CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG 1.1 Màng polyme Hầu hết các màng được sử dụng để thoát hơi nước trong công nghiệp là màng polyme. Màng polyme có cấu hình màng bao gồm màng sợi rỗng và tấm phẳng / tấm-và khung. Các vật liệu được sử dụng để chế tạo màng polyme rất đa dạng. Một số polyme, như cuprammonium cellulose tái sinh (CRC), poly(amidesulfonamide) (PASA), sodium alginate (SA), poly(phenylene oxit) (PPO), và chitosan (CS).
Màng polyme thường không có các thuộc tính tối ưu cho một mục đích tách nhất định, vì thế một số nghiên cứu để cải thiện hiệu suất tách bằng cách thay đổi các đặc tính của màng polyme. Cụ thể là chế tạo một màng composite với một lớp da mỏng, trộn một polymer với một thông lượng cao và có tính chọn lọc, kết hợp với các nhóm chức năng của polyme đồng trùng hợp hoặc biến tính và ion hóa polymer. Ví dụ, Chanachai et al. (2000) quan sát thấy rằng một chitosan/hydroxyetylxenlulo (CS / HEC) pha trộn màng đã có một thông lượng thấm qua tương tự như một màng CS tinh khiết, nhưng yếu tố tách được tăng từ 2200 đến 10491 trong quá trình tách nước của ethanol 90% ở 60°C.
Shih et al. (2007) giới thiệu nhóm sulfonic vào một poly(phenylene oxit) (PPO) thông qua một phương pháp chính sulfonation trực tiếp. Các màng PPO sunfonat thể hiện một tỷ lệ thấm nước tuyệt vời của khoảng 300g/m2/h với sự chọn lọc đến gần 700, trong khi PPO màng tinh khiết có tốc độ thấm nước của 210g/m2/h và độ chọn lọc là 145 ở 25°C với hiệu suất 90% tách nước trong ethanol.2 Màng vô cơ Màng được làm từ vật liệu vô cơ đã thu hút được sự chú ý rộng rãi của các nhà khoa học vì màng được làm từ vật vô cơ có những đặc tính vượt trội hơn so với màng được làm từ các vật liệu cao phân tử khác về sự ổn định và tính chất cơ học của chúng trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Năm 2000, nhà máy tách hơi nước qua màng quy mô lớn đầu tiên được trang bị mô đun màng zeolit NAA được phát triển bởi Mitsui Engineering và Shipbuilding.
Ví dụ, các nhà khoa học tổng hợp ở quy mô công nghiệp màng zeolit NaY và tiến hành thí nghiệm thành phần ethanol thẩm thấu duy nhất lên đến 130°C và 570 kPa. Zeolite màng với một số cấu trúc zeolit, như zeolite NAA, zeolit NaX, zeolite NaY, mordenite, zeolite T, và zeolite LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ZSM5, đã được nghiên cứu rộng rãi do tính chất đặc biệt của chúng, tức là, phân bố kích thước lỗ chân lông thu hẹp, ảnh hưởng kết hợp của sự hấp phụ và lọc phân tử, kháng dung môi cao hơn và ổn định ở nhiệt độ cao.[3] Một số nhà nghiên cứu đã cố gắng để giải thích cơ chế vận chuyển trong quá trình tách nước của hỗn hợp ethanol / nước. Shah et al. (2000) sử dụng màng zeolit NAA thương mại đã tổng hợp để nghiên cứu các cơ chế vận chuyển của hỗn hợp ethanol/nước bằng các vật liệu zeolitic.
Tính chọn lọc cao gây ra bởi sự tương tác mạnh mẽ giữa các phân tử nước và các ion trong mạng tinh thể zeolit và lọc một phần đạt được bởi các zeolite. Pera-Titus et al. (2006a) đã phát triển một mô hình hấp phụ-khuếch tán bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận Maxwell-Stefan cùng với các công thức Langmuir mở rộng để mô tả trạng thái cân bằng hấp phụ trong các bề mặt nguyên liệu / màng và hơi nước / bề mặt màng. Trong khi màng vô cơ có nhiều lợi thế hơn so với màng polyme nhưng chúng sản xuất khó khăn và giảm tính khả thi kinh tế là hai trở ngại chính nên màng vô cơ không được ứng dụng cao trong công nghiệp.
Do đó, phương pháp tổng hợp dễ dàng và hiệu quả là cần thiết để ổn định các quá trình và phù hợp với quy mô sản xuất lớn với khả năng tái tạo cao. Việc xây dựng màng vô cơ với các thông lượng và tính chọn lọc cao không có khiếm khuyết là một hướng quan trọng cho các nghiên cứu trong tương lai sẽ góp phần vào việc giảm chi phí của màng và các mô đun.3 Màng hỗn hợp vô cơ – hữu cơ Màng hỗn hợp hữu cơ – vô cơ được dự kiến sẽ là một thế hệ mới của công nghệ màng với hiệu suất cao, sở hữu tính đặc trưng của cả hai màng hữu cơ (tính nhẹ và tính uốn) và màng vô cơ ( khả năng chịu nhiệt và ổn định). Đến nay, màng hỗn hợp hữu cơ – vô cơ thường được tổng hợp bằng cách kết hợp các hạt vô cơ với một cơ sở màng hữu cơ. Có hai phương pháp chế tạo hiện đang được sử dụng đó là phương pháp sol – gel và phương pháp trộn các hạt vô cơ với màng hữu cơ.
Hầu hết các màng hỗn hợp hữu cơ – vô cơ được sử dụng bằng cách kết hợp các hạt vô cơ kết hợp thành một cơ sở màng polymer , trừ một số trường hợp trong đó các polymer được phủ trực tiếp trên sự hỗ trợ của chất vô cơ. Một số nghiên cứu sử dụng chitosan như polyme cơ sở hình thành nên một chất kháng hóa. Do tính chất sàng phân tử duy nhất và khả năng hấp phụ chọn lọc nên zeolit đã được lựa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chọn bởi một số nhà nghiên cứu làm chất độn vô cơ để điều chỉnh các thuộc tính của vật liệu polymer. Màng hỗn hợp hữu cơ – vô cơ thể thể hiện hiệu suất tách nước tốt hơn so với màng polymer.
Ví dụ, Sun et al. (2008a) đã kết hợp H-ZSM-5 vào chitosan (CS) để chuẩn bị màng H-ZSM-5 chitosan. Việc kiểm soát màng chitosan có một thông lượng thẩm thấu của 54.18 g/m2/h và hệ số tách 158,02 90% trọng lượng. Giải pháp loại nước khỏi dung dịch ethanol ở 80°C, trong khi H-ZSM-5(50) -CS-08 màng (tỷ lệ khối lượng của H-ZSM-5 (50) để chitosan là 8%) có thông lượng thẩm thấu là 230,96 g/m2/h và hệ số tách 152,82 điều kiện thử nghiệm giống hệt nhau, nhưng hiệu suất tách nước cải thiện đáng kể.
Huang et al. (2006a) đã sử dụng zeolite 4A ưa nước để tổng hợp màng đa lớp PVA để loại bỏ nước từ một dung dịch nồng độ cồn cao. Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung của zeolit tăng yếu tố tách đồng thời tăng cường đáng kể thông lượng tổng thể, việc đó chỉ ra rằng zeolite 4A kết hợp có thể thúc đẩy quá trình tách nước trong khi đó sẽ hạn chế qáu trình thẩm thấu ethanol. Màng hỗn hợp hữu cơ-chất vô cơ có nhiều ưu điểm so với các màng polymer truyền thống.
