YSZ及BSCF中空纖維陶瓷透氧膜的制備及改性研究.pdf

1、陶瓷透氧膜由于其具有對(duì)氧氣的100％的選擇透過(guò)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(duì)于面向?qū)嶋H應(yīng)用的透氧膜，膜的形狀對(duì)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(duì)推動(dòng)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

2、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(duì)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Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-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(duì)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(guò)對(duì)

3、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(guò)程中芯液流速、燒結(jié)過(guò)程中燒結(jié)制度等。通過(guò)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(duì)稱結(jié)構(gòu)明顯;成型過(guò)程中芯液流速會(huì)對(duì)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(guò)程對(duì)中空纖維膜的致密化過(guò)程起到?jīng)Q定性作用，在1500℃下燒結(jié)

4、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3.102μm。利用于濕法紡絲制備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(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，改性涂層為多孔結(jié)構(gòu)。對(duì)改性前后中空纖維膜透氧性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明900℃時(shí)改

5、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(guò)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(jiàn)，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