توسعه پايه هاي جاذب ماکرو متخلخل سراميکي جهت استفاده در فرايندهاي ترموشيميايي تجزيه آب ودي اکسيد کربن به منظور توليد گازهاي سنتزي

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.

فناوري توانخورشيدي تمرکزيافته يکي از منابع انرژِي پاک و تجديدپذير ميباشد که طي آن انرژِيحرارتي لازم جهت تبخير آب و توليد برق نيروگاهي با استفاده از کانوني شدن تابشخورشيد تامين ميگردد. در يک فناوري جديد، از انرژِي حرارتي مذکور به منظور فراهمنمودن انتالپي موردنياز جهت تجزيه ترموديناميکي بخارآب و دي اکسيد کربن جوي ومتعاقب آن توليد گازهاي سنتزي خورشيدي استفاده ميشود که در ادامه به کمک فرايندهايصنعتي همچون فيشر-تروپش، تبديل مخلوط گاز سنتزي به سوختهاي هيدروکربني خورشيدي صورتميگيرد. عمليات جذب تابش خورشيد و انجام سيکلهاي ترموديناميکي در داخل رآکتورگيرنده خورشيدي و بر روي قطعه جاذب تابشي انجام ميشود. جنس اين جاذب بايستي بهگونهاي انتخاب شود که علاوه بر تامين ملاحظات اقتصادي داراي حداکثر ظرفيت تبادلياکسيژن نيز بوده و در دماهاي بالا، فرايندهاي کاتاليستي را با راندمان مطلوبيانجام دهد. مواد مختلفي براي اين منظور توسعه داده شدهاند که در اين مياناکسيدهاي پروسکايتي بر پايه لانتانيوم منگنيت عملکرد مناسبي را از خود نشان دادهاند.هدف از پژوهش حاضر، لايهنشاني پوشش نانوپروسکايتي بر روي زيرلايههاي متخلخلسراميکي با تخلخل باز ميباشد به گونهاي که به صورت همزمان شرايط لازم براي واکنشهايترموديناميکي از قبيل سطح وِيژه بالا و نيز انتقال جرم و حرارت مناسب تامين گردد. براياين منظور، فومهاي سراميکي کاربيد سيليسيومي با استفاده از روش دوغابدهي الگويپليمري با موفقيت سنتز و رفتار مکانيکي و مقاومت آنها در برابر شوک حرارتي مشخصهيابيگرديد. همچنين سنتز اکسيدهاي نانوپروسکايتي بر پايه لانتانيوم منگنيت داپ شده باعناصري همچون استرانسيوم، کلسيم و آلومينيوم مطالعه و بررسي شدند. در ادامه، نانوپروسکايتلانتانيوم منگنيت آلايششده با کلسيم و آلومينيوم با فرمول استوکيومتري x,y=0.4))La 1-x Ca x Mn 1-y Al y O 3 با استفاده ازروش غوطهوري عميق بر روي فومهاي کاربيد سيليسيوم، پوششدهي و مشخصهيابي گرديد.در اين پژوهش، از تصويربرداري ماکروتوموگرافي پيشرفته به کمک پرتو ايکس به منظورمشخصهيابي ساختارهاي ماکرومتخلخل قبل و بعد از پوششدهي استفاده شده است. از روشهايپراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ الکتروني روبشي و ميکروسکوپ الکتروني عبوري نيز برايمشخصهيابي مواد سنتزي استفاده شده است. با استناد به نتايج حاصل از اين پژوهش، استحکاممکانيکي فومهاي سراميکي به صورت اکسپونانسيلي با کاهش درصد تخلخل و افزايش تعدادتخلخل در واحد اينچ، يا کاهش اندازه حفرات، افزايش مييابد. چگالي (تعداد در واحدحجم) بالاي ديواره حفرات در نمونههاي با حفرات ريزتر (معادل 75 تخلخل در واحداينچ) موجب افت بيش از 80 درصدي مقاومت به شوک حرارتي اين زيرلايهها شده است. مشخصهيابيفومهاي لايهنشاني شده نشان از ايجاد لايه نازک نانوپروسکايت (تا ضخامت تقريبي 20ميکرون) پس از ده مرتبه پوششدهي متوالي داشت. همچنين پردازش تصاوير توموگرافينمونههاي پوششداده شده حاکي از يکنواختي پوشش و سطح موثر پوشش-حفره بالاتر درمورد فومهاي با 12 تخلخل در واحد اينچو حدود 80درصد تخلخل نسبت به دو دسته نمونه ديگر (5 و 75 تخلخل در واحد اينچ) بود. مقايسهوزني نمونههاي پوششداده شده قبل و بعد از فرايند آلتراسونيک در کنار تصاويرميکروسکوپ الکتروني نشان از چسبندگي مطلوب پوشش به زيرلايه داشته است. همچنيننتايج نشان داد روش غوطهوري عميق شيوه مناسبي براي پوششدهي زيرلايههاي فومي بودهبه گونهاي که يکنواختي پوشش و نيز چسبندگي به زيرلايه قابل قبولي را ارائه ميدهد.مقايسه نتايج آزمون در شرايط شبيهسازيشده عملکردي نيز بالاترين غلظت (معادل 7%)را در فرايند تبديل گاز دي اکسيد کربن و توليد مونوکسيد کربن براي فوم با 75 تخلخلدر اينچ و حدود 80 درصد تخلخل و حدود 5/2 درصد وزني لايه فعال پروسکايتي نشان دادکه ميتواند به دليل تماس بيشتر گازهاي واکنشدهنده با سطح فعال در اثر ريزتر شدنحفرات و در نتيجه پيچيدگي بالاتر جريان سيال باشد. نتايج اين پژوهش ميتواند بهافزايش راندمان توليد گازهاي سنتزي در مقياس تجاري کمک بسزايي نمايد.