Reactores catalíticos de membrana basados en 8Y-TZP: fabricación y caracterización mecánica
Visualitza/Obre
TFG_Jordi_Garcia_Hernandez.pdf (1,805Mb) (Accés restringit)
Estadístiques de LA Referencia / Recolecta
Inclou dades d'ús des de 2022
Cita com:
hdl:2117/372746
Tipus de documentTreball Final de Grau
Data2022-05-30
Condicions d'accésAccés restringit per decisió de l'autor
Tots els drets reservats. Aquesta obra està protegida pels drets de propietat intel·lectual i
industrial corresponents. Sense perjudici de les exempcions legals existents, queda prohibida la seva
reproducció, distribució, comunicació pública o transformació sense l'autorització del titular dels drets
Abstract
Los reactores de membrana cerámica conductora de iones ofrecen la oportunidad de
combinar procesos de separación de membrana directamente con las reacciones químicas,
lo que conduce a la intensificación del proceso y, por tanto, a beneficios en cuanto a eficiencia.
Las actividades de investigación actuales se centran en los reactores de membrana por su
alta eficiencia intrínseca y su gran potencial para la producción de una gran variedad de
productos químicos básicos, portadores de energía y combustibles sintéticos. En el presente
TFG, se han fabricado reactores catalíticos de membrana, los cuales están formados por un
soporte poroso y por una membrana densa, usando la circona tetragonal parcialmente
estabilizada con un 8 % molar de itria (8Y-TZP) como conductor iónico de los aniones óxido.
El objetivo del presente trabajo, es conseguir un proceso de fabricación de las membranas,
soportadas sobre sustratos porosos de 8Y-TZP, mediante el uso de unas técnicas de
fabricación reproducibles, escalables y de bajo coste. Para ello, en primer lugar, se ha
optimizado el proceso de fabricación del soporte de 8Y-TZP y almidón de arroz como
generador de porosidad conformado por prensado uniaxial, incluyendo el tratamiento térmico
para su sinterizado. Posteriormente, se ha estudiado la optimización del procesado de la
membrana mediante recubrimiento por rotación de los soportes previamente fabricados. Para
conseguir una membrana densa, se ha optimizado la disolución precursora con polvos de 8YTZP y Terpineol como disolvente, además de otros aditivos, la velocidad de giro y el
tratamiento térmico que se debe aplicar. Durante el procesado de ambos componentes, se ha
determinado la densidad de los soportes, por el método de Arquímedes, y se ha caracterizado
la microestructura de los soportes y de las membranas fabricadas, mediante microscopia
óptica y electrónica de barrido, para estudiar los efectos de las variables de fabricación y de
los tratamientos térmicos. Además, se ha realizado un estudio de la dureza Vickers de los
soportes y de las membranas optimizadas, mediante la técnica de nanoindentación, para
determinar sus respectivos valores de dureza. Se ha concluido que la mezcla de polvos
óptima para fabricar los soportes es de un 60% de 8Y-TZP con 40% de porógeno (en masa),
y la temperatura óptima para el tratamiento térmico de presinterización de los soportes es de
1100ºC. Para la fabricación de la membrana, se ha determinado como mejor alternativa la
disolución de 1:4 de 8Y-TZP:Terpineol (en masa: masa), la cual se ha depositado mediante
recubrimiento por rotación a 400 rpm y, posteriormente, se ha co-sinterizado junto al soporte
a 1350ºC. Los soportes así fabricados han presentado una dureza Vickers muy baja y una
porosidad elevada, sin embargo, tienen suficiente integridad mecánica para su manipulación
durante el procesado de la membrana. La membrana presenta un espesor de unas 10-20 m
y una elevada densificación manteniendo el soporte poroso, lo cual se muestra en unos
valores de dureza de 13,8 ± 0,3 GPa. Els reactors de membrana ceràmica conductora d'ions ofereixen l'oportunitat de combinar
processos de separació de membrana directament amb les reaccions químiques, el que
condueix a la intensificació del procés i, per tant, a beneficis en quant a eficiència. Les activitats
d'investigació actuals es centren en els reactors de membrana degut a la seva alta eficiència
intrínseca i el seu gran potencial per a la producció d'una gran varietat de productes químics
bàsics, portadors d'energia i combustibles sintètics. En el present TFG, s'han fabricat reactors
catalítics de membrana, els quals estan formats per un suport porós i per una membrana
densa, utilitzant la circona tetragonal parcialment estabilitzada amb un 8 % molar d’ítria (8YTZP) com a conductor iònic dels anions òxid. L'objectiu del present treball, és aconseguir un
procés de fabricació de les membranes, suportades sobre substrats porosos de 8Y-TZP,
mitjançant l'ús d'unes tècniques de fabricació fàcils de reproduir, escalables i de baix cost. Per
fer-ho, en primer lloc, s'ha optimitzat el procés de fabricació del suport de 8Y-TZP i midó
