Luận văn: Nghiên cứu màng bất đối xứng polysulfone ứng dụng làm giàu oxy từ không khí - ĐH Bách Khoa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu màng bất đối xứng polysulfone ứng dụng làm giàu oxy từ không khí, tập trung vào công nghệ vật liệu cao phân tử và tổ hợp.

• Tác giả: Phan Quốc Phú
• Người hướng dẫn: TS. La Thị Thái Hà
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu Cao phân tử và Tổ hợp
• Đề tài: Nghiên cứu màng bất đối xứng Polysulfone ứng dụng làm giàu oxy từ không khí
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về màng lọc khí
• 1.2. Giới thiệu về màng lọc khí
• 1.3. Phân loại màng lọc khí
• 1.4. Sự vận chuyển của khí đi qua màng bất đối xứng Polysulfone
• 1.5. Phương pháp tạo màng đảo pha
• 1.6. Cơ chế hình thành màng theo phương pháp đảo pha kết tủa ngâm
• 1.7. Thành phần tham gia trong quá trình hình thành màng
• 1.8. Cơ chế hình thành màng
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Dung môi 1-Methyl-2-pyrrolidone (NMP)
• 2.2. Rượu iso-propylic (IPA)
• 2.3. Nước tinh khiết
• 2.4. Phương pháp đảo pha kết tủa ngâm qua hai bể đông kết
• 2.5. Quy trình thực nghiệm
• 2.6. Nội dung nghiên cứu. Phương pháp đảo pha kết tủa ngâm khô/ướt
• 2.7. Quy trình thực nghiệm
• 2.8. Nội dung nghiên cứu. So sánh đặc điểm của hai phương pháp hình thành màng
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét
• 3.2. Phương pháp đo khả năng hấp thụ khí oxy
• 3.3. Phân tích sắc ký Gel GPC
• 3.4. Phương pháp phân tích nhiệt lượng kế vi sai DSC
• 3.5. Xác định hàm lượng khí oxy bằng máy Testo 350 XL
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Phương pháp ngâm kết tủa qua hai bể đông kết
• 4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng IPA có trong bể đông kết thứ nhất
• 4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng IPA bổ sung vào trong dung dịch đúc
• 4.4. Ảnh hưởng của thời gian ngâm trong bể đông kết thứ nhất
• 4.5. Ảnh hưởng của phụ gia bổ sung vào dung dịch đúc
• 4.6. Phương pháp ngâm kết tủa ngâm khô/ướt
• 4.7. Ảnh hưởng của nồng độ Polysulfone
• 4.8. Ảnh hưởng của quá trình khô
• 4.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ THF/NMP
• 4.10. So sánh hai phương pháp tạo màng
• 4.11. Đặc điểm ứng dụng của màng lọc bất đối xứng polysulfone
• 4.12. Đặc điểm của hai quy trình hình thành màng
• 4.13. Cấu trúc màng hình thành
• 4.14. Hiệu quả làm giàu khí oxy
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• LÝ LỊCH SINH VIÊN

Tóm tắt

I. Màng Polysulfone

Màng polysulfone là vật liệu chính được nghiên cứu trong luận văn này. Màng này có cấu trúc bất đối xứng, gồm một lớp đặc mỏng và một lớp xốp dày. Cấu trúc này giúp tăng hiệu quả làm giàu oxy từ không khí. Màng polysulfone được tạo ra bằng hai phương pháp chính: đảo pha kết tủa ngâm qua hai bể đông kết và đảo pha kết tủa ngâm khô/ướt. Các thông số như tỷ lệ nước/iso-propanol, loại phụ gia, và thời gian ngâm được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất màng.

1.1. Tính chất màng polysulfone

Tính chất màng polysulfone được đánh giá qua khả năng thẩm thấu và chọn lọc oxy. Màng có hệ số chọn lọc α = 1.58 ở áp suất 0.1 MPa, cho thấy hiệu quả cao trong việc làm giàu oxy. Cấu trúc bất đối xứng của màng giúp tăng khả năng thẩm thấu của oxy qua lớp đặc và giảm sự thất thoát khí qua lớp xốp.

