Khảo sát một số điều kiện chế tạo màng vi lọc Compozit hiệu năng cao

16 
KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO MÀNG VI LỌC 
COMPOZIT HIỆU NĂNG CAO 
Đến tòa soạn 5 - 7 - 2013 
Vũ Quỳnh Thƣơng, Bùi Duy Cam, Lê Viết Kim Ba, Trần Thị Dung, 
 Phạm Thị Phƣợng, Ngô Hồng Ánh Thu, Đặng Thị Hƣờng 
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội 
SUMMARY 
INFLUENCE OF PREPARATION CONDITIONS 
OF COMPOSITE ULTRAFILTRATION MEMBRANE 
Composite membrane has been fabricated from cellulose nitrate using cellulose or 
polyeste as a supporting material. The sublayer of membrane is made of cellulose 
nitrate and the toplayer is formed from cellulose nitrate. Influence of preparation 
conditions on characteristics of each layer has been investigated in terms of casting 
characteristics of material, membrane thickness, solution composition and evaporation 
time of solvent. The optimum conditions for each layer have been chosen for 
preparation of composite membrane, which could have a good separation property in 
both flux of filtrate and rejection for yeast in beer solution after fermentation process 
1. GIỚI THIỆU 
Màng lọc là một loại vật liệu dùng để 
tách và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong 
nhiều lĩnh vực ở qui mô công nghiệp nhƣ 
tách nƣớc ngọt từ nƣớc mặn, sản xuất 
nƣớc sạch và siêu sạch, lọc bia rƣợu, 
nƣớc giải khát, sản xuất thuốc tiêm dịch 
truyền và vắc xin vv[1-5]. Hiện nay, 
các loại màng lọc thƣơng mại thƣờng 
đƣợc chế tạo từ vật liệu polyme, sử dụng 
cùng một loại vật liệu hoặc màng 
compozit. So với màng lọc thông thƣờng, 
màng compozit có một số ƣu điểm vƣợt 
trội do cấu trúc đặc biệt của nó, gồm lớp 
đỡ và lớp hoạt động đƣợc làm từ các loại 
vật liệu khác nhau. Bằng cách thay đổi 
các thông số chế tạo, có thể tối ƣu đƣợc 
các tính chất của từng lớp và do đó, làm 
tăng khả năng tách của màng [6-8]. 
Ngoài ra, so với màng lọc thƣờng, màng 
compozit có độ bền cơ học tốt hơn và có 
khả năng tái sử dụng nhiều lần hơn. 
Bài báo này trình bày một số kết quả 
nghiên cứu chế tạo màng lọc compozit từ 
xenlulo nitrat. Ảnh hƣởng của các lớp đỡ 
khác nhau và điều kiện chế tạo đến tính 
Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học – Tập 19, Số 2/2014 
 17 
chất của lớp đỡ, lớp bề mặt của màng 
compozit đƣợc khảo sát và đánh giá qua 
khả năng lọc tách men bia trong dịch bia 
sau quá trình lên men phụ. 
2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
Màng compozit đƣợc làm từ xenlulozo 
nitrat (Trung Quốc, TLPT 120000 dalton, 
98 % và TLPT 20000 dalton 98%) trên 
nền vật liệu xenlulo, polyester-1, 
polyester-2 và cotton. Để chế tạo lớp đỡ, 
hoà tan xenlulozo nitrat và phụ gia trong 
dung môi acetone thu đƣợc dung dịch 
đồng nhất, trải dung dịch thành một lớp 
mỏng trên các vật liệu nền khác nhau với 
chiều dày xác định, sau đó cho bay hơi 
dung môi. Lớp hoạt động đƣợc chế tạo 
bằng cách trải dung dịch xenlulozo nitrat 
và phụ gia trong dung môi axeton lên lớp 
đỡ, sau đó cho bay hơi dung môi, rửa 
sạch màng và sấy khô. Các điều kiện tạo 
màng đƣợc khảo sát bao gồm các thông 
số chế tạo cho lớp đỡ và lớp bề mặt (đặc 
tính vật liệu nền, nồng độ polyme, chiều 
dày lớp dung dịch, thành phần phụ gia 
vv). Tính chất tách của màng đƣợc 
đánh giá qua độ trong của dịch lọc thu 
đƣợc (dịch lọc bia sau quá trình men phụ) 
và năng suất lọc của màng tại áp suất xác 
định. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Chế tạo lớp đỡ 
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ 
xenlulozo nitrat 
 Dung dịch xenlulozo nitrat (Trung Quốc, 
TLPT 20000 dalton 98%, ký hiệu CNH-
20) hòa tan trong dung môi axeton đƣợc 
pha chế với nồng độ của xenlulozo nitrat 
thay đổi từ 2.0% đến 6.5% với tỉ lệ hàm 
lƣợng phụ gia ML-1/ML-2 là 0.03/1. 
