Đề tài này sử dụng phương pháp vi sóng để tổng hợp một cách nhanh chóng lớp hạt và tiếp sau đó là màng lọc ZIF-8. Kết quả cho thấy, màng lọc thu được có chất lượng và thể hiện độ phân tách cao đối với hỗn hợp propylene/propane. Lượng truyền qua của propylene đạt 105×10-10 mol.m-2s-1Pa-1, và hệ số phân tách propylene/propane đạt được là 70. Màng lọc còn cho thấy độ bền, độ lặp lại cũng như độ ổn định cao khi thực hiện phân tách propylene/propane gián đoạn cũng như liên tục. Mời các bạn cùng tham khảo!
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ DOI: 10.31276/VJST.63(8).44-48 Ứng dụng phương pháp vi sóng tổng hợp nhanh lớp hạt màng lọc ZIF-8 để phân tách hỗn hợp khí propylene/propane Nguyễn Kim Minh1, Trần Nguyên Tiến2* Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng Viện Nghiên cứu Phát triển công nghệ cao, Trường Đại học Duy Tân Ngày nhận 19/3/2021; ngày chuyển phản biện 25/3/2021; ngày nhận phản biện 20/5/2021; ngày chấp nhận đăng 24/5/2021 Tóm tắt: Với nhiều ưu điểm trạng thái tính chất lỗ xốp ổn định, đa dạng cấu trúc biến đổi linh hoạt, vật liệu zeolitic imidazolate framework (ZIF) sở hữu tiềm to lớn lĩnh vực phân tách hỗn hợp khí hydrocarbon Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp vi sóng để tổng hợp cách nhanh chóng lớp hạt tiếp sau màng lọc ZIF-8 Kết cho thấy, màng lọc thu có chất lượng thể độ phân tách cao hỗn hợp propylene/propane Lượng truyền qua propylene đạt 105×10-10 mol.m-2s-1Pa-1, hệ số phân tách propylene/propane đạt 70 Màng lọc cho thấy độ bền, độ lặp lại độ ổn định cao thực phân tách propylene/propane gián đoạn liên tục Từ khóa: màng lọc, phân tách khí, propylene/propane, vật liệu khung kim, ZIF-8 Chỉ số phân loại: 2.5 Đặt vấn đề Do đặc điểm vật lý tương tự nhau, việc phân tách hỗn hợp khí propylene/propane thách thức, quan trọng công nghiệp lọc dầu mặt thương mại, propylene có độ tinh khiết cao nguyên liệu để sản xuất nhiều sản phẩm có giá trị acrylonitrile, propylene oxide, cumene/phenol, oxo alcohols, acrylic acid, isopropyl alcohol, oligomers đặc biệt polypropylene [1-3] Hiện nay, việc phân tách hỗn hợp propylene/propane thực phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp, tốn tiêu tốn nhiều lượng nhiệt độ bay tương đối thấp tương đương propylene propane (b.p propylene -47oC propane -42,1oC) Các tháp chưng cất cần thiết thường cao khoảng 100 m, chứa 200 đĩa lượng khoảng 1,2×1014 BTU/năm, sử dụng để tách propylene/propane [4, 5] Vì vậy, nhà khoa học giới nghiên cứu đưa nhiều phương pháp thay hiệu kinh tế hấp phụ, hấp thụ, màng lọc [6-9] Trong số đó, cơng nghệ màng lọc phương pháp thay tiềm với nhiều ưu điểm chi phí thấp, đơn giản dễ vận hành [10] ZIF phận vật liệu khung kim (metal organic framework, MOF) thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới [11, 12] ZIF, giống MOF, đặc trưng cấu trúc vi xốp, có độ tinh thể cao, xây dựng từ mảng lặp lại ba chiều * ion kim loại phối trí tứ diện kết nối phối tử hữu (ligand) Đặc điểm phân biệt ZIF việc sử dụng cầu nối imidazole để tạo góc liên kết phối hợp với thành phần vô cơ, tương tự liên kết tạo nguyên tử silic oxy trình hình thành zeolite Góc liên kết M-mIm-M (M=Zn, Co) ZIF 145o, gần với góc T-O-T (T=Al, Si, P) zeolite [13, 14] ZIF cho thấy kết hợp hồn hảo đặc tính tính ưu việt MOF zeolite, như điều chỉnh kích thước lỗ xốp đặc điểm hóa học, diện tích bề mặt riêng lớn khả ổn định nhiệt hóa học cao Các đặc tính làm cho ZIF trở thành ứng viên bật cho việc chế tạo màng rây phân tử để phân tách khí Trong số vật liệu ZIF tìm thấy nay, ZIF8, tổng hợp từ muối Zn cầu nối 2-methylimidazole, lựa chọn lý tưởng để tổng hợp màng lọc phân tách hỗn hợp khí propylene/propane Các nghiên cứu rằng, kích thước lỗ xốp thực ZIF-8 Å, vừa nằm đường kính phân tử propylene Å propane 4,3 Å [15] Chính vậy, tổng