Τροποποίηση κεραμικών μεμβρανών για διαχωρισμό αερίων και διάσπαση αερίων ρυπαντών σε αντιδραστήρες μεμβρανών

Abstract

The last decades there has been an important effort for the reduction of gas pollutant emissions, for environmental reasons. The utilization of hydrogen as fuel is expected to play an important role towards this general strategy. Hydrogen can be produced through gasification of coal. The development of new, advanced hydrogen separation technologies is necessary for the economic viability of these processes. These technologies must allow the separation of hydrogen at high temperature and pressures and harsh environments that encountered in these processes. The use of microporous silica membranes is a new, alternative proposal towards this direction. The potential use of microporous silica membranes, which have been procured from three different ceramic membrane producers, is examined in the present phD thesis, for the separation of hydrogen from larger molecules that encountered in coal gasification processes. The test results revealed that the membranes had low selectivities and would not be efficient in gas separation processes. The low membranes’ selectivity was caused by the presence of defects in membranes’ top layer. Modification methods, like Chemical vapor deposition or infiltration (CVD/CVI) and atomic layer deposition with or without catalyst (ALD/C-ALD), were developed in order to repair these defects and upgrade membranes’ performance. These methods were applied at low temperatures (<300 oC) in order to be feasible the application of these methods in large area membrane modules, where the high temperature sealing between ceramic and metallic materials is a serious problem. Moreover, the porous structure of the membranes was characterized and their stability in the presence of gases that usually encountered in gasification processes was examined. Finally, the potential use of the membranes in a membrane reactor for NH3 decomposition was examined, via mathematical modelling.

Τα τελευταία χρόνια πραγματοποιείται μια μεγάλη προσπάθεια μείωσης των εκπομπών αερίων ρυπαντών, για περιβαλλοντικούς λόγους. Στα πλαίσια αυτής της γενικής στρατηγικής η χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου αναμένεται να παίξει πολύ σημαντικό ρόλο. Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί μέσω διεργασιών εξαερίωσης του άνθρακα. Για να είναι οικονομικά βιώσιμες αυτές οι διεργασίες απαιτείται η ανάπτυξη καινούριων, πιο εξελιγμένων τεχνολογιών διαχωρισμού υδρογόνου. Αυτές οι τεχνολογίες θα πρέπει να επιτρέπουν το διαχωρισμό του υδρογόνου σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις και σε ισχυρώς διαβρωτικά περιβάλλοντα που συναντώνται σε αυτές τις διεργασίες. Η χρήση μικροπορώδων μεμβρανών πυριτίας αποτελεί μία νέα εναλλακτική πρόταση προς αυτή την κατεύθυνση. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάστηκε η δυνατότητα χρησιμοποίησης μικροπορώδων μεμβρανών πυριτίας, οι οποίες προμηθεύθηκαν από τρεις διαφορετικές εταιρείες παρασκευής κεραμικών μεμβρανών, για τον διαχωρισμό υδρογόνου από μεγαλύτερα μόρια τα οποία συναντώνται σε διεργασίες εξαερίωσης του άνθρακα. Τα αποτελέσματα του ελέγχου έδειξαν ότι οι μεμβράνες παρουσίαζαν πολύ χαμηλές εκλεκτικότητες και δεν θα ήταν αποδοτικές σε διεργασίες διαχωρισμού. Η χαμηλή απόδοση των μεμβρανών οφειλόταν στην ύπαρξη ατελειών στο επιφανειακό στρώμα της πυριτίας. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν μέθοδοι τροποποίησης των μεμβρανών, όπως η χημική εναπόθεση ή διείσδυση ατμών (CVD/CVI) και η εναπόθεση καταλυτικού στρώματος με ή χωρίς καταλύτη (ALD/C-ALD), με σκοπό την “επιδιόρθωση” των ατελειών και την αύξηση της απόδοσης των μεμβρανών. Οι μέθοδοι αυτές εφαρμόσθηκαν με επιτυχία σε χαμηλές θερμοκρασίες (<300 oC), έτσι ώστε να είναι δυνατή η χρησιμοποίησή τους ακόμη και σε διατάξεις μεμβρανών μεγάλης κλίμακας, όπου η στεγανοποίηση μεταξύ μεταλλικών και κεραμικών υλικών είναι προβληματική σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, έγινε χαρακτηρισμός της πορώδους δομής των μεμβρανών που χρησιμοποιήθηκαν και έλεγχος της σταθερότητάς τους κατά την παρουσία αερίων που συναντώνται σε διεργασίες εξαερίωσης του άνθρακα. Τέλος, εξετάστηκε, μέσω μαθηματικής προσομοίωσης, η δυνατότητα χρησιμοποίησης αυτών των μεμβρανών σε ένα αντιδραστήρα για την αποσύνθεση της NH3