60 

4.2. CÁC NỘI DUNG THỰC NGHIỆM: ................................................................61 
4.2.1. Điều chế dung dịch PVA: ................................................................................61 
4.2.2. Điều chế dung dịch PVA – TiO2:..................................................................... 61 
4.2.3. Chế tạo màng UF – PVA, PVA – TiO2:........................................................... 62 
4.2.4. Khảo sát tắc nghẽn đối với màng phẳng với mơ hình được thiết kế ở dạng
dịng chảy ngang quy mơ phịng thí nghiệm:............................................... 62 
4.2.5. Khảo sát tắc nghẽn trên các loại màng khác nhau chế tạo được ..................... 63 
4.2.6. Khảo sát với nước thải dệt nhuộm ................................................................... 64 


9
4.2.7. Khảo sát khả năng diệt khuẩn E.coli của màng UF có chứa TiO2 so với màng
khơng chứa TiO2 .......................................................................................... 64 

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN..................................66 
5.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM PHỦ LỚP PVA, PVA-TiO2 LÊN TRÊN BỀ MẶT
MÀNG UF THƯƠNG MẠI...........................................................................66 
5.1.1. Kết quả lọc của màng tại các giá trị nồng độ dung dịch PVA khác nhau........ 66 
5.1.2. Kết quả lọc của màng tại các nhiệt độ ủ khác nhau ......................................... 69 
5.1.3. Kết quả phân tích SEM và IR của các loại màng:............................................ 71 

5.2. THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA
MÀNG UF-PVA, UF-PVA-TiO2 SO VỚI MÀNG UF THƯƠNG MẠI ......74 
5.2.1. Hiệu quả lọc của màng khi khơng có tác nhân gây tắc nghẽn ......................... 74 
5.2.2. Xác định trở lực của màng khi vận hành đối với nước sạch ............................ 77 
5.2.3. Hiệu quả lọc của màng khi có tác nhân gây tắc nghẽn Sodium Alginate ........79 
5.2.4. Xác định trở lực tổng của màng khi có tác nhân gây tắc nghẽn Sodium
Alginate........................................................................................................ 83 

5.2.5. Thông lượng hồi phục của các loại màng UF-PVA 0.25 – TiO2 khi rửa bằng
phương pháp vật lý và phương pháp hóa học .............................................. 84 

5.3. THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỐNG TẮC NGHẼN CỦA
MÀNG UF-PVA, UF-PVA-TiO2 ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM ..92 
5.4. THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT KHẢ NĂNG DIỆT KHUẨN E.COLI CỦA
MÀNG UF-PVA-TiO2 DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG UV ............97 
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................101 
6.1. KẾT LUẬN......................................................................................................101 
6.2. KIẾN NGHỊ .....................................................................................................102 
6.2. KIẾN NGHỊ .....................................................................................................102 
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................103 
PHỤ LỤC ...................................................................................................................109 


10

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. So sánh các loại công nghệ và cấu trúc của các loại màng......................... 19
Bảng 2.2. Vật liệu sử dụng chế tạo một số loại màng .................................................. 19
Bảng 3.1. Một số chất gây tắc nghẽn màng thường gặp .............................................. 39
Bảng 3.2. Thành phần môi trường nuôi cấy tăng sinh E.coli TSB ............................... 56
Bảng 5.1. Kết quả thông lượng của màng UF-PVA với các nồng độ PVA khác nhau. 66
Bảng 5.2. Kết quả thông lượng của màng UF-PVA 0.25 với các nhiệt độ ủ khác nhau69
Bảng 5.3. Kết quả thơng lượng của màng UF-PVA 0.25-TiO2 khi khơng có tác nhân
gây tắc nghẽn................................................................................................................. 76
Bảng 5.4. Áp suất và thông lượng của màng vận hành với nước sạch......................... 79
Bảng 5.5. Kết quả tính tốn xác định trở lực của màng Rm.......................................... 81
Bảng 5.6. Kết quả thông lượng của màng UF-PVA 0.25-TiO2 khi có.......................... 81
Bảng 5.7. Áp suất và thơng lượng của màng khi có tác nhân tắc nghẽn...................... 86

Bảng 5.8. Kết quả tính tốn xác định trở lực tổng của màng Rt ................................... 87
Bảng 5.9. Kết quả thông lượng hồi phục của các màng UF-PVA 0.25-TiO2 khi rửa
bằng nước sạch.............................................................................................................. 88
Bảng 5.10. Kết quả thông lượng hồi phục của các màng UF-PVA 0.25-TiO2 khi rửa
bằng dung dịch NaOH 0.1N .......................................................................................... 90
Bảng 5.11. Thể tích nước qua lọc V (m3/m2) của các loại màng sau thời gian lọc 800
phút khi rửa màng bằng nước sạch ............................................................................... 93
Bảng 5.12. Thể tích nước qua lọc V (m3/m2) của các loại màng sau thời gian lọc 800
phút khi rửa màng dung dịch NaOH 0.1N .................................................................... 93
Bảng 5.13. Thông số đầu vào của nước thải dệt nhuộm............................................... 95
Bảng 5.14. Thông lượng nước của các loại màng trong xử lý nước thải dệt nhuộm ... 96
Bảng 5.15. Thể tích nước qua lọc V (m3/m2) của các loại màng sau thời gian lọc 845
phút trong quá trình xử lý nước thải dệt nhuộm............................................................ 99
Bảng 5.16. Số lượng tế bào E.Coli ở các độ pha loãng khác nhau theo thời gian..... 101
Bảng 5.17. Kết quả số lượng tế bào E.Coli (cfu/ml)................................................... 102


