KỸ THUẬT TRAO ĐỔI ION
Nguyên lý trao đổi ion
Vật liệu trao đổi ion có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn, giúp tăng diện tích tiếp xúc với dung dịch Nếu quá trình trao đổi ion chỉ diễn ra ở bề mặt ngoài của hạt, dung lượng trao đổi sẽ thấp, dẫn đến giá trị thực dụng không cao.
Vật liệu trao đổi ion tổng hợp là hợp chất cao phân tử với bề mặt riêng lớn, cho phép nhiều phân tử dung môi thấm vào Mặc dù có nhiều giả thuyết về cơ chế trao đổi ion, hiện nay chưa có sự thống nhất Tuy nhiên, trong công nghệ xử lý nước, giả thuyết cho rằng chất trao đổi ion có cấu trúc dạng keo là phù hợp nhất Theo quan điểm này, bề mặt cao phân tử của chất trao đổi ion chứa nhiều lớp điện tích kép tương tự như bề mặt keo.
Bề mặt cao phân tử của chất trao đổi ion bao gồm hai lớp ion: lớp ion bên trong gắn chặt với bề mặt và lớp ion ngược dấu ở bên ngoài, chẳng hạn như H+ Theo khái niệm về cấu tạo của thể keo, ion trong lớp điện kép được phân loại theo mức độ hoạt động thành lớp hấp phụ và lớp khuyếch tán.
Lớp ion có tính hoạt động thấp được hấp phụ chặt chẽ lên bề mặt cao phân tử, được gọi là lớp hấp phụ hoặc lớp cố định, bao gồm lớp ion bên trong và một phần ion ngược dấu Ngoài lớp hấp phụ, hoạt động của các ion này cao hơn, và lớp ion ngược dấu sẽ dần khuyếch tán vào dung dịch, được gọi là lớp khuyếch tán hoặc lớp có thể chuyển động.
Ion trong lớp bên trong được giữ lại nhờ liên kết hóa học với lõi cao phân tử, trong khi ion ngược dấu trong lớp hấp phụ bị giữ cố định bởi lực hấp dẫn của điện tích khác dấu Do lực hấp dẫn này tương đối nhỏ, các ion ngược dấu trong lớp khuyếch tán có khả năng di chuyển dễ dàng hơn nhờ vào chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) Kết quả là, số ion ngược dấu này sẽ dần khuyếch tán ra bề mặt các cao phân tử trong dung dịch.
Cần lưu ý rằng, ion ngược dấu trong lớp hấp phụ và lớp khuyếch tán có thể biến động do chuyển động nhiệt, dẫn đến sự thay đổi vị trí và đạt trạng thái cân bằng động Khi chất trao đổi ion tiếp xúc với dung dịch nước có chứa chất điện giải, chúng sẽ tương tác với lớp điện kép của nó.
Tác dụng trao đổi
Ion ngược dấu trong lớp khuyếch tán hoạt động trong dung dịch tương đối tự do, với tác dụng trao đổi ion chủ yếu xảy ra giữa các ion ngược dấu trong lớp khuyếch tán và trong dung dịch Quá trình trao đổi ion không chỉ giới hạn ở lớp khuyếch tán mà còn diễn ra trong dung dịch, nơi các ion ngược dấu trong lớp hấp phụ cũng có thể trao đổi vị trí lẫn nhau do quan hệ cân bằng động.
Các ion trong lớp khuyếch tán có năng lượng lớn nhất và hoạt động đồng nhất, dễ dàng trao đổi với các ion ngược dấu Trong khi đó, các ion ngược dấu gần ion lớp trong có năng lượng tương đối nhỏ và hoạt động kém hơn Tình trạng này tương tự như sự điện ly nhiều nấc của axit hoặc kiềm đa chức.
Tác dụng nén ép
Khi nồng độ muối trong dung dịch tăng cao, lớp khuyếch tán bị nén lại, dẫn đến sự chuyển đổi của nhiều ion ngược dấu trong lớp khuyếch tán thành ion ngược dấu trong lớp hấp phụ Điều này làm giảm phạm vi hoạt động của lớp khuyếch tán, gây bất lợi cho quá trình trao đổi ion Nếu nồng độ dung dịch hoàn nguyên quá lớn, không chỉ không cải thiện hiệu quả hoàn nguyên mà còn có thể làm giảm hiệu quả này.
