高透量、高稳定性透氧膜材料及其透氧性能研究

发布时间：2020-08-15 19:05

【摘要】：无机致密透氧膜是一类同时具有电子和氧离子导电性的陶瓷膜。在无外加电场情况下,能够选择性的分离出纯氧,且选择性在理论上可以达到100%。由于这类陶瓷膜在分离氧气、涉氧反应等方面有着巨大的应用潜力,近年来备受研究人员的关注。要满足工业化需求,无机致密透氧膜不仅要有高的氧气渗透量,而且还要具备优异的结构和化学稳定性。然而,目前研究的无机致密透氧膜都很难同时达到以上两个要求。为了改善这一瓶颈问题,本论文开发并设计新型无机致密透氧膜,并将其应用于甲烷部分氧化和甲烷燃烧反应。具体如下:(1)采用双功能掺杂的方法,制备出新型无机致密透氧膜材料Ba Bi0.05Co0.8Ta0.15O3-δ,显示出优越的透氧性能和稳定性。在950 oC下,0.8 mm的片状膜透氧量高达3.57 ml/min.cm2,透氧量十分可观。同时,在900 oC下,长达280 h的长期稳定性测试中,膜的透氧量一直维持在2.2 ml/min.cm2,未出现任何衰减趋势。对反应后的膜进行XRD、SEM表征,膜的微观结构未发生变化。实验结果证实了双功能掺杂的可行性,为今后设计新材料提供了一种思路。(2)利用缺陷理论,设计出缺陷的(Pr0.9La0.1)1.9(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ膜材料。相比于未缺陷的(Pr0.9La0.1)2(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ膜材料,膜的透氧量有了明显的改善,从0.35 ml/min.cm2,增加到0.83 ml/min.cm2。而且此膜材料在中低温的条件下十分稳定。在800 oC、775 oC以及750 oC中低温下,长达285 h长期稳定性实验中,膜的透氧量维持在0.25、0.13、0.07 ml/min.cm2,未出现任何衰减。(3)选取Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ膜材料,通过相纺织法将其制备成U型中空纤维结构。在热循环稳定性能测试中,膜未发生任何破损,证明了U型结构的可行性。同时,通过对膜的形貌的改变,得到了高透氧量、稳定的U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纤维膜。在975 oC、air/He气氛下,膜的透氧量可以达到7.73 ml/min.cm2。而且在250 h的长期稳定中,U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纤维膜的透氧量也始终维持在4.26ml/min.cm2,未发生任何的衰减。(4)成功地将U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纤维膜应用于甲烷部分氧化制备合成气。在875 oC,U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纤维膜反应器中,甲烷的转化率高达99%,CO的选择性高达96%,膜的透氧量可以达到20 ml/min.cm2。(5)成功地将U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纤维膜应用于甲烷燃烧反应。在975 oC下,长达83 h的甲烷燃烧反应稳定性测试中,甲烷的转化率和CO2的选择性高达100%,且氧气的渗透量维持在2.2 ml/min.cm2,显示出膜优越的稳定性能。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.893;TQ174.7

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