Tiểu luận Ứng dụng kỹ thuật màng trong xử lý nước và nước thải kỹ thuật chế tạo màng vô cơ

Để có đượcmàng không có khuyết tật, các lớp trên cùng mỏng trên hệ thống đỡ phải đáp ứng các yêucầu nghiêm ngặt hơn so với các yêu cầu được sử dụng trong sản xuất vật liệu ống xốp có sẵn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TIỂU LUẬN HỌC PHẦN EV5121 – ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÀNG TRONG XỬ LÝ

NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÀNG VÔ CƠ

Gảng viên hướng dẫn: PGS TS Đặng Xuân Hiển

Bộ môn: Công nghệ Môi trường

Viện: Khoa học và công nghệ Môi trường

HÀ NỘI, 07/2023

MỤC LỤC

1 Nguyên tắc thiết kế các loại màng 31.1 Cấu tạo các loại màng 31.2 Hệ thống hỗ trợ 8

2 Quy trình đúc màng gốm 112.1 Phương pháp đúc trượt _112.2 Phương pháp đúc băng _122.3 Phương pháp ép 132.4 Phương pháp đẩy _152.5 Phương pháp đúc lạnh _162.6 So sánh các phương pháp chế tạo màng gốm 18

3 Quy trình sol – gel _19

4 Kết quả với các vật liệu chế tạo màng khác nhau 234.1 Màng alumina 234.2 Màng zirconia 254.3 Màng titania _264.4 Màng silica 284.5 Màng kết hợp 29

5 Kết luận 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

1 Nguyên tắc thiết kế các loại màng

1.1 Cấu tạo các loại màng

Trong phần này sẽ giới thiệu ngắn về quá trình tổng hợp màng vô cơ bằng kỹ thuậtsol – gel và đúc, màng gốm, màng thủy tinh, màng đặc và màng rãnh khắc Các thuật ngữnhư đối xứng và không đối xứng, cũng như các vật liệu vi xốp, trung xốp và vĩ mô sẽ đượcgiới thiệu Các màng đối xứng là các hệ thống có cấu trúc đồng nhất trong suốt màng Các

ví dụ có thể được tìm thấy trong màng thủy tinh mao quản hoặc màng alumin được anodehóa Màng không đối xứng có sự thay đổi cấu trúc dần dần trong toàn bộ màng Trong hầuhết các trường hợp, đây là những màng tổng hợp bao gồm một số lớp với kích thước lỗ giảmdần về phía nạp của màng Ví dụ như gốm alumina được tổng hợp bằng kỹ thuật sol-gelhoặc màng carbon/zirconia Đường kính lỗ rỗng lớn hơn 50 nm được gọi là lỗ lớn, lỗ trung bình có đường kính từ 2 đến 50 nm và dưới đường kính 2 nm thì hệ thống được gọi là lỗ mao quản nhỏ (Sing và đồng sự 1985)

Hình 1: Sơ đồ biểu diễn các loại cấu trúc lỗ và màng chính A và B: lỗ đồng nhất không được hỗ trợ; lỗ thẳng, C: lỗ không đối xứng được hỗ trợ, liên kết với nhau, D: ảnh chụp

màng loại (c) (Hỗ trợ SCT+ γ -Al2O3 lớp trên cùng UT Twente)

1.1.1 Màng gốm bất đối xứng

Về cơ bản, màng gốm có cấu trúc bất đối xứng bao gồm 3 lớp (Hình 2) Lớp ngoàicùng bao gồm các lỗ có kích thước lớn hình đóng vai trò hỗ trợ và đảm bảo độ bền cơ học.Lớp thứ hai nằm bên trong đảm bảo quá trình tách Ở giữa hai lớp này là một lớp trung gianđóng vai trò liên kết

Hình 2: Sơ đồ của màng composite: (A) lớp trên cùng, (B) lớp trung gian và (C) lớp

chứa lỗ xốp.