Đặc trưng của vật liệu trao đổi ion
Vật liệu trao đổi ion hữu cơ được tổng hợp từ hợp chất cao phân tử, dẫn đến sự khác biệt về cấu tạo và tính năng tùy thuộc vào điều kiện chế tạo như tỉ lệ phối liệu và nhiệt độ trùng hợp Do đó, tính năng của sản phẩm xuất xưởng có thể khác nhau, ngay cả trong cùng một xưởng sản xuất Để đảm bảo chất lượng, cần có các chỉ tiêu thuyết minh rõ ràng cho tính năng của vật liệu trao đổi ion thương phẩm.
Suất ngậm nước của vật liệu trao đổi ion (nhựa) được xác định dưới tình trạng bảo đảm cho nhựa đủ ẩm và đủ độ nở
Khi vật liệu dạng keo được ngâm trong nước, thể tích của nó thay đổi đáng kể, hiện tượng này được gọi là nở Nguyên nhân là do gốc hoạt tính tương tác với nước, dẫn đến quá trình điện ly và sự hình thành ion điện ly, từ đó kích thích tác dụng Hydrat hóa, làm cho lỗ lưới liên kết của nhựa nở rộng Độ nở của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
- Độ liên kết càng nhỏ, độ nở càng lớn
Vật liệu trao đổi có khả năng điện ly cao sẽ có độ nở lớn hơn, đặc biệt là các vật liệu có tính acid mạnh và tính kiềm mạnh, đồng thời có dung lượng trao đổi lớn.
- Nồng độ chất điện giải trong dung dịch càng lớn, lớp điện kép bị ép co lại, độ nở càng nhỏ (do áp suất thẫm thấu tăng lớn)
Độ hydrat của ion có khả năng trao đổi ion lớn hơn khi bán kính ion hydrat tăng, dẫn đến độ nở lớn hơn Đối với chất trao đổi ion có tính acid mạnh và tính kiềm mạnh, thứ tự độ nở của chúng được xác định rõ ràng.
Các vật liệu có tính axit mạnh chuyển từ dạng NaR sang HR, trong khi vật liệu có tính kiềm mạnh chuyển từ RCl sang ROH, dẫn đến sự gia tăng thể tích khoảng 5%.
Trong quá trình vận hành, các vật liệu trao đổi ion có thể bị cọ sát và gây ra hiện tượng vỡ nứt, do đó, tính chịu mài mòn trở thành một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của chúng Độ bền cơ bản của vật liệu này đảm bảo rằng lượng tổn thất hàng năm không vượt quá 3-7%.
Vật liệu trao đổi ion là hợp chất cao phân tử không hòa tan trong nước, và trong sản phẩm cần đảm bảo không chứa lượng nhỏ vật liệu có độ trùng hợp thấp.
Vật liệu trùng hợp thấp có khả năng hòa tan dễ dàng, dẫn đến hiện tượng keo tan trong giai đoạn đầu sử dụng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tan của keo bao gồm độ liên kết của vật liệu trao đổi nhỏ, khả năng điện li của vật liệu trao đổi lớn, và bán kính ion Hydrat lớn Ngoài ra, nhiệt độ cao và quá trình ôxi hóa cũng có thể làm giảm tính ổn định của vật liệu trao đổi ion Đặc biệt, nhựa Anionit với tính kiềm mạnh có thể bị vỡ nứt thành các phân tử nhỏ, dẫn đến hiện tượng keo hòa tan Do đó, trong quá trình vận hành, cần lưu ý rằng chất trao đổi ion trong nước cất có xu hướng tan dễ hơn trong dung dịch muối, và dạng NaR thường tan tốt hơn dạng CaR.
