توسعه پایه های جاذب ماکرو متخلخل سرامیکی جهت استفاده در فرایندهای ترموشیمیایی تجزیه آب ودی اکسید کربن به منظور تولید گازهای سنتزی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Theconcentrated solar power (CSP) technology is one of the renewable energysources through which the required thermal energy for evaporating water and generatingelectricity is supplied by concentrated solar irradiation. In a recenttechnology, this thermal energy is utilized for thermochemical dissociation ofabundant water and carbon dioxide in the air to be converted into solar syngasmixture and then solar hydrocarbon fuels through some industrial provenprocesses like Fischer–Tropsch. The simultaneous absorption of solar radiationand thermochemical cycles are performed in solar receiver reactors on part absorber.The absorber material should be chosen in a way that to be not only economicbut also having the maximum oxygen exchangeability to perform reduction-oxidation(redox) processes efficiently at high temperatures. Different materials likelanthanum manganite perovskite oxides have shown desirable performances. Inthis survey, synthesis and evaluation of nano perovskite coated open pore macroporous ceramics was intended in order to supply high specific surface area andnoble mass and heat transfer capabilities, simultaneously. So, silicone carbidefoams were synthesized using slurry impregnation of polymer sponges. Themechanical properties of the samples were also characterized in severe thermalshock conditions. The synthesis and coating of calcium and aluminum dopedlanthanum manganite in the form of La 1-x Ca x Mn 1-y Al y O 3 (x,y=0.4) was carried out using dip-coating method. Advanced micro computedtomography of samples before and after coating was carried out. X-raydiffraction, scanning and transmission electron microscopy were also utilizedfor the characterization of materials. Results show that the mechanicalstrength of ceramic foams exponentially increases with porosity percentage decrementand the increment of the pores per inch. The higher density of struts insamples with finer cell sizes (i.e. 75 ppi) led to more than 80 percent loss inthermal shock strength of porous substrates. The characterization of coatedsamples revealed a thin film (up to 50 µm in thickness) of perovskite layer afterten consecutive coating of porous substrates. The most homogeneous coatinglayer structure was observed in foams with 12ppi and ~80 percent porosity. Thecoating adhesion was desirable as there was no significant change in sampleweights before and after ultra-sonication process. Results also proved dip coatingmethod as a nice route for a homogeneous and adhesive coating on foamsubstrates. The perovskite coated SiC foam samples were also utilized in solarsimulated conditions and the most efficient conversion (7% CO) was shown for 75ppisample with around 2.5wt% active redox material loading. This may be due to themaximum tortuosity and this interaction of reactive gases with activatedsurface area in samples with smaller cell sizes. Results of this work couldhelp commercialization of solar syngas production as for improved efficiencythrough materials development.