1.2. Ứng dụng màng polysulfone

Ứng dụng màng polysulfone trong công nghiệp làm giàu oxy từ không khí là mục tiêu chính của nghiên cứu. Màng này có thể được sử dụng trong các hệ thống lọc khí, giúp tăng hàm lượng oxy trong không khí từ 30-40%. Điều này có ý nghĩa lớn trong y tế, công nghiệp, và xử lý nước thải.

II. Nghiên cứu màng

Nghiên cứu màng tập trung vào hai phương pháp tạo màng: đảo pha kết tủa ngâm qua hai bể đông kết và đảo pha kết tủa ngâm khô/ướt. Các thông số như nồng độ polyme, thời gian bay hơi, và tỷ lệ dung môi được khảo sát để tối ưu hóa cấu trúc và hiệu suất màng. Kết quả cho thấy màng tạo ra từ phương pháp ngâm khô/ướt có lưu lượng oxy cao hơn nhưng hệ số chọn lọc thấp hơn so với phương pháp ngâm qua hai bể đông kết.

2.1. Phương pháp đảo pha kết tủa

Phương pháp đảo pha kết tủa là kỹ thuật chính để tạo màng polysulfone. Phương pháp này dựa trên sự kết tủa của polyme khi tiếp xúc với dung môi và phi dung môi. Các yếu tố như tỷ lệ dung môi, thời gian ngâm, và loại phụ gia ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và hiệu suất màng.

2.2. Tối ưu hóa màng

Tối ưu hóa màng là quá trình điều chỉnh các thông số để đạt được hiệu suất cao nhất. Các thí nghiệm cho thấy việc thêm phụ gia như polyvinylpyrrolidone (PVP) giúp tăng số lượng lỗ xốp và giảm khuyết tật trong cấu trúc màng, từ đó cải thiện khả năng làm giàu oxy.

III. Ứng dụng làm giàu oxy

Ứng dụng làm giàu oxy từ không khí là mục tiêu chính của nghiên cứu. Màng polysulfone được sử dụng để tách oxy từ không khí, tăng hàm lượng oxy từ 21% lên 30-40%. Ứng dụng này có ý nghĩa lớn trong y tế, công nghiệp, và xử lý nước thải. Các hệ thống lọc khí sử dụng màng polysulfone có ưu điểm là chi phí thấp, dễ chế tạo, và linh hoạt trong sử dụng.

3.1. Quá trình làm giàu oxy

Quá trình làm giàu oxy dựa trên sự chênh lệch áp suất và nồng độ giữa hai phía của màng. Oxy thẩm thấu qua màng nhanh hơn nitơ, giúp tăng hàm lượng oxy trong dòng khí đầu ra. Hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của màng polysulfone.

3.2. Hệ thống lọc khí

Hệ thống lọc khí sử dụng màng polysulfone được thiết kế để tối ưu hóa quá trình làm giàu oxy. Các yếu tố như áp suất, nhiệt độ, và lưu lượng khí được điều chỉnh để đạt hiệu suất cao nhất. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong các bệnh viện, nhà máy, và các tòa nhà cao tầng.

IV. Kết luận và kiến nghị

Kết luận và kiến nghị của nghiên cứu nhấn mạnh tiềm năng ứng dụng của màng polysulfone trong việc làm giàu oxy từ không khí. Các kết quả nghiên cứu cho thấy màng có hiệu suất cao và có thể được tối ưu hóa thêm để ứng dụng trong thực tế. Các kiến nghị bao gồm việc nghiên cứu thêm về các loại phụ gia và phương pháp tạo màng để cải thiện hiệu suất và độ bền của màng.

4.1. Giá trị thực tiễn

Giá trị thực tiễn của nghiên cứu nằm ở khả năng ứng dụng màng polysulfone trong các hệ thống lọc khí để làm giàu oxy. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện chất lượng không khí và hỗ trợ các quy trình công nghiệp và y tế.