d’arròs com a generador de porositat conformat per premsat uniaxial, incloent el tractament
tèrmic per al seu sinteritzat. Posteriorment, s'ha estudiat l'optimització del procés de la
membrana mitjançant el recobriment per la rotació dels suports prèviament fabricats. Per
aconseguir una membrana densa, s'ha optimitzat la dissolució precursora amb pols de 8YTZP i terpineol com a dissolvent, a més d'altres additius, la velocitat de gir i el tractament tèrmic
que s'ha d'aplicar. Durant el procés d'ambdós components, s'ha determinat la densitat dels
suports, pel mètode d'Arquímedes, i s'ha caracteritzat la microestructura dels suports i de les
membranes fabricades, mitjançant microscòpia òptica i electrònica d’escombrat, per estudiar
els efectes de les variables de fabricació i dels tractaments tèrmics. A més, s'ha realitzat un
estudi de la duresa Vickers dels suports i de les membranes optimitzades, mitjançant la
tècnica de nanoindentació, per determinar els seus respectius valors de duresa. S'ha conclòs
que la mescla de pols òptima per fabricar els suports és d'un 60% de 8Y-TZP amb 40% de
porògen (en massa), i la temperatura òptima per al tractament tèrmic de presinterització dels
suports és de 1100ºC. Per a la fabricació de la membrana, s'ha determinat com a millor
alternativa la dissolució de 1:4 de 8Y-TZP:Terpineol (en masa:masa), la qual s'ha dipositat
mitjançant el recobriment per rotació a 400 rpm i, posteriorment, s'ha co-sinteritzat junt al
suport a 1350ºC. Els suports així fabricats han presentat una duresa Vickers molt baixa i una
porositat elevada, sense embargo, tenen suficient integritat mecànica per a la seva
manipulació durant el procés de la membrana. La membrana presenta un espessor d’unes
10-20 μm i una elevada densificació mantenint el suport porós, el qual es mostra en uns valors
de duresa de 13,8 ± 0,3 GPa. Ion-conducting ceramic membrane reactors offer the opportunity to combine membrane
separation processes directly with chemical reactions, leading to process intensification and
thus efficiency benefits. Current research activities focus on membrane reactors due to their
high intrinsic efficiency and great potential for the production of a wide variety of basic
chemicals, energy carriers and synthetic fuels. In the present TFG, catalytic membrane
reactors have been manufactured, which are formed by a porous support and a dense
membrane, using tetragonal zirconia partially stabilized with 8 mol% yttria (8Y-TZP) as ionic
conductor of the oxide anions. The objective of this work is to achieve a manufacturing process
for membranes, supported on porous 8Y-TZP substrates, by using reproducible, scalable and
low-cost manufacturing techniques. To do this, firstly, the manufacturing process of the 8YTZP and rice starch support as a porosity generator formed by uniaxial pressing has been
optimized, including the heat treatment for its sintering. Subsequently, optimization of
membrane processing by spin coating of previously manufactured supports has been studied.
To achieve a dense membrane, the precursor solution has been optimized with 8Y-TZP
powders and terpineol as solvent, in addition to other additives, the speed of rotation and the
thermal treatment that must be applied. During the processing of both components, the density
of the supports has been determined by the Archimedean method, and the microstructure of
the supports and of the fabricated membranes has been characterized by means of optical
and scanning electron microscopy, to study the effects of manufacturing variables and heat
treatments. In addition, a study of the Vickers hardness of the optimized supports and
membranes has been carried out, using the nanoindentation technique, to determine their
respective hardness values. It has been concluded that the optimum powder mixture to
manufacture the supports is 60% 8Y-TZP with 40% porogen (by mass), and the optimum
temperature for the presintering heat treatment of the supports is 1100ºC. For the manufacture
of the membrane, the 1:4 solution of 8Y-TZP:Terpineol (by mass: mass) has been determined
as the best alternative, which has been deposited by spin coating at 400 rpm and,
subsequently, has been co-sintered together with the support at 1350ºC. The supports thus
manufactured have presented a very low Vickers hardness and a high porosity, however, they
have sufficient mechanical integrity for handling during membrane processing. The membrane
has a thickness of about 10-20 μm and a high densification maintaining the porous support,
which is shown in hardness values of 13.8 ± 0.3 GPa.
TitulacióGRAU EN ENGINYERIA QUÍMICA (Pla 2009)
Col·leccions
Fitxers | Descripció | Mida | Format | Visualitza |
---|---|---|---|---|
TFG_Jordi_Garcia_Hernandez.pdf | 1,805Mb | Accés restringit |