CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Phương pháp ngâm kết tủa qua hai bể đông kết
4.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng IPA có trong bể đông kết thứ nhất
Bể đông kết thứ nhất với các hàm lượng phi dung môi yếu IPA gồm: 10%, 20%, 80% được sử dụng để khảo sát sự ảnh hưởng lên cấu trúc của màng lọc khí hình thành.
Kết quả hình SEM của ba mẫu màng lọc ở độ phóng đại x500 hình 4.1 cho thấy, cấu trúc màng lọc hình thành với lớp dưới có cấu trúc xốp và xuất hiện các khoảng không lớn có hình dạng giống như hình móng tay gọi là lỗ macrovoid.
Hình 4.1: Hình SEM mặt cắt ngang x500 mẫu: U.22.3I.90H.80 (a), U.22.3I.80H.80 (b), U.22.3I.20H.80 (c)
Theo các nghiên cứu trước [18] với màng tạo thành khi ngâm trong bể đông kết thứ nhất không có chứa IPA, quá trình đảo pha sẽ diễn ra tức thời và mạnh dẫn đến sự hình thành rất nhiều lỗ macrovoid và các lỗ xốp với kích thước lớn ở trong lớp dưới.
Qua đồ thị ba pha hình 4.2 cho thấy, các điểm đọng sương ứng với đường 100% nước rất gần trục NMP-PSf. Lúc này, thành phần dung dịch đúc sẽ đi đến vùng siêu bền rất nhanh dẫn đến quá trình tách pha tức thời xảy ra ngay khi ngâm màng vào bể đông kết chứa 100% nước.
IPA trong bể đông kết thứ nhất có hệ số khuếch tán với NMP cao hơn của nước với NMP nên sẽ khuếch tán vào trong dung dịch đúc nhanh hơn qua lớp bề mặt. Trong quá trình khuếch tán, hàm lượng IPA tăng nhanh ở bề mặt dẫn đến quá trình đảo pha diễn ra dẫn đến sự hình thành nên cấu trúc lớp trên đặc. Lớp màng đặc hình thành sẽ hạn chế dòng nước trao đổi qua màng giúp quá trình tách pha diễn ra chậm hơn khi tiếp tục ngâm màng vào bể đông kết thứ hai, từ đó giảm số lượng các lỗ macrovoid.
Hình 4.2: Giản đồ ba pha biểu diễn các điểm đọng sương của hệ nước-IPA/NMP/PSf khi thay đổi các tỉ lệ nước và IPA
Trong quá trình đảo pha, IPA khuếch tán vào trước sẽ hạn chế dòng đi vào của nước, trong khi đó dòng NMP với hệ số tương tác với nước lớn hơn với PSf sẽ khuếch tán nhanh ra ngoài bể đông kết. Bể đông kết với IPA chiếm tỷ lệ càng lớn thì sự chênh lệch tốc độ khuếch tán của dòng dung môi NMP đi ra và dòng phi dung môi nước đi vào càng lớn. Do đó, bề dày của lớp dung dịch đúc giảm xuống khi tăng dần hàm lượng IPA có trong bể đông kết. Quan sát bề dày của ba mẫu màng ở độ phóng đại x500 ở hỡnh 4.1 cho thấy, bề dày giảm từ 122.63 àm ở mẫu U.22.3I.90H.80 xuống khoảng 84.38 àm với mẫu U.22.3I.80H.80 và mẫu màng hỡnh thành khi ngõm trong bể cú chứa tới 80% IPA cho bề dày màng nhỏ nhất là 64.21 àm.
Quan sát mặt cắt ngang hình 4.3 cho thấy, cấu trúc của mẫu U.22.3I.90H.80 với cỏc lỗ macrovoid cú đường kớnh khoảng 4.41 àm là nhỏ nhất trong ba màng. Cấu trỳc các lỗ macrovoid tăng dần kích thước và mật độ lỗ giảm xuống ở mẫu màng U.22.3I.80H.80. Đặc biệt, cấu trúc màng U.22.3I.20H.80 với 80% IPA có trong bể
đông kết thứ nhất hình thành màng có cấu trúc sít chặt và có rất ít các lỗ macrovoid xuất hiện trong lớp dưới (hình 4.3).
Như vậy, IPA là một phi dung môi yếu có tác dụng trì hoãn tách pha trong quá trình ngâm kết tủa. Hàm lượng IPA càng nhiều thì màng hình thành sẽ càng sít chặt cùng với sự hạn chế đáng kể các lỗ macrovoid có trong màng.
Hình 4.3: Hình SEM mặt cắt ngang các mẫu: U.22.3I.90H.80 (a), U.22.3I.80H.80 (b), U.22.3I.20H.80 (c)
Đánh giá khả năng chọn lọc khí oxy của màng qua đồ thị liên hệ giữa hệ số α và áp suất ở hình 4.4-a cho thấy, màng U.22.3I.20H.80 có hệ số chọn lọc α = 1.47 là lớn nhất ở áp suất 0.2 MPa nhưng lưu lượng khí chỉ đạt 0.0428 ml/s. Trong khi đó, mẫu U.22.3I.80H.80 và U.22.3I.90H.80 có lưu lượng lớn hơn, tương ứng là 0.0766 ml/s và 0.0844 ml/s nhưng lại không thể hiện được khả năng chọn lọc với hệ số α gần 1. Qua đó cho thấy, cấu trúc lớp dưới có mật độ lỗ xốp càng lớn và càng ít các lỗ macrovoid thì lưu lượng dòng khí khuếch tán qua màng giảm dần.
Quan sát hình 4.4 cho thấy, áp suất tăng thì xu hướng chung là lưu lượng tăng, nhưng hệ số α giảm hoặc không đổi. Áp suất cao là nguyên nhân dẫn đến sự không ổn định về cấu trúc của màng và thậm chí có thể phá hủy màng. Trong ba mẫu khảo sát, mẫu U.22.3I.80H.80 vẫn thể hiện hệ số chọn lọc khoảng 1.16 với lưu lượng 0.0663 ml/s tại áp suất 0.15 MPa. Hệ số chọn lọc thấp có thể là do bề mặt lớp trên của mẫu còn khá nhiều các khuyết tật bề mặt (hình 4.5).
Hình 4.4: 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.90H.80, U.22.3I.80H.80, U.22.3I.20H.80
Hình 4.5: Hình SEM bề mặt lớp trên x2.000 của mẫu U.22.3I.80H.80
Với hàm lượng IPA quá cao trong bể đông kết thứ nhất, màng U.22.3I.20H.80 với hệ số chọn lọc α =1.47 sẽ tốn chi phí và ảnh hưởng đến sức khỏe do sử dụng nhiều IPA. Hơn nữa, lưu lượng khí đi qua màng lại quá thấp và áp suất dòng khí tác động lên màng quá lớn sẽ không mang lại hiệu quả sử dụng cao.
Kết hợp giữa hệ số chọn lọc và lưu lượng khí đi qua màng cùng với những yếu tố khác (tiết kiệm chi phí, bảo vệ sức khỏe) mẫu U.22.3I.80H.80 với 20% IPA có trong bể đông kết thứ nhất được sử dụng để khảo sát tiếp sự thay đổi cấu trúc khi bổ sung thêm IPA vào trong dung dịch đúc.