Dung dịch đƣợc trải thành lớp mỏng với 
chiều dày 0.3 mm lên nền polyeste - 2 
(vật liệu nền polyester – 2 có chiều dày 
0,4 mm), và cho bay hơi dung môi đến 
khô. Dịch bia sau khi lên men phụ có độ 
đục ban đầu là 280.0 (NTU) đƣợc lọc 
qua màng ở áp suất 0.5 atm. Kết quả thực 
nghiệm đƣợc đƣa ra ở bảng 1 
Bảng 1: Ảnh hưởng của nồng độ xenlulozo nitrat trong dung dịch tạo lớp đỡ 
Nồng độ 
CNH-20 
(%) 
Năng suất lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu giữ 
men bia 
(%) 
Nồng độ 
CNH-20 
(%) 
Năng suất lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu giữ 
men bia 
(%) 
2.0 945.9 21.1 4.5 180.2 61.5 
2.5 845.5 25.2 5.0 125.3 67.3 
3.0 641.7 43.1 5.5 93.5 70.4 
3.5 481.3 54.1 6.0 70.1 73.9 
4.0 269.0 59.0 6.5 60.2 76.2 
18 
Kết quả trong bảng 1 cho thấy, khi tăng 
hàm lƣợng xenlulozo nitrat thì năng suất 
lọc qua màng giảm, độ lƣu giữ tăng. Lớp 
đỡ đƣợc tạo từ dung dịch có nồng độ 
2.0% -2.5% rất mỏng, bề mặt không 
phẳng nên khó tạo lớp bề mặt ở trên; 
dung dịch có nồng độ từ 3.0% - 4.0%, 
lớp đỡ hình thành có bề mặt phẳng và 
đồng đều, thuận lợi cho việc tạo lớp bề 
mặt; dung dịch nồng độ 4.5% đến 6.5% 
có độ nhớt lớn, nên khó khuếch tán đƣợc 
vào trong nền polyester - 2 để hình thành 
lớp đỡ, lớp đỡ bị cong và khó tạo lớp bề 
mặt. Do đó, nồng độ CNH-20 khoảng 
3.5% sẽ đƣợc chọn để chế tạo lớp đỡ. 
Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu chế tạo 
lớp đỡ 
Dung dịch CNH-20 3.5%, tỉ lệ hàm 
lƣợng phụ gia ML-1/ML-2 là 0.03/1. 
Dung dịch đƣợc trải thành lớp mỏng với 
chiều dày 0.3 mm lên các lớp đỡ khác 
nhau (xellulozo, polyester - 1, polyester - 
2, cotton) có chiều dày 0,4 mm và cho 
bay hơi dung môi đến khô. Dịch bia sau 
khi lên men phụ có độ đục ban đầu là 
280.0 (NTU) đƣợc lọc qua màng ở áp 
suất 0.5 atm. Đo năng suất lọc của các 
loại màng lọc ở 2 phút đầu và 2 phút kế 
tiếp. Kết quả thực nghiệm đƣợc đƣa ra ở 
bảng 2. 
Bảng 2. Ảnh hưởng của vật liệu chế tạo lớp đỡ 
Năng suất 
lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu 
giữ 
(%) 
Năng suất 
lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu 
giữ 
(%) 
Năng suất 
lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu 
giữ 
(%) 
Năng suất 
lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu 
giữ 
(%) 
Xenlulozo Polyester - 1 Polyeste - 2 Cotton 
87.7 90.0 337.3 43.4 481.3 54.1 295.5 43.7 
52.63 92.4 325.8 44.4 390.9 58.9 256.4 47.1 
Vai trò của lớp đỡ nhằm làm tăng độ bền 
cơ học mà không cản trở sự vận chuyển 
của dịch lọc qua màng. Do đó, năng suất 
lọc và độ bền cơ học là hai yếu tố chính 
để lựa chọn điều kiện chế tạo lớp đỡ. Kết 
quả ở bảng 2 cho thấy, với cùng nồng độ 
CNH-20 nhƣ nhau thì lớp đỡ là vật liệu 
Polyeste - 2 có năng suất lọc cao hơn. Độ 
giảm năng suất lọc ít hơn và độ lƣu giữ 
khá cao. Do vậy vật liệu polyester - 2 
đƣợc chọn để chế tạo lớp đỡ. 
Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp 
đỡ polyester-2 
Dung dịch CNH-20 3.5%, tỉ lệ phụ gia 
ML-1/ML-2 là 0.03/1. Dung dịch đƣợc 
trải thành lớp mỏng với chiều dày 0.3 
mm trên nền vật liệu polyester -2 với 
chiều dày lớp đỡ 0.2 mm, 0.4 mm, 0.5 
mm và 0.6 mm sau đó cho bay hơi dung 
môi đến khô. Dịch bia sau khi lên men 
phụ có độ đục ban đầu là 280.0 (NTU) 
đƣợc lọc qua màng ở áp suất 0.5 atm. Khi 
tăng chiều dày lớp polyester-2 thì lớp đỡ 
 19 
bền hơn, cứng hơn và độ lƣu giữ tăng 
hơn, tuy nhiên năng suất lọc giảm rõ rệt. 
Chiều dày của lớp polyester - 2 là 0.4mm 
đƣợc chọn để chế tạo lớp đỡ. Kết quả 
thực nghiệm đƣợc đƣa ra ở bảng 3 
Bảng 3: Ảnh hưởng của chiều dày lớp đỡ polyester -2 
Chế tạo lớp bề mặt 
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ 
xenlulozo nitrat 
Dung dịch xenlulozo nitrat CNH-120 
trong dung môi axeton đƣợc pha chế với 
nồng độ thay đổi từ 6.5% đến 10.0%. 
Dung dịch đƣợc trải trên kính chiều dày 
khe thƣớc 0.3 mm và cho bay hơi dung 
môi hoàn toàn, màng đƣợc rửa sạch bằng 
nƣớc cất và sấy khô. Đo năng suất lọc và 
độ đục của dịch bia sau khi lọc qua màng 
(dịch bia ban đầu có độ đục 280.0 NTU), 
quá trình lọc thực hiện ở áp suất 0.5 atm. 
Kết quả thực nghiệm đƣợc đƣa ra ở bảng 
4. 
Bảng 4. Ảnh hưởng của nồng độ CNH-120 trong dung dịch tạo lớp bề mặt 
Nồng độ 
CNH-120 
(%) 
Năng suất 
lọc 
(l.h
-1
.m
-2
) 
Độ lƣu giữ 
men bia 
(%) 
Nồng độ 
CNH-120 
(%) 
Năng suất lọc 
(l.h
-1
.m
-2
) 
Độ lƣu giữ 
men bia(%) 
6.5 - - 8.5 66.1 98.9 
7.0 128.1 78.2 9.0 27.4 99.1 
7.5 83.9 80.6 9.5 5.0 99.4 
8.0 76.8 94.0 10.0 2.6 99.5 
Tăng nồng độ CNH-120 thì năng suất lọc 
giảm và độ lƣu giữ tăng. Khi tăng nồng 
độ lớp bề mặt từ 6.0% - 7.5% nhận thấy 
màng mỏng và dễ rách. Nếu tăng nồng độ 
dung dịch từ 8.0% - 8.5% cho màng đẹp 
và phẳng. Nồng độ dung dịch tăng từ 
9.0% - 10.0% cho màng dày và bị cong. 
Lớp bề mặt chế tạo đƣợc có khả năng lƣu 
giữ nấm men tốt, độ đục của bia giảm 
mạnh. Từ kết quả trên nhận thấy nồng độ 
Chiều dày lớp 
đỡ (mm) 
Năng suất lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu giữ men 
bia (%) 
Đặc điểm lớp đỡ hình thành 
0.2 657.4 38.1 Mỏng, yếu 
0.4 481.3 54.1 Bền, phẳng 
0.5 230.4 69.6 Dày, cứng, màng tạo ra bị cong 
0.6 102.1 77.8 Dày, cứng, màng tạo ra bị cong 
20 
CNH-120 đƣợc chọn để chế tạo lớp hoạt 
động là 8.5%. 
