基本信息
- 项目名称：
- 一种新型中空纤维透氧膜的设计与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 氧气，是我们人类赖以生存的生命源头，同时也是社会生产生活中必不可少的原料。目前工业上一般采取变压吸附和低温冷凝的方法来制备氧气，但目前这两种方法都存在成本高，耗能大，纯度低等缺点。因此，急需寻找一种低能耗获得高纯度氧气的方式。一个开创性的技术就是混合导体透氧膜的使用。
- 详细介绍：
- 氧气，是我们人类赖以生存的生命源头，也是社会生产生活中必不可少的原料。目前工业制氧成本高、制得的氧气纯度低等缺点明显制约了这些可采取手段的实施进程。获得相对廉价的、便捷的纯氧便成了人们关切的问题。其中，陶瓷透氧膜被视为一种新兴的可获得纯氧的技术手段而受到极大的关注。其中中空纤维陶瓷透氧膜因其外径小、管壁薄、面积体积比大、分离效率高的特点，在纯氧分离、膜催化反应、燃料电池等方面拥有广阔的应用潜力。 我们通过EDTA-柠檬酸联合络合法来制备具有高透氧性能的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ，然后采用相转化法制备U型Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ氧离子-电子混合导体中空纤维陶瓷膜，并对其进行了透氧性能测试。采用X射线粉末衍射法（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量散射X射线能谱(EDXS)等分析方法对材料的结构、表面形貌进行表征。实验结果表明所制得的U型BSCT中空纤维膜有良好的透氧性能和稳定性。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 创新点： 1、 透氧膜对氧的选择透过性为100% 2、本项目采用相转化纺织技术具有原始创新性 3、 本项目在全国范围内，是首次也是唯一成功纺织出中空纤维透氧膜的团队。 4、本项目在世界范围内，首次制备U型中空纤维，解决了其工业化的难题 技术关键和主要技术指标： 1 、采用相转化纺织技术制备中空纤维膜 将聚乙烯吡咯烷酮分散剂溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中，再加入聚醚砜聚合物，搅拌使其完全溶解后，加入混合导体材料粉体，搅拌12-48小时，得到混合均匀的铸膜液，然后将铸膜液注入纺织设备的料罐中，真空脱气1-2小时后，在压强为40-100KPa N2驱动下，通过喷丝头进入凝胶槽中，将水作为凝胶液促进其凝胶，所得到的中空纤维膜生肧在水中放置1-2天以保证其结构稳定性；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为1：35-45：8.75-11.25，加入混合导体材料粉体与以上三者之和的重量比为1：1.47-4； 2、将步骤（1）所制备的中空纤维膜按10-60cm剪切，然后悬挂干燥，使其呈稳定的U型中空纤维膜生肧； 3、将U型中空纤维膜生肧在管式炉中于1150-1250 oC烧结5-10小时，同时通入20-100 ml/min的空气，使其结成致密的U型中空纤维混合导体膜。
科学性、先进性
- 先进性： 1、制成中空纤维状可以使透量大大提高 A、相对于传统的片状、管状膜，中空纤维膜单位体积装填密度大。这是由于中空纤维的直径小,在装置中可紧密排列,因而由它组成的膜器装填密度大。 B、可以不用任何支撑体。中空纤维膜的膜器可以自己支撑,可使膜器的加工简化,费用降低。 C、设备小型化,结构简单化。 2、 U型中空纤维膜解决了膜的伸缩破裂问题 当直型中空纤维膜可能会由于热膨胀而破损。所以需要一个软连接来避免由于温度升高引起的膨胀造成中空纤维膜的破损。我们提出用U型中空纤维膜来解决上述问题。用高温陶瓷密封胶将U型中空纤维膜两头密封在一起，故其其可以在温度升高或降低时自由膨胀或收缩而不会引起膜破损。在渗透、催化反应装置上，U型中空纤维膜的双脚端可以通过高温密封胶固定在刚玉管上，其U型端则可以在温度升降的过程中自由伸缩，不受任何物理限制。所以，U型中空纤维膜在根本上解决了高温密封问题，并可以避免在温度变化中膜管伸缩引起的破损。
获奖情况及鉴定结果
- 论文： 1、Preparation and oxygen permeation of U-shaped perovskite hollow fiber membranes, AIChE Journal国际化工顶尖期刊）SCI二区，影响因子：1.883，2010年5月19日录用 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
作品所处阶段
- 我们的作品现在还处于实验室阶段。
技术转让方式
- 我们现在还未获技术转让授权。
作品可展示的形式
- 我们可用于展示的作品形式有实物，模型，图片，录像和样品等形式。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：1、混合导体透氧膜——高透氧量，对氧的选择性为100%2、中空纤维状 ——透量大大提高(1) 单位体积装填密度大。(2) 不用任何支撑体。(3) 设备小型化,结构简单化。3、U型结构——解决伸缩破裂问题 使用范围： 在纯氧制备、轻烃转化制合成气、燃料电池以及化学反应器等方面展现出十分诱人的应用前景。 1.用于氧气生产 2.甲烷氧化偶联制乙烷和乙烯 3.低碳烷烃选择氧化制烯烃 市场分析和经济效益预测： 将天然气转化为合成气有两种方法。近十几年部分氧化过程受到了广泛关注经济分析表明利用混合导体透氧膜的纯氧燃煤发电系统比常规空分法的纯氧燃煤发电系统降低成本37%，提高发电效率10%，同时又可以进行CO2的捕集实现电厂CO2的零排放。基于混合导体透氧膜的纯氧燃烧CO2捕集技术是一项前瞻性的技术，该项技术还处于实验室研制阶段。但项目的研究成果将对我国CO2的减排具有重要的科学价值和实际意义。
同类课题研究水平概述
- 90年代以来，混合导体透氧膜材料方面的研究非常活跃[1,2]，美国、日本、荷兰、英国等国家在此领域的研究最为突出。1998年6月在日本名古屋举行的第五届国际无机膜会议上，美国能源部官员.AC.Bose宣布美国已将该项研究经费增加到8400万美元，准备在2004年建成工业示范装置，2010年后将此崭新技术全面推向市场。日本Tekioku oil Co.(帝国石油)也成立了GTL课题研究小组，并投入巨资开展研究工作。我国虽然在该领域的研究起步较晚，但也引起国家有关部门的高度重视，在“863”和“973”计划中都将该项目列入支持项目。在近年国家自然科学基金项目指南中，作为重点项目资助“拟探索和改进中高温氧离子和质子导材料和透氧透氢膜材料，研究和发展相关的材料制备和加工方法，研究新型温器、分器和电和它的和工过”。目前国内从事该领域研究的单位主要有中国科学院大连化学物理研究所、中国科学技术大学、南京工业大学和华南理工大学等。但是目前国内能够纺织中空纤维的只有华南理工大学的王海辉教授，国外主要做中空纤维的只有英国的帝国理工，美国的加州理工以及中国的华南理工。 无机致密透氧膜的研究热点依次经历了离子导体透氧膜，双相混合导体透氧膜，单相混合导体透氧膜，搭载致密透氧膜的渐变过程。
