CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.2. Phương pháp ngâm kết tủa ngâm khô/ướt
4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ Polysulfone
Polysuflone là vật liệu cấu thành nên cấu trúc khung của màng và có vai trò quyết định đến khả năng chọn lọc thông qua sự thẩm thấu khác nhau với các thành phần có trong dòng khí đi qua màng. Do đó, nồng độ của PSf có trong dung dịch đúc thay đổi sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến cấu trúc của màng lọc cũng như khả năng làm giàu khí oxy.
Các nồng độ PSf được khảo sát ở các giá trị sử dụng là: 18%, 22%, 26% để đánh giá tính năng của màng lọc khí hình thành.
Dựa vào kết quả chụp SEM hình 4.18 cho thấy, mẫu K.18.10T.Đ+30 có cấu trúc rỗng khá cao, kích thước của lỗ xốp lớn và các lỗ xốp thông nhau. Khi tăng dần hàm lượng PSf, cấu trúc màng của K.22.10T.Đ+30 và K.26.10T.Đ+30 có sự mật độ lỗ xốp tăng lên và kích thước lỗ giảm xuống phân bố dày đặc trong toàn bộ lớp dưới của màng.
Hình 4.18: Hình SEM mặt cắt ngang x500 của các mẫu: K.18.10T.Đ+30 (a), K.22.10T.Đ+30 (b), K.26.10T.Đ+30 (c)
Dựa vào giản đồ 3 cấu tử hình 4.19 cho thấy khi nồng độ polyme càng tăng thì đường đi biểu diễn quá trình hình thành màng sẽ dịch chuyển càng gần vào vùng quá trình gel một pha. Khi đó, điểm D dịch về càng gần đỉnh Polyme của giản đồ ba pha sẽ hình thành màng với tỉ lệ của pha giàu polyme tăng lên (đoạn DL tăng lên) và pha nghèo polyme giảm xuống (đoạn DS giảm xuống).
Pha nghèo polyme giảm xuống, màng hình thành sẽ có cấu trúc dày đặc hơn.
Đặc biệt, các tỷ lệ cấu tử giữa dung môi và polyme tại điểm tiếp giáp giữa vùng một pha và vùng gel đi về phía vùng gel, nếu đường đi của quá trình hình thành màng không đi qua vùng không bền nhiệt động sẽ hình thành cấu trúc màng đặc không có lỗ xốp.
Hình 4.19: Giản đồ ba pha thể hiện sự thay đổi thành phần trong quá trình ngâm
Hình 4.20: Hình SEM mặt cắt ngang x2.00k của các mẫu: K.18.10T.Đ+30 (a), K.22.10T.Đ+30 (b), K.26.10T.Đ+30 (c)
Quan sát kết quả hình SEM mặt cắt ngang của màng ở hình 4.20 với độ phóng đại x2.00k cho thấy, kích thước của các lỗ xốp có trong màng K.22.10T.Đ+30 và K.26.10T.Đ+30 thay đổi không đáng kể. Tuy nhiên, hình 4.21 với ảnh SEM ở độ phóng đại x5.00k cho thấy khi nồng độ PSf trong dung dịch đúc là 26% cấu trúc lỗ xốp hình thành có bề dày thành lỗ xốp tăng lên và các lỗ xốp thông nhau rất ít. Bề dày thành các lỗ xốp tăng lên và các lỗ xốp càng kín thì sẽ gây ra trở lực lớn lên dòng khí khuếch tán đi qua màng.
Hình 4.21: Hình SEM mặt cắt ngang x5.00k của các mẫu: K.22.10T.Đ+30 (a), K.26.10T.Đ+30 (b)
Các mẫu màng hình thành được khảo sát khả năng chọn lọc bằng hệ thống hấp thụ khí oxy. Mẫu K.18.10T.Đ+30 có hệ số chọn lọc bằng 1 ở mọi áp suất và lưu lượng qua màng lớn hơn rất nhiều 2 mẫu còn lại (hình 4.22). Kết quả trên cho thấy, cấu trúc màng hình thành khi nồng độ dung dịch đúc là 18% có độ xốp quá cao, kích thước lỗ quá lớn đã không đáp ứng được yêu cầu chọn lọc khí oxy.
Hình 4.22: 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.18.10T.Đ+30, K.22.10T.Đ+30, K.26.10T.Đ+30
Khi cấu trúc lỗ xốp dày đặc hơn, màng K.22.10T.Đ+30 đã thể hiện khả năng chọn lọc với hệ số α = 1.16 tại áp suất 0.025 MPa với lưu lượng 0.1152 ml/s. Cũng tại áp suất là 0.025 MPa, màng K.26.10T.Đ+30 có kết quả lưu lượng thấp nhất 0.0891 ml/s với hệ số α cũng chỉ bằng với mẫu hình thành với dung dịch đúc chứa 22% PSf. Cấu trúc lỗ xốp ở lớp dưới đặc hơn đã làm giảm lưu lượng, nhưng hệ số chọn lọc của màng lại không tăng. Điều này có thể là do lớp trên của màng xuất hiện các khuyết tật bề mặt.
Quan sát bề mặt của mẫu K.22.10T.Đ+30 cho thấy, lớp trên màng xuất hiện khuyết tật bề mặt khá nhiều (hình 4.23-a). Khi nồng độ polyme có trong dung dịch đúc tăng lên, với mẫu màng có 26% PSf trong dung đúc thì các khuyết tật bề mặt giảm đáng kể. Các khuyết tật bề mặt này tạo thành trong quá trình đảo pha là do sự xuất hiện các pha nghèo polyme ở lớp trên của màng, khi tăng hàm lượng PSf có trong dung dịch đúc số lượng các mầm pha polyme nghèo xuất hiện trên bề mặt màng giảm đi đáng kể.
Hình 4.23: Hình SEM bề mặt x500 và x5.00k của mẫu: K.22.10T.Đ+30 (a-c), K.26.10T.Đ+30 (b-d)
Tuy nhiên, kết quả ảnh SEM hình 4.24 cho thấy, các mẫu có bề dày lớp trên rất mỏng và khụng khỏc nhau nhiều khoảng 0.25 àm. Từ đú cho thấy, hàm lượng PSf ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc lớp dưới nhưng không thể hiện được vai trò trong vấn đề tăng bề dày lớp trên.
Hình 4.24: Hình SEM mặt cắt ngang x50.0k các mẫu: K.18.10T.Đ+30 (a), K.22.10T.Đ+30 (b), K.26.10T.Đ+30 (c)
Như vậy, tăng bề dày lớp trên là điều kiện quan trọng nhằm hạn chế các khuyết tật bề mặt và đạt được hiệu quả làm giàu khí oxy cao hơn. Từ kết quả thực nghiệm cho thấy, nồng độ dung dịch quá thấp màng hình thành không thể hiện được khả năng chọn lọc và nồng độ dung dịch quá cao thì lại ảnh hưởng mạnh đến lưu lượng khí đi qua màng. Do đó, màng hình thành với dung dịch đúc chứa 22% PSf sẽ được chọn để tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình bay hơi lên quá trình hình thành lớp trên.