Hình 3.14. Năng suất lọc và độ giảm năng suất lọc của màng
sau khi ngâm trong các mơi trường có pH khác nhau
Hình 3.15 là ảnh chụp SEM bề mặt màng trƣớc và sau khi ngâm trong các dung dịch có pH khác nhau
Hình 3.15. Ảnh chụp SEM bề mặt màng ban đầu (trái) và sau khi ngâm
3.2.7. Kết quả tách thuốc nhuộm trên một số mẫu nước thải nhuộm thực tế
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát khả năng tách thuốc nhuộm dƣ trong một số mẫu nƣớc thải nhuộm thực tế bằng phƣơng pháp lọc màng, sử dụng màng lọc Filmtech TW30. Các mẫu nƣớc thải nhuộm đƣợc lấy ở xƣởng nhuộm tƣ nhân tại Hoài Đức, Hà nội.
Khi kiểm tra pH của các mẫu nƣớc thải thực tế, các kết quả đo đều cho giá trị pH ban đầu lớn hơn 9 và có mùi rất khó chịu. Trƣớc khi lọc qua màng, các mẫu dung dịch đƣợc điều chỉnh về pH trung tính. Hàm lƣợng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) trong các mẫu dung dịch nƣớc thải nhuộm ban đầu nằm trong trong khoảng 70 -100, sau khi lọc giá trị TSS đạt gần về 0.
Kết quả so sánh trực quan màu của các dung dịch nƣớc thải nhuộm trƣớc và sau khi lọc qua màng đƣợc đƣa ra ở Hình 3.16. Tính chất các mẫu nƣớc thải trƣớc và sau xử lý đƣa ra ở Bảng 3.4 cho thấy, các mẫu nƣớc thải nhuộm sau khi lọc qua màng đều đạt chất lƣợng tốt về tiêu chuẩn dòng thải đối với các chỉ tiêu về màu sắc và các thông số COD, BOD, chất rắn lơ lửng. Mặt khác, dịch lọc thu đƣợc có thể đƣợc quay vịng lại dùng làm nƣớc cấp cho q trình nhuộm, dịch thuốc nhuộm lƣu giữ đƣợc thu gom và xử lý tập trung hoặc tái sử dụng lại.
Mẫu 1 Mẫu 2
Hình 3.16. So sánh màu sắc và độ trong của một số mẫu nước thải nhuộm
Bảng 3.4. Tính chất các mẫu nước thải nhuộm trước và sau khi lọc qua màng
Mẫu nƣớc thải
COD (mppm) BOD (mppm) Màu sắc, độ trong (trực quan) Trƣớc lọc Sau lọc Trƣớc lọc Sau lọc Trƣớc lọc Sau lọc 1 3681 100 120 6 Sẫm màu, đục Không màu, trong 2 2017 60 100 4 Màu đỏ sậm, đục Không màu, trong 3 1684 90 150 8 Đen, đục Khơng màu, trong
Hình 3.17. Năng suất lọc và độ giảm năng suất lọc theo mức độ cô đặc
dung dịch các mẫu nước thải thực tế
Kết quả thực nghiệm cho thấy, các giá trị COD và BOD của các mẫu nƣớc thải đều giảm mạnh (từ 95 đến 97 %) sau khi lọc qua màng, dịch lọc thu đƣợc trong và khơng có màu. Kết quả kiểm tra và so sánh năng suất lọc (Hình 3.17) cho thấy mẫu 1 và mẫu 2 có năng suất lọc tƣơng đƣơng nhau, mẫu 3 cho năng suất lọc thấp hơn so với các mẫu 1 và 2.
3.3. Khả năng giảm fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng
3.3.1. Làm sạch màng bằng phương pháp rửa
Trong quá trình lọc dung dịch thuốc nhuộm qua màng, năng suất lọc của màng thƣờng giảm dần theo thời gian lọc. Hiện tƣợng giảm năng suất lọc của màng theo thời gian (fouling) là do sự tích tụ hoặc sự hấp phụ của chất bị lƣu giữ ở trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng. Để phục hồi năng suất lọc cho màng có thể dùng phƣơng pháp rửa màng định kỳ.
