EFFECT OF SILVER COATING AND DOPING OF IRON AND COBALT ON THE OXYGEN PERMEABILITY OF La2NiO4. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis.pdf - Accepted Version Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

تعتبر الأغشية التي تعتمد على تفاعل انتقال الأيونات (ITM) أحد التقنيات المتطورة المستخدمة في الإمساك بثاني أكسيد الكربون وحجزه عن طريق فصل مكونات الهواء و تحويل الوقود. هذه المواد المتفاعلة تستخدم الأغشية الخزفية المختلطة النافذة للأكسجين والتي بدورها تمكن انتقال أيونات الأكسجين و الإلكترونات بدون الحاجة إلى دائرة كهربائية خارجية. غير أن نفاذية الأكسجين في مثل هذه الأغشية ضئيلة نسبيا والتي تحد من استخدام مثل هذه الأغشية في التطبيقات الصناعية. أحد هذه المواد المحتملة و المعروفة بنفاذيتها للأكسجين La2NiO4 (LNO) والمعروفة أيضا بثباتها عند درجات الحرارة المرتفعة. في هذه الدراسة، تم تكوين بودرة LNO بطريقة sol – gel من محاليل النترات. بعد ذلك تم ضغط هذه البودرة لتكوين الأغشية المطلوبة . ثم تم تحديد خصائص هذه الأغشية باستخدام جهاز انحراف الأشعة السينية X-ray diffraction (XRD) وأيضا باستخدام مجهر إلكتروني scanning electron microscopy (SEM) . كما وأيضا تم بناء نظام لاختبار نفاذية الغاز لقياس تدفق الأكسجين . هذا النظام تم توصيله بجهاز لاختبار الكروماتوجرافيا للتحاليل الكمية. والأغشية المستخدمة في اختبارات النفاذية كانت بسماكة 1 مم عند درجة حرارة 700 درجة مئوية. تم قياس نفاذية الأكسجين في هذه الأغشية بنسب مختلفة من الأكسجين و النيتروجين في الغاز المزود للنظام ،وأظهرت النتائج أن نفاذية الأكسجين كانت متناسبة بشكل خطي مع نسبة تركيز الأكسجين في الجهة التي تزود النظام بالغاز. بالإضافة إلى اختبار نفاذية الأكسجين عند درجات حرارة مختلفة وكان من الملاحظ أن التدفق يزداد بارتفاع درجة الحرارة. أقصى تدفق للأكسجين تم قياسه هو 0.064 µmol cm-2s-1 (0.099ml min-1 cm-2) عند درجة حرارة 800 درجة مئوية .و طاقة التفعيل كانت 0.67eV. تم اخضاع هذه الأغشية لاختبار استقرارها وثبوتها على المدى البعيد ، فوجد أن تدفق الأكسجين ينخفض بصورة حادة في البداية وبعد ذلك يستقر. لتحسين نفاذية الأكسجين في هذه الأغشية ، تم طلاء هذه الأغشية بمعجون الفضة على الجهة المعرضة للغاز المغذي للعملية، وأظهرت النتائج تحسن في تدفق الأكسجين بما نسبته 40 % مقارنة بأغشية LNO النقية مما يدفعنا بالتفكير بالفضة كعامل محفز للتفاعل على سطح الأغشية من الجهة المغذية. لكن في الأغشية المطلية بالفضة باستخدام جهاز لنشر أيونات الفضة على شكل رذاذ (ion sputtering machine) لوحظ انخفاض في تدفق الأكسجين مقارنة بالقيم للأغشية النقية. ويحتمل أن يكون السبب انحلال طلاء الفضة الكثيف وتكوين جزيئات من الفضة موزعة في جميع أنحاة الغشاء مسببا انخفاض المساحة السطحية الفعالة للغشاء المعرضة لنفاذية الأكسجين. بإضافة الحديد و الكوبالت لهذه الأغشية لزيادة حجم الانتشار في الأغشية ، لوحظ أن إضافة الحديد بنسبة 20 % أخفض التدفق بما نسبته 25% . لكن عند إضافة الكوبالت بنسبة 20 % زاد التدفق بنسبة 25 % مقارنة بالأغشية النقية الخالية من الإضافات. أعلى تدفق تم تسجيله هو 0.1 µmol cm-2s-1 وتم الحصول علي من الغشاء La2Ni0.75Co0.25O4 La2Ni0.70Co0.30O4 . ولكن بزيادة نسبة الكوبالت سيزيد من نسبة التسرب في النظام.

English Abstract

Ion transport membrane (ITM) based reactor is one of the developing technologies for carbon dioxide capture and sequestration which integrates air separation and fuel conversion. These ITM reactors use mixed conducting oxygen permeable ceramic membranes which can simultaneously transport both oxygen ions and electrons without the requirement of an external circuit. However, the oxygen permeability of these membranes is relatively low which still hinders their use in industrial applications. One of the potential materials for oxygen permeability is the La2NiO4 (LNO), which is known for its high temperature stability. In this study, LNO powders were synthesized by sol-gel method from nitrate solutions. These powders were compacted to obtain LNO membranes and characterized using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). A gas permeation system was built for the oxygen flux measurement. This system was connected to a gas chromatograph for quantitative analysis. Thick membranes (1mm) were used for permeability measurements at temperature of 700°C. The oxygen permeability of the LNO membrane was measured with different ratios of oxygen and nitrogen in the feed gas. The permeability increased with the increase in oxygen concentration on the feed side. The oxygen permeability was also tested with respect to temperature and the flux was found to increase with increasing temperature. A maximum oxygen flux of 0.064 µmol cm-2s-1 (0.099ml min-1 cm-2) was obtained at temperature of 800°C. The activation energy was calculated to be 0.67eV. A long term stability test was performed on the LNO membrane and the flux was found to decrease sharply at the starting and then stabilize. In order to further enhance the permeability, the LNO membrane was coated with silver paste on the feed side. Results showed an enhancement of upto 40% in the flux values as compared to the pure LNO membrane suggesting that silver acts as a catalyst for the surface reactions on the feed side. However, for the membranes coated with silver by using an ion sputtering instrument a decrease in the flux value was observed as compared to the pure LNO membrane. The reason could be attributed to the disintegration of the dense silver coating into small particles of silver distributed all over the membrane which reduced the effective surface area of the membrane exposed for permeation. The LNO membrane was also doped with iron and cobalt so as to increase the bulk diffusion in the membrane. The doping of the LNO membrane with 20% iron decreased the flux values by about 25%. However, doping the LNO with 20% cobalt increased the permeation flux by 25% as compared to the pure LNO membrane. A maximum flux of 0.1 µmol cm-2s-1 was obtained for the La2Ni0.75Co0.25O4 membrane and the La2Ni0.70Co0.30O4 membrane. Increasing the cobalt content further increased the amount of leakage in the system.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mezghani, Khaled
Committee Members:	Habib, Mohamed and Nouari, Saheb
Depositing User:	ALAM ZEESHAN (g201003820)
Date Deposited:	27 Aug 2013 15:13
Last Modified:	01 Nov 2019 15:39
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138985