CN111996059A - 一种氧载体的制备方法及基于该方法制备的氧载体 - Google Patents

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徐彬
李海冰
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Abstract

本发明公开了一种氧载体的制备方法及基于该方法制备的氧载体，其特征在于，包括：将氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水以预设比例混合，制得浆料；将浆料涂覆在氧载体本体表面上，得到氧载体坯料；对氧载体坯料进行热处理，制得带有网状球壳骨架的氧载体。本发明利用氧化铁与石墨通过高温煅烧还原成一层硬度高的保护壳，该保护壳为渗碳体和铁晶支联骨架，渗碳体其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，生成的铁晶粒相互联结形成网状球壳骨架，提高耐磨性能，保护内部的氧载体，避免磨损过快。并且氧载体外部网状球壳骨架的空隙率增加，可以参与氧的传递。保护壳的铁也能够参与氧的传递，提高了氧载体的携氧效率。

Description

一种氧载体的制备方法及基于该方法制备的氧载体
技术领域
本发明属于化学链技术利用领域，尤其涉及一种氧载体的制备方法及基于该方法制备的氧载体。
背景技术
化学链技术基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应借助于氧载体的作用分解为两个反应：空气反应和燃料燃烧反应，由氧载体通过空气反应将空气中的氧携带到燃料燃烧反应中，提供燃料燃烧反应需要的氧，实现燃料无需与空气直接接触也能燃烧。由于氧载体在空气反应和燃料燃烧反应之间不断的循环，所以要求氧载体机械强度越高越好，而天然的氧载体机械强度低，不能很好的满足强度要求。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种氧载体的制备方法及基于该方法制备的氧载体以提高氧载体强度及耐磨性。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种氧载体的制备方法，包括：将氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水以预设比例混合，制得浆料；将所述浆料涂覆在氧载体本体表面上，得到氧载体坯料；对所述氧载体坯料进行热处理，制得带有网状球壳骨架的氧载体。
进一步地，所述预设比例为氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水的质量比，所述质量比为100:20-35:3-8:10-20。
进一步地，所述热处理包括：烘干，所述烘干的温度为：100-110℃；煅烧，所述煅烧的温度为1150-1300℃，所述煅烧的时间为60-150min。
进一步地，所述烘干将所述氧载体坯料表面涂覆的所述浆料的含水量烘干至1％以下。
进一步地，所述粘结剂为淀粉。
进一步地，所述氧化铁粉末的粒径小于0.074mm。所述石墨粉末的粒径小于0.074mm。
进一步地，所述氧化铁粉末的纯度大于等于90％；所述石墨粉末的纯度大于等于95％。
根据本发明的另一个方面，提供一种氧载体，通过采用上述方案任意一项所述的氧载体的制备方法所制得。
进一步地，所述氧载体包括：氧载体本体；网状球壳骨架，所述网状球壳骨架包覆在所述氧载体本体表面。
进一步地，所述氧载体本体的粒径为0.5-3mm；所述网状球壳骨架的厚度为1.5-2mm。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明利用氧化铁与石墨通过高温煅烧还原成一层硬度高的保护壳，该保护壳为渗碳体和铁晶支联骨架，渗碳体其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，生成的铁晶粒相互联结形成网状球壳骨架，提高耐磨性能，保护内部的氧载体，避免氧载体在反应器之间循环磨损过快。并且氧载体外部网状球壳骨架的空隙率增加，可以参与氧的传递。保护壳的铁也能够参与氧的传递，提高了氧载体的携氧效率。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的氧载体的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
