zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Ứng dụng phương pháp vi sóng tổng hợp nhanh lớp hạt và màng lọc ZIF-8 để phân tách hỗn hợp khí propylene/propane

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

31
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng phương pháp vi sóng tổng hợp nhanh lớp hạt và màng lọc ZIF-8 để phân tách hỗn hợp khí propylene/propane

Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ DOI: 10.31276/VJST.63(8).44-48 Ứng dụng phương pháp vi sóng tổng hợp nhanh lớp hạt và màng lọc ZIF-8 để phân tách hỗn hợp khí propylene/propane Nguyễn Kim Minh1, Trần Nguyên Tiến2* 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng 2 Viện Nghiên cứu và Phát triển công nghệ cao, Trường Đại học Duy Tân Ngày nhận bài 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 như trạng thái và tính chất lỗ xốp ổn định, đa dạng về cấu trúc cũng như biến đổi linh hoạt, vật liệu zeolitic imidazolate framework (ZIF) sở hữu tiềm năng to lớn trong lĩnh vực phân tách các hỗn hợp khí hydrocarbon. Trong nghiên cứu này, các tác giả 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. Từ khóa: màng lọc, phân tách khí, propylene/propane, vật liệu khung cơ kim, ZIF-8. Chỉ số phân loại: 2.5 Đặt vấn đề ion kim loại phối trí tứ diện và kết nối bởi các phối tử hữu cơ (ligand). Đặc điểm phân biệt của ZIF là việc sử dụng các Do các đặc điểm vật lý tương tự nhau, việc phân tách cầu nối imidazole để tạo ra các góc liên kết khi phối hợp hỗn hợp khí propylene/propane là một thách thức, nhưng rất với các thành phần vô cơ, tương tự các liên kết được tạo ra quan trọng trong công nghiệp lọc dầu về mặt thương mại, giữa các nguyên tử silic và oxy trong quá trình hình thành vì propylene có độ tinh khiết cao là nguyên liệu để sản xuất của zeolite. Góc liên kết M-mIm-M (M=Zn, Co) trong ZIF rất nhiều sản phẩm có giá trị như acrylonitrile, propylene là 145o, gần với góc T-O-T (T=Al, Si, P) trong zeolite [13, oxide, cumene/phenol, oxo alcohols, acrylic acid, isopropyl 14]. ZIF cho thấy sự kết hợp hoàn hảo các đặc tính cũng như alcohol, oligomers và đặc biệt là polypropylene [1-3]. Hiện các tính năng ưu việt của cả MOF và zeolite, như có thể điều nay, việc phân tách các hỗn hợp như propylene/propane chỉnh kích thước lỗ xốp và các đặc điểm hóa học, diện tích được thực hiện bằng phương pháp chưng cất ở nhiệt độ bề mặt riêng lớn và khả năng ổn định nhiệt và hóa học cao. thấp, rất tốn kém và tiêu tốn nhiều năng lượng do nhiệt độ Các đặc tính này làm cho ZIF trở thành ứng viên nổi bật cho bay hơi tương đối thấp và tương đương nhau của propylene việc chế tạo màng rây phân tử để phân tách khí. và propane (b.p. của propylene là -47oC và propane là -42,1oC). Các tháp chưng cất cần thiết thường cao khoảng Trong số các vật liệu ZIF được tìm thấy cho đến nay, ZIF- 100 m, chứa hơn 200 đĩa và năng lượng khoảng 1,2×1014 8, được tổng hợp từ muối Zn và cầu nối 2-methylimidazole, BTU/năm, được sử dụng để tách propylene/propane [4, 5]. là một lựa chọn lý tưởng để tổng hợp màng lọc phân tách Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu đưa hỗn hợp khí propylene/propane. Các nghiên cứu đã chỉ ra ra nhiều phương pháp thay thế hiệu quả hơn về kinh tế như rằng, kích thước lỗ xốp thực của ZIF-8 là 4 Å, vừa nằm hấp phụ, hấp thụ, màng lọc [6-9]. Trong số đó, công nghệ giữa đường kính phân tử của propylene là 4 Å và propane là màng lọc là một phương pháp thay thế tiềm năng với nhiều 4,3 Å [15]. Chính vì vậy, tổng hợp màng lọc ZIF-8 để phân ưu điểm như chi phí thấp, đơn giản và dễ vận hành [10]. tách hỗn hợp khí propylene/propane là một hướng đi đầy tiềm năng và ngày càng giành được nhiều sự quan tâm của ZIF là một bộ phận của vật liệu khung cơ kim (metal các nhà khoa học. Cho đến nay, phương pháp chủ yếu được organic framework, MOF) đang thu hút được nhiều sự quan các nhà khoa học trên thế giới sử dụng để tổng hợp màng tâm của các nhà khoa học trên thế giới [11, 12]. ZIF, giống lọc ZIF-8 phân tách propylene/propane là phương pháp hai như MOF, được đặc trưng bởi cấu trúc vi xốp, có độ tinh giai đoạn với lớp hạt được tạo thành bằng phương pháp phủ thể cao, được xây dựng từ các mảng lặp lại ba chiều của các nhúng hoặc phủ trượt. Tuy nhiên, lớp hạt được tạo thành * Tác giả liên hệ: Email: trannguyentien@duytan.edu.vn 63(8) 8.2021 44
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ khảo sát bằng kỹ thuật Wicke-Kallenbach. Rapid microwave-assisted seeding Thực nghiệm and secondary growth synthesis Tổng hợp tấm nền α-Al2O3 of ZIF-8 membrane Tấm nền α-Al2O3 có dạng đĩa, được chuẩn bị bởi bột for propylene/propane separation alumina (Baikowski, CR-6) có độ tinh khiết cao. Hỗn hợp gồm bột alumina và polyvinyl alcohol, sau khi trộn sẽ được Kim Minh Nguyen1, Nguyen Tien Tran2* đưa vào khuôn và tạo hình bằng máy ép tạo mẫu trong 1 University of Technology and Education, The University of Danang phòng thí nghiệm. Sau khi nung ở nhiệt độ 1100°C trong 2 Institute of Research and Development, Duy Tan University 2 h, tấm nền thu được có đường kính 22 mm, độ dày 2 mm với độ xốp khoảng 45%. Một mặt của tấm nền sẽ được mài Received 19 March 2021; accepted 24 May 2021 nhẵn bằng thiết bị mài chuyên dụng và được dùng để tổng Abstract: hợp màng ZIF-8. Cuối cùng, tấm nền được rửa sạch và sấy ở 70°C trong 6 h. Owing to their permanent porosity, diverse topology structures, and coordination factors combined with Tổng hợp lớp hạt và màng lọc ZIF-8 chemical tunability, the zeolitic imidazolate framework Màng lọc ZIF-8 được tổng hợp trên tấm nền alumina theo (ZIF) has shown great potential for the effective phương pháp 2 giai đoạn. Đầu tiên, lớp hạt sẽ được chuẩn separation of hydrocarbon mixtures. In this work, the bị bên trên bề mặt tấm nền bằng phương pháp vi sóng. Hai authors presented a simple microwave-assisted seeding dung dịch tổng hợp được chuẩn bị riêng biệt. Dung dịch A strategy to rapidly prepare a seed layer for the synthesis với 5 mmol Zn(NO3)2.6H2O hòa tan trong 40 ml methanol. of high-quality ZIF-8 membranes for propylene/ Dung dịch B gồm 32 mmol 2-methylimidazole và 2 mmol propane separation. The resulted membranes grown on sodium formate hòa tan trong 40 ml methanol. Cả hai hỗn planar alumina support displayed excellent separation hợp được khuấy trộn hoàn toàn trong 15 phút. Sau khi ngâm performances for a wide range of propylene/propane trong dung dịch A trong 1 h, tấm nền α-Al2O3 được bão hòa mixtures. The membrane displayed a propylene/ ion kẽm sẽ được đưa vào đặt thẳng đứng trong ống thủy tinh propane separation factor of 70 and propylene có chứa sẵn dung dịch B. Ngay sau đó, lớp hạt sẽ được tổng permeance of 105×10-10 mol.m-2s-1Pa-1. Long-term hợp dưới bức xạ vi sóng của lò vi sóng chuyên dụng ở công stability test also showed stable gas permeance and suất 100 W trong 90 s. Tấm nền được phủ lớp hạt sau khi separation performance of the ZIF-8 membranes in both tổng hợp sẽ được lấy ra rửa kỹ nhiều lần trong methanol và atmospheric conditions and propylene/propane mixture sấy ở 60oC trong 2 h. stream. Tiếp theo, trong giai đoạn phát triển thứ hai, tấm nền Keywords: gas separation, membrane, metal organic với lớp hạt được đặt thẳng đứng trong dung dịch tổng hợp framework, propylene/propane, ZIF-8. gồm 0,11 g Zn(NO3)2.6H2O và 2,27 g 2-methylimidazole Classification number: 2.5 hòa tan trong 40 ml nước cất. Phản ứng được thực hiện ở điều kiện phòng trong 2, 6 và 10 h. Sau khi tổng hợp, màng lọc ZIF-8 được lấy ra một cách cẩn thận rồi rửa với nước cất và methanol để loại bỏ các hạt ZIF-8 gắn kết lỏng lẻo trên theo các phương pháp này mất nhiều thời gian và không bề mặt màng. Sau đó, màng lọc ZIF-8 sẽ được ngâm trong đem lại hiệu quả cao do sự gắn kết yếu cũng như sự phân bố methanol 2 ngày để trao đổi dung môi. Cuối cùng, màng lọc không đồng đều của các tinh thể hạt, dẫn đến hiệu suất phân sẽ được phơi khô cẩn thận ở nhiệt độ phòng. tách thấp của lớp màng [16, 17]. Đặc trưng vật liệu và thực nghiệm phân tách khí Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp Đặc trưng hình thái học của các hạt tinh thể, màng ZIF- vi sóng để tổng hợp một cách nhanh chóng lớp hạt và sau 8 được xác định bằng phương pháp hiển vị điện tử quét đó phát triển thứ cấp hình thành màng lọc ZIF-8. Bằng cách (SEM) trên máy Leo-Supra 55 tại điện thế gia tốc 15 kV. sử dụng kỹ thuật tạo lớp hạt này, chúng tôi có thể rút ngắn