Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorHe, Jianying
dc.contributor.advisorSnustad, Ingrid
dc.contributor.authorHollund, Lene
dc.date.accessioned2019-10-31T15:17:43Z
dc.date.available2019-10-31T15:17:43Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2625857
dc.description.abstractUtvikling av nye metoder for CO2-fangst i industrien, såkalt CO2-håndtering (CCS), er avgjørende for å kunne redusere effektene av global oppvarming i fremtiden. Kondensering av CO2 foregår i flere deler av de ulike CO2-hånderingsteknologiene, da særlig innen fangst og transport der kondendenseringen vanligvis skjer i varmevekslere og separatorer. Kondensering av CO2 er likevel en svært kostbar og energikrevende prosess som foregår ved svært lav temperatur og høyt trykk. En mulig løsning er å utvikle et overflatedesign spesielt tilpasset for å oppnå en mer effektiv kondensasjon av CO2. I denne masteroppgaven er det gjort et forsøk på å kombinere nanoteknologi med CO2-håndtering ved å lage nanostrukturerte kobberoverflater med hensikten å oppnå en mer energieffektiv kondensasjon av CO2. To typer nanostrukturerte kobberoverflater, begge basert på bruk av kobberoksid (CuO) nanonåler (NN), har blitt utviklet. Første type overflate er en såkalt olje-infundert overflate, også kjent som "lubricant-infused surface", der ideen er at CuO NN skal brukes til å holde oljen på plass under kondensasjon. Det ble lagd flere kobberflater dekket med CuO NN fremstilt ved ulik immersjonstid, der 2 minutter immersjon resulterte i en CuO NN-tetthet som er antatt å være passende for å holde oljen på overflaten. Det ble også gjort et forsøk på å måle fordampningsraten til to ulike oljer, Krytox 1506 og etanol, infundert i hver sin kobberflate dekket med CuO NN. Basert på resultatene er Krytox mer stabil enn etanol og dermed mer passende for bruk i en olje-infundert overflate. Den andre typen overflate har en hierarkisk overflatestruktur bestående av mikropillarer av kobber som igjen er dekket av CuO NN. Mikropillarene ble lagd ved hjelp av fotolitografi og etsing, og ble så dekket av CuO NN via immersjon og selektiv vekst av NN rundt mikropillarene. De produserte nanostrukturerte kobberoverflatene ble karakterisert ved hjelp av skanningelektronmikroskopi, EDX-analyse, optisk- og stulys-profilometer og målinger av kontaktvinkelen til vann. Ved å sammenligne de to fremstilte overflatene, er det tydelig at den olje-infunderte overflaten vil føre til den mest effektive varmetransporten under dråpekondensasjon. Siden den hierarkiske overflaten har det største totale overflatearealet av de to, regnes denne overflaten som den mest effektive under filmkondensasjon. Filmkonendsasjon er den forventede kondensasjonsmodusen grunnet den lave overflatespenningen til flytende CO2. Overflatene må dog også være slitesterke nok til å holde ut under industriforhold og det er ønskelig med en type overflate som kan lages på en relativt enkel og oppskalerbar måte, noe som gjør at den olje-infunderte overflaten stiller som en god kandidat. Likevel gjenstår det å bestemme med sikkerhet om de produserte overflatene, den olje-infunderte eller den hierarkiske overflaten, faktisk resulterer i økt varmetransport under kondensasjon av CO2. De fremtidige planene for prosjektet innebærer å bruke et spesiallagd eksperimentelt oppsett, den såkalte NanoDrop-riggen, til å kondensere CO2 på de produserte overflatene og beregne den tilhørende varmetransport-koeffisienten. Under det eksperimentelle arbeidet ble det installert en varmetransport-sensor i NanoDrop-riggen, men grunnet begrenset tid og problemer med kalibrering av termoelementene i sensoren ble det ikke utført noen målinger. Prosjektet har gjennom masteroppgaven tatt flere viktige steg mot å utvikle en nanostrukturert overflate for en mer effektiv kondensasjon av CO2, men det gjenstår fremdeles å måle om de produserte overflatene klarer å øke varmetransporten betydelig nok.
dc.description.abstractDeveloping novel CO2 capture technologies in the industry, also called carbon capture and storage technologies (CCS), are crucial for reducing the future effects of global warming. Condensation of CO2 occurs in several parts of the CCS technology, such as the capture and transport steps, where it typically takes place in heat exchangers and separators. However, this is a costly and energy consuming process requiring low temperature and high pressure conditions. A possible solution to the high energy consumption is to design a surface tailored for enhanced CO2 condensation efficiency. In this thesis, nanotechnology and CCS technology are combined by nanostructuring copper (Cu) surfaces in an attempt to achieve enhanced CO2 condensation efficiency. Two types of nanostructured Cu surfaces, both based on the use of copper oxide (CuO) nanoneedles (NNs), were fabricated. The first type of surface is a lubricant-infused surface (LIS) where CuO NNs are used to confine a low surface tension lubricant. Several CuO NN samples were fabricated by solution-immersion (SI) of pure Cu at different duration, and a SI duration of 2 minutes was found to result in a medium CuO NN density considered suitable for lubricant confinement. An attempt at measuring the evaporation rate of two types of lubricants, Krytox 1506 and ethanol, infused into the CuO NN structured surfaces was performed, indicating a higher stability of Krytox compared to ethanol. The second type of surface is a hierarchical surface (HS) consisting of Cu micropillars surrounded by CuO NNs. The Cu micropillars were made through a photolithography and dry etching process, while the subsequent coating with CuO NNs was obtained by a SI reaction resulting in selective growth of NNs on the micropillars. The resulting LISs and HSs were characterized by SEM imaging, EDX analysis, 3D optical profilometry, stylus profilometry and water contact angle measurements. Comparing the obtained nanostructured Cu surfaces, the LIS is expected to result in the highest condensation heat transfer rate in dropwise condensation mode. However, the HS exhibit the highest total surface area, consisting of both micro and nanostructures, and is thus expected to be superior during filmwise condensation. Due to the low surface tension of liquid CO2, a filmwise condensation mode is expected in which the HS represents the best choice. Moreover, the surfaces should be able to withstand industrial conditions and display high durability. A relatively easy and scalable fabrication method is also favorable, where the LIS represents the best alternative. Nevertheless, it still remains to decide with certainty if the fabricated surfaces will yield an increase in CO2 condensation heat transfer compared to a plain Cu surface. In future work, the plan is to use a custom made rig (the NanoDrop rig) for CO2 condensation experiments from which the heat transfer coefficient can be calculated. During the thesis work, a heat transfer sensor was installed on the NanoDrop rig. However, due to a limited amount of time and unforeseen challenges, calibration of the sensor thermocouples was not finished and condensation measurements could not yet be performed. Hence, important steps towards achieving enhanced CO2 condensation efficiency has been made, but measurement of the CO2 condensation heat transfer on the fabricated nanostructured surfaces still remains.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleNanostructuring Cu Surfaces for Efficient CO2 Condensation
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

FilerStørrelseFormatVis

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel