1.1. Tổng quan về màng lọc khí
1.1.4. Phương pháp tạo màng đảo pha
Đảo pha là quá trình polyme chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Quá trình hình thành màng thường được khởi đầu bằng quá trình chuyển trạng thái từ lỏng sang hai lỏng (tách pha lỏng-lỏng). Ở một giai đoạn nào đó trong suốt quá trình tách pha, một pha lỏng có tỷ trọng polyme cao sẽ hóa rắn để tạo thành cấu trúc màng [14].
Bằng cách kiểm soát giai đoạn đầu của sự chuyển pha, màng tạo thành có những hình thái khác nhau như: màng không có lỗ xốp, màng có lỗ xốp hoặc màng bất đối xứng… Tạo màng bằng quá trình đảo pha có thể được phân thành bốn phương pháp cơ bản sau:
1.1.4.1. Kết tủa nhiệt
Đây là quá trình đơn giản nhất để tạo màng vi xốp, polyme được hòa tan trong dung môi ở nhiệt độ cao để tạo thành dung dịch đồng nhất. Sau đó, dung dịch sẽ tách ra thành hai pha khác biệt: pha rắn giàu polyme và pha lỏng giàu dung môi khi làm lạnh.
Phương pháp này dựa trên hiện tượng bay hơi dung môi làm tăng nồng độ polyme khi hạ nhiệt độ. Tức là, theo kỹ thuật này dung dịch polyme (có thể gồm một hoặc nhiều loại dung môi) sẽ được làm lạnh sẽ xảy ra sự tách pha. Sự bay hơi dung môi dẫn đến sự hình thành màng với một lớp trên rất mỏng thường được ứng dụng cho màng siêu lọc.
1.1.4.2. Kết tủa từ sự bay hơi dung môi
Trong kỹ thuật này, polyme được hòa tan với hỗn hợp dung môi dễ bay hơi và phi dung môi. Dung môi dễ bay hơi hơn so với phi dung môi sẽ thoát ra ngoài dẫn đến sự thay đổi thành phần dung dịch trong suốt quá trình đảo pha [14].
Sự thay đổi các thành phần chỉ chấm dứt khi màng phim chỉ còn phi dung môi và polyme. Do đó, polyme sẽ được kết tủa trong phi dung môi và hình thành nên cấu trúc màng.
1.1.4.3. Kết tủa từ pha hơi
Một lớp dung dịch đúc gồm polyme và dung môi được đặt trong môi trường pha hơi là phi dung môi bão hòa trong dung môi. Tỷ trọng dung môi cao trong pha hơi ngăn chặn quá trình bay hơi của dung môi từ lớp phim. Màng được hình thành bởi sự khuếch tán của chất phi dung môi vào trong lớp dung dịch đúc hình thành cấu trúc xốp đối xứng và không có lớp đặc phía trên.
1.1.4.4. Kết tủa ngâm
Trong kỹ thuật này, dung dịch polyme được ngâm vào trong một bể phi dung môi. Trong suốt quá trình ngâm, sự trao đổi dung môi và phi dung môi có trong dung dịch polyme và bể phi dung môi xảy ra sẽ hình thành nên cấu trúc màng. Cấu trúc màng cuối cùng đạt được là do sự kết hợp của quá trình truyền khối và tách pha. Sự thay đổi các điều kiện trong quá trình kết tủa sẽ hình thành màng có những cấu trúc khác nhau [18]. Đây là một phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo màng bất đối xứng và được phân thành ba phương pháp chính sau đây:
a. Phương pháp đảo pha kết tủa ngâm trong phi dung môi yếu
Phương pháp này được trình bày bởi Mulder, màng có cấu trúc bất đối xứng được hình thành khi ngâm kết tủa một dung dịch polyme trong một bể đông kết chứa phi dung môi yếu. Quá trình hình thành màng được trình bày theo sơ đồ bên dưới [18]:
Hình 1.3: Sơ đồ phương pháp đảo pha kết tủa ngâm trong phi dung môi yếu [18]
Màng được ngâm vào trong bể đông kết chứa phi dung môi yếu sẽ xảy ra quá trình trì hoãn sự tách pha hình thành cấu trúc bất đối xứng. Ví dụ: cấu trúc bất đối xứng của màng hình thành từ quá trình ngâm hỗn hợp PSf-NMP trong phi dung môi yếu 2- propanol (IPA).
Ưu điểm: Bề dày của lớp trên có thể thay đổi được khi thay đổi một số thông số như: nồng độ polyme có trong dung dịch đúc, loại phi dung môi sử dụng trong bể đông kết, bổ sung phụ gia phi dung môi vào dung dịch đúc hoặc thay đổi bề dày của lớp dung dịch đúc khi kéo màng…
Nhược điểm: Lớp trên hình thành từ phương pháp đảo pha kết tủa ngâm trong phi dung môi yếu thường quá dày nên khó có hiệu quả ứng dụng trong thực tế. Khả năng chịu lực của lớp dưới để tăng cường tính chất cơ lý của toàn bộ lớp màng không đáng kể.
b. Phương pháp đảo pha kết tủa ngâm qua hai bể đông kết
Phương pháp sử dụng liên tiếp hai bể đông kết với sơ đồ quá trình hình thành màng được mô tả như sau:
Hình 1.4: Sơ đồ phương pháp đảo pha kết tủa ngâm qua hai bể đông kết [18]
Trong phương pháp này, dung dịch đúc sau khi được kéo tạo màng sẽ ngâm trong bể đông kết đầu tiên chứa phi dung môi yếu. Tại đây, nồng độ polyme của lớp trên sẽ tăng lên do quá trình trì hoãn tách pha xảy ra tại lớp màng phân cách hình thành giữa dung dịch và dung môi yếu có trong bể đông kết. Sau đó, màng được ngâm trong bể đông kết thứ hai chứa một loại phi dung môi mạnh, quá trình tách pha chủ yếu diễn ra trong giai đoạn này [18].
Ưu điểm: Màng tạo thành có cấu trúc bất đối xứng với lớp trên đặc và mỏng.
Nhược điểm: Phương pháp ngâm qua hai bể đông kết nên khá phức tạp, tốn kém. Màng hình thành là do sự kết hợp sự ảnh hưởng của hai bể đông kết, nên khó khăn trong việc xác định các yếu tố ảnh hưởng lên cấu trúc màng.
c. Phương pháp đảo pha kết tủa ngâm khô/ướt
Đây là phương pháp kết hợp gồm hai bước: màng phim được kéo từ dung dịch đúc sẽ cho bay hơi một phần dung môi, theo sau đó là quá trình tách pha tức thời khi ngâm màng vào trong bể đông kết. Quá trình hình thành màng được trình bày theo sơ đồ dưới đây [18]:
Hình 1.5: Sơ đồ phương pháp đảo pha kết tủa ngâm khô/ướt [18]
Trong giai đoạn khô, một phần dung môi nằm trên bề mặt lớp dung dịch đúc bay hơi hình thành nên lớp trên có nồng độ polyme cao. Giai đoạn ướt là quá trình ngâm kết tủa màng trong bể đông kết chứa phi dung môi mạnh hình thành cấu trúc lớp dưới.
Ưu điểm: Quá trình bay hơi trước khi ngâm vào bể đông kết có thể hình thành nên lớp trên của màng bất đối xứng không có khuyết tật bề mặt.
Nhược điểm: Quá trình hình thành màng chịu ảnh hưởng nhiều vào điều kiện môi trường xung quanh như: độ ẩm, nhiệt độ, không khí…