Cấu trúc tinh thể của lớp màng được xác định bằng phương đáng kể thời gian tổng hợp, cho năng suất cao đồng thời lớp pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Rigaku MAC-18XHF hạt tạo thành có mật độ cao và liên kết chặt chẽ với tấm nền. (Nhật Bản) với đầu dò (Detector) D/teX Ultra 250, dùng Cấu trúc cũng như bề mặt của lớp màng ZIF-8 sau khi tổng bức xạ của Cu-K, tại điện thế gia tốc 40 kV, cường độ dòng hợp sẽ được quan sát bởi SEM, thành phần pha tinh thể của 30 mA, khoảng quét 2θ từ 3o đến 60o với tốc độ quét 3o/phút. màng sẽ được khảo sát bởi phương pháp nhiễu xạ tia X. Lượng truyền qua của hỗn hợp khí propylene/propane Cuối cùng, khả năng phân tách khí của màng ZIF-8 sẽ được được đo tại điều kiện phòng bởi kỹ thuật Wicke-Kallenbach 63(8) 8.2021 45
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ [16]. Hỗn hợp khí propylene/propane (tỷ lệ 1:1) được cấp Cấu trúc tinh thể của tấm nền, lớp hạt và màng ZIF-8 sau vào modun tách khí chứa màng lọc ZIF-8 với tốc độ 112 ml/ khi tổng hợp được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia phút sửđiều dụng bộ điều khiển dòng. khiển Đồng dòng.thời,Đồng Argon thời,được Argon sử dụng đượclàm sử khíXmang (XRD) đưavàlượng trình khí bàytruyềntrong hình 1. Kết quả cho thấy các dụng làm qua khí màng mang lọc vàođưa máy lượng GC khí(YL-6500, truyền qua màng lọc vào Young-Lin) để phânphổ tíchXRD thànhđều phần. có các đỉnh sắc nét, rõ ràng, chứng tỏ rằng máy GC (YL-6500, Young-Lin) để phân tíchdùng thànhđểphần. các năng mẫu đều có độ tinh và khiết tách và độ kết tinh cao. Phổ XRD điều điềukhiển khiểndòng. dòng.Độ Đồng Đồng phân táchArgon thời, là thông Argon được được số sửđược sửdụng dụng làm làm khíđánh khí mang giá mang khả đưa đưalượng vận lượng khí chuyển khí truyền truyền khí của màng lọc ZIF-8. của lớp hạt cho thấy các peak có cường độ nhỏ là do kích quaqua màng màng Độlọc phân lọc vàotách vào máylàGC máy thông số Độ (YL-6500, (YL-6500, được phândùng táchđểcóđánh Young-Lin) Young-Lin) thể đểđể xác giá phân phân định khả tíchtích bằng thành thànhtỷphần. lệ phần. của lượng truyền qua của chuyển các khí và trong điều khiển dòng. Đồng thời, Argon thướcđượclượng nhỏ của sử dụng các hạt ,làm đượckhítinh thể ZIF-8 mang đưavàlượngđộ dàykhí nhỏ của lớp truyền năng điều khiển Độ vận dòng. phân Đồng tách là táchhỗn thời, thông khí Argon số hợp. của được Lượng màng được dùng sửlọctruyền để ZIF-8. dụngđánh qua làm Độ giá của khíphân khả khí mang năng i (propylene), đưa vận chuyển khítách và truyền tính Độcó phân bởi tách công thứclà thông sau qua [9]: số được màng dùng lọc vào đểtruyền đánhGC máy giá(YL-6500, hạt. khả năng Young-Lin) Ngoài vận chuyển và ra còn có một để phân sự khác biệt tách tích thành phần. nhỏ về cường độ của quakhí thời, Argon tách màng được lọc sử thể vào dụng xácmáy làm định GC khí bằng tỷ (YL-6500, mang đưa lệ giữa lượng lượng Young-Lin) khí truyền để qua phân của tích thành phần. khí của của màng lọc ZIF-8. Độ phân tách có thể xác định bằng tỷ lệ của các lượng lớp màngtruyền tổng qua hợp ở các thời gian khác nhau là do sự GC (YL-6500, cácmàng khí tronglọcđể ZIF-8. hỗn Độ hợp.phân Lượng tách có thể qua truyền xác định của khí bằngi tỷ lệ của lượng truyền qua của Young-Lin) các Độkhí khí phân trongtáchhỗn phân hỗn tích hợp. là, thông thành Lượng số được phần. Độ truyền phân dùng qua tách đểsaucủa đánh là khí thông i số (propylene), giá ikhả được khác năng vận chuyển dùng biệt , để của được đánh độ dày tính và táchgiálớp khả năng màng. Các vận peakchuyển chính vàđặc tách trưng của các (propylene), trong hợp. tính được Lượng bởi truyền công thức qua của [9]:khí (propylene), , được tính thông số đượcbởi khítách của dùngthức công màng để đánh lọc sauZIF-8. giá khả năng [9]: Độtỷphân khí của vận tách màng chuyển có truyền thể lọcxác và ZIF-8. tách định Độ bằng phân tỷ lệ tách cho củacólượng tinh thể xác thể ZIF-8 truyền địnhqua nằm bằng tỷ lệ của lượng truyền qua tại 2θ=7,5; 10,3; 12,4; 14,7; 16,3 . Độ phânbởi công có thể thức xác sau định [9]:bằng lệ của củatích lượng cáctruyền khí trong qua hỗn hợp.i (propylene), Lượng và 18,0 truyền o (JCPDS: qua, khí 00-062-1030). củatruyềnkhí (propylene), i qua Kết quả này , được