hợp màng lọc ZIF-8 để phân tách hỗn hợp khí propylene/propane hướng đầy tiềm ngày giành nhiều quan tâm nhà khoa học Cho đến nay, phương pháp chủ yếu nhà khoa học giới sử dụng để tổng hợp màng lọc ZIF-8 phân tách propylene/propane phương pháp hai giai đoạn với lớp hạt tạo thành phương pháp phủ nhúng phủ trượt Tuy nhiên, lớp hạt tạo thành Tác giả liên hệ: Email: trannguyentien@duytan.edu.vn 63(8) 8.2021 44 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Rapid microwave-assisted seeding and secondary growth synthesis of ZIF-8 membrane for propylene/propane separation Kim Minh Nguyen1, Nguyen Tien Tran2* University of Technology and Education, The University of Danang Institute of Research and Development, Duy Tan University Received 19 March 2021; accepted 24 May 2021 Abstract: Owing to their permanent porosity, diverse topology structures, and coordination factors combined with chemical tunability, the zeolitic imidazolate framework (ZIF) has shown great potential for the effective separation of hydrocarbon mixtures In this work, the authors presented a simple microwave-assisted seeding strategy to rapidly prepare a seed layer for the synthesis of high-quality ZIF-8 membranes for propylene/ propane separation The resulted membranes grown on planar alumina support displayed excellent separation performances for a wide range of propylene/propane mixtures The membrane displayed a propylene/ propane separation factor of 70 and propylene permeance of 105×10-10 mol.m-2s-1Pa-1 Long-term stability test also showed stable gas permeance and separation performance of the ZIF-8 membranes in both atmospheric conditions and propylene/propane mixture stream Keywords: gas separation, membrane, metal organic framework, propylene/propane, ZIF-8 Classification number: 2.5 theo phương pháp nhiều thời gian không đem lại hiệu cao gắn kết yếu phân bố không đồng tinh thể hạt, dẫn đến hiệu suất phân tách thấp lớp màng [16, 17] Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng phương pháp vi sóng để tổng hợp cách nhanh chóng lớp hạt sau phát triển thứ cấp hình thành màng lọc ZIF-8 Bằng cách sử dụng kỹ thuật tạo lớp hạt này, chúng tơi rút ngắn đáng kể thời gian tổng hợp, cho suất cao đồng thời lớp hạt tạo thành có mật độ cao liên kết chặt chẽ với Cấu trúc bề mặt lớp màng ZIF-8 sau tổng hợp quan sát SEM, thành phần pha tinh thể màng khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X Cuối cùng, khả phân tách khí màng ZIF-8 63(8) 8.2021 khảo sát kỹ thuật Wicke-Kallenbach Thực nghiệm Tổng hợp α-Al2O3 Tấm α-Al2O3 có dạng đĩa, chuẩn bị bột alumina (Baikowski, CR-6) có độ tinh khiết cao Hỗn hợp gồm bột alumina polyvinyl alcohol, sau trộn đưa vào khn tạo hình máy ép tạo mẫu phịng thí nghiệm Sau nung nhiệt độ 1100°C h, thu có đường kính 22 mm, độ dày mm với độ xốp khoảng 45% Một mặt mài nhẵn thiết bị mài chuyên dụng dùng để tổng hợp màng ZIF-8 Cuối cùng, rửa sấy 70°C h Tổng hợp lớp hạt màng lọc ZIF-8 Màng lọc ZIF-8 tổng hợp alumina theo phương pháp giai đoạn Đầu tiên, lớp hạt chuẩn bị bên bề mặt phương pháp vi sóng Hai dung dịch tổng hợp chuẩn bị riêng biệt Dung dịch A với mmol Zn(NO3)2.6H2O hòa tan 40 ml methanol Dung dịch B gồm 32 mmol 2-methylimidazole mmol sodium formate hòa tan 40 ml methanol Cả hai hỗn hợp khuấy trộn hoàn toàn 15 phút Sau ngâm dung dịch A h, α-Al2O3 bão hòa ion kẽm đưa vào đặt thẳng đứng ống thủy tinh có chứa sẵn dung dịch B Ngay sau đó, lớp hạt tổng hợp xạ vi sóng lị vi sóng chuyên dụng công suất 100 W 90 s Tấm phủ lớp hạt sau tổng hợp lấy rửa kỹ nhiều lần methanol sấy 60oC h Tiếp theo, giai đoạn phát triển thứ hai, với lớp hạt đặt thẳng đứng dung dịch tổng hợp gồm 0,11 g Zn(NO3)2.6H2O 2,27 g 2-methylimidazole hòa tan 40 ml nước cất Phản ứng thực điều kiện phòng 2, 10 h Sau tổng hợp, màng