基本信息
- 項目名稱：
- 一種新型中空纖維透氧膜的設計與應用
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 氧氣，是我們?nèi)祟愘囈陨娴纳搭^，同時也是社會生產(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。因此，急需尋找一種低能耗獲得高純度氧氣的方式。一個開創(chuàng)性的技術就是混合導體透氧膜的使用。
- 詳細介紹：
- 氧氣，是我們?nèi)祟愘囈陨娴纳搭^，也是社會生產(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明顯制約了這些可采取手段的實施進程。獲得相對廉價的、便捷的純氧便成了人們關切的問題。其中，陶瓷透氧膜被視為一種新興的可獲得純氧的技術手段而受到極大的關注。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，在純氧分離、膜催化反應、燃料電池等方面擁有廣闊的應用潛力。 我們通過EDTA-檸檬酸聯(lián)合絡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-電子混合導體中空纖維陶瓷膜，并對其進行了透氧性能測試。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)等分析方法對材料的結(jié)構(gòu)、表面形貌進行表征。實驗結(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
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 創(chuàng)新點： 1、 透氧膜對氧的選擇透過性為100% 2、本項目采用相轉(zhuǎn)化紡織技術具有原始創(chuàng)新性 3、 本項目在全國范圍內(nèi)，是首次也是唯一成功紡織出中空纖維透氧膜的團隊。 4、本項目在世界范圍內(nèi)，首次制備U型中空纖維，解決了其工業(yè)化的難題 技術關鍵和主要技術指標： 1 、采用相轉(zhuǎn)化紡織技術制備中空纖維膜 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，加入混合導體材料粉體，攪拌12-48小時，得到混合均勻的鑄膜液，然后將鑄膜液注入紡織設備的料罐中，真空脫氣1-2小時后，在壓強為40-100KPa N2驅(qū)動下，通過噴絲頭進入凝膠槽中，將水作為凝膠液促進其凝膠，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，同時通入20-100 ml/min的空氣，使其結(jié)成致密的U型中空纖維混合導體膜。
科學性、先進性
- 先進性： 1、制成中空纖維狀可以使透量大大提高 A、相對于傳統(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,可使膜器的加工簡化,費用降低。 C、設備小型化,結(jié)構(gòu)簡單化。 2、 U型中空纖維膜解決了膜的伸縮破裂問題 當直型中空纖維膜可能會由于熱膨脹而破損。所以需要一個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自由膨脹或收縮而不會引起膜破損。在滲透、催化反應裝置上，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)在還處于實驗室階段。
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 我們現(xiàn)在還未獲技術轉(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物，模型，圖片，錄像和樣品等形式。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢：1、混合導體透氧膜——高透氧量，對氧的選擇性為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) 設備小型化,結(jié)構(gòu)簡單化。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、燃料電池以及化學反應器等方面展現(xiàn)出十分誘人的應用前景。 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 市場分析和經(jīng)濟效益預測： 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注經(jīng)濟分析表明利用混合導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%，同時又可以進行CO2的捕集實現(xiàn)電廠CO2的零排放?；诨旌蠈w透氧膜的純氧燃燒CO2捕集技術是一項前瞻性的技術，該項技術還處于實驗室研制階段。但項目的研究成果將對我國CO2的減排具有重要的科學價值和實際意義。
同類課題研究水平概述
- 90年代以來，混合導體透氧膜材料方面的研究非常活躍[1,2]，美國、日本、荷蘭、英國等國家在此領域的研究最為突出。1998年6月在日本名古屋舉行的第五屆國際無機膜會議上，美國能源部官員.AC.Bose宣布美國已將該項研究經(jīng)費增加到8400萬美元，準備在2004年建成工業(yè)示范裝置，2010年后將此嶄新技術全面推向市場。日本Tekioku oil Co.(帝國石油)也成立了GTL課題研究小組，并投入巨資開展研究工作。我國雖然在該領域的研究起步較晚，但也引起國家有關部門的高度重視，在“863”和“973”計劃中都將該項目列入支持項目。在近年國家自然科學基金項目指南中，作為重點項目資助“擬探索和改進中高溫氧離子和質(zhì)子導材料和透氧透氫膜材料，研究和發(fā)展相關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”。目前國內(nèi)從事該領域研究的單位主要有中國科學院大連化學物理研究所、中國科學技術大學、南京工業(yè)大學和華南理工大學等。但是目前國內(nèi)能夠紡織中空纖維的只有華南理工大學的王海輝教授，國外主要做中空纖維的只有英國的帝國理工，美國的加州理工以及中國的華南理工。 無機致密透氧膜的研究熱點依次經(jīng)歷了離子導體透氧膜，雙相混合導體透氧膜，單相混合導體透氧膜，搭載致密透氧膜的漸變過程。
