Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
IV. 3.1.1. Электронная микроскопия
Электронная микроскопия является одним из методов определения характеристик мембран. Известны два основных электронномикроскопических метода — сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия. Из этих двух методов наиболее пригодным и простым для характеристики и исследования пористых структур микрофильтрационных мембран является сканирующая электронная микроскопия. При этом может быть изучена также тонкая структура и других асимметричных мембран. Разрешающая способность простых электронных микроскопов составляет 0,01 мкм (10 нм), в то время как диаметры пор микрофильтрационных мембран варьируют в пределах 0,1-10 мкм. Более совершенные электронные микроскопы позволяют получить разрешение около 5 нм (0,005 мкм).
Принцип работы электронного микроскопа показан на рис. IV-4. Узкий пучок электронов с кинетической энергией порядка
Филамент ^ Апертура —
Конденсор о Апертура —
Конденсор CZD Апертура —
Первичные электроны
Конденсор сз Апертура —
Прободержатель
Детектор
Вторичные электроны
Проба
Рис. IV-4. Принцип устройства сканирующего электронного микроскопа.
1-25 кВ попадает на образец мембраны. Электроны падающего пучка называют первичными или высокоэнергетическими электронами, а электроны отраженного пучка называют вторичными. Вторичные электроны (низкоэнергетические) не отражаются, а высвобождаются атомами, находящимися на поверхности; именно они формируют изображение, регистрируемое на экране или микрофотографии. При помещении мембраны или полимера под электронный пучок образец может сгореть или претерпеть какие-либо другие повреждения, зависящие как от природы полимера, так и от приложенного ускоряющего напряжения. Этих неприятностей можно избежать путем нанесения на образец проводящего слоя, как правило, тонкого слоя золота, предотвращающего заряжение поверхности. Соблюдение методики приготовления образца очень важно, хотя не всегда этому уделяется должное внимание; плохие методики приготовления образца являются источником артефактов. К другим важным проблемам в электронной микроскопии относятся проблема высушивания влажных образцов, поскольку капиллярные силы, возникающие в процессе высушивания, также могут привести к повреждениям структуры образца. Для предотвращения этого эффекта используются различные методики, а именно применение замораживающих ячеек или замещение воды в мембране перед высушиваем на какую-либо жидкость с более низким поверхностным натяжением.
Последний способ является наиболее простым. Вода имеет высокое поверхностное натяжение (7 = 72 мН/м), и замещение воды на другую жидкость с гораздо более низким поверхностным натяжением
Рис. IV-5. Верхний слой полиэфиримидной мембраны (фотография на сканирующем электронном микроскопе, увеличение 10000).
приводит к уменьшению капиллярных сил, возникающих в процессе высушивания. Выбор такой жидкости зависит от структуры мембраны, поскольку все эти жидкости не должны быть растворителями по отношению к материалу мембраны. Примером типичной последовательности жидкостей, применяемых в данной методике, может служить последовательность: вода, этанол, бутанол, пентан или гексан. Последний в этом ряду — алкан с очень низким поверхностным натяжением (т'гексан = 18,4 мН/м), легко удаляющийся из мембраны.
В случае полимеров с высокой или очень высокой сорбцией воды могут возникать дополнительные проблемы, связанные с повреждениями или изменениями структуры при высушивании. В подобных случаях необходимо использовать низкотемпературную сканирующую электронную микроскопию, используя микроскопы, снабженные криостатическими ячейками. Влажные образцы замораживаются жидким азотом и переносятся в криостат, где замороженная вода частично сублимируется. Замороженная вода снижает электронную проводимость; для этой же цели можно с помощью вакуумного напыления покрывать образец тонким слоем золота. Недостатками криометода являются невозможность достижения очень высоких увеличений без использования напыления и некоторая вероятность искажения структуры при замораживании. В то же время этот метод чрезвычайно полезен для исследования сильно набухающих образцов.
Сканирующая электронная микроскопия позволяет подробно разрешить структуру микрофильтрационных мембран: верхнюю и нижнюю поверхности, а также поперечное сечение. Кроме того, легко наблюдаются любые признаки асимметрии структуры. Рис. IV-5 показывает вид сверху (верхняя поверхность) пористой полиэфирамидной мембраны [2], разрешенный с помощью методов сканирующей электронной микроскопии. Микрофотографии такого типа позволяют оценить размер пор, распределение пор по размерам и поверхностную пористость, а также отчетливо визуализировать геометрию пор.
В заключение отметим, что сканирующая электронная микроскопия является простым и информативным методом определения характеристик микрофильтрационных мембран. Можно разрешить структуру мембраны: верхней и нижней поверхностей и поперечного сечения, а также оценить пористость и распределение пор по размерам. Необходимо соблюдать предосторожность, чтобы техника приготовления образца не искажала реальной пористой структуры.