图1是根据本发明一实施例的氧载体的制备方法的流程图。
如图1所示，在本发明一实施例中，提供了一种氧载体的制备方法，包括：将氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水以预设比例混合，制得浆料，将浆料涂覆在氧载体本体表面上，得到氧载体坯料，对氧载体坯料进行热处理，制得带有网状球壳骨架的氧载体。本发明利用氧化铁与石墨通过高温煅烧还原成一层硬度高的保护壳，该保护壳为渗碳体和铁晶支联骨架，渗碳体其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，生成的铁晶粒相互联结形成网状球壳骨架，提高耐磨性能，保护内部的氧载体，避免氧载体在循环的时候与管道壁磨损过快。并且氧载体外部网状球壳骨架的空隙率增加，可以参与氧的传递。保护壳的铁也能够参与氧的传递，提高了氧载体的携氧效率。
利用氧化铁与石墨在高温煅烧还原成一层硬度高的保护壳，该保护壳为渗碳体和铁晶形成的网状球壳骨架，保护内部的氧载体避免因多次循环反应磨损过快，其化学反应方程式如下：
Fe2O3+C→Fe+CO
3Fe+C→Fe3C
Fe2O3+C→Fe3C+CO
外部的网状球壳骨架为渗碳体(Fe3C)和铁(Fe)晶支联骨架。渗碳体其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高(HBW＝800)，生成的铁晶粒相互联结形成网状球壳骨架，渗碳体和铁相互包裹掺杂使氧载体强度提高，提高耐磨性能。
在一可选实施例中，内部的氧载体本体可以为现有技术中的任一种氧载体或者多种氧载体的组合，例如Fe基、Co基、Ni基、多金属复合材料等氧载体，但不限于以上几种氧载体。
在一可选实施例中，预设比例为氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水的质量比，质量比为100:20-35:3-8:10-20。
在一可选实施例中，热处理包括：烘干，烘干的温度为：100-110℃，煅烧，煅烧的温度为1150-1300℃，煅烧的时间为60-150min。煅烧是为了产生渗碳体和铁晶体的网状壳骨架，这个温度和时间下反应产生，温度太高会使氧载体融化，温度太低氧化铁与石墨反应不充分，反应速率过慢。
在一可选实施例中，热处理包括：烘干，烘干的温度为：100-110℃，煅烧，煅烧的温度为1200-1250℃，煅烧的时间为80-120min。这个温度和时间下氧化铁与石墨反应充分，形成质量较高的网状壳骨架，并且网状壳骨架内部的氧载体无变化，携氧能力无变化。
在一可选实施例中，烘干将氧载体坯料表面涂覆的浆料的含水量烘干至1％以下。烘干时间随着浆料的含水量的变化而变化。
在一可选实施例中，粘结剂为淀粉。淀粉不仅在成型过程提供粘结作用，煅烧后产生气体逸出使氧载体呈多孔状态，具有较高的空隙率，载氧或释氧迅速。
在一可选实施例中，氧化铁粉末的粒径小于0.074mm。
在一可选实施例中，石墨粉末的粒径小于0.074mm。
氧化铁粉末和石墨粉末的粒径选择，能保证氧化铁粉末和石墨粉末混合均匀，从而制备的保护壳的孔隙也是均匀的。
在一可选实施例中，氧化铁粉末的纯度大于等于90％。
在一可选实施例中，石墨粉末的纯度大于等于95％。
氧化铁粉末和石墨粉末纯度低会存在杂质，杂质不能够参与还原反应形成高硬度的骨架结构，反而会掺杂在骨架中，导致强度低。
在本发明另一实施例中，提供了一种氧载体，通过采用上述方案任意一项所述的氧载体的制备方法所制得。本发明的氧载体外部网状球壳骨架为高硬度保护壳，内部为氧载体，所得氧载体的硬度和耐磨性大大提高。提高了氧载体的硬度，增加了氧载体的耐磨性，并且氧载体外部网状球壳骨架的空隙率增加，网状球壳骨架的铁也能够参与氧的传递，提高了氧载体的携氧效率。
在一可选实施例中，氧载体可以包括：氧载体本体，网状球壳骨架，网状球壳骨架包覆在氧载体本体表面。该网状球壳骨架为上文所述的保护壳，氧载体本体外部的网状球壳骨架为渗碳体(Fe3C)和铁(Fe)晶支联骨架。渗碳体其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高(HBW＝800)，生成的铁晶粒相互联结形成网状球壳骨架，渗碳体和铁相互包裹掺杂使氧载体强度提高，提高耐磨性能。
