Reactores catalíticos de membrana basados en 8Y-TZP: fabricación y caracterización mecánica
| Autor: | García Hernández, Jordi |
|---|---|
| Přispěvatelé: | Morales Comas, Miguel, Fargas Ribas, Gemma, Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Ciència i Enginyeria de Materials |
| Jazyk: | Spanish; Castilian |
| Rok vydání: | 2022 |
| Předmět: | |
| Zdroj: | UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) |
| Popis: | Los reactores de membrana cerámica conductora de iones ofrecen la oportunidad de combinar procesos de separación de membrana directamente con las reacciones químicas, lo que conduce a la intensificación del proceso y, por tanto, a beneficios en cuanto a eficiencia. Las actividades de investigación actuales se centran en los reactores de membrana por su alta eficiencia intrínseca y su gran potencial para la producción de una gran variedad de productos químicos básicos, portadores de energía y combustibles sintéticos. En el presente TFG, se han fabricado reactores catalíticos de membrana, los cuales están formados por un soporte poroso y por una membrana densa, usando la circona tetragonal parcialmente estabilizada con un 8 % molar de itria (8Y-TZP) como conductor iónico de los aniones óxido. El objetivo del presente trabajo, es conseguir un proceso de fabricación de las membranas, soportadas sobre sustratos porosos de 8Y-TZP, mediante el uso de unas técnicas de fabricación reproducibles, escalables y de bajo coste. Para ello, en primer lugar, se ha optimizado el proceso de fabricación del soporte de 8Y-TZP y almidón de arroz como generador de porosidad conformado por prensado uniaxial, incluyendo el tratamiento térmico para su sinterizado. Posteriormente, se ha estudiado la optimización del procesado de la membrana mediante recubrimiento por rotación de los soportes previamente fabricados. Para conseguir una membrana densa, se ha optimizado la disolución precursora con polvos de 8YTZP y Terpineol como disolvente, además de otros aditivos, la velocidad de giro y el tratamiento térmico que se debe aplicar. Durante el procesado de ambos componentes, se ha determinado la densidad de los soportes, por el método de Arquímedes, y se ha caracterizado la microestructura de los soportes y de las membranas fabricadas, mediante microscopia óptica y electrónica de barrido, para estudiar los efectos de las variables de fabricación y de los tratamientos térmicos. Además, se ha realizado un estudio de la dureza Vickers de los soportes y de las membranas optimizadas, mediante la técnica de nanoindentación, para determinar sus respectivos valores de dureza. Se ha concluido que la mezcla de polvos óptima para fabricar los soportes es de un 60% de 8Y-TZP con 40% de porógeno (en masa), y la temperatura óptima para el tratamiento térmico de presinterización de los soportes es de 1100ºC. Para la fabricación de la membrana, se ha determinado como mejor alternativa la disolución de 1:4 de 8Y-TZP:Terpineol (en masa: masa), la cual se ha depositado mediante recubrimiento por rotación a 400 rpm y, posteriormente, se ha co-sinterizado junto al soporte a 1350ºC. Los soportes así fabricados han presentado una dureza Vickers muy baja y una porosidad elevada, sin embargo, tienen suficiente integridad mecánica para su manipulación durante el procesado de la membrana. La membrana presenta un espesor de unas 10-20 m y una elevada densificación manteniendo el soporte poroso, lo cual se muestra en unos valores de dureza de 13,8 ± 0,3 GPa. Els reactors de membrana ceràmica conductora d'ions ofereixen l'oportunitat de combinar processos de separació de membrana directament amb les reaccions químiques, el que condueix a la intensificació del procés i, per tant, a beneficis en quant a eficiència. Les activitats d'investigació actuals es centren en els reactors de membrana degut a la seva alta eficiència intrínseca i el seu gran potencial per a la producció d'una gran varietat de productes químics bàsics, portadors d'energia i combustibles sintètics. En el present TFG, s'han fabricat reactors catalítics de membrana, els quals estan formats per un suport porós i per una membrana densa, utilitzant la circona tetragonal parcialment estabilitzada amb un 8 % molar d’ítria (8YTZP) com a conductor iònic dels anions òxid. L'objectiu del present treball, és aconseguir un procés de fabricació de les membranes, suportades sobre substrats porosos de 8Y-TZP, mitjançant l'ús d'unes tècniques de fabricació fàcils de reproduir, escalables i de baix cost. Per fer-ho, en primer lloc, s'ha optimitzat el procés de fabricació del suport de 8Y-TZP i midó d’arròs com a generador de porositat conformat per premsat