سنتز غشاء سرامیکی پروسکایتی جهت استفاده در فرآیند اکسیداسیون جزئی متان

دو گروه از مواد پروسکایتی baxsr1-xco0.8fe0.2o3-? (x=0, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1) وba0.5sr0.5co0.8fe0.1m0.1o3-? (m=cr, ce, mn, fe, co, al, ni) با استفاده از روش کمپلکس edta و سیترات تهیه شدند. در این تحقیق، با روش ترکیب آنالیزهای xrd، o2-tpd، h2-tpr و tga-dta، اثر جانشینی جزئی استرانسیم با باریم در سایت a مواد پروسکایتی srco0.8fe0.2o3-?(scfo) بر ساختار کریستالی، میزان آزاد شدن اکسیژن از شبکه کریستالی مواد و پایداری فازی، مورد بررسی قرار گرفت. همچنین با دستگاه ساخته شده دما بالا، عبوردهی اکسیژن از این غشاء ها مطالعه شد. در بین این مواد ba0.5sr0.5co0.8fe0. 2o3-?، در تمامی دماها، عبوردهی نسبتا بالایی را نشان داد، به طوریکه در دمای oc950، میزان عبور دهی اکسیژن به cm3/cm2.min 25/2 رسید. ضمن اینکه هیچکدام از آنالیز های مورد استفاده، انتقال فازی در این نمونه را، حتی در دماهای بالا نیز نشان ندادند و الگوی پراش اشعه ایکس بعد از آنالیز o2-tpd نشان داد که ورود باریم در ساختار srco0.8fe0.2o3-? باعث تثبیت ساختار پروسکایتی این غشاها بعد از فرآیند عبوردهی اکسیژن می شود. اثر پارامترهای عملیاتی چون دما، فشارجزیی اکسیژن در جریان بالادستی،شدت جریان بالادستی و پایین دستی و ضخامت غشاء بر شار اکسیژن عبوری از غشاء ba0.5sr0.5co0.8fe0.2o3-? مطالعه گردید. دمای عملیات بین oc 950- 700، شدت جریان هوا و هلیوم (به عنوان گاز حامل)، به ترتیب برابر cm3/min 125-17 و cm3/min200-13 و فشار جزئی اکسیژن برابر atm 1- 0 بود. مطالعه وابستگی شار اکسیژن به ضخامت، جهت بررسی مرحله کنترل کننده در عبور اکسیژن برای این غشاء مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که اگر در شرایط عملیاتی صنعتی با افزایش فشار هوا، فشار جزئی اکسیژن به (atm) 1 برسد، شار عبور اکسیژن غشاء به حدود (cc/min cm2) 5 می رسد که این مقدار بسیار به لحاظ اقتصادی در مقیاس صنعتی، مقبول می باشد. افزایش شدت جریان هلیوم و هوا به ترتیب بالاتر از حدود 50 و ml/min 100 ، تاثیری بر میزان عبور دهی اکسیژن ندارد. همچنین ملاحظه شد که با کاهش ضخامت غشاء از mm9/1 به mm65/1، انرژی فعالیت تغییر خیلی کمی کرده است و با کاهش بیشتر ضخامت غشاء از 65/1 تا mm84/0، انرژی فعالیت از 5/41 به kj/mol 89/55 افزایش می یابد. این مشاهده نشانگر آنست که در ضخامتهای بالای mm65/1، شار عبور اکسیژن توسط مرحله نفوذ از توده کنترل می شود و در مقادیر پایینتر ضخامت غشاء، مرحله تبادلی سطحی نیز تاثیرگذار بوده است. در مرحله بعد، اثر جانشینی جزئی آهن با سایر کاتیونهای al, co, cr, ce, ni, mn, fe در سایت b مواد پروسکایتی ba0.5sr0.5co0.8fe0.2o3-? بر ساختار فازی، میزان عبور دهی اکسیژن، پایداری فازی و انحراف استوکیومتری مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد زمانی که نیکل در سایت b کمپلکس اکسیدی bscfo، جانشین آهن می شود، میزان عبوردهی اکسیژن را از 2/2 تا cm3/cm2.min2/3 افزایش میدهد، ضمن اینکه روی خواص احیاء پذیری تاثیری منفی ندارد و همچنین ساختار فازی آن بعد از فرآیند دفع و جذب اکسیژن پایدار می ماند. لذا پروسکایتba0.5sr0.5co0.8fe0.1ni0.1o3-? برای فرآیند غشاء راکتور واکنش اکسیداسیون جزئی متان انتخاب شد و عملکرد آن با غشاء ba0.5sr0.5co0.8fe0.2o3-?مورد مقایسه قرار گرفت. دمای عملیات بین oc 950- 750، شدت جریان هوا و متان رقیق شده، به ترتیب برابر cm3/min 250-50 و cm3/min 60-15 و غلظت متان 70%-10% بود. زمان رسیدن به حالت پایدار غشاء bscfnio حدود 5 ساعت است که این مقدار یک سوم زمان حالت پایدار bscfo می باشد. غشاء راکتور bscfnio عملکرد خوبی نشان داد به طوریکه در دمای oc 850، میزان تبدیل متان ، گزینش پذیری co و شار عبور اکسیژن به ترتیب برابر98% ، 5/97% و cm3/cm2.min 7/11حاصل شد. میزان تبدیل متان و شار اکسیژن برای غشاء bscfnio ، به ترتیب به اندازه 5/22% و 8/25% بیشتر از غشاء bscfo است حال آنکه گزینش پذیریco چندان تغییر نکرده است. جهت بررسی پایداری غشاء بعد از واکنش ، آنالیزهای xrd و sem بر روی غشاء مصرف شده انجام شد و نتایج نشان داد که بعد از واکنش، برای دو سطح غشاء که در معرض هوا و در معرض محیط احیاء کننده قرار گرفته بودند، ساختار پروسکایتی حفظ شده است.