YSZ及BSCF中空纤维陶瓷透氧膜的制备及改性研究

发布时间：2017-10-02 09:17

  本文关键词：YSZ及BSCF中空纤维陶瓷透氧膜的制备及改性研究

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【摘要】：陶瓷透氧膜由于其具有对氧气的100%的选择透过性,在空气分离制氧和各种烷烃重整膜反应器中具有广阔的应用前景。对于面向实际应用的透氧膜,膜的形状对其性能和制氧装置的制造有很大的影响。传统的圆形平板透氧膜的膜面积很小,厚度也难以降低,因而透氧性能较低。与平板透氧膜相比,中空纤维陶瓷膜具有装填密度大、比表面积高等优点。将透氧膜材料制备成中空纤维膜不仅可以提高透氧膜材料的膜渗透性能,而且对推动透氧膜的应用也具有重要的意义。此外,还可以将表面涂覆改性应用在中空纤维膜中,以获得更高的透氧性能。本论文首先对YSZ中空纤维膜进行比较试验确定了干湿法纺丝工艺的重要工艺参数。在此基础上,以固相反应法制备的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.203-δ (BSCF)粉为原料制备了BSCF中空纤维膜,并在中空纤维膜表面涂覆BSCF多孔层进行改性,研究表面改性对其性能的影响。此外,本文还给出了一种新型中空纤维陶瓷透氧膜制氧组件的设计方案,并详细描述了组件的结构特点和运行方法。通过对所制备的YSZ中空纤维膜微观结构进行比较,确定了干湿法纺丝工艺制备中空纤维膜的重要工艺参数,如铸膜浆料中聚合物含量、成型过程中芯液流速、烧结过程中烧结制度等。通过试验最终确定铸膜浆料中YSZ与聚合物质量比为5：1时浆料粘度适中,所制备的中空纤维膜非对称结构明显；成型过程中芯液流速会对中空纤维膜厚度有直接影响,当芯液流速为4-6ml/min时所制备的中空纤维膜厚度较为合适；烧结过程对中空纤维膜的致密化过程起到决定性作用,在150℃下烧结5小时的中空纤维膜晶粒细小均匀,且膜表面致密。采用固相反应法合成单一钙钛矿相的BSCF粉体,粉体平均粒度为3.102gm。利用干湿法纺丝制备BSCF中空纤维膜,并在其表面涂覆BSCF多孔层进行修饰改性。通过扫描电子显微镜对中空纤维膜密封头、纤维膜表面、纤维膜断面、改性涂覆层等进行了观察,结果表明中空纤维膜密封头、表面均为致密,断面为特征非对称结构,改性涂层为多孔结构。对改性前后中空纤维膜透氧性能进行测试,结果表明900℃时改性后的中空纤维膜透氧速率从1.495增加到2.837ml/(cm2 min),提高90%。低温提升效果更加明显,700℃时改性后的中空纤维膜透氧速率从0.413增加到1.371ml/(cm2 min),提高2.3倍。通过计算得出表面改性后中空纤维膜的透氧表观活化能也显著降低,从58.52降低至34.07kJ/mol,降低约40%。虽然中空纤维陶瓷透氧膜研究已经较为多见,但是关于其应用还少有报道。故此,本文提出了一种用于制备纯氧的新型中空纤维透氧膜组件设计方案,对其结构部件、组装方法、运行过程以及更换方法给出了较为详细的描述。除此之外,还对组件的特点和优势进行了介绍。
【关键词】：中空纤维膜 陶瓷透氧膜 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ) 表面改性
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-15
• 第一章 绪论15-30
• 1.1 概述15-16
• 1.2 陶瓷透氧膜概述16-19
• 1.2.1 陶瓷透氧膜简介16-17
• 1.2.2 陶瓷透氧膜的透氧机理17-19
• 1.2.3 钙钛矿型陶瓷透氧膜材料研究现状19
• 1.3 中空纤维陶瓷膜概述19-25
• 1.3.1 中空纤维陶瓷膜的制造方法20-22
• 1.3.2 相转化法的成膜机理22-23
• 1.3.3 中空纤维陶瓷膜成型过程的影响因素23-24
• 1.3.4 中空纤维陶瓷膜的烧结过程24-25
• 1.4 中空纤维陶瓷透氧膜概述25-28
• 1.4.1 中空纤维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 混合导体透氧膜器件设计背景27-28
• 1.5 本课题研究内容及意义28-30
• 第二章 YSZ中空纤维陶瓷膜的制备工艺研究30-40
• 2.1 引言30
• 2.2 实验过程30-34
• 2.2.1 实验原料30-31
• 2.2.2 实验仪器和设备31
• 2.2.3 干-湿法纺丝制备YSZ中空纤维膜31-32
• 2.2.4 YSZ粉体及烧结体的性能测试与表征32-34
• 2.3 实验结果与分析34-39
• 2.3.1 YSZ粉体性能检测分析34-36
• 2.3.2 聚合物含量与烧结体性能影响36-37
• 2.3.3 液流速对中空纤维膜结构的影响37-38
• 2.3.4 烧结温度与烧结时间对YSZ中空纤维膜的影响38-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纤维透氧膜的制备与改性40-54
• 3.1 引言40
• 3.2 实验过程40-44
• 3.2.1 实验原料40-41
• 3.2.2 实验仪器与设备41
• 3.2.3 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)粉体制备41-42
• 3.2.4 干-湿法纺丝制备Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纤维膜42-43
• 3.2.5 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纤维膜表面涂覆改性43
• 3.2.6 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)粉末回收工艺43
• 3.2.7 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)粉体及中空纤维膜的性能测试与表征43-44
• 3.3 实验结果与分析44-53
• 3.3.1 X射线衍射分析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)生坯同步热分析46-47
• 3.3.4 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纤维膜微观形貌分析47-50
• 3.3.5 Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)中空纤维膜透氧性能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 本章小结53-54
• 第四章 基于中空纤维膜的空气分离制氧组件设计54-60
• 4.1 引言54
• 4.2 新型陶瓷透氧膜组件结构分析54-55
• 4.3 新型陶瓷透氧膜组件结构设计55-58
• 4.3.1 陶瓷透氧膜组件主要部件设计56-57
• 4.3.2 陶瓷透氧膜组件组装和运行过程57-58
• 4.3.3 陶瓷透氧膜组件维护58
• 4.4 新型陶瓷透氧膜组件的特点及优势58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 全文总结与下一步工作展望60-62
• 参考文献62-67
• 攻读硕士学位期间论文发表情况67

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