Các loại vật liệu có giới hạn chịu nhiệt nhất định, và khi vượt qua nhiệt độ này, chúng có thể bị phân giải nghiêm trọng, không còn khả năng sử dụng Mỗi loại vật liệu, bao gồm nhựa Cationit, có khả năng chịu nhiệt khác nhau và cần được thử nghiệm để xác định nhiệt độ tối đa mà chúng có thể chịu đựng Đặc biệt, nhựa Cationit có thể chịu được nhiệt độ lên đến 100 độ C hoặc cao hơn.
Vật liệu nhựa Anionit có tính kiềm mạnh và khả năng chịu nhiệt lên đến 60°C, trong khi tính kiềm yếu có thể chịu được nhiệt độ từ 80°C trở lên Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm xuống 0°C hoặc thấp hơn, nước trong lỗ mắt của vật liệu sẽ đóng băng, dẫn đến việc giảm độ bền cơ của vật liệu và có thể gây ra hiện tượng vỡ nứt hạt.
Vật liệu trao đổi ion khô không dẫn điện, nhưng khi ẩm dẫn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng ion
1.4.7 Tính thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:
Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch
Ví dụ : Khi nước có chứa độ cứng đi qua vật liệu trao đổi ion, phản ứng của nó như sau:
Sau khi phản ứng trao đổi ion kết thúc, để phục hồi khả năng trao đổi ion, có thể sử dụng dung dịch Acid Sunfuric hoặc Acid Clohydric Phương pháp này tận dụng tính thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion, giúp khôi phục năng lực của chất trao đổi ion đã mất hiệu lực.
Hai phản ứng này thể hiện sự chuyển dịch của cân bằng hóa học trong phản ứng thuận nghịch Khi nồng độ Ca 2+ trong nước cao, phản ứng với chất trao đổi HR diễn ra theo chiều thuận Ngược lại, khi nồng độ Ca 2+ thấp, phản ứng sẽ diễn ra theo chiều nghịch.
Tính thuận nghịch là tính chất quan trọng của vật liệu trao đổi ion để có thể sử dụng nó lặp đi lặp lại nhiều lần
1.4.8 Tính lựa chọn của chất trao đổi ion:
Năng lực hút giữ ion của vật liệu trao đổi ion không đồng đều, với một số ion dễ bị hút nhưng khó trao đổi, trong khi một số ion khác khó hút nhưng dễ trao đổi Tính năng này, gọi là tính lựa chọn trao đổi ion, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi và tái sinh chất trao đổi ion, do đó rất quan trọng trong ứng dụng thực tế Tính lựa chọn chủ yếu phụ thuộc vào cấu tạo của ion bị hút, và có hai quy luật chính.
- Một là điện tích của ion càng lớn, càng dễ bị chất trao đổi ion hút bám
Khi so sánh các ion có cùng điện tích và số thứ tự nguyên tử lớn, bán kính Hydrat của ion nhỏ sẽ dễ bị hút bám hơn Đối với cationit, tính chọn lọc của nó đối với các loại ion thường gặp được sắp xếp theo thứ tự nhất định.
Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K + ≈ NH 4 + > Na + > Li +
QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÀNG
Mở đầu: Màng, Modul và kỹ thuật công nghệ màng
Màng là các cấu trúc phẳng cho phép một phần của chất lỏng hoặc khí đi qua, trong khi phần còn lại không thể xuyên qua.
Màng tế bào đóng vai trò quan trọng trong đời sống của mọi sinh vật, bảo vệ tế bào khỏi tác động bên ngoài và tham gia vào chức năng trao đổi chất Chúng cho phép một số chất đi qua trong khi giữ lại những chất khác, đảm bảo sự hoạt động hiệu quả của tế bào.
Hình 2.1: Mô tả quá trình phân riêng của công nghệ màng
Da của con người và động vật cho phép oxy thẩm thấu, trong khi thành ruột hấp thu chất dinh dưỡng và tế bào thận có khả năng thải muối cùng các chất độc Quá trình vận chuyển chất qua màng tế bào là ví dụ điển hình cho sự vận tải chọn lọc cao.
