JPH1192961A - Coating film - Google Patents

Coating film

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Publication number
JPH1192961A
JPH1192961A JP25575797A JP25575797A JPH1192961A JP H1192961 A JPH1192961 A JP H1192961A JP 25575797 A JP25575797 A JP 25575797A JP 25575797 A JP25575797 A JP 25575797A JP H1192961 A JPH1192961 A JP H1192961A
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JP
Japan
Prior art keywords
group
membrane
perovskite
solid
mixtures
Prior art date
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Pending
Application number
JP25575797A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Jiei Mazanetsuku Terii
ジェイ. マザネック テリー
Eru Keeburu Toomasu
エル. ケーブル トーマス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Standard Oil Co
Original Assignee
Standard Oil Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Standard Oil Co filed Critical Standard Oil Co
Priority to JP25575797A priority Critical patent/JPH1192961A/en
Publication of JPH1192961A publication Critical patent/JPH1192961A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid membrane produced from a perovskite structure or multiphase structure, which is stable from at room temp. to high temp. and contains a fluid flux in a high proportion so that the membrane is effective to separate a specified fluid from a flow. SOLUTION: This solid membrane has a first surface and a second surface and consists of a structure (A) and a coating film (B) described below. The structure (A) is selected from (a) a substantially perovskite material, (b) a dense multiphase mixture of an electron conductive phase and an oxygen ion conductive phase which does not permeate gas in which the electron conductive phase forms an electron conductive passage between the first surface and the second surface while the oxygen ion conductive phase forms an oxygen ion conductive passage between the first surface and the second surface, and (c) a combination of these. The coating film (B) is a porous chemically active electron conductive coating selected from metals, metal oxides and a combination of these.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、工業用の流体流を
分離することができる新規な混合導体膜に関する。
The present invention relates to a novel mixed conductor membrane capable of separating an industrial fluid stream.

【0002】出願人は、生成物フラックス(product flu
x)を高めた固体組成、およびこの特性を利用する方法を
発見した。ペロブスカイト構造または多相構造から形成
され、化学的に活性な被覆を有する膜は、非常に高い割
合(hight rates)の流体フラックス(fluid flux)を示す
ことが証明された。1つの用途には、高温にて、酸素含
有供給物から酸素を分離することがある。これらの膜
は、酸素イオンおよび電子の伝導体であり、25℃から該
膜の操作温度までの温度範囲にわたって、空気中で、実
質的に安定である。
[0002] Applicants have filed a product flux.
Solid compositions with enhanced x) and methods to exploit this property have been discovered. Membranes formed from perovskite or multiphase structures and having chemically active coatings have been shown to exhibit very high rates of fluid flux. One application is to separate oxygen from oxygen-containing feeds at elevated temperatures. These membranes are conductors of oxygen ions and electrons and are substantially stable in air over a temperature range from 25 ° C. to the operating temperature of the membrane.

【0003】[0003]

【従来の技術】イオン伝導性物質から形成された固体膜
は、工業用流体の分離、精製および変換についての商業
上のプロセス、特に、酸素の分離および精製のためのプ
ロセスにおいて、有望であることが明らかにされ始めて
いる。想定される用途は、医学用途のための小規模の酸
素ポンプから、大規模な気体発生および精製プラントま
での範囲にわたる。変換プロセスは非常に多く、触媒酸
化、触媒還元、熱処理、蒸留、抽出などが挙げられる。
流体(fluid)分離技術は、2種の明らかに異なる膜材料
である、固体電解質および混合導体を包含する。流体分
離についてのプロセスにおいては、混合導体から形成し
た膜が、固体電解質よりも好ましい。その理由は、混合
導体が、所望生成物流体のイオンおよび電子を伝え、外
部回路(例えば、電極、相互接続(interconnects)および
電源)なしで操作できるからである。対照的に、固体電
解質は、生成物流体のイオンのみを伝え、膜のイオン化
/脱イオン化プロセスを維持するためには、電子の流れ
を維持するための外部回路が必要である。このような回
路は、ユニットの費用に加算され、かつセルの立体構造
を複雑にする。
BACKGROUND OF THE INVENTION Solid membranes formed from ion-conducting materials have shown promise in commercial processes for the separation, purification and conversion of industrial fluids, especially in processes for the separation and purification of oxygen. Is beginning to be revealed. Envisioned applications range from small-scale oxygen pumps for medical applications to large-scale gas generation and purification plants. There are numerous conversion processes, including catalytic oxidation, catalytic reduction, heat treatment, distillation, extraction and the like.
Fluid separation techniques involve two distinctly different membrane materials, solid electrolytes and mixed conductors. In the process for fluid separation, membranes formed from mixed conductors are preferred over solid electrolytes. The reason is that the mixed conductors carry the ions and electrons of the desired product fluid and can be operated without external circuits (eg, electrodes, interconnects and power supplies). In contrast, solid electrolytes carry only the ions of the product fluid and ionize the membrane.
To maintain the deionization process, an external circuit is needed to maintain the flow of electrons. Such a circuit adds to the cost of the unit and complicates the three-dimensional structure of the cell.

