CN106669437B - 一种高效双相co2电化学分离膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高效双相CO2电化学分离膜制备方法，是为了解决现有技术中管式CO2电化学分离膜制备方法制备的陶瓷‑碳酸盐两相存在相容性差，润湿性低，并难以形成致密的混合电子‑离子和碳酸根离子导体，导致CO2渗透性能低等问题，提出一种采用碳酸盐水溶液作为固化剂的相转化低温固化碳酸盐与高温浸渍碳酸盐结合的方法制备一种高效陶瓷‑碳酸盐双相CO2电化学分离膜，具有高温下陶瓷‑碳酸盐两相相容性好，CO2渗透性强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种CO2电化学分离膜的制备技术，更具体的说，本发明涉及一种运用相转化低温固化碳酸盐与高温浸渍碳酸盐结合的方法制备陶瓷-碳酸盐双相CO2电化学分离膜的技术。
背景技术
大气中二氧化碳(CO2)浓度的增加已经引起诸如全球变暖，海洋酸化等环境问题。在众多工业生产过程中，特别是使用化石燃料作为能源，已经产生了大量CO2排放进入大气。因此，二氧化碳排放控制是未来世界最重要的环境工作之一。碳捕获和存储(CCS)是一项可捕获发电和工业过程中，由于使用化石燃料而产生的，高达90％的二氧化碳排放的技术。目前，CO2有三种主要的捕获形式：燃烧前捕获，燃烧后捕获和富氧燃烧捕获。其中燃烧后捕获是指对传统工艺中化石能源燃烧后产生的烟道气进行的CO2捕获，烟道气中CO2的含量较低(10-20％)，所以需要高效率的分离手段对其进行CO2的分离。
CO2的分离回收技术一般包括吸收分离法、吸附分离法、低温分离法和膜分离法等。其中膜分离法是基于混合气中每种气体通过膜的选择渗透性不同，是一种连续的、稳定的操作过程，能量利用效率高，特别适用于气体分离。在各种膜分离技术中，无机膜具有耐高温和处理能力大的优点而被广泛的研究应用。双相CO2电化学分离膜是一种通过电化学反应对CO2气体进行选择并分离的装置。目前，通常使用水作为固化剂的相转化法制造用于CO2电化学分离膜的管状多孔陶瓷基材料，进而在高温下浸渍碳酸盐形成陶瓷-碳酸盐双相CO2电化学分离膜，但该方法制备的陶瓷-碳酸盐两相存在相容性差，润湿性低，并难以形成致密的混合电子-离子和碳酸根离子导体等问题，导致CO2渗透性能低。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
为了解决现有技术中CO2电化学分离膜中陶瓷-碳酸盐两相相容性差，润湿性低，并难以形成致密的混合电子和碳酸根离子导体等问题，本发明提出一种采用碳酸盐水溶液作为固化剂的相转化低温固化碳酸盐与高温浸渍碳酸盐结合的方法制备一种高效陶瓷-碳酸盐双相CO2电化学分离膜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高效双相CO2电化学分离膜制备方法，包括以下步骤：
(1)CO2电化学分离膜骨架的制备
各种混合电子-离子导电陶瓷基体粉体，以酒精为介质放入行星磨中球磨2～12h，然后对球磨后的粉体进行干燥处理。按照甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚醚砜(PESF)的(2～8)∶1质量比和粉体混合制成泥浆，制备出的泥浆在球磨机中球磨2～12h，然后将浆料均匀地涂在试管上靠其自重流下来，之后分别放入外部凝固剂水和饱和碳酸锂、钠或钾溶液溶液中，5～35分钟之后取出，截取管长，在干燥箱中干燥0.5～5h，之后在马弗炉中煅烧1000～1500℃。
(2)熔融碳酸盐的高温浸渍
饱和碳酸锂、钠或钾溶液以任意比例混合，以酒精为研磨介质进行球磨混合均匀，在干燥箱中烘干，并加热至450～900℃保持1～5小时，将多孔各种多孔混合电子-离子导电陶瓷基管浸入熔融碳酸盐内部1～3小时，使熔融碳酸盐渗入多孔管中。
优选，步骤(2)中所述饱和碳酸锂、钠或钾溶液的混合比例为摩尔比(0～70)∶(0～70)∶(0～70)。
