Luận Văn Nghiên cứu khảo sát khả năng chống tắc nghẽn của màng lọc thẩm thấu ngược (RO) được phủ lớp vật liệu

HOÀN CHỈNH, COPY CHỈNH SỬA ĐƯỢC)

TÓM TẮT LUẬN VĂN



Màng RO polyamide (PA) được biến tính bằng cách phủ lên bề mặt màng một lớp mỏng PVA,

PVA-TiO2 hoặc trộn các hạt TiO2 trong quá trình tạo màng PA. Nhờ tính ưa nước của các vật

liệu biến tính màng sẻ nâng cao tính chất chống tắc nghẽn cho bề mặt màng. Kết quá thí nghiệm

loại màng PA có trộn TiO2 cho thấy sự hiện diện của TiO2 trong lớp màng PA làm cho thông

lượng thấm của nước tăng lên nhờ các hạt TiO2 có tính siêu thấm ướt và hút các phân tử nước

vào trong màng. Tuy nhiên độ loại muối của loại màng này bị giảm xuống đáng kể do độ xốp

của màng tăng. Khi chạy tắc nghẽn với nước muối biển kết hợp alginate thì cho thấy tính chống

tắc nghẽn của loại màng này không thực sự rõ ràng (tuy tốt hơn màng thương mại). Màng có

hàm lượng 0.01% TiO2 trong TMC cho thông lượng khá cao (20.9L/m2.h) và độ loại muối chấp

nhận được (99.1%).

Đối với thí nghiệm chế tạo màng PA phủ lớp PVA, quá trình nối mạng PVA trên bề mặt màng

PA được đem đi nung ở 1000C cùng tác nhân nối mạng là acid malic. Từ kết quả thí nghiệm cho

thấy, thông lượng bị giảm khi phủ lớp màng PVA và thông lượng giảm mạnh khi nồng độ dung

dịch phủ PVA tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng nồng độ PVA thì khả năng chống tắc nghẽn cũng

tăng theo rõ rệt. Màng có nồng độ 0.1% PVA có đặc tính kết hợp giữa thông lượng và tính kháng

tắc nghẽn tốt nhất. Do đó, dung dịch 0.01% PVA được sử dụng để phân tán TiO2 và phủ lên

màng PA trong nghiên cứu phủ lớp PVA-TiO2 lên bề mặt màng PA.

Kết quả thí nghiệm loại màng phủ lớp PVA-TiO2 cho thấy: với hàm lượng TiO2 tính trên 1g

PVA trong dung dịch phủ nhỏ hơn 10% (từ 1-7%) thì hầu như TiO2 bị giam trong lớp màng PVA

làm giảm thể tích tự do và độ linh động của PVA cho nên các màng này có thông lượng thấp hơn

màng phủ PVA 0.1%. Khi hàm lượng TiO2 đạt 10% thì mạng PVA không giữ hết TiO2 trong cấu

trúc mạng cho nên TiO2 xuất hiện trên bề mặt màng làm tăng cường nhóm hydroxyl, tăng tính ưa

nước của bề mặt màng, cải thiện tính chất chống tắc nghẽn. Khi một lượng khá lớn TiO2 tồn tại

trên bề mặt màng chúng sẻ kết hợp và vón lại thành kích thước lớn làm tăng khuyết tật màng cho

nên làm tăng thông lượng thấm của nước.




MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU . vi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT . vii

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài . 1

1.2 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài . 3

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn . 4

1.4 Nội dung nghiên cứu . 4

CHƯƠNG 2: TỒNG QUAN 5

2.1 Định nghĩa, phân loại màng và quá trình màng 5

2.1.1 Định nghĩa màng lọc .5

2.1.2 Quá trình vận hành màng 5

2.1.3 Giới thiệu về công nghệ màng trong xử lý nước : 6

2.2 Tổng qua về màng thẩm thấu ngược RO : 7

2.2.1 Khái niệm về quá trình thẩm thấu ngược : .7

2.2.3 Cấu tạo màng lọc RO composite (Thin Film Composite - TFC): . 16

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới năng suất quá trình màng RO : . 18

2.3 Tồng quan về vấn đề tắc nghẽn màng. . 19

2.4 Các phương pháp đánh giá sự tắc nghẽn của màng : . 25

2.5 Các công trình nghiên cứu đã công bố liên quan 26

CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU . 30

3.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm : . 30

3.1.1 Vật liệu và hóa chất : 30

3.1.2 Hệ thống và dụng cụ thí nghiệm : 36

3.2 Các nội dung thực hiện : 38

3.3 Phương pháp nghiên cứu : 39

3.3.1 Quy trình tổng hợp màng RO TFC/TFN . 39

3.3.2 Quy trình thí nghiệm tổng hợp màng RO TFC phủ PVA : . 41

3.3.3 Quy trình thí nghiệm tổng hợp màng RO TFC phủ lớp PVA_TiO2 42

3.3.4 Quy trình chạy tắc nghẽn: . 43

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN . 45

4.1 Màng TFN 45

4.1.1 Thông số đánh giá đặc tính màng : 45

4.1.2 Chạy tắc nghẽn : . 47

4.2 Màng TFC phủ PVA . 49

4.2.1 Các thông số và tính chất đánh giá màng TFC-PVA sau khi biến tính : . 49

4.2.2 Tính ưu nước của màng phủ PVA : 50

4.2.3 Khả năng chống tắc nghẽn của màng PA sau khi phủ PVA(TFC_PVA): 51

4.3 Màng TFC phủ PVA-TiO2 53

4.3.1 Các thông số và tính chất đánh giá màng PVA-TiO2 . 53

4.3.2 Khả năng chống tắc nghẽn của màng PVA-TiO2 . 54 SVTH: Trần Văn Lam



v



CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 57

5.1 Kết luận: . 57

5.1.1 Về màng PA_P25 . 57

5.1.2 Về màng PA phủ PVA 57

5.1.3 Về màng PA phủ PVA 57

5.2 Các kết quả đạt được của đề tài luận văn: 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 59





DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Tắc nghẽn màng, rửa màng bằng hóa chất thường xuyên làm giảm tuổi thọ màng 1

Hình 1.2: Phân bố trữ lượng nước trên trái đất [1]Igor Shiklomanov, UNESCO, Paris, 1999] 2

Hình 1.3: Chi phí của quá trình lọc thẩm thấu ngược.

2

Hinh 2.1: Màng đối xứng và không đối xứng[3]

5

Hình 2.2: Khả năng lọc của các loại màng khác nhau trong xử lý nước

6

Hình 2.3: Các kiểu chế độ chảy trong công nghệ màng

7

Hình 2.4: Cơ chế của quá trình thẩm thấu xuôi và thẩm thấu ngược.

8

Hình 2.5: Mô tả sự vận chuyển dung môi qua màng xốp và màng chặt[3]

9

Hình 2.6: Thế hoá học, áp suất và hoạt hoá dung môi qua màng theo mô hình khuếch tán[3] 11

Hình 2.7: Dữ liệu về sự loại bỏ muối và dòng nước đi qua khi cho thẩm thấu một dung dịch

muối (3.5 % NaCl)qua một màng thẩm thấu ngược chất lượng cao. [3]

12

Hình 2.8: Hiện tượng phân cực nồng độ

13

Hình 2.9: Thay đổi nồng độ trong mặt cắt ngang vuông góc với màng[2]

15

Hình 2.10: Cấu tạo màng RO TFC

16

Hình 2.11: Cấu tạo lớp polyamide

17

Hình 2.12: Công thức cấu tạo của polyamide trên cơ sở TMC – MPD

17

Hình 2.13: Màng lọc RO dạng cuộn (flat-sheet spiral) trên cơ sở polyamide.