【0004】固体電解質および混合伝導性酸化物から形
成された膜は、特定の生成物流体(例えば、酸素、窒
素、アルゴンなど)に選択的になるように設計でき、高
温(典型的には、約500℃を越える温度)で操作したと
き、その固体格子にて動力学的に形成された(dynamical
ly formed)アニオン空孔を通して、生成物流体イオンを
輸送し得る。固体電解質の例には、酸素分離用の、イッ
トリウム安定化ジルコニア(YSZ)および酸化ビスマスが
包含される。混合導体の例には、チタニアドープされた
YSZ、プラセオジミア変性YSZ(praseodymia-modified YZ
S)、およびさらに重要には、種々の混合金属酸化物(そ
の一部は、ペロブスカイト構造を有する)が包含され
る。特願昭61-21717号は、ペロブスカイト構造を有する
多成分金属酸化物から形成された膜を開示しており、こ
の構造は、La1-xSrxCo1-yFeyO3-d(ここで、xは、0.1〜
1.0の範囲であり、yは、0.05〜1.0の範囲であり、そし
てdは、0.5〜0の範囲である)により表わされる。他の
適切なペロブスカイト構造は、同時係属中の米国特許出
願第08/311,295号(この出願は、本願の譲渡人が所有し
ている)に記述されている。この出願の主題は、本明細
書中で参考として援用される。
[0004] Membranes formed from solid electrolytes and mixed conducting oxides can be designed to be selective for a particular product fluid (eg, oxygen, nitrogen, argon, etc.), and at elevated temperatures (typically, When operated at temperatures in excess of about 500 ° C), the solid state lattice dynamically formed
Product fluid ions may be transported through the anion vacancy. Examples of solid electrolytes include yttrium stabilized zirconia (YSZ) and bismuth oxide for oxygen separation. Examples of mixed conductors include titania-doped
YSZ, praseodymia-modified YZZ
S), and more importantly, various mixed metal oxides, some of which have a perovskite structure. Japanese Patent Application No. 61-21717 discloses a film formed from a multi-component metal oxide having a perovskite structure, and this structure has a structure of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-d ( Here, x is 0.1 to
1.0, y is in the range of 0.05 to 1.0, and d is in the range of 0.5 to 0). Other suitable perovskite structures are described in co-pending US patent application Ser. No. 08 / 311,295, which is owned by the assignee of the present application. The subject matter of this application is incorporated herein by reference.

【0005】混合伝導性酸化物から形成され、高温で操
作される膜は、生成物流体の分圧の差が、この膜の反対
側に存在するとき、供給原料から、この生成物流体を選
択的に分離するのに使用できる。例えば、酸素の輸送
は、酸素分子が酸素イオンに解離するときに起こり、こ
れらのイオンは、この膜の低い酸素分圧側に移動し、こ
こで、これらのイオンは再結合して酸素分子を形成する
か、または反応性流体と反応する。電子は、これらの酸
素イオンとは反対方向にこの膜を通って移動し、電荷が
維持される。
[0005] Membranes formed from mixed conducting oxides and operated at elevated temperatures select this product fluid from the feedstock when a difference in partial pressure of the product fluid is on the opposite side of the membrane. Can be used to separate them. For example, oxygen transport occurs when oxygen molecules dissociate into oxygen ions, which migrate to the lower oxygen partial pressure side of the membrane where they recombine to form oxygen molecules Or reacts with a reactive fluid. Electrons move through the membrane in the opposite direction to these oxygen ions, maintaining their charge.

