طراحي و بهينه سازي غشاء PSS/NaX براي خالص سازي هيدروژن با استفاده از كاتاليست Pd-SiO2

New membrane based on Pd-SiO2 catalyst on PSS/NaX for hydrogen separation: Design and optimization

براي جداسازي هيدروژن از مخلوط هاي گازي غشاءجديد Pd-SiO2/PSS/NaX با استفاده از نانو زئوليت سديم، NaX و بر پايه فولاد متخلخل، PSS طراحي و ساخته شد. در ابتدا نانو زئوليت سديم به روش هيدروترمال سنتز و با استفاده از خلاء بر روي سطح فولاد متخلخل نشانده شد و در گام بعدي كاتاليست Pd-SiO2 سنتز و به روش سل-ژل بر روي پايه PSS/NaX رسوب داده شد. در نهايت كاربرد مجموعه Pd-SiO2/PSS/NaX براي تصفيه هيدروژن مورد بررسي قرار گرفت. بررسي ساختار غشاء ساخته شده با استفاده از روش هاي آناليز ميكروسكوپ الكتروني روبشي و پراش اشعه ايكس انجام شد. در طراحي آزمايش ها از برنامه Design Box-Behnken براي بررسي اثر متقابل پارامترهاي ساخت و فرآيندي مانند مقادير نانوزئوليت NaX (0.5 – 1.5 گرم)، درصد پالاديوم (5-15 درصد) ، اختلاف فشار (2-4 بار) و دما (350-450 سانتي گراد) و پارامترهاي خروجي مربوطه شامل: شار نفوذ هيدروژن و انتخابپذيري H2/ N2 بر مبناي شرايط ايده آل، استفاده گرديد. با بهينه سازي پارامترها، حداكثر شار نفوذ هيدروژن و بهترين انتخاب پذيري به ترتيب برابر با mol / m2.s 0.235 و 950 تعيين شد. علاوه بر اين عملكرد غشاء در برابر مخلوط گازهاي هيدروژن و نيتروژن با نسبت هاي مختلف آنها و در شرايط بهينه مورد بررسي قرار گرفت. نتايج به دست آمده نقش موثر بهينه سازي همزمان پارامترهاي ساخت و فرآيند براي افزايش عملكرد غشاءهاي مبتني بر پالاديوم براي تصفيه هيدروژن را نشان مي دهد.

Palladium (Pd)-SiO2 catalysts coated porous stainless steel (PSS)/NaX nanozeolites membranes were prepared via the sol–gel method and their application were evaluated for hydrogen separation. The hydrothermally synthesized NaX nanozeolite was coated by vacuum-assisted method on the PSS surface. The morphology of membranes were characterized using SEM analysis. The Box-Behnken design was used to determination the relationship between the variable input synthesis and process parameters such as: NaX content (0.5-1.5 g), Pd percentage (5-15 %), pressure difference (2-4 bar) and temperature (350-450 ˚C) and the corresponding output parameters including: hydrogen permeation flux, HPF and H2/N2 ideal gas selectivity, IGS. By optimization of the parameters, the experimental maximum hydrogen permeation flux and ideal selectivity were found to be 1.2×10-7 and 720 respectively. Moreover, the performance of the fabricated membrane were investigated for different mixtures of H2/N2 in the optimum condition. The results indicated that hydrogen fluxes and H2/N2 ideal selectivity were decreased by increasing in N2 content. The obtained results suggest that the simultaneous optimization of synthetic and process parameters could be effective for the performance enhancement of Pd-based membranes for hydrogen separation.