Prezentacja otwierająca przewód doktorski

Modyfikacja materiałów polimerowych
z zastosowaniem powłok tlenkowych
otrzymywanych metodą zol-żel
w celu ograniczenia przenikalności gazów
Prezentacja otwierająca przewód doktorski
Anna Szczurek
Promotor: Prof. dr hab. inż. Jerzy Kaleta
Promotor pomocniczy: Dr inż. Justyna Krzak
Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej
Politechnika Wrocławska
Wstęp
mld ekwiwalentu ropy rocznie
Światowe zużycie energii z podziałem na źródła energii
ATOM WODORU
CZĄSTECZKA WODORU
proton
lata
elektron
www.ziemianarozdrozu.pl
www.brooklyn.cuny.edu
Problem z magazynowaniem wodoru
wodór w postaci niezwiązanej
w stanie gazowym
Dynetek
zbiorniki wysokociśnieniowe
gęstość gazowego H2:
0.08988 g/dm3 (0°C, 1013hPa)
350 v 700 bar
szczelność zbiornika
w stanie ciekłym
SP Cryo
zbiorniki kriogeniczne
20 K (- 253ºC)
Problem z magazynowaniem wodoru
wodór w postaci „związanej” w ciele stałym
wodorki metali
sieci metalo-organiczne
(MOF)
zeolity
www.hidenisochema.com
nanorurki węglowe
domieszkowane metalami
en.wikipedia.org
grafan
Hirscher, M. (2011), Hydrogen Storage
by Cryoadsorption in Ultrahigh-Porosity
Metal–Organic Frameworks. Angew.
Chem. Int. Ed., 50: 581–582.
Hydrogen Storage for Energy Application, Hydrogen Storage, Prof. Jianjun Liu (Ed.), InTech, (2012)
Zbiornik z warstwą doszczelniającą
powłoka kompozytowa
warstwa doszczelniająca
polimerowy liner
*grubość warstwy doszczelniającej:
nanometryczna lub submikronowa
bez warstwy
p1,
C1
z warstwą
p2,
C2
Barierowe tlenkowe powłoki ochronne
CrO2, Al2O3, TiO2 , Cr2O3 / SiO2
Nanoszone na stopy metali w celu ochrony przed korozją wodorową
G. Zhang et al. Mechanisms for adsorption, dissociation and diffusion of hydrogen in
hydrogen permeation barrier of α-Al2O3: The role of crystal orientation, International
Journal of Hydrogen Energy, 39, 1, 2 January 2014, 610-619
Właściwości wpływające na barierowość, np.:
• gęstość struktury materiału
• występowanie defektów
• powinowactwo względem wodoru
(adsorpcja, dyfuzja, desorpcja)
www.sciencedaily.com
Membrany tlenkowe do separacji gazów
Warstwa tlenkowa
na podłożu metalicznym
Mechanizmy przenikania gazów
przez materiał
H2/CO2, H2/N2, H2/CH4
www.co2crc.com.au
www.youtube.com
Niestandardowe membrany
sfunkcjonalizowane
Funkcjonalizacja porów
web.stanford.edu, (GCEP Annual Scientific Report,
Advanced CO2/H2 separation materials incorporating active functional
agents, S. Kazama et al.)
Uzyskane wyniki badań
Badania przenikalności – CO2
Procentowa
przenikalność gazu
Próbka
Przenikalność gazu
[cm3m-224h-1atm]
Współczynnik
przenikalności
3
[cm mm1m-224h-1atm]
PET
141,26
22,60
100 %
PET + powłoka
2-warstwowa
111,11
17,78
79 %
PET + powłoka
4-warstwowa
56,52
9,04
40 %
(przy założeniu odniesienia
przenikalności =100% dla
niemodyfikowanej folii PET)
Wnioski z przeprowadzonych badań
• Możliwe jest otrzymanie ciągłych warstw na podłożach
polimerowych, wykazujących adhezję do podłoży
• Powierzchnia właściwa warstwy wierzchniej materiału po
naniesieniu powłoki zmniejsza się
• Zaproponowana 4-warstwowa powłoka hybrydowa (SiO2/TiO2)
ogranicza przenikalność CO2 przez materiał o 60%
• Badania literaturowe wskazują iż dotychczas opracowano
rozwiązania dla powłok barierowych na podłożach metalicznych
charakteryzujące się strukturą krystaliczną
• Problemy pomiarowe – trudność wykonywania pomiarów
przenikalności gazowego wodoru przez materiały niemetaliczne
Pożądane właściwości otrzymanej warstwy
• Barierowość względem przenikalności gazów
• Stabilność chemiczna na poziomie warunkującym barierowość
• Stabilność w zakresie temperatur pracy zbiornika:
od -40 do 85°C
• Dobra adhezja do podłoża polimerowego
• Elastyczność, zapewniająca współpracę ze zbiornikiem
Planowane badania
lepkość
spektroskopia ramanowska
SEM
AFM
termograwimetria
badania mechaniczne - badania odporności na zarysowanie (scratch-test),
badania wytrzymałościowe
przenikalność gazów
Literatura
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
J. Liu (Ed.), Hydrogen Storage for Energy Application in Hydrogen Storage, InTech, 2012
H. Barthe´le´my, Hydrogen storage - Industrial prospectives, International Journal of Hydrogen
Energy 37 2012 17364-17372;
D. He, S. Li, X. Liu, C. Zhang, Q. Yu, Y. Lei, S. Wang, L. Jiang, Influence of microstructure on the
hydrogen permeation of alumina coatings, International Journal of Hydrogen Energy 35 2010
9343-9348;
R. W. Baker, Membrane Technology and Applications, John Wiley and Sons, Ltd, 2004;
S. Barma, B. Mandal, Synthesis and characterization of ordered mesoporous silica membrane: Role
of porous support and gas permeation study, Microporous Mesoporous Mater., vol. 210, pp. 10–19,
Jul. 2015;
M. K. Barillas, R. M. Enick, M. O’Brien, R. Perry, D. R. Luebke, B. D. Morreale, The CO2
permeability and mixed gas CO2/H2 selectivity of membranes composed of CO2-philic polymers,
Journal of Membrane Science 372 2011 29–39;
F. Awaja, M. Gilbert, G. Kelly, B. Fox, and P. J. Pigram, Adhesion of polymers, Prog. Polym. Sci.
34 2009 948–968;
C. J. Brinker, G. W. Scherer, Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing,
Academic Press, 1990;
B. Ramezanzadeh, M. Mohseni, A. Karbasi, Preparation of sol–gel-based nanostructured hybrid
coatings; part1: morphological and mechanical studies, J Mater Sci 2012 47:440–454;
T. Dobre, O. C. Pârvulescu, and G. Iavorschi, “Analysis of sol evolution in sol-gel synthesis by use
of rheological measurements,” vol. 71, 2009;
Dziękuję za uwagę