Đây là kết quả của nghiên cứu “Tổng hợp màng mỏng có định hướng của zeolit và vật liệu tương tự zeolit có cấu trúc lỗ xốp nhỏ, ứng dụng tách hỗn hợp khí Carbon oxit và Metan (CO2/CH4)” do TS. Phạm Cao Thanh Tùng cùng nhóm nghiên cứu Viện Công nghệ hoá học thực hiện.
Lợi ích của công nghệ màng mỏng
Công nghệ màng mỏng là một phương pháp tiện lợi và linh hoạt giúp phân tách hỗn hợp khí nhờ những ưu điểm nổi bậc như khả năng vận hành liên tục, chi phí vận hành và năng năng lượng thấp. Hơn nữa, công nghệ màng có thể dễ dàng được ứng dụng trong quy mô công nghiệp hơn là các phương pháp tách thông thường.
Các ngành công nghiệp quan trọng rất cần đến ứng dụng của công nghệ màng như tách không khí (N2/O2), thu hồi hydrogen từ hỗn hợp khí (H2/N2, H2/CO, H2/CO2, H2/Hydrocacbon), phân tách hydrocarbon (olefin/parafin, các đồng phân tuyến tính/phân nhánh…), thu hồi CO2 từ khí tự nhiên, khí lò, khí sinh học, khí tổng hợp (CO2/không khí, CO2/CH4, CO2/H2).
Màng hoạt động như các bộ lọc để tách một hoặc nhiều khí từ một hỗn hợp khí ban đầu bằng các cơ chế khác nhau như hòa tan/khuếch tán, hấp phụ/khuếch tán, rây phân tử và trao đổi ion. Các loại vật liệu có thể được sử dụng gồm chất hữu cơ (polymer) hoặc vô cơ (carbon, zeolite, gốm hoặc kim loại) và có cấu trúc xốp hoặc không xốp. Hai đặc điểm mô tả hiệu suất màng là lưu lượng khí qua màng và độ chọn lọc (sự ưu tiên của màng cho một chất khí đi qua so với những chất khí còn lại).
Phương pháp sử dụng màng polymer để tách khí không tốn nhiều hóa chất và năng lượng như các phương pháp khác. Tuy nhiên, lưu lượng khí xử lý được còn khá thấp. Vấn đề này có thể được cải thiện bằng cách nghiên cứu chế tạo những loại vật liệu có cấu trúc phù hợp.
Xuất phát từ thực tiễn trên, TS. Phạm Cao Thanh Tùng cùng nhóm nghiên cứu Viện Công nghệ hoá học đã thực hiện nghiên cứu “Tổng hợp màng mỏng có định hướng của zeolit và vật liệu tương tự zeolit có cấu trúc lỗ xốp nhỏ, ứng dụng tách hỗn hợp khí Carbon oxit và Metan (CO2/CH4)” với mục tiêu tổng hợp được màng mỏng rây phân tử trên đế màng xốp và ứng dụng màng trong thí nghiệm tách hỗn hợp khí CO2 và CH4, từ đó tìm ra phương pháp loại bỏ CO2 ra khỏi hỗn hợp khí một cách hiệu quả, phục vụ cho sản xuất quy mô công nghiệp.
Chế tạo thành công màng rây phân tử đa oxide trên cơ sở vật liệu xốp aluminophosphate
Từ những kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới, đề tài đề xuất hướng nghiên cứu tổng hợp màng mỏng rây phân tử sử dụng một số zeolite có cấu trúc lỗ xốp nhỏ để tách loại CO2 khỏi CH4.
Để đạt được những yêu cầu trên, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp 03 loại vật liệu xốp là silica zeolit DDR, AlPO-18, SAPO-34 với các kích thước tinh thể khác nhau, cố định và tạo một đơn lớp của từng loại tinh thể này trên các đế màng khác nhau. Các tinh thể trong đơn lớp này phải có tính đẳng hướng, đây là yếu tố quyết định tính đẳng hướng của sản phẩm màng cuối cùng. Các đế màng chứa các đơn lớp mầm tinh thể này tiếp tục được đưa vào phản ứng nhiệt thủy phân tạo thành một lớp màng liên tục.
Sau thời gian thực hiện, nhóm đã nghiên cứu và phát triển thành công phương pháp chế tạo màng rây phân tử đa oxide trên cơ sở vật liệu xốp aluminophosphate gồm AlPO-18, SAPO-34 và zeolite thuần silic Si-DDR bằng phản ứng khô không sử dụng hệ gel lỏng như phương pháp truyền thống.
Theo TS. Phạm Cao Thanh Tùng: "Phương pháp chế tạo của công trình nghiên cứu này đơn giản, ít tốn hóa chất, không tạo chất thải hóa học, thời gian chế tạo ngắn. Hiệu quả tách lọc hỗn hợp khí của các màng đạt hiệu quả cao hơn so với các màng đã được công bố trong những năm gần đây. Điều này hứa hẹn khả năng áp dụng vào sản xuất quy mô công nghiệp, ứng dụng trong các lĩnh vực xử lý môi trường (CO2) và tinh chế khí tự nhiên."
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo được đế màng xốp từ nguồn nguyên liệu trong nước có giá tiền thấp như cao lanh tự nhiên, silica-fumed công nghiệp, thỏa mãn các yêu cầu cơ bản của một sản phẩm đế mang sử dụng trong chế tạo màng mỏng.
| Zeolit là những vật liệu có cấu trúc xốp 3 chiều được sử dụng phổ biến trong vật liệu xúc tác, trao đổi ion, hấp phụ. Màng mỏng zeolit từ lâu đã được nghiên cứu sử dụng như một màng rây phân tử để tách nhưng hỗn hợp ở cấp độ phân tử. |
Phương Loan
