Công nghệ màng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong quá trình lọc và phân tách. Một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất của màng là tính ưa nước, điều này liên quan chặt chẽ đến sự tương tác của màng với các phân tử nước. Tính ưa nước có thể được đánh giá bằng cách đo góc tiếp xúc nước (WCA), một phép đo xác định góc được hình thành giữa một giọt nước và bề mặt màng. Góc tiếp xúc càng thấp cho thấy màng càng ưa nước, tức là có khả năng hút nước cao, trong khi góc tiếp xúc cao hơn biểu thị bề mặt kỵ nước.
.jpg)
Nói chung, tính ưa nước của màng làm tăng khả năng tương tác với nước. Sự tương tác này thúc đẩy hình thành các liên kết hydro giữa các phân tử nước và bề mặt màng, dẫn đến việc cải thiện quá trình vận chuyển nước qua màng. Những cải tiến này rất quan trọng trong các ứng dụng như lọc, nơi tính ưa nước cao hơn có thể làm tăng dòng nước, giảm hiện tượng bám bẩn, và nâng cao hiệu quả của quá trình phân tách (Zhao 2015; Yin và Deng 2015).
Ảnh hưởng của chất phụ gia lên tính ưa nước của màng
Việc bổ sung các chất phụ gia khác nhau vào công thức màng là một chiến lược phổ biến để điều chỉnh tính ưa nước của màng. Đặc biệt, các chất phụ gia khác nhau có thể thay đổi hóa học và cấu trúc bề mặt của màng, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến WCA.
Quan sát về góc tiếp xúc nước
Trong nghiên cứu này, tác động của các chất phụ gia khác nhau lên tính ưa nước của màng được đánh giá bằng cách đo WCA trên các màng với các công thức khác nhau, được ký hiệu là M0, M1, M2, M3 và M4 với tỷ lệ chất phụ gia khác nhau. Kết quả cho thấy xu hướng không tuyến tính của WCA khi tỷ lệ chất phụ gia tăng lên.
M0 (Màng Polyvinylidene Fluoride nguyên chất - PVDF): WCA của M0 được đo ở mức 86°, cho thấy màng nguyên chất này có tính ưa nước thấp nhất. Giá trị WCA cao biểu thị bề mặt kỵ nước, phù hợp với các đặc tính đã biết của PVDF, thường có ái lực với nước thấp do bản chất không phân cực của nó (Zhang et al. 2022; Ike et al. 2017).
M1 và M2 (Tỷ lệ chất phụ gia thấp): Việc bổ sung chất phụ gia vào công thức màng đã dẫn đến sự giảm WCA đối với các màng M1 và M2, với các giá trị lần lượt là 82° và 78°. Sự giảm này cho thấy tính ưa nước tăng lên, ngụ ý rằng các chất phụ gia đã giúp tăng cường ái lực của màng với nước. Tính ưa nước cải thiện có thể là do sự thay đổi hóa học bề mặt, giúp tăng cường các liên kết hydro giữa các phân tử nước và bề mặt màng. Tương tác này làm tăng tốc quá trình vận chuyển nước qua ma trận màng, cải thiện hiệu suất trong môi trường nước (Zhao 2015; Yin và Deng 2015).
M3 và M4 (Tỷ lệ chất phụ gia cao): Thú vị là khi tỷ lệ chất phụ gia tiếp tục tăng lên ở các màng M3 và M4, giá trị WCA bắt đầu tăng trở lại, lần lượt đạt 97° và 101°. Điều này cho thấy ở nồng độ chất phụ gia cao hơn, màng trở nên kỵ nước hơn. Sự gia tăng WCA có thể được lý giải do sự hiện diện quá mức của các chất phụ gia, có thể dẫn đến sự phân tách pha hoặc sự tập hợp trên bề mặt màng. Những hiện tượng này có thể làm giảm ái lực của màng với nước, dẫn đến tính kỵ nước tăng lên.
Tác động của sự thay đổi WCA đến hiệu suất màng
Sự biến đổi của WCA trên các màng khác nhau nhấn mạnh mối quan hệ phức tạp giữa nồng độ chất phụ gia và tính ưa nước của màng. Ở nồng độ thấp hơn, các chất phụ gia dường như làm tăng tính ưa nước của màng, được thể hiện qua sự giảm giá trị WCA đối với M1 và M2. Hành vi này có thể xuất phát từ các biến đổi hóa học bề mặt giúp tạo liên kết mạnh hơn với các phân tử nước, qua đó tăng cường quá trình vận chuyển nước qua màng.
Ngược lại, ở nồng độ chất phụ gia cao hơn (như M3 và M4), lợi ích về tính ưa nước của các chất phụ gia dường như giảm đi, được thể hiện qua sự tăng của các giá trị WCA. Sự chuyển đổi sang tính kỵ nước có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất màng bằng cách giảm lưu lượng nước và tăng khả năng bị bám bẩn. Hơn nữa, giá trị WCA cao hơn có thể gợi ý rằng bề mặt màng trở nên ít tương thích hơn với môi trường nước, điều này không có lợi trong các ứng dụng lọc.
Tính ưa nước của màng là yếu tố then chốt đối với hiệu suất tổng thể của nó, đặc biệt trong các quy trình có sự tương tác đáng kể với nước. Khả năng kiểm soát tính ưa nước thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ chất phụ gia là điều cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của màng trong các ứng dụng thực tế.
Kết luận
Ảnh hưởng của việc bổ sung các chất phụ gia khác nhau lên tính ưa nước của màng, thể hiện qua góc tiếp xúc nước (WCA), cung cấp những hiểu biết có giá trị về thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất màng. Nghiên cứu cho thấy rằng trong khi nồng độ chất phụ gia thấp có thể làm tăng tính ưa nước, việc sử dụng quá nhiều có thể dẫn đến tính kỵ nước cao hơn. Hiểu được mối quan hệ này là rất quan trọng để phát triển các màng đạt được sự cân bằng tối ưu giữa tính ưa nước và hiệu suất.
Nồng độ chất phụ gia tối ưu phải được lựa chọn cẩn thận để tối đa hóa tính ưa nước mà không làm giảm tính toàn vẹn hoặc khả năng vận chuyển nước của màng. Như đã được chứng minh qua sự thay đổi của WCA, việc tinh chỉnh tỷ lệ chất phụ gia trong công thức màng là một công cụ mạnh mẽ để cải thiện hiệu suất của màng trong các ứng dụng liên quan đến nước.