بخشی از مقاله
چکیده
در مسیر توسعه فناوریهای سازگار با محیط زیست، توسعه و بومیسازی فناوری پیلهای سوختی پلیمری که از سوخت هیدروژن استفاده میکنند میتواند نقش موثری داشته باشد. یکی از گلوگاه های در مسیر اشاعه پیلهای سوختی پلیمری، هزینه سوخت آن یعنی هیدروژن خالص میباشد که با توسعه فناوریهای تخلیص هیدروژن و با تبدیل هیدروژن خلوص پایین ارزان قیمت به هیدروژن با مشخصات مورد نیاز پیلهای سوختی میتوان نقش موثری در رفع این گلوگاه و اقتصادی-سازی آنها ایفاد نمود. در این پژوهش انواع غشاءهایPSS/NaX/Pd-SiO2 ، PSS/NaX/Pd-TiO2 و PSS/ZnO/Pd-Ag روی پایه ورقهای فولاد ضدزنگ متخلخل، PSS و با میانگین اندازه حفرات 0,2 میکرون ساخته شدند و جهت ارزیابی توانایی آنها در جداسازی هیدروژن از مخلوط گازهای هیدروژن – ازت در محدوده دمایی 250œC تا 400 œC مورد بررسی قرار گرفتند.
کلمات کلیدی: محیط زیست، هیدروژن، خالص ساز، غشاء، پالادیوم
1. مقدمه
از راهکارهای شناخته شده در کاهش آلایندگی زیست محیطی توسط مولدهای انرژی، علاوه بر کاهش سهم سوختهای فسیلی در سبد انرژی کشور استفاده از انواع مولدهای انرژی با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و آلایندگی زیست محیطی کمتر نظیر پیل های سوختی، پنلهای خورشیدی و توربینهای بادی میباشد . یکی از سوختهای سازگار با محیط زیست که علاوه بر داشتن دانسیته انرژی و بازدهی بالا از طریق منابع مختلف نیز در دسترس میباشد، هی دروژن است. هیدروژن نه تنها از طریق تبدیل سوختهای فسیلی بلکه از تخلیص هوا و یا الکترولیز آب و با استفاده از فناوریها ی سازگار با محیطزیست نظیر انرژی خورشیدی نیز قابل دسترس میباشد.
راندمان انرژی بالای%70 پیلهای سوختی در مقابل راندمان %20 موتورهای احتراق داخلی و آلایندگی صفر از مهمترین مزایای این منبع انرژی میباشد. هیدروژن تولید شده در پالایشگاه های کشور دارای خلوص پایین می باشند و ناخالصی های همراه با آن نظیر ترکیبات گوگرد دار و کربن منواکسید سبب مسمومیت کاتالیست های پیل سوختی و خوردگی دستگاه و در نهایت از کار افتادن آن میشود. بنابراین بایستی هیدروژن جهت استفاده در پیلهای سوختی پلیمری به مشخصات فنی وی ژهای از جمله خلوص بالای %99,99 رسانده شود.
یکی از موانع در مسیر توسعه و تجاری سازی پیل های سوختی پلیمری در سطح جامعه نظیر کاربرد خانگی آن، علاوه بر هزینه بالای خرید پیل سوختی، عدم دسترسی آسان به هیدروژن خلوص بالا و هزینه بالای تهیه آن میباشد. در حال حاضر ﻭ بطور متوسط قیمت یک کپسول هیدروژن %99,999، 30 برابر قیمت یک کپسول هیدروژن با خلوص پایین تر از %90 میباشد.
یکی از راه حلهای کاهش هزینههای کاربرد پیلهای سوختی پلیمری، کاهش هزینه سوخت، هیدروژن م یباشد و کی ی از راهکارهای در حال تحقیق، ساخت یک ماژل تبدیل هیدروژن خلوص پایین به هیدروژن با خلوص بالا یعنی خالص ساز هیدروژن و انضمام آن به سیستم پیلسوختی میباشد. این ماژول قادر خواهد بود که خلوص هیدروژن را به خلوص مورد نیاز پیل سوختی ارتقاء دهد. بدینترتیب با کاهش هزینه سوخت مورد نیاز پیلسوختی، بستر توسعه مولدهای انرژی با آلایندگی کم ﻭ سازگار با محیط زیست در جامعه و صنعت را فراهمتر کرد.
.2 بخش تجربی
از مشکلات اصلی در توسعه غشاءهای خالصسازی هیدروژن، نداشتن مقاومت مکانیکی کافی برای پایداری در برابر دماهای بالا و فشارهای جزیی هیدروژن میباشد .[ 1] اهمیت این موضوع زمانی آشکار میگردد که غشاء باید بتواند در برابر تغییرات ناگهانی متغیرهای عملیاتی از خود مقاومت نشان داده و در عین حال بازدهی مورد نیاز را حفظ کند. غشاءهای پالادیومی خالصسازی هیدروژن در حال حاضر در حال جایگزینی دیگر روشها میباشند. فلز پالادیوم تنها فلزی است که توانایی عبور اتمی هیدروژن از درون ساختار خود دارد . این خاصیت سبب کاربرد پالادیوم به عنوان غشاء در خالص-سازی هیدروژن میشود.[2] مزیت این فلز بر دیگر مواد مورد استفاده در ساخت غشا، سطح کاتالیستی آن، نفوذپذیری بالا نسبت به هیدروژن، پایداری در برابر دما و مقاومت در برابر خوردگی میباشد.
نفوذپذیری غشای پالادیوم بدلیل غلبه نمودن واکنش گرماگیر نفوذ بر فرآیند گرمازای جذب، افزایش مییابد [3] و افزایش فشار جزیی هیدروژن و کاهش ضخامت غشاء نیز بر آن موثر میباشد. از این رو برای افزایش بازدهی فرآیند خالص سازی هیدروژن به روش غشایی، مطالعه تاثیر شرایط عملیاتی بر نفوذ هیدروژن از اهمیت بسزایی برخوردار است. تحقیقات متعددی در زمینه مدلسازی نفوذ هیدروژن در غشاهای پالادیومی و محاسبه شار نفوذ انجام شده است که بر اساس اصول انتقال جرم و با توجه با ساختار و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی غشاءهای پالادیومی بوده اند .[7- 4] در تحقیقات پیشین مدل بنیادی فرآیند نفوذ هیدروژن در پالادیوم با در نظر گرفتن معادلات مربوط به نفوذ مولکولهای هیدروژن در ساختار غشاء ارائه شد که با مقایسه نتایج مدل با نتایج تجربی، راهکارهایی برای اصلاح مدل و مطابقت آن با شرایط عملی ارائه گردید. نتایج مدلسازی عبور هیدروژن از غشای پالادیوم در مقاله ای با همین نام قبلا" ارائه شده است . [8]
ساخت غشاء
مواد شیمیایی و دستگاهها
مواد شیمیایی اصلی مورد استفاد در این پژوهش کلرید پالادیوم - PdCl2 from Merck - ، نیترات نقره - AgNO3, from - Kanto Chemical و صفحات فولاد ضدزنگ متخلخل با نام اختصاری PSS از شرکت Mott با قطر متوسط منافذ 0/2 میکرون میباشند. دستگاه های آزمایشگاهی، ارزیابی و شناسایی مورد استفاده در این پژوهش شامل دستگاه اولتراسونیک - Misonix 4000 - ، کروماتوگراف گازی - Agilent Technologies 3000A-Micro GC - و میکروسکوپ الکترونی - Philips , Model - XL30 میباشند.
مراحل ساخت غشاء
ساخت غشاء با شستشو و آمادهسازی سطح پایه ی فلزی فولاد متخلخل شروع و با ساخت لایه حدواسط بین بستر و لایه فعال غشاء ادامه مییابد. پس از فعالسازی سطح غشاء لایه خالصساز هیدروژن بر سطح آن نشانده میشود. سطح پایهی فلزی فولاد متخلخل در محلول متشکل از فسفات سدیم، کربنات سدیم و هیدروکسید سدیم و در حمام اولتراسونیک در دمای 60œC بمدت 30 دقیقه تمیز شده و در نهایت با آب مقطر و ایزوپروپانول شستشو و در کوره خشک میشود.
