Zeolite membranes for effective production of biofuels
- Reference number
- RMA08-0018
- Start and end dates
- 090701-141231
- Amount granted
- 21 799 793 SEK
- Administrative organization
- Luleå University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The main goal is to develop porous functional coatings in the form of microporous zeolite coatings, i.e. zeolite membranes, for separation processes in demanding chemical environments. The coatings should have sufficient stability and performance to allow application in separation processes for cost effective small scale (about 150 ton/day) production of renewable fuels and chemicals in biorefineries at the pulp mills in Sweden. The work will encompass development of zeolite supports in order to eliminate crack formation in the coatings. The adsorption and diffusion properties of the coatings will be optimized to achieve sufficient mass transport and selectivity. Tubular membranes will be prepared to achieve effective membrane modules. Advanced characterization and mathematical modeling will be used to understand mass transport and mechanical properties of the coatings in order to optimize selectivity and minimize crack formation. Operation of the membranes will be demonstrated at processes conditions and real process streams in a pulp mill biorefinery. The membranes should have sufficient performance to facilitate commercial application in biorefineries after up-scaling. It is estimated that the investment and production costs for biofuels can be reduced as much as about 20% compared to current technology, which would have a major impact on the profitability and strengthen the major Swedish forest industry, which currently is under high pressure.
Popular science description
I det här projektet vill vi utveckla porösa ytskikt som fungerar vid de höga temperaturer och krävande miljöer som kommer att finnas i de processer där förnyelsebara bränslen och kemikalier skall tillverkas i skogsbaserade bioraffinaderier. Om Sveriges pappersbruk byggs ut till bioraffinaderier och börjar tillverka förnyelsebara bränslen och kemikalier parallellt med massa och papperstillverkning så kommer deras konkurrenskraft att öka, samtidigt som växthuseffekten minskar. Två flugor på en smäll! Ytskikten skall användas för att separera gas- och vätskeströmmar i bioraffinaderier och måste vara mycket tunna. Vi tänker tillverka dem av zeoliter som är kristaller med ett väldefinierat porsystem, där porernas storlek är ungefär lika stora som olika molekyler. Porernas storlek bestämmer vilka molekyler som kan ta sig igenom ytskiktet. Större molekyler ryms helt enkelt inte i porerna. Vi har under flera års tid arbetat med att tillverka mycket små partiklar och tunna skikt av zeolit. Här är vår forskargrupp världsledande. Ett bra exempel är de zeolitmembran vi har tillverkat. Genom att tillverka ett mycket tunt (endast 500 nm) och sammanhängande skikt av zeolit på ett poröst bärarmaterial får vi ett zeolitmembran, eller om man så vill ett ”superfilter”. Med detta filter är det möjligt att skilja molekyler genom filtrering. Fördelen med ett zeolitmembran jämfört med andra membrantyper är att flödet genom membranet blir stort (eftersom det är poröst) och att det dessutom tål höga temperaturer och tryck samtidigt som membranet kan vara väldigt selektivt p.g.a. det väldefinierade porsystemet. Vi har t.ex. visat att våra membran lätt klarar att separera isomerer av xylen från varandra vid 400 grader Celsius. Dessa molekyler skiljer bara 0.7 ångström (7 miljarddels centimeter) i storlek. Det är inte var dag som nya separationsmetoder för molekyler tas fram, t.ex. är destillation en över 1000 år gammal metod. Om vi anpassar våra zeolitmembran kan de användas för att effektivisera tillverkningen av förnyelsebara bränslen och kemikalier i bioraffinaderier. Det är denna anpassning vi vill göra i detta projekt. Koldioxid och svaledioxid måste separeras i bioraffinaderiet och de tillverkade biobränslena i form av alkoholer behöver renas (metanol, etanol eller butanol). Vi skall anpassa våra membran så att de kan användas i dessa processer och på så sätt effektivisera Sveriges nya bioraffianderier.