11

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Các kiểu chế độ chảy trong cơng nghệ màng ............................................... 18
Hình 3.1. Tắc nghẽn màng: a) Khóa lỗ xốp và b) Hình thành lớp tắc nghẽn [17] ...... 40
Hình 3.2. Sự kết tụ của vi sinh vật lên trên bề mặt màng ............................................. 41
Hình 3.3. Sự loại bỏ tắc nghẽn thuận nghịch và bất thuận nghịch [17] ...................... 42
Hình 3.4. Các giai đoạn trong quá trình suy giảm thơng lượng của màng.................. 45
Hình 3.5. Sự kết tụ và phát triển của chất tắc nghẽn trong lỗ xốp của màng .............. 46
Hình 3.6. Sự kết nối mạng giữa PVA và borax trong môi trường kiềm [59] ............... 52
Hình 3.7. Phản ứng nối mạng giữa PVA và GA [13]................................................... 53
Hình 3.8. Cấu trúc TiO2 dạng Rutil và Anatas ............................................................ 53
Hình 3.9. Cơ chế oxi hóa các hợp chất hữu cơ của TiO2 [14] ..................................... 54

Hình 3.10. Cơ chế về tính siêu thấm ướt của TiO2 [14] ............................................... 55
Hình 4.1. Sơ đồ điều chế dung dịch PVA dùng để nhúng màng................................... 61
Hình 4.2. Quy trình nhúng màng UF vào dung dịch PVA và PVA – TiO2 ................... 62
Hình 4.3. Mơ hình dịng chảy ngang khảo sát màng ...................................................... 63
Hình 4.4. Mơ hình thí nghiệm khả năng diệt khuẩn E.Coli .......................................... 65
Hình 5.1. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thông lượng nước sạch J(ml/m2.s) theo thời
gian của màng UF thương mại được phủ PVA ở các nồng độ khác nhau ................... 68
Hình 5.2. Độ giảm thơng lượng J/Jo của màng UF thương mại được phủ PVA ở các
nồng độ khác nhau......................................................................................................... 68
Hình 5.3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thông lượng nước sạch J(ml/m2.s) của màng
UF-PVA 0.25 được ủ tại các giá trị nhiệt độ khác nhau theo thời gian ....................... 71
Hình 5.4. Độ giảm thơng lượng J/Jo của màng UF-PVA 0.25 được ủ tại các giá trị
nhiệt độ khác nhau......................................................................................................... 71
Hình 5.5. Kết quả SEM của các loại màng................................................................... 73
Hình 5.6. Kết quả IR của các màng UF-PVA-TiO2 so với màng UF thương mại........ 74
Hình 5.7. Cấu trúc một mắt xích của Polysulfone........................................................ 75
Hình 5.8. Phản ứng giữa PVA và axit malic ................................................................ 75
Hình 5.9. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thông lượng nước sạch J(ml/m2.s) của màng
UF-PVA 0.25-TiO2 khi khơng có tác nhân gây tắc nghẽn ............................................ 78


12

Hình 5.10. Độ giảm thơng lượng J/Jo của các màng UF-PVA 0.25-TiO2 khi khơng có
tác nhân gây tắc nghẽn.................................................................................................. 78
Hình 5.11. Mối quan hệ tuyến tính giữa áp suất và thơng lượng các loại màng ......... 80
Hình 5.12. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thông lượng nước sạch J(ml/m2.s) của màng
UF-PVA 0.25-TiO2 khi có tác nhân gây tắc nghẽn Sodium Alginate ........................... 84
Hình 5.13. Độ giảm thơng lượng J/Jo của các màng UF-PVA 0.25-TiO2 khi có tác
nhân gây tắc nghẽn Sodium Alginate ............................................................................ 84