tínhvới phù hợp hợp. Lượngcủa truyền các khíqua trong Trong củađó, hỗn khí ihợp. là Lượng thể (propylene), dòng , của điều qua được khí khiển của tính khí (propylene) i dòng. Đồng thời, trong các hỗnquả Argon kết hợp được được nghiên sử dụng tính cứu làm khí trước đây mang về phađưa lượng tinh khí ZIF-8 thể của truyền bởi công thức màng saulọc [9]:ZIF-8, bởi công là sự khác thứcquabiệtsau màng áp[9]:suất lọc vào của máy dòngGC vào và Peak (YL-6500, [18]. dòng tại raYoung-Lin) khỏi 2θ=26; màng 35,5; lọc. để38 phân o tích αthành là pha phần. của tấm nền alumina TrongTrong đó, đó, là Độthể làphân tách, tíchtích thể dòng dòng của,của được khíkhíi tính Độ phân bằng (propylene) i (propylene) cách tách tronglập là trong tỷthông hỗn (JCPDS: số hợpgiữa sốkhí được lượng01-082-1468). truyền dùng khíqua để đánh truyền quagiá khả năng vận chuyển và tách Trong màng đó, lọc hỗn hợp ZIF-8, là thể tích là sự dòng khác của biệt khí áp khí i suất củacủa màng (propylene)dòng lọcvào ZIF-8. trong và dòng Độ hỗn phân ra hợp khỏi tách khí màng có thể truyền lọc. xác quađịnh bằng tỷ lệ của lượng truyền qua củakhí khítruyền qua màng lọc, ZIF-8, i (propylene), vớicủa khí các j (propane), khí là sự khác, trong hỗn hợp. Lượng [9]. qua của khí i (propylene), truyền , được tính màng ích dòng của khí lọc ZIF-8, biệt iáp(propylene) suất của dòng vào và dòng là sự khác biệt áp ra khỏi suất màng của dòng lọc. vào và dòng ra khỏi màng lọc. Độ phân tách, trong, hỗn được Trong hợp tính đó,khí bằng truyền bởi cách cônglà qua lập thể thứctích tỷsau sốdòng giữa lượng [9]: của hợp khí khíi truyền (propylene) qua trong hỗn hợp khí truyền qua Trong là sự khác biệt áp đó, suất là của tách, thể Thực vào dòng tích nghiệm dòng vàđượcdòngphân củara tách khí khỏi khíi màng(propylene) propylene/propane lọc.lập tỷ số giữa trong hỗn đượclượng thực hiện khí truyền 3 lần cho qua mỗi màng Độ Độ phân phân tách, sự, ,được màng tính tính lọc bằng ZIF-8, bằng cách cách lậpdòng tỷlàsốsự giữakhác biệt áp suất khícủa truyền dòng quavào và dòng ra khỏi màng lọc. củalọckhí ZIF-8, i (propylene), mẫu và thực là hiện khác với 3khí trên biệt mẫu áp khác suất j (propane), nhau của được , tổng vào và dòng hợp trong[9].ra cùng khỏi điều màng kiện lọc. để đảm , được tính lượng bằng cách khí lập tỷqua truyền số củagiữakhí lượng i khí truyền qua , với khí j (propylene), bảo độ lặp lại và chất lượng Độ của màng.tách, phân , ,số được của khíĐội (propylene), phânnghiệm (propane), Thực , với khí j (propane), tách,, phân, tách , với được khí khítính [9]. [9]. (propane), j bằng propylene/propane cách lập tỷ được giữatính thực lượng hiện bằng [9].khícách 3 lần cho truyền lập tỷ số giữa lượng khí truyền qua mỗi qua Kết quả và thảo luận Trong đó, hợp là mẫu và thực hiện trên 3 mẫucủa Thực nghiệm phân tách khác khínhau được tổng (propylene), i(propane), propylene/propane ,thể trong đượcvớicùngtích khí thực dòng jđiều của kiệnkhí (propane), hiện 3 để iđảm lần (propylene) cho ,mỗi trong hỗn [9].hợp khí truyền qua ân tách của khí khíbảo i (propylene), Thực độ lặp lại và Để propylene/propane nghiệm chấttổng phân được lượng , hợpcủavới tách thực màng khí khí hiện màng. j propylene/propane màng lọc ZIF-8, , được lọc ZIF bằng phương pháp hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai 3 lần cho mỗi là sự [9]. khác biệt áp suất của dòng vào và dòng ra khỏi màng lọc. 3 mẫu khác mẫunhau và thựcthực được tròhiện hiện 3 lầntrên tổng quan hợp trọng 3mỗi chotrong mẫu cho mẫu khác cùng giai vàđiều đoạn nhau thực kiện phát được hiện triểnđểtrên tổng đảm thứ 3cấp mẫu hợp tiếp kháctrong theo. cùng nghiên Trong điều kiện cứu để đảm này, chúng bảoKết độquả Thực lặpđượcvà lại thảo nghiệm và luận chất phân lượng táchcủa khímàng. Thực nghiệm propylene/propane Độ phân phântách, tách khí được thực , propylene/propane đượchiệntính 3 pháp bằng lần cho cách mỗi được lập tỷ thựcsố giữa hiện 3 lần lượng khícho mỗiqua truyền ợng của màng. nhau tôi tổng tổng hợp hợp trong một lớp cùng hạt điều đồng kiện đều để và đảm có mật bảođộ độ lặp bằng cao phương vi sóng, quá mẫu và lạithực hiện trên 3 mẫu mẫu và thực hiện trên 3 mẫu khác nhau được tổng hợp trong cùng điều kiện để đảm Kết quảĐể và chấttổng