Nghiên cứu khả năng tách loại axit Humic trong nước bằng màng composit biến tính bề mặt

Nội dung text: Nghiên cứu khả năng tách loại axit Humic trong nước bằng màng composit biến tính bề mặt

1. Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học – Tập 20, số 4/2015 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI AXIT HUMIC TRONG NƯỚC BẰNG MÀNG COMPOSIT BIẾN TÍNH BỀ MẶT Đến tòa soạn 4 - 5 - 2015 Ngô Hồng Ánh Thu, Trần Thị Dung, Nguyễn Thị Minh Phương Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội SUMMARY REMOVAL OF HUMIC ACID IN WATER USING MODIFIED COMPOSITE MEMBRANE Humic acid (HA) is a major organic matter in surface water sources. It can cause fouling phenomena during membrane filtration processes for water purification. In this work, the possibility for removal of humic acid in water by modified thin film composite membrane (BW30) was investigated. The modification of membrane surface was performed by UV induced-grafting polymerization technique using poly- ethylene glycol (PEG) for grafting. Membrane surface characteristics were determined through the attenuated total reflection- Fourier transform infrared (FTIR-ATR) spectroscopy and atomic force microscopy (AFM) images, which showed the changes in membrane surface functionality and its morphology after graft polymerization. The experimental results indicated that the humic acid can be removed well by modified composite membrane BW30. The retention of modified membranes grafted with PEG under appropriate conditions is almost maintained meanwhile its flux is higher than that of unmodified one. The antifouling property of modified membranes is also improved with the higher flux maintained ratio and the lower irreversible fouling factors during filtration. Keywords: humic acid, surface grafting, poly-ethylene glycol, thin film composite membrane. 1. MỞ ĐẦU nguồn nước mặt thông thường, và là Trong các quá trình màng, quá trình lọc nguyên nhân chủ yếu gây trở ngại khi làm nano (NF) được sử dụng ngày càng nhiều sạch nước bằng phương pháp lọc màng. để làm sạch nước và xử lý nước ô nhiễm Axit humic gồm các chất hữu cơ có trọng [1]. Axit humic (HA) là một loại chất hữu lượng phân tử thay đổi trong một khoảng cơ tự nhiên (NOM) thường có mặt trong rộng, có thể từ vài nghìn đến vài trăm nghìn 277
2. Dalton, tùy thuộc vào nguồn nước [2]. Axit Màng sau khi trùng hợp được rửa sạch humic có khả năng tạo thành lớp cặn bám nhiều lần bằng nước cất và ngâm trong trên bề mặt màng trong quá trình lọc, gây ra nước cho đến khi sử dụng Thí nghiệm đánh hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling) nếu giá tính năng tách của màng được thực hiện như màng không được làm sạch thường trên thiết bị thử màng (Membrane Test Cell xuyên. Do màng lọc nano có kích thước lỗ Osmonic, Mỹ) với dung dịch tách là axit trong phạm vi cận nano (near-nanometer) humic (Wako), nồng độ 50 ppm. Độ lưu hay dưới nano (subnanometer), nên các giữ axit humic được xác định bởi công thức phân tử axit humic có khuynh hướng tích R = [(C0 –C)/C0].100 (%), với C0 và C là lũy trên bề mặt màng, hình thành lớp cặn hàm lượng axit humic trong dung dịch bám có chiều dày tăng dần theo thời gian trước và sau khi lọc qua màng, được xác tách lọc. Để khắc phục hạn chế này, việc định bằng phương pháp TOC (tổng cacbon phát triển vật liệu màng lọc có mức độ hữu cơ) và phương pháp UV (đo độ hấp thụ fouling thấp được xem là giải pháp tốt [3- quang tại bước sóng 254 nm) [10]. Năng 8]. Khi đưa các nhóm chức ưa nước hay các suất lọc (J) hay độ thấm nước (Jw) được xác nhóm chức mang điện tích lên bề mặt định bởi công thức J(w) = V/(S.t.P) màng, khả năng chống fouling của màng có (L/m2.h.bar), với V (L) là thể tích dịch lọc thể được nâng lên với sự giảm lượng axit hay thể tích nước tinh khiết thu được trong humic bị hấp phụ lên bề mặt màng trong khoảng thời gian t (h) ở áp suất P (bar) qua quá trình lọc. Trong số các phương pháp diện tích bề mặt màng S (m2). Mức độ duy biến tính bề mặt