混合导体透氧膜及膜组件内的质量传递基础

In this proposal, the transport behaviors of oxygen species, electronic species and metallic cations in or on the membrane surfaces, inner crystal, grain boundaries will be elucidated from the mass transport perspective to understand critical factors which control the permeability and stability of membranes. All the achievements obtained in the above investigations will contribute to propose a new principle for the optimal design of the membrane materials. For membrane module, the transport characteristics including concentration polarizat- ion,pressure loss and mass transport resistances, will be investigated on the basis of fully understanding the mass transport characteristics of membranes and optimized the membrane microstructure. The mass transport in membrane module and its configure will be optimized by considering the transport characteristics of the membrane itself and the pressure changes in the membrane module. Finally, the mass transport in membrane material powder, membrane and membrane module will be fully understand from the microscope to the macroscope system. As a result, it will promote the development of mixed conducting membrane technology.

针对目前混合导体透氧膜技术发展中只注重性能研究而缺乏对氧渗透过程中物质传递细节关注以及我国透氧膜组件技术发展滞后的现状，拟从研究膜材料粉体的基本传递特性入手，采用实验研究、模型预测和仪器表征的综合研究方法，对膜渗透过程的表面、晶体内部以及晶界的氧物种、电子物种、金属阳离子的传递特征进行全面深入解析，从物质传递的角度认识决定膜渗透性和稳定性的关键因素，进而提出膜材料的优化设计原则。在充分认识膜的传递特性的基础上，结合膜微结构优化，研究膜组件内的浓差极化、压力损失以及传质阻力等质量传递特性。将膜本身的质量传递过程与膜组件内的质量传递过程相关联，优化设计膜组件及其内传递过程。最终实现对膜材料粉体、膜以及膜组件的质量传递过程从微观至宏观的系统深入研究，为混合导体透氧膜技术发展提供科学基础。

氧气被广泛应用于能源、化工、冶金、医药、环保等领域。与传统制氧方法相比，透氧膜法制氧能耗低，过程简单，制氧纯度高（理论上可达100%），设备投资及占地面积小，且透氧膜是在高温下工作，可与众多化工过程耦合，如：甲烷部分氧化，富氧燃烧，IGCC等。目前，透氧膜的研究主要集中在新材料和新过程的开发，很少涉及渗透机理的探究。明晰渗透过程中材料表面、体相物种的输运特性对指导新材料的开发，优化膜材料及膜组件的设计意义重大。本项目针对膜渗透过程中的质量传递特性开展了相关研究。发现金属离子在晶界处易扩散聚集形成新相，并且膜材料中的S、Si等含氧阴离子杂质在氧渗透过程中易向膜表面聚集，导致透氧膜材料中低温下性能衰减。通过向晶界位置引入合适尺寸的纳米粒子可有效抑制晶界处的金属离子扩散，抑制了相变；通过在膜两侧涂覆催化剂在提升透量的同时使杂质迁移至催化剂层中，避免了杂质离子与金属离子的反应，从而抑制了膜渗透性能的衰减。运用本组开发的动力学模型，通过对比不同催化剂对透氧膜两侧界面交换反应及体相扩散过程动力学的影响，发现催化剂与膜本体间组成元素的差异会导致二者间元素的相互扩散，从而影响催化剂活性及膜材料本身的性能。本项目中，通过理论和实验研究，发现不同性质的膜材料适用不同的动力学模型，然而文献中尚未建立一个普适性的动力学模型，而且模型使用混乱。我们阐明了如何选择和合适的动力学模型，完善了对氧渗透过程界面交换反应及体相扩散过程机理的理解，并为膜组件动力学机制探索奠定了理论基础。本项研究已发表研究论文16篇，出版外文学术专著一部，在相关领域产生重要学术影响，发现的科学规律和方法对透氧膜的工业应用有重要指导作用。