【0006】流体イオンが膜を通って浸透する速度は、
主として、3つの要因により制御される。それらは、
(a)供給側の界面の生成物流体がイオン交換する動力学
的速度、すなわち、この供給原料中の生成物流体分子
が、この膜の供給側の表面において、移動イオンに変換
する速度;(b)この膜内における生成物流体イオンおよ
び電子の拡散速度;および(c)浸透側界面で生成物流体
が交換する動力学的速度、すなわち、この膜の生成物流
体イオンが、生成物流体分子に変換されて戻り、この膜
の浸透側に放出されるか、または反応性流体(例えば、
水素、メタン、一酸化炭素、C1-C5飽和および不飽和炭
化水素、アンモニアなど)と反応する速度。
The rate at which fluid ions penetrate through a membrane is:
It is mainly controlled by three factors. They are,
(a) the kinetic rate of ion exchange of the product fluid at the feed-side interface, ie, the rate at which product fluid molecules in the feed are converted to mobile ions at the feed-side surface of the membrane; b) the rate of diffusion of product fluid ions and electrons within the membrane; and (c) the kinetic rate of product fluid exchange at the permeate interface, ie, the product fluid ions of the membrane And returned to the permeate side of the membrane, or to a reactive fluid (e.g.,
Rate of reaction of hydrogen, methane, carbon monoxide, C 1 -C 5 saturated and unsaturated hydrocarbons, such as ammonia) and.

【0007】Thorogoodらの米国特許第5,240,480号(そ
の内容は、本明細書中で参考として援用される)は、非
多孔性緻密層を支持する多孔性構造の孔サイズを制御す
ることによる、供給側界面の気体交換の動力学的速度を
説明している。多くの参考文献(例えば、Yoshisatoらの
米国特許第4,330,633号、Yamajiらの特開昭56-92103
号、およびTeraokaおよび共同研究者の文献、Chem. Let
ters, The Chem. Soc. of Japan, pp. 503-506(1988))
は、イオン伝導性および電子伝導性が高められた物質を
記述している。
[0007] Thorogood et al., US Pat. No. 5,240,480, the contents of which are incorporated herein by reference, discloses a method for controlling the pore size of a porous structure that supports a non-porous dense layer. 4 illustrates the kinetic rate of gas exchange at the side interface. Many references (e.g., Yoshisato et al., U.S. Pat.No. 4,330,633; Yamaji et al., JP 56-92103)
No., and Teraoka and co-workers' literature, Chem. Let
ters, The Chem. Soc. of Japan, pp. 503-506 (1988))
Describes substances with enhanced ionic and electronic conductivity.

【0008】Hazbunの米国特許第4,791,079号および第
4,827,071号(その内容は、本明細書中で参考として援用
される)は、2層膜(ここで、1層は、不浸透性混合イオ
ンおよび電子伝導性セラミックであり、これは、選択的
な炭化水素酸化触媒を含む多孔性層と関連している)を
利用することによる浸透側界面における気体変換の動力
学的速度を説明している。
No. 4,791,079 to Hazbun and US Pat.
No. 4,827,071, the contents of which are incorporated herein by reference, are bilayer membranes, where one layer is an impermeable mixed ion and an electronically conductive ceramic, FIG. 2 illustrates the kinetic rate of gas conversion at the permeate interface by utilizing a porous layer containing a hydrocarbon oxidation catalyst).

【0009】典型的な金属酸化物膜の参考文献は、上記
特願昭61-21717号である。高い酸素分圧下の酸素含有気
体混合物が、上記例挙した酸化物から形成された緻密層
を有する膜の一方の側に付与されると、この膜表面にて
酸素が吸着されて解離し、イオン化され、この固体を通
って拡散して脱イオン化し、結合し(associate)、そし
てこの膜の他の側において、低酸素分圧で、酸素気体流
として脱着する。
A reference of a typical metal oxide film is Japanese Patent Application No. 61-21717. When an oxygen-containing gas mixture under a high oxygen partial pressure is applied to one side of a film having a dense layer formed from the above-described oxide, oxygen is adsorbed on the surface of the film, dissociated, and ionized. It diffuses through the solid, deionizes, associates, and desorbs on the other side of the membrane at a low oxygen partial pressure as a stream of oxygen gas.

