SrCo0.8Fe0.203-δ管状非对称透氧膜的制备与分离性能表征

论文摘要

用氧离子-电子混合导电（mixed oxygen ion and electron conducting, MIEC）材料制成的致密陶瓷透氧膜（以下简称“透氧膜”）,在其两侧施加一个氧分压梯度和在中高温的条件下,它能对含氧气体（如空气）中的氧气进行选择性分离（选择性100%）;并且氧分离过程无须外加电路,从而使膜结构简单和分离操作较为方便。本文系统研究了大尺寸透氧膜器件（管状透氧膜）的制备,并对利用冶金废能的膜分离进行了尝试和探索。首先,综述了MIEC透氧膜材料在基础理论、新材料和其潜在应用研究等方面的一些概况和进展。MIEC透氧膜材料在陶瓷膜氧分离、SOFC的阴极和阳极材料,以及用甲烷为原料制备合成气的陶瓷膜反应器等方面有着极大的应用价值。其次,介绍了试验研究中的样品制备和表征。分别用XRD、SEM分析研究了样品的相组成和微形貌;用稳态法研究了样品的氧渗透性能;另外还用交流四端子法测量了MIEC材料的电导率。再则,用挤出法制备了SrCo0.8Fe0.1Sn0.1O3-δ（SSCF）管状透氧膜,并对其相组成、微形貌和氧渗透性能进行了表征。研究结果表明: SSCF管状透氧膜的氧渗透率随着温度的升高,和膜两侧所施加的氧分压梯度的增大而增大。当测试温度为900℃和Po2（h） / Po2（l）为0.21atm / 0.12atm时,样品的氧渗透率达到了0.5×10-6mol·cm-2·s-1,这意味着SSCF透氧膜在较小的氧分压梯度下能分离出可观的氧气;并且在样品氧分离试验运行160h的过程中,表现出了较为理想的氧渗透稳定性。另外,本论文还用共烧法制备了SrCo0.8Fe0.2O3-δ管状非对称透氧膜,并对其相组成、微形貌以及氧渗透性能进行了表征。管状非对称透氧膜的多孔层支撑体为(SrCo0.8Fe0.2O3-δ)0.85（SrSnO3）0.15（SCF-SS）,顶层致密层为SrCo0.8Fe0.2O3-δ（SCF）。研究发现:与相同尺寸的SCF和SCF-SS管状膜相比,900℃时SCF管状非对称透氧膜的氧渗透率分别高出31.7%和47.4%,达到了1.91ml.cm-2.min-1。最后,本论文组装了模拟利用钢渣废热获得中高温条件的氧分离器。它根据固定床加热气体的原理,依靠高温钢渣颗粒和空气进行换热,将冷空气加热到高温;然后高温空气进入分离腔（分离腔中集成组装了管状透氧膜）,将其中的透氧膜加热到能分离氧气的温度。研究结果表明,流速7.0m3/h的普通空气通过1050℃的钢渣颗粒固定床后,获得的高温空气可将管状透氧膜加热到865℃;此时三根SSCF管状透氧膜（外径9.2mm;壁厚1.5mm;长14cm）集成后,每分钟能分离出34ml纯氧。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1.1 MIEC 致密陶瓷透氧膜概述
• 1.1.1 无机膜材料分类
• 1.1.2 MIEC 透氧膜的应用
• 1.1.3 MIEC 透氧膜材料的组成与结构特点
• 1.1.4 MIEC 透氧膜的透氧过程
• 1.1.5 MIEC 透氧膜材料的研究进展
• 1.2 非对称透氧膜的研究
• 1.2.1 非对称透氧膜的支撑体
• 1.2.2 致密顶层薄膜
• 1.3 研究问题的提出及研究思路
• 第二章 实验方法
• 2.1 透氧膜样品的制备
• 2.1.1 透氧膜陶瓷粉体的制备
• 2.1.2 透氧膜样品的成型
• 2.1.3 透氧膜样品的烧结
• 2.2 透氧膜样品的表征
• 2.2.1 相组成
• 2.2.2 综合热分析
• 2.2.3 空隙率与体积密度
• 2.2.4 微形貌
• 2.2.5 电导率测量
• 2.3 管状透氧膜的高温封接
• 2.3.1 高温封接剂的制备
• 2.3.2 封接前透氧膜样品的处理
• 2.3.3 封接
• 2.4 氧渗透测试
• 0.8Fe_0.1Sn_0.1O_3-δ管状透氧膜的制备与分离性能表征'>第三章 SrCO_0.8Fe_0.1Sn_0.1O_3-δ管状透氧膜的制备与分离性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 样品表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 样品的相组成
• 3.3.2 微形貌与体积密度
• 3.3.3 氧渗透
• 3.3.4 氧渗透对相组成和微形貌的影响
• 3.4 结论
• 0.8Fe_0.2O_3-δ管状非对称透氧膜的制备与氧渗透研究'>第四章 SrCO_0.8Fe_0.2O_3-δ管状非对称透氧膜的制备与氧渗透研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 样品表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 SCF 样品
• 4.3.2 SCF-SS 样品
• 4.3.3 SCF 管状非对称透氧膜
• 4.4 结论
• 第五章 利用钢渣废热的陶瓷膜氧分离研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 SSCF 管状透氧膜样品的制备
• 5.2.3 热风炉
• 5.2.3 封接
• 5.2.4 氧渗透测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 热风炉
• 5.3.2 银封接
• 5.3.3 氧分离
• 5.4 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