Hiện nay, việc sử dụng quá trình tách màng trong công nghiệp đang ngày càng trởnên quan trọng, do hiệu suất tách cao trong nhiều trường hợp khác nhau như xử lý nước thảicông nghiệp, lọc khí, công nghiệp thực phẩm và các ứng dụng khác trong môi trường Việcnghiên cứu các công nghệ màng mới sẽ cho phép gia tăng hiệu suất đồng thời giảm chi phíđầu tư và vận hành

Trong quá trình sản xuất màng gốm, các thành phần chủ yếu bao gồm alumina (Al2

O3), zirconia (ZrO2), titania (TiO2), silicon carbide (SiC), thủy tinh (SiO2) và các vật liệukhông phải oxide khác (carbide, nitride, boride và silicide) cùng với một số loại khoáng(kaolin, muliite, dolomite…) Màng gốm có tính bền nhiệt, chịu được nhiệt độ lên đến vàitrăm độ F và chịu pH tốt

Thực tế, việc giảm chi phí đầu tư và vận hành màng gốm vẫn là một thách thức doloại màng này được chế tạo từ các vật liệu có giá thành cao như cordierite, titania, zirconia

và silicon carbide Gần đây, để giảm các loại chi phí trên các nhà nghiên cứu đã tập trung

vào việc sử dụng các vật liệu thay thế giá rẻ như đất sét tự nhiên, bột apatide, dolomite,kaolin, bauxite và tro bay than khoáng Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu còn tiến hành sửdụng các chất tạo lỗ như bột nhôm, mùn cưa, tinh bột, carbon hoặc các hạt hữu cơ.

Màng gốm được ứng dụng rộng rãi nhất ở quy mô công nghiệp do có ưu điểm chống

vi khuẩn và chống mài mòn so với các loại màng hữu cơ Hơn nữa, màng gốm còn có khảnăng duy trì thông lượng dòng vào và thông lượng dòng thấm theo thời gian

1.1.2 Màng thủy tinh

Màng thủy tinh với cấu trúc mao quản gồm các xốp rỗng liên kết với nhau có thểđược chuẩn bị bằng cách tách nhiệt hỗn hợp đồng nhất Na2O – B2O3 – SiO2 từ pha thủy tinhthành hai pha khác nhau Pha giàu Na2O – B2O3 được rửa trôi bằng axit để tạo thành pha vi

lỗ giàu (Hsieh 1988) Một số màng mao quản kim loại được chế tạo bằng cách tương tự vớiviệc sử dụng axit mạnh hoặc các chất rửa trôi khác nhau Tuy nhiên, phần thủy tinh silic cònlại vẫn chưa có khả năng chống hóa chất tốt Nhược điểm này được khắc phục bằng cách xử

lý bề mặt bằng các tác nhân hóa học cho các cấu trúc lỗ giúp bề mặt có khả năng kị nước(Schnabel và Vaulont 1978) Ưu điểm của màng thủy tinh là các sợ rỗng có thể hình thành

dễ dàng và sau đó có thể tinh chỉnh theo cách trên để thành màng mao quản sợi rỗng

1.1.3 Màng anode

Mao quản với trạng thái tuyến tính được chỉ ra trong Hình 1 được sản xuất bởi quátrình oxy hóa anode (Smith 1974) Ở đây, một mặt của lá nhôm mỏng có độ tinh khiết caođược oxy hóa anode trong chất điện phân axit Một mô hình mao quản đồng nhất được hìnhthành Kích thước lỗ rỗng được xác định bởi điện áp sử dụng và loại axit, hình dạng lỗ rỗngluôn luôn là hình nón Quá trình này phải được dừng lại trước khi giấy bạc bị oxy hóa hoàntoàn và để tránh ăn mòn bằng axit mạnh Cấu trúc thu được có các lỗ hình nón đặc biệtvuông góc với bề mặt vĩ mô của màng Các màng thu được không ổn định khi tiếp xúc lâuvới nước Độ ổn định có thể được cải thiện bằng cách xử lý trong nước nóng hoặc trong chấtnền Cách xử lý như vậy cũng có thể được sử dụng để giảm kích thước lỗ ở một bên củamàng, và kết quả là có thể tạo ra một màng không đối xứng Nhược điểm của phương phápnày là chỉ có các màng không được hỗ trợ mới có thể được sản xuất ở dạng lá màng Để có

