En uorganisk iltseparationsmembran (eng. Oxygen Transport Membraner, OTM) kan anvendes til fremstilling af ren ilt samt til indbygning i membranreaktorer, hvor højtemperatur ilt er påkrævet. Doteret ceria er et muligt materiale som iltseparationsmembran, da det udviser stor kemisk stabilitet i både reducerende og oxiderende atmosfærer, og det samtidig har en høj ionledningsevne. Udviklingen af en højtydende OTM giver anledning til en række udfordringer indenfor materialeudvikling, keramisk fremstilling og integration af materialer i en multilagsstruktur. I nærværende projekt er der blevet fremstillet en tynd film OTM baseret på gadolinia doteret ceria (Ce0,9Gd0,1O1.95-δ, CGO) supporteret på et bærelag af en rørformig porøs struktur af magnesiumoxid (MgO). Den porøse bærestruktur er blevet fremstillet ved anvendelse af termoplastisk ekstrudering af en blanding af MgO, termoplastiske bindere samt grafit poredannere. I projektet er der blevet udført en optimering af den termoplastiske råmasse med det formål at optimere gaspermeabiliteten samt den mekaniske styrke af de porøse bærelag. Tre forskellige poredanner (grafit med forskellige former og størrelser samt polymethyl methacrylat (PMMA)) er blev testet, og deres betydning for den mekaniske styrke samt gas permeabiliteten af ekstruderede rør er blevet kvantificeret, hvor sintringstemperaturen af de ekstruderede komponenter har været mellem 1250 °C og 1400 °C. Det er blevet fundet, at gaspermeabiliteten for de forskellige fremstillet support afhænger af tilstedeværelsen af åben porøsitet samt størrelsen af kontaktarealet mellem to porer. Som forventet mindskedes gaspermeabiliteten samt porøsiteten for alle de undersøgte prøver med stigende sintringstemperatur. For det porøse bærelag, hvor der under fremstillingen blev anvendt grafit bestående af flager, blev det fundet, at gaspermeabiliteten øgedes med stigende sintringstemperatur. Skanning elektron mikroskopi viste, at store porer voksede og samtidig blev pore-pore halsen større, hvilket gav anledning til forbedret pore-pore kontakt samt gaspermeabilitet. Kviksølv porosimetri målinger bekræftede en forøgelse af porestørrelsen for prøver sintret ved mere end 1300 °C selvom den totale porøsitet mindskedes. Den højeste åbne porøsitet (42,5 %) og højeste gas permeabilitet (4,7 ×10-16 m2) af de fremstillede prøver blev opnået ved anvendelse af sfærisk grafit som poredanner.Ved at implementere en bimodal pore størrelsesdistribution (der blev anvendt to poredannere med en gennemsnitlig størrelse på 5,5 og 10,5 μm) kan gas permeabiliteten forøges med minimum en størrelsesorden. Den karakteristiske Weibull styrke og modulus blev også målt af de fremstillede support strukturer ved både stue- og højtemperatur i en 4 punkts bøjemålinggeometri. Den karakteristiske Weibull styrke af supportstrukturerne blev målt til 60 MPa ved 850 °C, mens den ved stuetemperatur var 77 MPa. I projektet er der blevet fremstillet en asymmetrisk membran bestående af et MgO support (porøst), katalytisk lag af NiO-CGO (porøst), CGO membran (tæt) og et porøst CGO lag, der efterfølgende blev infiltreret med den nominelle sammensætning La0.6Sr0.4CoO3−δ. Et 30 mm langt stykke af denne membran (indre/ydre diameter 9.8/11.4 mm) er blevet testet mellem 650 °C og 920 °C, hvor der er anvendt luft på fødesiden og N2,H2 og CH4 på permeatsiden. Ilfluksen blev målt til 3.5 Nml min-1 cm-2 ved 856 °C, hvor der blev anvendt ren brint på permeatsiden. Efter en redox-cyclus, hvor membranen blev udsat for luft på begge sider og Ni dermed blev oxideret til NiO og efterfølgende reduceret igen til Ni, steg den målte iltfluks betydeligt ved især lavere temperatur. Dette er tilordnet til en forøgelse af Ni-arealet i det katalytiske lag. Til sidst i eksperimentet blev CH4 og befugtet brint tilledt på permeatsiden af membranen, hvilket resulterede i at membranen fejlede. Efterfølgende SEM analyser indikerede at membranen var blevet adskilt fra selve supportstrukturen, hvilket muligvis skyldtes kulstofdannelse.
展开▼
