The use and characterization of composite alumina-titania-zirconia-silica ceramic membranes for gas separation

Abstract

oz Bu çalışmada alumina ve silika membranların sol-jel yöntemiyle hazırlanması, karakterizasyonu ve gaz geçirgenliği incelendi. Çeşitli parametrelerin sol parçacık boyutuna ve desteksiz membran gözenek yapısına olan etkileri lazer ışık saçınım parçacık boyut analizi ve azot adzorpsiyon-dezorpsiyon analizi ile incelendi, y-alumina membranlar zirkonya desteklerin böhmit soluna ard arda daldırılmasıyla hazırlandı. Böhmit solunun hazırlanması aşamasında asit içeriğinin artmasıyla sol parçacık boyutunda ve membran gözenek çapında orantılı azalış belirlendi. HfVAl3* mol oranının 0.1'den 0.25 'e çıkması sırasıyla hidrodinamik sol parçacık boyutunun ve BJH gözenek boyutunun 65 'den 30 nm'ye ve 3.6'dan 2.9 nm'ye düşmesine neden oldu. Gözenek boyutu ısıl işlem sıcaklığının 500'den 600 °C'ye çıkarılmasıyla 2.8 'den 3 nm'ye arttı. Desteksiz membranlar faz yapısı karakterizasyonu için 200-1200 °C aralığında ısıl işleme tabi tutuldu. 500 °C'nin altında böhmit, 900°C'ye kadar Y-AI2O3 ve 1200 °C'nin üzerinde 01-AI2O3 hakim faz olarak elde edildi. Kusursuz alumina membranların yaklaşık 3 um (iki katman) kalınlığında olduğu ve önemsiz sayılabilecek miktarda destek içine nüfuz ettiği SEM fotoğraflarıyla belirlendi. 600 °C'de ısıl işleme tabi tutulmuş iki katmanlı Y-AI2O3 membranların CO2 geçirgenliği yaklaşık 2.25*10` mol/m.s.Pa'dır ve az miktarda basınca bağlı olması etkin aktarım mekanizmalarının Knudsen difüzyon ve laminar akış olabileceğini gösterdi. 500 °C'de ısıl işlemin uygulandığı benzer iki katmanlı alumina membranlarda CO2 geçirgenliği basınçtan bağımsız olarak 1.5 1 * 1 0`8 mol/m2.s.Pa' a düşmüştür. Silica membranlar sol-jel tekniği ile hazırlandı. Bu sollar çözücü ortamında tetraetilortosilikatın asit ile katalizlenmiş hidroliz ve yoğunlaşma tepkimeleriyle hazırlandı. Sol hazırlanmasında kullanılan asit çeşidi ve miktarı, sol yaşlandırma, ısıl işlem koşullan ve daldırma zamanı gibi proses parametrelerinin membran gözenek yapısı ve gaz geçirgenliğine etkileri incelendi. Destekli membranlara 50 ile 400 °C aralığında ısıl işlem uygulandı. Sol içerisine 10 saniye daldırılmış tek katmanlı silica membranların N2 ve CO2 geçirgenlikleri sırayla 2.2 * 10`10 - 2.7 * 10`8 mol/m2.s.Pa ve 1.2*10`9-6.95*108 mol/m2.s.Pa aralığındadır. Solların 50 °C'de 16 saat yaşlandırılmasıyla akışkanlığı azaldı ve jelleşti. O2 geçirgenliği yaşlandırma zamanıyla arttı. Proses boyunca optimum daldırma zamanı 10 saniye olarak belirlendi. Bu memranların geçirgenlikleri sol asit içeriğinin artmasıyla önemli oranda arttı. Silikamembranların yaklaşık 2 um kalınlığında olduğu ve önemli sayılabilecek oranda destek içine nüfuz ettiği SEM fotoğraflarından gözlendi.

ABSTRACT The preparation, characterization and pure gas permeation of sol-gel derived alumina and silica membranes were investigated in this work. The effects of various parameters on sol particle size and unsupported membranes pore structure were investigated by laser light scattering particle size and N2 adsorption-desorption analysis. y-alumina membranes were prepared on Z1O2 supports by successive dipping into boehmite sols. Almost proportional decreases in sol particle size and membrane pore diameter were determined with increasing acid content during the boehmite sol preparation. Increasing the H+/A13+ mole ratio from 0.1 to 0.25 caused the hydrodynamic particle size and BJH pore size to decrease from 65 to 30 nm and 3.6 to 2.9 nm, respectively. The pore size increased from 2.8 nm to 3 nm upon increasing the calcination temperature from 500 to 600°C. Unsupported membranes were heat treated in the 200 to 1200 °C range for the characterization of the phase structure. Boehmite was the dominant phase below 500 °C, gamma being the dominant phase up to 900 °C and pure 01-AI2O3 phase was obtained upon heat treatment at 1200°C. Pinhole and crack free alumina membranes about 3 urn (double layer) in thickness were observed from SEM pictures with insignificant infiltration. The CO2 permeability through the double layer Y-AI2O3 membrane calcined at 600 °C was about 2.25*10`7 mol/m2.s.Pa, and had a slight pressure dependence which may indicate Knudsen Diffusion and Laminar Flow as the effective transport mechanisms. Upon the calcination of a similar double layer alumina membrane at 500°C, the CO2 permeability decreased to 1.51 *10`8 mol/m2.s.Pa and was independent of pressure. Silica membranes were prepared by a sol-gel technique. These sols were prepared by acid catalysed hydrolysis and condensation of tetraethylorthosilicate in the presence of a solvent. The effects of processing parameters like the acid type and amount utilized during sol preparation, sol aging, heat treatment conditions, dipping time on the membrane pore structure and the permeation of pure gases were investigated. The supported membranes were heat treated in the 50-400 °C range. The N2 and CO2 permeabilities of silica membranes varied in the 2.2 * 10`10 - 2.7 * 10`8 mol / m2.s.Pa and 1.2*10`9 - 6.95* 10`8 mol / m2.s.Pa range for single layer membranes dipped for 10 seconds into the sol. The sols became viscous and gelled in 16 hours at 50 °C. The O2 permeability increased with aging time. The optimum dipping time duringprocessing was determined to be 10 seconds. The permeabilities of these membranes increased significantly with the sol acid content. The thickness of the silica membranes were determined to be about 2(xm and significant infiltration into the support was observed from the SEM pictures.