lọc ZIF-8 lấy cách cẩn thận rửa với nước cất methanol để loại bỏ hạt ZIF-8 gắn kết lỏng lẻo bề mặt màng Sau đó, màng lọc ZIF-8 ngâm methanol ngày để trao đổi dung môi Cuối cùng, màng lọc phơi khô cẩn thận nhiệt độ phòng Đặc trưng vật liệu thực nghiệm phân tách khí Đặc trưng hình thái học hạt tinh thể, màng ZIF8 xác định phương pháp hiển vị điện tử quét (SEM) máy Leo-Supra 55 điện gia tốc 15 kV Cấu trúc tinh thể lớp màng xác định phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) máy Rigaku MAC-18XHF (Nhật Bản) với đầu dò (Detector) D/teX Ultra 250, dùng xạ Cu-K, điện gia tốc 40 kV, cường độ dòng 30 mA, khoảng quét 2θ từ 3o đến 60o với tốc độ quét 3o/phút Lượng truyền qua hỗn hợp khí propylene/propane đo điều kiện phòng kỹ thuật Wicke-Kallenbach 45 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Cường độ (a.u.) Cường độ (a.u.) Cường độ (a.u.) Cường độ (a.u.) Cường độCường (a.u.) độ (a.u.) Cường độ (a.u.) [16] Hỗn hợp khí propylene/propane (tỷ lệ 1:1) cấp Cấu trúc tinh thể nền, lớp hạt màng ZIF-8 sau vào modun tách khí chứa màng lọc ZIF-8 với tốc độ 112 ml/ tổng hợp xác định phương pháp nhiễu xạ tia phút sửđiều dụng điều khiển dịng thời, Argon đượclàm sử khíXmang (XRD) trình khí bàytruyền hình Kết cho thấy khiển dịng Đồng thời,Đồng Argon sử dụng đưavàlượng qua khí màng lọc vào GC Young-Lin) để phânphổ tíchXRD thànhđều phần dụng làm mang đưa máy lượng khí(YL-6500, truyền qua màng lọc vào có đỉnh sắc nét, rõ ràng, chứng tỏ máy GC (YL-6500, Young-Lin) để phân tíchdùng thànhđểphần mẫu có độ tinh phân táchArgon thông số sử đánh giá khả vận khiết tách độ kết tinh cao Phổ XRD điềukhiển khiểndòng dịng.Độ Đồng làm khí mang đưa lượng khí chuyển truyền điều Đồng thời, Argon sửdụng dụng làm khí mang đưa lượng khí truyền lớp hạt cho thấy peak có cường độ nhỏ kích khí màng lọc ZIF-8 phân táchđểcóđánh thể xác định tỷphần lệ phần lượng truyền qua Độlọc phân thông số Độ dùng giá khả qua màng lọc vàotách máylàGC (YL-6500, Young-Lin) đểđể phân tíchtích thành qua màng vào máy (YL-6500, Young-Lin) phân thành thước nhỏ hạt tinh thể ZIF-8 độ dàykhí nhỏ lớp điều khiển dòng Đồng thời, Argon đượclượng sử dụng mang đưavàlượng truyền chuyển khí hợp Lượng truyền qua khí i (propylene), ,làm đượckhí tính vận táchhỗn khí màng lọc ZIF-8 Độ phân điều khiển dịng Đồng thời, Argon sử dụng làm khí mang đưa khítách truyền Độ phân tách thơng số dùng để đánh giá khả vận chuyển hạt Ngoài cịn có khác biệt nhỏ cường độ Độcó phân tách thơng số dùng đểtruyền đánhGC giá(YL-6500, khả Young-Lin) vận chuyển tách tích thành phần cơng thức sau [9]: qua màng lọc vào máy để phân tách thể xác định tỷ lệ lượng thời, Argon sử dụng làm khí mang đưa lượng khí truyền quakhí màng lọc vào máy GC (YL-6500, Young-Lin) để qua phân tích thành phần màng lọc ZIF-8 Độ phân tách xác định tỷ lệ lượng truyền qua lớp màng tổng hợp thời gian khác khí lọcđể ZIF-8 tách qua xác định bằngi tỷ lệ lượng truyền qua cácmàng khí hỗn Độ hợp.phân Lượng truyền khí GC (YL-6500, phân tích thành phần Độ phân tách thông số dùng để đánh giá khả vận chuyển tách khác biệt độ dày lớp màng Các peak đặc trưng Young-Lin) khí hỗn hợp Lượng truyền qua khí i (propylene), , tính Độkhí phân táchhỗn là, thơng số dùng đểsau đánh giá ikhả vận chuyển tách hợp tính Lượng qua (propylene), , tính truyền cơng thức [9]:khí (propylene), thơng số dùngthức để đánh giá khả vận chuyển tách cho tinh thể ZIF-8 nằm 2θ=7,5; 10,3; 12,4; 14,7; 16,3 cơng sau [9]: khí màng lọcxác ZIF-8 phân tách thể xác địnhqua tỷ lệ lượng truyền qua khítách màng lọc ZIF-8 Độtỷphân tách có truyền thể định Độ tỷ lệ củacólượng truyền cơng thức sau [9]:bằng o Độ phânbởi xác định lệ lượng qua (JCPDS: 00-062-1030) Kết phù hợp 18,0 củatích cáctruyền khí hỗn hợp.i (propylene), Lượng truyền qua, khí củatruyền khí i qua (propylene), , tínhvới