【0010】このイオン化/脱イオン化プロセスを提供
するのに必要な電子回路は、その電子伝導性によって、
この酸化物内部に維持される。このタイプの分離プロセ
スは、比較的高い酸素分圧、すなわち、0.2 atmに等し
いかまたはそれ以上の酸素分圧を含む気体流から、酸素
を分離するのに特に適当であると、記述されている。酸
素イオン伝導性および電子伝導性の両方を示す多成分金
属酸化物は、典型的には、操作条件下にて、0.01 ohm-1
cm-1〜100 ohm-1cm-1の範囲の酸素イオン伝導率および
約1 ohm-1cm-1〜100 ohm-1cm-1の範囲の電子伝導率を
示す。
The electronic circuitry required to provide this ionization / deionization process, due to its electronic conductivity,
It is maintained inside this oxide. This type of separation process is described as being particularly suitable for separating oxygen from a gas stream containing a relatively high oxygen partial pressure, i.e., equal to or greater than 0.2 atm. . Multi-component metal oxides that exhibit both oxygen ion conductivity and electronic conductivity are typically 0.01 ohm -1 under operating conditions.
shows the electronic conductivity in the range of cm -1 to 100 ohm -1 cm oxygen ionic conductivity ranging from -1 and about 1 ohm -1 cm -1 ~100 ohm -1 cm -1.

【0011】ある種の多成分金属酸化物は、高温にて、
主としてまたはもっぱら酸素イオン導体である。一例に
は、(Y2O3)0.1(Zr2O3)0.9があり、これは、1000℃に
て、約0.06 ohm-1cm-1の酸素イオン伝導率および1に近
いイオン輸率(イオン伝導率と全伝導率との比)を有す
る。ヨーロッパ特許出願 EP 0399833A1は、この酸化物
と、別の電子伝導相(例えば、白金または他の貴金属)と
の複合材料から形成された膜を記述している。この電子
伝導相は、この構造を介して、電子の戻し供給を与え、
それにより、酸素は、分圧勾配の駆動力下にて、この複
合材料膜を介して、イオン的に伝導できる。
Certain multi-component metal oxides, at elevated temperatures,
It is mainly or exclusively an oxygen ion conductor. An example is (Y 2 O 3 ) 0.1 (Zr 2 O 3 ) 0.9 , which at 1000 ° C. has an oxygen ion conductivity of about 0.06 ohm −1 cm −1 and an ion transport number close to 1 ( Ratio of ionic conductivity to total conductivity). European Patent Application EP 0399833A1 describes a film formed from a composite of this oxide and another electronically conductive phase (eg, platinum or other noble metals). The electron conducting phase provides a back supply of electrons through the structure,
Thereby, oxygen can be ionically conducted through the composite material membrane under the driving force of the partial pressure gradient.

【0012】他の範疇の多成分金属酸化物は、高温に
て、主としてまたはもっぱら電子伝導性を示し、それら
のイオン輸率は0に近い。一例には、PrxInyOzがあり、
これは、ヨーロッパ特許出願 EP 0,399,833 A1に記述さ
れている。このような物質は、別の酸素イオン伝導性相
(例えば、安定化ZrO2)と共に、複合膜中において使用で
きる。このタイプの複合材料から構築した膜はまた、駆
動力として酸素分圧勾配を付与することにより、酸素含
有流(例えば、空気)から酸素を分離するのに使用でき
る。典型的には、この多成分酸化物電子導体は、酸素イ
オン導体と密接に接触させて、配置される。
Other categories of multicomponent metal oxides exhibit primarily or exclusively electronic conductivity at elevated temperatures, and their ionic transport numbers are close to zero. One example is Pr x In y O z ,
This is described in European patent application EP 0,399,833 A1. Such a material is a separate oxygen ion conducting phase.
(Eg, stabilized ZrO 2 ) in a composite membrane. Membranes constructed from this type of composite can also be used to separate oxygen from an oxygen-containing stream (eg, air) by applying an oxygen partial pressure gradient as a driving force. Typically, the multi-component oxide electronic conductor is placed in intimate contact with an oxygen ion conductor.