Chúng tôi đã khảo sát khả năng làm sạch màng bằng phƣơng pháp rửa với một số tác nhân rửa khác nhau. Thí nghiệm đƣợc tiến hành nhƣ sau: Màng ban đầu đƣợc kiểm tra lƣu lƣợng dòng nƣớc tinh khiết qua màng (Jw0) ở áp suất xác định. Tiếp theo tiến hành lọc tách dung dịch thuốc nhuộm qua màng. Sau khi thực hiện quá trình tách dung dịch thuốc nhuộm, rửa màng bằng nƣớc tinh khiết trong 1 giờ đồng hồ ở áp lực dòng vào xác định, đo lƣu lƣợng nƣớc qua màng sau khi rửa (Jw1). Tiếp tục rửa màng với các tác nhân rửa là dung dịch Na5P3O10 nồng độ 2 % và dung dịch axit xitric nồng độ 2 % ở điều kiện áp suất tƣơng tự, đo lƣu lƣợng dòng nƣớc qua màng sau khi rửa, thu đƣợc các giá trị lƣu lƣợng dòng tƣơng ứng (Jw2 và Jw3).
Hình 3.18. Khả năng làm sạch màng bằng phương pháp rửa với các tác nhân rửa
Kết quả thực nghiệm (Hình 3.18) cho thấy, năng suất lọc của màng đƣợc phục hồi khoảng 94.6 % so với màng ban đầu sau khi rửa bằng nƣớc tinh khiết, phục hồi 96.6 % sau khi rửa bằng Na5P3O10 và đạt 98.7 % sau khi tiếp tục rửa bằng axit xitric. Điều đó chứng tỏ, màng có khả năng đƣợc làm sạch và tái sử dụng tốt bằng phƣơng pháp rửa với các tác nhân rửa trên.
3.3.2. Biến tính bề mặt màng
3.3.2.1. Tác động bức xạ tử ngoại lên bề mặt màng
Trong thí nghiệm này, bề mặt màng FilmtechTW30 đƣợc chiếu bức xạ tử ngoại với cƣờng độ 30W và 60W trong các khoảng thời gian khác nhau, khoảng cách từ nguồn bức xạ đến bề mặt màng là 20 cm. Sau đó, màng đƣợc kiểm tra tính năng tách với dung dịch thuốc nhuộm Red 3BF nồng độ 30 ppm trên thiết bị lọc gián đoạn ở áp suất xác định. Kết quả thực nghiệm (Hình 3.19. 3.20 và Bảng 3.5)
cho thấy, sau khi tác động bức xạ tử ngoại lên bề mặt màng, khả năng lƣu giữ thuốc nhuộm của màng đƣợc duy trì tốt trong khi năng suất lọc của màng tăng mạnh so với màng nền ban đầu. Tốc độ giảm năng suất lọc của màng chậm hơn và có xu hƣớng trở nên ổn định khi thời gian lọc kéo dài.
Hình 3.19. Năng suất lọc và độ giảm năng suất lọc của màng khi bề mặt màng
Bảng 3.5. Hiệu suất lọc và năng suất lọc của màng sau khi chiếu bức xạ tử ngoại t(phút) Màng nền J, 30w, 1phút J, 30w, 2 phút J, 30w, 3 phút J, 60w, 1phút J, 60w, 2 phút J, 60w, 3 phút 5 0.590 0.886 0.849 0.775 0.701 0.701 0.904 10 0.457 0.877 0.838 0.747 0.683 0.677 0.867 15 0.406 0.860 0.829 0.747 0.670 0.662 0.843 20 0.377 0.857 0.823 0.745 0.661 0.650 0.825 25 0.359 0.855 0.819 0.743 0.654 0.641 0.811 30 0.345 0.852 0.815 0.740 0.648 0.634 0.800 35 0.336 0.850 0.812 0.735 0.644 0.628 0.791 40 0.328 0.848 0.809 0.733 0.640 0.624 0.784 45 0.323 0.847 0.807 0.719 0.636 0.636 0.778 50 0.317 0.845 0.805 0.728 0.6336 0.616 0.773 55 0.313 0.844 0.803 0.726 0.630 0.612 0.769 60 0.310 0.843 0.802 0.724 0.628 0.610 0.764 Hiệu suất lọc % 95.860 88.568 84.422 91.070 97.0948 85.427 77.097 J (l/m2.h.bar)
nh 3.21. Phổ FTIR-ATR bề mặt màng
sau khi chiếu bức xạ tử ngoại (60W, 1 phút)
Bề mặt màng trước khi chiếu bức xạ tử ngoại
Bề mặt màng sau khi chiếu bức xạ tử ngoại cường độ 60W trong 1 phút.
Hình 3.22. Ảnh chụp AMF bề mặt màng trước và sau khi chiếu bức xạ tử ngoại
4 0 8 .4 4 4 1 .5 5 0 1 .8 5 7 2 .8 6 3 3 .9 6 6 4 .2 6 9 7 .6 7 1 7 .3 7 3 8 .6 8 3 9 .9 8 5 7 .5 8 7 7 .5 9 6 7 .9 1 0 1 4 .3 1 0 7 8 .0 1 1 1 2 .3 1 1 5 6 .9 1 1 7 5 .7 1 2 5 7 .3 1 2 9 8 .4 1 3 2 8 .5 1 4 6 3 .0 1 5 0 8 .0 1 5 9 0 .5 1 7 5 1 .1 1 9 5 9 .0 2 1 0 1 .9 2 2 8 1 .8 2 4 0 2 .6 2 5 8 8 .9 2 9 7 1 .5 3 0 6 7 .3 3 5 5 4 .1 1 2 -0.1 -0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 A b s o rb a n c e 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1)
Number of sample scans: 64 Number of background scans: 64 Resolution: 4.000
Sample gain: 8.0 Mirror velocity: 0.6329 Aperture: 100.00
Hình 3.21. Phổ FTIR-ATR bề mặt màng trước
Kết quả thực nghiệm cho thấy, độ giảm năng suất lọc của các màng sau khi chiếu bức xạ tử ngoại thấp hơn nhiều so với màng khơng có tác động bức xạ tử ngoại (giảm từ 47% đối với màng ban đầu xuống 15% sau khi đƣợc chiếu bức xạ). Trong các điều kiện đã khảo sát, màng đƣợc tác động bức xạ cƣờng độ 60W trong thời gian 3 phút cho năng suất lọc ban đầu cao nhất, nhƣng tốc độ giảm năng suất lọc của màng này lớn hơn so với các màng đƣợc chiếu bức xạ cƣờng độ 30W trong thời gian 1 phút và 2 phút. Màng đƣợc chiếu bức xạ cƣờng độ 60W trong 1 phút có năng suất lọc thấp hơn so với các màng khác, tuy nhiên năng suất lọc của màng này vẫn cao gấp 2 lần so với màng nền ban đầu. Sự tăng năng suất lọc có thể do hai nguyên nhân: (1) Sự mở rộng nhẹ kích thƣớc lỗ bề mặt màng và (2) sự tăng tính ƣa nƣớc của bề mặt sau khi chiếu bức xạ.
Kết quả đo phổ hồng ngoại phản xạ ngồi (Hình 3.21) cho thấy khơng có sự thay đổi nhiều về các nhóm chức trên bề mặt màng. Sự tăng nhẹ cƣờng độ tín hiệu trong vùng 1250 cm-1 có thể do sự tƣơng tác của oxi trong khơng khí lên bề mặt màng sau khi chiếu bức xạ.
Trong những điều kiện đã khảo sát, có thể thấy màng đƣợc tác động bởi bức xạ cƣờng độ 60W trong thời gian 1 phút cho kết quả tốt nhất, sau khi chiếu bức xạ ở điều kiện này, năng suất lọc tăng lên rõ rệt so với màng nền trong khi độ lƣu giữ của màng vẫn đƣợc duy trì tốt. Do đó, chúng tơi đã chọn điều kiện này để thực hiện những khảo sát tiếp theo, nhằm nâng cao hơn nữa năng suất lọc và khả năng chống fouling của màng.