truyền khíqua hỗn qua khí tính Lượng thể dịng khí i dòng (propylene) hỗnquả hợp Trong điều khiển Đồng thời, Argon sử dụng làm khí mang đưa lượng khí ZIF-8 truyền hợp Lượng củađó, khí ihợp (propylene), , tính kết nghiên cứu trước pha tinh thể thức sau [9]: màng khác áp suất máy dòngGC vào Peak dòng raYoung-Lin) khỏi màng lọc quabiệt màng lọc vào (YL-6500, để38 phân tích αthành phần cơng thức saulọc [9]:ZIF-8, công o pha alumina [18] 2θ=26; 35,5; (JCPDS: 01-082-1468) Độ phân tách sốkhí dùng để đánh giá khả vận chuyển tách cách lập tỷthơng số lượng khíqua truyền qua Độthể tách, Trong đó, đó, tíchtích dịng của,của khíkhíi tính (propylene) hỗn hợp truyền Trong làphân thể dịng i (propylene) khí màng lọc ZIF-8 Độ phân tách xác định tỷ lệ lượng truyền qua thể tích dịng khí i (propylene) hỗn hợp khí truyền qua Trong đó, màng lọc ZIF-8, khác biệt áp suất dòng vào dòng khỏi màng lọc khác, hỗn hợp qua màng lọc, ZIF-8, vớicủa khí j (propane), [9] qua khí i (propylene), củakhí khítruyền i (propylene), khí hỗn hợp Lượng truyền , tính màng lọc ZIF-8, khác biệt áp suất dòng vào dòng khỏi màng lọc biệt iáp(propylene) suất dòng vào dòng khỏi màng lọc ích dòng khí hợp khí truyền tính cách lập tỷsau sốdịng lượng khíi truyền qua hỗn hợp khí truyền qua Độ phân tách, trong, hỗn qua thể hợp khí (propylene) Trong đó, cơng thứctích [9]: thể tích dịng khí i (propylene) hỗn khí truyền qua Trong đó, khác biệt áp suất tách, dòng vàđược dòng khỏi màng lọc.lập tỷ số Thực vào nghiệm phân tách khí propylene/propane đượclượng thực lần cho tính cách khícủa truyền qua Độ phân Độ phân tách, tính cách lậpdịng tỷlàsốsự màng lọc ZIF-8, khác biệt áp suất dòng vào dòng khỏi màng lọc màng sự, ,được khác biệt áp suất vào dịng khỏi màng lọc với 3khí j (propane), , tổng [9].ra củalọc khí ZIF-8, i (propylene), mẫu thực mẫu khác hợp điều kiện để đảm , tính lượng cách lập tỷqua số giữakhí lượng khí truyền qua , với khí j khí truyền i (propylene), bảo độ lặp lại chất lượng màng.tách, lập tỷ số lượng khí truyền qua Độ phân , với khí j (propane), , ,số [9].khícách khíĐội (propylene), tính cách lập tỷ giữatính lượng truyền phânnghiệm tách,, phân, tách [9] (propane), Thực khí propylene/propane thực lần cho qua , với khí j (propane), [9] Kết thảo luận tích dịng (propylene) Trong đó, hợp mẫu thực mẫucủa khác tổng kiệnkhí để iđảm ,thể vớicùng khí jđiều (propane), ,mỗi hỗn [9].hợp khí truyền qua khínhau i(propane), (propylene), Thực nghiệm phân tách propylene/propane thực lần cho , với khí j , [9] khí i (propylene), Thực nghiệm phân tách khí propylene/propane màng lọc ZIF-8, khác biệt áp suất dòng vào dòng khỏi màng lọc ân tách khíbảo propylene/propane thực lần cho hợpcủa màng lọc ZIF phương pháp hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai độ lặp lại Để chấttổng lượng màng mẫunhau 3mỗi mẫu khác tổng hợp nghiên điều kiện để đảm thựcthực lầntrên chotrong mẫu vàđiều thực 3cấp mẫu khác mẫu khác tổng hợp kiện đểtrên đảm tròhiện quan trọng cho giai đoạn phát triển thứ Trong cứu này, chúng Thực nghiệm phântách, tách khí lần mỗiqua , propylene/propane cách lập tỷ thực số lượng khícho truyền Độ phân Kết thảo luận Thực nghiệm phân tách khí propylene/propane thực hiệntính pháp lần cho bảo độ lặpđược lại chất lượng màng ợng màng tổng hợp điều kiện bảođộ độ lặp để đảm có mật cao phương vi sóng, q tơi tổng hợp lớp hạt đồng mẫu thực mẫu khác tổng hợp điều kiện để đảm mẫu mẫu nhau(1) tổng hợp để đảm lạithực chất lượng màng tổng hợp lọckhác ZIF phương hai lớpđiều hạt đóng vai thểmàng giản lược sau: bão nềngiai với đoạn, dung dịch chứa muối Zn, (2) di, , với khí jkiện (propane), [9] khíhịa ipháp (propylene), Kết quảĐể vàtrình thảocó luận bảo độ lặpthứ lại chất lượng nghiên màng bảo độ lặp lại chất lượng màng chuyển vào dung dịch cầu nối, (3)Trong nhanh