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng phụ 
gia trong dung dịch tạo lớp bề mặt 
 Dung dịch CNH-120 trong dung môi 
axeton nồng độ 8.5% đƣợc cho thêm phụ 
gia ML-1 và ML-2 với các hàm lƣợng 
phụ gia khác nhau. Trải dung dịch trên 
kính phẳng với chiều dày khe thƣớc 
0.3mm và cho bay hơi dung môi trong 25 
phút. Tiến hành quá trình lọc nhƣ trên, 
kết quả thực nghiệm đƣợc trình bày ở 
bảng 5. 
Bảng 5: Ảnh hưởng của tỉ lệ phụ gia ML-1/ML-2 trong dung dịch tạo lớp bề mặt 
Việc cho thêm phụ gia vào dung dịch tạo 
lớp bề mặt làm tăng năng suất lọc và khả 
năng lƣu giữ nấm men của màng. Tuy 
nhiên, hàm lƣợng phụ gia tối đa có thể sử 
dụng khoảng ML-1/ML-2 là 0.02/1 – 
0.04/1, khi tiếp tục tỉ lệ phụ gia ML-
1/ML-2 thì độ lƣu giữ giảm, đến giá trị 
0.07/1 thì dung dịch tạo màng bắt đầu bị 
tách pha. Tỉ lệ phụ gia ML-1/ML-2 phù 
hợp để tạo màng là 0.03/1. Do đó, tỉ lệ 
phụ gia ML-1/ML-2 là 0.03/1 đƣợc chọn 
để chế tạo lớp hoạt động. 
Chế tạo màng compozit 
Từ các kết quả thực nghiệm về lớp đỡ và 
lớp bề mặt ở trên, màng compozit đƣợc 
chế tạo trong điều kiện nhƣ sau: lớp đế 
đƣợc làm từ dung dịch CNH-20 nồng độ 
3.5% với tỉ lệ phụ gia ML-1/ML-2 là 
0.03/1, chiều dày khe thƣớc là 0.3mm. 
Sau khi sấy khô lớp đỡ, trải dung dịch 
lớp bề mặt lên trên, cho bay hơi dung 
môi hoàn toàn, rửa sạch màng bằng nƣớc 
cất và sấy khô. Lớp bề 
mặt đƣợc chế tạo từ dung dịch CNH-120 
nồng độ 8.5% với tỉ lệ phụ gia ML-
1/ML-2 là 0.03/1, chiều dày khe thƣớc 
0.3mm. 
So sánh tính chất lọc của màng composit 
với các lớp đỡ và lớp bề mặt chế tạo 
riêng rẽ 
Trong thí nghiệm này, màng compozit 
đƣợc chế tạo ở các điều kiện nhƣ đã trình 
bày ở trên. Tính chất tách của màng 
compozit hình thành đƣợc so sánh với 
tính chất của các lớp đỡ và lớp bề mặt 
chế tạo riêng rẽ ở cùng điều kiện. Kết quả 
thực nghiệm đƣợc đƣa ra ở bảng 6.
Hàm lƣợng 
ML-1/ML-2 
(%) 
Năng suất lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu 
giữ men 
bia (%) 
Hàm lƣợng 
ML-1/ML-2 
(%) 
Năng suất lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu 
giữ men 
bia (%) 
0.00/1 10.2 87.2 0.04/1 88.5 97.5 
0.01/1 32.6 93.5 0.05/1 93.7 77.5 
0.02/1 45.7 97.0 0.06/1 117.6 50.1 
0.03/1 66.1 98.9 0.07/1 - - 
 21 
Bảng 6. So sánh tính chất lọc của màng composit với lớp đỡ, lớp bề mặt 
Kết quả thực nghiệm cho thấy, màng 
compozit có khả năng lƣu giữ đƣợc nấm 
men tƣơng đƣơng so với lớp bề mặt chế 
tạo riêng, tuy nhiên năng suất lọc của 
màng compozit cao hơn và độ bền cơ học 
tốt hơn nhiều. 
Màng lọc đƣợc chế tạo theo điều kiện 
nhƣ trên, sau đó dùng màng chế tạo đƣợc 
đo năng suất lọc và độ lƣu giữ liên tục cứ 
sau 1 phút lại đo 1 lần. Kết quả thu đƣợc 
nhƣ bảng 7. 