【0013】有機重合体膜もまた、流体分離に使用でき
る。しかしながら、混合伝導性酸化物から形成された膜
は、重合体膜と比較すると、酸素のような重要な生成物
に対して、かなり優れた選択性を与える。このような改
良された選択性の価値は、混合伝導性酸化物を使用する
プラント(このプラントは、熱交換器、高温シールおよ
び他の高価な装置を必要とする)を建設し操作すること
に関連する高い費用よりも重視しなければならない。混
合伝導性酸化物から形成された、典型的な従来技術の膜
は、商業上の流体分離の用途に使用するのを正当化する
ほど充分な浸透度(厚さに対する浸透率の比で定義され
る)を示さない。
[0013] Organic polymer membranes can also be used for fluid separation. However, membranes formed from mixed conducting oxides provide significantly better selectivity for important products such as oxygen when compared to polymer membranes. The value of such improved selectivity is in building and operating plants that use mixed conductive oxides, which require heat exchangers, hot seals and other expensive equipment. Must be more important than the associated high costs. Typical prior art membranes formed from mixed conducting oxides have a permeability (defined as the ratio of permeability to thickness) sufficient to warrant use in commercial fluid separation applications. Is not shown.

【0014】固体膜を通る酸素の浸透度は、膜厚の減少
に比例して、高くなることが知られており、機械的に安
定で比較的薄い膜構造は、広く研究されている。
It is known that the permeability of oxygen through a solid membrane increases in proportion to the decrease in film thickness, and mechanically stable and relatively thin membrane structures have been widely studied.

【0015】Teraokaらの第二の文献、Jour. Ceram. So
c. Japan, International Ed, Vol97, pp. 458-462, (1
989)およびJ. Ceram. Soc. Japan, International Ed,
Vol97, pp. 523-529 (1989)は、例えば、多孔性混合伝
導性支持体上に、緻密で非多孔性の混合伝導性酸化物層
(「緻密層」と呼ばれる)を蒸着することにより形成され
た固体状の気体分離膜を記述している。この比較的厚い
多孔性混合伝導性支持体は、この比較的薄く、脆く緻密
な非多孔性混合伝導性層に対して、機械的な安定性を与
える。製作および使用の際に、この膜が遭遇する熱力学
的な(thermomechanical)応力による構造欠陥は、それぞ
れの膜層の化学的適合性により、実質的に最小とされ
た。緻密層の層厚を制限することの考慮に基づいて、Te
raokaおよび共同研究者は、標準的な単一層の緻密な焼
結混合伝導性ディスクと比較して、混合伝導性多孔性層
および薄い混合伝導性緻密層を有する膜は酸素フラック
スが10倍高まることを期待した。しかしながら、彼ら
は、2倍未満の上昇を得たにすぎない。
The second document by Teraoka et al., Jour. Ceram. So
c. Japan, International Ed, Vol 97, pp. 458-462, (1
989) and J. Ceram. Soc. Japan, International Ed,
Vol 97, pp. 523-529 (1989), for example, describes a dense, non-porous mixed conductive oxide layer on a porous mixed conductive support.
(Referred to as a "dense layer"), which describes a solid gas separation membrane formed by vapor deposition. The relatively thick porous mixed conductive support provides mechanical stability to the relatively thin, brittle, dense, non-porous mixed conductive layer. During fabrication and use, structural defects due to thermomechanical stress encountered by the film were substantially minimized due to the chemical compatibility of the respective film layers. Based on the consideration of limiting the thickness of the dense layer, Te
raoka and co-workers found that membranes with mixed-conducting porous layers and thin mixed-conducting dense layers have a 10-fold increase in oxygen flux compared to standard single-layer dense sintered mixed-conducting discs I expected. However, they only gained less than two-fold.

【0016】ペロブスカイト構造としては、正ペロブス
カイト(これは、小さな直径の金属イオン八面体の三次
元立方配置を有する)、およびペロブスカイト様の単一
または複数の層(すなわち、二次元正方形配置で配列し
た小さな直径の金属イオンの八面体の二次元配置)を含
む構造が挙げられる。これらのペロブスカイト様の配置
は、より大きい直径の金属イオンまたは他の電荷層によ
り、電荷安定化される。ペロブスカイト構造の例には、
立方ペロブスカイト、ブラウンミレライト(brownmiller
ite)、オーリビリウス(Aurivillius)相などが包含され
る。ペロブスカイト類と、種々のペロブスカイト相のい
くつかとの関係の記述は、L. Katzおよび R. Ward, Ino
rg. Chem. 3, 205-211, (1964)に挙げられており、参考
として本明細書中に援用される。
[0016] Perovskite structures include regular perovskites, which have a three-dimensional cubic arrangement of small diameter metal ion octahedra, and single or multiple layers of perovskite-like (ie, arranged in a two-dimensional square arrangement). (A two-dimensional arrangement of octahedrons of small diameter metal ions). These perovskite-like arrangements are charge stabilized by larger diameter metal ions or other charged layers. Examples of perovskite structures include:
Cubic perovskite, brownmillerite
ite), Aurivillius phase and the like. A description of the relationship between perovskites and some of the various perovskite phases can be found in L. Katz and R. Ward, Ino
rg. Chem. 3, 205-211, (1964), which is incorporated herein by reference.

