Membran Katalis Serat Berongga Lapis Ganda Berbasis Oksida Perovskit-Oksida Nikel untuk Reaksi Oksidasi Parsial Metana

Nurherdiana, Silvana Dwi (2019) Membran Katalis Serat Berongga Lapis Ganda Berbasis Oksida Perovskit-Oksida Nikel untuk Reaksi Oksidasi Parsial Metana. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 01211660010004-Doctoral.pdf Restricted to Repository staff only Download (7MB) | Request a copy

Abstract

Berdasarkan fungsinya, membran serat berongga lapis ganda berbasis perovskit dan oksida logam memiliki keunikan utama karena dapat bekerja sebagai konduktor ion dan elektron serta katalis secara simultan. Sejak beberapa dekade, telah dikembangkan sebagai membran transport oksigen dan reaksi redoks seperti konversi metana menjadi syngas melalui reaksi oksidasi parsial metana (OPM). Oksida perovskit (La0,7Sr0,3Co0,2Fe0,8O3-δ (LSCF) atau La0,7Sr0,3MnO3-δ (LSM)) berperan sebagai lapisan selektif oksigen dan oksida logam (NiO) sebagai katalis untuk mengonversi metana. Kedua bahan memiliki perbedaan besar pada koefisien ekspansi termal (TEC). Oleh karena itu, Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) ditambahkan di setiap lapisan pada komposisi tertentu, yang memberikan kontribusi secara signifikan untuk mengurangi resistensi difusi ion oksigen, meningkatkan sifat mekanik dan mengurangi potensi delaminasi. Demikian kemajuan signifikan yang telah dibuat hingga saat ini. Dalam disertasi ini, peningkatan sifat membran serat berongga lapis ganda dapat dicapai melalui evaluasi evolusi struktur kristal dari bubuk hingga bentuk membran dan kinerja pemisahan oksigen dari udara dan konversi metana menjadi syngas dengan menerapkan modifikasi teknik fabrikasi membran dan sifat membran seperti konfigurasi morfologis, kekuatan mekanik dan kerapatan lapisan luar.
Karakterisasi evolusi sifat struktur kristal dalam bentuk bubuk dan membran berlapis-ganda telah dilakukan dengan menggunakan difraksi sinar-X pada suhu ruang kemudian difraktogram diolah menggunakan metode Rietveld refinement menggunakan perangkat lunak Rietica untuk menyelidiki struktur kristal pada tingkat fase dan sel unit. Bubuk LSCF dan LSM menunjukkan struktur kisi dan ukuran kristal yang berbeda. Lebih lanjut, LSCF dalam bentuk bubuk dan membran menunjukkan berbagai fase sekunder, struktur kisi dan ukuran kristal yang dipengaruhi oleh distorsi ion selama perlakuan suhu tinggi (ko-sintering) selama pembuatan membran.
Dalam penelitian ini, membran serat berongga lapis ganda NiO-YSZ/LSCF-YSZ dan NiO-YSZ/LSM-YSZ berhasil dibuat menggunakan dua jenis metode persiapan, secara berurutan yaitu ko-ekstrusi dan kombinasi metode ekstrusi dan dip-coating. Pertama, untuk mengembangkan desain kinerja membran tinggi, sifat membran dimodifikasi menggunakan campuran larutan bore, suhu ko-sintering, ukuran partikel YSZ dan rasio LSCF:YSZ melalui proses ko-ekstrusi. Sebagai hasilnya, membran NiO-YSZ/LSCF-YSZ mengalami pembentukan simultan yang menghasilkan konfigurasi pori saluran terbuka (open channel) sementara kekuatan mekanik dan nilai pengetatan tetap rendah daripada sifat yang dibutuhkan untuk membran katalis pada reaksi POM. Selain itu, studi kristalografi membran menunjukkan bahwa LSCF cenderung kurang stabil ditinjau dari munculnya fasa sekunder dibandingkan dengan LSM komersial.
Kedua, kombinasi metode ekstrusi dan dip-coating berhasil meningkatkan sifat membran katalis serat berongga lapis ganda untuk reaksi OPM, dibuat melalui penggantian LSCF menjadi LSM dan etilen glikol sebagai pelarut suspensi. Di mana ketebalan, konfigurasi pori dan sifat mekanik dapat dikontrol untuk meningkatkan kinerja reaktor. Kekuatan mekanik membran NiO-YSZ/LSM-YSZ menunjukkan 461 MPa dengan kerapatan lapisan luar yang tinggi ketika dioperasikan pada suhu tinggi.
Penyelidikan kinerja katalitik telah mengungkapkan nilai laju permeasi mencapai 1,23 mL.min-1 pada 900 °C yang secara signifikan lebih tinggi dari penelitian sebelumnya meskipun disusun dari bahan yang sama. Selain itu, stabilitas permeasi oksigen juga diuji pada 950 °C yang cenderung stabil pada sekitar 0,4 mL.cm-2.min-1 dengan energi aktivasi terendah 7,6 kJ.mol-1. Konversi metana mencapai 94% pada 900 °C sementara selektivitas CO mengalami peningkatan dari suhu reaksi 700 hingga 800 °C kemudian menurun tajam pada kondisi suhu 850 dan 900 °C yang disebabkan oleh pembentukan CO2. Rasio H2/CO lebih kecil dari 2 yang menunjukkan bahwa membran memiliki ketahanan deposisi karbon yang tinggi. Keuntungan lain dari metode fabrikasi kombinasi ditunjukkan oleh studi morfologi yang mengungkapkan bukti kompatibilitas antar lapisan tinggi. Oleh karena itu, karya ini telah mengusulkan dasar untuk desain katalis serat berongga lapis ganda di masa depan untuk reaksi konversi metana dari pengetahuan struktur kristal hingga teknik persiapan membran serat berongga lapis ganda yang lebih sederhana.
=========================================================
====================================================================
Based on its function, a dual-layer hollow fibre which composed of perovskite and metal oxide based membrane has the main uniqueness of being able to work as an ionic and electronic conductor as well as catalyst simultaneously. Since decades, it has been developed as oxygen transport and redox reactions such as the methane conversion into syngas through partial oxidation of methane (POM) reaction. The perovskite oxide (La0.7Sr0.3Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) or La0.7Sr0.3MnO3-δ (LSM)) acts as an oxygen selective layer and the metal oxide (NiO) as a catalyst for methane conversion. Other than that, both materials have a large difference in thermal expansion coefficient (TEC). Therefore, Yttria-Stabilised Zirconia (YSZ) was added in each layer at a certain composition, which contributes significantly to reducing the diffusion resistance of oxygen ions, increasing the mechanical properties and reducing delamination potential. Besides the significant progress that has been made to date. In this dissertation, the improving of the dual-layer hollow fibre membrane properties can be achieved by controlling the crystal structure evolution from powder to membrane form and the performance on oxygen separation from air and methane conversion into syngas by applying membrane fabrication techniques and membrane properties modification such as morphological configuration, mechanical strength and tightness of the outer layer.
Characterisation of the evolution of crystal structure properties in powder and dual-layer membrane form has been carried out using x-ray diffraction at room temperature then tabulated using Rietveld refinement method using Rietica software to probe the crystal structure at phases and unit cells level. LSCF and LSM powder revealed different lattice structure and crystal sizes. Furthermore, LSCF in powder and membrane form showed different phases formation, lattice structure and crystal size which affected by the ionic distortion during high-temperature (co-sintering) treatment in membrane fabrication.
In this study, the dual-layer hollow fibre membranes of NiO-YSZ/LSCF-YSZ and NiO-YSZ/LSM-YSZ were successfully fabricated by employing two types of preparation methods, co-extrusion and a combination of extrusion and dip-coating methods, respectively. Firstly, in order to develop a high membrane performance design, the membrane properties are modified using a mixed bore liquid, co-sintering temperature, the different particle size of YSZ and LSCF:YSZ ratio through co-extrusion process. As a result, NiO-YSZ/LSCF-YSZ membrane allows the simultaneous formation with open-channel pore configuration while the mechanical strength and tightness value remain lower than required properties for catalyst membrane on POM reaction. In addition, the crystallography study of the membrane showed that LSCF tends to be less stable compared to commercially LSM.
Secondly, a combination of extrusion and dip-coating involves the development of dual-layer hollow fibre catalyst membrane on POM reaction, created via replacing LSCF into LSM and ethylene glycol as a solvent on outer layer ink. In which the thickness, pore configuration and mechanical properties can be controlled in order to improve the reactor performance. The mechanical strength of NiO-YSZ/LSM-YSZ membrane showed 461 MPa with high outer layer density when operated at high temperature.
The investigation into catalytic performance has revealed the permeation rate value achieved 1.23 mL.min-1 at 900 °C which is significantly higher than the previous study which composed the same material. In addition, the stability of oxygen permeation was also tested at 950 °C which tends to be stable at around 0.4 mL.cm-2.min-1 with the lowest activation energy of 7.6 kJ.mol-1. The methane conversion reached 94% at 900 °C while CO selectivity experienced an increase from 700 to 800 °C then sharply decrease at 850 and 900 °C which due to CO2 formation. The H2/CO ratio is smaller than 2 indicating that has high carbon deposition resistance. Another advantage of the combination fabrication method is shown by morphological studies which revealed the evidence of high compatibility between layers. Therefore, this work has proposed a foundation for future dual-layer hollow fibre catalyst design for other methane conversion reaction from crystal structure study to membrane preparation technique.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	membran serat berongga, membran lapis ganda, oksida perovskit, syngas, oksidasi parsial metana
Subjects:	Q Science Q Science > QD Chemistry Q Science > QD Chemistry > QD501 Catalysis. Catalysts.
Divisions:	Faculty of Natural Science > Chemistry > 47001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Ms Nurherdiana Silvana Dwi
Date Deposited:	20 Jul 2026 07:21
Last Modified:	20 Jul 2026 07:21
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/70670

Actions (login required)

View Item