用于高温二氧化碳分离的陶瓷-熔盐双相复合中空纤维膜制备与性能研究

二氧化碳减排是我国新世纪经济发展需要面对的重大课题之一，针对传统煤发电废气中CO2分离回收问题，本课题研究开发一种具有高CO2选择透过性能的氧离子导体陶瓷熔融碳酸盐（陶瓷熔盐）双相复合电解质中空纤维膜，具体研究内容包括：氧离子导体多孔陶瓷中空纤维膜的制备与结构优化；多孔离子陶瓷中空纤维膜内熔融碳酸盐相的固载与双相复合；双相复合电解质膜性能表征和高温CO2分离机理；双相复合膜微观结构以及陶瓷相和碳酸盐相组成对膜的CO2分离性能的影响；中空纤维膜组件设计、组装、高温CO2分离行为以及分离条件优化。通过该课题的研究，将对陶瓷熔盐双相复合中空纤维CO2分离膜的制备、双相膜的CO2分离机理以及膜分离过程优化有一个全面的认识和了解，掌握涉及双相复合中空纤维膜制备与陶瓷膜结构设计方面的关键技术，为陶瓷膜在清洁煤发电和CO2减排中的应用探索一条新的途径。

二氧化碳减排是我国新世纪经济发展需要面对的重大课题之一.针对传统煤发电废气中CO2分离回收问题，本课题研究开发了一种具有高CO2选择透过性能的氧离子导体陶瓷-熔融碳酸盐（简称陶瓷-熔盐）双相复合电解质中空纤维膜. 具体研究内容包括了：氧离子导体多孔陶瓷中空纤维膜的制备与结构优化；多孔氧离子陶瓷中空纤维膜内熔融碳酸盐相的固载与双相复合；双相复合电解质膜性能表征和高温CO2分离机理；双相复合膜微观结构以及陶瓷相和碳酸盐相组成对膜的CO2分离性能的影响；中空纤维膜组件设计、组装、高温CO2分离行为以及分离条件优化。通过该课题的研究，对陶瓷熔盐双相复合中空纤维CO2分离膜的制备、双相膜的CO2分离机理以及膜分离过程优化有一个全面的认识和了解，掌握涉及双相复合中空纤维膜制备与陶瓷膜结构设计方面的关键技术。根据该课题CO2分离机理的研究与理解，我们又提出了新型SO2和NO2气体分离膜的新概念。本题选择了两种典型但又不同的氧离子导体陶瓷材料-莹石相的钇掺杂的氧化锆(YSZ)和钙钛矿型的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-a (LSCF) 来制备多孔陶瓷膜材料的骨架。碳酸盐是由碳酸锂(42.5%质量比)，碳酸钠(32.5%)和碳酸钾(25%)混合组成。向多孔陶瓷骨架浇铸熔融碳酸盐相是在高温520oC下进行，这就要求多孔陶瓷相具备一定的机械强度和连通的孔结构。为此，在相转化-烧结方法的基础上进行了大量的中空纤维膜的结构优化工作，成功合成出了一系列不同结构的多孔陶瓷膜，不仅可以用来制备陶瓷熔融盐复合膜而且还可以用来组装微型管式燃料电池。我们成功制备了YSZ-熔融碳酸盐双相中空纤维膜和LSCF-熔融碳酸盐双相复合中空纤维膜，并进行了CO2的高温分离。在950oC，CO2透过YSZ-熔融碳酸盐中空纤维膜的通量可达0.22 mL.cm-2.min-1。在900oC，CO2透过LSCF-熔融碳酸盐中空纤维膜的最高通量达到1.0 mL.cm-2.min-1。两者CO2通量的区别主要在于熔融碳酸盐在陶瓷膜内厚度的不同。通过对这类新型CO2分离膜的动力学研究，制备支撑的薄的非对称双相复合膜是进一步提高CO2通量的有效措施， 当然这也对未来的膜制备带工作带来更大的挑战。