Giống như các màng tự nhiên, nhiều loại màng tổng hợp đã được phát triển từ các vật liệu và cấu trúc khác nhau, với cách sắp xếp và hoạt động đa dạng tùy theo nhu cầu sử dụng Một “Modul” màng (hình 2.1) được giới thiệu trong bối cảnh này.
Trang 20 nhất là 1) dòng cấp là dòng cần phải phân riêng và 2 dòng đi ra là dòng đi qua (permeat) và dòng còn lại (retentat hoặc Conzentrat) Khái niệm “Modul” được sử dụng trong kỹ thuật màng, bởi vì một thiết bị màng thường bao gồm nhiều modul giống hệt nhau- trong công nghiệp người ta sử dụng các modul màng phẳng; modul màng dạng cuộn (bó), trong đó các màng được xếp cách nhau 1 khoảng nhất định; modul màng dạng ống, modul màng dạng lò xo và modul màng dạng sợi rỗng trong đó gồm hàng ngàn sợi rỗng được ghép song song với nhau
Màng được sử dụng chủ yếu dựa trên kích thước hoặc khối lượng mol của các cấu tử cần tách, cùng với nguyên lý phân riêng và trạng thái tổ hợp của dòng tiếp xúc Có hai loại màng chính được phân loại: màng xốp và màng dày đặc.
Bảng 2.1: Hệ thống của các phương pháp công nghệ màng Động lực của quá trình
Cơ chế phân riêng Trạng thái tổ hợp
Các phần tử đi qua/ kích thước phần tử
Chênh lệch áp suất Cơ chế rây / hấp thụ và khuyếch tán Lỏng/lỏng
Siêu lọc Siêu lọc Thẩm thấu ngược Chênh lệch áp suất riêng phần
Hấp phụ + khuyếch tán + độ bay hơi Hấp phụ + khuyếch tán
Lỏng / khí Khí / khí Khí / khí
Thấm tách hơi Thấm tách hơi Thấm tách khí
Hấp phụ + khuyếch tán Lỏng/ lỏng Điện thấm tách Điện thấm tách lưỡng cực
Chênh lệch điện thế Vận chuyển
Lỏng/lỏng 1nm 0,1àm 10 àm, để phân tách các huyền phù, người ta sử dụng các màng xốp với kích thước mao quản khác nhau Tùy thuộc vào kích thước này, có thể phân biệt giữa vi lọc (Microfiltration - MF) và siêu lọc (Ultrafiltration - UF) Các màng vi xốp có khả năng phân tách các cao phân tử hòa tan, ví dụ như tách Albumin khỏi sữa tươi.
Màng lọc Nanofiltration (NF) có khả năng giữ lại tất cả các phân tử có khối lượng 300g/mol Nhờ vào tương tác tĩnh điện giữa các ion và vật liệu polymer, màng này có thể phân tách hiệu quả các ion hóa trị 1 và nhiều hóa trị khác.
Quá trình thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO) là phương pháp hiệu quả để tách hầu hết các chất tan khỏi nước, thường được sử dụng để sản xuất nước uống từ nước biển Tương tự như Nanofiltration (NF), quá trình này dựa vào các màng "dày đặc" và chênh lệch áp suất Trong khi đó, thấm tách (dialyse) dựa vào sự chênh lệch nồng độ của chất tan để vận chuyển Để phân tách các ion trong dung dịch, phương pháp điện thấm tách (Electric Dialyse - ED) sử dụng một điện trường bên ngoài làm động lực Đặc biệt, các màng điện thấm lưỡng cực (Bipolare ED-Membanen) có khả năng phân ly nước hoặc tách muối thành axit và kiềm, mang lại giải pháp chuyên biệt cho kỹ thuật tái chế.
Quá trình Pevaporation là một phương pháp đặc biệt trong đó cả hai phía của màng đều là pha lỏng, với quá trình bốc hơi xảy ra ở phía "sau" của màng "dày đặc" Dòng đi qua (Permeat) được thu thập ở dạng hơi, tương tự như quá trình chưng cất nhằm phân tách các chất bay hơi Phương pháp này không chỉ có khả năng phân riêng các hỗn hợp đẳng phí mà còn hiệu quả trong việc tách các hỗn hợp không thể tách bằng phương pháp chưng cất truyền thống.