فناوری توانخورشیدی تمرکزیافته یکی از منابع انرژِی پاک و تجدیدپذیر میباشد که طی آن انرژِیحرارتی لازم جهت تبخیر آب و تولید برق نیروگاهی با استفاده از کانونی شدن تابشخورشید تامین میگردد. در یک فناوری جدید، از انرژِی حرارتی مذکور به منظور فراهمنمودن انتالپی موردنیاز جهت تجزیه ترمودینامیکی بخارآب و دی اکسید کربن جوی ومتعاقب آن تولید گازهای سنتزی خورشیدی استفاده میشود که در ادامه به کمک فرایندهایصنعتی همچون فیشر-تروپش، تبدیل مخلوط گاز سنتزی به سوختهای هیدروکربنی خورشیدی صورتمیگیرد. عملیات جذب تابش خورشید و انجام سیکلهای ترمودینامیکی در داخل رآکتورگیرنده خورشیدی و بر روی قطعه جاذب تابشی انجام میشود. جنس این جاذب بایستی بهگونهای انتخاب شود که علاوه بر تامین ملاحظات اقتصادی دارای حداکثر ظرفیت تبادلیاکسیژن نیز بوده و در دماهای بالا، فرایندهای کاتالیستی را با راندمان مطلوبیانجام دهد. مواد مختلفی برای این منظور توسعه داده شدهاند که در این میاناکسیدهای پروسکایتی بر پایه لانتانیوم منگنیت عملکرد مناسبی را از خود نشان دادهاند.هدف از پژوهش حاضر، لایهنشانی پوشش نانوپروسکایتی بر روی زیرلایههای متخلخلسرامیکی با تخلخل باز میباشد به گونهای که به صورت همزمان شرایط لازم برای واکنشهایترمودینامیکی از قبیل سطح وِیژه بالا و نیز انتقال جرم و حرارت مناسب تامین گردد. برایاین منظور، فومهای سرامیکی کاربید سیلیسیومی با استفاده از روش دوغابدهی الگویپلیمری با موفقیت سنتز و رفتار مکانیکی و مقاومت آنها در برابر شوک حرارتی مشخصهیابیگردید. همچنین سنتز اکسیدهای نانوپروسکایتی بر پایه لانتانیوم منگنیت داپ شده باعناصری همچون استرانسیوم، کلسیم و آلومینیوم مطالعه و بررسی شدند. در ادامه، نانوپروسکایتلانتانیوم منگنیت آلایششده با کلسیم و آلومینیوم با فرمول استوکیومتری x,y=0.4))La 1-x Ca x Mn 1-y Al y O 3 با استفاده ازروش غوطهوری عمیق بر روی فومهای کاربید سیلیسیوم، پوششدهی و مشخصهیابی گردید.در این پژوهش، از تصویربرداری ماکروتوموگرافی پیشرفته به کمک پرتو ایکس به منظورمشخصهیابی ساختارهای ماکرومتخلخل قبل و بعد از پوششدهی استفاده شده است. از روشهایپراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری نیز برایمشخصهیابی مواد سنتزی استفاده شده است. با استناد به نتایج حاصل از این پژوهش، استحکاممکانیکی فومهای سرامیکی به صورت اکسپونانسیلی با کاهش درصد تخلخل و افزایش تعدادتخلخل در واحد اینچ، یا کاهش اندازه حفرات، افزایش مییابد. چگالی (تعداد در واحدحجم) بالای دیواره حفرات در نمونههای با حفرات ریزتر (معادل 75 تخلخل در واحداینچ) موجب افت بیش از 80 درصدی مقاومت به شوک حرارتی این زیرلایهها شده است. مشخصهیابیفومهای لایهنشانی شده نشان از ایجاد لایه نازک نانوپروسکایت (تا ضخامت تقریبی 20میکرون) پس از ده مرتبه پوششدهی متوالی داشت. همچنین پردازش تصاویر توموگرافینمونههای پوششداده شده حاکی از یکنواختی پوشش و سطح موثر پوشش-حفره بالاتر درمورد فومهای با 12 تخلخل در واحد اینچو حدود 80درصد تخلخل نسبت به دو دسته نمونه دیگر (5 و 75 تخلخل در واحد اینچ) بود. مقایسهوزنی نمونههای پوششداده شده قبل و بعد از فرایند آلتراسونیک در کنار تصاویرمیکروسکوپ الکترونی نشان از چسبندگی مطلوب پوشش به زیرلایه داشته است. همچنیننتایج نشان داد روش غوطهوری عمیق شیوه مناسبی برای پوششدهی زیرلایههای فومی بودهبه گونهای که یکنواختی پوشش و نیز چسبندگی به زیرلایه قابل قبولی را ارائه میدهد.مقایسه نتایج آزمون در شرایط شبیهسازیشده عملکردی نیز بالاترین غلظت (معادل 7%)را در فرایند تبدیل گاز دی اکسید کربن و تولید مونوکسید کربن برای فوم با 75 تخلخلدر اینچ و حدود 80 درصد تخلخل و حدود 5/2 درصد وزنی لایه فعال پروسکایتی نشان دادکه میتواند به دلیل تماس بیشتر گازهای واکنشدهنده با سطح فعال در اثر ریزتر شدنحفرات و در نتیجه پیچیدگی بالاتر جریان سیال باشد. نتایج این پژوهش میتواند بهافزایش راندمان تولید گازهای سنتزی در مقیاس تجاری کمک بسزایی نماید.