3.3.2.2. Trùng hợp ghép axit maleic lên bề mặt màng
Axit maleic là một axit hữu cơ khơng no có nối đơi trong phân tử, sự có mặt của liên kết kép và nhóm chức cacboxylic trong axit maleic là những yếu tố thuận lợi để thực hiện quá trình trùng hợp ghép bề mặt nhằm nâng cao tính ƣa nƣớc và giảm mức độ fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng. Chúng tôi đã thực hiện quá trình trùng hợp ghép axit maleic lên bề mặt màng bằng hai phƣơng pháp khác nhau: Song song và nối tiếp.
a) Phương pháp song song: Kích thích bức xạ tử ngoại lên bề mặt màng, sau đó
ngâm màng vào dung dịch monome đồng thời chiếu bức xạ tử ngoại.
Trong thí nghiệm này, bề mặt màng đƣợc kích thích dƣới bức xạ tử ngoại 60W trong 1 phút, sau đó ngâm màng vào dung dịch monome axit maleic nồng độ 5% và tiếp tục chiếu bức xạ (60W) trong những khoảng thời gian khác nhau, màng đƣợc rửa sạch, sấy khô và tiến hành đánh giá khả năng tách với dung dịch thuốc nhuộm Red 3BF có nồng độ 30ppm trên thiết bị lọc gián đoạn
Bảng 3.6. Tính năng lọc của các màng trùng hợp ghép với MA (dd 5%)
t(phút) Màng nền J, S, 1 phút J, S, 2 phút J, S, 3 phút J, S, 5 phút 5 0.591 0.775 1.033 0.886 0.904 10 0.457 0.771 1.026 0.871 0.886 15 0.406 0.768 1.024 0.870 0.873 20 0.377 0.762 1.020 0.863 0.864 25 0.358 0.757 1.0176 0.857 0.856 30 0.345 0.754 1.010 0.852 0.850 35 0.336 0.752 1.003 0.845 0.845 40 0.328 0.750 0.972 0.840 0.840 45 0.323 0.748 0.990 0.836 0.836 50 0.317 0.746 0.985 0.843 0.832 55 0.313 0.745 0.980 0.841 0.830 60 0.310 0.744 0.976 0.840 0.827 Hiệu suất lọc % 95.8 97.0 99.9 99.9 99.9
Màu dịch lọc Nhạt Nhạt Không màu Khơng màu Khơng màu
Hình 3.23. So sánh tính năng lọc của màng nền (J mn) và màng trùng hợp (J,SS)
Kết quả thí nghiệm đƣợc đƣa ra ở Bảng 3.6 và Hình 3.23 cho thấy, trong khoảng thời gian trùng hợp từ 1 đến 5 phút, tính năng tách của màng tăng lên rõ rệt so với màng nền ban đầu với sự tăng mạnh của năng suất lọc, trong đó thời gian trùng hợp 2 phút cho hiệu quả tốt nhất: Năng suất lọc của màng sau khi trùng hợp ghép tăng gấp hơn 3 lần so với màng nền trong khi độ lƣu giữ vẫn đƣợc duy trì tốt (99.9 %). Mặt khác, độ giảm năng suất lọc của các màng đƣợc trùng hợp ghép đều chậm hơn so với màng nền. Có thể giải thích nhƣ sau: Sự trùng hợp ghép các monome axit maleic tạo thành một lớp polyme ghép trên bề mặt làm tăng khả năng lƣu giữ đồng thời làm cho bề mặt màng trở nên ƣa nƣớc hơn, do đó năng suất lọc của màng tăng, đồng thời lớp polyme trùng hợp ghép cũng làm giảm sự hấp phụ thuốc nhuộm lên trên bề mặt và bên trong các lỗ xốp của màng, do đó, tốc độ giảm năng suất của màng sẽ chậm hơn.
b) Phương pháp nối tiếp: Sau khi chiếu bức xạ tử ngoại lên bề mặt, màng được
ngâm (không chiếu bức xạ) trong dung dịch monome.
Bề mặt màng nền đƣợc chiếu bức xạ tử ngoại cƣờng độ 60W trong 1 phút, sau đó ngâm màng trong dung dịch monome axit maleic 5% với các khoảng thời
dung dịch thuốc nhuộm Red 3BF nồng độ 30ppm trên thiết bị lọc gián đoạn. Các kết quả thực nghiệm đƣợc trình bày trong Bảng 3.7 và Hình 3.24 cho thấy, năng suất lọc của màng sau khi trùng hợp đều cao hơn, độ giảm năng suất lọc chậm hơn và ổn định hơn so với màng nền. Khoảng thời gian trùng hợp trong 3 phút cho kết quả tốt nhất, năng suất lọc tăng gấp khoảng 3-4 lần so với màng nền. Độ lƣu giữ của màng sau khi trùng hợp ghép bằng phƣơng pháp nối tiếp trong các điều kiện này là tƣơng đƣơng so với phƣơng pháp song song.