在一可选实施例中，氧载体本体的粒径为0.5-3mm。
在一可选实施例中，网状球壳骨架的厚度为1.5-2mm。
对比例1：采用天然氧载体进行化学链气化反应，在氧载体循环10次之后，氧载体粒径变小，氧载体携氧能力略降低。
实验例1：采用与对比例相同种类、相同粒径的天然氧载体，按照前面技术方案的方法在氧载体外部增加网状球壳骨架的保护壳，在与对比例相同的化学链气化反应条件下，氧载体循环了相同次数后，粒径大小无变化，网状球壳骨架的保护壳无明显变化。
对比例2：采用天然氧载体进行化学链气化反应，在氧载体循环20次之后，氧载体粒径明显变小，氧载体携氧能力降低。
实验例2：采用与对比例相同种类、相同粒径的天然氧载体，按照前面技术方案的方法在氧载体外部增加网状球壳骨架的保护壳，在与对比例相同的化学链气化反应条件下，氧载体循环了相同次数后，粒径大小无变化，网状球壳骨架的保护壳无明显变化。
对比例3：采用天然氧载体进行化学链气化反应，在氧载体循环30次之后，氧载体破损，氧载体失去携氧能力。
实验例3：采用与对比例相同种类、相同粒径的天然氧载体，按照前面技术方案的方法在氧载体外部增加网状球壳骨架的保护壳，在与对比例相同的化学链气化反应条件下，氧载体循环了相同次数后，粒径大小无变化，网状球壳骨架的保护壳外壁略有磨损。
本发明旨在保护本发明公开了一种氧载体的制备方法及基于该方法制备的氧载体，其特征在于，包括：将氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水以预设比例混合，制得浆料；将浆料涂覆在氧载体本体表面上，得到氧载体坯料；对氧载体坯料进行热处理，制得带有网状球壳骨架的氧载体。本发明利用氧化铁与石墨通过高温煅烧还原成一层硬度高的保护壳，该保护壳为渗碳体和铁晶支联骨架，渗碳体其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，生成的铁晶粒相互联结形成网状球壳骨架，提高耐磨性能，保护内部的氧载体，避免氧载体在循环的时候与反应器磨损过快。并且氧载体外部网状球壳骨架的空隙率增加，可以参与氧的传递。保护壳的铁也能够参与氧的传递，提高了氧载体的携氧效率。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种氧载体的制备方法，其特征在于，包括：
将氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水以预设比例混合，制得浆料；
将所述浆料涂覆在氧载体本体表面上，得到氧载体坯料；
对所述氧载体坯料进行热处理，制得带有网状球壳骨架的氧载体。
2.根据权利要求1所述的氧载体，其特征在于，
所述预设比例为氧化铁粉末、石墨粉末、粘结剂与水的质量比，所述质量比为100:20-35:3-8:10-20。
3.根据权利要求1或2所述的氧载体，其特征在于，所述热处理包括：
烘干，所述烘干的温度为：100-110℃；
煅烧，所述煅烧的温度为1150-1300℃，所述煅烧的时间为60-150min。
4.根据权利要求3所述的氧载体的制备方法，其特征在于，
所述烘干将所述氧载体坯料表面涂覆的所述浆料的含水量烘干至1％以下。
5.根据权利要求1或2所述的氧载体的制备方法，其特征在于，
所述粘结剂为淀粉。
6.根据权利要求1或2所述的氧载体的制备方法，其特征在于，
所述氧化铁粉末的粒径小于0.074mm；
所述石墨粉末的粒径小于0.074mm。
7.根据权利要求1或2所述的氧载体的制备方法，其特征在于，
所述氧化铁粉末的纯度大于等于90％；
所述石墨粉末的纯度大于等于95％。
8.一种氧载体，其特征在于，通过采用权利要求1-7任意一项所述的氧载体的制备方法所制得。
9.根据权利要求8所述的氧载体，其特征在于，所述氧载体包括：
氧载体本体；
网状球壳骨架，所述网状球壳骨架包覆在所述氧载体本体表面。
10.根据权利要求8或9所述的氧载体，其特征在于，
所述氧载体本体的粒径为0.5-3mm；
所述网状球壳骨架的厚度为1.5-2mm。
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