18

Hình 2.14: Một số chất gây tắc nghẽn màng

20

Hình 2.15: Phân loại theo nguyên nhân gây tắc nghẽn màng

20

Hình 2.16: Tắc nghẽn thuận nghịch và bất thuận nghịch

22

Hình 2.17: Ba loại cơ chế tắc nghẽn

23

Hình 2.18: Cơ chế tích tụ chất hữa cơ tự nhiên lên bề mặt màng

24

Hình 2.19: Sự kết tụ của vi sinh vật lên trên bề mặt màng

24

Hình 2.20: Phức chất của Ca và alginate.

27

Hình 3.1: Công thức cấu tạo Pollysulfone [27]

30

Hình 3.2: Sự kết nối mạng giữa PVA và borax trong môi trường kiềm [15]

32

Hình 3.3: Phản ứng nối mạng giữa PVA và GA [23]

33

Hình 3.4: Cấu trúc TiO2 dạng Rutil và Anatas

33

Hình 3.5: Cơ chế oxi hóa các hợp chất hữu cơ của TiO2 [25]

34

Hình 3.6: Tính kháng khuẩn của màng chứa TiO2 khi được chiếu tia UV

35

Hình 3.7 : Sơ đồ mô hình hệ thống

36

Hình 3.8: Hình chụp hệ thống thí nghiệm

37

Hình 3.9: Sơ đồ tóm tắt nội dung nghiên cứu

38

Hình 3.10: Quy trình tổng hợp màng TFC/TFN

39

Hình 3.11: Quy trình tổng hợp màng PA phủ PVA

41


Hình 3.12: Quy trình chạy tắc nghẽn

43

Hình 4.1: Đồ thị xác định trở lực màng trắng thông qua hệ số góc quan hệ tuyến tính của áp suất

và thông lượng.

45

Hình 4.2: Đồ thị về hằng số thấm của nước, của muối và trở lực màng.

45

Hình 4.3: Đồ thị thông lượng khi chạy nước, chạy muối và độ loại muối.

46

Hình 4.4: Đồ thị ảnh hưởng hàm lượng TiO2 lên góc thấm ướt của màng PA_P25

46

Hình 4.5: Độ giảm thông lượng tương đối của màng thương mại, màng TFC và màng PA_P25

theo thời gian

48

Hình 4.6: Độ giảm thông lượng tuyệt đối của màng thương mại, màng TFC và màng PA_P25

theo thời gian

48

Hình 4.7 : Đồ thị biểu diễn góc thấm ướt của màng PVA

50

Hình 4.8 : Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ PVA trong dung dịch nhúng màng lên độ giảm thông

lượng tương đối trong quá trình thí nghiệm chạy tắc nghẽn với tác nhân gây tắc nghẽn Alginate.



51

Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn độ giảm thông lượng theo thời gian của màng PVA

52

Hình 4.10: Đồ thị góc thấm ướt của màng PVA-TiO2

53

Hình 4.11: Đồ thị độ giảm thông lượng tương đối so với ban đầu của màng PVA-TiO2 trong quá

trình chạy tắc nghẽn.

55

Hình 4.12 : Đồ thị độ giảm thông lượng theo thời gian của màng PVA-TiO2

55



DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.2 : Các quá trình vận hành màng trong xử lý nước [3] 5

Bảng 2.3: Tính tan của một số loại muối trong nước[6]. 21

Bảng 3.1: Hóa chất thí nghiệm 35

Bảng 3.2: Dụng cụ thí nghiệm . 37

Bảng 3.3: Các loại màng khảo sát trong phần thí nghiệm về màng TFN . 40

Bảng 3.4: Các loại màng khảo sát trong phần thí nghiệm về màng PVA . 42

Bảng 3.5: Loại màng khảo sát trong thí nghiệm về màng PVA-TiO2 . 42

Bảng 4.1: Thông lượng đầu, cuối và độ giảm thông lượng của màng thương mại, màng TFC và

màng PA_P25 0.004 và 0.01%. . 47

Bảng 4.2: Ảnh hưởng của nồng độ PVA lên chất lượng màng . 49

Bảng 4.3: Thông lượng và độ giảm thông lượng của màng PA phủ PVA khi chạy tắc nghẽn. 51

