Công nghệ màng mỏng đang trở thành 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. Các loại zeolite chứa lổ xốp nhỏ như AlPO-18, SAPO-34, DDR có đường kính mao quản là 3.6-3.8 Å trong khi kích thước phân tử CO2 là 3.3 Å và CH4 là 3.8 Å, nên các màng mỏng zeolite nói trên có khả năng tách được hỗn hợp khí CO2/CH4. Các nghiên cứu tổng hợp màng zeolite AlPO-18, SAPO-34, DDR và ứng dụng tách hỗn hợp khí CO2/CH4 đã có nhiều kết quả khả quan. Tuy nhiên, màng tổng hợp trong các nghiên cứu này đều được tạo thành từ phản ứng trong gel, dẫn đến lượng hóa chất hao tổn lớn và màng khá dày, làm giảm khả năng cho khí đi qua.

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 tổng hợp được màng mỏng rây phân tử trên đế mang 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.

Trong nghiên cứu, đề tài đã có những nội dung nghiên cứu thực nghiệm:

Chế tạo màng mỏng màng mỏng AlPO-18, SAPO-34, và Si-DDR trên đế mang xốp bằng phản ứng không gel.

Chế tạo màng mỏng trên đế mang xốp gồm các bước sau:

Chế tạo đế mang xốp: Đế mang xốp có tác dụng vừa làm giá đỡ bên dưới cho màng phát triển ở phía trên, vừa là nguồn cung cấp các yếu tố cần thiết như Si và Al để màng hình thành. Bột cao lanh và bột silica fumed công nghiệp (tro bay) là loại vật liệu rẻ tiền, sẵn có, trong hai loại này có thành phần SiO2 và Al2O3 có thể làm nguồn Si và Al cho tổng hợp zeolite. Vì vậy, trong nghiên cứu này, đế mang xốp được chế tạo từ hai nguồn là bột cao lanh công nghiệp và bột silica fumed công nghiệp ở Việt Nam.

Tổng hợp tinh thể mầm AlPO-18, SAPO-34, và Si-DDR: Tinh thể mầm được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt theo quy trình đã được thực hiện rộng rãi trong nhiều nghiên cứu trước đây và được cải tiến cho phù hợp hơn với điều kiện nghiên cứu.

Chế tạo lớp mầm tinh thể lên trên đế mang xốp: Tinh thể mầm AlPO-18, SAPO-34, và SiDDR sau khi tổng hợp sẽ được phủ lên bề mặt của đế mang xốp bằng hai cách hút chân không và phủ xoa bề mặt. Sự sắp xếp và phân bố của lớp mầm tinh thể rất quan trọng cho sự hình thành màng. Màng mỏng hình thành bằng sự phát triển và liền lại với nhau của các tinh thể zeolite từ lớp mầm ban đầu. Lớp tinh thể mầm sắp xếp đồng đều, đẳng hướng, phủ kín gần như hoàn toàn bề mặt đế mang sẽ giúp tạo được lớp màng mỏng sắp xếp đẳng hướng và phủ kín đế mang.

Chế tạo màng mỏng AlPO-18, SAPO-34, và Si-DDR bằng phản ứng không gel: Cho đến nay, các nghiên cứu trên thế giới về tổng hợp màng AlPO-18, SAPO-34, và Si-DDR đều sử dụng phương pháp tổng hợp trong gel. Phương pháp này có nhược điểm là sử dụng lượng hóa chất lớn, thải bỏ lượng gel thừa ra môi trường và sử dụng nhiều nước đề rửa sạch sản phẩm sau khi phản ứng. Bên cạnh đó phương pháp này khó kiểm soát các đặc tính về độ dày và tính đẳng hướng của màng. Phương pháp không gel đã được sử dụng trong tổng hợp màng silicalite-1. Phương pháp này khắc phục được các nhược điểm của phương pháp tổng hợp trong gel nói trên và thân thiện hơn với môi trường. Nghiên cứu này tiến hành tổng hợp màng mỏng AlPO-18, SAPO-34, và Si-DDR bằng phản ứng không gel từ đế mang xốp đã được phủ mầm tinh thể ban đầu. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thành phần dung dịch phản ứng, chất tạo khung cấu trúc, nhiệt độ và thời gian phản ứng đến sự hình thành màng nhằm tìm ra điều kiện tổng hợp phù hợp nhất.

Nghiên cứu ứng dụng màng mỏng AlPO-18, SAPO-34, và Si-DDR tách hỗn hợp khí CO2 và CH4

Tạo hỗn hợp khí CO2 và CH4: Hỗn hợp khí CO2 và CH4 trong nghiên cứu được chế tạo từ nguồn khí tinh khiết. Hỗn hợp khí CO2 và CH4 sẽ được trộn lẫn theo tỷ lệ 50/50. Hỗn hợp khí này sẽ được sử dụng trong thí nghiệm tách khí bằng màng mỏng tổng hợp được.

Tách hỗn hợp khí CO2 và CH4 bằng màng mỏng AlPO-18, SAPO-34, và Si-DDR: Thí nghiệm tách hỗn hợp khí được thiết kế mô phỏng theo nguyên lý Wicke-Kalenbach. Hỗn hợp khí trước và sau khi qua màng được phân tích bằng sắc ký khí đầu dò độ dẫn (GC-TCD), qua 3 đó tính toán độ thẩm thấu qua màng của CO2 và hệ số tách khí của màng đối với hỗn hợp khí CO2/CH4.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

- Đề tài 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. 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 suất quy mô công nghiệp, ứng dụng trong các lĩnh vực xử lý môi trường (CO2) và tinh chế khí tự nhiên

- Nghiên cứu cũng đã chế tạo được đế mang xốp từ nguồn nguyên liệu trong nước rẽ tiền như cao lanh tự nhiên, silica-fumed công nghiệp có giá thành thấp, thỏa mãn các yêu cầu cơ bản của một sản phẩm đế mang sử dụng trong chế tạo màng mỏng.

- Các kết quả nghiên cứu đạt được đều là kết quả mới trong lĩnh vực nghiên cứu và ngoài dự kiến khi xây dựng đề cương nghiên cứu.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18876/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)