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基本信息

項(xiàng)目名稱：
一種新型中空纖維透氧膜的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
氧氣，是我們?nèi)祟愘囈陨娴纳搭^，同時(shí)也是社會(huì)生產(chǎn)生活中必不可少的原料。目前工業(yè)上一般采取變壓吸附和低溫冷凝的方法來制備氧氣，但目前這兩種方法都存在成本高，耗能大，純度低等缺點(diǎn)。因此，急需尋找一種低能耗獲得高純度氧氣的方式。一個(gè)開創(chuàng)性的技術(shù)就是混合導(dǎo)體透氧膜的使用。
詳細(xì)介紹：
氧氣，是我們?nèi)祟愘囈陨娴纳搭^，也是社會(huì)生產(chǎn)生活中必不可少的原料。目前工業(yè)制氧成本高、制得的氧氣純度低等缺點(diǎn)明顯制約了這些可采取手段的實(shí)施進(jìn)程。獲得相對(duì)廉價(jià)的、便捷的純氧便成了人們關(guān)切的問題。其中，陶瓷透氧膜被視為一種新興的可獲得純氧的技術(shù)手段而受到極大的關(guān)注。其中中空纖維陶瓷透氧膜因其外徑小、管壁薄、面積體積比大、分離效率高的特點(diǎn)，在純氧分離、膜催化反應(yīng)、燃料電池等方面擁有廣闊的應(yīng)用潛力。 我們通過EDTA-檸檬酸聯(lián)合絡(luò)合法來制備具有高透氧性能的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ，然后采用相轉(zhuǎn)化法制備U型Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ氧離子-電子混合導(dǎo)體中空纖維陶瓷膜，并對(duì)其進(jìn)行了透氧性能測(cè)試。采用X射線粉末衍射法（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能量散射X射線能譜(EDXS)等分析方法對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、表面形貌進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所制得的U型BSCT中空纖維膜有良好的透氧性能和穩(wěn)定性。

作品圖片

  • 一種新型中空纖維透氧膜的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

創(chuàng)新點(diǎn)： 1、 透氧膜對(duì)氧的選擇透過性為100% 2、本項(xiàng)目采用相轉(zhuǎn)化紡織技術(shù)具有原始創(chuàng)新性 3、 本項(xiàng)目在全國(guó)范圍內(nèi)，是首次也是唯一成功紡織出中空纖維透氧膜的團(tuán)隊(duì)。 4、本項(xiàng)目在世界范圍內(nèi)，首次制備U型中空纖維，解決了其工業(yè)化的難題 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 1 、采用相轉(zhuǎn)化紡織技術(shù)制備中空纖維膜 將聚乙烯吡咯烷酮分散劑溶解在N-甲基吡咯烷酮溶劑中，再加入聚醚砜聚合物，攪拌使其完全溶解后，加入混合導(dǎo)體材料粉體，攪拌12-48小時(shí)，得到混合均勻的鑄膜液，然后將鑄膜液注入紡織設(shè)備的料罐中，真空脫氣1-2小時(shí)后，在壓強(qiáng)為40-100KPa N2驅(qū)動(dòng)下，通過噴絲頭進(jìn)入凝膠槽中，將水作為凝膠液促進(jìn)其凝膠，所得到的中空纖維膜生肧在水中放置1-2天以保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；所述聚乙烯吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮和聚醚砜聚合物重量比為1：35-45：8.75-11.25，加入混合導(dǎo)體材料粉體與以上三者之和的重量比為1：1.47-4； 2、將步驟（1）所制備的中空纖維膜按10-60cm剪切，然后懸掛干燥，使其呈穩(wěn)定的U型中空纖維膜生肧； 3、將U型中空纖維膜生肧在管式爐中于1150-1250 oC燒結(jié)5-10小時(shí)，同時(shí)通入20-100 ml/min的空氣，使其結(jié)成致密的U型中空纖維混合導(dǎo)體膜。

科學(xué)性、先進(jìn)性

先進(jìn)性： 1、制成中空纖維狀可以使透量大大提高 A、相對(duì)于傳統(tǒng)的片狀、管狀膜，中空纖維膜單位體積裝填密度大。這是由于中空纖維的直徑小,在裝置中可緊密排列,因而由它組成的膜器裝填密度大。 B、可以不用任何支撐體。中空纖維膜的膜器可以自己支撐,可使膜器的加工簡(jiǎn)化,費(fèi)用降低。 C、設(shè)備小型化,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。 2、 U型中空纖維膜解決了膜的伸縮破裂問題 當(dāng)直型中空纖維膜可能會(huì)由于熱膨脹而破損。所以需要一個(gè)軟連接來避免由于溫度升高引起的膨脹造成中空纖維膜的破損。我們提出用U型中空纖維膜來解決上述問題。用高溫陶瓷密封膠將U型中空纖維膜兩頭密封在一起，故其其可以在溫度升高或降低時(shí)自由膨脹或收縮而不會(huì)引起膜破損。在滲透、催化反應(yīng)裝置上，U型中空纖維膜的雙腳端可以通過高溫密封膠固定在剛玉管上，其U型端則可以在溫度升降的過程中自由伸縮，不受任何物理限制。所以，U型中空纖維膜在根本上解決了高溫密封問題，并可以避免在溫度變化中膜管伸縮引起的破損。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