đủ độ ổn định cơ học, chúng phải được hỗ trợ theo một cách nào đó cho hầu hết các ứngdụng

1.1.4 Màng đặc

Một loại màng thứ hai được mô tả là màng đặc Chúng có thể bao gồm các tấm kimloại mỏng (Pd và hợp kim của nó, Ag và một số hợp kim) hoặc oxit (zirconia ổn định hoặcoxit bismuth, cerate) Các màng này có thể thấm qua các dạng nguyên tử (đối với kim loại)hoặc dạng ion (đối với oxit) của hydro hoặc oxy và đặc biệt đã được nghiên cứu về khả năng kết hợp với các phản ứng hóa học như khử hydro (oxy hóa), oxy hóa một phần… trong các

lò phản ứng màng Hạn chế chính của loại màng này là tính thấm thấp Điều này có thể đượccải thiện bằng cách tạo ra các lớp rất mỏng (micromet đến nanomet), ví dụ như bằng cáchlắng đọng trong một hệ thống lỗ rỗng

Dạng màng đặc thứ hai được gọi là màng cố định chất lỏng (LIM) Tại đây, các lỗcủa màng được lấp đầy hoàn toàn bằng chất lỏng có khả năng thẩm thấu đối với một số hợpchất Trong lĩnh vực polymer, nguyên tắc này đã được nghiên cứu rộng rãi Còn trong các

nỗ lực nghiên cứu lĩnh vực màng vô cơ, nguyên tắc này chỉ mới bắt đầu được áp dụng Vớimuối nóng chảy được kết hợp trong một nền xốp, người ta có thể đạt được tính thấm đối vớioxy hoặc amoniac tương đương với tính thấm của vật liệu xốp (Pez 1986, Dunbobbin vàBrown 1987) Các thông số quan trọng là khả năng thấm ướt của ma trận bởi chất lỏng vàhình thái của hệ thống lỗ rỗng vì những thông số này xác định mức độ mà chất lỏng đượcgiữ (cố định) trong hệ thống màng

1.1.5 Màng Track – Etch

Các lỗ xốp có hình dạng tuyến tính, rất đều đặn có thể được tạo ra bằng phương pháprãnh - khắc (Quinn và đồng sự 1972) Tại đây, một lớp vật liệu mỏng bị bắn phá bằng cáchạt năng lượng cao từ nguồn phóng xạ Rãnh do các hạt năng lượng để lại trong vật liệunhạy cảm hơn nhiều với một vết khắc theo hướng của trục rãnh hơn là vuông góc với nó Vìvậy, quá trình khắc vật liệu tạo ra các lỗ thẳng có hình dạng và kích thước đồng nhất vớiđường kính lỗ nằm trong khoảng từ 6 nm đến 1200 nm Để tránh sự chồng chéo của các lỗrỗng, chỉ 2 - 5% diện tích bề mặt có thể chiếm bởi các lỗ rỗng Quá trình này đã được ápdụng trên polyme (ví dụ: màng Nuclepore) và trên một số hệ thống vô cơ như mica Cácmàng thu được rất hấp dẫn như các hệ thống mô hình cho các nghiên cứu cơ bản

Hình 2:(a) Màng Track Etch, (b) Quy trình sản xuất màng Track Etch

và chất làm dẻo hoặc bằng cách đúc trượt (Messing, Fuller và Housner 1988) Sau khi đốtcháy các vật liệu hữu cơ được gọi là compact xanh trong quá trình thiêu kết Để có đượcmàng không có khuyết tật, các lớp trên cùng mỏng trên hệ thống đỡ phải đáp ứng các yêucầu nghiêm ngặt hơn so với các yêu cầu được sử dụng trong sản xuất vật liệu ống xốp có sẵntrên thị trường Phân bố kích thước lỗ rỗng và độ nhám phải nhỏ hơn bình thường Các cách