Hình 5.14. Cơ chế tự kết hợp của các hạt nano TiO2: I) liên kết giữa nhóm sulfone và
ether thơng qua cầu nối Ti4+ ......................................................................................... 85
Hình 5.15. Mối quan hệ tuyến tính giữa áp suất và thơng lượng các loại màng khi có
tác nhân tắc nghẽn Sodium Alginate ............................................................................. 87
Hình 5.16. Thơng lượng hồi phục của các loại màng UF-PVA 0.25-TiO2 so với màng
UF thương mại sau khi rửa màng bằng nước sạch....................................................... 89
Hình 5.17. Thơng lượng hồi phục của các loại màng UF-PVA 0.25-TiO2 so với màng
UF thương mại sau khi rửa màng bằng dung dịch NaOH............................................ 92
Hình 5.18. Tổng thể tích nước lọc của các loại màng sau khoảng thời gian lọc 800
phút khi rửa màng bằng nước sạch ............................................................................... 94
Hình 5.19. Tổng thể tích nước lọc của các loại màng sau khoảng thời gian lọc 800
phút khi rửa màng bằng dung dịch NaOH .................................................................... 94
Hình 5.20. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thông lượng nước lọc theo thời gian của các
loại màng UF-PVA 0.25-TiO2 trong xử lý nước thải dệt nhuộm .................................. 98
Hình 5.21. Độ giảm thơng lượng J/Jo của các loại màng UF-PVA 0.25-TiO2 theo thời
gian trong quá trình xử lý nước thải dệt nhuộm............................................................ 98
Hình 5.22. Đồ thị biểu diễn thể tích nước lọc V (m3/m2) của các loại màng sau thời
gian 845 phút ............................................................................................................... 100
Hình 5.23. Số tế bào và tỷ lệ E.Coli còn lại................................................................ 104


CHƯƠNG 1

13

CHƯƠNG 1
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ Ý NGHĨA THỰC
TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tác động xã hội, kinh tế và môi trường của sự phát triển khai thác nguồn nước

trong quá khứ và viễn cảnh thiếu hụt nguồn nước không tránh khỏi đang chuyển dịch tới
những biến đổi mới trong vấn đề quản lý nguồn nước. Những tiếp cận mới hiện nay đang
hướng đến những khái niệm cơ bản của phát triển bền vững, đạo đức môi trường, và tham
gia cộng đồng trong các dự án phát triển. Với nhiều cộng đồng đang tiếp cận tới các giới
hạn của nguồn cung cấp nước sẵn có, nguồn nước tái sinh và tái sử dụng đang dần trở
thành những lựa chọn hấp dẫn cho việc bảo tồn và mở rộng nguồn cung cấp nước sẵn có
bởi các yếu tố sau:
1- Tái sinh bền vững để ứng dụng cho các nguồn tiêu thụ khơng địi hỏi chất lượng
cao như nước uống.
2- Tăng nguồn cung cấp nước đa dạng để tạo nhiều lựa chọn cho sử dụng nguồn nước
phù hợp nhằm đảm bảo nhu cầu dử dụng nước cho hiện tại và tương lai.
3- Bảo vệ hệ sinh thái, giảm tác động xấu tới nguồn nước sạch, giảm lượng dưỡng
chất và các tạp chất độc xâm nhập vào nguồn nước.
4- Giảm nhu cầu xây dựng các cơng trình kiểm sốt nguồn nước như đập nước và các
cơng trình lưu trữ khác.
5- Tn thủ các qui định mơi trường bằng cách kiểm sốt nguồn nước và phân bổ
nguồn sử dụng nước tốt hơn.
Trước tình hình thực tế như vậy nên công nghệ xử lý nước thải bằng màng xuất
hiện đã đem lại những ứng dụng to lớn trong việc giải quyết nhu cầu xử lý nước với
nguồn nước cấp sử dụng khá đa dạng: nước mặt, nước ngầm, nước lợ và nước biển. Ngồi
ra, cơng nghệ màng gần đây đã cũng được phát triển để ứng dụng xử lý bậc hai, xử lý bậc
cao đối với nước thải đô thị, nước thải công nghiệp... Điều này nhằm đáp ứng cho nhu cầu
tái sử dụng nước từ nguồn nước thải thay vì thải bỏ chúng. Tuy nhiên bên cạnh những ưu


CHƯƠNG 1

14

điểm mà cơng nghệ màng đem lại thì vấn đề tắc nghẽn màng là trở ngại lớn nhất khi ứng

dụng cơng nghệ này. Do đó việc cải thiện và loại bỏ tính tắc nghẽn của màng là một trong
những thử thách được đặt ra với không chỉ những nhà cơng nghệ ứng dụng màng mà cịn
của các nhà khoa học trên thế giới, đó cũng chính là lý do đề tài “ Nghiên cứu khả năng
chống tắc nghẽn của màng siêu lọc Polysulfone có phủ lớp vật liệu PolyVinyl Alcohol
– TiO2 và ứng dụng trong tái sinh nước thải cơng nghiệp ” được thực hiện.

1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
¾ Biến tính màng lọc UF có phủ lớp vật liệu PVA- TiO2 từ màng UF thương mại.
¾ Khảo sát các thông số kĩ thuật của màng UF được phủ PVA - TiO2 gồm: trờ lực của
màng, trở lực thuận nghịch và trở lực bất thuận nghịch của màng, thông lượng, hình
thái bề mặt.
¾ Khảo sát khả năng chống tắc nghẽn của các màng UF có phủ lớp vật liệu PVA-TiO2
ở điều kiện phịng thí nghiệm.
¾ Khảo sát khả năng diệt khuẩn của màng UF có chứa TiO2 dưới tác dụng của ánh sáng
UV.
¾ Ứng dụng màng UF có phủ lớp vật liệu PVA-TiO2 để tái sinh nước thải sau quá trình
xử lý bằng màng MF là nước thải dệt nhuộm, kết hợp đánh giá hiệu quả làm việc của
các màng này so với màng UF thương mại.

