【摘要】：無機致密透氧膜是一類同時具有電子和氧離子導(dǎo)電性的陶瓷膜。在無外加電場情況下,能夠選擇性的分離出純氧,且選擇性在理論上可以達(dá)到100%。由于這類陶瓷膜在分離氧氣、涉氧反應(yīng)等方面有著巨大的應(yīng)用潛力,近年來備受研究人員的關(guān)注。要滿足工業(yè)化需求,無機致密透氧膜不僅要有高的氧氣滲透量,而且還要具備優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性。然而,目前研究的無機致密透氧膜都很難同時達(dá)到以上兩個要求。為了改善這一瓶頸問題,本論文開發(fā)并設(shè)計新型無機致密透氧膜,并將其應(yīng)用于甲烷部分氧化和甲烷燃燒反應(yīng)。具體如下:(1)采用雙功能摻雜的方法,制備出新型無機致密透氧膜材料Ba Bi0.05Co0.8Ta0.15O3-δ,顯示出優(yōu)越的透氧性能和穩(wěn)定性。在950 oC下,0.8 mm的片狀膜透氧量高達(dá)3.57 ml/min.cm2,透氧量十分可觀。同時,在900 oC下,長達(dá)280 h的長期穩(wěn)定性測試中,膜的透氧量一直維持在2.2 ml/min.cm2,未出現(xiàn)任何衰減趨勢。對反應(yīng)后的膜進(jìn)行XRD、SEM表征,膜的微觀結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化。實驗結(jié)果證實了雙功能摻雜的可行性,為今后設(shè)計新材料提供了一種思路。(2)利用缺陷理論,設(shè)計出缺陷的(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,膜的透氧量有了明顯的改善,從0.35 ml/min.cm2,增加到0.83 ml/min.cm2。而且此膜材料在中低溫的條件下十分穩(wěn)定。在800 oC、775 oC以及750 oC中低溫下,長達(dá)285 h長期穩(wěn)定性實驗中,膜的透氧量維持在0.25、0.13、0.07 ml/min.cm2,未出現(xiàn)任何衰減。(3)選取Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ膜材料,通過相紡織法將其制備成U型中空纖維結(jié)構(gòu)。在熱循環(huán)穩(wěn)定性能測試中,膜未發(fā)生任何破損,證明了U型結(jié)構(gòu)的可行性。同時,通過對膜的形貌的改變,得到了高透氧量、穩(wěn)定的U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纖維膜。在975 oC、air/He氣氛下,膜的透氧量可以達(dá)到7.73 ml/min.cm2。而且在250 h的長期穩(wěn)定中,U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纖維膜的透氧量也始終維持在4.26ml/min.cm2,未發(fā)生任何的衰減。(4)成功地將U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纖維膜應(yīng)用于甲烷部分氧化制備合成氣。在875 oC,U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纖維膜反應(yīng)器中,甲烷的轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%,CO的選擇性高達(dá)96%,膜的透氧量可以達(dá)到20 ml/min.cm2。(5)成功地將U型Ba Co0.7Fe0.2Ta0.1O3-δ中空纖維膜應(yīng)用于甲烷燃燒反應(yīng)。在975 oC下,長達(dá)83 h的甲烷燃燒反應(yīng)穩(wěn)定性測試中,甲烷的轉(zhuǎn)化率和CO2的選擇性高達(dá)100%,且氧氣的滲透量維持在2.2 ml/min.cm2,顯示出膜優(yōu)越的穩(wěn)定性能。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ051.893;TQ174.7

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本文編號：2794518