để có được những đặc điểm này phần lớn được phân loại với thực tế không có thông tinđược công bố Một số khía cạnh đã được thảo luận bởi Vuren và đồng sự (1987) vàTerpstra, Bonekamp và Veringa (1988) Điều quan trọng là phải có được sự phân bố kích

thước lỗ hẹp Do đó, huyền phù hoặc bột nhão được điều chế từ bột có phân bố kích thướchạt hẹp Điều này ngụ ý khả năng kiểm soát rất tốt trạng thái kết tụ của vật liệu bằng cách xử

lý khử kết tụ (ví dụ: xay xát, siêu âm) và/hoặc loại bỏ phần có đường kính lớn nhất, ví dụnhư bằng cách lắng đọng Các chất hoạt động bề mặt hữu cơ đôi khi được thêm vào đểchống lại quá trình keo tụ của huyền phù khử kết tụ Các cách để có được những đặc điểmnày phần lớn được phân loại với thực tế không có thông tin được công bố Một số khía cạnh

đã được thảo luận bởi Vuren và đồng sự (1987) và Terpstra, Bonekamp và Veringa (1988).Điều quan trọng là phải có được sự phân bố kích thước lỗ hẹp Do đó, huyền phù hoặc bộtnhão được điều chế từ bột có phân bố kích thước hạt hẹp Điều này ngụ ý kiểm soát rất tốttrạng thái kết tụ của vật liệu bằng cách xử lý khử kết tụ (ví dụ: xay xát, siêu âm hóa) và/hoặcloại bỏ phần có đường kính lớn nhất, ví dụ như bằng lắng đọng Các chất hoạt động bề mặthữu cơ đôi khi được thêm vào để chống lại quá trình keo tụ của huyền phù khử kết tụ Cáccách để có được những đặc điểm này phần lớn được phân loại với thực tế không có thông tinđược công bố Một số khía cạnh đã được thảo luận bởi Vuren và đồng sự (1987) vàTerpstra, Bonekamp và Veringa (1988) Điều quan trọng là phải có được sự phân bố kíchthước lỗ hẹp Điều quan trọng là phải có được sự phân bố kích thước lỗ hẹp Do đó, huyềnphù hoặc bột nhão được điều chế từ bột có phân bố kích thước hạt hẹp Điều này ngụ ý kiểmsoát rất tốt trạng thái kết tụ của vật liệu bằng cách xử lý khử kết tụ (ví dụ: xay xát, siêu âmhóa) và/hoặc loại bỏ phần có đường kính lớn nhất, ví dụ như bằng lắng đọng

Chất lượng của vật liệu hỗ trợ đặc biệt quan trọng nếu sự hình thành của lớp trêncùng chủ yếu được xác định bởi tác động mao dẫn trên vật liệu hỗ trợ Sau đó, bên cạnh sựphân bố kích thước lỗ hẹp, khả năng thấm ướt của hệ thống hỗ trợ đóng một vai trò Một ví

dụ về tổng hợp màng siêu lọc và hỗ trợ hai lớp được đưa ra trong Bằng sáng chế 1463636của Pháp (Auriol và Tritten, 1973) Trong nhiều trường hợp, một lớp trung gian có kíchthước và độ dày lỗ rỗng nằm giữa các lỗ của lớp đỡ chính và lớp trên cùng (Hình) được sửdụng Lớp trung gian này có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng của hệ thống hỗ trợ.Nếu áp suất mao dẫn lớn được sử dụng để tạo thành lớp trung gian như vậy, thì các khuyếttật (lỗ kim) trong giá đỡ sẽ được chuyển sang lớp này Điều này có thể tránh được bằng cáchgiảm áp suất mao dẫn tác dụng hoặc thậm chí bằng cách loại bỏ chúng

Trong một phương pháp khác, các lỗ xốp của chất hỗ trợ được làm cho chất lỏnghuyền phù của lớp phủ không thể thấm ướt Điều này có thể thu được bằng cách hình thành

bề mặt lỗ xốp kỵ nước trên giá đỡ trong trường hợp huyền phù lớp phủ chứa nước Bề mặt

hỗ trợ được xử lý, ví dụ bằng silan hữu cơ phản ứng với các nhóm hydroxyl bề mặt như

