CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.2. Phương pháp ngâm kết tủa ngâm khô/ướt
4.2.2. Ảnh hưởng của quá trình khô
Với hàm lượng PSf là 22%, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của quá trình bay hơi dung môi THF trong không khí lên cấu trúc màng lọc khí hình thành bằng phương pháp đảo pha kết tủa ngâm khô/ướt.
Hình 4.25: Đồ thị liên hệ giữa hệ số α - áp suất (a), lưu lượng - áp suất (b), hệ số α - lưu lượng (c) của các mẫu: K.22.10T.O+30, K.22.10T.T+30, K.22.10T.Đ+30,
K.22.10T.Đ+120
Màng K.22.10T.O+30 với hệ số chọn lọc α = 1 tại các áp suất khảo sát và lưu lượng cao (hình 4.25). Màng không có khả năng chọn lọc có thể là do cấu trúc lỗ xốp quá lớn và không hình thành nên lớp đặc mỏng phía trên.
Trong khi đó, màng hình thành khi cho bay hơi THF đến khi màng đục sau đó để ổn định thì hệ số chọn lọc đã được cải thiện. Màng K.22.10T.Đ+30 đã cho thấy khả năng chọn lọc nhưng không cao. Đặc biệt, khi thời gian ổn định tăng lên đến 120 giây đã thể hiện khả năng chọn lọc khá tốt với hệ số α = 1.11 ở áp suất 0.25 MPa và lưu lượng đi qua màng 0.1520 ml/s.
Theo như đồ thị hình 4.25, màng có hệ số chọn lọc cao nhất α =1.26 với lưu lượng 0.1067 ml/s tại áp suất 0.05 MPa được hình thành với giai đoạn khô cho bay hơi cưỡng bức đến đục sau đó ổn định thêm 30 giây. Như vậy, khả năng chọn lọc của màng thay đổi khi có sự thay đổi phương pháp cũng như thời gian bay hơi dung môi.
Hình 4.26: Hình SEM mặt cắt ngang x500 của các mẫu: K.22.10T.T+30 (a), K.22.10T.O+30 (b), K.22.10T.Đ+30 (c), K.22.10T.Đ+120 (d)
Sự thay đổi khả năng chọn lọc chịu sự ảnh hưởng của sự thay đổi cấu trúc màng rất lớn, các hình ảnh chụp SEM cho thấy sự thay đổi cấu trúc của màng hình rất lớn khi thay đổi quá trình cho THF bay hơi trước khi ngâm vào nước.
Với màng khi ngâm trực tiếp vào nước sau khi cho bay hơi THF 30 giây cho thấy, màng hình thành cấu trúc với sự xuất hiện của rất nhiều lỗ macrovoid, hình dạng thon dài dọc theo chiều dày màng (hình 4.26). Cấu trúc lỗ macrovoid cho thấy, khi thời gian bay hơi 30 giây lớp trên hình thành không có tác dụng trì hoãn sự tách pha. Trong suốt quá trình tách pha, nước khuếch tán nhanh qua lớp bề mặt gây ra sự chênh lệch ứng suất có trong dung dịch đúc hình thành nên các lỗ macrvoid. Sự xâm nhập của nước càng nhanh và mạnh thì cấu trúc lỗ macrvoid càng nhiều và kéo dài xuống bề mặt lớp dưới của màng.
Khi để cho THF bay hơi tự nhiên đến khi bề mặt chuyển đục hoặc dùng hơi cưỡng bức để màng chuyển đục rồi mới ngâm vào nước cho thấy, các lỗ macrovoid đã không còn xuất hiện trong cấu trúc lớp dưới. Màng chuyển đục là do lớp trên hình thành khi THF bay hơi để lại bề mặt màng với tỷ lệ PSf lớn. Nồng độ polyme tăng lên nên quá trình kết tủa tại lớp bề mặt là quá trình gel hóa sẽ hình thành cấu trúc đặc và không có lỗ xốp. Lớp đặc hình thành sẽ hạn chế tốc độ trao đổi của nước và các dòng dung môi đi qua lớp trên giúp quá trình tách pha diễn ra từ từ trong quá trình ngâm.
