Російські вчені поліпшили склад керамічних мембран

23

Хіміки уральського федерального університету вдосконалили керамічні мембрани, які селективно виділяють кисень з газових сумішей. У хімічний склад матеріалу вчені додали марганець, завдяки чому покращилася селективна проникність мембран по кисню. Іншими словами, завдяки новому хімскладу мембрани будуть швидше «відбирати» кисень і ефективніше доставляти його. Опис методу дослідження і докладні розрахунки опубліковані в journal of the european ceramic society.

«такі мембрани можуть застосовуватися для виробництва чистого кисню в медицині, для дозованої подачі кисню в хімічні реактори парціального окислення вуглеводнів і для вилучення кисню з газових сумішей, — пояснює доцент кафедри фізичної та неорганічної хімії урфу євген кисельов. — сфера застосування даних матеріалів не обмежується тільки мембранними технологіями. Завдяки змішаній кисень-іонної та електронної провідності їх можна використовувати в водневій енергетиці в якості катодних матеріалів високотемпературних твердооксидних паливних елементів. Це джерела струму, які найбільш ефективно і екологічно перетворюють енергію хімічної реакції в електричну».

Керамічні мембрани-це складні оксиди лантану, стронцію, нікелю та марганцю. Основними перевагами досліджуваних мембран є механічна міцність і хімічна інертність до вуглекислого газу в порівнянні з оксидними мембранами на основі стронцію, барію, заліза і кобальту. Хімічна взаємодія останніх з вуглекислим газом обмежує їх промислове застосування. До недоліків досліджуваних мембран можна віднести відносно низьку проникність по кисню.

» наше дослідження націлене на вирішення фундаментальної задачі — з’ясувати, які саме фактори і в якій мірі дозволяють покращувати функціональні властивості досліджуваних матеріалів. Модифікування хімічного складу мембрани шляхом часткового заміщення нікелю на марганець на порядок збільшило швидкість кисневого обміну поверхні мембрани з газовою фазою. Завдяки цьому внеску питома киснепроникність мембрани зросла більш ніж на один порядок», — говорить євген кисельов.

Спрощено перенесення кисню через мембрану здійснюється в три стадії. Спочатку молекулярний кисень з газової фази вбудовується в поверхневі шари керамічної мембрани у вигляді іонів кисню. Потім відбувається дифузія іонів кисню крізь товщину мембран і, нарешті, зворотне перетворення іонів кисню на протилежній поверхні мембрани з вивільненням газоподібного кисню. Залежно від хімічного складу, мікроструктури поверхні мембрани і зовнішніх термодинамічних умов — температури і вмісту кисню в газовій фазі, швидкості цих стадій можуть сильно відрізнятися. Найповільніша стадія буде обмежувати загальний потік кисню, що проходить через мембрану.

» щоб перенесення іонів кисню через мембрану проходив швидше, ми можемо зробити кілька поліпшень. Збільшення швидкості поверхневого обміну кисню за рахунок додавання марганцю до складу — тільки один з виявлених нами ключових факторів, що визначають швидкість процесу. Найповільніший процес перенесення кисню через досліджувані мембрани — дифузію — можна оптимізувати за рахунок зменшення товщини мембрани і підвищення температури», — пояснює вчений.