được mô tả bởi Messing (1978) Một bề mặt như vậy đồng thời cải thiện các đặc tính để táchhỗn hợp khí phân cực hoặc không phân cực hoặc chất lỏng kỵ nước và ưa nước Nhượcđiểm của hoạt động mao dẫn giảm trong quá trình hình thành là độ bám dính của chất hỗ trợ

và lớp đó bị giảm đi Độ bám dính cũng như loại bỏ sự hình thành khuyết tật có thể được cảithiện bằng độ nhám nhỏ hơn của vật liệu hỗ trợ Gillot (1987) báo cáo độ nhám phải nhỏhơn 10% đường kính hạt trung bình của kích thước hạt của vật liệu hỗ trợ Điều này ngụ ýmột lần nữa rằng sự phân bố kích thước hạt của chất hỗ trợ phải được thu hẹp để có được độnhám được xác định rõ cục bộ Gillot sử dụng nguyên tắc này để tạo ra một hệ thống màng

ba lớp cải tiến, với các hạt 0,55 μm ở lớp trên cùng và sử dụng polyvinylalcohol để kiểmsoát độ nhớt và chất hoạt động bề mặt Darvan C để tránh keo tụ Kích thước lỗ trung bìnhcủa lớp trên cùng thu được là 0,26 μm và độ nhám nhỏ được báo cáo Để thu được kíchthước lỗ nhỏ hơn như đã chỉ ra ở trên, cần phải sử dụng bột và huyền phù hạt (siêu mịn)trong quá trình tổng hợp lớp trên cùng Điều này là hiển nhiên bởi vì trong các hệ thốngđược đóng gói tốt của các hạt đồng nhất, bán kính lỗ rỗng trung bình là tối thiểu (khoảng 0,4 – 0,7 bán kính trung bình của hạt), tùy thuộc vào cấu trúc đóng gói Điều này có nghĩa làcần có huyền phù (dạng keo) có đường kính hạt từ 5 nm – 100 nm Những điều này có thểthu được theo những cách khác nhau được mô tả trong các thủ tục kỷ yếu đại hội và hội nghịchuyên đề gần đây (Hench và Ulrich 1984, 1986, Brinker, Clark và Ulrich 1984, 1988).Con đường được sử dụng phổ biến nhất để tổng hợp màng với các phương pháp đóng gói làquá trình đúc trượt sử dụng huyền phù thu được bằng quá trình sol – gel

2 Quy trình đúc màng gốm

Quy trình chi tiết chế tạo màng gốm có thể được tiến hành trong 3 bước: bước đầubao gồm quá trình hình thành hạt ngưng kết, bước thứ hai là quá trình tạo hình các hạt thànhhình dạng màng sơ bộ theo theo hình thái yêu cầu và bước cuối cùng là gia nhiệt cho màng

sơ bộ Chất nền thu được có thể được sửa đổi bằng phương pháp lắng đọng lớp điều chỉnh

độ chọn lọc của màng và các đặc tính khác của màng

Các giá đỡ màng gốm có thể được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau tùythuộc vào yêu cầu của ứng dụng, cấu trúc màng mong muốn và các vật liệu cụ thể Các quytrình sản xuất phổ biến nhất là đúc trượt, đúc băng, ép, đẩy và đúc đông lạnh

2.1 Phương pháp đúc trượt

Đúc trượt là một kỹ thuật đơn giản và kinh tế đôi khi được sử dụng để chuẩn bị mànggốm cao cấp Phương pháp này đã được sử dụng từ lâu trong ngành gốm truyền thống.Phương pháp này có ưu điểm là tạo hình dạng hình học phức tạp và cũng đạt được tính đồngnhất vật liệu tốt

