Màng composite là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về màng composite

Màng composite là hệ màng đa pha, kết hợp ít nhất hai thành phần cơ bản để tạo ra lớp màng có tính chất vượt trội so với màng đơn chất. Thành phần nền thường là polymer (PVDF, PES, PS…), trong khi pha chức năng có thể là hạt nano, sợi hoặc lớp mỏng phủ bề mặt. Sự phối hợp này giúp cải thiện độ bền cơ học, tính chống fouling, khả năng chọn lọc và ổn định về mặt hóa học.

Cấu trúc composite cho phép tùy chỉnh tính năng màng theo mục đích ứng dụng: tăng thông lượng, nâng cao khả năng giữ lại tạp chất, hoặc tăng độ bền dưới điều kiện nhiệt độ, áp suất cao. Màng composite được xem là giải pháp tối ưu cho nhiều quy trình lọc và tách trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Khả năng thiết kế pha chức năng theo kích thước, hình dạng và tính chất bề mặt giúp màng composite linh hoạt ứng dụng trong lọc nước, xử lý khí, và quá trình tách trong công nghiệp hóa chất. Việc điều chỉnh tỉ lệ pha cũng mang lại sự cân bằng giữa tính năng lọc và độ bền của màng.

Phân loại và thành phần cơ bản

• Polymer–hạt nano: Pha nền polymer (PVDF, PES, PS…) kết hợp với hạt nano như SiO₂, TiO₂, zeolite để tăng khả năng kháng bám bẩn và cải thiện độ hydrophilic của bề mặt.
• Polymer–sợi: Ma trận polymer pha trộn sợi carbon, sợi thủy tinh hoặc sợi polymer chức năng giúp nâng cao độ bền cơ học, chống kéo giãn ở áp suất cao.
• Lớp phủ bề mặt: Màng nền phủ sol–gel graphene oxide, metal–organic framework (MOF) hoặc polyvinyl alcohol (PVA), tăng khả năng loại bỏ ion, lọc phân tử và chống fouling.

Tỉ lệ pha nền và pha chức năng trong composite quyết định cấu trúc lỗ rỗng, kích thước lỗ và tính chọn lọc. Khi pha chức năng phân tán đồng đều, màng duy trì tính đồng nhất và ổn định lâu dài. Ngược lại, phân tán không đều có thể tạo vùng tập trung tạp chất và giảm hiệu năng.

Phương pháp chế tạo

Gieo màng (casting): Hoà tan polymer và pha chức năng trong dung môi, trải dung dịch lên bề mặt phẳng, tiếp đó sấy khô hoặc ngâm pha (phase inversion). Phương pháp này dễ kiểm soát độ dày và tỉ lệ rỗng.

Điện kéo sợi (electrospinning): Dung dịch polymer pha hạt chức năng được kéo thành sợi nano dưới điện trường, thu thành màng xốp có tỉ lệ rỗng cao và kích thước lỗ nano. Electrospinning cho phép điều chỉnh cấu trúc sợi theo điện áp, lưu lượng dung dịch và khoảng cách điện cực.

Phủ lớp mỏng (coating): Lớp sol–gel hoặc nhũ tương chứa pha chức năng được phủ lên màng nền, sau đó xử lý nhiệt hoặc chiếu UV để cố định. Phương pháp coating đơn giản, có thể áp dụng cho màng cuộn liên tục và dễ mở rộng quy mô công nghiệp.

• Điều kiện phase inversion: nhiệt độ, dung môi, chất kích tạo pha.
• Điều chỉnh điện trường electrospinning: điện áp 10–25 kV, lưu lượng 0.5–2 mL/h.
• Xử lý hậu: rửa dung môi dư, ổn định cơ học, khử tạp chất bề mặt.

Cấu trúc và đặc điểm vi mô

Cấu trúc vi mô của màng composite phụ thuộc vào kiểu phân tán pha chức năng và điều kiện chế tạo. Màng có thể có phân tầng (skin–layer) hoặc phân tán đồng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng và khả năng loại bỏ tạp chất.

Thành phần	Cấu trúc vi mô	Kích thước lỗ (nm)	Độ rỗng (%)
PVDF–SiO2	Phân tầng với skin–layer đặc	50–100	70
PES–TiO2	Đồng nhất, nhiều lỗ nano	20–50	60
PS–GO (graphene oxide)	Skin–layer mỏng, lỗ phân tán	30–80	65

Ảnh SEM mặt cắt ngang cho thấy rõ lớp mỏng skin–layer và lớp xốp bên dưới. Sự kết hợp phase inversion và coating có thể tạo màng composite với lớp chức năng dày trên 50 µm, đảm bảo khả năng giữ lại tạp chất cao mà vẫn giữ thông lượng tốt.

Cơ chế phân tách và vận chuyển

Vận chuyển qua màng composite có thể tuân theo một hoặc kết hợp nhiều cơ chế:

• Khuếch tán thụ động (Fickian diffusion): Các phân tử nhỏ hoặc ion di chuyển qua lỗ rỗng dựa trên gradient nồng độ.
• Lọc kích thước (Size exclusion): Pha chức năng với lỗ nano ngăn cản phân tử có kích thước lớn hơn đường kính lỗ.
• Hấp phụ chọn lọc (Adsorptive separation): Nhóm chức năng trên hạt nano hoặc MOF thu hút ion kim loại hoặc phân tử hữu cơ thông qua tương tác hóa học hoặc tĩnh điện.