1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu quy trình biến tính màng UF thương mại có phủ lớp PVA-TiO2:
+ Điều chế dung dịch PVA.
+ Điều chế dung dịch PVA-TiO2.
+ Quy trình nhúng phủ màng UF vào dung dịch PVA, PVA-TiO2.
- Nghiên cứu khả năng chống tắc nghẽn của màng UF thương mại có phủ lớp
PVA-TiO2, bao gồm:
+ Xác định thơng lượng của màng ở các áp suất vận hành khác nhau.

CHƯƠNG 1

15

+ Thử nghiệm hiệu quả lọc nước của màng khi khơng có tác nhân gây tắc
nghẽn.
+ Thử nghiệm hiệu quả lọc của màng khi có tác nhân gây tắc nghẽn là Sodium
Alginate.
+ Xác định trở lực tổng của màng khi có tác nhân gây tắc nghẽn.
+ Xác định thơng lượng hồi phục của màng khi rửa màng bằng nước sạch.
+ Xác định thông lượng hồi phục của màng khi rửa màng bằng dung dịch
NaOH.
+ Thử nghiệm hiệu quả chống tắc nghẽn của màng UF có phủ lớp vật liệu
PVA-TiO2 đối với nước thải là nước thải dệt nhuộm sau xử lý bằng màng MF.
+ Kiểm tra và so sánh khả năng diệt khuẩn của các màng có và khơng có TiO2
khi chiếu tia UV.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
- Đối với quá trình nghiên cứu quy trình chế tạo màng UF có phủ lớp PVA-TiO2:
+ Nồng độ PVA trong dung dịch phủ màng.
+ Nhiệt độ ủ màng.
+ Nồng độ TiO2 trong dung dịch phủ màng.
+ Khả năng nối mạng của các phân tử PVA trên bề mặt màng UF.
+ Hình thái bề mặt màng UF có phủ lớp PVA, PVA-TiO2.
- Đối với nghiên cứu khả năng chống tắc nghẽn của màng UF có phủ lớp PVATiO2, bao gồm:
+ Thơng lượng dịng qua lọc theo thời gian.
+ Trở lực của màng.
+ Trở lực tổng của màng khi có tác nhân gây tắc nghẽn.
+ Thơng lượng dịng hồi phục khi màng được rửa bằng nước.
+ Thông lượng hồi phục của màng khi màng được rửa bằng dung dịch NaOH.
+ Hiệu quả chống tắc nghẽn của màng UF có phủ lớp PVA-TiO2 đối với nước

thải dệt nhuộm sau quá trình xử lý MF.


CHƯƠNG 1

16

1.4. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Tuy công nghệ màng đã được ứng dụng thực tế trong lĩnh vực xử lý nước thải ở
nước ta nhưng hầu hết các màng được sử dụng là màng thương mại được mua từ nước
ngoài, tùy thuộc vào chất liệu và phương pháp chế tạo mà các loại màng thương mại sẽ có
kích thước lỗ xốp và tuổi thọ khác nhau, do đó đề tài sẽ mở ra những hướng nghiên cứu
trong lĩnh vực công nghệ màng ở nước ta cũng như mở ra hướng triển khai ứng dụng kết
quả nghiên cứu vào một số mơ hình xử lý nước thải cơng nghiệp.


CHƯƠNG 2

17

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
2.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC [1]
Công nghệ xử lý bể sinh học bằng màng MBR (Membrane Bio Reactor) là công
nghệ được ứng dụng rộng rãi trong quá trình xử lý nước thải cung cấp chất lượng nước
dịng ra tốt nhất, có thể tái sử dụng lại được ngay bởi công nghệ này có thể loại bỏ chất ơ
nhiễm và vi sinh vật rất triệt để, khơng chiếm nhiều diện tích và có khả năng điều khiển
quy trình tốt hơn nên hiện nay được xem là công nghệ triển vọng nhất để xử lý nước thải
so với các công nghệ xử lý truyền thống khác. Công nghệ màng cho phép nước thải đầu
vào có hàm lượng chất rắn lơ lửng, BOD, COD cao trong khi lượng bùn thải sinh ra thấp

[1]. Tuy nhiên, vấn đề tắc nghẽn màng vẫn là trở ngại chính đối với sự ứng dụng rộng rãi
của công nghệ màng. Hơn nữa, khả năng ứng dụng ở quy mô lớn trong xử lý nước thải
đòi hỏi sự giảm giá thành màng. Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu tập trung
vào vấn đề tắc nghẽn màng mà chủ yếu là các nhân tố gây tắc nghẽn, cụ thể là tính chất
bùn, thơng số vận hành, vật liệu chế tạo màng và tính chất của dịng thải đầu vào. Sự phức
tạp của chất gây tắc nghẽn màng và bùn hoạt tính vẫn cịn gây ra những vấn đề khó hiểu.
Có 4 loại công nghệ lọc màng được dùng phổ biến trong xử lý nước và nước thải :
+ Công nghệ màng vi lọc (Microfiltration).
+ Công nghệ màng siêu lọc (Ultrafiltration).
+ Công nghệ màng lọc nano (Nanofiltration).
+ Công nghệ màng lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis).
Thơng qua các q trình này, phân tử chất tan và pha phân tán trong lưu chất cần
xử lý được loại tách thành 2 dòng, dòng lưu chất có nồng độ cao và dịng thấm đã được
xử lý. Trong cơng nghệ màng có 2 chế độ hoạt động khác nhau tùy thuộc vào 2 kiểu dòng
chảy: kiểu dòng chảy băng ngang (cross-flow) và kiểu dòng chảy đứng (dead-end).


CHƯƠNG 2

18

a) Kiểu dead-end

b) Kiểu cross-flow

Hình 2.1. Các kiểu chế độ chảy trong cơng nghệ màng
Kiểu dịng chảy “dead-end” dẫn đến hiện tượng tắc nghẽn màng nhanh hơn kiểu
dòng chảy cross-flow, hay nói khác hơn là kiểu dịng chảy “cross-flow” khắc phục nhược
điểm tắc nghẽn màng nhanh chóng của kiểu dòng chảy “dead-end” và được sử dụng rộng
rãi trong các quy trình xử lý nước. Trong kiểu dịng chảy “cross-flow” lưu chất có áp suất

được chảy ngang trên bề mặt màng ở tốc độ cao làm hạn chế sự tắc nghẽn do các chất bẩn
khóa lỗ xốp và tạo lớp bã bên trên bề mặt màng. Một số chất nhiễm bẩn trong nước thải
tích lũy dần dần trên màng tạo thành lớp mỏng trong suốt quá trình màng hoạt động. Quá
trình này được gọi là tắc nghẽn và xảy ra dần theo thời gian kèm với sự suy giảm lượng
nước thấm qua màng. Khi màng khơng cịn đạt thơng lượng nước sạch như mong muốn,
người ta tiến hành rửa sạch màng bằng nước hoặc hóa chất. Màng có thể được làm sạch
nhiều lần tùy thuộc chế độ hoạt động và bảo dưỡng do nhà sản xuất quy định.

2.2. CÔNG NGHỆ MÀNG SIÊU LỌC UF (Ultrafiltration)
Trong công nghệ màng UF, các loại chất tan và các chất hữu cơ có thể bị tách ra
khỏi dịng thơng qua chênh lệch áp suất hai phía của màng lọc. Phương pháp này sử dụng
áp suất chênh lệch nhỏ hơn công nghệ lọc thẩm thấu ngược và không dựa vào tác động
thẩm thấu. Công nghệ này thích hợp để áp dụng cho các loại nước có chất tan khối lượng
phân tử lớn, q trình phân tách này dựa trên kích thước lỗ xốp của màng để tách dòng
hỗn hợp thành dòng thấm qua màng và dòng đậm đặc.


CHƯƠNG 2

19

Bảng 2.1. So sánh các loại công nghệ và cấu trúc của các loại màng
Công nghệ

Cấu trúc

Microfiltration
Ultrafiltration
Nanofiltration
Reverse Osmosic

Vi lỗ xốp đối xứng
(0.02-10 µm)
Vi lỗ xốp bất đối xứng
(1-20 nm)
Vi lỗ xốp bất đối xứng
(0.01-5 nm)
Lớp phủ bất đối xứng
và đồng nhất trên lớp
màng vi xốp hỗ trợ

Áp suất vận
hành

Cơ chế quá trình lọc

1-5 atm

Lọc qua vi lỗ xốp

2-10 atm

Lọc qua vi lỗ xốp

5-50 atm

Lọc qua vi lỗ xốp

10-100 atm

Thẩm thấu ngược

Màng UF được chế tạo thương mại dạng tấm phẳng hay dạng sợi rỗng. Chất lỏng
được lọc bằng lực và dịng thấm đi vng góc qua bề mặt màng trong khi dòng đậm đặc
chảy về cuối module chứa màng. Cơng nghệ UF là một q trình hiệu quả để khôi phục
và tái sử dụng các chất phân tán và các chất cao phân tử trong dung dịch. Tuy nhiên, vịng
đời màng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, pH và quá trình tắc nghẽn. Sự kết hợp thống
nhất của những q trình cơng nghệ với q trình siêu lọc phụ thuộc vào đặc tính nguồn
thải và yêu cầu kỹ thuật sau khi xử lý (chất lượng nước).
Sự đa dạng của các chất cao phân tử nhân tạo, bao gồm các hạt nhựa
polycarbonate, các olefin…được dùng làm nguyên liệu chế tạo màng siêu lọc. Nhiều loại
màng nhóm này có trở lực dung mơi hữu cơ cao và ít nhạy với nhiệt độ và pH hơn các
màng celluose acetate, được sử dụng rộng rãi trong hệ thống lọc thẩm thấu ngược.
Bảng 2.2. Vật liệu sử dụng chế tạo một số loại màng
Vật liệu chế tạo
Alumina
Carbon-carbon composites
Cellulose esters
Cellulose nitrate
Polyamide, aliphatic
Polycarbonate
Polypropylene
Polytetrafluoroethylene (PTFE)
Polyvinyl chloride (PVC)

