[发明专利]钯–陶瓷–钯双层复合膜材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种钯–陶瓷–钯双层复合膜材料的制备方法及其在氢气的分离和二氧化碳捕获中的应用。本发明在多孔陶瓷载体表层和里层分别镀上钯膜。一方面保证了双层复合钯膜具有较高透氢性，另一方面，本发明极大程度上降低了原有缺陷产生的透氮量，提高了单位面积上H₂的渗透速率，从而大幅度提高了复合膜的H₂/N₂选择性。在实际生产过程中，混有CO、CO₂、CH₄和H₂S的工业废气中，H₂在膜的一侧得到了分离和提纯，同时CH₄、CO和CO₂温室气体在膜的另一侧富集捕获。与此同时改变了膜的结构，改变了氢气在复合膜内部的传质过程，体相扩散成为主要的控速步骤，并且不随膜两侧反应压差和温度产生明显变化。

技术领域

本发明涉及钯–陶瓷–钯双层复合膜材料的制备方法及其在氢气的分离和二氧化碳捕获中的应用(图2)，构建多孔陶瓷载体骨架，致密钯膜主体的复合体系，并且将其应用于CH₄和CO₂温室气体的捕获、H₂分离或H₂提纯中。具体表现在，首相利用化学镀的方法，在载体上种核，之后通过自催化的原理，形成一层极薄的导电层；之后运用电化学沉积的方法，将内外两层的钯膜增厚，从而达到实际使用的目的。本发明，颠覆性的设计了一种钯膜–多孔陶瓷载体–钯膜结构，相比于单层膜材料(图1)，双层复合钯膜具有较高透氢性，另外，双层膜材料，极大程度上降低了原有缺陷产生的透氮量，从而大幅度提高了复合膜的H₂/N₂选择性。在实际生产过程中，工业废气中的H₂在膜的一侧得到了分离和提纯，同时CH₄和CO₂温室气体在膜的另一侧富集捕获。与此同时，本发明改变了膜的结构，使氢气在复合膜内部的传质过程发生了变化，体相扩散成为主要的控速步骤，并且压力指数不随膜两侧反应压差和温度产生明显变化。

背景技术

随着世界能源需求迅速增长，日益严重的供需和环境问题已成为制约经济和社会发展的瓶颈，有必要建立清洁、充足、经济、安全和可持续发展的能源体系。作为一种清洁、高效的材料，膜在21世纪飞速发展，并广泛应用于食品、纺织、医药、化工等领域。膜反应，膜分离技术作为一种低碳、节能、环保的技术，在化学品生产提纯，有害气体的捕获分离等方方面面，发挥着至关重要的作用。所以探索一种高效节能的复合膜材料，并将其应用于现代生产、生活当中，对于提高生产效率有着十分重要的意义。以二氧化碳等温室气体的捕捉和氢气的分离纯化为例，基于热力学平衡和吸附平衡的变压吸附和变温吸附等传统分离纯化技术，在传统的气体捕获、分离和提纯等领域广泛应用，但由于前期的设备投入较大，能源消耗较高，分离、纯化等工艺流程较为复杂，所以分离效率会受到影响，因此在工业废气中二氧化碳的捕捉，分离、提纯和制备超纯氢气等方面，还有很大的不足之处[1,2]。

负载型金属钯膜的研究，为人们提供了一种高效、清洁、节能的高纯氢气分离技术。传统的负载型金属钯膜，采用单层负载的模式，虽然较少了贵金属的使用量，降低了生产成本，但是这种复合型钯膜将透氢过程，从体相扩散控制步骤变为外扩散控制，增加了氢气在外扩散过程中的传质阻力[3]。另外由于单层镀膜过程中，载体是疏松多孔的结构，钯膜很难完美无缺陷的将表层载体覆盖，从而会产生缺陷，影响了膜材料的完整性，也增加了杂质气体透过膜材料的可能性，进而影响了膜材料在二氧化碳等温室气体的捕捉，超纯氢气的分离、提纯和制备等方面的应用，其中负载型的金属钯膜，在应用于二氧化碳的捕获和氢气分离中，需要较高的膜前压力(46bar)和膜厚压力(23bar)，并且得到的氢气回收率在50％到60％之间，同时对于膜材料的机械强度，有着很严格的要求[4]。