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钙钛矿型耐高浓度CO_2致密陶瓷透氧膜材料研究

曾庆  
【摘要】: 采用O_2/CO_2代替空气作为含碳燃料的助燃剂,产生高浓度的CO_2,便于后续捕获。这种富氧燃烧技术是目前正在大力重点开发的三种CO_2捕获技术之一,是致密陶瓷透氧膜材料的一个潜在的重大应用领域。具有ABO_3结构的SrCo_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(SCF)复合金属氧化物是一种得到广泛研究的氧分离膜材料,其透氧速率高,但化学稳定性差,在高温下极易和CO_2反应,因此无法采用高浓度CO_2作为渗透端的吹扫气制备富氧燃烧所需的O_2/CO_2混合气。另外,SCF在中低温和低氧分压条件下出现氧空位有序化,有可能导致材料破裂和失效。本论文在SCF材料的B位掺入高价Ti离子,以改进材料的化学和结构稳定性。论文还研究了Ti掺杂SCF的中空纤维膜的制备和表征。 论文第一章介绍了混合导体透氧膜材料的工作原理和研究进展,着重阐述了钙钛矿型混合导体透氧膜材料的研究现状,以及影响钙钛矿材料稳定性的各种因素。第二章综述了金属氧化物与CO_2反应的文献,讨论了反应机理和影响因素,介绍了相关的表征手段和研究方法,提出了耐CO_2氧分离膜的设计思路。 第三章研究了SCF材料和高浓度CO_2的反应。发现在纯CO_2气氛下,当温度高于543℃以后,SCF开始和CO_2发生反应,当温度升至967℃时该反应平衡向左移动。CO_2分压和氧分压也都能影响该反应。采用CO_2作为吹扫气测量了SCF膜的氧渗透速率,发现当CO_2浓度高于40%时氧渗透速率随时间持续下降,无法达到稳态。 第四章研究了Ti掺杂的SCF材料。XPS分析发现:SCF材料的表面O原子的1s轨道结合能(O1s BE)随着Ti含量的增加而增大,表明Ti掺杂降低了氧原子给电子的能力,也就是说,降低了氧化物的碱性。热重实验表明:Ti掺杂能有效地抑制SCF与酸性气体CO_2的反应。950℃时,SCF在CO_2气氛下完全分解为碳酸盐,而掺Ti量10%和20%的样品其分解率分别为43%和26%。Ti掺杂也能有效地改进SCF在CO_2气氛下的氧渗透性能。当以纯CO_2为吹扫气时,Sr(Co_(0.8)Fe_(0.2))_(0.9)Ti_(0.1)O_(3-δ)(SCFT10)样品的氧渗透速率为1.04×10~(-6) molcm~(-2)s~(-1),而且与未含Ti的样品不同,其氧渗透率不随时间的延续而下降。我们以SCFT10材料为基础,制备出有效透氧面积为11.0cm~2的透氧膜管。在900℃时,当膜管外部加上3个大气压的压缩空气,内部以15ml/min的CO_2气进行吹扫,在尾气端得到了氧浓度达到30%、适合于富氧燃烧应用的O_2/CO_2混合气。 第五章研究了Ti掺杂对SCF结构稳定性的影响。N_2气氛下退火后的XRD测试结果表明,SCF的相结构由立方钙钛矿相转变为了brownmillerite相,而Ti掺杂样品仍然保持为钙钛矿相。N_2气氛下的热膨胀系数和电子电导率测量也证实了Ti掺杂对SCF结构的稳定作用。其原因可能是Ti-O键的键能远大于Co-O键和Fe-O的键能,Ti掺杂提高了SCF材料的平均金属-氧键能,因而即使在低氧分压和中低温条件下,其氧含量化学计量仍然大于2.5,立方钙钛矿结构仍能稳定存在。 第六章研究了Sr(Co_(0.8)Fe_(0.2))_(0.8)Ti_(0.2)O_(3-δ)(SCFT20)中空纤维膜的制备方法和氧渗透性能。采用相转化/烧结法成功制备出致密的SCFT20中空纤维膜管,其外径和壁厚分别为1.90和0.20 mm。测量纤维膜的氧渗透速率时,采用长度为50.0mm的样品,其外壁与空气接触,用氦气或者CO_2作为吹扫气将渗透的氧携带出,用气相色谱分析。在950℃和He气吹扫速率30ml/min的条件下,测得中空纤维膜的氧渗透速率为7.9×10~(-7) molcm~(-2)s~(-1)。氧渗透率随温度升高而增大,在800-950℃范围内氧渗透的表观活化能为39.8±2.1 kJ/mol,远小于片状样品的62.4±3.4 kJ/mol。当以纯CO_2作为吹扫气时,其氧渗透速率相对He时有所降低。 第七章对本论文的工作进行了总结,并对今后的研究工作作了展望。


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