Xem mẫu
T¹p chÝ Hãa häc, T. 44 (1), Tr. 1 - 5, 2006
CÊu tróc bÊt ®èi xøng cña mµng siªu läc
chÕ t¹o tõ vËt liÖu polyme b»ng ph%¬ng ph¸p ®¶o pha
§Õn Tßa so¹n 27-10-2003
TrÇn ThÞ Dung
Khoa Hãa häc, Tr!êng §HKH Tù nhiªn, §HQG H) Néi
summary
Polymer separation membranes were prepared by using phase inversion method, these membranes have an asymmetric structure including a thin dense top-layer and a porous sublayer. Structure of the formed membranes depends on material properties and preparation conditions such as casting solution composition, coagulation medium, molecular weight of polymer and etc. The changes in preparation conditions lead to the changes of thickness and pore size of toplayer, porosity and porous structure of sublayer of the final membranes. Structures of membranes were analyzed by Scanning Electron Microscope (SEM) images.
I - më ®Çu
Mng läc polyme ®îc sö dông trong c¸c qu¸ tr×nh t¸ch. Tuú thuéc vo vËt liÖu ban ®Çu v ph¬ng ph¸p chÕ t¹o, mng h×nh thnh sÏ cã cÊu tróc v c¸c tÝnh chÊt kh¸c nhau. CÊu tróc mng phô thuéc vo c¸c ®iÒu kiÖn chÕ t¹o v cã ¶nh hëng m¹nh ®Õn tÝnh chÊt t¸ch cña nã. Cã nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c nhau ®îc sö dông ®Ó chÕ t¹o mng, vÝ dô nh c¸c kü thuËt dung kÕt nhiÖt, kÐo d:n, ¨n mßn theo vÕt, ®¶o pha… trong ®ã ®¶o pha l mét ph¬ng ph¸p thêng ®îc sö dông ®Ó chÕ t¹o mng siªu läc v thÈm thÊu ngîc tõ c¸c lo¹i vËt liÖu polyme. Mng chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p ny cã cÊu tróc bÊt ®èi xøng gåm mét líp ho¹t ®éng rÊt máng v mét líp ®ì xèp ë bªn díi líp ho¹t ®éng. Líp ho¹t ®éng quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng t¸ch cña mng, líp ®ì xèp cã t¸c dông lm t¨ng ®é bÒn c¬ häc nhng kh«ng c¶n trë sù chuyÓn khèi qua mng [1 - 3].
Bi b¸o ny tr×nh by mét sè kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ cÊu tróc bÊt ®èi xøng cña mét sè lo¹i mng polyme ®îc chÕ t¹o b»ng kü thuËt ®¶o pha.
II - Thùc nghiÖm
1. Hãa chÊt v thiÕt bÞ
- Xenlulo axetat tinh khiÕt; - Polyacrylonitril tinh khiÕt; - Axeton (98%);
- Formamit (98,5%);
- Dimetylformamit (98,5%);
- Dông cô v thiÕt bÞ t¹o mng;
- KÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt Scanning Electron Microscope (SEM), (JSM-5200, Jeol);
- ThiÕt bÞ phun phñ líp máng Pt hoÆc Au lªn mng polyme (Ion sputter E-1030, Hitachi).
2. Ph¬ng ph¸p thùc nghiÖm
VËt liÖu polyme ®îc ho tan trong dung m«i hoÆc hçn hîp dung m«i t¹o thnh dung dÞch cao ph©n tö (xenlulo axetat ®îc ho tan trong hçn hîp dung m«i axeton v formamit, polyacrylonitril ®îc ho tan trong dung m«i dimetylformamit). Dung dÞch cao ph©n tö ®îc g¹t thnh líp máng (dy kho¶ng 300 µm) trªn mét líp ®ì ph¼ng sau ®ã cho bay h¬i dung m«i
1
v ®«ng tô trong m«i trêng thÝch hîp (níc, etanol, metanol, glyxerol hoÆc hçn hîp …). Mng h×nh thnh ®îc röa s¹ch, lm kh« v c¸c mÉu mng ®îc phun phñ mét líp Au hoÆc Pt máng (dy kho¶ng 5 nm) tríc khi chôp SEM.
3. KÕt qu¶ thùc nghiÖm
a) CÊu tróc cña c¸c m)ng xenlulo axetat v) m)ng polyacrylonitril (PAN)
H×nh 1 l ¶nh chôp mÆt c¾t (cross-section) líp ho¹t ®éng (toplayer) v líp ®ì (sublayer) cña mng CA. H×nh 2 l ¶nh chôp mÆt c¾t, bÒ mÆt trªn (líp ho¹t ®éng) v bÒ mÆt díi (líp ®ì) cña mng PAN.