vàtrìnhthảocó lượng hợp luận của thểmànggiản lọckhác màng. lược ZIF như bằng nhau(1) sau: được phương của bãokhíhòa tổng ipháp tấm hợp (propylene),hai trong nềngiai với đoạn, dungcùng lớpđiều dịch , với hạt khíchứa jkiện đóngmuối (propane),để vai đảm Zn, (2) di, [9]. bảo độ trò lặp quan lại và chuyển trọng chất cho tấm lượng giai nềnđoạn vàocủabảo trong phát độ màng. triển lặpthứ dung lại dịch và cấp chất cầu tiếp nối, lượng theo. (3)Trong của nghiên nhanh màng. chóng cứu hìnhnày, thành lớp hạt dưới chúng ng lọc ZIF bằng Kết phương quả vàmột phápluận thảo hai giai đoạn, lớp hạt đóng vai tôi tổngĐể tổng bức hợp xạ hợpvilớp màng sóng.hạt lọc Phương đồng Kết ZIF đều pháp quả bằng và này cónày, và phương giúpchúng mật thảo duy độ luận Thực caopháp trìnghiệm nồng bằng haiphương độgiai phâncaođoạn,củapháp tách cả lớp khí hạt kim đóng quá vàvai ionpropylene/propane vi sóng, loại phân được thực hiện 3 lần cho mỗi đoạn phátKết trò quả triển quan thứ và cấp trọngthảo tử tiếp cho cầu luận theo. nốigiai Trong đoạn (ligand) nghiên phát trong triển vùng cứu thứ lân cấp cận tiếp của bềtheo. mặt Trong tấm nền nghiên(vùng cứu phản này, ứng) chúng làm cho trình ạt đồng đều và cóĐể có thể mậttổng giản độ cao lược hợp bằng như màngphương sau: (1) lọc ZIFpháp bão hòa mẫu bằngviphương tấm sóng, và nềnthực với dung hiện pháp hai giai quá dịch trên 3 chứa mẫu muối khác Zn, nhau (2) được di tổng hợp trong cùng điều kiện để đảm tôibão tổngĐể tổng các hợp hạt màng tinh thể lọc ZIF ZIF hình Để bằng thành tổng phương một hợp cách màng phápnhanh hailọc ZIF giai bằng đoạn, phương lớp phát phương pháp vi sóng, quá vi chóng và đồng đều hạt khi pháp đóngchiếu hai vaixạ giai đoạn, lớp hạt đóng vai hư sau: (1) chuyểnhòahợp đoạn, tấm tấmlớpmột nền nềnhạtvớilớp vào đóng hạtvaiđồng trong dung dung trò quan dịch đều và dịch chứa cầu trọng muối có Zn, nối, bảo mật(2) cho độ(3) độdicao lặpnhanh giai đoạnbằng lại và chóng chất hình lượng thành của lớp màng. hạt dưới ng dungtrò quan bức xạtrọng vithứsóng. sóng. cho giaitheo. Phương đoạnpháp trò phát này quan bãotrọng triển giúp thứ duy cho cấp trì nồng giai tiếp đoạn theo. phát Trong triển nghiên thứcứu cấpvà tiếp này, theo. chúng diTrong nghiên cứu này, chúng trình dịch triển có cầu thể nối, cấp giản (3) tiếp lược nhanh như chóng Trong sau: hình tôi (1)nghiên thành tổng hợp cứu hòa lớp Kết này, tấm hạt một quả dưới lớp vàđộ chúng nền với thảo hạt cao tôi dung của tổng luận đồng cảdịch đều ion Hìnhvà kim chứa2. có Ảnh loại muối mật SEM độ phân Zn, của cao (2) bềbằng mặt vàphương mặt cắt ngangpháp của vi (A, sóng,B) tấm quánền pháp nàytôi tử giúp cầu tổng chuyển hợphợp duy nối tấmmộtnền trì (ligand) một lớpvào nồng lớp trong hạt trong độ đồngđồng cao hạt vùng củađều dungvà cả lân ion đều dịch cận cóvàmật kim cầucủa cóđộ loại bề mật nối,và mặt cao(3) độbằng phân tấm cao nhanh nền phương bằng (vùng chóng phương phản hình pháp α-alumina, ứng) thành (C, làm vilớp D)sóng, cho hạthạt. lớp quá dưới g vùng trình lâncác trình có thể giản Để lược tổng như hợp sau: màng(1) lọc hòa bão ZIF chiếubằngnền tấm phương với pháp hai dung dịchgiai đoạn, chứa muối lớp Zn, hạt (2) đóngdivai bứccận xạ của hạt pháp có thểtinh vi bề vi sóng. mặt thểPhương sóng, giản lượctấmnhư ZIF quá nềnsau: hình trình pháp(vùng thành có thể này phản (1)giảnmột bão giúp ứng) cách lược hòa duy 10 trò hlàm nhanh như tấmtrìsau: quan cho nền nồng chóng trọng (1)vớiđộbão cho và dung cao hòađồng giaicủadịch đoạn đều cả chứa ion phát khi muối kim triển loại thứ xạvàvi Zn, cấp (2)phân tiếp di theo. Trong nghiên cứu này, chúng nh thành một sóng.cách nhanh chóng và đồng chuyển đều khi tấm chiếu nền xạ vào vitrong dung dịch cầu Hình nối, 2 (3) trình nhanh bày ảnh chóng SEM hình của tấmthành nền lớp trước hạt và dưới sau khi tử cầutấm chuyển nốinền tấm nềnvớivào (ligand) dung dịch vùng trong chứa muối dung dịch lân cận Zn, cầucủa(2) nối, tôi dibề tổng chuyển (3) mặtnhanh hợp tấmchóng tấm một nền (vùng nền lớp hạt hình đồng thành phản đều và lớp ứng) có hạtlàmdưới mật độcho cao bức các xạ vào hạtvitinhtrong Phương sóng. thểdung ZIFdịch hình cầu bức pháp thànhnối, xạ này (3)vinhanh giúp một sóng.trì duy 6 cách h Phương chóng nhanhnồng