Quá trình thấm khí bằng màng thấm khí (Gaspermeation GP) là phương pháp phân tách các hỗn hợp khí dựa trên chênh lệch áp suất Trong điều kiện bình thường, các chất này tồn tại ở trạng thái rắn hoặc lỏng, và quá trình phân tách bằng màng cho những chất này được gọi là thấm hơi (Vapor permeation).
Gần đây, các màng xốp đã được phát triển để sử dụng làm phương tiện tiếp xúc giữa các pha trong các quá trình phân riêng Những thiết bị tiếp xúc này hỗ trợ thực hiện các quy trình công nghệ cơ bản như chưng luyện, hấp phụ và trích ly Đặc biệt, màng xốp thường có dạng sợi rỗng, cung cấp bề mặt tiếp xúc pha lớn trên mỗi đơn vị thể tích thiết bị, giúp phân riêng hiệu quả các hỗn hợp mà các phương pháp chưng cất thông thường không thể xử lý.
Quá trình Pertraktion xảy ra khi các mao quản của màng trong thiết bị tiếp xúc chứa đầy chất lỏng, trong khi hai bên của màng là những chất lỏng không hòa tan Quá trình này cho phép trao đổi chất giữa hai chất lỏng có khả năng trộn lẫn, được sử dụng để chiết xuất hoặc cô đặc các kim loại nặng từ nước thải.
Các khái niệm cơ bản: Độ lựa chọn, dòng và phần còn lại
Để hiểu rõ về công nghệ màng, trước tiên cần nắm bắt mối quan hệ giữa các quá trình công nghệ và hiện tượng diễn ra trong một phân tố của màng, như được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 2.2: Xem xét sự phát triển của quá trình công nghệ màng
Kỹ thuật màng tập trung vào quá trình vận tải diễn ra trên bề mặt và bên trong các màng Trong các modul, quá trình này diễn ra dọc theo chiều dài của màng.
Trang 23 quá trình, các đại lượng công nghệ chẳng hạn, nồng độ… sẽ thay đổi Còn ở thiết bị màng có nhiều modul được ghép nối với nhau, cho nên ở quá trình tổng thể cần phải chú ý đến nồng độ thích hợp giữa thiết bị màng và các bậc phân riêng khác Về phương diện kinh tế mỗi một quá trình công nghệ màng, có 2 đặc trưng mang ý nghĩa quan trọng đó là:
Độ lựa chọn của màng là khả năng phân biệt các cấu tử khác nhau trong hỗn hợp, chẳng hạn như rượu với nước hoặc ion muối và nước.
(2) Năng suất của màng, là dòng đi qua có thể đạt được trong những điều kiện vận hành nhất định
Vấn đề năng suất là thứ yếu, vì tăng năng suất có thể đạt được bằng cách mở rộng diện tích bề mặt màng Tuy nhiên, khi độ lựa chọn thấp, cần thực hiện quá trình qua nhiều bậc Sản phẩm mong muốn của quá trình phụ thuộc vào độ lựa chọn của màng trong nhiệm vụ phân riêng, có thể là phần còn lại (Retentat) trước màng hoặc phần đi qua (Permeat) màng.
Cả dòng và độ lựa chọn đều là những đại lượng cục bộ, thay đổi dọc theo màng Ví dụ, trong thiết bị ghép nối các modul với 3 đầu ra, từ dòng cấp được phân riêng, ta thu được 2 dòng: dòng còn lại (Retentat) và dòng đi qua (Permeat) Nồng độ của cấu tử không đi qua (Retentat) sẽ tăng dần theo chiều dài thiết bị, dẫn đến nồng độ của nó trong dòng đi qua (Permeat) cũng tăng theo.
Dòng được tính trên 1 đơn vị bề mặt và 1 đơn vị thời gian (khối lượng/ bề mặt thời gian) người ta phân biệt
Dòng tổng thể và dòng riêng được xác định trong hệ thống sản phẩm, trong đó độ lựa chọn Sij thể hiện thành phần của sản phẩm thu được, ví dụ như trong hỗn hợp hai cấu tử.