Bảng 7: So sánh độ giảm năng suất lọc và độ lưu giữ men bia của màng chế tạo 
Lớp hoạt động Màng compozit 
Năng suất lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu giữ men bia 
(%) 
Năng suất lọc 
(l.m
-2
.h
-1
) 
Độ lƣu giữ men bia 
(%) 
66.1 98.9 74.0 98.9 
49.1 99.3 69.7 99.2 
32.4 99.6 64.2 99.4 
24.3 99.7 62.1 99.5 
17.5 99.8 60.3 99.6 
11.2 99.8 58.8 99.7 
6.8 99.8 56.2 99.7 
Độ giảm năng suất lọc của màng 
compozit tạo ra từ lớp đỡ và lớp hoạt 
động trên có độ lƣu giữ tƣơng đƣơng so 
với lớp hoạt động riêng lẻ, tuy nhiên 
năng suất lọc của màng compozit lại cao 
hơn và giảm chậm hơn so với lớp hoạt 
động riêng lẻ. 
(a) (b) (c) 
Hình ảnh chụp SEM của lớp đỡ (a), lớp hoạt động bề mặt riêng rẽ (b) và lớp bề mặt của 
màng compozit (c). 
Loại màng Năng suất lọc (l.m-2.h-1) Độ lƣu giữ men bia (%) Đặc điểm của màng 
Lớp đỡ 481.3 54.1 Phẳng, bền 
Lớp bề mặt 66.1 98.9 Mỏng, yếu 
Màng compozit 74.0 98.9 Phẳng, bền 
22 
4.KẾT LUẬN 
Chúng tôi đã chế tạo đƣợc màng 
compozit từ xenlulozo nitrat có khối 
lƣợng phân tử khác nhau (CNH-20 và 
CNH-120) trên nền các vật liệu khác 
nhau, trong đó vật liệu polyester-2 cho 
năng suất lọc cao, màng phẳng, bền đẹp. 
Lớp đỡ chế tạo từ dung dịch xenlulozo 
nitrat CNH-20 nồng độ 3.5% với tỉ lệ phụ 
gia ML-1/ML-2 0.03/1 là thích hợp. Lớp 
bề mặt tạo thành từ dung dịch xenlulozo 
nitrat CNH-120 nồng độ 8.5% với tỉ lệ 
phụ gia ML-1/ML-2 là 0.03/1 và thời 
gian bay hơi dung môi khoảng 25 – 35 
phút cho kết quả tách tốt nhất. Màng 
compozit hình thành từ các lớp đỡ và lớp 
bề mặt chế tạo trong điều kiện nhƣ trên 
có khả năng lƣu giữ đƣợc nấm men tốt, 
có năng suất lọc cao và độ bền cơ học tốt. 
Kết quả kiểm tra vi sinh cho thấy màng 
có khả năng loại bỏ hầu nhƣ toàn bộ 
E.coli và lạc khuẩn trong dịch bia. 
Lời cảm ơn: Tác giả cảm ơn đề tài TN-
12-28 đã giúp tác giả hoàn thành bài báo 
này. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. R. W. Baker, Membrane Technology 
and Applications, John Wiley & Sons, 
Ltd, Chicheste (2004). 
2. A. J. Abrahamse, A. van der Padt, and 
R. M. Boom, Journal of Membrane 
Science, 230, 149-159 (2004). 
3. A. Figoli, G. De Luca, E. Longavita, 
and E. Drioli, Separation Science and 
Technology, 42, 2809-2827 (2007). 
4. S.S. Madaeni, “The application of 
membrane technology for water 
disinfection”, Review paper, Wat. Res., 
33 (2), 301-308 (1999). 
5. M. Ulbricht and H. H. Schwarz, 
Journal of Membrane Science, 136, 25-
33 (1997). 
6. B. H. Jeong, E. M. V. Hoek, Y. Yan, 
A. Subramani, X. Huang, G. Hurwitz, A. 
K. Ghosh, and A. Jawor, Journal of 
Membrane Science, 294, 1-7 (2007). 
7. M. Ulbricht, Polymer, 47, 2217-2262 
(2006). 
8. M. Muder, Basic Principles of 
Membrane Technology, Kluwer 
Academic Publisher, Dordrecht (1998).