高透量中空纤维陶瓷透氧膜的制备

摘要

采用新型的相转化与高温烧结技术，用NMP（N-甲基吡咯烷酮）和去离子水的混合溶液作为中空纤维膜内部的凝固液，用自来水作为膜外部的凝固液，制备出高度非对称的致密La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）中空纤维陶瓷透氧膜。该膜结构包含一个厚度仅为88μm的致密外层和一个多孔内层。分别以空气和氦气作为膜外和膜内的吹扫气体，在不同温度下测试了LSCF中空纤维膜的透氧性能。结果显示，该高度非对称中空纤维膜在650-1000℃范围内的透氧量为0.11-2.19 mL.cm-2.min-1，是普通三层结构中空纤维膜在相同温度下透氧量的2.6-10.5倍。同时，还发现在较低温度下中空纤维膜制造透氧量的大小主要取决于膜表面交换反应，但在高温情况下，温度大于900℃时，膜体的离子扩散速率将成为决定膜透氧量的重要因素。
　　用传统的相转化与高温烧结技术制备的LSCF中空纤维陶瓷膜，由于存在三层致密层，从而导致了该纤维膜比较低的透氧性能。采用不同的酸溶液对传统的LSCF中空纤维膜表面进行酸蚀改性，考察了不同的酸种、酸浓度、酸蚀时间对膜表面的微观形貌以及膜的透氧性能的影响。运用扫描电子显微镜（SEM）对酸腐蚀前后中空纤维膜的微观结构进行了观察，用XRD观察其晶相结构，然后运用气相色谱检测了酸腐蚀后膜的透氧性能变化。实验结果表明，经过HCl和H2SO4腐蚀后的LSCF中空纤维膜表面呈现了一个多孔状的新结构，膜的透氧量比原始膜分别提高了5.9和18.6倍。与HCl腐蚀的效果相比，经H2SO4腐蚀后的膜具有更大的表面面积。例如，用浓度为98％的浓硫酸腐蚀40 min后，在800℃下，膜内氦气吹扫气流速为44.6 mL.min-1时，LSCF中空纤维膜的透氧量最大可达0.509 mL.cm-2.min-1。
　　采用相转化法制备 LSCF中空纤维膜前驱体湿膜，在室温下用去离子水和自来水分别作为膜内部和外部的凝固液纺制。用于准备纺制中空纤维膜的浆料的配比是68.75 wt%LSCF粉体，6.25 wt%聚醚砜（PESf）和25.0 wt% N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）。将纺制出的中空纤维膜的前驱体在高温管式炉中吊烧，采用不同的烧结温度1200-1500℃，不同的烧结时间2-8 h，考察其对 LSCF中空纤维膜微观结构、晶相状态、机械强度、透氧性能的影响。LSCF中空纤维膜的机械强度随着烧结温度的增加而增加，当烧结温度达到1500℃时，强度达到最大的115 MPa。欲得到致密的LSCF中空纤维膜，烧结温度必须在1250℃以上，烧结时间要在2 h以上。但当烧结温度高于1350℃时，纤维膜很容易形成硫酸盐类的不纯净相，导致 LSCF中空纤维膜的透氧性能明显降低。制备致密高透量 LSCF中空纤维膜的最适合的烧结温度应为1300℃左右，烧结时间控制在2-4h。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

绪论

第一章 文献综述

1.1 混合导体陶瓷透氧膜

1.2 陶瓷透氧膜制备方法

1.3 提高陶瓷透氧膜透氧性能的研究

1.4 研究思路和内容

第二章 LSCF高度非对称中空纤维膜的制备

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 中空纤维透氧膜表面改性

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 烧结条件对 LSCF中空纤维膜透氧量的影响

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果和讨论

4.4 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录：硕士期间发表论文