Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Nanocomposite Facilitated Transport Membranes for H2 purification

Alternativ tittel: Nanokompositt baserte fasiliterttransportmembraner for H2 produksjon

Tildelt: kr 9,2 mill.

Prosjektet «Nanocomposite Facilitated Transport Membranes for H2 purification» (akronym FaT H2) tar sikte på å utvikle en ny, mer effektiv og billigere separasjonsteknologi for oppgradering av hydrogengass fra forskjellige industrikilder. I dag skjer produksjon av hydrogen ved såkalt dampreforming av hydrokarboner fra fossile kilder (f.eks. naturgass, kull) eller biologiske kilder (f.eks. mørk bakteriegjæring av biomasse). Den resulterende gassen inneholder både hydrogen og CO2. Hydrogenet renses ut fra resten ved bruk av PSA (trykksvingadsorpsjon), noe som er en relativ kostbar teknologi. Fordelen med hydrogen som energibærer er fraværet av CO2 og andre biprodukter ved forbrenning eller ved bruk i brenselseller. Dette gir en unik mulighet til å kunne håndtere menneskeskapte utslipp av CO2 bedre og sees på som et lovende fremtidig miljøtiltak for å begrense klimaendringene. Den foreslåtte teknologien baserer seg på å benytte CO2 selektive membraner istedenfor den mer intuitive tilnærmingen av å rense ut hydrogen. Sammenlignet med konkurrerende teknologier, resulterer membrananlegg i fysisk mindre anlegg, og lavere både investerings- og driftskostnader. Prosjektet har fokusert på å utvikle nanokompositt og samtidig bæreraktive membraner ved å benytte ulike grafenderivater (både tette og porøse 2D strukturer) sammen med polymer (blanding) som inneholder aktive bærergrupper (Polyvinylamin, PVAm eller Polyallylamin, PAA) for å finjustere materialegenskapene slik at man oppnår best mulig kombinasjon av separasjonsegenskapene. Forskningen har blitt utført i fire arbeidspakker: Membranmaterialvalg samt-karakterisering (WP1); Tillaging av grafenbaserte nanokomposittmembraner (WP2); Evaluering av membranenes separasjonsegenskaper (WP3); Prosessevaluering og kostnadsestimering (WP4). To polymer typer har blitt brukt som CO2 selektivt materiale (PVAm og PAA) sammen med både grafenoksid (GO) baserte- og forgrenete-GO, PVA -GO baserte nanokompositt-fasilliterttransportmembraner er blitt utviklet, karakterisert og evaluert. Den såkalte fasilliterte effekten av CO2 i amin-polymerne fører til en økning av CO2-transporten i membranen. Mens de GO-baserte partiklene virker som små ark i nanometerskala (2D struktur) og disse fører til en reduksjon av den forventede ellers høye H2 diffusjonen i membranen. Dessuten er overflaten av GO partiklene noe modifisert slik at CO2 har en enda høyere tendens til å adsorbere. Disse membranene framviser egenskaper som er til dels mye bedre enn hva som har blitt rapportert i litteraturen. Tre tilsetningsstoffer ble benyttet som mobile bærere, for å fastslå til hvilken grad disse kan forbedre CO2-transportegenskapene enda mer. Membranenes kjemiske struktur, termiske stabilitet og morfologi har blitt karakterisert. Effekten av høyere temperatur (25-110°C), også sporstoffer, slik som H2S og CO er undersøkt. Membraner med egenskaper på CO2/H2 selektivitet på 22 og en CO2 permeabilitet på 61,6 Barrer ble oppnådd, noe som er betydelig bedre enn det såkalte Robson-plottet. Det har blitt utført en tekno-økonomisk analyse for disse membranene i en typisk H2 produksjonsprosess, hvor både en to- og tre trinns membranprosess har blitt evaluert. I dette arbeidet ble Aspen Hysys med Chembrane (et NTNU-utviklet membranmodul- simuleringsverktøy) benyttet. Prosessen som er blitt evaluert er H2 produsert ved mørk bakteriegjæring ved betingelsene at H2 må oppnå en renhet på 99,5 volum% (drivstoff kvalitet), et maksimalt CO2 tap på 1% med en renhet på minst 90 volum%. For totrinnsprosessen ble det oppnådd en spesifikk kostnad for H2 rensingen på 0,235$/Nm3. Andre funn i prosjektet: 1. Å benytte kun små mengder GO eller PVA-GO (f.eks 0,5vekt% PVA-GO) fører til en signifikant forbedring av transportegenskapene. 2. Transportegenskapene blir bedre for en tykkere membran (Noe som er forventet for en bærer-aktiv membran) 3. Membranene er også evaluert for CO2/N2 og CO2/Helium rensing (ofte brukt for screeningssammenligning i prosjektet), og viser høy separasjonsytelse. 4. Det kan bli produsert både flate ark- og hulfibermembranmoduler.