4.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Hướng nghiên cứu tương lai bao gồm việc tối ưu hóa các thông số tạo màng, nghiên cứu thêm về các loại phụ gia, và ứng dụng màng trong các hệ thống lọc khí quy mô lớn. Các nghiên cứu này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của màng polysulfone trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Màng lọc khí bất đối xứng polysulfone (PSf) là một trong những vật liệu tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ làm giàu oxy từ không khí. Theo báo cáo của ngành, nhu cầu oxy tinh khiết và oxy làm giàu ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực y tế, công nghiệp luyện kim, xử lý nước thải và các ứng dụng môi trường khác. Màng lọc khí với cấu trúc bất đối xứng gồm lớp trên đặc mỏng và lớp dưới lỗ xốp dày giúp tối ưu hóa khả năng chọn lọc và lưu lượng khí đi qua màng. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo màng PSf bất đối xứng bằng hai phương pháp đảo pha kết tủa ngâm: qua hai bể đông kết và khô/ướt, nhằm nâng cao hiệu quả làm giàu oxy trong khoảng 30-40% từ không khí. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2013-2014, tập trung khảo sát các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến cấu trúc màng và hiệu suất lọc khí. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển màng lọc khí polysulfone chất lượng cao, góp phần giải quyết nhu cầu làm giàu oxy với chi phí thấp, hiệu quả và ứng dụng thực tiễn trong nhiều ngành công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết khuếch tán và hấp phụ (Diffusion-Sorption): Giải thích cơ chế vận chuyển khí qua màng polysulfone bất đối xứng, bao gồm khuếch tán Knudsen, khuếch tán dung dịch và khuếch tán sàng phân tử. Khả năng thẩm thấu và chọn lọc khí phụ thuộc vào cấu trúc màng và tính chất vật liệu.

• Mô hình giản đồ ba pha polyme/dung môi/phi dung môi: Dùng để mô tả quá trình tách pha trong phương pháp đảo pha kết tủa ngâm, phân biệt vùng một pha và hai pha, từ đó dự đoán cấu trúc màng hình thành.

• Cơ chế hình thành màng bất đối xứng: Bao gồm quá trình tách pha tức thời và trì hoãn tách pha, ảnh hưởng đến sự xuất hiện của các lỗ macrovoid và cấu trúc lớp trên đặc mỏng.

• Thuyết Flory-Huggins: Giải thích nhiệt động lực học của quá trình tách pha dựa trên năng lượng tự do Gibbs và hệ số tương tác giữa các thành phần trong hệ polyme/dung môi/phi dung môi.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số chọn lọc khí (α), lưu lượng khí qua màng (Q), tỷ lệ nước/iso-propanol trong bể đông kết, nồng độ polyme trong dung dịch đúc, thời gian bay hơi, tỷ lệ dung môi THF/NMP, và ảnh hưởng của phụ gia phi dung môi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu màng polysulfone được chế tạo trong phòng thí nghiệm theo hai phương pháp đảo pha kết tủa ngâm:

• Phương pháp ngâm qua hai bể đông kết: Dung dịch đúc PSf hòa tan trong NMP được kéo màng, sau đó ngâm lần lượt trong bể đông kết thứ nhất chứa hỗn hợp nước/iso-propanol (IPA) và bể đông kết thứ hai chứa nước tinh khiết. Các biến số nghiên cứu gồm tỷ lệ nước/IPA trong bể đông kết thứ nhất, hàm lượng phụ gia phi dung môi trong dung dịch đúc, và thời gian ngâm trong bể đông kết đầu tiên.

• Phương pháp ngâm khô/ướt: Màng được kéo từ dung dịch đúc PSf, sau đó trải qua giai đoạn bay hơi một phần dung môi trên bề mặt trước khi ngâm vào bể đông kết chứa phi dung môi mạnh. Các thông số khảo sát gồm nồng độ polyme, thời gian bay hơi, và tỷ lệ dung môi THF/NMP trong dung dịch đúc.

Phân tích cấu trúc màng được thực hiện bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), đo lưu lượng và hệ số chọn lọc khí oxy qua màng ở áp suất 0.1 MPa, phân tích nhiệt lượng kế vi sai (DSC) và sắc ký Gel (GPC). Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng 20-30 mẫu màng với các điều kiện khác nhau, được chọn mẫu ngẫu nhiên theo thiết kế thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố. Thời gian nghiên cứu kéo dài gần 1 năm, từ tháng 6/2013 đến tháng 5/2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/iso-propanol trong bể đông kết thứ nhất: Khi tăng tỷ lệ IPA trong bể đông kết đầu tiên từ 0% lên khoảng 30%, màng hình thành có hệ số chọn lọc α đạt 1.58 tại áp suất 0.1 MPa, lưu lượng oxy qua màng gần 0.03 ml/s. Tỷ lệ IPA cao giúp trì hoãn tách pha, giảm sự hình thành lỗ macrovoid, tạo lớp trên đặc mỏng hơn.

2. Ảnh hưởng của phụ gia phi dung môi trong dung dịch đúc: Bổ sung phụ gia như polyvinylpyrrolidone (PVP) với hàm lượng 5-10% làm tăng độ nhớt dung dịch, giảm kích thước lỗ xốp, tăng khả năng chọn lọc khí. Màng có hệ số α tăng lên khoảng 1.6, lưu lượng oxy ổn định.

3. Phương pháp đảo pha kết tủa ngâm khô/ướt: Màng chế tạo bằng phương pháp này cho lưu lượng oxy qua màng cao hơn, khoảng 0.0310 ml/s tại áp suất 0.1 MPa, tuy nhiên hệ số chọn lọc α chỉ đạt 1.0-1.1, thấp hơn so với phương pháp qua hai bể đông kết. Thời gian bay hơi và tỷ lệ THF/NMP ảnh hưởng lớn đến độ dày lớp trên và cấu trúc lỗ xốp lớp dưới.

4. So sánh hai phương pháp: Màng từ phương pháp hai bể đông kết có lớp trên mỏng, đặc và hệ số chọn lọc cao hơn, phù hợp cho ứng dụng làm giàu oxy. Trong khi đó, phương pháp khô/ướt tạo màng có lưu lượng khí cao hơn nhưng khả năng chọn lọc thấp hơn do lớp trên dày hơn và có khuyết tật bề mặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt giữa hai phương pháp là do cơ chế tách pha và tốc độ khuếch tán dung môi, phi dung môi trong quá trình hình thành màng. Phương pháp qua hai bể đông kết kiểm soát tốt hơn quá trình tách pha trì hoãn, hạn chế sự hình thành lỗ macrovoid, tạo lớp trên đặc mỏng, nâng cao hệ số chọn lọc khí oxy. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về màng polysulfone, trong đó việc điều chỉnh tỷ lệ nước/IPA và phụ gia phi dung môi được xem là yếu tố quyết định cấu trúc màng và hiệu suất lọc khí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ giữa hệ số chọn lọc α và áp suất, lưu lượng khí qua màng, cũng như ảnh SEM mặt cắt ngang thể hiện cấu trúc lớp trên và lớp dưới của màng. Bảng so sánh đặc điểm kỹ thuật của màng từ hai phương pháp cũng giúp minh họa rõ ràng ưu nhược điểm từng phương pháp.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế hình thành màng polysulfone bất đối xứng và cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình chế tạo màng làm giàu oxy, đáp ứng nhu cầu thực tế trong công nghiệp và y tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu tỷ lệ nước/iso-propanol trong bể đông kết đầu tiên: Khuyến nghị duy trì tỷ lệ IPA khoảng 25-30% để đạt lớp trên mỏng, giảm lỗ macrovoid, nâng cao hệ số chọn lọc oxy α trên 1.5. Thời gian ngâm trong bể đầu tiên nên kiểm soát trong khoảng 30-60 giây để cân bằng quá trình tách pha.

2. Sử dụng phụ gia phi dung môi phù hợp: Bổ sung polyvinylpyrrolidone (PVP) hoặc polyethylene glycol (PEG) với hàm lượng 5-10% trong dung dịch đúc giúp tăng độ nhớt, cải thiện cấu trúc màng, giảm khuyết tật bề mặt. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm và nhà sản xuất màng.

3. Kiểm soát điều kiện bay hơi trong phương pháp khô/ướt: Đề xuất kiểm soát thời gian bay hơi trong khoảng 10-20 giây và tỷ lệ THF/NMP khoảng 1:1 để giảm độ dày lớp trên, tăng khả năng chọn lọc khí. Cần thiết lập môi trường kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ ổn định.

4. Phát triển quy trình sản xuất màng quy mô công nghiệp: Dựa trên kết quả nghiên cứu, xây dựng quy trình sản xuất màng polysulfone bất đối xứng với các thông số tối ưu, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả làm giàu oxy. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ vật liệu và trung tâm nghiên cứu.

5. Nghiên cứu bổ sung về độ bền cơ học và tuổi thọ màng: Đề xuất thực hiện các thử nghiệm kéo dài để đánh giá độ bền và khả năng ứng dụng lâu dài của màng trong điều kiện thực tế, nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Vật liệu và Hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về quá trình hình thành màng polysulfone bất đối xứng, cơ chế tách pha và ảnh hưởng các thông số kỹ thuật, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất màng lọc khí và thiết bị y tế: Các công ty có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất màng làm giàu oxy, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và mở rộng thị trường.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực xử lý khí và môi trường: Thông tin về màng lọc khí polysulfone giúp cải thiện hiệu quả xử lý khí oxy trong các hệ thống xử lý nước thải, khí thải công nghiệp, và các ứng dụng môi trường khác.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ màng lọc khí trong nước, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Màng polysulfone bất đối xứng có ưu điểm gì so với màng đồng nhất?
   Màng bất đối xứng có lớp trên đặc mỏng giúp tăng khả năng chọn lọc khí, trong khi lớp dưới lỗ xốp dày hỗ trợ cơ học, cho lưu lượng khí cao và độ bền tốt hơn. Ví dụ, màng này có hệ số chọn lọc oxy α đạt 1.58, cao hơn màng đồng nhất.

2. Tại sao cần sử dụng hai bể đông kết trong phương pháp đảo pha kết tủa ngâm?
   Hai bể đông kết giúp kiểm soát quá trình tách pha trì hoãn và tức thời, tạo lớp trên đặc mỏng và lớp dưới lỗ xốp, giảm lỗ macrovoid. Điều này cải thiện hiệu suất làm giàu oxy và độ bền màng.

3. Phụ gia phi dung môi ảnh hưởng thế nào đến cấu trúc màng?
   Phụ gia như PVP làm tăng độ nhớt dung dịch đúc, giảm kích thước lỗ xốp, hạn chế khuyết tật bề mặt, giúp màng có hệ số chọn lọc cao hơn. Ví dụ, bổ sung 5-10% PVP làm tăng α lên khoảng 1.6.

4. Làm thế nào để kiểm soát độ dày lớp trên của màng trong phương pháp khô/ướt?
   Điều chỉnh thời gian bay hơi dung môi và tỷ lệ dung môi THF/NMP trong dung dịch đúc là cách hiệu quả. Thời gian bay hơi khoảng 10-20 giây và tỷ lệ THF/NMP 1:1 giúp lớp trên mỏng, giảm khuyết tật.

5. Ứng dụng thực tế của màng polysulfone làm giàu oxy là gì?
   Màng được sử dụng trong y tế (bổ sung oxy cho bệnh nhân), công nghiệp luyện kim, xử lý nước thải, và các hệ thống đốt cháy hiệu quả. Màng giúp tăng hàm lượng oxy trong khí đầu ra lên 30-40%, đáp ứng nhu cầu đa dạng.

Kết luận

• Đã nghiên cứu thành công màng polysulfone bất đối xứng làm giàu oxy từ không khí bằng hai phương pháp đảo pha kết tủa ngâm qua hai bể đông kết và khô/ướt.
• Phương pháp qua hai bể đông kết tạo màng có hệ số chọn lọc α cao (1.58) và lưu lượng oxy ổn định, phù hợp ứng dụng thực tế.
• Phụ gia phi dung môi và tỷ lệ nước/IPA trong bể đông kết là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và hiệu suất màng.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu quy trình sản xuất màng, kiểm soát điều kiện bay hơi và bổ sung phụ gia để nâng cao chất lượng màng.
• Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu độ bền cơ học và ứng dụng quy mô công nghiệp trong giai đoạn tiếp theo nhằm đưa màng vào sản xuất thực tế.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô pilot và hợp tác với doanh nghiệp để phát triển sản phẩm màng polysulfone làm giàu oxy, góp phần nâng cao hiệu quả công nghệ và đáp ứng nhu cầu thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 | TỔNG QUAN GVHD: TS. LA THỊ THÁI HÀ b. Màng đặc Màng có cấu trúc đồng nhất và không có lỗ xốp, các chất vận chuyển qua màng là do quá trình khuyếch tán dưới các lực dẫn động như: chênh lệch áp suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch điện thế… Quá trình tách một hỗn hợp có quan hệ trực tiếp đến tốc độ vận chuyển tương đối của từng thành phần đối với màng, được xác định bằng sự khuyếch tán và sự hòa tan của chúng trong vật liệu màng [14]. Theo đó, màng đặc có thể tách được những thành phần giống nhau về kích thước, nhưng phải có sự chênh lệch nồng độ lớn.