uniaxial, incloent el tractament tèrmic per al seu sinteritzat. Posteriorment, s'ha estudiat l'optimització del procés de la membrana mitjançant el recobriment per la rotació dels suports prèviament fabricats. Per aconseguir una membrana densa, s'ha optimitzat la dissolució precursora amb pols de 8YTZP i terpineol com a dissolvent, a més d'altres additius, la velocitat de gir i el tractament tèrmic que s'ha d'aplicar. Durant el procés d'ambdós components, s'ha determinat la densitat dels suports, pel mètode d'Arquímedes, i s'ha caracteritzat la microestructura dels suports i de les membranes fabricades, mitjançant microscòpia òptica i electrònica d’escombrat, per estudiar els efectes de les variables de fabricació i dels tractaments tèrmics. A més, s'ha realitzat un estudi de la duresa Vickers dels suports i de les membranes optimitzades, mitjançant la tècnica de nanoindentació, per determinar els seus respectius valors de duresa. S'ha conclòs que la mescla de pols òptima per fabricar els suports és d'un 60% de 8Y-TZP amb 40% de porògen (en massa), i la temperatura òptima per al tractament tèrmic de presinterització dels suports és de 1100ºC. Per a la fabricació de la membrana, s'ha determinat com a millor alternativa la dissolució de 1:4 de 8Y-TZP:Terpineol (en masa:masa), la qual s'ha dipositat mitjançant el recobriment per rotació a 400 rpm i, posteriorment, s'ha co-sinteritzat junt al suport a 1350ºC. Els suports així fabricats han presentat una duresa Vickers molt baixa i una porositat elevada, sense embargo, tenen suficient integritat mecànica per a la seva manipulació durant el procés de la membrana. La membrana presenta un espessor d’unes 10-20 μm i una elevada densificació mantenint el suport porós, el qual es mostra en uns valors de duresa de 13,8 ± 0,3 GPa. Ion-conducting ceramic membrane reactors offer the opportunity to combine membrane separation processes directly with chemical reactions, leading to process intensification and thus efficiency benefits. Current research activities focus on membrane reactors due to their high intrinsic efficiency and great potential for the production of a wide variety of basic chemicals, energy carriers and synthetic fuels. In the present TFG, catalytic membrane reactors have been manufactured, which are formed by a porous support and a dense membrane, using tetragonal zirconia partially stabilized with 8 mol% yttria (8Y-TZP) as ionic conductor of the oxide anions. The objective of this work is to achieve a manufacturing process for membranes, supported on porous 8Y-TZP substrates, by using reproducible, scalable and low-cost manufacturing techniques. To do this, firstly, the manufacturing process of the 8YTZP and rice starch support as a porosity generator formed by uniaxial pressing has been optimized, including the heat treatment for its sintering. Subsequently, optimization of membrane processing by spin coating of previously manufactured supports has been studied. To achieve a dense membrane, the precursor solution has been optimized with 8Y-TZP powders and terpineol as solvent, in addition to other additives, the speed of rotation and the thermal treatment that must be applied. During the processing of both components, the density of the supports has been determined by the Archimedean method, and the microstructure of the supports and of the fabricated membranes has been characterized by means of optical and scanning electron microscopy, to study the effects of manufacturing variables and heat treatments. In addition, a study of the Vickers hardness of the optimized supports and membranes has been carried out, using the nanoindentation technique, to determine their respective hardness values. It has been concluded that the optimum powder mixture to manufacture the supports is 60% 8Y-TZP with 40% porogen (by mass), and the optimum temperature for the presintering heat treatment of the supports is 1100ºC. For the manufacture of the membrane, the 1:4 solution of 8Y-TZP:Terpineol (by mass: mass) has been determined as the best alternative, which has been deposited by spin coating at 400 rpm and, subsequently, has been co-sintered together with the support at 1350ºC. The supports thus manufactured have presented a very low Vickers hardness and a high porosity, however, they have sufficient mechanical integrity for handling during membrane processing. The membrane has a thickness of about 10-20 μm and a high densification maintaining the porous support, which is shown in hardness values of 13.8 ± 0.3 GPa. Objectius de Desenvolupament Sostenible::12 - Producció i Consum Responsables |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
|