Development of An Asymmetrical Membrane for Oxygen Exchange and Production

Abstract

Hvert år produseres over 100 millioner tonn ren oksygengass, der mesteparten produseres ved frysedestillering. Denne formen for oksygenproduksjon krever mye tilført energi, og den er derfor ikke godt egnet til å dekke den forventede økningen i etterspørsel i overgangsfasen til et mer bærekraftig samfunn. En alternativ produksjonsform som krever mindre tilført energi er oksygenseparasjon ved bruk av en membran. Et lovende materialsystem til membranseparasjon av oksygen er de heksagonal manganittene RMnO3, der R beskriver sjeldne jordmetaller som Y og Ho. Ved å ta i bruk disse materialene løser man problemer tilknyttet høy produksjonstemperatur og lav kjemisk stabilitet, samtidig som en høy oksygengjennomstrømning kan opprettholdes.

I arbeidet med denne oppgaven har en asymmetrisk membran blitt produsert, hvor en tett (Ho0.98In0.02)0.97Mn0.85Ti0.15O3 (HIMTO) film har blitt deponert på porøs YMn0.85Ti0.15O (YMTO) for mekanisk støtte. Den porøse støtten av YMTO ble produsert med faststoff-metode, hvor ris-stivelse ble brukt både som poreformer og som bindemiddel. Ved bruk av ris-stivelse kunne en høy nok porøsitet opprettholdes, samtidig som den mekaniske stabiliteten til grønnkroppen ble forbedret. En total porøsitet på 52.7% ble målt for 20 wt% ris-stivelse i YMTO-syntesen. Suspensjonen brukt til deponering ved dip coat ble optimert som funksjon av mengde HIMTO, viskositet og partikkelstørrelsesdistribusjon i suspensjonen. Et 50/50 blandingsforhold mellom nanopartikler og bulkpartikler ga de beste resultatene med deponering i nedkjølt suspensjon. Den deponerte grønnfilmen ble deretter presset for å øke pakningstettheten til partiklene i grønnfilmen før varmebehandling. Filmdefekter som intragranulære porer og mikrosprekker ble redusert som følge av en reduksjon i sintringstemperaturen til 1400C. Til tross for en reduksjon i antallet defekter ved sintring på denne temperaturen, kunne defekter fortsatt observeres etter sintring. Derfor bør videre arbeid for å produsere en asymmetrisk membran med disse materialene optimere sintringsprosessen for videre framgang mot en gasstett HIMTO film. En alternativ fremgangsmåte for å demonstrere oksygenseparasjon med HIMTO ble fulgt, der en tett HIMTO-disk ble fremstilt. Dette ble gjort ved å presse HIMTO nanopulver uniaksialt, etterfulgt av én times sintring ved 1350C.

Currently, the annual 100 million tonnes industrial oxygen gas is produced, mostly by cryogenic distillation. This is an energy intensive process, and to facilitate a transition towards a more sustainable energy future, causing a greater oxygen demand, alternative methods must be considered. One of the alternatives for cryogenic production is oxygen production through membrane separation. By introducing the hexagonal manganites h-RMnO3 as membrane materials, issues such as high operating temperatures and low chemical stability are mitigated, while at the same time ensuring sufficient oxygen transport.

In this work, an asymmetrical membrane has been produced, where a dense (Ho0.98In0.02)0.97Mn0.85Ti0.15O3 (HIMTO) film has been deposited on a porous YMn0.85Ti0.15O (YMTO) support. The porous YMTO support was prepared by the solid state method, adding rice starch as both a pore forming agent, to ensure sufficient porosity, and a binder for improved green body integrity. 20 wt% rice starch added to YMTO resulted in a total porosity of 52.7%. To succesfully dip coat a dense HIMTO film onto the porous support, the suspension solid load, viscosity and particle size distribution was investigated. A solid load of 20 wt% for a 50/50 ratio of nanoparticles and bulk particles were found to give the best result together with a cooled suspension. Further, the deposited green film was pressed to increase the packing density of HIMTO particles prior to heat treatment. Finally, observed defects such as enclosed porosity and microcracks in the deposited film were reduced by decreasing the sintering temperature to 1400C. However, as defects were still present at this temperature, further investigations should be conducted to achieve a completely dense film. A dense HIMTO disk was prepared for an alternative approach of achieving a proof-of-concept for the oxygen transport in HIMTO. This was achieved by uniaxial pressing of nanopowder and one hour sintering at 1350C.