Chromo oksido dangų sintezė ir panaudojimas vandenilio

atskyrimo membranose

2

Pranešimo struktūra

Vandenilio atskyrimo metodai; Joninis laidumas; Chromo oksido dangų sintezė atkaitinimo

metodu; Chromo oksido dangų sintezė deguonies

aplinkoje, impulsiniu rėžimu; Gautų rezultatų analizė;

3

Vandenilio gavyba

Gamtinės dujos48 %

Vanduo4 %Anglis

18 %

Nafta 30 %

Vandenilio gavimo technologijos:•Vandenilio gamyba naudojant vandens garą;•Sausasis riformingas;•Mišrus riformingas;•Elektrolizė;•Vandenilio išskyrimas membranų pagalba.

4

Vandenilio atskyrimo membranosMembranų privalumai:

Mažas energijos sunaudojimas; Galimas taikymas su kitomis atskyrimo

technologijomis; Galimybė atlikti atskyrimą nepertraukiamai.

Membranų klasifikavimas pagal jų struktūrą:

Porėtosios; Tankiosios.

Membranos veikimo principinė schema

5

Panaudojant membranas galima išskirti vandenilį iš angliavandenilių, be CO2 emisijos.

Vandenilio gavimas iš metano

1 – Metano molekulių adsorbcija;

2 - Metano molekulių disocijacija

3 –Vandenilio jonų migravimas per membraną;

4 - Vandenilio reasocijacija;

5 - Vandenilio molekulių desorbcija;

6

KatalizėDaugumą katalizinių junginių sudaro du metalai: Platina-; Chromas-.

Abu šie katalizatoriai turi trūkumų. Pagrindinis Pt katalizinių junginių trūkumas, tai jautrumas priemaišoms, bei dedelė kaina. Todėl perpektyvesni yra chromo junginių katalizatoriai. Chromo junginiai dažnai naudojami angliavandenilių dehidrinimo aktyvacijos energijai sumažinti.

bendra dehidrinimo reakcija

7

Metano molekulių disocijacijaCH4 C +2H2 [ΔH=75.6 kJ/mol]

Atominio vandenilio migravimas per membraną

8

Joninis laidumas

Protonų perėjimas zeolito struktūros membranose

Cr2O3 struktūra

9

Pagrindiniai reikalavimai keliami selektyviajam membranų sluoksniui:

Didelis dangų tankumas;

Selektyvusis sluoksnis turi praleisti tik vandenilio jonus.

Selektyviojo sluoksnio storis.

Kuo sluoksnio storis mažesnis, tuo membranos pralaidumas didesnis.

Norimai selektyviojo sluoksnio struktūrai gauti naudojome struktūrine zonų diagrama (YSZ)

10

Struktūrinė zonų diagrama Chromo dangos buvo suformuotos

naudojant magnetroninį dulkinimą. Chromo dangos buvo formuojamos

keičiant padėklo temperatūrą

(1000 C, 2000 C, 4000 C)

1 Ts/Tm < 0,2 – 0,3

2 0,3 < Ts/Tm < 0,5

3 0,5 < Ts/Tm <1

1 2 3

11

Chromo oksido membranų formavimo metodai:

Chromo oksido dangų formavimas sintezuojant chromo dangą ir vėliau ją atkaitinant prie > 6000C;

Chromo oksido formavimas sintezuojant chromo dangas deguonies aplinkoje.

12

Dangų analizės metodai

Skenuojantis elektroninis mikroskopas (SEM); Atominių jėgų mikroskopas (AFM); Rentgeno spindulių difrakcijos metodas (XRD).

13

Chromo oksido formavimas atkaitinimo metodu

14

Eksperimento schema

Chromo oksido formavimo įrangos principnė schema

15

Chromo dangos

Buvo tiriama padėklo temperatūros įtaka dangos struktūrai

Prie skirtingų temperatūrų suformuotų chromo dangų rentgenogramos

16

Chromo dangų topografija

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 1000 C

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 4000 C

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 2000 C

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 3500 C

Padėklo temperatūra Ra, nm Rq, nm

1000 C 0,1 0,2

2000 C 0,2 0,3

3500 C 0,3 0,5

4000 C 0,7 0,9

17

Atkaitintos prie 6000 C chromo dangos

Bandinio numeris

Padėklo temperatūra

PNQ 5 - 1 1000 C

PNQ 4 2000 C

PNQ 6 - 2 4000 C

18

Chromo oksido dangų topografija

Padėklo temperatūra Ra, nm Rq, nm

1000 C 3,4 4,4

2000 C 3,3 4,4

3500 C 3,3 4,4

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 1000 C ir atkaitinta prie 6000 C

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 3500 C ir atkaitinta prie 6000 C

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 2000 C ir atkaitinta prie 6000 C

19

Atkaitintos prie 9000 C chromo dangos

Bandinio numeris

Padėklo temperatūra

PNQ 5 - 2 1000 C

PNQ 9 2000 C

PNQ 3 3500 C

20

Chromo oksido dangų topografija

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 1000 C ir atkaitinta prie 9000 C

Padėklo temperatūra

Ra,

nm

Rq,

nm

1000 C 25 32

2000 C 26,1 33,8

3500 C 12,7 15,9

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 2000 C ir atkaitinta prie 9000 C

Danga suformuota, kai padėklo temperatūra buvo 3500 C ir atkaitinta prie 9000 C

21

Chromo oksido formavimas deguonies aplinkoje (impulsiniu rėžimu)

22

t

U

Eksperimento schemaMagnetrono įtampos kitimas darbo metu

23

Eksperimento rezultatai

24

Eksperimento rezultatai

25

Išvados•Nešant chromo dangas prie skirtingų padėklo temperatūrų, atlikus dangų struktūros tyrimą (XRD), matome, kad didėjant padėklo temperatūrai mažėja kristalitų dydis, tai atitinka Movchan ir Demchishin struktūrinę zonų diagramą;

•Suformavus magnetroninio dulkinimo metodu chromo dangas ir jas atkaitinus 6000 C ir 9000 C temperatūroje oro aplinkoje susiformuoja Cr2O3 dangos;

•Atkaitinus dangas prie skirtingų temperatūrų jų topografija labai skiriasi, didėjant temperatūrai dangos šiurkštumas didėja, toks šiurkštumo augimas gali būti paaiškintas skirtinga įtempių generacija, oksidacijos proceso metu;

•Formuojant chromo dangas deguonies aplinkoje susiformuoja amorfinė danga, kurią atkaitinus prie 6000 C gauname kristalinę chromo oksido dangą.