màng, phương pháp trùng trì năng suất lọc theo thời gian (FM, %) hợp ghép quang hóa nhằm thay đổi tính được xác định bằng công thức [FM = chất bề mặt màng siêu lọc đã được nghiên (Jt/Jo).100] với Jt và Jo là năng suất lọc của cứu khá nhiều. Tuy nhiên, các kết quả màng tại thời điểm t và thời điểm bắt đầu nghiên cứu biến tính bề mặt màng lọc nano quá trình lọc. Hệ số fouling bất thuận bằng kỹ thuật này cho đến nay vẫn còn khá nghịch (FRw, %) được xác định bằng công ít ỏi [9]. thức FRw = [(Jwo - Jw)/Jw0] .100 (%), Bài báo này trình bày một số kết quả trong đó Jw0 và Jw là lưu lượng nước tinh nghiên cứu khả năng loại bỏ axit humic khiết (L/m2.h.bar) qua màng trước và sau trong nước bằng phương pháp lọc màng, sử khi lọc axit humic. Cấu trúc hình thái bề dụng màng compozit biến tính bề mặt bằng mặt màng được quan sát qua ảnh chụp hiển kỹ thuật trùng hợp ghép quang hóa với poly vi lực nguyên tử (AFM, PicoScan 2500, etylen glycol dưới bức xạ UV. Agilent). Phổ hồng ngoại phản xạ cho thấy 2. THỰC NGHIỆM sự thay đổi hóa học bề mặt màng, được đo Màng composite BW30 (Filmtech, Dow) trên thiết bị FTIR Affinity-1S của được kích thích bức xạ tử ngoại bề mặt, sau Shimadzu, độ phân giải 4 cm-1. đó tiến hành trùng hợp ghép với poly etylen 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN glycol (PEG, Mw 600, 99 %, Wako) bằng 3.1. Đặc trưng bề mặt màng trùng hợp ghép phương pháp ngâm chìm màng trong dung Kết quả chụp hiển vi lực nguyên tử (Hình dịch PEG dưới bức xạ UV (300 nm, 60W, 1) cho thấy cấu trúc hình thái bề mặt màng khoảng cách 20 cm) với các điều kiện nồng thay đổi sau khi được trùng hợp ghép với độ PEG và thời gian trùng hợp xác định. PEG dưới bức xạ UV. Độ thô nhám của bề 278
3. mặt màng trùng hợp ghép giảm rõ rệt so với Kết quả đo phổ hồng ngoại phản xạ (Hình màng ban đầu (bảng 1). Độ thô nhám và 2) cho thấy sự thay đổi hóa học trên bề mặt cấu trúc lồi lõm trên bề mặt màng giảm sẽ màng sau khi trùng hợp ghép PEG. Có thể làm giảm bởt sự tích lũy các cấu tử trên bề nhận thấy sự tăng cường độ các pic hấp thụ, mặt màng trong quá trình lọc. Mặt khác, tương ứng với các tín hiệu hấp thụ đặc lớp polyme trùng hợp ghép PEG hình thành trưng của PEG, gồm các nhóm OH (3000- trên bề mặt màng có tính ưa nước và trung 3500 cm-1), nhóm C-H (2850-3000 cm-1), hòa điện tích, cũng có tác dụng ngăn cản sự nhóm C-O (1000-1300 cm-1). Sự có mặt hấp phụ của axit humic lên bề mặt màng và của các nhóm chức này có thể làm tăng tính do đó, làm giảm hiện tượng fouling (tắc chất ưa nước của bề mặt cũng như khả năng màng) trong quá trình lọc. chống tắc nghẽn cho màng sau khi biến tính bề mặt. Hình 1. Ảnh chụp AFM của màng chưa biến tính (trái) và màng biến tính với PEG (phải) Bảng 1. Độ thô nhám bề mặt màng Màng Ra (nm) Rms (nm) Màng ban đầu 253 305 Màng ghép với PEG 67 79 Hình 2. Phổ hồng ngoại phản xạ của màng ban đầu (a) và màng trùng hợp ghép PEG (b) 279
4. 3.2. Tính năng tách lọc axit humic của và màng trùng hợp ghép đưa ra ở Hình 5 màng cho thấy, các màng trùng hợp ghép đều có Kết quả thực nghiệm ở Hình 3 cho thấy, mức độ duy trì năng suất lọc cao hơn so với tính thấm nước và năng suất lọc của màng màng nền, điều đó có nghĩa là khả năng sau khi trùng hợp ghép đều cao hơn màng chống tắc của màng sau khi trùng hợp ghép ban đầu (~ 14 %), là do bề mặt màng đã trở bề mặt tốt hơn so với màng ban đầu. Ví dụ, nên ưa nước hơn. Mặt khác, kết quả thực sau 60 phút lọc, năng suất lọc của màng nghiệm ở Hình 4 cho thấy độ lưu giữ axit không trùng hợp ghép bề mặt giảm còn humic xác định bằng các phép đo UV và khoảng 84 %, trong khi năng suất lọc của TOC của các màng sau khi trùng hợp ghép màng trùng hợp ghép với 30 g/L PEG trong bề mặt đều có xu hướng tăng (từ 93 % lên 10 phút dưới bức xạ UV vẫn được duy trì 98 % với phép đo UV và từ 63.1% lên đến 97 % so với lúc đầu. Thêm vào đó, khi 73.4% với phép đo TOC) so với màng ban xem xét hệ số fouling bất thuận nghịch đầu. Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là bởi FRw (Hình 6) có thể thấy các màng sau khi phép đo UV hay TOC được sử dụng để xác trùng hợp ghép đều có hệ số FRw nhỏ hơn định các thành phần khác nhau trong axit rất nhiều so với màng ban đầu, đặc biệt là humic. Phép đo TOC xác định các thành các màng trùng hợp ghép với dung dịch 30 phần hữu cơ tan trong nước, có khối lượng g/L PEG trong 10 phút và màng trùng hợp phân tử nhỏ, cấu tạo mạch thẳng, trong khi ghép với dung dịch 10 g/L PEG trong 7 phép đo UV dùng để xác định thành phần phút cho các hệ số FRw nhỏ nhất (khoảng các chất hữu cơ có phân tử lượng lớn, cấu 1.2%). trúc phức tạp, khó tan [10]. Kết quả đánh giá mức độ duy trì năng suất lọc theo thời gian lọc của các màng ban đầu Hình 3. Độ thấm nước và năng suất lọc của màng ban đầu và các màng trùng hợp ghép 280
5. Hình 4. Độ lưu giữ axit humic của màng ban đầu và các màng trùng hợp ghép Hình 5. Độ duy trì năng suất lọc theo thời gian của màng ban đầu và các màng trùng hợp ghép Hình 6. Khả năng chống tắc nghẽn của màng ban đầu và các màng trùng hợp ghép 4. KẾT LUẬN ghép quang hóa bề mặt với poly etylen Axit humic trong nước có thể được tách glycol dưới bức xạ UV. Tính năng tách lọc loại tốt bằng phương pháp lọc màng, sử axit humic của màng sau khi biến tính bề dụng màng lọc compozit BW30 trùng hợp mặt được nâng lên với sự tăng đồng thời cả 281
6. năng suất lọc và độ lưu giữ, màng có tính [4] D. Li, H.T Wang, (2010) Recent chống tắc tốt hơn với độ giảm năng suất lọc developments in reverse osmosis chậm hơn và hệ số tắc nghẽn bất thuận desalination membranes, Journal of nghịch thấp hơn so với màng ban đầu. Ảnh Materials Chemistry 20 - 4551-4566 chụp hiển vi lực nguyên tử cho thấy sự thay [5] G. Kang, Y. Cao, (2012) Development đổi về cấu trúc hình thái và độ thô nhám of antifouling reverse osmosis membranes của bề mặt màng do sự hình thành lớp for water treatment: A review, Water ghép. Phổ hồng ngoại phản xạ xác nhận sự research 46-584-600 thay đổi tính chất hóa học bề mặt màng, với [6] S. Belfer, Y. Purinson, R. Fainshtein, Y. sự xuất hiện của các nhóm chức đặc trưng Radchenko, O. Kedem, (1998) Surface cho poly etylen glycol, làm tăng thêm tính modification of commercial composite chất ưa nước cho bề mặt màng sau khi polyamide reverse osmosis membranes, trùng hợp ghép. Journal of Membrane Science 139-175-181 Lời cảm ơn: Nghiên cứu được thực hiện với [7] M. Nystrom, L. Kaipia, S. Luque, sự tài trợ một phần kinh phí từ đề tài NCCB (1995) Fouling and retention of Nafosted, mã số 104.02-2013.42. Tác giả nanofiltration membranes, Journal of cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ một phần kinh Membrane Science 98-249-262 phí từ học bổng của Chính phủ thông qua [8] E.M. Van Wagner, A.C. Sagle, M.M. Đề án 911, Bộ Giáo dục và Đào tạo. Sharma, Y-H La, Benny D.Freeman, (2011) Surface modification of commercial TÀI LIỆU THAM KHẢO polyamide desalination membranes using [1] Jiahui Shao, Juan Hou, Hongchen Song. poly (ethylene glycol) diglycidyl ether to (2011) Comparison of humic acid rejection enhance membrane fouling resistance, and flux decline during filtration with Journal of Membrane Science 367 -273-287 negatively charged and uncharged [9] S.Mondal, S.R.Wickramashinghe. (2012) ultrafiltration membranes. Water research Photo-induced graft polymerization of N- 45 -473-482 isopropyl acrylamide on thin film composite [2] Chuyang Y. Tang, Young-Nam Kwon, membrane: Produced water treatment and James O. Lekie. (2007) Fouling of reverse antifouling properties. Separation and osmosis and nanofiltration membranes by Purification Technology 90 - 231-238 humic acid – Effects of solution [10] J.Lowe, Md.M.Hossain. (2008) composition and hydrodynamic conditions. Application of ultrafiltration membranes Journal of Membrane Science 290 - 86-94. for removal of humic acid from drinking [3] Catherine Jucker, Mark M. Clark. water. Desalination 218-343-354 (1994) Adsorption of aquatic humic substances on hydrophobic ultrafiltration membranes. Journal of Membrane Science 97 -37-52 282