Bảng 4.4: Ảnh hưởng của nồng độ TiO2 lên tính chất và năng suất của màng PVA-TiO2 . 53

Bảng 4.5: Thông lượng đầu và cuối trong khi chạy tắc nghẽn tác nhân alginate của màng PVA-

TiO2 54





DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT



RO Quá trình lọc thẩm thấu ngược ( reverse osmosis )

MF Quá trình lọc vi lọc ( micro filtration )

UF Quá trình lọc siêu lọc ( ultra filtration )

NF Quá trình lọc nano ( nano filtration )

TFC Lớp màng mỏng composite ( thin film composite )

TFN Lớp màng mỏng nanocomposite ( thin film nanocomposite )

PA Lớp màng polyamid

PVA PolyVinylAlcohol

PSF Màng lọc Polysulfone

PSE Màng lọc polyethersulfone

MA Malic Acid

NOM Chất hữu cơ tự nhiên ( natural organic matter )

TMC Trimesoyl Chloride

MPD Meta-Phenyl Diamine

CA Cellulose acetate

UV Đèn cực tím ( ultraviolet )

TOC Tổng carbon trong chất hữu cơ ( total organic carbon )

Mw Khối lượng phân tử

XPS Quang phổ tia X ( X-ray photoelectron spectroscopy)



CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, quá trình lọc màng có tầm quan trọng lớn trong thực phẩm, hóa học, y học, dược,

công nghệ sinh học, xử lí nước thải, và các lĩnh vực khác của ngành công nghiệp. Do khả năng

loại bỏ bằng kĩ thuật cao và xử lí được nhiều mục tiêu. Tuy nhiên, một trong những trở ngại

chính khi sử dụng công nghệ màng là tắc nghẽn màng. Tắc nghẽn được định nghĩa đơn giản là

các tác chất gây tắc nghẽn bám lên màng và làm giảm thông lượng lọc của màng. Chất tắc nghẽn

màng làm ảnh hưởng đến cả chất lượng và số lượng của sản phẩm và thời hạn sử dụng của màng.

Do đó, hậu quả của chất tắc nghẽn luôn luôn làm giảm hiệu suất quá trình.

Một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tắc nghẽn là: quá trình tiền xử lý nguyên liệu, điều

chỉnh tính chất của màng, cải tiến điều kiện vận hành và sắp xếp module 1 cách tối ưu . Mặc dù

tất cả các phương pháp trên làm giảm tắc nghẽn ở một mức độ nào đó chứ không loại bỏ hoàn

toàn được tắc nghẽn. Do đó, phương pháp làm sạch màng luôn luôn được sử dụng trong thực tế.

Bốn phương pháp làm sạch được phân loại: làm sạch thuỷ lực, cơ khí, hóa học và điện. Trong số

những phương pháp này, làm sạch bằng hóa học là quan trọng nhất để phục hồi thông lượng với

1 số hóa chất được sử dụng riêng rẽ hoặc kết hợp. Để quá trình xử lí bằng màng hoạt động có

hiệu quả, thì quá trình lọc phải được ngưng thường xuyên để làm sạch màng phục hồi khả năng

lọc của màng . Thường xuyên làm sạch có nghĩa là tăng chi phí cho nhân công và làm phức tạp

quá trình lọc màng. Hơn nữa, kết quả của làm sạch bằng hóa học làm chi phí tăng lên và cần xử

lý hóa chất thải và cuối cùng sẽ ảnh hưởng đến thời hạn sử dụng của màng.