Nghiên cứu dòng chảy điện động gần màng trao đổi ion và ảnh hưởng của nó tới hiệu suất của thiết bị tách muối ứng dụng công nghệ phân cực ion

Trong thời gian từ năm 2017 đến năm 2019, TS. Phạm Văn Sáng cùng các cộng sự tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu dòng chảy điện động gần màng trao đổi ion và ảnh hưởng của nó tới hiệu suất của thiết bị tách muối ứng dụng công nghệ phân cực ion”.

Đề tài hướng đến thực hiện mục tiêu sau: Tìm hiểu và đánh giá được tác động của dòng chảy từ động gần màng trao đổi ion lên hiệu quả làm việc của màng và thiết bị tách muối. Xây dựng và phát triển chương trình tính toán mô phỏng số, giải trực tiếp hệ phương trình phi tuyến Poison-Nernst-Planck-Navier-Stokes trong không gian 2 chiều và 3 chiều. Áp dụng chương trình tính toán để mô phỏng số các trạng thái dòng chảy khác nhau trong dung dịch điện phân gần màng trao đổi ion. Phân tích kết quả mô phỏng số để tìm hiểu, đánh giá vai trò và tác dụng của các yếu tố kích thước hình học, điện tích tự do trong màng, điện trường... đến trạng thái dòng chảy, cường độ dòng điện qua màng, sự phân cực ion của màng, năng nượng tiêu hao để tách ion khỏi dung dịch và hiệu suất tách muối của thiết bị. Đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu suất dẫn điện của màng trao đổi ion, giảm điện trở làm việc, và tăng hiệu suất tách muối của thiết bị. Kết nối những nghiên cứu viên trẻ có năng lực chuyên môn cao cùng tham gia nghiên cứu. Hình thành và phát triển nhóm nghiên cứu mạnh trong lĩnh vực tính toán số và ứng dụng mô phỏng số.

Sau hai năm nghiên cứu, đề tài đã thu được các kết quả như sau:

Đề tài đã xây dựng hoàn chỉnh bộ chương trình tính toán số mô phỏng quá trình vận chuyển ion trong hệ điện hóa. Chương trình tính toán được phân bố ion, biên dạng dòng chảy, cùng các thông số của hệ tách muối. Chương trình tính toán cho phép mô phỏng chi tiết quá trình tách muối và sự tiêu hao năng lượng trong hệ tách muối, tạo nên một công cụ hiệu quả để nghiên cứu, phân tích và đánh gía hệ tách muối ứng dụng công nghệ phân cực ion.

Đề tài đã phát triển thành công phương pháp biên nhúng cho hệ phương trình Poisson-Nearst-Planck áp dụng đồng thời cho các biến số nồng độ muối và điện trường. Phương pháp biên nhúng đã được dùng nhiều trong giải hệ phương trình Navier-Stokes. Tuy nhiên đây là lần đầu tiên phương pháp này được áp dụng thành công cho hệ phương trình Poison-Nernst-Planck. Đây là kết quả mới rất có ý nghĩa và đã được nộp đăng trên tạp trí ISI đang chờ phản biện.

Sử dụng chương trình tính toán đã xây dựng, nhóm nghiên cứu khảo sát và phân tích hiệu quả tách muối của hệ tách muối sử dụng màng trao đổi ion có cấu trúc để cải thiện hiệu quả tách muối của hệ. Các loại cấu trúc hình học khác nhau (tam giác, hình chữ nhật, hình thang, hình thoi) đã được kiểm nghiệm ở nhiều kích thước và khoảng cách khác nhau để đánh giá ưu nhược điểm và tác động của các cấu trúc hình học tới hiệu quả tách muối của hệ. Từ đó đề xuất được dạng cấu trúc hình học cho hiệu quả tách muối cao nhất.

Sử dụng chương trình tính toán, nhóm nghiên cứu đã khảo sát các chế độ dòng chảy, dòng điện khác nhau trong khe tách muối, phân tích vai trò của chúng tới dòng điện tới hạn qua hệ, và sự tồn tại đồng thời của các chế độ dòng chảy trong khe.

Nhóm nghiên cứu đã xây dụng mô hình và tính toán sự phân tán năng lượng đầu vào trong hệ, từ đó dự đoán được sự tổn hao năng lượng trong hệ tách muối để tối ưu hóa hiệu quả tách muối.

Kết quả đề tài đã nghiên cứu hiệu quả tách muối ở chế độ dòng chảy trên tới hạn với sự xuất hiện của các loại xoáy khác nhau trong dòng chảy hình thành do sự mất ổn định của lớp điện tích mở rộng sát màng trao đổi ion.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18270/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.