MF
x
x
x
x

x
x
x
x
x

UF

RO


CHƯƠNG 2
Polyvinyllidene flouride (PVDF)
Ceramic composites
Polyacrylonitrile (PAN)
Polyvinyl alcohol (PVA)
Polysulfone (PS)
Polyethersulfone (PES)
Cellulose acetate (CA)
Cellulose triacetate (CTA)
Polyamide, aromatic (PA)
Polyimide (PI)
Polybenzimidazole (PBI)
Polyetherimide (PEI)

20

x
x
x

x
x
x
x
x
x

x
x
x
x
x
x
x
x
x

x
x
x
x
x
x

Trong lọc UF, khối lượng phân tử được dùng làm tiêu chí đánh giá hiệu quả loại bỏ
hay phân tách các hỗn hợp trong dịng vào. Tuy nhiên hình dáng, kích thước và tính linh
hoạt cũng được đánh giá là các thơng số quan trọng. Cường độ ion và pH thường giúp xác
định hình dạng và độ linh động của các phân tử lớn, nhiệt độ hoạt động đối với màng có
thể tương quan với nhau và với khối lượng phân tử. Ví dụ, nhiệt độ hoạt động của màng
với khối lượng phân tử 5.000 và 10.000 đvC là khoảng 650C, còn khối lượng phân tử từ

50.000 và 80.000 đvC thì nhiệt độ hoạt động là khoảng 500C.
Cấu trúc lỗ xốp của màng UF có vai trị quan trọng trong q trình lọc, lỗ xốp cho
các phân tử nhỏ khoảng ion kim loại hóa trị 1 và 2 đi qua, trong khi giữ lại các chất nhũ
hóa và chất phân tán lớn. Ngồi kích thước lỗ xốp, một xem xét quan trọng khác là cơng
suất màng - thể tích nước được xử lý trên một đơn vị diện tích màng trong một đơn vị thời
gian. Lưu chất và các chất khí có thể được làm sạch bằng cách di chuyển qua màng có
kích thước lỗ xốp đủ nhỏ có thể chặn được các chất nhiễm bẩn. Khả năng này đặc biệt
hữu ích trong việc phân loại các q trình trong cơng nghiệp địi hỏi phân tách có chất
lượng cao và vơ trùng đối với chất lỏng và khí . Hiệu quả loại bỏ của màng phụ thuộc vào
kích thước lỗ xốp, độ rỗng và nồng độ, tỷ lệ dòng. Sự tăng vận tốc lưu chất trên bề mặt
màng hay trong quá trình vận hành làm giảm hiệu quả nén ép và khuếch tán.


CHƯƠNG 2

21

2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
2.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Trên cơ sở các nghiên cứu về chế tạo màng, nhiều loại màng có kích thước lỗ từ
micro đến nano đã được sản xuất và thương mại hóa rộng rãi. Tuy nhiên, để ứng dụng
một cách hiệu quả, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã không ngừng khảo sát và nghiên
cứu khả năng phân tách các hợp chất hóa học, sinh học trong nhiều lĩnh vực khác nhau
cũng như hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu chi phí đầu tư, bảo trì của các loại
màng khác nhau.
Nghiên cứu của G.K. Pearce [2] cho thấy hiệu quả sử dụng năng lượng của hai
công nghệ: (a) bùn hoạt tính thơng thường tiếp theo UF/MF – RO và (b) MBR – RO. Kết
quả cho thấy ứng dụng cơng nghệ (a) có năng lượng thấp hơn so với công nghệ (b). Tuy
nhiên công nghệ (b) sẽ phù hợp hơn ở những nơi có mặt bằng hạn chế hoặc giá thuê mặt
bằng cao hơn. Xử lý nước mặt thơng thường có chi phí năng lượng khoảng 0.1–0.3 kW

h/m3, với nguồn nước lợ chi phí này trong khoảng 0.8–1.7 kW h/m3. Chi phí năng lượng
cho tái sử dụng nước thải từ công nghệ (b) trong khoảng 0.8–1.2 kW h/m3, trong khi đó
MBR-RO cao hơn, khoảng 1.2–1.5 kW h/m3. Chi phí năng lượng cho xử lý nước biển cao
nhất 2.3–4.0 kW h/m3. Chi phí năng lượng cho vận chuyển và phân phối nước tái sử dụng
vào khoảng 0.6 kW h/m3.
Nghiên cứu của S.R. Chae [3] về áp dụng công nghệ bể sinh học màng nhúng chìm
ngang (Vertical Submerged Membrane Bioreactor, VSMBR) xử lý nước thải đô thị cho
thấy hiệu quả xử lý trung bình của COD, TN, TP ở thời gian lưu nước (HRT) 8 giờ và
thời gian lưu bùn (SRT) 60 ngày lần lượt là 96,74 và 78%. Chất lượng nước dòng ra của
VSMBR đáp ứng chất lượng tiêu chuẩn nước cấp của Hàn Quốc và WHO, sử dụng cho
dội bồn cầu và rửa xe.
Triển vọng áp dụng của MBR trong các dự án tái sử dụng nước rất lớn, hoặc mang
ý nghĩa như quá trình tiền xử lý cho quá trình lọc UF/NF hay RO (xử lý bậc IV), hoặc với
dịng ra có thể sử dụng khơng hạn chế cho quá trình tưới tiêu như ở các nhà máy xử lý


CHƯƠNG 2

22

nước thải Schilde, Bỉ. Giám sát chất lượng nước đầu ra của quá trình MBR trong khoảng
thời gian dài đã chứng minh được sự thích hợp của cơng nghệ này với mục đích sử dụng
nước cho tưới tiêu (có các thông số chất lượng nước giới hạn trong một khoảng rộng).
Dòng ra của MBR tuân theo chỉ tiêu Faecal coliforms trong hướng dẫn sử dụng nước sau
xử lý cho nông nghiệp của WHO. MBR thử nghiệm đầu tiên cho xử lý nước thải đô thị ở
Châu Âu là vào năm 1998. Trong năm đầu tiên, MBR được áp dụng cho xử lý các chất
phân tán trong nước thải ở quy mô nhỏ (<100m3/h) ở các nước Anh, Đức, Ý. Sự nhân
rộng của quá trình sinh học màng ở quy mô vừa và lớn trong xử lý nước thải đô thị khá
chậm nhưng những áp dụng ở quy mô này đã có ở ngồi thực tế và đang được xây dựng ở
nhiều nơi. Ví dụ MBR ở quy mơ lớn đã được áp dụng cho cấp nước công nghiệp ở

Empoli, Ý và cho tưới tiêu nông nghiệp ở Villafranque, Pháp.
Tuy nhiên bên cạnh những lợi ích của cơng nghệ xử lý bằng màng thì vấn đề tắc
nghẽn màng và chi phí cho xử lý màng cao đang là trở ngại lớn nhất cho sự ứng dụng
rộng rãi hơn của màng MBR. Trong những năm gần đây, vấn đề xem xét hiệu quả lọc của
màng được nghiên cứu để làm sáng tỏ hơn vấn đề tắc nghẽn màng và để nâng cao thơng
lượng dịng cũng đồng nghĩa với việc giảm thành xử lý bằng màng. Sự phát triển hướng
vào những vật liệu mới tạo ra màng có khả năng giảm bớt chi phí đầu tư cho các modul
màng hoặc để tăng cường và duy trì thơng lượng cao của màng. Để cải thiện tính chống
tắc nghẽn của màng MF Polypropylene dạng sợi (PPHFMMs) ứng dụng như một loại
màng MBR trong xử lý nước thải thì màng được biến tính bằng cách xử lý plasma NH3 và
CO2 trên bề mặt màng PPHFMMs bởi Yu và các cộng sự [4,5,6], góc thấm ướt đã giảm
đáng kể sau khi xử lý plasma NH3 và CO2, nguyên nhân là do nhóm –NH2 và –COOH
được cấy ghép vào bề mặt màng, chỉ số tắc nghẽn của màng PPHFMMs được xử lý
plasma cũng thấp hơn so với màng PPHFMMs ban đầu. Tuy nhiên phương pháp xử lý
plasma cịn rât nhiều hạn chế là biến tính khơng sâu bề mặt so với những phương pháp
khác, những phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt phức tạp nên rất khó hiểu được và hiện
tại phương pháp xử lý plasma không thể áp dụng ở quy mô rộng.


CHƯƠNG 2

23

Do phương pháp xử lý plasma có nhiều nhược điểm nên Asatekin cùng cộng sự [7]
đã áp dụng phương pháp ghép nhiều phản ứng polyme hóa trên bề mặt để cải thiện màng
lọc MBR. Trong nghiên cứu, bề mặt của màng MF Polypropylene được biến tính bằng
bức xạ UV trong dung dịch acrylamide. Dữ liệu góc thấm ướt đã chỉ ra rằng độ ưu nước
của bề mặt màng biến tính tăng lên rất nhiều khi tăng mức độ cấy ghép trên bề mặt. Mặc
dù màng biến tính có khả năng lọc tốt hơn so với màng ban đầu nhưng phương pháp này
vẫn còn hạn chế là sử dụng năng lượng cao do đó làm tăng chi phí sản xuất màng dẫn đến