Với x là nồng độ tính theo phần mol của dòng cấp với y là nồng độ của dòng đi qua, hoặc tính theo phần khối lượng:
Hình 2.3: Định nghĩa các đại lượng quan trọng trong các đặc trưng của màng
Hoặc với hỗn hợp 2 cấu tử
Dòng cấp Dòng còn lại
Các loại màng và cấu trúc màng
Hiện nay, thị trường xuất hiện nhiều loại màng với độ chọn lọc cao và độ bền tốt, được nhiều công ty trên toàn cầu cung cấp Doanh thu từ việc bán màng và các mô-đun trong năm 2000 đã vượt qua 5 tỷ Euro, với mức tăng trưởng hàng năm đạt từ 8 đến 12%.
Các loại màng thương mại hiện nay đã được tối ưu hóa về độ chọn lọc và năng suất cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, đồng thời ngày càng có độ bền cơ học, bền hóa học và ổn định nhiệt cao hơn Tuy nhiên, tiêu chuẩn kỹ thuật của các nhà sản xuất màng khác nhau không đồng nhất, dẫn đến khó khăn trong việc so sánh chúng Hiện tại, chưa có một chuẩn mực chung nào cho việc kiểm tra các loại màng, do đó người sử dụng chỉ có thể tự kiểm tra chất lượng màng thông qua các phòng thử nghiệm hoặc quy trình bán sản xuất.
Các loại màng hiện nay được phát triển chuyên biệt để đáp ứng các yêu cầu và mục đích sử dụng khác nhau Chất lượng và năng suất của từng loại màng được khẳng định thông qua các phương pháp công nghệ riêng biệt.
Màng được phân loại chủ yếu dựa vào vật liệu chế tạo, bao gồm màng sinh học từ các vật liệu tự nhiên với lớp lipid dày khoảng 8nm và các protein vận chuyển Màng sinh học rất quan trọng cho mọi cơ thể sống vì chúng bảo vệ tế bào và thực hiện quá trình trao đổi chất giữa tế bào và môi trường Ngoài ra, màng tổng hợp được chia thành màng lỏng và màng rắn, trong đó màng rắn có thể được làm từ vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ Màng polyme hiện đang được sử dụng rộng rãi, trong khi màng vô cơ đã được ứng dụng từ những ngày đầu phát triển công nghệ màng.
Màng có thể được chế tạo từ sự kết hợp giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ, trong khi màng chất lỏng hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển Sự phân biệt giữa các loại màng chủ yếu dựa vào cấu trúc của chúng, điều này liên quan chặt chẽ đến cơ chế phân riêng và phạm vi ứng dụng của từng loại.
Các màng cấu trúc xốp được ứng dụng trong kỹ thuật vi lọc, siêu lọc và thấm tách, trong khi các màng không xốp thường được sử dụng trong thẩm thấu ngược, thấm tách khí, lọc Nano và điện thấm tách Đối với màng không xốp, bản chất vật liệu rất quan trọng, dẫn đến việc phân chia thành màng phân cực và không phân cực, cũng như vật liệu thấm ướt và không thấm ướt, ảnh hưởng đến độ thấm ướt của màng Ngoài ra, màng dẫn điện được phân loại thành màng kim loại và màng dẫn ion.
Màng được phân loại theo công nghệ chế tạo, bao gồm màng hữu cơ không cân đối, chia thành hai loại: màng đảo pha không cân đối, được làm từ một loại polymer duy nhất, và màng composite không cân đối phức hợp, sử dụng nhiều loại polymer khác nhau Các màng không cân đối có cấu trúc với một lớp hoạt động mỏng, được "Mang-Tựa" trên một chất mang xốp, mà chất mang này không ảnh hưởng đến khả năng phân riêng và năng suất của màng.
Hình 2.4: Phân loại màng theo vật liệu và phương pháp chế tạo
Màng cân đối không chỉ chịu ảnh hưởng từ trở lực vận tải mà còn phụ thuộc vào đặc trưng của lớp phủ hình thành trên bề mặt màng trong quá trình hoạt động.