Với màng khi để ổn định 120 giây sau khi màng đục, có hiện tượng NMP trích ra phủ lên trên bề mặt màng. NMP đi ra khỏi dung dịch đúc sẽ làm tăng nồng độ PSf có trong dung dịch đúc. Do đó, cấu trúc mẫu K.22.10T.Đ+120 hình thành tương tự như với cấu trúc màng hình thành với nồng độ PSf tăng lên ở 26%.
Dựa vào kết quả hình SEM bề mặt cho thấy, phương pháp để bay hơi dung môi ảnh hưởng rất nhiều đến cấu trúc lớp trên. Lớp trên của màng khi cho bay hơi tự nhiên sẽ hình thành từ từ (lớp trên đục khi thời gian bay hơi tự nhiên khoảng 4÷5 phút). Trong quá trình bay hơi THF, dung môi NMP cũng khuếch tán đi ra bề mặt màng. Sự khuyết tán NMP và bay hơi THF sẽ làm bề mặt có thành phần thay đổi liên tục nên sẽ hình thành nên những nhiều vị trí có hàm lượng PSf khác nhau. Do đó, màng sau khi ngâm sẽ hình thành nên khuyết tật bề mặt tại lớp trên.
Hình 4.27: Hình SEM mặt cắt ngang x2.00k của các mẫu: K.22.10T.T+30 (a), K.22.10T.O+30 (b), K.22.10T.Đ+30 (c), K.22.10T.Đ+120 (d)
Hình 4.28: Hình SEM bề mặt lớp trên x500 của các mẫu: K.22.10T.T+30 (a), K.22.10T.Đ+120 (b)
Khi tăng thời gian ổn định sau khi màng chuyển đục, NMP tiếp tục tiết ra làm tăng nồng độ PSf ở lớp bề mặt cũng như lớp dưới sẽ làm giảm đi các vị trí có hàm lượng PSf thấp từ đó sẽ hạn chế sự hình thành các pha nghèo polyme xuất hiện trên bề
mặt lớp trên. So sánh kết quả chụp SEM của hình 4.28-b và hình 4.23-a cho thấy, thời gian ổn định sau khi màng đục tăng lên 120 giây thì có khả năng hạn chế được các khuyết tật có trên bề mặt lớp trên so với màng 30 giây.
Trái lại, lớp trên hình thành khi cho bay hơi cưỡng bức sẽ chuyển đục trong thời gian rất ngắn (20÷30 giây) với nồng độ polyme sẽ tăng lên rất nhanh và đều trên khắp bề mặt dung dịch đúc. Do đó, khi ngâm màng vào trong bể đông kết thì sự đảo pha sẽ xảy ra mà không có các trung tâm pha nghèo polyme xuất hiện trê bề mặt lớp dung dịch đúc nên không hình thành khuyết tật bề mặt màng (hình 4.28-a).
Hình 4.29: Hình SEM mặt cắt ngang x25.0k các mẫu: K.22.10T.T+30 (a), K.22.10T.Đ+30 (b), K.22.10T.Đ+120 (c)
Qua ảnh SEM chụp bề dày lớp trên của màng K.22.10T.Đ+30 và K.22.10T.Đ+120 cho thấy, thời gian ổn định tăng lên thì bề dày lớp trên tăng lên rất nhiều. Trong khi đó, màng K.22.10T.T+30 có cấu trúc lớp dưới với mật độ lỗ xốp khá cao và bề dày lớp trờn khoảng 0.24 àm khỏ mỏng đó cho kết quả hệ số chọn lọc khỏ lớn và lưu lượng qua màng cũng khá cao. Với mục tiêu nâng cao hệ số chọn lọc, phương pháp bay hơi cưỡng bức sẽ được lựa chọn để hình thành màng lọc khí có cấu trúc bất đối xứng với lớp trên không có khuyết tật bề mặt.