Hiệu ứng tương tác hydrophilic/hydrophobic do phân bố nhóm chức năng bề mặt quyết định khả năng loại bỏ tạp chất vô cơ hoặc hữu cơ. Ví dụ, màng PVDF–SiO₂ ưu tiên loại bỏ chất hữu cơ nhờ nhóm –OH trên bề mặt hạt silica tạo vùng tương tác mạnh với các hợp chất hữu cơ phân cực.

Công thức Darcy cho dòng chảy qua màng có thể được áp dụng để mô tả mối liên hệ giữa áp suất ΔP, độ thấm k và thông lượng J:

$J = \frac{k\,\Delta P}{\mu \, \delta}$ trong đó μ là độ nhớt chất lỏng, δ là độ dày màng.

Đặc tính hiệu năng và thông số đánh giá

Các thông số quan trọng đánh giá hiệu năng màng composite bao gồm:

• Thông lượng (Flux): J = V/(A·t), với V là thể tích dịch qua màng, A diện tích màng, t thời gian vận hành.
• Khả năng loại bỏ (Rejection, R): R = (1 – C_p/C_f)·100%, trong đó C_p và C_f lần lượt là nồng độ chất tan trong nước qua màng và đầu vào.
• Chống fouling: Đánh giá bằng tỉ lệ giảm thông lượng sau chu kỳ vận hành, thường sử dụng chỉ số FRR (Flux Recovery Ratio).

Thông số	PVDF–SiO2	PES–TiO2	PS–GO
Flux (L·m−2·h−1)	120	95	110
Rejection (%)	98.5	96.2	97.8
FRR (%)	85	78	82

Các giá trị này thể hiện sự cân bằng giữa thông lượng cao và khả năng loại bỏ tạp chất. FRR trên 80% chứng tỏ màng composite có khả năng chống fouling tốt, phù hợp với vận hành liên tục.

Ứng dụng thực tiễn

Lọc nước và xử lý nước thải: Màng composite loại bỏ hiệu quả kim loại nặng (Cu²⁺, Pb²⁺), chất hữu cơ và vi khuẩn. Hệ pilot-scale ứng dụng màng PVDF–SiO₂ đã đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt WHO (WHO).

Phân tách khí công nghiệp: Màng composite MOF–PES được dùng để thu CO₂ từ hỗn hợp khí công nghiệp, giảm phát thải nhà kính. Hiệu suất tách CO₂ trên 90% đã được báo cáo trong điều kiện 2 bar (ACS Omega).

• Sản xuất nước siêu tinh khiết cho ngành điện tử.
• Xử lý nước thải y tế, loại bỏ hợp chất dioxin và chất kháng sinh.
• Ứng dụng trong lò phản ứng vi sinh để thu hồi sản phẩm lên men.

Thách thức và xu hướng phát triển

Ổn định cơ học và hóa học: Dưới áp suất cao và môi trường pH khắc nghiệt, màng có thể bị nứt hoặc lão hóa. Cải thiện liên kết pha và sử dụng polymer chịu hóa chất cao là hướng chính.

Đồng nhất pha chức năng: Phân tán không đều gây mất tính chọn lọc cục bộ và giảm tuổi thọ màng. Công nghệ sol–gel kết hợp siêu âm đang được nghiên cứu để phân tán hạt tốt hơn.

• Phát triển composite thân thiện môi trường: sử dụng polymer sinh học (chitosan, cellulose).
• Thiết kế màng thông minh: responsive membrane thay đổi kích thước lỗ theo môi trường.

Kỹ thuật khảo sát và mô hình hóa

Quan sát cấu trúc: SEM/TEM cung cấp hình ảnh bề mặt và mặt cắt ngang ở độ phân giải nano, cho phép đánh giá sự phân tầng và phân bố lỗ.

Phân tích hóa học: FTIR, XPS xác định nhóm chức năng và mức độ tương tác giữa polymer và pha chức năng.

Mô hình CFD: Sử dụng phần mềm OpenFOAM hoặc ANSYS Fluent kết hợp lý thuyết Darcy–Forchheimer để mô phỏng dòng chảy và truyền khối, dự báo hiệu năng màng trong quy mô công nghiệp.

Tài liệu tham khảo

• Mulder, M. “Basic Principles of Membrane Technology,” 3^rd ed., Springer, 2020. link.springer.com.
• Li, N.; Wang, P.; Zhang, X. “Nanocomposite Membranes for Water Treatment,” Membranes, MDPI, 2019. mdpi.com.
• Koros, W. J.; Ma, Y. “Future Directions in Membrane Gas Separation,” Curr. Opin. Chem. Eng., 2018. doi.org/10.1016/j.coche.2018.03.003.
• World Health Organization. “Drinking-water,” 2017. who.int.
• ACS Omega. “Mixed Matrix Membranes for CO₂ Capture,” 2020. pubs.acs.org.