Thật vậy, hạt huyền phù được trộn đều và sau đó đổ vào khuôn xốp, để dung môi cóthể khuếch tán qua các lỗ xốp nhờ hoạt động mao dẫn dẫn động, tạo thành một lớp bánh dokết tủa hạt trên bề mặt bên trong của khuôn, sau đó là bước hợp nhất nhanh của lớp hạt đểtránh sự xâm nhập của hạt qua khuôn (Hình 5) Phương pháp này đã được áp dụng để chuẩn

bị màng gốm từ các vật liệu giá rẻ khác nhau, chẳng hạn như cao lanh và tro bay Nói chung,màng gốm được chuẩn bị bằng cách đúc trượt được biết đến với đặc tính thẩm thấu cao, dẫnđến sự hiện diện của kích thước lỗ nhỏ hơn trên vùng mỏng hơn Jedidi và đồng sự đã báocáo việc sử dụng phương pháp đúc trượt để phát triển màng gốm hình ống xốp dựa trên trothan khoáng Màng thu được có bề mặt đồng nhất không có bất kỳ khuyết tật vĩ mô nào khigia nhiệt ở 800˚C, có đường kính lỗ rỗng trung bình khoảng 0,25 μm và độ thấm thủy lựckhoảng 475 L/(h m2 bar) Màng thu được được ứng dụng trong xử lý thuốc nhuộm từ nướcthải sinh ra từ bể giặt trong ngành dệt may

Hình 5: Nguyên lý phương pháp đúc trượt chế tạo màng gốm

2.2 Phương pháp đúc băng

Phương pháp đúc băng là một kỹ thuật chế tạo được sử dụng rộng rãi trong sản xuấtcác tấm gốm mỏng và mịn Kỹ thuật này được giới thiệu bởi Glen N Howwatt vào giữanhững năm 1940 trong Chiến tranh thế giới thứ hai để sản xuất vật liệu áp điện mỏng, đãđược biết đến từ lâu trong việc sản xuất màng gốm Kỹ thuật này liên quan đến việc đổhuyền phù bột vào một bể chứa, từ đó đi qua một con dao đúc có thể điều chỉnh để kiểm soát

độ dày của lớp đúc, được xác định bởi khoảng cách giữa lưỡi dao và vật mang chuyển động.Sau đó, băng gốm thu được đi qua khu vực sấy khô, nơi diễn ra quá trình bay hơi dung môikhỏi bề mặt màng (Hình 6)

Phương pháp này đã được một số nghiên cứu áp dụng để chế tạo màng gốm Nandi

và đồng sự đã chế tạo các đĩa tròn có đường kính 52,5 mm và độ dày 4,5 mm từ cao lanh vàcác vật liệu chi phí thấp phù hợp khác như thạch anh, canxi cacbonat, natri cacbonat, natrimetasilicate và axit boric Sau khi thiêu kết ở 1000˚C, màng gốm thu được có đặc tính tốtvới kích thước lỗ rỗng, độ xốp và độ bền uốn trung bình lần lượt là 810 nm, 33% và 8 MPa.Ngoài ra, Jana và đồng sự đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp đất sét và cao lanh để chế tạomàng gốm giá thành thấp bằng phương pháp đúc băng, các đĩa gốm thu được được thiêu kếttại 1000˚C đã thể hiện hiệu suất tốt, với kích thước lỗ rỗng trung bình, độ xốp, mật độ lỗrỗng và độ bền uốn lần lượt là 0,31 μm; 22%; 4,8/1012 m2 và 12,81 MPa Das và đồng sựcũng đã tổng hợp được màng alumina bằng phương pháp đúc băng, với kích thước lỗ rỗng

và độ xốp lần lượt từ 0,1 đến 0,7 μm và 25 – 55% Màng thu được đã được chứng minh làphù hợp để loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn khỏi nước

Hình 6: Nguyên tắc đúc băng

2.3 Phương pháp ép

Phương pháp ép là một phương pháp nổi tiếng được sử dụng chủ yếu để chế tạomàng gốm cho nghiên cứu cơ bản Phương pháp này thường dựa trên việc ép bột khô bằngmáy ép Thật vậy, sau khi trộn bột đồng nhất (nguyên liệu thô với tác nhân tạo lỗ xốp theo tỷlệ), sản phẩm thu được được ép một chiều (Hình 7), nghĩa là, nó chịu lực bằng cách đục lỗvào khuôn có thành cố định để thu được màng mong muốn hỗ trợ hình dạng Quá trình nàycho phép tốc độ sản xuất rất cao Để hợp nhất, giá đỡ màng phẳng thu được phải trải qua quátrình xử lý nhiệt, thường ở nhiệt độ thiêu kết của vật liệu đã sử dụng