Các màng hữu cơ
Ngày nay các loại màng được sử dụng chủ yếu trong kỹ thuật thường là màng được chế tạo từ vật liệu Polymer
2.4.1 Vật liệu màng và lựa chọn vật liệu:
Hiện nay, việc chế tạo màng sử dụng nhiều loại Polymer và hỗn hợp Polymer, bao gồm cả Polymer thiên nhiên như Cellulose, Acetobutyrat, Cellulose nitrat, và các sản phẩm Polymer tổng hợp như PE, PP, Polyacrylnitril, PVC Lựa chọn vật liệu chế tạo màng không phải ngẫu nhiên mà cần dựa trên các yêu cầu cụ thể về cấu trúc của Polymer Cấu trúc này quyết định các tính chất quan trọng của màng như độ bền nhiệt, bền hóa học và độ bền cơ học, đồng thời ảnh hưởng đến cấu trúc của màng, chẳng hạn như độ thấm của polymer đối với các thành phần khác.
Một số loại Polymer đang được dùng để chế tạo màng:
R = - H , - CH 3 , - CN , - OH , - COOCH 3 , - Cl……
Poly vinyliden fluorid (- CH 2 -CF 2 -) n
Poly tetraflor ethylen (- CF 2 -CF 2 -) n
2.4.2 Xem xét các quá trình màng trên quan điểm phân tử- dự đoán độ thấm của các màng dày đặc: Ở các màng dày đặc, độ thấm phụ thuộc vào độ hòa tan và độ linh động của chất đi qua trong pha màng Có thể quan sát sự phụ thuộc đó trên (hình 2.5): độ thấm của các n.Alkan trong màng Polydimetylsiloxan Độ hòa tan của các Alkan trong màng tăng khi phân tử lượng của chúng tăng, ngược lại, hệ số khuyếch tán lại giảm và có thể nhìn thấy độ thấm tương đối đạt cực đại với Pentan
Cơ chế vận tải và phân riêng trong quá trình thấm hơi (Pervaporation) liên quan đến cấu trúc ngẫu nhiên và các quá trình động lực trong Polymer Các quá trình này được hình thành từ sự xuất hiện các kênh-rãnh giữa các không gian rỗng trong mạng lưới Polymer, với "thời gian sống" của các kênh này chỉ trong khoảng Pico đến Nano giây Các kênh-rãnh cho phép các phân tử "nhảy" từ không gian trống này sang không gian trống khác, và quá trình này có thể được mô tả và tính toán thông qua lý thuyết nhiệt động thống kê hoặc các quy luật xác suất, sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo với các điều kiện biên thích hợp.
Mô phỏng động lực học phân tử cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về các quá trình trong hệ thống phân riêng màng so với phương pháp thực nghiệm Hiểu biết về các cơ chế cơ bản của quá trình vận tải chất và năng lượng trong màng là chìa khóa để phát triển những vật liệu mới, phù hợp hơn cho việc chế tạo màng.
Độ thấm tương đối của các chất trong dãy đồng đẳng n-Alkan, tính đối với Pentan, trong màng Polydimetylsiloxan được thể hiện như một hàm số của khối lượng phân tử của chúng.
2.4.3 Các màng hữu cơ không cân đối:
Khi yêu cầu dòng đi qua đạt mức tối đa, lớp hoạt động của màng cần phải rất mỏng, điều này quyết định năng suất của màng Quan điểm này áp dụng cho cả màng hữu cơ và màng vô cơ.
Ngày nay, các màng mỏng được chế tạo chủ yếu là màng không cân đối, bao gồm một lớp hoạt động rất mỏng trên nền chất mang xốp, không ảnh hưởng đến quá trình phân riêng Các màng không cân đối có thể được phân loại thành màng đồng nhất và màng có cấu trúc phức tạp.
