6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.7.1. Phương pháp đảo pha ứng dụng chế tạo màng bất đối xứng
Việc lựa chọn kỹ thuật chế tạo màng phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu polymer và cấu trúc mong muốn của màng. Có nhiều phương pháp chế tạo màng khác nhau
như dung kết nhiệt (singtering), kéo dãn (stretching), ăn mòn theo vết (track- etching), đảo pha (phase inversion), sol-gel, kết tụ hơi (vapor deposition) và nhúng phủ. Trong đó, phương pháp đảo pha được xem là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất và linh hoạt nhất được sử dụng để điều chế tất cả các loại hình thái của màng polymer (cả hai loại màng đối xứng và bất đối xứng) phụ thuộc đáng kể vào sự kết tủa trong nước (non-solvent) [26], [190].
Đảo pha là một kỹ thuật trong đó polymer được chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn có kiểm soát. Quá trình hóa rắn thường được bắt đầu bằng sự chuyển biến từ một trạng thái lỏng thành hai trạng thái lỏng (phân lớp lỏng-lỏng). Tại một thời điểm nào đó của quá trình phân lớp, một trong các pha lỏng (pha nồng độ polymer cao) sẽ hóa rắn để tạo thành màng. Trong quy trình đảo pha, dung dịch polymer đồng nhất được chuyển thành màng bằng cách kiểm soát giai đoạn bắt đầu chuyển pha có thể khống chế được cấu dạng của màng tạo thành. Nói chung, đảo pha có thể được kích hoạt bằng một số phương pháp dẫn đến các kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như bay hơi dung môi, kết tủa bằng bay hơi có kiểm soát, kết tủa từ pha hơi hoặc tách pha hơi (VIPS), kết tủa nhiệt hoặc tách pha nhiệt (TIPS), và kết tủa ngâm hoặc tách pha không dung môi (NIPS) [158]. Tất cả các quá trình đảo pha đều nằm trên cùng một nguyên tắc nhiệt động lực học, bắt đầu từ một dung dịch ổn định nhiệt động lực học, sau đó là quá trình khử. Phương pháp NIPS (còn được gọi là đông tụ chìm hoặc phương pháp Loeb-Sourirajan) cho đến nay là phương pháp linh hoạt nhất và được sử dụng rộng rãi để tạo ra các cấu trúc bất đối xứng trong các tấm phẳng và màng sợi tiêu chuẩn công nghiệp. NIPS được coi là lợi thế và được áp dụng rộng rãi do tính đơn giản của quá trình xử lý và hiệu suất cao của sản phẩm màng mang lại. Phương pháp NIPS yêu cầu ít nhất ba hợp chất: polymer để xác định tính chất màng, dung môi để hòa tan polymer và không dung môi (non-solvent) để kiểm soát hiện tượng đảo pha [238]. Trong kỹ thuật này, dung dịch polymer đồng nhất bao gồm polymer và dung môi tương ứng được đúc trên một tấm phẳng trong môi trường không khí trên đế đỡ trong thời gian ngắn, sau đó ngâm vào môi trường đông tụ không dung môi để đuổi hết dung môi từ dung dịch tạo màng. Sự đông tụ xảy ra
do sự hòa trộn thấp giữa polymer và không dung môi, và khả năng hòa trộn cao giữa dung môi và không dung môi, tạo nên dòng khuếch tán. Các cấu trúc màng cơ bản thu được từ sự chuyển khối và phương pháp tách pha [191]. Màng hình thành có cấu trúc bất đối xứng bao gồm một lớp mỏng ở trên và một lớp xốp ở dưới.
