Như đã đề cập đến ở trên, khi đặt yêu cầu về dòng đi qua là lớn nhất có thể, lớp hoạt động của màng phải là rất mỏng và nó quyết định năng suất của màng. Điều này đúng với màng hữu cơ và các màng vô cơ.
Các màng mỏng như vậy, ngày nay chế tạo được là những màng không cân đối bao gồm một lớp hoạt động rất mỏng, dựa trên một chất mang xốp, hoàn toàn như không ảnh hưởng gì đến quá trình phân riêng. Các màng không cân đối có thể là các màng đồng nhất và các màng có cấu trúc phức hợp.
Màng đồng nhất được chế tạo bằng phương pháp đảo pha, tức là kết tủa polymer từ một dung dịch polymer đồng nhất, trong đó lớp hoạt động và lớp cấu trúc phía dưới là cùng một chất liệu polymer, khác nhau chỉ là cấu trúc xốp và kích thước mao quản. Sự chuyển hợp giữa 2 phần cấu trúc đó gần như là liên tục.
Ở các màng không cân đối phức hợp, người ta mang lên một cấu trúc xốp tế vi một lớp polymer rất mỏng có thể. Các màng phức hợp này cho phép khả năng phân riêng thích hợp của lớp hoạt động và lớp chất mang xốp nhằm đạt được mục đích tăng độ chọn lọc và mật độ dòng.
Các màng này có thể là màng xốp, hay là màng dày đặc. Ngày nay bên cạnh các màng truyền thống đó đã chế tạo được những màng mới chẳng hạn như màng phức hợp nhiều lớp hay là màng polymer có độn các chất vô cơ… sau đây trình bày vắn tắt về chế tạo 1 loại màng.
Trang 30
a/ Kỹ thuật chế tạo màng đảo pha:
Vào những năm đầu của thập niên 60 thế kỷ XX lần đầu tiên đã chế tạo được [8] màng đảo pha không cân đối để tiến hành quá trình thẩm thấu ngược. Màng khuyếch tán hòa tan không cân đối có mật độ dòng đi qua cao gấp 50-100 lần so với màng cân đối và từ đó đã mở ra triển vọng sản xuất nước uống từ nước biển. Công nghệ này cũng bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1960.[16]
Vật liệu truyền thống để chế tạo màng đảo pha là:
* Celluloseacetat (chẳng hạn Cellulose -2- Acetat, - 3- Acetat và - 2- 5- Diacetat) * Polyamid
Quá trình tạo màng đảo pha phải có một hệ thống 03 cấu tử sau: Polymer - dung môi - chất trợ lắng và quá trình hình thành màng phải theo sơ đồ sau đây:
1. Chế tạo một dung dịch Polymer đồng nhất với độ nhớt thích hợp. 2. Kéo dung dịch Polymer thành một màng mỏng
3. Bốc hơi 1 phần dung môi 4. Kết tủa Polymer
5. Xử lý nhiệt
Dung dịch polymer đồng nhất trước hết phải được “ Trải” (bằng tay hoặc bằng máy) lên một tấm phẳng (chẳng hạn trên đĩa thủy tinh) thành một lớp mỏng 0,2 0,5mm, sau đó cho bay hơi một phần dung môi khỏi màng tạo thành. Đối với màng Cellulose Acetat với dung môi là Aceton thì quá trình bay hơi dung môi tiến hành ở nhiệt độ
Trang 31
thường. Trường hợp chế tạo các màng khác với dung môi có nhiệt độ sôi cao hơn chẳng hạn Trimetyl Acetamid, quá trình bốc hơi phải tiến hành trong tủ sấy ở nhiệt độ 60-120oC với sự tuần hoàn không khí rất mạnh. Quá trình bốc hơi dung môi sẽ làm giàu polymer trên lớp bề mặt của dung dịch. Bước tiếp theo là kết tủa polymer.