Cross-section
(mÆt c¾t )
Top-layer
(líp ho¹t ®éng)
H×nh 1: CÊu tróc bÊt ®èi xøng cña mng CA
Support-layer
(líp ®ì)
(mÆt c¾t) (bÒ mÆt trªn, ´200 lÇn) (bÒ mÆt díi, ´200 lÇn) H×nh 2: CÊu tróc bÊt ®èi xøng cña mng PAN
b) Sù thay ®æi cÊu tróc theo c¸c ®iÒu kiÖn chÕ t¹o m)ng
ViÖc thay ®æi c¸c ®iÒu kiÖn t¹o mng sÏ dÉn tíi sù thay ®æi vÒ cÊu tróc cña mng nh chiÒu dy líp ho¹t ®éng, ®é xèp líp ®ì, kÝch thíc lç .… C¸c h×nh 3, 4, 5, 6 v 7 l ¶nh chôp so s¸nh cÊu tróc cña mét sè mng siªu läc ®îc chÕ t¹o trong c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau theo nguyªn t¾c: khi thay ®æi mét th«ng sè chÕ t¹o no ®ã th× c¸c th«ng sè kh¸c ®îc gi÷ cè ®Þnh.
3. Th¶o luËn kÕt qu¶
CÊu tróc bÊt ®èi xøng cña c¸c lo¹i mng CA v PAN chÕ t¹o b»ng ph¬ng ph¸p ®¶o pha l
kh¸c nhau. ¶nh chôp qua SEM cho thÊy líp ®ì xèp cña mng CA cã cÊu tróc d¹ng tæ ong -spongy (h×nh 8a), cßn cÊu tróc líp ®ì xèp cña mng PAN cã d¹ng h×nh ngãn tay – finger (h×nh 8b). CÊu tróc v h×nh d¹ng cña lç xèp phô thuéc vo b¶n chÊt vËt liÖu cao ph©n tö v cã liªn quan ®Õn sù khuÕch t¸n cña chÊt ®«ng tô vo trong líp dung dÞch v sù chuyÓn dÞch cña dung m«i tõ trong líp dung dÞch polyme ra ngoi ®Ó h×nh thnh c¸c v¸ch lç xèp trong qu¸ tr×nh ®«ng tô.
2
(a) (b)
H×nh 3: MÆt c¾t cña mng chÕ t¹o tõ dung dÞch PAN 12% (3a) v 20% (3b)
(a) (b)
H×nh 4: MÆt c¾t líp ®ì xèp cña mng chÕ t¹o tõ dung dÞch CA 16% (a) v 21% (b)
(5a, ´ 200 lÇn) (5b, ´ 200 lÇn)
H×nh 5: BÒ mÆt díi cña mng PAN ®«ng tô ë 5oC (5a) v 20oC (7b), dd PAN 10%
CÊu tróc bÊt ®èi xøng cña mng h×nh thnh thay ®æi theo c¸c ®iÒu kiÖn chÕ t¹o. Nång ®é dung dÞch polyme cng cao, nhiÖt ®é ®«ng tô cng thÊp th× mng cng Ýt xèp, líp ho¹t ®éng
cng dy v ngîc l¹i, nång ®é dung dÞch t¹o mng cng thÊp, nhiÖt ®é ®«ng tô cng cao th× líp ho¹t ®éng cng máng v mng cng xèp. VÝ dô, kÕt qu¶ thùc nghiÖm ë trªn cho thÊy, víi cïng
3
thêi gian bay h¬i dung m«i (30 gi©y) v nhiÖt ®é m«i trêng ®«ng tô nh nhau (20oC), chiÒu dy líp ho¹t ®éng cña mng PAN t¨ng tõ kho¶ng 2µm tíi 20 µm (h×nh 3) khi nång ®é polyme t¨ng tõ 12% tíi 20% v ®é xèp cña mng gi¶m t¬ng øng tõ kho¶ng 80% xuèng 50%. MÆt kh¸c, khi nång ®é polyme kh«ng ®æi l 10% v thêi gian bay h¬i dung m«i cè ®Þnh trong 30 gi©y, nÕu t¨ng nhiÖt ®é ®«ng tô tõ 5oC lªn 20oC th× ®é xèp
cña mng PAN cã thÓ t¨ng tõ kho¶ng 60% ®Õn 85% v chiÒu dy cña líp ho¹t ®éng gi¶m tõ kho¶ng 5 µm xuèng 2 µm (h×nh 6). Tuy nhiªn, ®èi víi mng siªu läc v thÈm thÊu ngîc nãi chung, kÝch thíc lç cña líp ho¹t ®éng nhá ®Õn møc kh«ng thÓ quan s¸t ®îc qua kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt m thêng ph¶i ®¸nh gi¸ gi¸n tiÕp th«ng qua ®é lu gi÷ cña mng ®èi víi c¸c cÊu tö cã kÝch thíc x¸c ®Þnh [4].