hìnhđộpháp chóng thành cao này của và đồng xử giúp cả lý ionđều vi duykim sóng trìloại khi tạo nồng chiếu vàlớpđộ phân xạ hạt. cao vivới của cả ion kim loại và phânquá Hìnhbằng 2A,phương 2B là pháp bề mặt vi và sóng, mặt cắt trình có thể giản lược như sau: (1) bão hòa tấm nền dung dịch chứa muối Zn, (2) di Cường độ (a.u.) lớp hạt dưới bức xạ vi sóng. tử lâncầuPhương nối của pháp nàytrong (ligand) giúp duy vùng trì lân cận của bề mặt tấm nền (vùng phản ứng) làm chocó ngang của tấm nền trước khi tiến hành tổng hợp lớp hạt, tử cầu sóng. nối (ligand) trong vùng 10 hcận chuyển 2 h bề mặt tấm tấm nền nền vào (vùng trong dung phản dịch ứng) cầu làm nối, cho (3) nhanh chóng hình thành lớp hạt dưới 10 h nồng độ cao của cả ion kim loại và phân tử cầu nối (ligand) các một hạt tinh thể ZIF hìnhPhương thành thể thấy một cách rõnhanh các lỗ chóng hổng kích và thước đồng macro đều bênchiếu khi trên tấm xạ nền. vi các hạttrongtinhvùng thể lân ZIFcận hình thành của bềsóng. mặt6 tấm cách bức nhanh xạ vi nền (vùng phản ứng) làm chóng sóng. và đồng pháp Sự đều này hiện khi giúp diện chiếu duy của trì các xạ nồng tinh vi độ thể cao ZIF-8 của cócả ion kích kim thước loại nano và phân được h sóng. 6h tử Lớp cầuhạtnối (ligand) trong vùng lân cận của bề mặt tấm nền (vùng phản ứng) làm cho (a.u.) độ (a.u.) cho các hạt tinh thể ZIF hình10 thànhh một cách nhanh chóng chứng thực thêm bởi hình 2C và 2D. Có thể thấy, bề mặt các hạt tinh thể ZIF hình thành một cách nhanh chóng và đồng đều khi chiếu xạ vi 2h và đồng đều khi chiếu xạ vi sóng. 2h Hạt ZIF-8 tấm nền được bao phủ đồng nhất và dày đặc với các tinh thể sóng. 10nano h 106 hh ZIF-8. Bên cạnh đó, có thể quan sát thấy các tinh thể độCường Lớp hạt 10 h Lớp hạt Tấm nền a-Al O 2 3 nano ZIF-8 cũng được hình thành bên trong tấm nền, điều 2hhZIF-8 65Hạt 6 hnày được 10 hkỳ vọng sẽ làm tăng độ ổn định cơ học của lớp Hạt ZIF-8 Cường độ (a.u.) 10 15 20 25 30 35 40 độ (a.u.) 6h hạt và lớp màng ZIF-8 (mũi tên màu đỏ trên hình 2D). Để Cường độ (a.u.) 2-theta 2 htổng hợph màng lọc bằng phương pháp hai giai đoạn, lớp hạt 6 Cường Tấm nền a-Al2O3 2Lớp Tấm h nền hạta-Al2O3 Cường độ (a.u.) 2h 10 15 20 Hình 25 1. Giãn 30 đồ 35 nhiễu xạ tia X (XRD) của tấm nền, lớp 40Hạt ZIF-8 đóng hạtmột 2vàh vai màng trò ZIF-8 quan trọng. tổng Các hạt của lớp hạt đóng vai Cường hợp ở các thời gian 5 Lớp 10 khác hạt Lớp 15nhau. hạt 20 25 30 35 Lớp 40 hạt trò là các hạt nhân để phát triển trong giai đoạn thứ cấp hình 2-theta Hạt ZIF-8 2-theta thành nên các hạt ZIF lớn hơn và đan xen vào nhau để tạo Tấm Hạt nềnZIF-8 ZIF-8 a-Al2Otổng Hạt ZIF-8 Lớp hạt u xạ tia X (XRD) của tấm nền, lớp hạt và màng 3 lớp màng. Sự đồng đều và bao phủ tốt của các tinh thể ZIF-8 ác nhau. Hình 1. Giãn đồ nhiễuTấm xạ nềntiaα-Al X 2(XRD) O3 của tấm nền, lớp hạt và màng sẽ thúc HạtZIF-8 đẩy ZIF-8 tổng quá trình tạo mầm và phát triển của các hạt tinh hợp ở các thời gian khác 5 nhau. 10 Tấm1525 nền a-Al 20 25 30 35Tấm nền 40 a-Al2O3 5 10 15 20 30 2O353 40 thể ZIF trên bề mặt tấm nền, giúp che lấp các khiếm khuyết 2-theta Tấm nền a-Al2O3 2-theta 5 10 của 15 màng 20 lọc.25Nếu không 30 có 35 lớp hạt, 40 lớp màng ZIF khó có 5 10 15 20 25 30 35 40 HìnhHình 1. Giãn 1. Giãn đồđồnhiễu nhiễu xạxạ tia tia X (XRD) X (XRD) của tấmcủa nền, tấm lớp hạt nền, và màng thể lớp hạt và màng 5 10hình thành 2-theta 15 ngay ZIF-8 tổng 20 cả 25 khi 30 thời gian 35 phát 40 triển thứ cấp (giai 2-theta ZIF-8 tổng hợp hợp ở các thời gian khác nhau. ở các thời gian khác nhau. đoạn 2) được kéo dài 2-theta hơn 24 h [16]. Hình Hình 1. Giãn đồ nhiễu xạ tia 1. Giãn X (XRD) đồtấm của nhiễu xạ tia hạt nền, X (XRD) củaZIF-8 tấm nền, lớp hạt và màng ZIF-8 tổng Hình 1. Giãn đồ lớp nhiễu xạvà tiamàng X (XRD) của tổng tấm nền, lớp hạt và màng ZIF-8 tổng hợp hợp ở các thời gian khác nhau. ở các thời gian khác nhau. hợp ở các thời gian khác nhau. 63(8) 8.2021 46
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Để khảo sát kỹ càng hơn chất lượng của màng ZIF-8 sau khi tổng hợp, các tác giả tiến hành thực nghiệm phân tách hỗn hợp khí propylene/propane ở điều kiện phòng sử dụng kỹ thuật Wicke-Kallenbach. Kết quả được trình bày trong bảng 1. Có thể thấy, lượng khí truyền qua cũng như độ phân tách khí của các màng lọc rất phù hợp với kết quả từ SEM. Tất cả các mẫu đều cho hệ số phân tách lớn hơn 1, cho thấy chất lượng cao của lớp hạt tổng hợp bằng phương pháp vi sóng. Sự đồng đều cũng như mật độ cao của lớp hạt đã giúp lớp màng phát triển một cách liên tục và đồng đều bên trên tấm nền alumina. Lượng truyền qua của khí propylene và propane giảm khi tăng thời gian tổng hợp từ 2 lên 10 h. Sự giảm này là do khi thời gian tổng hợp ngắn, không đủ để cung cấp cho cơ chế tái kết tinh các hạt ZIF-8 để đóng các khe hở cũng như lỗ hổng trên màng, làm cho lượng truyền qua của các khí propylene và propane cao hơn. Màng lọc sau 6 h tổng hợp đạt được hệ số phân tách propylene/propane cao nhất (70) với Hình 3. Ảnh SEM của bề mặt và mặt cắt ngang của lớp màng ZIF-8 lượng truyền qua của propylene là 105×10-10 mol.m-2s-1Pa-1. sau 2 h (A, B), 6 h (C, D), 10 h (E, F) tổng hợp. Hệ số phân tách đạt được trong nghiên cứu này cao gấp đôi ảnh SEM của bề mặt và mặt cắt ngang của màng lọc kết quả đạt được của Y. Pan và cộng sự [16]. Khi tăng thời ZIF-8 ở các thời gian tổng hợp khác nhau được trình bày gian phản ứng lên 10 h, hệ số phân tách và lượng truyền qua trong hình 3. Sau khi tiến hành tổng hợp, một lớp ZIF-8 của các khí giảm nhẹ, kết quả này là do độ dày lớp màng tăng đặc, chắc hình thành bên trên bề mặt tấm nền alumina. Một lên khi các tinh thể tiếp tục phát triển về kích thước. Màng dày lượng lớn tinh thể với nhiều kích thước khác nhau mọc xen hơn thường tạo ra nhiều lực cản hơn cho khí đi qua, do đó làm kẽ được quan sát thấy sau 2 h tiến hành phản ứng ở nhiệt độ giảm lượng truyền qua và hệ số phân tách khí. phòng (hình 3A). Các lỗ kích thước macro của bề mặt tấm nền quan sát được trước đây gần như đã được lấp đầy bởi lớp màng tinh thể ZIF-8. Tuy nhiên, một số lỗ hổng kích thước nano vẫn còn quan sát thấy và các đường biên giữa các tinh thể dường như vẫn chưa liên kết chặt khít vào nhau. Khi tăng thời gian phản ứng lên 6 h, một lớp tinh thể ZIF-8 hoàn thiện phát triển đan xen với hình thái khối đa diện hình thoi đã bao phủ hoàn toàn bề mặt tấm nền mà không có bất kỳ “khuyết tật” nào có thể nhìn thấy như lỗ kim hoặc vết nứt (hình 3C). Sau đó, khi thời gian tổng hợp được kéo dài đến 10 h, bề mặt lớp màng trở nên thô hơn, một vài tinh thể ZIF-8 phát triển lớn hơn, đồng thời xuất hiện nhiều hạt đơn lẻ trên bề mặt (hình 3E). Khi thời gian phản ứng tăng, độ dày của lớp màng tăng từ khoảng 2,5 μm tại 2 h, 4,2 μm tại 6 h đến 5 μm tại 10 h (hình 3B, 3D, 3F). Trong 6 h đầu tiên, Hình 4. Lượng truyền qua và hệ số phân tách propylene/propane của tốc độ phát triển của lớp màng xảy ra nhanh, sau đó chậm lớp màng ZIF-8 khi thực hiện phân tách gián đoạn trong 6 tháng. lại, giúp hạn chế sự hình thành quá dày của lớp màng. Xu Các tác giả tiếp tục thực hiện phân tách hỗn hợp propylene/ hướng này là cần thiết vì một khi lớp màng phát triển quá propane một cách liên tục và gián đoạn để đánh giá một cách dày sẽ có xu hướng tạo ra nhiều lực cản cho khí đi qua, làm toàn diện hơn chất lượng và độ ổn định của lớp màng sau khi giảm hiệu quả phân tách khí của màng [19]. tổng hợp. Kết quả phân tách khí liên tục trong 150 h và gián Bảng 1. Kết quả phân tách hỗn hợp propylene/propane của màng lọc đoạn trong 6 tháng của màng lọc ZIF-8 sau 6 h tổng hợp được ZIF-8 tổng hợp ở các thời gian khác nhau. trình bày trong hình 4, 5 và tổng hợp trong bảng 2. Kết quả cho thấy, gần như không có sự thay đổi hệ số phân tách cũng Lượng truyền qua (×10-10 mol.m-2s-1Pa-1) như lượng truyền qua của các khí propylene và propane khi Thời gian tổng hợp Hệ số phân tách tiến hành phân tách gián đoạn (hình 4). Đối với quá trình phân Propylene Propane tách liên tục, lượng truyền qua của propylene và propane tăng 2h 135,6±15,3 5,3±0,6 26,3±2,8 nhẹ (hình 5). Độ tăng lượng truyền qua của propylene nhanh 6h 104,6±8,8 1,5±0,3 70,2±3,9 hơn so với propane, làm cho độ phân tách của hỗn hợp tăng 10 h 96,6±6,9 1,5±0,2 65,0±3,3 nhẹ trong quá trình thực nghiệm. Có sự thay đổi này là do cấu 63(8) 8.2021 47
