En
SEM Application Data Sheet (SHEET No.254)
Tác giả: Feifei Wang, Hitachi High-Tech Scientific Solution (Beijing) Co., Ltd.
Tổng quan và Ý nghĩa phân tích
Màng lọc nước thường được sử dụng để loại bỏ chất hữu cơ và các chất gây màu trong nước mặt, làm giảm độ cứng của nước ngầm và giảm lượng muối hòa tan. Hiệu suất lọc vượt trội của màng có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc của lớp chức năng cũng như lớp nền nhằm giữ lại và tách biệt các chất có khối lượng phân tử cụ thể. Do đó, việc quan sát và phân tích cấu trúc mặt cắt ngang của màng lọc nước đóng vai trò quan trọng trong việc cải tiến liên tục hiệu suất của chúng.
Thiết bị mài ion có thể chuẩn bị một mặt cắt ngang thực tế của loại màng lọc nước này mà không gây ra bất kỳ ứng suất cơ học hay tổn thương nhiệt nào, nếu mẫu được giữ ở nhiệt độ thấp. Báo cáo này hiển thị kết quả mài cắt mặt cắt ngang của màng lọc nước sử dụng thiết bị ArBlade5000 của Hitachi kết hợp bộ kiểm soát nhiệt độ làm lạnh (CTC), làm lộ rõ sự phân bố cấu trúc của các lớp chức năng siêu lọc và lớp nền bằng vải màng.
Điều kiện thử nghiệm và Thông số thiết bị
- Mẫu thử: Mặt cắt ngang của màng lọc nước.
- Thiết bị mài ion: ArBlade5000 kết hợp bộ làm lạnh CTC.
- Điện áp gia tốc mài ion: 4 kV.
- Thời gian mài: 3.5 h.
- Nhiệt độ mài: -40°C.
- Thiết bị SEM: SU8600.
- Điện áp gia tốc SEM: 0.5 kV.
- Độ phóng đại: 800x (đối với cấu trúc tổng thể) và 20 kx (đối với lớp chức năng).
- Tín hiệu thu nhận: UD-BSE.
Phân tích kết quả cấu trúc qua hình ảnh SEM
Hình 1: Kết quả cắt mặt cắt ngang của màng lọc nước
Hình ảnh cho thấy toàn bộ mặt cắt ngang phân tách rõ ràng thành hai phần chính: lớp chức năng siêu lọc (Ultrafiltration functional layer) ở phía trên và lớp nền (Supporting layer) ở phía dưới.
Hình 2: Sự thay đổi cấu trúc của lớp chức năng siêu lọc từ vùng ngoài (a) vào vùng trong (c)
Các bức ảnh (a), (b) và (c) hiển thị cấu trúc vi mô phóng đại của lớp chức năng siêu lọc từ vùng bên ngoài vào vùng bên trong, thể hiện các đặc điểm cơ chế:
- Cấu trúc vật liệu xốp: Lớp này được cấu tạo từ vật liệu xốp có kích thước lỗ xốp tăng dần từ ngoài vào trong. Kích thước lỗ xốp nhỏ trên bề mặt (vùng ngoài a) giúp ngăn chặn hiệu quả các chất ô nhiễm có kích thước phân tử lớn, đảm bảo hiệu quả lọc.
- Tối ưu hóa dòng chảy: Cấu trúc với kích thước lỗ xốp tăng dần vào trong (vùng b và c) giúp giảm lực cản dòng chảy và tăng lưu lượng nước. Thiết kế này giúp màng lọc vừa đảm bảo hiệu quả độ chọn lọc cao, vừa đạt được quá trình lọc công suất lớn.
- Lớp polyamide cốt lõi: Một lớp polyamide dày khoảng 200 nm được quan sát thấy ở tầng ngoài cùng của màng lọc. Đây chính là lớp chức năng cốt lõi đóng vai trò then chốt trong quá trình tách chọn lọc, quyết định tỷ lệ loại bỏ cao đối với muối và các chất ô nhiễm hòa tan khác. Lớp polyamide yêu cầu phải có cấu trúc đặc khít và độ dày siêu mỏng khoảng 100-200 nm nhằm đảm bảo lực cản dòng nước đi qua màng chắn này là nhỏ nhất. Việc đạt được lưu lượng nước tinh khiết đáng kể ở áp suất vận hành thấp hơn là đặc tính cốt lõi hướng tới hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.
Kết luận
Bằng phương pháp mài ion sử dụng thiết bị ArBlade5000 kết hợp bộ kiểm soát nhiệt độ làm lạnh, mặt cắt ngang thực tế của màng lọc nước đã được chuẩn bị mà không chịu ứng suất hay tổn thương cơ – nhiệt. Điều này không chỉ cho phép quan sát một cách thực tế và trực quan sự thay đổi kích thước lỗ xốp từ ngoài vào trong của lớp chức năng siêu lọc, giúp giải thích về mặt cơ chế cho hiệu suất lọc công suất lớn của màng, mà còn giúp trực quan hóa độ đặc khít và độ dày của lớp polyamide để đánh giá độ chính xác cũng như hiệu quả tiết kiệm năng lượng của màng lọc nước này.
Cấu hình thiết bị đề xuất
| Cấu hình đề xuất | Ghi chú |
|---|---|
| Máy mài ion ArBlade5000 | Thiết bị chuẩn bị mẫu |
| Hệ thống điều khiển nhiệt độ làm lạnh | Bộ kiểm soát nhiệt độ CTC |
Từ khóa: Màng hữu cơ / Màng lọc nước / Mài ion / Mài ion mặt cắt ngang có làm lạnh