(a) (b)
H×nh 6: MÆt c¾t líp ho¹t ®éng mng PAN ®«ng tô ë 5oC (a) v 20oC (b), dd PAN 10%
(7a) (7b)
H×nh 7: MÆt c¾t mng PAN ®îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu polyacrylonitril
cã TLPT 50.000 dalton (a) v 150.000 dalton (b), dung dÞch PAN nång ®é 12%
(a) (b)
H×nh 8: CÊu tróc líp ®ì xèp cña mng CA (a) v PAN (b)
4
§é xèp cña mng h×nh thnh phô thuéc vo tèc ®é cña qu¸ tr×nh chuyÓn pha khi ®a líp dung dÞch polyme vo m«i trêng ®«ng tô. Tèc ®é ®«ng tô thay ®æi theo c¸c ®iÒu kiÖn t¹o mng v phô thuéc m¹nh vo c¸c yÕu tè nh nång ®é dung dÞch polyme, thnh phÇn dung dÞch t¹o mng, b¶n chÊt vËt liÖu polyme, thêi gian bay h¬i dung m«i, nhiÖt ®é m«i trêng ®«ng tô, ¸i lùc cña dung m«i v chÊt ®«ng tô.… Trong qu¸ tr×nh ®«ng tô, dung m«i bªn trong líp dung dÞch khuÕch t¸n vo m«i trêng ®«ng tô ®ång thêi chÊt ®«ng tô khuÕch t¸n theo chiÒu ngîc l¹i, polyme sÏ chuyÓn dÇn tõ tr¹ng th¸i láng sang tr¹ng th¸i r¾n. Nång ®é polyme cng cao v nhiÖt ®é ®«ng tô cng thÊp th× tèc ®é ®«ng tô cng chËm v ®é xèp cña mng cng gi¶m. Qu¸ tr×nh ®«ng tô cã thÓ biÓu diÔn b»ng gi¶n ®å pha cña hÖ ba cÊu tö gåm polyme, dung m«i v chÊt ®«ng tô (h×nh 9) [5]. §êng AB l ®êng ®«ng tô, ®êng ®«ng tô cng Ýt dèc th× mng cng xèp v ngîc l¹i, ®é dèc cña ®êng ®«ng tô cng lín th× mng cng ®Æc khÝt. Tõ líp bÒ mÆt xuèng líp ®ì, nång ®é polyme trong líp dung dÞch t¹o mng gi¶m dÇn nªn ®é xèp cña mng t¨ng dÇn.
polyme thÝch hîp, cã thÓ t¹o ®îc mng víi cÊu tróc v tÝnh chÊt kh¸c nhau phï hîp víi yªu cÇu cña qu¸ tr×nh t¸ch.
polyme
B
A
dung m«i chÊt ®«ng tô
H×nh 9: Gi¶n ®å pha cña hÖ ba cÊu tö polyme/dung m«i/chÊt ®«ng tô
Ti liÖu tham kh¶o
IV - kÕt luËn
Mng siªu läc chÕ t¹o tõ vËt liÖu polyme theo ph¬ng ph¸p ®¶o pha cã cÊu tróc bÊt ®èi xøng gåm mét líp ho¹t ®éng máng ®Æc khÝt v mét líp ®ì xèp ë bªn díi líp ho¹t ®éng. CÊu tróc bÊt ®èi xøng cña mng cã liªn quan mËt thiÕt víi c¸c ®iÒu kiÖn chÕ t¹o nh nång ®é dung dÞch t¹o mng, nhiÖt ®é m«i trêng ®«ng tô, ¸i lùc t¬ng t¸c gi÷a dung m«i v chÊt ®«ng tô .... Ngoi ra, cÊu tróc xèp cña mng cßn phô thuéc m¹nh vo b¶n chÊt vËt liÖu polyme. B»ng c¸ch lùa chän c¸c ®iÒu kiÖn chÕ t¹o v vËt liÖu
1. M. Mulder. Basis Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers (1998.
2. Lª ViÕt Kim Ba, TrÇn Khiªm ThÈm, TrÇn ThÞ Dung. T¹p chÝ Hãa häc v C«ng nghiÖp ho¸ chÊt, sè 8, Tr. 65 (2000).
3. M. H. V. Mulder. Ph.D Thesis, University of Twente (1984).
4. R. W. Baker. Membrane Technology and Application, John Wiley and Sons (2004).
5. I. Pinnau. Ph.D Thesis, University of Texas at Austin (1991).
5
...
- tailieumienphi.vn
nguon tai.lieu . vn