طراحی و ساخت سامانه غشایی تخلیص هیدروژن در دانشگاه صنعتی سهند

سازمان انرژی‌های نو ایران در ادامه تلاش جهت دستیابی به اهداف سند در توسعه سامانه‌های تجاری پیل‌سوختی با رویکرد بومی‌سازی طرح اجرایی «طراحی و ساخت نمونه ماژول تخلیص هیدروژن برای سیستم الکترولیز یک نرمال متر مکعب» را تعریف نموده و این مهم را به مرکز تحقیقات مواد نانو ساختار دانشگاه صنعتی سهند تبریز به سرپرستی دکتر علی اکبر بابالو سپرد. این مرکز با بیش از یک و نیم سال تلاش‌های شبانه‌روزی موفق به طراحی و ساخت ماژول غشایی پالادیومی کاملاً بومی به منظور تخلیص هیدروژن با خلوص بالا گشت.
دکتر بابالو در تشریح این طرح پژوهشی گفت: «با توجه به اهمیت بسیار بالای هیدروژن و کاربرد گسترده‌ی هیدروژن خالص در صنایع پالایش، پتروشیمی، حمل‌و‌نقل و علی‌الخصوص در پیل‌های سوختی و نیز با در نظر گرفتن این مطلب که تولید هیدروژن با هر یک از روش‌های مختلف همواره با ناخالصی‌هایی مانند دی‌اکسیدکربن، مونوکسیدکربن و هیدروکربن‌هایی نظیر متان همراه می‌باشد، ضرورت انجام فرایندهایی برای خالص‌سازی و جداسازی هیدروژن روشن می‌گردد. از فرآیندهای متداول جداسازی هیدروژن، فناوری غشایی به دلیل پایین بودن هزینه‌ی سرمایه‌گذاری، پایین بودن مصرف انرژی به ازای تولید میزان معینی از هیدروژن و میزان تولید بسیار بالا به ازای سطح موردنیاز تجهیزات، نسبت به سایر روش‌های جداسازی ارجحیت دارد. غشاهای مختلفی برای تخلیص هیدروژن مورد استفاده قرار گرفته که از آن جمله می‌توان به غشاهای پلیمری، زئولیتی، سیلیکایی، زمینه مختلط و فلزی اشاره کرد. بررسی نتایج تراوایی و تراوایی انتخابی هیدروژن نسبت به سایرگازها در غشاهای مذکور حاکی از آن است که غشاهای فلزی به دلیل عبوردهی انتخابی و انحصاری هیدروژن، گزینه مناسبی برای تخلیص و جداسازی هیدروژن می‌باشد. غشای پالادیومی به دلیل انحلال بالای هیدروژن در محدوده‌ی گسترده‌ای از دما، مهمترین غشای فلزی است که برای این منظور استفاده می‌شود.»
او افزود: «در این طرح پژوهشی غشاهای کامپوزیتی پالادیومی با هندسه لوله‌ای شکل، طراحی و ساخته شد که به نوبه خود در کشور و حتی در سطح جهانی منحصر به‌فرد می باشد و تدوین دانش فنی آن گامی مهم در بومی‌سازی تولید هیدروژن با استفاده از فناوری نوین غشایی است.»
دکتر بابالو در تشریح مراحل ساخت غشا گفت: «مراحل تهیه غشاهای کامپوزیتی پالادیومی شامل ساخت پایه‌های سرامیکی، اصلاح و فعال‌سازی سطح آنها و در نهایت ساخت لایه‌ی غشایی پالادیومی می‌باشد.» وی ادامه داد: «مهمترین روش‌های ساخت غشاهای پالادیومی و آلیاژی پالادیومی عبارتند از: لایه‌گذاری بدون اعمال جریان (ELP)، نشاندن بخار شیمیایی (CVD)، نشاندن بخار فیزیکی (PVD) و لایه گذاری با اعمال جریان (EPD). البته نیاز به نگهدارنده‌های رسانا در روش EPD و نیاز به مواد اولیه فرار و پایدار در دمای بالا در روش CVD باعث محدودیت کاربرد این روش‌ها می‌شود. لذا تمرکز بسیاری از پژوهشگران روی روش ELP می‌باشد و تیم پژوهشی ما نیز این روش را برای ساخت غشاها به‌کار گرفت. در همین راستا راکتور سنتز غشای پالادیومی با هندسه لوله‌ای برای اولین بار در کشور طراحی و ساخته شد که در شکل (1) نشان داده شده است.
عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی سهند، در توضیح ساخت سامانه تخلیص هیدروژن به عنوان مرحله نهایی ساخت خاطرنشان ساخت: «سامانه تخلیص هیدروژن را می‌توان به دو بخش ماژول تخلیص هیدروژن و بخش کنترلی سامانه تقسیم‌بندی کرد. ماژول غشایی چند لوله‌ای طراحی و ساخته شده شامل المان‌های غشاهای پالادیومی می‌باشد که در بخش جریان خوراک ورودی به ماژول نصب شده‌اند و جریان عبور کرده از غشاها وارد محفظه جریان عبور کرده ماژول شده و به عنوان محصول هیدروژن خالص از ماژول غشایی خارج می‌شوند(شکل (2)). بخش کنترلی سامانه نیز از اجزای مختلف شامل شیر اطمینان، تنظیم‌کننده‌های فشار و جریان‌سنج جرمی می‌باشد که می‌تواند جریان خوراک ورودی را به صورت کنترل شده به سمت ماژول غشایی هدایت نماید. برای تنظیم فشار در قسمت خوراک و جریان عبور کرده ماژول نیز از تنظیم‌کننده‌های فشار پشت استفاده شده است. البته برای جاروب کردن مسیر جریان‌ها و ماژول غشایی از شیرهای چهار راهی و یک جریان ورودی گاز خنثی مجهز به تنظیم‌کننده فشار و کنترل‌کننده دبی جریان جرمی استفاده شده است.