Nói chung, màng gốm được sản xuất bằng phương pháp ép có các đặc tính rõ ràng,chẳng hạn như độ xốp đồng nhất và tính chất vật lý đồng nhất trên toàn bộ phần màng DelColle và cộng sự đã áp dụng phương pháp này để sản xuất màng gốm xốp và hỗ trợ hình ốngdựa trên zirconia Các màng xốp vi lọc (MF) có kích thước lỗ trung bình là 1,8 μm, trongkhi màng siêu lọc (UF) có kích thước lỗ trung bình là 0,01 – 0,03 μm ở lớp trên cùng và 1,8

μm ở lớp đỡ Các màng gốm thu được được dùng để khử nhũ tương huyền phù trong hỗnhợp nước dầu Hristov và đồng sự cũng đã chuẩn bị hỗ trợ màng gốm chi phí thấp bằng cách

ép bán khô bột zeolite tự nhiên Các đĩa có đường kính 30 mm và độ dày 4 mm được hìnhthành sau khi nung ở các nhiệt độ khác nhau (từ 800 đến 1000˚C) có độ xốp cao (38%) vàphân bố lỗ rỗng rất đồng đều Trong một nghiên cứu khác, Huang và đồng sự đã giới thiệu

phương pháp ép ở 25 MPa để sản xuất màng gốm chi phí thấp dựa trên cao lanh Tương tựnhư vậy, Issaoui và đồng sự đã sử dụng phương pháp ép khô ở 66 MPa để sản xuất mànggốm phẳng từ cao lanh và chất hỗ trợ màng gốm kim loại từ bột cao lanh nhôm.

Hình 7: Nguyên tắc phương pháp ép

Hình 8: Sơ đồ tóm tắt quá trình điều chế màng gốm bằng phương pháp ép

2.4 Phương pháp đẩy

Đẩy cũng là một phương pháp thông thường để sản xuất màng gốm, được sử dụngrộng rãi để chế tạo cấu hình ống xốp Trong phương pháp này, chất làm dẻo và chất kết dính

là cần thiết để sản xuất bột gốm có các đặc tính lưu biến (độ dẻo, độ cứng sau khi sấy…) và

có thể tạo hình bằng phương pháp ép đẩy Phương pháp tạo hình của hỗn hợp bột phụ thuộcvào hình dạng của lớp màng hỗ trợ cuối cùng Đó là một quá trình biến dạng dẻo liên tục,trong đó bột nhão được ép bằng một máy ép pít tông tương đối đơn giản để có thể chảy qua

lỗ khuôn có diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn, quy định hình dạng, phân bố kích thước lỗ xốp

và độ xốp của sản phẩm cuối cùng (Hình 9) Màng gốm thô được làm khô (ở nhiệt độphòng) và sau đó được xử lý trong điều kiện nhiệt độ cao, thường ở tốc độ tăng tốc thấp đểtránh hình thành các vết nứt trên lớp gốm, cho đến khi đạt được nhiệt độ thiêu kết của vậtliệu được sử dụng Quá trình ép đẩy đã được sử dụng phổ biến để chuẩn bị các màng gốmkhác nhau bằng các vật liệu rẻ tiền Jedidi và đồng sự đã chế tạo giá đỡ gốm hình ống chi phí

thấp cho màng bằng cách đẩy bột tro bay Các mẫu thu được thiêu kết ở 1125˚C cho thấy bềmặt đồng nhất không có khuyết tật lớn, với đường kính lỗ mao quản trung bình và thể tích lỗrỗng lần lượt là 4,5 μm và 51% Elmoudden và đồng sự cũng đã sản xuất màng gốm hìnhống xốp từ đất sét nung bằng phương pháp ép đẩy Các màng thiêu kết ở 1130˚C có đườngkính lỗ trung bình là 9 μm và độ xốp là 38%.