Bảng 3.7. Tính năng tách của màng trùng hợp ghép MA theo phương pháp nối tiếp
t(phút) J, T, 1phút J, T, 2phút J, T, 3 phút Màng nền 5 1.107 1.070 1.218 0.590 10 1.052 1.033 1.200 0.457 15 1.021 1.009 1.187 0.406 20 1.001 0.992 1.187 0.377 25 0.991 0.984 1.185 0.358 30 0.978 0.972 1.183 0.345 35 0.970 0.965 1.182 0.336 40 0.964 0.960 1.182 0.328 45 0.960 0.955 1.179 0.322 50 0.993 0.952 1.178 0.317 55 0.953 0.949 1.178 0.313 60 0.950 0.947 1.177 0.310 Hiệu suất lọc 99.9 99.9 99.3 95.8
Màu dịch lọc Không màu Không màu Không màu Màu nhạt J (l/h.bar.m2)
Hình 3.24. Năng suất lọc và độ giảm năng suất lọc của màng nền và
màng đã trùng hợp ghép theo phương pháp nối tiếp
Kết quả so sánh lƣợng polyme đƣợc trùng hợp ghép lên bề mặt màng theo hai phƣơng pháp đƣợc đƣa ra ở Bảng 3.8
Bảng 3.8. So sánh lượng polyme được trùng hợp ghép từ axit maleic lên màng
Thời gian trùng hợp (phút)
Lƣợng polyme ghép lên màng (mg/cm2
) Phƣơng pháp song song Phƣơng pháp nối tiếp
1 2.88 1.97
2 3.79 2.43
3 4.70 3.87
5 5.68 4.77
Kết quả so sánh cho thấy, trong cùng điều kiện trùng hợp, lƣợng polyme trùng hợp ghép lên màng bằng phƣơng pháp song song lớn hơn so với lƣợng polyme trùng hợp ghép bằng phƣơng pháp nối tiếp. Điều đó chứng tỏ tốc độ trùng
hợp ghép bằng phƣơng pháp song song lớn hơn tốc độ trùng hợp trong phƣơng pháp nối tiếp.
Kết quả so sánh lƣợng thuốc nhuộm bị hấp phụ lên màng sau khi lọc dung dịch thuốc nhuộm đƣợc đƣa ra ở Bảng 3.9.
Bảng 3.9. So sánh lượng thuốc nhuộm bị hấp phụ lên màng
Thời gian trùng hợp (phút)
Lƣợng thuốc nhuộm bị hấp phụ lên màng (mg/cm2
) Phƣơng pháp song song Phƣơng pháp nối tiếp
3 0.30 0.53
5 0.23 0.38
Kết quả thực nghiệm cho thấy, trong quá trình lọc lƣợng thuốc nhuộm bị hấp phụ lên màng trùng hợp ghép theo phƣơng pháp song song nhỏ hơn lƣợng thuốc nhuộm bị hấp phụ lên màng trùng hợp ghép theo phƣơng pháp nối tiếp. Sự giảm lƣợng thuốc nhuộm bị hấp phụ lên màng không chỉ làm tăng năng suất lọc mà còn làm cho độ giảm năng suất lọc của màng theo thời gian chậm hơn.
3.3.2.3. Trùng hợp ghép axit acrylic
Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã tiến hành trùng hợp ghép axit acrylic bằng các phƣơng pháp song song và nối tiếp với các điều kiện trùng hợp tƣơng tự nhƣ khi tiến hành trùng hợp ghép với axit maleic, các kết quả thực nghiệm đƣợc so sánh với thí nghiệm trùng hợp ghép axit maleic ở trên.
Với phƣơng pháp trùng hợp song song, kết quả thực nghiệm (Bảng 3.10) cho thấy, năng suất lọc của màng trùng hợp ghép với axit acrylic thấp hơn so với màng