tăng chi phí đầu tư khi sử dụng loại màng này.
Gần đây, cơng nghệ tạo ra màng có khả năng tự làm sạch là một phương pháp đơn
giản và hiệu quả nhất chỉ bằng cách tạo ra một lớp màng mỏng khác trên bề mặt màng
MBR. Trong nghiên cứu của Bae và Tak [8,9] màng siêu lọc polyvinylidene fluoride
(PVDF) được bao phủ bằng một lớp Polyme được tạo ra bằng phản ứng đồng trùng hợp
PVDF và polyoxyethylene methacrylated (PVDF-g-POEM), tạo thành một loại màng
nanocomposite (TFC NF). Loại màng TFC NF này khơng có chất tắc nghẽn bất thuận
nghịch trong thời gian 10 ngày theo mơ hình dịng chảy đứng với nồng độ EPS (bovine
serum albumin, sodium alginate và humic acid) là 1000 mg/l. Tính chất chống tắc nghẽn
của màng TFC NF này thể hiện ở việc hạn chế kích thước của các chất tắc nghẽn qua
màng bằng các kênh dẫn ưa nước và khả năng ngăn cản sự hấp phụ EPS lên bề mặt màng
của Polyethylene oxide (PEO). Trong lúc đó, TiO2 cũng được đưa vào màng và ứng dụng
cho quá trình lọc MBR. Bề mặt màng chứa TiO2 có độ ưa nước hơn so với màng ban đầu
do ái lực mạnh hơn của oxide TiO2 với nước. Do đó những chất hấp phụ kị nước được
giảm bớt và sự kết tụ những chất tắc nghẽn có thể bị loại bỏ dễ dàng bởi dòng chảy
ngang.
Jian-Hua Li và các cộng sự [10] công bố kết quả nghiên cứu chế tạo và đặc tính
màng lọc nano syrene-alt-maleic anhydride SMA/PVDF và hạt nano TiO2 nhằm cải thiện
khả năng chống tắc nghẽn màng. Màng được chế tạo bằng phương pháp sol-gel, sau đó
màng SMA/PVDF được nhúng vào dung dịch phân tán hạt nano TiO2. Cơng trình đã đưa
ra cơ chế kết hợp giữa hạt nano TiO2 và màng lọc thông qua liên kết giữa TiO2 và nhóm


CHƯƠNG 2

24

acid carboxylic trong SMA theo 2 kiểu : Ti4+ có thể liên kết với hai nguyên tử oxi của
nóm COOH qua liên kết phối trí của cation Ti4+, hoặc tạo liên kết hidro giữa nhóm
hydroxyl trên bề mặt hạt nano TiO2 và nhóm carbonyl trên màng. Kết quả nghiên cứu cho

thấy góc tiếp xúc giữa màng và nước giảm rõ rệt khi so sánh với màng SMA/PVDF
chứng minh TiO2 trên bề mặt góp phần tăng khả năng ưa nước của màng làm tăng thông
lượng nước qua lọc, kết hợp với khả năng loại bỏ chất bẩn (protein) cao đã khẳng định
hiệu quả chống tắc nghẽn màng khi kết hợp với hạt nano TiO2.
Marc Pidou cùng các cộng sự đã khảo sát quá trình xử lý tắc nghẽn của màng
polyethylene bằng TiO2 dạng huyền phù dưới bức xạ UV [11]. Với hàm lượng TiO2 đã
được tối ưu hóa trước đó thì kết quả chỉ ra tắc nghẽn được giảm bớt đáng kể đối với màng
xử lý một vài loại nước thải phổ biến. Tuy vậy, tác giả đã cho rằng việc giảm được tắc
nghẽn hay khơng là hồn tồn phụ thuộc vào việc thiết kế hệ thống chiếu tia UV mà
không phụ thuộc nhiều vào thành phần màng cũng như các cách cải thiện hiệu quả lọc của
màng.
Nghiên cứu của Jennifer R. Du [12] đã biến tính màng PVDF thương mại bằng cách
phủ lên bề mặt màng PVDF lớp dung dịch PVA được nối mạng theo kiểu rắn-hơi tại bề
mặt bằng glutaraldehyde. Kết quả chỉ ra lớp PVA làm tăng độ bằng phẳng của bề mặt
màng và tăng độ ưa nước do đó làm tăng khả năng chống tắc nghẽn, sau 18 giờ lọc thông
lượng nước qua màng lớn gấp 2 lần so với màng khơng có lớp PVA. Bên cạnh có những
hạn chế là tác giả đã khơng chỉ ra được thời gian tối ưu quá trình nối mạng PVA và sử
dụng hóa chất trong việc làm sạch lớp tắc nghẽn trên bề mặt màng.
Tác động của tác nhân thấm ướt lên trên bề mặt màng UF Polysulfone dạng phẳng
và dạng sợi đã được J. Kochan và cộng sự [13] nghiên cứu trong quá trình xử lý sinh học
nước thải nhằm loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Để làm ướt tối đa các lỗ xốp, màng
Polysulfone đã được xử lý với những loại tác nhân ướt khác nhau là acetone, isopropyl
alcohol và ethanol. Kết quả về khả năng thấm của màng đã cho thấy vai trò quan trọng
của tác nhân thấm ướt trong q trình hoạt hóa các lỗ xốp nhỏ hơn thông qua việc làm
giảm sức căng bề mặt. Tại thời điểm bắt đầu quá trình lọc đối với màng chưa xử lý bằng