Tương đối khó khi xác định các dung môi hòa tan polymer ở nhiệt độ môi trường để sử dụng trong các quy trình NIPS. Vì các polymer được sử dụng trong chế tạo màng thường có tính kháng hóa chất cao nên thường dùng các dung môi hữu cơ mạnh để hòa tan chúng. Các dung môi như vậy thường được phân loại là hóa chất độc hại đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái. Khi các quy định môi trường trở nên nghiêm ngặt hơn trên toàn thế giới, việc sử dụng các dung môi ít độc hơn là một yêu cầu cho công nghệ màng phát triển bền vững. Việc sử dụng DMF và DMAc cho sản xuất quy mô lớn sẽ sớm bị cấm ở châu Âu và NMP (N-methylpyrrolidone) nằm trong danh sách theo dõi [113], [200], [238]. DMSO là một ứng cử viên sáng giá để thay thế các dung môi độc hại do nhiệt độ sôi cao (189 ºC ở 760 mmHg) và áp suất hơi rất thấp (0,6 mmHg ở 25 ° C) [149], [255]. Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), dung môi này được phân loại là không độc hại và không có nguy cơ đối với sức khỏe con người [56]. DMSO có thể hòa tan nhiều loại polymer, bao gồm cả nhựa epoxy ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, DMSO có thể trộn lẫn với tất cả các dung môi thông thường như chất có vòng thơm, các ketone, acetate và nó cũng hoàn toàn có thể trộn lẫn trong nước nên rất phù hợp chọn làm dung môi chế tạo màng theo phương pháp đảo pha kết tủa không dung môi. Đặc biệt, dung môi này thường được người sử dụng tái chế, hạn chế việc xả thải. DMSO có trong một số nước thải công nghiệp và dễ dàng phân hủy sinh học, phân hủy tạo các sản phẩm không độc hại [71]. Như vậy, DMSO là một dung môi xanh, thân thiện với môi trường. Hơn nữa nó có điểm nóng chảy là 18,5 °C nên sự kết tinh của DMSO có thể ảnh hưởng tích cực đến sự đảo pha trong quá trình NIPS ở nhiệt độ thấp. Trong quá trình di chuyển, các phân tử DMSO được kết tinh theo hướng để tạo thành các tinh thể cột vuông góc với bề mặt màng. Sau khi loại bỏ các tinh thể dung môi, lỗ xốp nhỏ và độ xốp cao (80-90%) được hình thành trong màng thu được.
Phương pháp đảo pha thường được sử dụng để tạo màng UF [195], [247] và màng RO [83], [221]. Thông qua việc điều chỉnh các loại/hàm lượng phụ gia và nồng độ polymer, kích thước lỗ xốp và sự phân bố kích thước của màng có thể được điều chỉnh cho các yêu cầu tách cụ thể. Việc pha trộn các chất độn nano với chất nền polymer mang lại khả năng chế tạo màng composite có thể tách kim loại nặng hoặc tạo màng NF áp suất thấp (loose NF). Tính ưu việt của phương pháp này nằm ở việc tích hợp các tính năng của sợi/hạt nano, dễ chế tạo và quan trọng nhất là nó sẽ không làm thay đổi đáng kể cấu trúc màng, do đó bảo toàn được hiệu suất tách của màng composite [233], [287]. Việc kết hợp các vật liệu nano MnO2, Ag/MnO2 vào ma trận polymer thông qua pha trộn vật lý sử dụng phương pháp khuấy là cách thực hiện đơn giản nhất để tạo màng composite. Thông thường, các màng hỗn hợp chứa vật liệu nano như vậy được cấu tạo bằng cách phân tán các hạt/sợi nano hoặc hình thành các hạt nano (in-situ) trong dung dịch polymer, sau đó là đảo pha hoặc bay hơi dung môi. Điểm thiết yếu cho quá trình pha trộn này là tăng cường sự phân tán đồng nhất của các bộ lọc nano lai vô cơ/hữu cơ/hữu cơ-vô cơ cũng như tăng cường ái lực giữa sợi/hạt nano-polymer [281].
Gần đây, Zhang và các cộng sự đã thiết kế một loạt các màng NF áp suất thấp lai hữu cơ-vô cơ được pha trộn với các bộ lọc nano biến tính ưa nước (ống nano halloysite [245], graphene oxide [282], hydrotalcite nanoheets [240], montmorillonite [281],...) thông qua đảo pha NIPS. Các màng composite pha trộn như vậy có hiệu quả xử lý cao hơn nhờ tính ưa nước cao, cấu trúc ít đặc khít hơn và điện tích có thể kiểm soát của bề mặt màng. Do sự pha trộn giữa màng với vật liệu nano có thể gây ra các khuyết tật bề mặt làm ảnh hưởng đến việc lưu giữ các chất hữu cơ ở một mức độ nào đó nên cần nỗ lực cải thiện cấu trúc bề mặt để đảm bảo loại bỏ chất tan tốt hơn.