chóng cứu hìnhnày, thành lớp hạt trị quan trọng cho giai đoạn phát triển cấp chúng ng lọc ZIF phương phápluận hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai Kết vàmột thảo Để tổng hợp màng lọc ZIF phương pháp haiphương lớp hạt xạ vi sóng Phương pháp giúpchúng trìnghiệm nồng độgiai caođoạn, ionpropylene/propane kim đóng loại phân thực lần cho tổng hợp lớp hạt đồng cónày, mật độ cao pháp vi sóng, q vàvai Thực phân tách khí Kết thảo luận đoạn phát triển thứ cấp Trong nghiên cứu Kết thảo luận tử cầu nối (ligand) vùng lân cận bề mặt (vùng phản ứng) làm cho trò quan trọng cho giai đoạn phát triển thứ cấp Trong nghiên cứu này, chúng trình giản lược sau: (1) bão hòa với dung dịch chứa muối Zn, (2) di mẫu thực mẫu khác tổng hợp điều kiện để đảm hợp màngphương lọc ZIFpháp bằngviphương pháp hai giai ạt đồng cóĐể mậttổng độ cao sóng, Để tổng hợp màng lọc ZIF phương pháp hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai hạt tinh thể ZIF hình thành cách nhanh chóng đồng chiếu xạ Để tổng hợp màng lọc ZIF phương pháp hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai bảo độ lặp lại chất lượng màng chuyển vào dung dịch cầu nối, (3) nhanh chóng hình thành lớp hạt có Zn, mật(2) độdicao tơibão tổng lớp hạtvaiđồng đoạn, lớpmột hạtvới đóng trò quan trọng cho giai đoạnbằng phát phương pháp vi sóng, q vi hư sau: (1) hịahợp dung dịch chứa muối trò quan cho giai đoạn phát triển thứcứu cấpvà nghiên cứu này, chúng sóng xạtrọng vithứ sóng Phương pháp giúp trì nồng cao ion kim loại phân triển cấp tiếp Trong nghiên cứu này, chúng tơi dung tổng ng dungtrị dịch cầu nối, (3) nhanh chóng hình thành lớp hạt quan cho giaitheo đoạn phát triển thứ cấp Trong nghiên này, chúng trình giản lược sau: (1) bãotrọng hòa với dịch chứa muối Zn, (2) diTrong Kết vàđộ thảo luận Hình Ảnh SEM bềbằng mặt vàphương mặt cắt ngang B) có mật độ cao pháp vi (A, sóng, qnền tơi tổng hợp lớp hạt đồng pháp giúp trì nồng độ cao ion kim loại phân tử cầu nối (ligand) vùng lân cận bề mặt (vùng phản ứng) làm cho hợphợp mộtnền lớpvào hạt đồngđồng cóvàmật cao(3) phương tơi tổng lớp hạt cóđộ mật độbằng cao phương vilớp sóng, chuyển dungvà dịch cầu nối, nhanh chóng hình pháp thành hạthạt α-alumina, (C, D) lớp Để tổng hợp màng lọc hòa ZIF chiếu bằngnền phương pháp hai đoạn, lớp Zn, hạt (2) đóngdivai g vùng trình lâncác bề mặt tấmnhư nềnsau: (vùng phản ứng) cho trình giản lược sau: (1) bão với dung dịchgiai chứa muối hạt thểPhương ZIF hình thành cách nhanh chóng đồng xạvàvi pháp vi sóng, trình lược (1) bão hịa 10 hlàm có thểtinh giản lược (1)giản bão hịa với dung dịch chứa muối Zn, (2) di bứccận xạ vi sóng pháp giúp trìsau: nồng độ cao ion kim loại phân trò quan trọng cho giai đoạn phát triển thứ cấp Trong nghiên cứu này, chúng nh thành cách nhanh chóng đồng chiếu xạ vi Hình trình bày ảnh SEM trước sau chuyển vào dung dịch cầu nối, (3) nhanh chóng hình thành lớp hạt sóng vớivào dung dịch vùng chứa muối Zn, (2) dibề chuyển tấmchóng (vùng chuyển dung dịch cầucủa nối, (3) nhanh hình thành lớp hạt tử cầutấm nốinền (ligand) lân cận mặt phản ứng) làmdưới cho có mật độ cao phương pháp vi sóng, tơi tổng hợp lớp hạt đồng h xử lý vi sóng tạo lớp hạt Hình 2A, 2B bề mặt mặt cắt vào Phương cầu nối, xạ (3)vinhanh chóng hình thành sóng.trì Phương giúp trìloại nồng độ cao ion kim loại phânquá vitinh sóng pháp giúp nồng độpháp cao ion kim phân xạ hạt thểdung ZIFdịch hình thành cách nhanh chóng đồng chiếu xạ vivới trình giản lược sau: (1) bão hòa dung dịch chứa muối Zn, (2) di ngang trước tiến hành tổng hợp lớp hạt, lớp hạt xạ vi sóng Phương pháp nàytrong giúp trì lân cận bề mặt (vùng phản ứng) làm chocó tử lân cầu nối (ligand) vùng 10 hcận tử cầu nối (ligand) vùng bề mặt (vùng phản ứng) làm cho sóng chuyển vào dung dịch cầu nối, (3) nhanh chóng hình thành lớp hạt