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ trúc lỗ xốp của lớp màng đã ít nhiều bị ảnh hưởng bởi lượng propylene from propane, https://patents.google.com/patent/ khí propylene và propane liên tục thổi qua lớp màng, dẫn đến US6293999B1/en. sự thay đổi của lượng truyền qua cũng như hệ số phân tách [3] R.L. Burns, W.J. Koros (2003), “Defining the challenges for C3H6/ của các khí propylene và propane. Các kết quả phân tích đã C3H8 separation using polymeric membranes”, J. Membr. Sci., 211(2), cho thấy độ ổn định cũng như chất lượng rất cao của màng pp.299-309. lọc ZIF-8 tổng hợp được trong nghiên cứu này. Sự duy trì khả [4] M. Das, W.J. Koros (2010), “Performance of 6FDA-6FpDA năng phân tách trong một thời gian dài mở ra một hướng đi polyimide for propylene/propane separations”, J. Membr. Sci., 365, đầy triển vọng và là tiền đề để phát triển hơn nữa cũng như pp.399-408. ứng dụng trực tiếp màng lọc ZIF-8 vào thực tế phân tách khí [5] R.W. Baker (2006), Membrane technology in the chemical trong công nghiệp. 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. [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. Hình 5. Lượng truyền qua và hệ số phân tách propylene/propane của seppur.2020.117354. lớp màng ZIF-8 khi thực hiện phân tách liên tục trong 150 h. [10] Xiaoli Ma and Defei Liu (2019), “Zeolitic imidazolate framework Bảng 2. Kết quả phân tách hỗn hợp propylene/propane ở các điều membranes for light olefin/paraffin separation”, Crystals, 9(1), DOI: kiện khác nhau của màng lọc ZIF-8 (6 h). 10.3390/cryst9010014. [11] Binling Chen, Zhuxian Yang, Yanqiu Zhua and Yongde Xia Lượng truyền qua (×10-10 (2014), “Zeolitic imidazolate framework materials: recent progress in Điều kiện mol.m-2s-1Pa-1) Hệ số phân tách synthesis and applications”, J. Mater. Chem. A, 2, pp.16811-16831. Propylene Propane [12] Hideki Hayashi, Adrien P. Côté, Hiroyasu Furukawa, Michael Liên tục (150 h) 110,6±8,0 1,5±0,2 73,5±4,2 O’Keeffe & Omar M. Yaghi (2007), “Zeolite A imidazolate frameworks”, Gián đoạn (6 tháng) 105,2±6,5 1,5±0,3 70±3,8 Nature Materials, 6, pp.501-506. Kết luận [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 Màng lọc ZIF-8 có chất lượng cao đã được các tác giả capture properties of zeolitic imidazolate frameworks”, Acc. Chem. Res., tổng hợp thành công sử dụng phương pháp hai giai đoạn 43, pp.58-67. với lớp hạt được chuẩn bị bằng kỹ thuật vi sóng. Phương [14] K.S. Park, et al. (2006), “Exceptional chemical and thermal pháp tạo lớp hạt này cho phép hình thành nhanh chóng các stability of zeolitic imidazolate frameworks”, Proceedings of the National tinh thể hạt nano ZIF trên bề mặt tấm nền với độ che phủ bề Academy of Sciences, 103(27), pp.10186-10191. mặt cao và đồng đều. Sự phát triển thứ cấp sau đó của lớp hạt ZIF-8 giúp hình thành lớp màng ZIF-8 có chất lượng [15] C. Zhang, et al. (2012), “Unexpected molecular sieving properties of zeolitic imidazolate framework-8”, J. Phys. Chem. Lett., cao, phát triển liên tục và đồng thời cho thấy hiệu suất tách 3(16), pp.2130-2134. propylene/propane cao. Lớp màng sau 6 h tổng hợp ở điều kiện phòng có độ dày khoảng 4,2 μm và đạt được hệ số phân [16] Y. Pan, et al. (2012), “Effective separation of propylene/propane tách là 70 với lượng truyền qua của propylene là 105×10-10 binary mixtures by ZIF-8 membranes”, J. Membr. Sci., 390, pp.93-98. mol.m-2s-1Pa-1. Ngoài ra, màng ZIF-8 còn cho thấy tính ổn [17] D. Liu, X. Ma, H. Xi, Y.S. Lin (2014), “Gas transport properties định, khả năng lặp lại và hiệu quả cao khi phân tách hỗn hợp and propylene/propane separation characteristics of ZIF-8 membranes”, J. propylene/propane một cách liên tục cũng như gián đoạn. Membr. Sci., 451, pp.85-93. [18] K. Kida, et al. (2013), “Formation of high crystalline ZIF-8 in an TÀI LIỆU THAM KHẢO aqueous solution”, Cryst. Eng. Comm., 15(9), pp.1794-1801. [1] R.B. Eldridge (1993), “Olefin/paraffin separation technology: a [19] A.D. Wiheeb, M.A. Ahmad, M.N. Murat, J. Kim, M.R. Othman review”, Ind. Eng. Chem. Res., 32(10), pp.2208-2212. (2014), “Identification of molecular transport mechanisms in microporous [2] L.S. Cheng and S.T. Wilson (2001), Process for separating hydrotalcite-silica membrane”, Trans. Por. Med., 104(1), pp.133-144. 63(8) 8.2021 48

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.