Hầu hết các màng màng tách khí và màng thẩm thấu ngược đều có cấu trúc dạng màng đặc. Màng có cấu trúc bất đối xứng Tốc độ truyền tải vật chất của màng tỉ lệ nghịch với bề dày của màng. Tốc độ truyền tải cao là yêu cầu quan trọng trong quá trình phân tách, nhằm đem lại hiệu quả sử dụng cũng như tính kinh tế. Bởi vậy, màng càng mỏng thì hiệu quả sử dụng càng tốt.

Tuy nhiên, màng quá mỏng sẽ không thể chịu được áp lực lớn, dễ hư hỏng, nên cũng không có khả năng áp dụng trong thực tế. Với yêu cầu lớp màng đặc phải mỏng và đạt cơ tính cao, màng lọc bất đối xứng là một đột phá về công nghệ chế tạo màng với lớp trên không lỗ xốp được trợ lực bằng một lớp xốp bên dưới. Màng lọc bất đối xứng sẽ kết hợp được tính chọn lọc cao của màng không lỗ xốp và cơ tính được cải thiện nhờ lớp dưới với bề dày phù hợp. Với lớp dưới có nhiều lỗ xốp sẽ ít ảnh hưởng đến quá trình truyền khối, do đó hiệu suất lọc được xác định chủ yếu là do lớp trên [15].

Màng lọc bất đối xứng có thể được hình thành với lớp dưới và lớp trên là những loại vật liệu khác nhau gọi là màng composite, hoặc cả hai lớp đều được cấu thành từ một loại vật liệu với các phương pháp chế tạo phù hợp sẽ hình thành nên cấu trúc bất đối xứng [16], [17]. HVTH: PHAN QUỐC PHÚ Trang 6 CHƯƠNG 1 | TỔNG QUAN GVHD: TS. LA THỊ THÁI HÀ 1. Sự vận chuyển của khí đi qua màng bất đối xứng Polysulfone Trong quá trình tách khí, khả năng chọn lọc và khả năng thẩm thấu là hai thông số quan trọng để xác định hiệu quả của quá trình lọc khí.

Hiệu quả sử dụng cao hay thấp đều phụ thuộc vào cấu trúc của màng lọc như: chiều dày lớp trên, kích thước và mật độ lỗ xốp của lớp dưới. Trong suốt quá trình lọc khí, các phân tử khí sẽ đi qua màng bằng nhiều cơ chế khác nhau như [5]: (a) Cơ chế khuếch tán Knudsen. (b) Cơ chế khuếch tán bề mặt. (c) Cơ chế khuếch tán dung dịch.

(d) Cơ chế khuếch tán sàng phân tử. (e) Cơ chế mao dẫn. Dưới đây là hình ảnh minh họa các cơ chế nói trên: Hình 1.2: Các cơ chế khuếch tán của phân tử khí qua màng lỗ và màng không lỗ [5] Dòng khí vận chuyển qua màng lọc polysulfone có cấu trúc bất đối xứng là sự kết hợp của sự vận chuyển qua màng lỗ và màng không lỗ. Nói cách khác, cơ chế lọc khí của màng bất đối xứng gồm:  Sự vận chuyển dòng khí qua lớp dưới của màng bất đối xứng: Trước tiên, dòng khí từ bên ngoài được thổi vào lớp lỗ xốp của màng với áp suất nhất định.

