CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Phương pháp ngâm kết tủa qua hai bể đông kết
4.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng IPA bổ sung vào trong dung dịch đúc
Với thành phần bể đông kết thứ nhất chứa 20% IPA, phi dung môi IPA được bổ sung vào trong dung dịch đúc ở các tỷ lệ 3%, 5% và 7% để khảo sát sự thay đổi của cấu trúc màng hình thành. Cấu trúc màng thay đổi dựa trên sự khác nhau về tỷ lệ của các cấu tử trong quá trình đảo pha. Phi dung môi IPA có hệ số khuếch tán với nước cao hơn của NMP với nước nên khi ngâm vào trong bể đông kết sẽ khuếch tán từ trong dung dịch đúc ra ngoài trước NMP.
Tại lớp bề mặt màng xuất hiện hai dòng IPA: một dòng từ trong dung dịch đúc di chuyển ra khỏi dung dịch đúc với một dòng khác có trong bể đông kết đi vào dung dịch đúc. Do đó, bề mặt lớp dung dịch đúc sẽ có hàm lượng IPA rất cao dẫn đến quá trình kết tủa gel hình thành nên lớp cấu trúc đặc nhanh chóng. Lớp trên hình thành nhanh và ổn định sẽ khó bị thay đổi cấu trúc khi tiếp tục ngâm trong bể đông kết thứ hai giúp hạn chế được các khuyết tật bề mặt.
Hình 4.6: Hình SEM mặt cắt ngang x500 mẫu: U.22.3I.80H.80 (a), U.22.5I.80H.80 (b), U.22.7I.80H.80 (c)
Quan sát hình 4.6 cho thấy, các lỗ macrovoid có trong cấu trúc của màng càng ít khi hàm lượng IPA có trong dung dịch đúc tăng lên. Điều này là do IPA có hệ số tương tác với PSf thấp hơn của nước nên khi được bổ sung nhiều thì sự tách pha diễn ra chậm hơn sẽ hạn chế sự hình thành các trung tâm nghèo polyme xuất hiện sát bên dưới lớp
trên. Các trung tâm nghèo polyme xuất hiện càng ít thì số lượng các lỗ macrovoid xuất hiện trong lớp dưới sẽ giảm.
Đặc biệt, mẫu U.22.7I.80H.80 có số lượng macrovoid giảm đi đáng kể, nhưng lớp trên của màng hình thành lại khá dày. Lớp trên dày là do khi ngâm màng có hàm lượng IPA khá cao trong bể đông kết thứ nhất thì tỷ lệ các cấu tử nhanh chóng đi đến điểm kết tủa do dòng IPA khuếch tán từ bể đông kết sẽ giúp tăng hàm lượng IPA có trong dung dịch đúc nhanh hơn. Do đó, quá trình gel diễn ra sẽ nhanh hơn và phát triển sâu vào bên trong nên hình thành màng có lớp trên dày hơn.
Hình 4.7: Hình SEM mặt cắt ngang x1500 của mẫu: U.22.3I.80H.80 (a), U.22.5I.80H.80 (b)
Màng U.22.5I.80H.80 có cấu trúc lớp trên đã dày hơn và cấu trúc lớp dưới có số lượng các lỗ macrovoid đã giảm so với màng U.22.3I.80H.80 (hình 4.7), nhưng đường kớnh cỏc lỗ lại khỏ lớn 7.31 àm. Sự tăng kớch thước lỗ macrovoid là do lớp trờn dày sẽ cản trở dòng NMP đi ra nên nồng độ polyme trong dung dịch tăng chậm hơn. Với dung dịch đúc có nồng độ càng thấp, nồng độ polyme tại lớp biên của macrovoid sẽ tăng đến điểm gel và sự hóa rắn xuất hiện chậm hơn dẫn đến các lỗ macrovoid sẽ phát triển mạnh về kích thước.
So sánh giữa các mẫu với nhau cho thấy, mẫu U.22.7I.80H.80 có khả năng chọn lọc oxy cao nhất với hệ số chọn lọc α = 1.53 tại áp suất 0.2 MPa (hình 4.8-a) với lưu lượng oxy đi qua màng cũng khá cao 0.02 ml/s (hình 4.8-b). Như vậy, bổ sung IPA vào trong dung dịch đúc với hàm lượng tăng lên có khả năng tăng hệ số chọn lọc của màng lọc khí hình thành.
Hình 4.8: 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: U.22.3I.80H.80, U.22.5I.80H.80, U.22.7I.80H.80
Hình 4.9: Hình SEM bề mặt trên của mẫu: U.22.3I.80H.80 (a), U.22.5I.80H.80 (b) So sánh với nghiên cứu trước về ảnh hưởng của IPA có trong bể đông kết cho thấy, mẫu U.22.7I.80H.80 với 7% IPA đã thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội hơn với hệ số chọn lọc oxy cao hơn và lưu lượng oxy đi qua màng cao hơn nhiều so với mẫu
U.22.3I.20H.80 hình thành khi ngâm trong bể đông kết thứ nhất có chứa 80% IPA. Từ đó cho thấy, màng hình thành khi bổ sung IPA vào trong dung dịch đúc sẽ hiệu quả hơn so với màng hình thành khi sử dụng quá nhiều IPA trong bể đông kết thứ nhất.
Như vậy, IPA được bổ sung vào dung dịch đúc đã đáp ứng được yêu cầu giảm số lượng lỗ macrovoid và kích thước lỗ xốp. Tuy nhiên, màng U.22.5I.80H.80 vẫn còn xuất hiện một số khuyết tật bề mặt (hình 4.9).
Mặc dù bề mặt lớp trên vẫn còn nhiều khuyết tật, màng có bổ sung 5% IPA lại có hệ số chọn lọc cao nhất α = 1.37 với lưu lượng đi qua màng là 0.1145 ml/s ở áp suất là 0.2 MPa (hình 4.9). Trong khi đó, màng có bổ sung 7% IPA để đạt lưu lượng và hệ số α như trên thì áp suất lên đến 0.4 MPa.
Áp suất cao đặt vào màng polyme là một điểm bất lợi ảnh hưởng đến cấu trúc cũng như khả năng ứng dụng lâu dài của màng. Do đó, chọn hàm lượng IPA thêm vào dung dịch đúc là 5% để tiếp tục các nghiên cứu tiếp theo nhằm loại bỏ khuyết tật bề mặt màng.