Ngoài các đặc tính tương tự như chất mang ôxy sử dụng cho chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học (CLC - Chemical Looping Combustion), chất mang ôxy sử dụng cho chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng TRCL còn được đánh giá qua phản ứng với hơi nước sinh H2 ở dạng khử của chúng. Ngoài ra, chúng phải có nhiều trạng thái ôxy hóa cho các phản ứng ba bước.
Đã có rất nhiều nghiên cứu đánh giá các chất mang ôxy, hầu hết đều tập trung vào tính khả thi của việc sử dụng các oxit kim loại như: Ni, Fe, Cu và Mn. Nghiên cứu của Mattisson và Lyngfelt đã cho thấy rằng sắt, đồng, niken và mangan là các kim loại phù hợp cho chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học [95].
Một số nghiên cứu về nhiệt động và nhiệt của chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học cũng đã được thực hiện. Jerndal và các cộng sự [47] đã tiến hành phân tích nhiệt của chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học với nhiều oxit kim loại và thấy rằng các kim loại Cu, Mn, Fe cho thấy đặc tính tuyệt vời trong chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học. Lyngfelt và các cộng sự đã kiểm tra cân bằng nhiệt và thay đổi nhiệt độ của oxit sắt và oxit niken trong chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học [67]. Abad và các cộng sự đưa ra một dải các điều kiện hoạt động cho các chất mang ôxy nền Cu, Fe và Ni sử dụng trong chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học [1]. Trong nhiều nghiên cứu đã cho thấy NiO/Ni là chất mang ôxy phù hợp nhất cho chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học. Tuy nhiên, Ni không phản ứng với nước tạo ra khí Hyđrô. nên Ni không phải là chất mang ôxy phù hợp cho chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng TRCL.
Đã có một số nghiên cứu về phản ứng khử giữa oxit kim loại và hơi nước [52, 54, 56, 89]. Fe3O4/FeO, ZnO/Zn, CeO2/Ce2O3, NiFe2O4/NiFe2O4-, SnO2/SnO, GeO2/GeO, WO3/WO2 và cặp ôxy hóa khử tương tự phản ứng với hơi nước tạo ra Hyđrô. Ni0,39Fe2,61O4/ZrO2 bị khử bởi mêtan tại 900oC tạo ra khoảng 19-22% H2O
Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS. Nguyễn Đặng Bình Thành
HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 50
tại 800oC [56]. Go và các cộng sự đã nghiên cứu động học phản ứng khử giữa oxit kim loại như Fe2O3, MnFe2O4 và ZnFe2O4 với hơi nước [34]. Kang và các cộng sự cũng đã nghiên cứu quá trình sản xuất Hyđrô với oxit GeO2 theo nhiệt độ [52].
Từ kết quả các nghiên cứu đã thực hiện về việc lựa chọn chất mang ôxy sử dụng cho chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học và sản xuất Hyđrô có thể đưa ra các tiêu chí sử dụng để xem xét, lựa chọn chất mang ôxy và vật liệu trơ cho chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng như sau:
- Các tính chất vật lý: nhiệt độ nóng chảy và nhiệt dung riêng;
- Các tính chất hóa học: phản ứng tiêu chuẩn thay đổi năng lượng tự do Gibbs, sự ổn định hóa học và thành phần cân bằng trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và thiết bị chuyển hóa hơi nước.
Nhiệt độ của chất mang ôxy trong chu trình tuần hoàn 3 thiết bị phản ứng TRCL khoảng 600-1000oC. Sự tích tụ do nung kết các hạt trong hệ thống có thể gây ra các vấn đề trong việc tuần hoàn hạt rắn và làm giảm tốc độ phản ứng. Để giảm thiểu sự tích tụ của chất mang ôxy, nhiệt độ nóng chảy cao là một tính chất quan trọng của chất mang ôxy, việc pha trộn chất mang ôxy với một vật liệu trơ ổn định nhiệt là một giải pháp hiệu quả cho vấn đề tích tụ.
MgAl2O4, Al2O3, ZrO2, SiO2 và Mg-ổn định ZrO2 được sử dụng làm vật liệu trơ cho chất mang ôxy trong chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học và sản xuất Hyđrô nhiệt hóạ Vật liệu trơ không được phản ứng với chất mang ôxy, hao hụt ít và nhiệt thiêu kết caọ Nó cũng phải có nhiệt dung riêng đủ lớn để mang nhiệt từ thiết bị chuyển hóa ôxy đến thiết bị chuyển hóa nhiên liệụ Tính sẵn có và giá thành cũng là một yếu tố quan trọng khác của chất mang ôxy và vật liệu trơ.
Để sàng lọc, lựa chọn chất mang ôxy, khả năng ôxy hóa mêtan và phân hủy nước bởi chất mang ôxy cũng cần được đánh giá. Tính khả thi về mặt nhiệt động của phản ứng được đánh giá từ phản ứng tiêu chuẩn thay đổi năng lượng tự do Gibbs.
Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS. Nguyễn Đặng Bình Thành
HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 51