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thiết bị sản xuất liên tục màng đảo pha
1. Dung dịch polymer 2. Tấm cán
3. Thoát hơi, khí 4. bốc hơi dung môi
5. khí điều nhiệt
6. Bể trao đổi dung môi 7. Màng đi xử lý tiếp
Bên cạnh các màng dày đặc đã kể ở trên, bằng quá trình đảo pha còn chế tạo được các màng có lớp hoạt động xốp, trong đó không tiến hành công đoạn bốc hơi sơ bộ và công đoạn xử lý nhiệt. Hình 2.9 cho thấy một màng lọc xốp được chế tạo như vậy.
Hình 2.9: Ảnh của một số màng xốp
Các loại màng được sản xuất bằng phương pháp công nghệ đảo pha cho đến nay vẫn còn chiếm một thị phần rất lớn, mặc dù chúng có những nhược điểm không
Trang 32
thể khắc phục, chẳng hạn các màng Cellulose Acetat có các đặc trưng lọc tuyệt vời nhưng lại bị thủy phân và bị vi sinh vật phá hủy và cũng chỉ có thể sử dụng được trong vùng nhiệt độ thấp và phải bảo quản ở trạng thái ướt.
Các loại vật liệu bền hơn có thể dùng để chế tạo màng bằng phương pháp công nghệ đảo pha chẳng hạn như các Polyamid thơm, lại có độ thấm (Permeability) với nước không cao và chỉ có thể dùng khi hàm lượng Clore trong môi trường dưới 1ppm. Bên cạnh tính ổn định về hóa học thì độ thấm nước (Water Permeability) của các màng đảo pha cũng giảm khi độ chênh áp suất cao, điều này cũng có thể là do độ ổn định về cơ học của màng không cao.
b/ Chế tạo các màng hữu cơ Composite:
Sự phát triển tiếp theo của các màng đảo pha không cân đối là các màng Composites, trong đó, lớp hoạt động và lớp chất mang (cũng gọi là lớp tựa) xốp được chế tạo bằng các vật liệu khác nhau. Như vậy các màng Composite sẽ có một bậc tự do cao hơn so với các màng đảo pha, vì ở đây, lớp hoạt động và lớp tựa(lớp mang) được phân lập nhau một cách hợp lý về các đặc trưng cần thiết. Hình 2.10 cho thấy cấu trúc của một màng Composites, hình ảnh này trước hết cho thấy sự phân chia màng không cân đối thành 2 lớp, trong thực tế cũng có thể phân biệt ra đến 5 lớp.
Lớp tựa (mang) xốp được phân thành 3 lớp xốp, để khi trên mặt áp lực ma sát không cao vẫn có thể đảm bảo được chắc chắn một lớp hoạt động chỉ dày 30nm. Lớp bảo vệ nằm trên lớp hoạt động “ Siêu mỏng” để bảo vệ màng khỏi những tác động có hại và cũng đảm bảo có thể rửa màng trong quá trình làm việc.
Trang 33
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc một màng composite không cân đối dùng trong công nghệ thẩm thấu ngược (a: Polyamid, b:Cellulose Acetat)
Cũng không phải tất cả các màng Composites trên thương trường đều đã có lớp bảo vệ bằng sợi… để đảm bảo tính ổn định cơ học của màng như đã trình bày ở hình 2.10.
Bảng 2.2: Các phương pháp quan trọng nhất để chế tạo màng Composites
Chế tạo màng composites
- Chế tạo một lớp hoạt động và trải lên lớp tựa (mang)
- (ngày nay không dùng màng Cellulose Acetat nữa). Phương pháp in-situ (phương pháp hợp lý nhất)
- Nhúng một lớp tựa (mang) vào một dung dịch Polymer (hoặc phun dung dịch lên lớp chất mang (tựa), sấy khô (đại diện điển hình là các màng trên cơ sở Polyvinyl Acetat PVA).
- Tiến hành phản ứng trùng hợp ngay trên lớp bề mặt
- Polymer hóa (trừng hợp) Plasma (chẳng hạn có màng thấm tách hơi trùng hợp Plasma)