EFFECT OF COATING MATERIALS ON THE OXYGEN PERMEABILITY AND STABILITY OF THE ASYMMETRIC ION TRANSPORT MEMBRANE Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF). PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_Thesis_-_Amir_Hamza.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

ثاني أكسيد الكربون هو أحد أكبر مسببات الاحتباس الحراري، و من أكبر منتجي هذه المادة هي صناعات الطاقة الحارقة للنفط و منتجاته. أحد الحلول للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون هو استخدام الاحتراق المسمى (oxy-fuel) ؛ وهو احتراق الوقود في بيئة غنية بالأكسجين منتجا نسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون الذي من الممكن جمعه و تخزينه، و بذلك يتم إيقاف الانبعاثات الغير مرغوب فيها من صناعات الطاقة. من الممكن استخدام الأغشية النافذة للأيونات (التي تمكننا من فصل الأكسجين عن المواد الأخرى في الهواء) لإنتاج البيئة الغنية بالأكسجين. أهم القضايا التي تحدد مدى نجاح هذه التكنولوجيا هي الاستقرار الكيميائي في وجود ثاني أكسيد الكربون، ونفاذية الأكسجين، والإغلاق المحكم لهذه الأغشية في جهاز الاحتراق في درجات حرارة عالية. في هذه الدراسة، الغشاء الناقل للأيونات المستخدم هو Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) بما أنه الأكثر نفاذية للأكسجين. تمت دراسة علاقة نفاذية BSCF مع المتغيرات الآتية: الشكل المجهري، السماكة، والضغط الجزئي للأكسجين. أظهرت هذه الدراسة أن الغشاء BSCF مستقر بشكل جيد تحت ظروف غير نشطة كيميائيا، على سبيل المثال: عند درجة حرارة 920 مئوية، غشاء BSCF بسماكة 1.4 مللمتر أنتج تدفق مستمر للأكسجين بمقدار 0.83 ميكرو مول/سنتيمتر مربع ∙ ثانية (µmol.cm-2.s-1) لأكثر من 1000 ساعة. كانت من التحديات في هذه الدراسة إيجاد مادة مناسبة لعزل بيئة الإحتراق عن محيطها و إغلاقها بإحكام. بعد إجراء بعض الدراسات على مواد وأخلاط مختلفة، تم التوصل إلى أفضل خليط لاستخدامه في عملية العزل، وهو خليط من زجاج البوروسليكات (Pyrex-glass) بنسبة 20% وزنا و 80% مسحوق BSCF. هذا الخليط يعتبر الحل الأفضل للمدى الطويل لمنع تسرب الأكسجين للخارج أو الهواء الخارجي للداخل، كما أنه يوفر التصاق قوي بين الغشاء BSCF والأنبوب السيراميكي في جهاز الاحتراق، وأيضا يمنع حدوث أي تفاعل كيميائي على سطح الغشاء. تم استخدام الغشاء BSCF في جهاز احتراق في المختبر مع اختيار غاز الميثان كوقود. أظهرت الدراسة أن تحلل الغشاء يعتمد على معدل تدفق الوقود، ومن الممكن منع التحلل من الحدوث اذا تمت عملية الاحتراق بمقدار فائض من الأكسجين يعدل 15%، كما أظهرت أن الزيادة في تدفق الوقود تؤدي الى زيادة عالية في نفاذية الغشاء. لتحقيق تدفق أكسجيني عالي مع إبقاء الغشاء من التحلل، تم طلاء الجهة النافذة للغشاء بخليط من La2NiO4+δ (LNO) و BSCF. بهذا، تم التوصل الى غشاء مستقر لمدى 140 ساعة من احتراق متواصل للميثان مع أكسجين بتدفق 1.35 ميكرو مول/سنتيمتر مربع ∙ ثانية (µmol.cm-2.s-1) عند درجة حرارة 920 مئوية. توجد طريقة أخرى لتحسين نفاذية الأكسجين للغشاء BSCF وهي باستخدام غشاء غير متماثل، بحيث يتم طلاء طبقة رقيقة جدا من الغشاء BSCF الكثيف فوق طبقة داعمة من الغشاء BSCF المسامي. هذا الغشاء المركب الغير المتماثل أظهر نفاذية أعلى، فأنتج تدفق أكسجيني بمقدار 1.42 ميكرو مول/سنتيمتر مربع ∙ ثانية (µmol.cm-2.s-1) عند درجة حرارة 920 مئوية بعدم وجود وقود، مانحا زيادة في المقدار المسموح به لتدفق الوقود في جهاز الاحتراق.

English Abstract

Carbon dioxide emission is believed to be one of the major causes of global warming for our planet. The main source of CO2 emission is the power industry using fossil-fuel. One of the solutions to reduce the CO2 emission is to utilize oxy-fuel combustion. Oxy-fuel process is a technology in which the fuel is burnt in oxygen rich environment producing high concentration of CO2 which can be captured and stored, thus stopping emissions from power plants. The oxygen rich environment can be created by using ion transport membranes (ITM) that are able to separate oxygen from air. The oxygen permeability, chemical stability under the CO2 containing environment, and sealing of these membranes to the reactor setup at high temperatures are very important issues for this technology to mature. In this study, the ion transport membrane Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) has been selected to address these issues. The BSCF has been reported to have the highest oxygen permeation flux among all ITM; however, it has relatively low chemical stability in CO2 rich environment. In this work, the permeability behavior of BSCF membranes has been investigated with respect to microstructure, thickness and oxygen partial pressure. The membrane has shown to have excellent stability in inert environment. For example, at 920 ºC a 1.4 mm thick BSCF memebrane has continuously produced a constant oxygen flux of 0.83 µmol.cm-2.s-1 for more than 1000 hours. One of the challenges in this study is to find the proper sealing material for the ITM reactor. After studying different materials and mixtures, the best sealing material has been determined to be a mixture of 20 wt% Pyrex-glass and 80 wt% BSCF powders. This sealant mixture has provided excellent long-term solution of air leakage containment, desirable bond strength between the membrane and the ceramic tube and prevention of chemical reaction at the surface of the membrane. The BSCF membrane has also been utilized inside a laboratory scale oxy-fuel combustion reactor. Methane has been used as fuel in this study. It is shown that the degradation of the BSCF membrane depends on the fuel flow rate. In addition, the study shows that the BSCF degradation can be prevented if the oxy-fuel reactor is operating at 15% excess oxygen. The study has also shown that an increase in the fuel rate significantly increases the permeability of the membrane. In order to achieve high oxygen permeability without degrading the BSCF, the permeate side of the membrane is coated with a mixture of La2NiO4+δ (LNO) and BSCF. The performance of the coated membrane is significantly enhanced. The results show that the coated membrane is stable during 140 hours continuous methane reaction with an oxygen flux of 1.35 µmol.cm-2.s-1 at 920ºC. Also for improving stability, Platinum and Palladium have been separately coated on the permeate and feed sides of the BSCF membranes. The results indicate that both metals have increased the stability of the BSCF. Furthermore, only Palladium has shown a catalytic activity on the feed side resulting in a higher permeability of the BSCF membranes. Another approach for enhancing the oxygen permeability of BSCF is to use an asymmetric membrane, where a very thin dense layer of BSCF is coated on the top of a porous BSCF support. These membranes produced higher oxygen flux values (1.42 µmol.cm-2.s-1 at 920 ºC without fuel), allowing a further increase in the allowable fuel flow rate in the oxy-fuel reactor.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Environmental Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mezghani, Khaled
Committee Members:	Caro, Jurgen and Habib, Mohamed A. and Nouari, Saheb and Faiz, Mohamed A
Depositing User:	HAMZA AMIR (g201103290)
Date Deposited:	29 Aug 2016 11:56
Last Modified:	01 Nov 2019 16:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140078