本文關(guān)鍵詞：YSZ及BSCF中空纖維陶瓷透氧膜的制備及改性研究

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【摘要】：陶瓷透氧膜由于其具有對氧氣的100%的選擇透過性,在空氣分離制氧和各種烷烴重整膜反應(yīng)器中具有廣闊的應(yīng)用前景。對于面向?qū)嶋H應(yīng)用的透氧膜,膜的形狀對其性能和制氧裝置的制造有很大的影響。傳統(tǒng)的圓形平板透氧膜的膜面積很小,厚度也難以降低,因而透氧性能較低。與平板透氧膜相比,中空纖維陶瓷膜具有裝填密度大、比表面積高等優(yōu)點(diǎn)。將透氧膜材料制備成中空纖維膜不僅可以提高透氧膜材料的膜滲透性能,而且對推動透氧膜的應(yīng)用也具有重要的意義。此外,還可以將表面涂覆改性應(yīng)用在中空纖維膜中,以獲得更高的透氧性能。本論文首先對YSZ中空纖維膜進(jìn)行比較試驗(yàn)確定了干濕法紡絲工藝的重要工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,以固相反應(yīng)法制備的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.203-δ (BSCF)粉為原料制備了BSCF中空纖維膜,并在中空纖維膜表面涂覆BSCF多孔層進(jìn)行改性,研究表面改性對其性能的影響。此外,本文還給出了一種新型中空纖維陶瓷透氧膜制氧組件的設(shè)計(jì)方案,并詳細(xì)描述了組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行方法。通過對所制備的YSZ中空纖維膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,確定了干濕法紡絲工藝制備中空纖維膜的重要工藝參數(shù),如鑄膜漿料中聚合物含量、成型過程中芯液流速、燒結(jié)過程中燒結(jié)制度等。通過試驗(yàn)最終確定鑄膜漿料中YSZ與聚合物質(zhì)量比為5：1時(shí)漿料粘度適中,所制備的中空纖維膜非對稱結(jié)構(gòu)明顯；成型過程中芯液流速會對中空纖維膜厚度有直接影響,當(dāng)芯液流速為4-6ml/min時(shí)所制備的中空纖維膜厚度較為合適；燒結(jié)過程對中空纖維膜的致密化過程起到?jīng)Q定性作用,在150℃下燒結(jié)5小時(shí)的中空纖維膜晶粒細(xì)小均勻,且膜表面致密。采用固相反應(yīng)法合成單一鈣鈦礦相的BSCF粉體,粉體平均粒度為3.102gm。利用干濕法紡絲制備BSCF中空纖維膜,并在其表面涂覆BSCF多孔層進(jìn)行修飾改性。通過掃描電子顯微鏡對中空纖維膜密封頭、纖維膜表面、纖維膜斷面、改性涂覆層等進(jìn)行了觀察,結(jié)果表明中空纖維膜密封頭、表面均為致密,斷面為特征非對稱結(jié)構(gòu),改性涂層為多孔結(jié)構(gòu)。對改性前后中空纖維膜透氧性能進(jìn)行測試,結(jié)果表明900℃時(shí)改性后的中空纖維膜透氧速率從1.495增加到2.837ml/(cm2 min),提高90%。低溫提升效果更加明顯,700℃時(shí)改性后的中空纖維膜透氧速率從0.413增加到1.371ml/(cm2 min),提高2.3倍。通過計(jì)算得出表面改性后中空纖維膜的透氧表觀活化能也顯著降低,從58.52降低至34.07kJ/mol,降低約40%。雖然中空纖維陶瓷透氧膜研究已經(jīng)較為多見,但是關(guān)于其應(yīng)用還少有報(bào)道。故此,本文提出了一種用于制備純氧的新型中空纖維透氧膜組件設(shè)計(jì)方案,對其結(jié)構(gòu)部件、組裝方法、運(yùn)行過程以及更換方法給出了較為詳細(xì)的描述。除此之外,還對組件的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行了介紹。
【關(guān)鍵詞】：中空纖維膜 陶瓷透氧膜 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ) 表面改性
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ051.893
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-15
• 第一章 緒論15-30
• 1.1 概述15-16
• 1.2 陶瓷透氧膜概述16-19
• 1.2.1 陶瓷透氧膜簡介16-17
• 1.2.2 陶瓷透氧膜的透氧機(jī)理17-19
• 1.2.3 鈣鈦礦型陶瓷透氧膜材料研究現(xiàn)狀19
• 1.3 中空纖維陶瓷膜概述19-25
• 1.3.1 中空纖維陶瓷膜的制造方法20-22
• 1.3.2 相轉(zhuǎn)化法的成膜機(jī)理22-23
• 1.3.3 中空纖維陶瓷膜成型過程的影響因素23-24
• 1.3.4 中空纖維陶瓷膜的燒結(jié)過程24-25
• 1.4 中空纖維陶瓷透氧膜概述25-28
• 1.4.1 中空纖維陶瓷透氧膜的研究背景25-26
• 1.4.2 透氧膜表面改性原理26-27
• 1.4.3 混合導(dǎo)體透氧膜器件設(shè)計(jì)背景27-28
• 1.5 本課題研究內(nèi)容及意義28-30
• 第二章 YSZ中空纖維陶瓷膜的制備工藝研究30-40
• 2.1 引言30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)過程30-34
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料30-31
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備31
• 2.2.3 干-濕法紡絲制備YSZ中空纖維膜31-32
• 2.2.4 YSZ粉體及燒結(jié)體的性能測試與表征32-34
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析34-39
• 2.3.1 YSZ粉體性能檢測分析34-36
• 2.3.2 聚合物含量與燒結(jié)體性能影響36-37
• 2.3.3 液流速對中空纖維膜結(jié)構(gòu)的影響37-38
• 2.3.4 燒結(jié)溫度與燒結(jié)時(shí)間對YSZ中空纖維膜的影響38-39
• 2.4 本章小結(jié)39-40
• 第三章 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纖維透氧膜的制備與改性40-54
• 3.1 引言40
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程40-44
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料40-41
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備41
• 3.2.3 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)粉體制備41-42
• 3.2.4 干-濕法紡絲制備Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纖維膜42-43
• 3.2.5 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纖維膜表面涂覆改性43
• 3.2.6 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)粉末回收工藝43
• 3.2.7 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)粉體及中空纖維膜的性能測試與表征43-44
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析44-53
• 3.3.1 X射線衍射分析44-46
• 3.3.2 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)粉末粒度分布46
• 3.3.3 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)生坯同步熱分析46-47
• 3.3.4 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纖維膜微觀形貌分析47-50
• 3.3.5 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纖維膜透氧性能50-51
• 3.3.6 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)回收粉末的性能表征51-53
• 3.4 本章小結(jié)53-54
• 第四章 基于中空纖維膜的空氣分離制氧組件設(shè)計(jì)54-60
• 4.1 引言54
• 4.2 新型陶瓷透氧膜組件結(jié)構(gòu)分析54-55
• 4.3 新型陶瓷透氧膜組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)55-58
• 4.3.1 陶瓷透氧膜組件主要部件設(shè)計(jì)56-57
• 4.3.2 陶瓷透氧膜組件組裝和運(yùn)行過程57-58
• 4.3.3 陶瓷透氧膜組件維護(hù)58
• 4.4 新型陶瓷透氧膜組件的特點(diǎn)及優(yōu)勢58-59
• 4.5 本章小結(jié)59-60
• 第五章 全文總結(jié)與下一步工作展望60-62
• 參考文獻(xiàn)62-67
• 攻讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表情況67

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