Keramiske oksygen- permeable membraner Bent E. Vigeland.

Presentasjon om: "Keramiske oksygen- permeable membraner Bent E. Vigeland."— Utskrift av presentasjonen:

1 Keramiske oksygen- permeable membraner Bent E. Vigeland

2 Date: 2003-03-24 - Page: 2 Tette keramiske membraner 100% selektive Transport av ioner (O 2- ) og elektroner (e - ) Kan og må benyttes ved høye temperaturer: >700°C O 2, N 2 O2O2 N2N2 O 2 + 4e - = 2O 2- 2O 2- = O 2 + 4e - O 2- e-e-

3 Date: 2003-03-24 - Page: 3 Anvendelse Oksygenproduksjon Produksjon av kjemikalier (eks. syngas) Kraftproduksjon (eks. forbrenning av naturgass) Oksygenkilde: luft Reduksjon eller eliminasjon av NOx og CO 2 utslipp Reduksjon av prosessgassvolumer Miljømessige og prosessøkonomiske gevinster av N 2 /O 2 separasjon

4 Date: 2003-03-24 - Page: 4 Eks. Hydros AZEP prosess A dvanced Z ero E mission P ower HEXMCMHEX Brenner Naturgass Luft 400°C CO 2 H 2 O Luft 1250°C 1300°C 1000°C 450°C Gassturbin HRSG Kompressor Turbin HRSG HEX H 2 O, CO 2, O 2

5 Date: 2003-03-24 - Page: 5 Eks. Syntesegass-produksjon Membran Naturgass Luft 750°C Prereformer Damp 950°C HEX Syntesegass 400°C HEX Luft Syntese- gass Produksjon av syntesegass for - Metanolproduksjon- Fischer-Tropsch - Hydrogenproduksjon Eks: nettoreaksjon syngass for metanolproduksjon: CH 4 + ½ O 2 = CO + 2 H 2

6 Date: 2003-03-24 - Page: 6 Materialkrav og egenskaper Design-uavhengigDesign-avhengig Termodynamisk stabilitet (T, P O 2, P CO 2, P H 2 O ) Avdampning Stabilitet mot forurensninger (eks. svovel) Kjemisk ekspansjon Mekaniske egenskaper (styrke, elastisitet, etc.) ”High temperature creep” Oksygen fluks Stabilitet mot kinetisk dekomponering/ demiksing

7 Date: 2003-03-24 - Page: 7 Materialtyper Kjente materialer med høy oksygenfluks har perovskitt- eller perovskittliknende struktur Høy toleranse for variabelt oksygeninnhold Mobile oksygenioner Elektronisk ledende med de rette overgangsmetaller Perovskitt: ABO 3 A B O ABO 3-  i 2D

8 Date: 2003-03-24 - Page: 8 Materialtyper Kjente materialer med høy oksygenfluks har perovskitt- eller perovskittliknende struktur Høy toleranse for variabelt oksygeninnhold Mobile oksygenioner Elektronisk ledende med de rette overgangsmetaller Perovskitt: ABO 3 A B O ABO 3-  i 2D

9 Date: 2003-03-24 - Page: 9 Perovskitter som membraner To distinkt forskjellige kationer Stort basisk A-kation –Eks. La, Sr, Ca Lite B-kation med variabel valens –Eks. Cr, Mn, Fe, Co, Ni Summen av valenser for A- og B- kationet må være mellom 5 og 6 5/2 < 3-  < 6/2 Perovskitt: ABO 3-  A B O

10 Date: 2003-03-24 - Page: 10 Materialutfordringer i applikasjoner med naturgass ABO 3-  membran O 2, N 2 CO 2, H 2 O, CO, H 2, CH 4 PP Karbonatdannelse Oksidasjon/reduksjon Sulfatdannelse ACO 3 BO BO 2 ASO 4 Fordampning A(OH) x B(OH) y Fluksreduksjon Mekanisk brist Fluksreduksjon Mekanisk brist Fluksreduksjon (Mekanisk brist) Fluksøkning Mekanisk brist

11 Date: 2003-03-24 - Page: 11 Materialutfordringer i applikasjoner med naturgass, forts. ABO 3-  membran O 2, N 2 CO 2, H 2 O, CO, H 2, CH 4 PP Kinetisk dekomponering Creep Kjemisk ekspansjon AO BO 2 Fluksreduksjon Mekanisk brist

12 Date: 2003-03-24 - Page: 12 Oksygenfluks i tett membran Flere elementer bestemmer fluks gjennom membranen Korn Korngrense Overflate O2O2 O2O2 O2O2 O2O2

13 Date: 2003-03-24 - Page: 13 NFR-prosjekt: Keramiske oksygenmembraner for produksjon av syntesegass med naturgass som råstoff Prosjektstart: høst 1996 Videreføring fra høst 2000 Løper til høst 2003 Samfinansiert av NFR, Statoil, Norsk Hydro Prosjektleder: Stein Julsrud (NH) Overordnet mål ”… styrke Statoil og Hydro sine grunnlag for forretningsmessig satsning på utnyttelse av keramiske oksygenpermeable membraner for produksjon av oksygen og syntesegass …”

14 Date: 2003-03-24 - Page: 14 NFR-prosjekt: Keramiske oksygenmembraner. Konkrete mål. Bestemme oksygentransport i kjente materialer Som funksjon av trykk og temperatur Etablere grunnleggende forståelse av de forhold som bestemmer oksygentransport Overflate - volum – effekter Identifisere muligheter for å utvikle materialer med øket ytelse Etablere grunnleggende forståelse av mekanismer for degradering av membran i gradient Bygge opp norsk grunnforskning på feltet Etablere samarbeid med ledende forskningsgrupper internasjonalt

15 Date: 2003-03-24 - Page: 15 NFR-prosjekt: Keramiske oksygenmembraner. Deltakere i prosjektet. Institutt for kjemi og Institutt for materialteknologi og elektrokjemi, NTNU  Syntese, sintring, mikrostruktur, mekaniske egenskaper, faseundersøkelser, termodynamisk stabilitet, transportparametere fra elektrokjemiske teknikker og ledningsevnemålinger, fluks Senter for materialvitenskap, UiO  Transportparametere og defektkjemi fra gravimetriske teknikker og ledningsevnemålinger, kationdiffusjon, overflatekinetikk Norsk Hydros forskningssenter  Syntese, sintring, mikrostruktur, fluks, forsegling, elektrokjemiske teknikker Statoils forskningssenter  Fluks

16 Date: 2003-03-24 - Page: 16 NFR-prosjekt: Keramiske oksygenmembraner. Resultater. Generell styrking av fagmiljøene Etablering av nært samarbeid mellom miljøene klare synergieffekter Demonstrert av meget høyt faglig nivå på prosjektmøtene Etablering av samarbeid internasjonalt 1 avlagt dr.grad + 2 ferdig i 2004 45 publikasjoner 13 artikler i vitenskapelige tidsskrifter m/referee 10 artikler i andre vitenskapelige tidsskrifter 22 foredrag fra internasjonale konferanser

17 Date: 2003-03-24 - Page: 17 NFR-prosjekt: Keramiske oksygenmembraner. Resultater, syntese/sintring Syntese/sintring Utvikling av synteseruter for en rekke forbindelser Kartlegging av synteserutevariables innvirkning på pulverkarakteristika Kartlegging av sintringsegenskaper og mikrostruktur ved variasjon av partikkelstørrelse, grønntetthet, kjemisk sammensetning og sintringsparametre (temperatur, tid, atmosfære) Studier av poremodning under sintring, utvikling av modeller for poremodning Studier av faser i systemet La 1-x A x Fe 1-y Co y O 3-  (A=Sr,Ca) med s  rlig vekt p  SrFe 1-y Co y O 3-  Ogs  studert: Sr 4 Fe 6-x Co x O 13 og LaMnO 3 baserte faser

18 Date: 2003-03-24 - Page: 18 NFR-prosjekt: Keramiske oksygenmembraner. Resultater, oksygentransport Oksygentransport Diffusiviteter bestemt for en rekke forbindelser Overflateutveksling studert for en rekke forbindelser Oksygenfluks målt for en rekke forbindelser med variasjon i temperatur, oksygentrykk, membrantykkelse, mikrostruktur og overflateareal Bestemmelse av transportbegrensende faktorer: overflateutveksling, diffusjon i korn og korngrenser Modelleringsverktøy/dataprogram utviklet for prediksjon av fluks i membraner fra fundamentale parametere Modeller utviklet for fundamental beskrivelse av overflateutveksling Forseglingsmaterialer utviklet for elektrokjemiske celler Metode utviklet for bestemmelse av transportparametere med elektrokjemisk celle

19 Date: 2003-03-24 - Page: 19 NFR-prosjekt: Keramiske oksygenmembraner. Resultater, andre egenskaper Mekaniske egenskaper Mekanisk styrke, hardhet og E-modul bestemt for en rekke forbindelser Grundig studium av mekaniske egenskaper for Sr(Fe,Co)O 3-  faser ved variasjon i sintringstemperatur og mikrostruktur Termodynamiske egenskaper og stabilitet Faserelasjoner og oksygenstøkiometri bestemt for LaMnO 3 - baserte systemer Oksygenstøkiometri og defektstruktur bestemt for Sr(Fe,Co)O 3-  faser Degradering i gradient Diffusiviteter til Fe 3+ og La 3+ i LaFeO 3 bestemt