CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Phương pháp ngâm kết tủa qua hai bể đông kết
4.1.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm trong bể đông kết thứ nhất
Trong phương pháp hình thành màng bằng phương pháp đảo pha kết tủa ngâm qua hai bể đông kết, thời gian trì hoãn tách pha là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc màng hình thành. Do đó, thời gian ngâm trong bể đông kết thứ nhất tăng từ 80÷120 giây được sử dụng để nghiên cứu sự ảnh hưởng đến màng lọc khí polysulfone.
Dựa vào kết quả chụp SEM ở hình 4.10 cho thấy, số lượng các lỗ macrovoid giảm đáng kể khi thời gian ngâm trong bể đông kết tăng lên. Màng U.22.5I.80H.100 có số lượng lỗ macrovoid trong lớp dưới giảm đáng kể khi tăng thời gian ngâm thêm 20 giây so với màng U.22.5I.80H.80. Đặc biệt, cấu trúc màng U.22.5I.80H.120 hình thành không thấy xuất hiện các lỗ macrovoid trong lớp dưới.
Thời gian ngâm trong bể đông kết thứ nhất tăng lên cũng đồng nghĩa với việc tăng dòng IPA từ trong bể đông kết thứ nhất đi vào bên trong màng. IPA đóng vai trò là một phi dung môi yếu khi có hàm lượng trong dung dịch đúc càng nhiều thì quá trình tách pha diễn ra càng chậm. Lúc này, cấu trúc màng hình thành xuất hiện ít hoặc thậm chí là không xuất hiện các lỗ macrovoid.
Hình 4.10: Hình SEM mặt cắt ngang x500 các mẫu: U.22.5I.80H.120 (a), U.22.5I.80H.100 (b), U.22.5I.80H.80 (c)
Cấu trúc màng hình thành trong bể đông kết thứ nhất với thời gian quá ngắn thì sẽ chưa ổn định và dễ bị thay đổi khi tiếp tục ngâm màng trong bể đông kết thứ hai chứa nước. Nước là một phi dung môi mạnh sẽ khuếch tán nhanh vào màng gây ra những khuyết tật ở trong lớp dưới. Do đó, màng ngâm trong thời gian 80 giây và 100 giây có cấu trúc lớp dưới chưa ổn định, nên khi ngâm màng vào bể đông kết thứ hai thì quá trình tách pha sẽ gây nên nhiều khuyết tật trên màng cũng như dẫn đến sự hình thành các lỗ macrovoid.
Trong khi đó, màng U.22.5I.80H.120 với thời gian ngâm trong bể đông kết thứ nhất lâu hơn sẽ có cấu trúc ổn định hơn. Cấu trúc ổn định sẽ hạn chế tốc độ trao đổi phi dung môi và dung môi hình thành nên cấu trúc lớp dưới sít chặt hơn và không có các lỗ macrovoid.
Dựa trên kết quả đo ở hình 4.11 cho thấy, khả năng chọn lọc của màng U.22.5I.80H.120 cao nhất là 1.63 nhưng do lớp dưới hình thành quá đặc khít nên lưu lượng khí oxy đi qua màng chỉ đạt 0.0061 ml/s tại áp suất 0.15 MPa.
Màng ngâm trong bể đông kết thứ nhất 100 giây có hệ số α =1.42 khá cao tại áp suất 0.1 MPa (hình 4.11-a). Tuy nhiên, khi áp suất tác dụng lên màng U.22.5I.80H.100 tại 0.15 MPa thì hệ số α giảm đột ngột và thậm chí thấp hơn cả màng U.22.5I.80H.80.
Hình 4.11: Đồ thị liên hệ giữa hệ số α - áp suất (a), lưu lượng - áp suất (b), hệ số α - lưu lượng (c) các mẫu: U.22.5I.80H.120, U.22.5I.80H.100, U.22.5I.80H.80
Với kết quả hình SEM ở độ phóng đại x50.0k cho thấy, màng có thời gian ngâm là 100 giây có cấu trúc lớp trên xuất hiện vùng xốp rất đặc biệt gọi là lớp chuyển tiếp (hình 4.12-b). Sự hình thành lớp chuyển tiếp giữa lớp trên và lớp dưới là do IPA đi vào trong bề mặt của màng sẽ xảy ra quá trình trì hoãn tách pha hình thành nên cấu trúc chuyển tiếp khi ngâm màng vào trong bể đông kết thứ nhất. IPA là một phi dung môi yếu có hệ số tương tác với nước bằng 0 nên khi tiếp tục ngâm màng vào trong bể đông kết thứ hai thì nước sẽ đi vào trong màng từ từ sẽ không phá vỡ lớp cấu trúc chuyển tiếp.
Hình 4.12: Hình SEM mặt cắt ngang x50.0k các mẫu: U.22.5I.80H.120 (a), U.22.5I.80H.100 (b)
Khi thời gian ngâm trong bể đông kết lên đến 120 giây, lớp trên của màng hình thành đặc dày và ổn định sẽ giữ NMP không cho khuếch tán ra ngoài. Nồng độ NMP tăng dần ở dưới lớp trên sẽ hòa tan cấu trúc chuyển tiếp vừa hình thành. Khi tiếp tục ngâm màng vào trong bể đông kết thứ hai, nước từ bên ngoài khuếch tán từ từ vào sẽ đảo pha hình thành cấu trúc lỗ xốp. Bên cạnh đó, NMP khuếch tán ra bề mặt sẽ tăng nồng độ PSf tại phần bên dưới lớp dưới. Nồng độ polyme tăng sẽ hình thành màng theo cơ chế kết tủa gel hóa và cấu trúc đặc khít hơn.
Hình 4.13: Hình SEM bề mặt lớp trên x50.0k của mẫu: U.22.5I.80H.120 (a), U.22.5I.80H.100 (b), U.22.5I.80H.80 (c)
Kết quả SEM bề mặt lớp trên hình 4.13 cho thấy, khi ngâm màng trong hỗn hợp IPA và nước càng lâu thì màng có lớp trên càng ít khuyết tật hơn. Màng có thời gian ngâm là 100 giây cho kết quả rất khả quan với sự xuất hiện một vài khuyết tật nhỏ trên màng (hình 4.13).
Như vậy, màng lọc hình thành khi ngâm trong bể đông kết thứ nhất ở 100 giây cho kết quả chọn lọc khá cao. Tuy nhiên, cấu trúc lớp chuyển tiếp quá dày và các lỗ macrovoid thon dài ở lớp dưới có thể là nguyên nhân dẫn đến hệ số chọn lọc giảm đột ngột. Với mong muốn giảm bề dày lớp chuyển tiếp, dung môi THF với hệ số tương tác với PSf cao hơn nước và IPA nhưng lại có hệ số tương tác với nước cao hơn NMP được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của phụ gia dung môi lên cấu trúc màng hình thành.