طراحی و بهینه سازی غشاء PSS/NaX برای خالص سازی هیدروژن با استفاده از کاتالیست Pd-SiO2

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 مسئول پروژه، پژوهشکده انرژی، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران

2 رییس پژوهشکده اهینه سازی و توسعه فناوری های انرژی/پژوهشگاه صنعت نفت

3 هیات علمی دانشگاه علوم پزشکی کرمان

چکیده

برای جداسازی هیدروژن از مخلوط های گازی غشاءجدید Pd-SiO2/PSS/NaX با استفاده از نانو زئولیت سدیم، NaX و بر پایه فولاد متخلخل، PSS طراحی و ساخته شد. در ابتدا نانو زئولیت سدیم به روش هیدروترمال سنتز و با استفاده از خلاء بر روی سطح فولاد متخلخل نشانده شد و در گام بعدی کاتالیست Pd-SiO2 سنتز و به روش سل-ژل بر روی پایه PSS/NaX رسوب داده شد. در نهایت کاربرد مجموعه Pd-SiO2/PSS/NaX برای تصفیه هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت. بررسی ساختار غشاء ساخته شده با استفاده از روش های آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس انجام شد.
در طراحی آزمایش ها از برنامه Design Box-Behnken برای بررسی اثر متقابل پارامترهای ساخت و فرآیندی مانند مقادیر نانوزئولیت NaX (0.5 – 1.5 گرم)، درصد پالادیوم (5-15 درصد) ، اختلاف فشار (2-4 بار) و دما (350-450 سانتی گراد) و پارامترهای خروجی مربوطه شامل: شار نفوذ هیدروژن و انتخابپذیری H2/ N2 بر مبنای شرایط ایده آل، استفاده گردید. با بهینه سازی پارامترها، حداکثر شار نفوذ هیدروژن و بهترین انتخابپذیری به ترتیب برابر با mol / m2.s 0.235 و 950 تعیین شد. علاوه بر این عملکرد غشاء در برابر مخلوط گازهای هیدروژن و نیتروژن با نسبت های مختلف آنها و در شرایط بهینه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج به دست آمده نقش موثر بهینه سازی همزمان پارامترهای ساخت و فرآیند برای افزایش عملکرد غشاءهای مبتنی بر پالادیوم برای تصفیه هیدروژن را نشان می دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

New membrane based on Pd-SiO2 catalyst on PSS/NaX for hydrogen separation: Design and optimization

نویسندگان [English]

  • Mostafa Dehghani Mobarake 1
  • Habibi Mohamad Reza 2
  • Ali Faghihi Zarandi 3
1 Senior Researcher, Energy DivisionT Research Institute of Petroleum Industry, Tehran
2 Director of the Energy technological Division
3 Assistant Prof. University of Kerman
چکیده [English]

Palladium (Pd)-SiO2 catalysts coated porous stainless steel (PSS)/NaX nanozeolites membranes were prepared via the sol–gel method and their application were evaluated for hydrogen separation. The hydrothermally synthesized NaX nanozeolite was coated by vacuum-assisted method on the PSS surface. The morphology of membranes were characterized using SEM analysis.
The Box-Behnken design was used to determination the relationship between the variable input synthesis and process parameters such as: NaX content (0.5-1.5 g), Pd percentage (5-15 %), pressure difference (2-4 bar) and temperature (350-450 ˚C) and the corresponding output parameters including: hydrogen permeation flux, HPF and H2/N2 ideal gas selectivity, IGS.
By optimization of the parameters, the experimental maximum hydrogen permeation flux and ideal selectivity were found to be 1.2×10-7 and 720 respectively. Moreover, the performance of the fabricated membrane were investigated for different mixtures of H2/N2 in the optimum condition. The results indicated that hydrogen fluxes and H2/N2 ideal selectivity were decreased by increasing in N2 content. The obtained results suggest that the simultaneous optimization of synthetic and process parameters could be effective for the performance enhancement of Pd-based membranes for hydrogen separation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Sol-gel"
  • "NaX Nanozeolite"
  • "Box-Behnken Design"
  • "Optimization"
  • "Hydrogen Separation"

مراجع

[1] M. Faraji, P. Derakhshi, K. Tahvildari, J. Of Applied Chemistry, 12 (2018) 31.
[2] F. Gallucci, E. Fernandez, P. Corengia, M. VS. Annaland, Chem. Eng. Sci., 92 (2013) 40.
[3] M. Gh. Hosseini, F. Hosseinzadeh, J. Of Applied Chemistry, 13 (2019) 89.
[4] KJ. Bryden, JY. Ying, J. Of Membr. Sci., 203 (2002) 29.
[5] SCA. Kluiters,  Intermediate Report EU Project MIGREYD NNE5, 2001, 670 ( December 2004).
[6] Ø. Hatlevik, SK. Gade, MK. Keeling, PM. Thoen, AP. Davidson, JD. Way, J. Of Sep. Purif. Tech., 73 (2010) 59.
[7] TA. Peters, M. Stange, R. Bredesen, J. Of Membrane Science, 378 (2011) 28.
[8] AL. Mejdell, TA. Peters, M. Stange, HJ. Venvik, R. Bredesen, J. Of Taiwan Inst. Chem. Eng., 40 (2009) 253.
[9] SN. Paglieri, JD. Way, J. Of Sep. Purif. Methods, 31 (2002) 169.
[10] S. Yun, ST. Oyama, J. Of Membrane Science, 375 (2011) 28.
[11] TA, Peters, T. Kaleta, M. Stange, R. Bredesen, J. Of Membrane Science, 383 (2011) 124.
[12] S. Tosti, M. Zerbo, A. Basile, V. Calabr, F. Borgognoni, A. Santucci, J. Of Hydrogen Energy, 38 (2013) 701.
[13] A. Brunetti, G. Barbieri, E.Drioli, J. Of Chem. Eng. Sci., 64 (2009) 3448.
[14] M. Kanezashi, M. Sano, T. Yoshioka, T. Tsuru, J. Of Chem. Commun., 46 (2010)  6171.
[15] M. Kanezashi, M. Sano, T. Yoshioka, T. Tsuru, J. Of Membrane Science, 439 (2013) 78.
[16] M. Tsapatsis, GR. Gavalas, J. Of Membrane Science, 87 (1994) 281.
[17] BK. Sea, M. Watanabe, K. Kusakabe, S. Morooka, SS. Kim, Gas Sep. Purif., 10 (1996) 187.
[18] M. Kanezashi, M. Asaeda, J. Of Membrane Science, 271 (2006) 86.
[19] R. Igi, T. Yoshioka, YH. Ikuhara, Y. Iwamoto, T. Tsuru, J. Of Am. Ceram. Soc., 91 (2008) 2975.
[20] S. Battersby, MC. Duke, S. Liu, V. Rudolph, JCD. Costa, J. Of Membrane Science, 316 (2008) 46.
[21] X. Xu, W. Yang, J. Liu, L. Lin, Micropor. Mesopor. Mater., 43 (2001) 299.
[22] E. Zolfonoun, J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 1 (2018) 5.
[23] A. Vahid, M. Abdous, S. Nayyeri, J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 1 (2018) 29.
[24] B. Fahimirad, A. Asghari, J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 1 (2018) 47.
[25] S. Davari, F. Hosseini, H. Shirkhanloo, J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 1 (2018) 57.
[26] C. Jamshidzadeh, H. Shirkhanloo, J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 2 (2019) 73.
[27] A. Ghozatloo, M. Shariaty-Niassar, J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 2 (2019) 31.
[28] M. Arjomand, H. Shirkhanloo,  J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 2 (2019) 97.
[29] A. Ebrahimi, A. Salarifar, J. Of Anal. Method. Environ. Chem., 2 (2019) 79.
[30] CJ. Gump, VA. Tuan, RD. Noble, JL. Falconer, . Ind. Eng. Chem. Res., 40 (2001) 565.
[31] YH. Chi, PS. Yen, MS. Jeng, ST. Ko, TC. Lee, Int. J. Hydrogen Energy, 35 (2010) 6303.
[32] K.J. Bryden,  J.Y.Ying,  J. of Membrane Science, 203 (2002) 29.
[33] MB. Jakubinek, BZ. Zhan, MA. White, Micropor. Mesopor. Mater, 103 (2007) 108.
[34] ML. Bosko, F. Ojeda, EA. Lombardo, LM. Cornaglia, J. Of Membrane Science, 331 (2009) 57.
[35] H. Chen, C. Chu, T. Huang, Micropor. Mesopor. Mater, Sep. Sci. Technol., 39 (2005) 1461.
[36] C. Su, T. Jin, K. Kuraoka, Y.  Matsumura, T. Yazawa, Ind. Eng. Chem. Res., 44 (2005) 3053.
[37] Y. Huang, R. Dittmeyer, J. Of Membrane Science, 282 (2006) 296.
[38] Y. Huang, R. Dittmeyer, J. Of Membrane Science, 302 (2007) 160.
[39] XL. Pan, GX. Xiong, SS. Sheng, N. Stroh, Y Huang, R. Dittmeyer, Chem. Commun., 24 (2001) 2536.
شیمى کاربردى روز
دوره 15، شماره 56
مهر 1399
صفحه 131-148

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار