[发明专利]氧-离子传导膜结构

说明书

相关申请交叉参考

本申请要求2007年11月20日提交的美国临时申请第61/003812号的优先权，其通过参考并入本文。

技术领域

本发明涉及用于分子级气体分离的氧-离子传导膜结构及其制备和使用方法。

背景技术

为了开发尽可能少地向环境排污的高效电力技术，人们做出了巨大努力。在开发低排放、高能效的技术方面，诸如氧可透过膜这样的陶瓷膜可能会发挥重要作用。

在清洁煤技术和CO₂调控法规的推动下，氧膜技术具有广泛应用的前景。例如，这种膜可用来将煤转化为液体燃料，将天然气转化为液体燃料和化学品。氧可透过膜经改进后，可成为低成本、高效的备选膜，用来完成天然气转化为合成气再转化为氢燃料的头半段过程。利用此方法，可得到经济上合算的两步技术，用于提供运输用纯氢。氧膜技术还可用于氧气燃烧或富氧燃烧，其效率高、污染低，特别适用于低NO_x燃烧。

如今，低温技术是分离O₂的主流方法。不过，低温方法需要大量的设备投资，能源消耗非常高。分离O₂的另一种途径是使用聚合物O₂膜，但该方法只能在低温(约40℃)下进行，不适合上述应用。然而，陶瓷氧膜是高温(700-1000℃)应用的合适选择。与低温技术相比，它们可大幅度降低生产O₂的投资费用和能源成本。

然而，常规无机膜往往具有较低的表面积堆积密度，因为无机膜是管状或平的圆盘形式，如图1A和1B所示。在图1A和1B中，箭头102表示待分离的气体混合物；箭头104表示渗透物流；箭头106表示滞留流。

基于前文所述现状，人们需要能够用于分子级气体分离的其他材料和方法，而本发明至少可以部分满足此需要。

发明内容

本发明的一种实施方式涉及混合膜结构，其包含：

整体式无机多孔载体，其包含第一端、第二端和多个内通道，所述内通道具有由多孔壁限定的表面，并从载体的第一端延伸通过该载体至第二端；

任选一个或多个多孔无机中间层，所述中间层包覆无机多孔载体的内通道表面；以及

氧-离子传导陶瓷膜；其中，当所述混合膜结构不含所述一个或多个多孔无机中间层时，所述氧-离子传导陶瓷膜包覆所述无机多孔载体的内通道表面；当所述混合膜结构包含所述一个或多个多孔无机中间层时，氧-离子传导陶瓷膜包覆所述一个或多个多孔无机中间层的表面。

本发明还涉及制备混合膜结构的方法，其包括：

提供整体式无机多孔载体，其包含第一端、第二端和多个内通道，所述内通道具有由多孔壁限定的表面，并从载体的第一端延伸通过该载体至第二端；

任选在无机多孔载体的内通道表面施加一个或多个多孔无机中间层；以及

施加氧-离子传导陶瓷膜；其中，当未在所述无机多孔载体内通道表面施加所述一个或多个多孔无机中间层时，在所述无机多孔载体内通道表面施加所述氧-离子传导陶瓷膜；当在所述无机多孔载体内通道表面施加所述一个或多个多孔无机中间层时，在所述一个或多个多孔无机中间层表面上施加氧-离子传导陶瓷膜。

或者，本发明的另一种实施方式是整体式无机多孔膜，其包含第一端、第二端和多个内通道，所述内通道具有由多孔壁限定的表面，并从载体的第一端延伸到第二端，其中所述整体式无机多孔膜包含混合传导材料。这种整体件起膜的作用，允许氧透过其通道壁。

所述膜结构可用于解决加工工业如O₂分离中突出的分离问题。

在下面的附图和详细描述中，将更充分地展示和讨论本发明的上述及其他特征和实施方式。

附图说明

图1A和1B是常规无机气体分离膜的设计简图及其中气流走向的示意图。图1A显示了管状膜的透视图。图1B显示了平坦圆盘膜的横截面图。

图2是根据本发明的一个实施方式的混合膜结构的示意图。

图3是图2中根据本发明的混合膜结构沿平面A截取的纵截面图。

图4是根据本发明的混合膜结构的示意图，图中展示了它在气体分离应用中的用途。

图5A和5B是整体式无机多孔载体的横横截面的SEM图，它们分别具有两个多孔无机中间层(5A)和三个多孔无机中间层(5B)。

图6是通过火焰喷射高温热解法制备的钙钛矿粉末的X射线衍射图。

图7是按棋盘图案堵塞通道的蜂窝状膜的透视图。

图8显示了根据本发明的一个实施方式在气体分离方法中的蜂窝状膜的一部分。

图9显示了根据本发明的一个实施方式的示例性集气系统。