Zeolitmembraner för effektiv produktion av biobränslen
- Diarienummer
- RMA08-0018
- Start- och slutdatum
- 090701-141231
- Beviljat belopp
- 21 799 793 kr
- Förvaltande organisation
- Luleå University of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Huvudmålet är att utveckla porösa funktionella beläggningar i form av mikroporösa zeolitbeläggningar, dvs. zeolitmembran, för separationsprocesser i krävande kemiska miljöer. Beläggningarna skall ha tillräcklig stabilitet och prestanda för att möjliggöra användning i separationsprocesser för kostnadseffektiv produktion i liten skala (ca 150 ton/dag) av förnyelsebara bränslen och kemikalier i bioraffinaderier vid pappersbruken i Sverige. Arbetet omfattar utveckling av zeolitsubstrat för att eliminera sprickbildning i beläggningarna. Beläggningarnas adsorptions- och diffusionsegenskaper optimeras för att uppnå effektiv masstransport och selektivitet. Tubulära membran kommer att tillverkas för att uppnå effektiva membranmoduler. Avancerad karakterisering och matematisk modellering kommer att användas för att förstå masstransport och mekaniska egenskaper för att optimera selektivitet och minimera sprickbildning. Demonstration av membranen i verkliga processer och processbetingelser i ett massabruksbioraffinaderi kommer att utföras. Membranen skall ha tillräckliga prestanda för att möjliggöra kommersiell tillämpning i bioraffinaderier efter uppskalning. En uppskattning visar att investerings- och produktionskostnader för biobränslen kan minskas med så mycket som omkring 20% jämfört med nuvarande teknologi, vilket kommer att ha stor betydelse för lönsamheten och stärka den stora Svenska skogsindustrin, vilken för närvarande befinner sig under stor press.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.