Cũng trong các nghiên cứu khác, Boudaira và đồng sự đã xây dựng các giá đỡ gốmhình ống cho hỗn hợp cao lanh và canxit bằng phương pháp ép đẩy Những chất hỗ trợ nàyđược thiêu kết ở 1150˚C với bề mặt đồng nhất và các đặc điểm thú vị (kích thước lỗ trungbình khoảng 4 μm, tỷ lệ độ xốp khoảng 50,5% và độ bền kéo ≈ 28 MPa) đã được chọn làmchất nền cho các lớp màng được sử dụng trong MF

Cũng trong cùng một khuôn khổ, gần đây Issaoui và đồng sự đã sản xuất các hỗ trợ

vĩ mô hình ống chi phí thấp cho màng gốm bằng phương pháp ép đẩy Sau khi thiêu kết ở1250˚C, độ thấm nước đo được là khoảng 612 L/(h m2 bar) đối với các mẫu được chế tạo từhỗn hợp bột chứa 80% trọng lượng cao lanh và 20% trọng lượng tinh bột

Hình 9: Nguyên tắc phương pháp đẩy

2.5 Phương pháp đúc lạnh

Phương pháp đúc đông lạnh còn được gọi là tạo khuôn băng được coi là một trongnhững kỹ thuật mới và hấp dẫn để chuẩn bị các cấu trúc màng gốm có độ xốp cao được tổchức theo thứ bậc Trong phương pháp này, bùn gốm thường được đông lạnh ở đáy và sau

đó là sự thăng hoa của dung môi đông lạnh dưới nhiệt độ và áp suất giảm Sau đó, theo một

mô hình lặp đi lặp lại, quá trình đông đặc của bùn gốm dẫn đến sự phát triển của các tinh thểdung môi thẳng đứng dọc theo hướng đông lạnh và sự loại bỏ liên quan giữa các hạt gốmgiữa các tinh thể này (Hình 10)

Kết thúc các bước này, màng thô xốp thu được cho thấy một thiếu sót chính nằm ởtính chất cơ học thấp của chúng Để khắc phục khuyết điểm này, cần phải xử lý nhiệt ở vùnglân cận với nhiệt độ thiêu kết của vật liệu được sử dụng, trong đó cấu trúc xốp thu được sự

cố kết và thành của nó được làm đặc Kỹ thuật này cho phép quá trình chế tạo màng gốm cóthể được sử dụng trong các ứng dụng rất hứa hẹn như tạo ra năng lượng

Một công việc thú vị đã được thực hiện bởi Liu và cộng sự Họ đã sử dụng kỹ thuậtđúc đông lạnh để sản xuất màng UF alumina xốp với hiệu suất tốt để tách thuốc nhuộmanion Sau khi nung ở 1150˚C, màng đông lạnh phức tạp tạo ra cấu trúc xốp khoảng 33 nm

và độ bền uốn 36,5 MPa Ngoài ra, màng thể hiện tỷ lệ loại bỏ cao 99,6% đối với các dungdịch Direct Red 80 với thông lượng thấm (PF) khoảng 6,39.10-5 m3/m2.s ở áp suất 2 bar

Một nghiên cứu khác giới thiệu phương pháp đúc đông lạnh được thực hiện bởi Liu

và đồng sự Họ đã chế tạo các giá đỡ màng mullite xốp hình ống, với các lỗ xốp thẳng hàngmột chiều Kết quả cho thấy các đặc tính của màng gốm hỗ trợ có thể được điều chỉnh bằngcách kiểm soát nhiệt độ đóng băng, kích thước hạt bột mullite và tải trọng chất rắn Các chất

hỗ trợ mullite xốp hình ống có kích thước kênh lỗ rỗng là 6,5 μm, độ xốp 59,66% và cường

độ nén 54,11 MPa thu được khi nhiệt độ đóng băng, kích thước hạt trung bình và tải trọngchất rắn lần lượt là –100˚C; 2,8 μm và 35% thể tích