本发明的有益效果是，提供了一种高效双相CO2电化学分离膜制备方法。本发明采用碳酸盐水溶液作为固化剂的相转化低温固化碳酸盐与高温浸渍碳酸盐结合的方法制备一种高效陶瓷-碳酸盐双相CO2电化学分离膜，以解决CO2电化学分离膜中陶瓷-碳酸盐两相相容性差，润湿性低，并难以形成致密的混合电子和碳酸根离子导体等问题，有望在管式CO2分离膜的发展中得到更多的研究与应用。同时，本发明提供了简易、低成本和高效的制备技术，在管式CO2分离膜产业化过程中有非常好的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1制备的CO2分离膜骨架的断面微观形貌图。
图2是本发明实施例1制备的高温碳酸盐浸渍后CO2分离膜的微观形貌图。
图3是本发明实施例1制备CO2分离膜的照片形貌图。
图4是本发明实施例1制备的CO2分离膜与传统方法制备CO2分离膜渗透性能比较图。
具体实施方式
下面以实施例的方式进一步详细地解释本发明，但本发明决不局限于实施例。
1.CO2电化学分离膜骨架的制备
将GDC(Gd0.1Ce0.9O1.95)粉和石墨粉以95∶5的比例以酒精为介质放入行星磨中球磨12h，然后对球磨后的粉体进行干燥处理。按照甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚醚砜(PESF)和粉体6∶1∶8的质量比混合制成泥浆，制备出的泥浆在球磨机中球磨2h，然后将浆料均匀地涂在试管上靠其自重流下来，之后分别放入外部凝固剂水和Li2CO3和Na2CO3碳酸盐溶液中，15分钟之后取出，截取管长，在干燥箱中干燥1h，之后在马弗炉中煅烧1350℃。
2.熔融碳酸盐的高温浸渍
无水Li2CO3和无水Na2CO3以52∶48的摩尔比混合，以酒精为研磨介质进行球磨混合均匀，在干燥箱中烘干，并加热至600℃保持2小时，将多孔GDC管浸入熔融碳酸盐内部1.5小时，使熔融碳酸盐渗入多孔管中。即得到致密的CO2分离膜(GDC-LNC膜)。
3.多孔GDC管和GDC-LNC膜的表征
采用扫描电子显微镜观测多孔GDC管和熔融碳酸盐浸渍后的GDC-LNC膜的断面结构。具体见附图1-2。
根据试验结果得到，多孔GDC管内部可以观察到微米尺寸的多孔微观结构。熔融碳酸盐浸渍后的GDC-LNC膜表面致密，两相之间有良好的相容性。
4.CO2分离膜高温渗透性测量
将传统方法制备CO2分离膜及本发明方法制备高温GDC-LNC膜分别密封到具有陶瓷或玻璃作为密封剂的氧化铝管测试工装载体上。向进料侧引入CO2(50ml/min，STP)和N2(50ml/min，STP)，向吹扫侧引入He(25-125ml/min，STP)，使用N2作为示踪气体校正测量结果。
实验结果见附图4，电池在600，625，650，675和700℃下的CO2渗透量分别为0.049，0.082，0.133，0.208和0.301ml·cm-2·min-1，均高于同温度下传统方法制备CO2分离膜分离效果。
Claims (1)
1.一种高效双相CO2电化学分离膜制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)CO2电化学分离膜骨架的制备
各种混合电子-离子导电陶瓷基体粉体，以酒精为介质放入行星磨中球磨2～12h，然后对球磨后的粉体进行干燥处理，甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚醚砜(PESF)和粉体混合制成泥浆，制备出的泥浆在球磨机中球磨2～12h，然后将浆料均匀地涂在试管上靠其自重流下来，之后分别放入外部凝固剂水和饱和碳酸锂、钠或钾溶液中，5～35分钟之后取出，截取管长，在干燥箱中干燥0.5～5h，之后在马弗炉中于1000～1500℃温度下煅烧，得到多孔混合电子-离子导电陶瓷基管；该步骤中所述甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、聚醚砜(PESF)的质量比为甲基-2-吡咯烷酮(NMP)∶聚醚砜(PESF)＝(2～8)∶1；
(2)熔融碳酸盐的高温浸渍
饱和碳酸锂、钠或钾溶液以任意比例混合，之后以酒精为研磨介质进行球磨混合均匀，在干燥箱中烘干，并加热至450～900℃保持1～5小时，将所述多孔混合电子-离子导电陶瓷基管浸入熔融碳酸盐内部1～3小时，使熔融碳酸盐渗入所述多孔混合电子-离子导电陶瓷基管中。
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