h 10 h nồng độ cao ion kim loại phân tử cầu nối (ligand) thể thấy rõnhanh lỗ chóng hổng kích thước macro bênchiếu hạt tinh thể ZIF hìnhPhương thành cách đồng xạ vi hạttrong tinhvùng thể lân ZIFcận hình thành cách nhanh chóng đồng chiếu xạ vi xạ vi sóng pháp giúp trì nồng độ cao ion kim loại phân Sự diện tinh thể ZIF-8 có kích thước nano bềsóng mặt6 (vùng phản ứng) làm h 6h tử cầu Lớp hạtnối (ligand) vùng lân cận bề mặt (vùng phản ứng) làm cho sóng h cho hạt tinh thể ZIF hình10 thành cách nhanh chóng chứng thực thêm hình 2C 2D Có thể thấy, bề mặt hạt tinh thể ZIF hình thành cách nhanh chóng đồng chiếu xạ vi 2h Hạt ZIF-8 bao phủ đồng dày đặc với tinh thể đồng chiếu xạ vi sóng 2h sóng 10nano h hh ZIF-8 Bên cạnh đó, quan sát thấy tinh thể 10 Tấm a-Al O Lớp hạt Lớp hạt nano ZIF-8 hình thành bên nền, điều 10 h hnày 10 hkỳ vọng làm tăng độ ổn định học lớp 2hhZIF-8 65Hạt Hạt ZIF-8 10 15 20 25 30 35 40 6h hạt lớp màng ZIF-8 (mũi tên màu đỏ hình 2D) Để 2-theta htổng hợph màng lọc phương pháp hai giai đoạn, lớp hạt Tấm a-Al2O3 2Lớp h hạta-Al2O3 Tấm 2h Hình Giãn đồ nhiễu xạ tia X (XRD) nền, lớp hạtmột màng tổng Các hạt lớp hạt đóng vai đóng trò ZIF-8 quan trọng 2và h vai 10 15 20 25 30 35 40Hạt ZIF-8 Lớp 10 khác 15nhau 20 25 30 35 40 hạt Lớp hạt hợp thời gian trò hạt nhân để phát triển giai đoạn thứ cấp hình Lớp hạt 2-theta 2-theta Hạt ZIF-8 thành nên hạt ZIF lớn đan xen vào để tạo Lớp hạt Hạt ZIF-8 Tấm nềnZIF-8 a-Al2Otổng Hạt ZIF-8 u xạ tia X (XRD) nền, lớp hạt màng lớp màng Sự đồng bao phủ tốt tinh thể ZIF-8 xạ tiaα-Al X 2(XRD) nền, lớp hạt màng HạtZIF-8 ZIF-8 tổng O3 ác Hình Giãn đồ nhiễuTấm thúc đẩy trình tạo mầm phát triển hạt tinh a-Al2O3 hợp thời gian khác 10 20 25 30 35Tấm 40 Tấm1525 a-Al 2O353 10 15 20 30 40 thể ZIF bề mặt nền, giúp che lấp khiếm khuyết Tấm a-Al2O3 2-theta 2-theta màng có lớp màng ZIF khó có 10 15 20 lọc.25Nếu khơng 30 35 lớp hạt, 40 10 15 20 25 30 35 40 10hình thành 15 20 25 30 35 40 triển thứ cấp (giai thể thời gian phát 2-theta Giãn nhiễu xạxạ tia tia X (XRD) tấmcủa nền, lớp hạt màng HìnhHình Giãn đồđồnhiễu X (XRD) nền, lớp hạt màng ZIF-8 tổng 2-theta 2-theta đoạn 2) kéo dài 24 h [16] ZIF-8 tổng hợp thời gian khác hợp thời gian khác Hình Giãn đồtấm nhiễu xạ tia hạt X (XRD) củaZIF-8 nền, lớp hạt màng ZIF-8 tổng Hình Giãn đồ nhiễu xạ tia X (XRD) nền, Hình Giãn đồ lớp nhiễu xạvà tiamàng X (XRD) tổng nền, lớp hạt màng ZIF-8 tổng hợp thời gian khác hợp thời gian khác hợp thời gian khác 63(8) 8.2021 46 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Hình Ảnh SEM bề mặt mặt cắt ngang lớp màng ZIF-8 sau h (A, B), h (C, D), 10 h (E, F) tổng hợp ảnh SEM bề mặt mặt cắt ngang màng lọc ZIF-8 thời gian tổng hợp khác trình bày hình Sau tiến hành tổng hợp, lớp ZIF-8 đặc, hình thành bên bề mặt alumina Một lượng lớn tinh thể với nhiều kích thước khác mọc xen kẽ quan sát thấy sau h tiến hành phản ứng nhiệt độ phịng (hình 3A) Các lỗ kích thước macro bề mặt quan sát trước gần lấp đầy lớp màng tinh thể ZIF-8 Tuy nhiên, số lỗ hổng kích thước nano cịn quan sát thấy đường biên tinh thể dường chưa liên kết chặt khít vào Khi tăng thời gian phản ứng lên h, lớp tinh thể ZIF-8 hồn thiện phát triển đan xen với hình thái khối đa diện hình thoi bao phủ hồn tồn bề mặt mà khơng có “khuyết tật” nhìn thấy lỗ kim vết nứt (hình 3C) Sau đó, thời gian tổng hợp kéo dài đến 10 h, bề mặt lớp màng trở nên thô hơn, vài tinh thể ZIF-8 phát triển lớn hơn, đồng thời xuất nhiều hạt đơn lẻ bề mặt (hình 3E) Khi thời gian phản ứng tăng, độ dày lớp màng tăng từ khoảng 2,5 μm h, 4,2 μm h đến μm 10 h (hình 3B, 3D, 3F) Trong h đầu tiên, tốc độ phát triển lớp màng xảy nhanh, sau chậm lại, giúp hạn chế hình thành dày lớp màng Xu hướng cần thiết lớp màng phát triển dày có xu hướng tạo nhiều lực cản cho khí qua, làm giảm hiệu phân tách