Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật màng polyme sản xuất khí nito, oxy.
Kỹ thuật màng sử dụng để phân tách khơng khí dựa trên sự khuếch tán khác nhau của oxi và nitơ qua một màng polyme ở áp suất cao. Lưu lượng và sự chọn lọc là hai đặc tính quyết định kinh tế của cơng nghệ màng polyme. Lưu lượng được quyết định bởi bề mặt của của màng và nó là một hàm của chênh lệch áp suất trên và dưới màng chia cho bề dày của lớp màng. Một thông số đặc chưng cho các loại màng là tính thấm (Permeability). Tính chọn lọc là tỉ lệ của thấm của các khí được tách ra. Do kích thước phân tử của oxy nhỏ hơn của nito vì vậy hầu hết các màng đều có tính thấm của oxy lớn hơn của Nito. Hệ thống màng thường giới hạn sản xuất được dòng giàu oxi từ 25 - 50 %. Để tăng tính tích cực vận chuyển oxi qua màng thì cần kết hợp màng với một chất tạo phức oxy để tăng tính chọn lọc của oxy với màng, đó là khả năng để làm tăng chất lượng dòng oxy từ hệ thống màng.
Một hệ thống màng phân tách khơng khí được thể hiện như hình trên. Một lợi ích lớn của cơng nghệ màng là đơn giản và dễ vận hành. Khơng khí được qua bộ lọc làm sạch, sau đó được máy thổi khí tăng áp đủ để dịng khí vượt qua bộ lọc và màng ống. Vật liệu polime màng thường được lắp ráp thành các modun hình ống đa dạng với nhau để cung cấp lượng oxi và nito cho phù hợp với nhu cầu. Oxi được thấm qua màng và được thu hồi thành sản phẩm. Nito được lấy qua khi nhả thấm và cũng được thu hồi. Một hệ thống bơm chân khơng được sử dụng để duy trì chênh lệch áp suất qua màng và cung cấp oxi theo yêu cầu. Ưu điểm của nó là khởi động nhanh và dễ dàng được vận hành ở môi trường làm việc. Nhược điểm của hệ thống này là vẫn có lẫn CO2 và hơi nước trong dịng sản phẩm oxi vì chúng dễ thấm hơn oxi trong hầu hết các loại vật liệu màng. Tương tự như hệ thống hấp phụ, hệ thống vận hành được ở quy mô nhỏ và sản suất nhỏ. Tuy nhiên để sản suất ở quy mô lớn như chưng cất phân đoạn thì vốn đầu tư sẽ lớn và để tạo được hệ thống màng và tái sản suất chúng là cả một vấn đề. Hệ thống màng này có thể được sản suất 20 tấn sản phẩm một ngày, phù hợp với những nhu cầu sử dụng oxi mà cho phép lẫn hơi nước và khí CO2. Cơng nghệ này mới hơn công nghệ hấp
phụ và sự phát triển của công nghệ vật liệu có thể giúp cơng nghệ màng sản suất được lượng Oxy lớn hơn.
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cơng nghệ vận chuyển ion qua màng sản xuất khí nito, oxy.
ITMS là vật liệu gốm oxit vô cơ rắn dùng để sản xuất oxy và nito theo phương pháp các ion oxy được đi xuyên qua cấu trúc tinh thể gốm, cịn các phân tử oxi thì được giữ lại. Hệ thống này được vận hành ở nhiệt độ cao gần 11000F. Các phân tử oxy thì được chuyển thành các ion tại bề mặt của màng gốm và chúng được vận chuyển qua màng nhờ chênh lệch điện áp và sự chênh lệch áp suất riêng phần tại hai bề mặt của màng. Khi đi qua màng các phân tử ion oxy lại được cải cách thành phân tử oxy. Vật liệu màng được chế tạo thành các dạng màng hay dạng ống. Đối với sự chuyển đổi năng lượng lớn, sự vận chuyển vật chất qua màng nhờ sự chênh lệch áp suất là phương pháp được lựa chọn. Màng hoạt động nhờ sự chênh lệch áp suất tại hai bề mặt là loại màng dẫn hỗn hợp vì chúng dẫn cả hai điện tử đi qua màng , hai điện tử đó là ion oxy và electron. Các ion oxy đi qua màng ITM với lưu lượng rất cao và rất tinh khiết, oxy được tách ra như một sản phẩm tinh khiết và nito cũng được thu hồi trên bề mặt thấm của màng. Khơng khí qua bộ lọc và được nén sau đó vào thiết bị trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm, nhiệt độ dịng khơng khí sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt chưa đủ để vào hệ thống màng. Vì vậy dịng khơng khí nóng cần được bổ sung nhiệt để vào hệ thống, khơng khí nóng vào hệ thống màng, oxy tinh khiết được thấm qua màng và được lấy ra để trao đổi nhiệt với dịng khơng khí vào rồi được nén tới áp suất phân phối để đưa đi sử dụng trong các ứng dụng khác. Dòng giàu nito trên bề mặt của màng cũng được thu hồi để trao đổi nhiệt với dịng khơng khí vào và được đưa đi sử dụng, có thể mở rộng một hệ tuabin để tạo điện năng từ dịng nito này.
Q trình sản suất oxy và nito bằng ITM phù hợp với các quá trình chuyển đổi năng lượng thành điện năng, nơi mà có nhu cầu sử dụng oxy làm nhiên liệu đốt cháy hoặc khí hóa. Hoặc trên bất kỳ nhu cầu tạo năng lượng hay sử dụng oxy làm năng lượng xuất khẩu.