Các phân tử khí sẽ được khuếch tán vào bên trong nhờ các lỗ ở mặt ngoài HVTH: PHAN QUỐC PHÚ Trang 7 CHƯƠNG 1 | TỔNG QUAN GVHD: TS. LA THỊ THÁI HÀ của lớp dưới. Sau đó, các phân tử khí sẽ vận chuyển vào bên trong lớp dưới ở các lỗ có đường kính lớn. Tại đây, sự va chạm chủ yếu là của các phần tử khí với nhau [13].

Theo định luật khuếch tán thì sự vận động của vật chất sẽ đi từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp, cũng như đi từ nơi có áp suất cao sang nơi có áp suất thấp. Do đó, các phân tử khí sẽ tiếp tục đi sâu vào bên trong màng đến vùng có đường kính lỗ nhỏ hơn. Lúc này, sự di chuyển của các phân tử khí là do sự va chạm của nó lên thành tường của các lỗ. Dòng khí tại vùng có các lỗ đường kính nhỏ được gọi là dòng Knudsed.

Mật độ dòng Knudsen được tính bởi công thức: × × × ×∆ = (1.1) × × × Hằng số khuếch tán Knudsen được tính theo công thức: 8 = 0.2) Trong đó: n: số lỗ xốp có trong màng r: bán kính lỗ R: hằng số khí T: nhiệt độ (Kelvin) l: bề dày màng τ: hình dạng của lỗ Dk: hằng số khuếch tán Knudsen Mw: trọng lượng phân tử ∆P: chênh lệch áp suất giữa hai vùng dòng chất đi vào và đi ra  Sự vận chuyển của dòng khí qua lớp trên của màng bất đối xứng: Dòng khí khi qua đến lớp trên sẽ vận chuyển theo cơ chế khuếch tán dung dịch được mô tả như sau [13]: Permeability (P) = Solubility (S) + Diffusivity (D) - Độ hòa tan (Solubility): thông số nhiệt động đo lường sự thẩm thấu qua màng dưới điều kiện cân bằng. Độ hòa tan của khí trong polyme là rất thấp và được miêu tả bằng luật Henry. HVTH: PHAN QUỐC PHÚ Trang 8 CHƯƠNG 1 | TỔNG QUAN GVHD: TS. LA THỊ THÁI HÀ - Sự khuếch tán (Diffusivity): phụ thuộc hình dạng phân tử thẩm thấu nếu kích thước phân tử lớn thì khả năng khuếch tán sẽ giảm.

Hầu hết các màng polyme thương mại đều hoạt động theo cơ chế này khi lọc khí. Cơ chế khuếch tán dung dịch này gồm ba bước: + Các phân tử khí sẽ được giữ tại ranh giới giữa bề mặt lớp dưới và lớp trên. + Có sự khuếch tán chủ động qua màng. + Giải hấp hoặc bay hơi trên hướng khác.1: Hệ số thẩm thấu của một số loại vật liệu làm màng lọc [16] POLYME Hệ số thẩm thấu POxy/PNito Cellulose triacetate 5.95 Cơ chế khuếch tán dung dịch này được thúc đẩy bởi sự khác nhau về hệ số nhiệt động của phần trên và phần dưới của màng, cũng như hệ số khuếch tán của phân tử thẩm thấu với vật liệu tạo màng.

Khả năng thẩm thấu của lớp đặc bên trên phụ thuộc vào sự tương tác hóa lý của các phân tử khí với màng lọc và sự tương tác của các loại khí với nhau.1 liệt kê tỷ số hệ số thẩm thấu của oxy và nitơ của một số loại vật liệu làm màng lọc [16]. 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].

HVTH: PHAN QUỐC PHÚ Trang 9 CHƯƠNG 1 | TỔNG QUAN GVHD: TS. LA THỊ THÁI HÀ 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. 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. 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. 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. HVTH: PHAN QUỐC PHÚ Trang 10 CHƯƠNG 1 | TỔNG QUAN GVHD: TS. LA THỊ THÁI HÀ 1.

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).

HVTH: PHAN QUỐC PHÚ Trang 11 CHƯƠNG 1 | TỔNG QUAN GVHD: TS.