Màng đồng nhất được chế tạo bằng phương pháp đảo pha, trong đó lớp hoạt động và lớp cấu trúc phía dưới đều sử dụng một loại polymer nhưng khác nhau về cấu trúc xốp và kích thước mao quản Sự chuyển tiếp giữa hai phần cấu trúc này gần như liên tục Đối với các màng không cân đối phức hợp, một lớp polymer rất mỏng được áp dụng lên cấu trúc xốp tế vi Những màng phức hợp này cho phép phân tách hiệu quả giữa lớp hoạt động và lớp chất mang xốp, nhằm tăng cường độ chọn lọc và mật độ dòng.
Các loại màng hiện nay bao gồm màng xốp và màng dày đặc, bên cạnh các màng truyền thống, còn có những màng mới như màng phức hợp nhiều lớp và màng polymer có chứa các chất vô cơ Bài viết này sẽ tóm tắt quá trình chế tạo một loại màng cụ thể.
Hình 2.6: Cấu trúc các màng hữu cơ không cân đối
Trang 30 a/ Kỹ thuật chế tạo màng đảo pha:
Vào những năm 60 của thế kỷ XX, màng đảo pha không cân đối lần đầu tiên được chế tạo, cho phép thực hiện quá trình thẩm thấu ngược Màng khuyếch tán hòa tan không cân đối có mật độ dòng đi qua cao gấp 50-100 lần so với màng cân đối, mở ra triển vọng sản xuất nước uống từ nước biển Công nghệ này đã bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ năm 1960.
Vật liệu truyền thống để chế tạo màng đảo pha là:
* Celluloseacetat (chẳng hạn Cellulose -2- Acetat, - 3- Acetat và - 2- 5- Diacetat)
Quá trình tạo màng đảo pha yêu cầu một hệ thống gồm ba thành phần chính: polymer, dung môi và chất trợ lắng Hình thành màng đảo pha cần tuân theo một sơ đồ cụ thể để đảm bảo hiệu quả.
1 Chế tạo một dung dịch Polymer đồng nhất với độ nhớt thích hợp
2 Kéo dung dịch Polymer thành một màng mỏng
3 Bốc hơi 1 phần dung môi
Dung dịch polymer đồng nhất cần được trải đều trên một bề mặt phẳng, như đĩa thủy tinh, với độ dày từ 0,2 đến 0,5mm Sau đó, một phần dung môi sẽ được bay hơi khỏi màng tạo thành Đối với màng Cellulose Acetat sử dụng dung môi Aceton, quá trình bay hơi dung môi nên được thực hiện ở nhiệt độ thích hợp.
Hình 2.7: Ảnh một màng đảo pha polyamide (a) và một màng sợi rỗng (b)
Trang 31 thường Trường hợp chế tạo các màng khác với dung môi có nhiệt độ sôi cao hơn chẳng hạn Trimetyl Acetamid, quá trình bốc hơi phải tiến hành trong tủ sấy ở nhiệt độ 60-120 o C với sự tuần hoàn không khí rất mạnh Quá trình bốc hơi dung môi sẽ làm giàu polymer trên lớp bề mặt của dung dịch Bước tiếp theo là kết tủa polymer
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thiết bị sản xuất liên tục màng đảo pha
6 Bể trao đổi dung môi
7 Màng đi xử lý tiếp
Ngoài các màng dày đặc đã đề cập, quá trình đảo pha còn cho phép chế tạo các màng có lớp hoạt động xốp mà không cần thực hiện công đoạn bốc hơi sơ bộ và xử lý nhiệt Hình 2.9 minh họa một màng lọc xốp được chế tạo theo phương pháp này.
Hình 2.9: Ảnh của một số màng xốp
Các loại màng được sản xuất bằng công nghệ đảo pha vẫn chiếm ưu thế trên thị trường, mặc dù tồn tại một số nhược điểm.
Phương pháp nhúng
Ở phương pháp này (“Dip-coating) tạo ra lớp màng hoạt động dày khoảng 1m trên màng phẳng hay trên màng sợi rỗng Hình 2.11 mô tả sơ bộ phương pháp
Trang 34 công nghệ Màng phải phủ đã có một lớp bảo vệ được nhúng vào một dung dịch polymer hoặc dung dịch monomer loãng (