khí màng [19] Bảng Kết phân tách hỗn hợp propylene/propane màng lọc ZIF-8 tổng hợp thời gian khác Thời gian tổng hợp 2h 6h 10 h Lượng truyền qua (×10-10 mol.m-2s-1Pa-1) Propylene Propane 135,6±15,3 104,6±8,8 96,6±6,9 5,3±0,6 1,5±0,3 1,5±0,2 63(8) 8.2021 Hệ số phân tách 26,3±2,8 70,2±3,9 65,0±3,3 Để khảo sát kỹ chất lượng màng ZIF-8 sau tổng hợp, tác giả tiến hành thực nghiệm phân tách hỗn hợp khí propylene/propane điều kiện phịng sử dụng kỹ thuật Wicke-Kallenbach Kết trình bày bảng Có thể thấy, lượng khí truyền qua độ phân tách khí màng lọc phù hợp với kết từ SEM Tất mẫu cho hệ số phân tách lớn 1, cho thấy chất lượng cao lớp hạt tổng hợp phương pháp vi sóng Sự đồng mật độ cao lớp hạt giúp lớp màng phát triển cách liên tục đồng bên alumina Lượng truyền qua khí propylene propane giảm tăng thời gian tổng hợp từ lên 10 h Sự giảm thời gian tổng hợp ngắn, không đủ để cung cấp cho chế tái kết tinh hạt ZIF-8 để đóng khe hở lỗ hổng màng, làm cho lượng truyền qua khí propylene propane cao Màng lọc sau h tổng hợp đạt hệ số phân tách propylene/propane cao (70) với lượng truyền qua propylene 105×10-10 mol.m-2s-1Pa-1 Hệ số phân tách đạt nghiên cứu cao gấp đôi kết đạt Y Pan cộng [16] Khi tăng thời gian phản ứng lên 10 h, hệ số phân tách lượng truyền qua khí giảm nhẹ, kết độ dày lớp màng tăng lên tinh thể tiếp tục phát triển kích thước Màng dày thường tạo nhiều lực cản cho khí qua, làm giảm lượng truyền qua hệ số phân tách khí Hình Lượng truyền qua hệ số phân tách propylene/propane lớp màng ZIF-8 thực phân tách gián đoạn tháng Các tác giả tiếp tục thực phân tách hỗn hợp propylene/ propane cách liên tục gián đoạn để đánh giá cách toàn diện chất lượng độ ổn định lớp màng sau tổng hợp Kết phân tách khí liên tục 150 h gián đoạn tháng màng lọc ZIF-8 sau h tổng hợp trình bày hình 4, tổng hợp bảng Kết cho thấy, gần khơng có thay đổi hệ số phân tách lượng truyền qua khí propylene propane tiến hành phân tách gián đoạn (hình 4) Đối với trình phân tách liên tục, lượng truyền qua propylene propane tăng nhẹ (hình 5) Độ tăng lượng truyền qua propylene nhanh so với propane, làm cho độ phân tách hỗn hợp tăng nhẹ trình thực nghiệm Có thay đổi cấu 47 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ trúc lỗ xốp lớp màng nhiều bị ảnh hưởng lượng khí propylene propane liên tục thổi qua lớp màng, dẫn đến thay đổi lượng truyền qua hệ số phân tách khí propylene propane Các kết phân tích cho thấy độ ổn định chất lượng cao màng lọc ZIF-8 tổng hợp nghiên cứu Sự trì khả phân tách thời gian dài mở hướng đầy triển vọng tiền đề để phát triển ứng dụng trực tiếp màng lọc ZIF-8 vào thực tế phân tách khí cơng nghiệp propylene from US6293999B1/en propane, https://patents.google.com/patent/ [3] R.L Burns, W.J Koros (2003), “Defining the challenges for C3H6/ C3H8 separation using polymeric membranes”, J Membr Sci., 211(2), pp.299-309 [4] M Das, W.J Koros (2010), “Performance of 6FDA-6FpDA polyimide for propylene/propane separations”, J Membr Sci., 365, pp.399-408 [5] R.W Baker (2006), Membrane technology in the chemical industry: future directions, Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co KgaA, DOI: 10.1002/3527608788.ch14 [6] Francisco A da Silva, Alírio E Rodrigues (2004), “Propylene/ propane separation by vacuum swing adsorption using 13X zeolite”, AIChE Journal, 47(2), pp.341-357 [7] Wee Chong Kuah, Surya Effendy, and Shamsuzzaman (2018), “Industrial scale propylene/propane separation using pressure vacuum swing adsorption”, Ind Eng Chem Res., 57(18), pp.6451-6463 [8] H Roeentan, S Azizi, Gh Bakeri, S.M Peyghambarzadeh (2017), “Experimental measurement of propane and propylene absorption in NMP/AgNO3 solvent”, Chem Eng Res Des., 117, pp.240-249 Hình Lượng truyền qua hệ số phân tách propylene/propane lớp màng ZIF-8 thực phân tách liên tục 150 h Bảng Kết phân tách hỗn hợp propylene/propane điều kiện khác màng lọc ZIF-8 (6 h) Điều kiện Liên tục (150 h) Gián đoạn (6 tháng) Lượng truyền qua (×10-10 mol.m-2s-1Pa-1) Propylene Propane 110,6±8,0 105,2±6,5 1,5±0,2 1,5±0,3 Hệ số phân tách 73,5±4,2 70±3,8 Kết luận Màng lọc ZIF-8 có chất lượng cao tác giả tổng hợp thành công sử dụng phương pháp hai giai đoạn với lớp hạt chuẩn bị kỹ thuật vi sóng Phương pháp tạo lớp hạt cho phép hình thành nhanh chóng tinh thể hạt nano ZIF bề mặt với độ che phủ bề mặt cao đồng Sự phát triển thứ cấp sau lớp hạt ZIF-8 giúp hình thành lớp màng ZIF-8 có chất lượng cao, phát triển liên tục đồng thời cho thấy hiệu suất tách propylene/propane cao Lớp màng sau h tổng hợp điều kiện phịng có độ dày khoảng 4,2 μm đạt hệ số phân tách 70 với lượng truyền qua propylene 105×10-10 mol.m-2s-1Pa-1 Ngồi ra, màng ZIF-8 cịn cho thấy tính ổn định, khả lặp lại hiệu cao phân tách hỗn hợp propylene/propane cách liên tục gián đoạn [9] N.T Tran, T Yu, J Kim, M.R Othman (2020), “ZIF-8 tubular membrane for propylene purification: effect of surface curvature and zinc salts on separation performance”, Sep Puri Tech., 251, DOI: 10.1016/j seppur.2020.117354 [10] Xiaoli Ma and Defei Liu (2019), “Zeolitic imidazolate framework membranes for light olefin/paraffin separation”, Crystals, 9(1), DOI: 10.3390/cryst9010014 [11] Binling Chen, Zhuxian Yang, Yanqiu Zhua and Yongde Xia (2014), “Zeolitic imidazolate framework materials: recent progress in synthesis and applications”, J Mater Chem A, 2, pp.16811-16831 [12] Hideki Hayashi, Adrien P Côté, Hiroyasu Furukawa, Michael O’Keeffe & Omar M Yaghi (2007), “Zeolite A imidazolate frameworks”, Nature Materials, 6, pp.501-506 [13] A Phan, C.J Doonan, F.J Uribe-Romo, C.B Knobler, M O’Keeffe, O.M Yaghi (2009), “Synthesis, structure, and carbon dioxide capture properties of zeolitic imidazolate frameworks”, Acc Chem Res., 43, pp.58-67 [14] K.S Park, et al (2006), “Exceptional chemical and thermal stability of zeolitic imidazolate frameworks”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 103(27), pp.10186-10191 [15] C Zhang, et al (2012), “Unexpected molecular sieving properties of zeolitic imidazolate framework-8”, J Phys Chem Lett., 3(16), pp.2130-2134 [16] Y Pan, et al (2012), “Effective separation of propylene/propane binary mixtures by ZIF-8 membranes”, J Membr Sci., 390, pp.93-98 [17] D Liu, X Ma, H Xi, Y.S Lin (2014), “Gas transport properties and propylene/propane separation characteristics of ZIF-8 membranes”, J Membr Sci., 451, pp.85-93 [18] K Kida, et al (2013), “Formation of high crystalline ZIF-8 in an aqueous solution”, Cryst Eng Comm., 15(9), pp.1794-1801 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R.B Eldridge (1993), “Olefin/paraffin separation technology: a review”, Ind Eng Chem Res., 32(10), pp.2208-2212 [2] L.S Cheng and S.T Wilson (2001), Process for separating 63(8) 8.2021 [19] A.D Wiheeb, M.A Ahmad, M.N Murat, J Kim, M.R Othman (2014), “Identification of molecular transport mechanisms in microporous hydrotalcite-silica membrane”, Trans Por Med., 104(1), pp.133-144 48 ... chuyên dụng dùng để tổng hợp màng ZIF-8 Cuối cùng, rửa sấy 70°C h Tổng hợp lớp hạt màng lọc ZIF-8 Màng lọc ZIF-8 tổng hợp alumina theo phương pháp giai đoạn Đầu tiên, lớp hạt chuẩn bị bên bề mặt phương. .. hợp điều kiện để đảm hợp màngphương lọc ZIFpháp bằngviphương pháp hai giai ạt đồng c? ?Để mậttổng độ cao sóng, Để tổng hợp màng lọc ZIF phương pháp hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai hạt tinh thể ZIF... phát triển cấp chúng ng lọc ZIF phương phápluận hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai Kết vàmột thảo Để tổng hợp màng lọc ZIF phương pháp haiphương lớp hạt xạ vi sóng Phương pháp giúpchúng trìnghiệm