非对称结构中空纤维陶瓷膜制备与性能表征

论文摘要

本论文应用相转化烧结技术分别制备了YSZ电解质膜、Al203多孔膜及La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ钙钛矿陶瓷透氧膜,系统研究了铸膜液组成、内凝固浴组成及纺丝工艺条件等对中空纤维膜结构与性能的影响,得到了中空纤维膜制备工艺参数、相分离过程和膜结构的关系。首先,以YSZ为膜材料,进行了相转化法制备中空纤维膜陶瓷膜制备技术研究。铸膜液中粉体含量从50%提高55%时,粘度相应提高,横截面形成了大的指状孔结构,靠近内表面区域的海绵孔逐渐消失。铸膜液中非溶剂添加剂水的含量为5%时,制备的中空纤维膜具有更多的海绵状孔结构出现、致密层厚度与抗弯强度分别为15μm和212.5MPa,这些特性都有利于作为固体氧化物燃料电池电解质支撑体。芯液中添加NMP溶剂,可形成高度非对称结构的YSZ中空纤维膜,大的指状孔结构贯穿至内表面,内表面呈现多孔结构,可降低膜的渗透阻力,但是抗弯强度有所下降。合适的烧结温度是制备高性能的电解质膜的重要条件。其次,制备了具有不同微观结构及性能的Al203中空纤维陶瓷膜,考察了干纺程距离、非溶剂添加剂及芯液组成等成膜因素对膜结构及性能的影响。通过改变芯液组成制备不同结构与性能的中空纤维膜。当芯液中NMP含量降低时,中空纤维膜孔隙率降低,将提高膜的抗弯强度。NMP溶剂为芯液时,中空纤维膜具有很高的纯水通量,纯水通量为414.2m3·m-2·h-1,是以纯水为芯液的4.2倍。最后,制备了具有高透氧性能、结构及化学稳定性好的LSCF中空纤维膜。中空纤维膜的微观形态结构与芯液组成有着显著的影响,并测定不同温度、不同空气/He浓度梯度下的透氧性能。结果表明,采用EtOH-NMP混合溶液为内凝固浴的中空纤维膜的透氧性能高于同浓度的H2O-NMP混合溶液条件下的中空纤维膜。芯液中乙醇含量低于30%时,形成了致密层与多孔层相结合的高度非对称结构,相比于其他结构的中空纤维膜,该结构下的中空纤维膜具有很高的透氧性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 绪论
• 第一章 文献综述
• 1.1 中空纤维膜概述
• 1.2 相转化法湿法成膜机理与相图分析
• 1.2.1 相转化热力学描述
• 1.2.2 相转化动力学描述
• 1.3 膜制备过程中对膜结构形态的影响因素
• 1.3.1 聚合物种类的影响
• 1.3.2 聚合物浓度的影响
• 1.3.3 溶剂/非溶剂体系的影响
• 1.3.4 添加剂的影响
• 1.3.5 凝固浴组成的影响
• 1.4 中空纤维陶瓷膜的研究进展
• 1.4.1 微管固体氧化物燃料电池
• 1.4.2 多孔分离膜
• 1.4.3 透氧膜
• 1.5 研究思路和研究内容
• 第二章 YSZ中空纤维膜制备及性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 YSZ中空纤维膜的制备
• 2.2.4 YSZ中空纤维膜的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 YSZ含量对膜结构与性能的影响
• 2.3.2 添加剂含量对膜结构与性能的影响
• 2.3.3 芯液组成对膜结构与性能的影响
• 2.3.4 烧结温度对膜结构与性能的影响
• 2.4 小结
• 2O₃中空纤维膜制备及性能研究'>第三章 Al₂O₃中空纤维膜制备及性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 2O₃中空纤维膜的制备'>3.2.3 Al₂O₃中空纤维膜的制备
• 2O₃中空纤维膜的表征'>3.2.4 Al₂O₃中空纤维膜的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 干纺程对膜结构与性能的影响
• 3.3.2 添加剂对铸膜液粘度的影响
• 3.3.3 添加剂对膜结构与性能的影响
• 3.3.4 芯液组成对膜结构与性能的影响
• 3.4 小结
• 第四章 LSCF中空纤维膜制备及性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 LSCF中空纤维膜的制备
• 4.2.3 LSCF中空纤维膜的表征
• 4.2.4 LSCF中空纤维膜透氧性能表征
• 4.2.5 LSCF中空纤维膜透氧性能表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 芯液组成对LSCF中空纤维膜结构的影响
• 4.3.2 芯液组成对LSCF中空纤维膜性能的影响
• 4.3.3 芯液组成对LSCF中空纤维膜透氧性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的文章