Hydrogen Separation through a Solid Pd-based Membrane (DFT Study)

Hydrogen Separation through a Solid Pd-based Membrane (DFT Study). PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
PhD_AhmedAbuelyamen_201402540_v3.pdf
Restricted to Repository staff only until 29 May 2023.

Download (6MB)

Arabic Abstract

تعد تقنية فصل غاز الهيدروجين من الغازات الاخرى بواسطة غشاء البلاديوم من اكثر التقنيات الواعدة لانتاج الهيدروجين. في هذا البحث تمت دراسة عملية انتقال غاز الهيدروجين من خلال غشاء البلاديوم بطريقة حساب عددية للعمليات الثلاثة: الامتزاز، والتفكيك، والتغلغل داخل الغشاء. تمت الدراسة من خلال استخدام نظرية الدالة الوظيفية للكثافة، حيث تمت دراسة التفاعل بين غاز الهيدروجين وغشاء البلاديوم على مستوى الذرة (المستوى الكمي). يكشف هذا النوع من التحقيق على المستوى الكمي كيف يمكن لخصائص غشاء البلاديوم ان تؤثر على عملية انتقال غاز الهيدروجين داخل الشغاء بالاضافة الى التنبؤ بمعدل تدفق غاز الهيدروجين داخل الغشاء المصنوع من مادة البلاديوم. بناءاً على هذه الامكانيات التي يمكن التحصل عليها بواسطة نظرية الدالة الوظيفية للكثافة فقد تم حساب خصائص غشاء البلاديوم والمتمثلة في قوة الربط بين ذرات الغشاء و المسافة بين وحدة الذرات. كذلك تم حساب طول الترابط بين ذرات غاز ثاني اوكسيد الكربون، واول اوكسيد الكربون، وغاز الميثان وتمت مقارنتها مع المعلومات المتوفرة في المؤلفات العلمية المنشورة. بعد ذلك تم تقييم عملية الامتزاز لغاز الهيدروجين في عدة توجهات للغاز وعدة مناطق على سطح غشاء مصنوع فقط من البلاديوم واخر مصنوع من سبيكة البلاديوم والذهب. ايضاً تمت دراسة تأثير امتزاز عدد من الغازات على كيمية الطاقة المطلوبة لامتزاز غاز الهيدروجين. اقصى طاقة امتزاز تم تقديرها هي -0.343 الكترون فولت عند استخدام غشاء مصنوع من البلاديوم فقط، وتصل هذه القيمة الى -0.347 الكترون فولت عند استخدام سبيكة غشاء من البلاديوم والذهب. قيم طاقة الامتزاز السابقة تم التحصل عليها في ظل سطح غشائي نظيف لا يحتوي على اي من الغازات الاخرى او ذرات هيدوجين تمم تفككها مسبقا على السطح الغشائي. علاوة على ذلك، تم تققيم التفاعل اللازم لتفكك غاز الهيدروجين الى ذرتين على سطح غشاء البلاديوم. اتضح ان الطاقة المطلوبة لتنشيط هذا التفاعل مقدارها -0.233 الكترون فولت، بينما العملية العكسية لتجميع ذرتي هيدروجين لتكوين غاز الهيدروجين على سطح غشاء البلاديوم تتطلب طاقة تنشيطية مقدارها -0.748 الكترون فولت. بالإضافة الى ذلك فقد تمت دراسة عملية تغلغل ذرات الهيدروجين خلال غشاء البلاديوم وغشاء سبيكة البلاديوم مع الذهب. النتائج المتحصل عليها تشير الى ان سبك غشاء البلاديوم بذرات الذهب يؤدي الى خفض حاجز الطاقة المطلوب لعملية التغلغل من -0.166 الى -0.150 الكترون فولت مقارنةً بغشاء مصنوع من البلاديوم فقط. كذلك يمكن دمج النتائج المتحصل عليها من نموذج نظرية الدالة الوظيفية للكثافة مع نموذج تحسيب ومحاكاة حركة الموائع لدراسة فصل غاز الهيدروجين في مفاعلات اعادة تشكيل الوقود. لتحقيق هذا الدمج بين النموذجين الكمي والاستمراري يمكن استخدام معادلة "أرهينيوس" والتي تعتمد على الطاقة التنشيطة المتحصل عليها من نموذج نظرية الدالة الوظيفية للكثافة. لتبيين عملية الدمج بين النموذجين تم تطوير نموذج تحسيب ومحاكاة حركة الموائع بناءاً على طاقات تنشيطية متحصل عليها من التجارب العلمية المنشورة، حيث تم اختبار عدد من العوامل التشغيلية على معدل انتقال غاز الهيدروجين خلال غشاء البلاديوم وكذلك تم اختبار عدة طرق لسحب الهيدروجين من غشاء البلاديوم.

English Abstract

Hydrogen separation through a Palladium-based membrane is one of the most promising technology to produce pure H2. This work investigates numerically the hydrogen permeation processes (adsorption, dissociation, and diffusion) through a Pd-based membrane. A detailed reactions of hydrogen transition through Pd-based membrane is developed using density functional theory (DFT). The interaction between the hydrogen and the Pd-based membrane was investigated at atomic level (quantum level). This level of quantum investigation reveal information about how the membrane characteristic would influence the hydrogen permeation along with predicting parameters related to hydrogen flux through the membrane. Accordingly, the characteristics of Pd-based membrane such as binding energy and lattice parameter along with the binding energy of various gases (H2, CO2, CO, and CH4) were estimated using DFT calculation and validated against data from the literature. After that, the adsorption process of hydrogen gas on bare Pd and dilute alloy of PdAu is evaluated at various sites on the membrane surface and various gas orientations. Also, the influence of poisoning gas and hydrogen coverage were examined. The highest adsorption energy for H2 is estimated to be -0.343 eV and -0.347 eV on bare Pd and PdAu surfaces, respectively. These values were achieved at bare surface that have neither poisoning gas nor pre-dissociated hydrogen atoms. Furthermore, the dissociation of H2 to two hydrogen atoms on the Pd-based surface was also evaluated. It turns out the activation energy for this process is about -0.233 eV, while the reverse process of H2 association on the other surface of the membrane requires -0.748 eV. In addition, the hydrogen diffusion process through pure Pd and PdAu bulk is studied. Alloying Pd membrane with Au atom reduces the diffusion energy barrier from 0.166 eV to 0.150 eV. Moreover, obtained results out of the DFT model could be integrated later to a computational fluid dynamic model to explore the applications of fuel reforming reactor and hydrogen purification in the continuum level. This can be achieved by using Arrhenius equation which depends on the activation energy. To reflect the potential usefulness of the proposed DFT work in the application of hydrogen purifications, a CFD model is developed based on experimental data from the literature. The impact of operational conditions along with the utilization of sweeping gas and applying vacuum pressure on the performance of hydrogen permeation are examined.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: BEN-MANSOUR, RACHED
Committee Members: HABIB, MOHAMMED and ANTAR, MOHAMED and SAID, SYED
Depositing User: AHMED ABUELYAMEN (g201402540)
Date Deposited: 29 May 2022 12:57
Last Modified: 29 May 2022 12:57
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142133