論文： 1、Preparation and oxygen permeation of U-shaped perovskite hollow fiber membranes, AIChE Journal國(guó)際化工頂尖期刊）SCI二區(qū)，影響因子：1.883，2010年5月19日錄用 2、Tantalum stabilized SrCoO3-? perovskite membrane for oxygen separation. Journal of Membrane Science (2011), 368(1-2), 159-164. CODEN: JMESDO ISSN:0376-7388. CAN 154:211185 AN 2010:1609060 CAPLUS 3、Oxidative Coupling of Methane with High C2 Yield by using Chlorinated Perovskite Ba0.5Sr0.5Fe0.2Co0.8O3-? as Catalyst and N2O as Oxidant. ChemCatChem (2010), 2(12), 1539-1542. CODEN: CHEMK3 ISSN:1867-3880. AN 2010:1498100 CAPLUS 4、Performance of a ceramic membrane reactor with high oxygen flux Ta-containing perovskite for the partial oxidation of methane to syngas. Journal of Membrane Science (2010), 350(1-2), 154-160. CODEN: JMESDO ISSN:0376-7388. CAN 152:481004 AN 2010:231639 CAPLUS

作品所處階段

我們的作品現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室階段。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

我們現(xiàn)在還未獲技術(shù)轉(zhuǎn)讓授權(quán)。

作品可展示的形式

我們可用于展示的作品形式有實(shí)物，模型，圖片，錄像和樣品等形式。

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1、混合導(dǎo)體透氧膜——高透氧量，對(duì)氧的選擇性為100%2、中空纖維狀 ——透量大大提高(1) 單位體積裝填密度大。(2) 不用任何支撐體。(3) 設(shè)備小型化,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。3、U型結(jié)構(gòu)——解決伸縮破裂問題 使用范圍： 在純氧制備、輕烴轉(zhuǎn)化制合成氣、燃料電池以及化學(xué)反應(yīng)器等方面展現(xiàn)出十分誘人的應(yīng)用前景。 1.用于氧氣生產(chǎn) 2.甲烷氧化偶聯(lián)制乙烷和乙烯 3.低碳烷烴選擇氧化制烯烴 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 將天然氣轉(zhuǎn)化為合成氣有兩種方法。近十幾年部分氧化過程受到了廣泛關(guān)注經(jīng)濟(jì)分析表明利用混合導(dǎo)體透氧膜的純氧燃煤發(fā)電系統(tǒng)比常規(guī)空分法的純氧燃煤發(fā)電系統(tǒng)降低成本37%，提高發(fā)電效率10%，同時(shí)又可以進(jìn)行CO2的捕集實(shí)現(xiàn)電廠CO2的零排放?；诨旌蠈?dǎo)體透氧膜的純氧燃燒CO2捕集技術(shù)是一項(xiàng)前瞻性的技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研制階段。但項(xiàng)目的研究成果將對(duì)我國(guó)CO2的減排具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。

同類課題研究水平概述

90年代以來，混合導(dǎo)體透氧膜材料方面的研究非常活躍[1,2]，美國(guó)、日本、荷蘭、英國(guó)等國(guó)家在此領(lǐng)域的研究最為突出。1998年6月在日本名古屋舉行的第五屆國(guó)際無機(jī)膜會(huì)議上，美國(guó)能源部官員.AC.Bose宣布美國(guó)已將該項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)增加到8400萬美元，準(zhǔn)備在2004年建成工業(yè)示范裝置，2010年后將此嶄新技術(shù)全面推向市場(chǎng)。日本Tekioku oil Co.(帝國(guó)石油)也成立了GTL課題研究小組，并投入巨資開展研究工作。我國(guó)雖然在該領(lǐng)域的研究起步較晚，但也引起國(guó)家有關(guān)部門的高度重視，在“863”和“973”計(jì)劃中都將該項(xiàng)目列入支持項(xiàng)目。在近年國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南中，作為重點(diǎn)項(xiàng)目資助“擬探索和改進(jìn)中高溫氧離子和質(zhì)子導(dǎo)材料和透氧透氫膜材料，研究和發(fā)展相關(guān)的材料制備和加工方法，研究新型溫器、分器和電和它的和工過”。目前國(guó)內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的單位主要有中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)等。但是目前國(guó)內(nèi)能夠紡織中空纖維的只有華南理工大學(xué)的王海輝教授，國(guó)外主要做中空纖維的只有英國(guó)的帝國(guó)理工，美國(guó)的加州理工以及中國(guó)的華南理工。 無機(jī)致密透氧膜的研究熱點(diǎn)依次經(jīng)歷了離子導(dǎo)體透氧膜，雙相混合導(dǎo)體透氧膜，單相混合導(dǎo)體透氧膜，搭載致密透氧膜的漸變過程。
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