一种管式高温固体氧化物透氧膜及其制备方法与流程

技术特征：
1.一种管式高温固体氧化物透氧膜，其特征在于：所述管式高温固体氧化物透氧膜为一端封闭另一端开放的管式结构，由内到外依次包括第一集电层(1)、多孔支撑层(2)、第一多孔透氧膜层(3)、致密透氧膜层(4)、第二多孔透氧膜层(5)、第二集电层(6)，所述致密透氧膜层(4)的组分包括氧化钇稳定的氧化锆(zr
0.92
y
0.08
o
3-δ
)、氧化钪稳定的氧化锆(sc
0.1
ce
0.01
zr
0.89
o
3-δ
)、镧锶镓镁(la
0.8
sr
0.2
ga
0.83
mg
0.17
o
3-δ
)中的至少一种，所述第一和第二多孔透氧膜层的组分包括氧化钇稳定的氧化锆(zr
0.92
y
0.08
o
3-δ
)、氧化钪稳定的氧化锆(sc
0.1
ce
0.01
zr
0.89
o
3-δ
)、镧锶镓镁(la
0.8
sr
0.2
ga
0.83
mg
0.17
o
3-δ
)中的至少一种和电子导体锰酸镧锶((la
0.8
sr
0.2
)
0.95
mno
3-δ
)，所述多孔支撑层(2)的组分包括锰酸镧锶((la
0.8
sr
0.2
)
0.95
mno
3-δ
)、铁钴酸镧锶la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8
o
3-δ
中的至少一种，其中δ为氧的非化学计量数，0≤δ<1。2.根据权利要求1所述的管式高温固体氧化物透氧膜，其特征在于：所述多孔支撑层(2)、第一多孔透氧膜层(3)、第二多孔透氧膜层(5)的孔隙率为20％-30％。3.根据权利要求1所述的管式高温固体氧化物透氧膜，其特征在于：所述致密透氧膜层(4)的厚度为10-20μm，所述多孔支撑层(2)的厚度为0.3-1mm。4.根据权利要求1所述的管式高温固体氧化物透氧膜，其特征在于：所述第一多孔透氧膜层(3)、第二多孔透氧膜层(5)的厚度为10-40μm。5.根据权利要求1所述的管式高温固体氧化物透氧膜，其特征在于：所述第一集电层(1)和第二集电层(6)为ag。6.根据权利要求1-5中任一项所述的管式高温固体氧化物透氧膜，其特征在于：所述固体氧化物高温透氧膜的长度为6-20cm，外径为1-1.5cm，内径为0.7-1.4cm，有效面积为20-65cm2。7.根据权利要求1-6中任一项所述的管式高温固体氧化物透氧膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将多孔支撑层组分粉体、造孔剂、有机溶剂、分散剂、高分子粘结剂、塑化剂球磨混合均匀然后抽真空，得到多孔支撑层浆料；将多孔透氧膜层组分粉体、造孔剂、有机溶剂、分散剂、高分子粘结剂、塑化剂球磨混合均匀然后抽真空，得到多孔透氧膜层浆料；将致密透氧膜层组分粉体、造孔剂、有机溶剂、分散剂、高分子粘结剂、塑化剂球磨混合均匀然后抽真空，得到致密透氧膜层浆料；2)采用浸渍-提拉工艺将多孔支撑层浆料在涂有石蜡的玻璃管上制备多孔支撑层(2)，通过反复浸渍使支撑层达到所需厚度，然后在其上浸渍多孔透氧膜层浆料，干燥后从玻璃管上取下得到第一多孔透氧膜层/多孔支撑层；3)将取下的第一多孔透氧膜层/多孔支撑层在1050℃-1150℃下煅烧4-6小时，然后浸渍致密透氧膜层浆料，等待成膜得到致密透氧膜层/第一多孔透氧膜层/多孔支撑层；4)将致密透氧膜层/第一多孔透氧膜层/多孔支撑层在1120℃-1220℃下煅烧4-6小时，然后浸渍多孔透氧膜层浆料，等待成膜得到第二多孔透氧膜层/致密透氧膜层/第一多孔透氧膜层/多孔支撑层；5)将第二多孔透氧膜层/致密透氧膜层/第一多孔透氧膜层/多孔支撑层在1250℃-1350℃下煅烧4-6小时，得到初步完整结构的透氧膜；6)在初步完整结构的透氧膜的内外侧涂刷导电ag浆，制备集电层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述造孔剂为石墨、淀粉、pmma中的至少一种，所述有机溶剂为乙醇、2-丁酮(甲基乙基酮)中的至少一种，所述分散剂为三乙醇胺，所述高分子粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈中的至少一种，所述塑化剂为邻苯二甲酸二正辛酯、聚乙二醇200中的至少一种。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述浸渍-提拉工艺参数包括：室内相对湿度<50％，温度22-26℃，支撑层浸渍每层30秒，共浸渍6-7层，第一多孔透氧膜层、致密透氧膜层、第二多孔透氧膜层分别浸渍15秒，各自浸渍一次。10.根据权利要求1-6中任一项所述的管式高温固体氧化物透氧膜的制氧方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：含氧混合气体从管式结构内侧透过多孔的多孔支撑层(2)，在第一多孔透氧膜层(3)的原料气-氧离子导体-电子导体三相界面处，氧分子发生吸附解离，并由第一集电层(1)从外电路得到电子成为氧离子；步骤二：致密透氧膜层(4)在700-800℃的高温下，氧离子沿致密透氧膜层(4)内部的氧空位自致密透氧膜层(4)内侧传到外侧，而其他气体被阻挡在致密透氧膜层(4)内侧，实现氧分离；步骤三：氧离子在第二多孔透氧膜层(5)失去电子结合为氧分子释放氧气，同时将反应产生的电子由第二集电层(6)释放至外电路。

技术总结
本发明公开了一种管式高温固体氧化物透氧膜及其制备方法，透氧膜构型为一端封闭一端开放的管式结构，由内到外包括第一集电层、多孔支撑层、第一多孔透氧膜层、致密透氧膜层、第二多孔透氧膜层、第二集电层。透氧膜内部与空气接触，分离出来的氧气生成于外部。致密透氧膜层对于氧具有极高的选择透过性，可以在700-800℃的运行温度下，通过施加电能，氧离子在致密透氧膜层内定向移动，达到氧从空气或其他含氧混合气体中分离出来的效果。本发明的高温管式透氧膜，采用浸渍-提拉法进行制备，工艺简单且不依赖复杂设备，可以较容易地实现大面积管式透氧膜制备。管式透氧膜在运行时具有更高的机械强度，以承受空气侧和制氧侧的压差，延长透氧膜使用寿命。透氧膜使用寿命。透氧膜使用寿命。


技术研发人员：周娟 丁孝 张博
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/3/18