Tuy nhiên, nghiên cứu sâu hơn vẫn còn cần thiết để làm cho công nghệ này thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp. Phương pháp chế tạo mới cần được phát triển để khắc phục những thiếu sót của phương pháp sản xuất hiện nay. Vấn đề hiệu suất dài hạn và quy mô này cũng cần phải được kiểm tra, các khía cạnh kinh tế cho hoạt động quy mô lớn cũng cần phải được ước tính.[3] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 2 – SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 2.1 Sản xuất ethanol sinh học 2.1 Tổng quan về nhiên liệu ethanol sinh học Theo chúng ta được biết thì etanol được sử dụng trong y tế, trong mỹ phẩm, dùng làm dung môi và sau này nó được biết đến như nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt trong được ứng dụng ở nhiều nước như Anh, Pháp, Mỹ, Canada, Brazil…. Etanol là cấu tử phối trộn làm tăng chỉ số octane của xăng: Ngày nay có thể thấy etanol hoàn toàn có khả năng dùng làm nguyên liệu cho động cơ đốt trong, thay thế một phần nguyên liệu hóa thạch.
Etanol được dùng 2 dạng cụ thể sau: - Etanol được pha với xăng với tỷ lệ nhỏ hơn 15%. Với tỷ lệ này thì không cần thay đổi hay điều chỉnh gì cho động cơ xăng. Tuổi thọ, độ bền của động cơ không hề thay đổi - Etanol là nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho động cơ xăng dùng cho động cơ đốt trong có cải tiến. Theo hiệp hội tái tạo (RFA) [2], dùng xe FFV (flex-fuel Vehicles).
Xe FFV có thể tự động nhận biết hàm lượng cồn trong bình nhiên liệu để tự điều chỉnh góc đánh lữa sớm và thay đổi lượng phun nhiên liệu. Dùng xe FFV có tính kinh tế cao vì xe đả được thiết kế tối ưu về vật liệu, về kết cấu buồng cháy và hệ thống nhiên liệu. Nhiên liệu E85 (có 85% etanol trong xăng) là loại nhiên liệu tốt nhất cho xe FFV. Riêng trong năm 2000 Mỹ đả sản xuất 750.000 chiếc xe FFV.
Hiện nay Mỹ có khoảng 5 triệu xe FFV cùng với 169. và trong những năm gần đây thì có rất nhiều các nhà sản xuất xe lớn trên thế giới củng sản xuất xe chạy bằng nhiên liệu xăng E85 như General Motors, Ford, Daimler, Mazda….Đến năm 2009 có 36 mẫu được sản xuất, các hãng dẫn đầu là GM, Ford. Lượng xe bán ra củng tăng dần hàng năm. Công nghệ sản xuất ethanol là việc thực hiện quá trình chuyển hóa các nguyên liệu chứa tinh bột, đường, xenluloza thành Ethanol (C2H5OH).[1] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Lợi ích và hạn chế khi sử dụng nhiên liệu ethanol 2.1 Lợi ích Sử dụng ethanol làm nhiên liệu không chỉ là một biện pháp tình thế nhằm làm tăng chỉ số octane của xăng, thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trường sinh thái mà còn đảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây là nguồn năng lượng có khả năng tái tạo được.
Lợi ích về kinh tế Sản xuất ethanol làm nhiên liệu góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển vì ethanol được sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học. Nguyên liệu sản xuất ethanol là tinh bột của các loại củ hạt như: sắn, khoai, ngô, lúa , gạo, trái cây,… Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào trong tự nhiên. Tạo ra nhiều công ăn việc làm cho nhiều lao động ở nông thôn, giải quyết được lượng lương thực bị tồn đọng và đặc biệt khuyến khích được tinh thần lao động sản xuất của người dân. Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung cũng như gasohol nói riêng giúp cho các quốc gia chủ động trong chính sách năng lượng của mình.
Nước nào càng có nhiều xăng sinh học thì càng ít phụ thuộc vào nước khác và từ đó có thể phát triển kinh tế của mình một cách bền vững. Lợi ích về môi trường Dùng ethanol làm nhiên liệu sẽ giảm được một lượng lớn các chất gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy nó được mệnh danh là “xăng xanh”.