Self-healing ceramic membranes with increased lifetime for CO2 capture in industrial processes and power production

Gasseparasjon med robuste og effektive keramiske membraner med blandet ionisk og elektronisk ledningsevne kan potensielt redusere kostnadene og øke effektiviteten til CCS i kraftproduksjon og industrielle prosesser. Det er allikevel en rekke utfordringer knyttet til kostnad, levetid og ytelse som må løses for å oppnå et teknologisk gjennombrudd. Dette er knyttet bl.a. til behov for renromsproduksjon for å unngå defekter på grunn av støvkorn og til termiske spenninger som gir kryp og sprekkdannelser i membranene ved oppvarming og avkjøling og bruk. SEALEM-prosjektet søker løsninger på dette ved å utvikle banebrytende teknologier for selvhelende keramiske membraner. Prosjektet er ledet av UiO og gjennomført i samarbeid med SINTEF og NTNU. To mekanismer for selvheling undersøkes i SEALEM, nemlig «chemical creep closure (CCC)» og «reaction growth repair (RGR)», som begge utnytter at kationer og derved keramisk materiale strømmer til og tetter defekter i membranen. Drivkraften er de kjemiske gradientene over membranen, enten i oksygenpartialtrykk (CCC) eller ved reaktivitet mellom to faste komponenter på hver siden av membranen. Reparasjonsprosessen skjer ved økt diffusjon av kationer på overflatene av defekten som skal leges. Flere materialsystemer er undersøkt og enkelte er vist å gi den ønskede effekt, at de tetter hull i membranen eller tetter en i utgangspunktet porøs membran. Å implementere en slik membranstruktur i gasseparasjonsteknologi vil innebære en drastisk reduksjon i produksjonskostnader og forlengelse av levetid for keramiske membraner. En patentsøknad på teknologien er forfattet av oppfinnere ved alle tre partnerinstitusjonene og ble sendt inn i 2016, og publiseres nå i 2017. I prosjektet har vi også foretatt fundamentale studier av sentrale materialegenskaper slik som termokjemisk ekspansjon og overflatediffusjon, som del av PhDen ved NTNU. Istedenfor å varme membranene til driftstemperatur med en omsluttende ovn, kan de varmes internt (ohms) ved hjelp av en elektrisk strøm i membranen. Intern oppvarming av rørmembraner har blitt undersøkt på to ulike membrantyper. Det har vist seg at begge disse kan varmes opp til 800-900 °C med denne teknikken. Gasspermeabiliteten til internt oppvarmede membraner har også blitt målt, forsøk som indikerer at membranene kan fungere uten en omsluttende ovn. Vi har også designet og bygget en prototype av en membranreaktor som vil gjøre det enklere å teste og erstatte individuelle rørmembraner. De er utviklet videre og blir IPR-beskyttet i et UiO-koordinert EU-prosjekt. Partnerne søker nå nye internasjonale og industrielle partnere for utvikling, implementering og utnyttelse av resultater og IPR fra prosjektet.

Membranes technology making use of robust and efficient ceramic mixed conducting (oxide ion, electron or proton, electron) membranes have the potential for significant cost reduction and higher efficiency of CCS in power production and industrial processe s. However, a number of critical challenges must be addressed to achieve breakthrough development in lifetime and performance of these membranes, as high flux is also accompanied by less desirable increasing cation mobility, which results in faster degrad ation rate. The SEALEM project aims at a radical improvement of lifetime and performance of ceramic membranes by developing ground-breaking self-healing ceramic membranes with high flux from increased surface kinetics and fast bulk diffusion. Self-healing membranes would allow cheaper production of membranes, major increase in lifetime, and reduced operational costs, as faults created upon operation or manufacturing would repair themselves. Two healing mechanisms termed Reaction Growth Repair and Chemical Creep Closure are IPRs of UiO and will be investigated in SEALEM. This is a pioneering work which builds on knowledge on cation diffusion. Model for lifetime prediction in SEALEM will be created from an integrated knowledge on surface kinetic, kinetic de mixing and chemical creep and stresses in membranes operating in a chemical potential gradient set by industrial applications using both theoretical and experimental approaches. This model will be used for robust assessment of membrane technology in power and industrial cycles in the project. SEALEM will further develop novel module designs with cold seals and internal heating of membranes. The project lasts 3 years and is led by UiO in collaboration with SINTEF and NTNU. It educates one PhD candidate and trains one post-doctoral researcher.