New knowledge and competence on CO2-selective membranes for CO2/H2 separation, especially with regard to the understanding of facilitated transport mechanism integrated with the involved effects of 2D nanosheets in the membranes and the fabrication of thin nanocomposite membranes with controlled thicknesses, were generated during the FaT H2 project. The project results enabled significant advances in membrane technology for CO2/H2 separation applications. Feasibility studies based on the separation performances of the developed membranes proved that using the CO2-selective membrane for H2 purification is more energy-efficient and economically beneficial than the H2-selective solution. The project outcome has drawn industrial attention to developing the technology, which may lead to new job opportunities. The knowledge generated has also contributed to building international knowledge in the field of membrane separation technology as well as methods for H2 purification and CO2 removal. The project team has published 7 academic articles in high-impact scientific journals (Journal of Membrane Science, Chemical Engineering Journal, Applied Materials Today, etc.), and another four manuscripts are in preparation. We have also disseminated the project results at international conferences, seminars, meetings, and public events (EuroMembrane, Carbon Capture Science and Technology, The Research Night, etc.). Published papers cover topics on membrane material optimization, the effects of 2D nanosheets, mobile carriers, membrane fabrication, separation performances, and techno-economic studies. The discoveries and knowledge built through the project have derived new project concepts and applications on graphene-based nanocomposite materials and the use of facilitated transport membranes for CO2/H2 separation, including the MOGLiS, 3S Battery, and BioH2Fuel project. The MOGLiS project (MOF@rGO-based cathodes for Li-S Batteries) funded by the M-ERA.NET call (2021-2023), and the 3S Battery project (Super selective separators for battery applications, a proposal submitted) are based on GO-based nanocomposite materials in battery applications, while the BioH2Fuels project (bio-hydrogen for fuels an EU project proposal) is to use CO2-selective membranes to remove CO2 directly from bio-reactors to enhance bio-hydrogen separation. From the competence-building and education perspective, one Ph.D. student and four master’s students, as well as three researchers, have received their academic training through carrying out research activities in the project.

The project entitled "Nanocomposite Facilitated Transport Membranes for H2 purification" (FaT H2) aims at developing an efficient separation technology to produce hydrogen as fuel using CO2-selective nanocomposite membranes. This project will focus on (1) the synthesis of facilitated transport membrane using nanocomposite material based on graphene derivatives, (2) the investigation of the transport properties, including the effects of impurities such as SO2, H2S, CO, and (3) the process design and techno-economic analysis of the proposed new membranes for specific H2 production process. The addition of graphene-based nanofiller to the facilitated transport membrane is expected to improve the membrane morphology at the nano-level, increasing the membrane stability and separation performance. Compared to H2-selective membranes, the use of CO2-selective membranes leads to several benefits. In the case of syngas, the high pressure of the produced hydrogen can be maintained, enhancing the fuel energy value, while in the case of biological production, CO2 will be removed by membrane from the head of the reactor, enhancing its production performance. The project will be performed within the membrane research lab at NTNU. SINTEF Industry will be project partner. A high-level international cooperation with reputable research institutes in the US (The Ohio State University, OSU) and UK (The University of Edinburgh) will also add great value to the research and education. Industry producers and end users of the developed technology, represented by Graphene-XT ASA (Italy) and CondAlign (Norway), will participate in the scientific steering meetings to provide industry perspectives. One Phd, one researcher, and several master students will receive their scientific training through the project.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering