0 24 48 72 96 120 144
0 50 100 150 200 250 300
0 50 100 150 200 250 300 SF
CO2
CH4
0 24 48 72 96 120 144
0 50 100 150 200 250 300
Time (h)
SF
CO2
CH4
0 50 100 150 200 250 300
30 60 90 120 150
0 50 100 150 200 250
Temperature (oC) SF
CO2 CH4
0 50 100 150 200 250 300 350
30 60 90 120 150
0 50 100 150 200 250
0 50 100 150 200 250 300 350
CO2 CH4
SF
Separation factor (SF)
Permeance (10-9 mols-1 m-2 Pa-1 )
b a
d c
khô khô
ẩm ẩm
nhiệt và vận hành ở 30oC, hiệu suất tách của màng nhanh chóng đạt được trạng thái ổn định. Độ thẩm thấu CO2 duy trì ổn định ở 280×10-9 mols-1m-2Pa-1 với hệ số tách CO2 là 440 trong thời gian thử nghiệm là một tuần (hình 3.15b). Trong điều kiện vận hành với thành phần thứ ba là hơi nước, độ thẩm thấu CO2 giảm so với trường hợp vận hành với hỗn hợp khí khô. Tuy nhiên, nó hầu như không thay đổi nhiều trong suốt quá trình hoạt động khi nhiệt độ tăng dần. Hệ số tách CO2/CH4 giảm khi nhiệt độ hoạt động tăng và đạt giá trị 320 với nhiệt độ hoạt động 150oC. Khi vận hành trở về nhiệt độ phòng, độ thẩm thấu CO2 và hệ số tách CO2/CH4 phục hồi, duy trì ổn định với giá trị tương ứng là 250×10-9 mols-1m-2Pa-1 và 475 trong một tuần (Hình 3.15c, d).
Hình 3.15 Kết quả tách hỗn hợp khí CO2/CH4 theo nhiệt độ (a,c) và thời gian vận hành (b,d) của màng Si-DDR dạng hình thoi ở điều kiện hỗn hợp khí khô
(a,b) và có mặt hơi ẩm (c,d).
0 24 48 72 96 120 144
0 50 100 150 200 250 300 350 400
300 350 400 450 500 550 600 650 700
SF CO2
CH4
30 60 90 120 150
0 50 100 150 200 250 300 350 400
300 400 500 600 700
CO2
CH4
SF
30 60 90 120 150
0 50 100 150 200 250 300
Temperature (oC) SF CO2
CH4 300
400 500 600 700
0 24 48 72 96 120 144
0 50 100 150 200 250 300
Time (h)
SF CO2
CH4
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Separation factor
Permeance (10-9 mols-1 m-2 Pa-1 )
a
c d
khô khô
ẩm ẩm
b
Các kết quả thu được trên cho thấy rằng không có sự cạnh tranh hấp phụ của các phân tử nước vào màng rây phân tử từ đó sẽ không có sự cản trở quá trình di chuyển của các phân tử CO2 trong hệ thống mao quản đối với cả hai loại màng Si-DDR phát triển từ hai loại mầm tinh thể khác nhau, độ thẩm thấu CO2 và hệ số tách qua màng vẫn đạt các giá trị khá cao, hiện tượng này hoàn toàn trùng khớp với các nghiên cứu trước đó về các loại zeolite có tính kỵ nước, ngược lại nếu các zeolite có tính ái nước cao thì các giá trị này sẽ bị giảm đi rất nhiều và thậm chí màng zeolite đó có thể bị bất hoạt. Khi so sánh hiệu quả tách khí giữa hai màng chế tạo từ hai lớp mầm tinh thể zeolite khác nhau cùng điều kiện phản ứng thì màng Si-DDR phát triển từ mầm hình thoi cho hiệu quả phân tách cao hơn màng Si-DDR phát triển từ mầm lục giác vì trong quá trình phát triển tinh thể, các mầm lục giác có xu hướng hình thành cấu trúc zeolite cạnh tranh là DOH với mặt phẳng tinh thể (00k) theo phương ngang trên mặt phẳng lục giác. Cấu trúc DOH này được công bố là không có hệ thống mao quản thích hợp cho các hợp chất di chuyển qua vì vậy sự có mặt của cấu trúc này trên bề mặt màng làm giảm mật độ của các pha tinh thể DDR có mao quản phù hợp, từ đó khiến các dòng khí xảy ra hiện tượng thẩm thấu cạnh tranh làm giảm thông lượng và hệ số tách khí.
Theo kết quả so sánh hình 3.16, các sản phẩm màng Si-DDR chế tạo bằng phương phản ứng không gel từ các mầm tinh thể lục giác và hình thoi đã được thực hiện có độ lặp lại và đạt hiệu quả phân tách hỗn hợp khí tốt. Thực tế, sự khác biệt về kích thước động học của phân tử CO2 (0.33 nm) và CH4 (0.38 nm) là 0.05 nm. Do đó, các kết quả về khả năng phân tách hỗn hợp khí của màng Si-DDR thể hiện tính chất rây phân tử nổi bật cũng như độ hoàn thiện của màng Si-DDR thu được.
Bảng 3.1: Bảng so sánh hiệu quả tách hỗn hợp khí CO2/CH4 của màng Si- DDR từ nghiên cứu này so với các công trình công bố trước ID CO2 Permeance × 10-8
(mols-1m-2Pa-1 ) SF Áp suất vận
hành (kPa) Tài liệu
1 30 200
200 [31]
11* 100*
2 6.5 400 101 [33]
3 17 70
101 [38]
1.2* 60*
4 47 190
140 [39]
25* 90*
5 10 279
101 [40]
4* 78*
R1 31 536
101
Nghiên cứu này
24.2* 498*
R2 26.2 455
R3 26.5 402
H1 10.9 320
10.9* 239 101
H2 20.3 183
H3 22.9 243
* các giá trị được đo đạt ở điều kiện vận hành có ẩm
Hình 3.16 Đồ thị so sánh kết quả tách hỗn hợp CO2/CH4 của màng Si-DDR hình thoi (R) và màng Si-DDR phiến lục giác (H) với các công trình công bố
trước.
Nhìn chung, các kết quả của màng Si-DDR được nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp không sử dụng gel – một phương pháp mới – đã cho thấy rất nhiều ưu điểm trong việc chế tạo lớp màng rây phân ứng dụng trong phân tách hỗn hợp khí như thao tác đơn giản, tiết kiệm nguyên liệu và năng lượng nhưng vẫn cho hiệu quả tách hỗn hợp khí cao, có tiềm năng phát triển ứng dụng lên quy mô sản xuất công nghiệp. Mặc khác, bề mặt màng phát triển theo định hướng ban đầu của lớp mầm tinh thể , tạo lớp màng mỏng tối thiểu chính là ưu điểm lớn nhất của phương pháp tổng hợp không gel đối với quá trình chế tạo các màng zeolite ứng dụng tách hỗn hợp khí.