【0017】これらの層構造は、酸素イオンの空孔を調
節でき、これらの空孔の規制は、構造上の変化(例え
ば、ブラウンミレライト相)に通じ得る。ブラウンミレ
ライトは、その酸素イオンの6分の1が欠けたペロブス
カイトであり、生じた酸素イオン空孔は、この結晶内に
おいて連続線に配列している。一例には、S. Shin, M.
Yonemura, および H. Ikawa、Mater Res Bull 13, 1017
-1021 (1978)に記述のように、SrFeO3-xがある。x=0
の条件下では、この構造は、規則的な立方ペロブスカイ
ト構造になる。xが上がるように、温度および圧力の条
件を変えると、導入される酸素空孔は、まず、この結晶
全体にランダムに分散される(すなわち、「不規則にな
る」)。しかしながら、xが0.5に近づくと、これらの空
孔は、「規則的に」なり、すなわち、これらの空孔は、
この結晶全体にわたって、規則的なパターンを形成す
る。正確にこの酸素イオンの6分の1が欠けると(x=
0.5)、得られた空孔は、「規則的」であり、この相は、
ブラウンミレライトと呼ばれる。
These layer structures can regulate oxygen ion vacancies, and regulation of these vacancies can lead to structural changes (eg, brown millerite phase). Brown millerite is a perovskite lacking one sixth of its oxygen ions, and the resulting oxygen ion vacancies are arranged in continuous lines within the crystal. One example is S. Shin, M.
Yonemura, and H. Ikawa, Mater Res Bull 13, 1017
As described in -1021 (1978), there is SrFeO 3-x . x = 0
Under these conditions, this structure becomes a regular cubic perovskite structure. When the temperature and pressure conditions are changed so that x increases, the oxygen vacancies introduced are initially randomly distributed (ie, "irregular") throughout the crystal. However, as x approaches 0.5, these cavities become "regular", i.e., they become
A regular pattern is formed over the entire crystal. If exactly one sixth of this oxygen ion is missing (x =
0.5), the resulting vacancies are “regular” and this phase
Called brown millerite.

【0018】オーリビリウス相は、時には、ラメラペロ
ブスカイトと呼ばれ、 J. Barrault, C. Grosset, M. D
ion, M. Ganne および M. TournouxによるCatalysis Le
tters 16, p. 203-210 (1992)に記述のように、複数の
ペロブスカイトの層からなり、ここで、大きな直径の金
属カチオンは、一部または全部、他の酸化物(通常、(Bi
2O2)2+)の層で置き換えられている。それらの一般式
は、[Bi2O2][An-1BnO3n+1]であり、ここで、「A」は、
大きな直径の金属イオンを表わし、そして「B」は、小
さな直径の金属イオンを表わす。A. Castro, P. Milla
n, M.J. Martinez-Lope および J.B. Torranceにより、
Solid State Ionics 63-65, p 897-901 (1993)に記述の
ように、このペロブスカイト層のA金属およびB金属に対
し、そしてBi2O2の中間層のBiに対して、広範な許容範
囲の置換が可能である。この文献は、参考として本明細
書中に援用される。W. Carrillo-Cabrera, H-D Wiemhof
er および W. GopelのSolid State Ionics, 32/33, p 1
172-1178 (1989)に記述のように、いわゆる超伝導体(例
えば、YBa2Cu3O7-x)もまた、他のタイプの規則化した空
孔を有するペロブスカイト構造である。
The Auribillius phase is sometimes called lamellar perovskite and is described in J. Barrault, C. Grosset, MD
Catalysis Le by ion, M. Ganne and M. Tournoux
tters 16, p. 203-210 (1992), consisting of multiple perovskite layers, where the large diameter metal cations are partially or wholly separated from other oxides (usually (Bi
2 O 2 ) 2+ ). Their general formula is [Bi 2 O 2 ] [A n-1 B n O 3n + 1 ], where “A” is
"B" represents a small diameter metal ion and a "B" represents a small diameter metal ion. A. Castro, P. Milla
n, by MJ Martinez-Lope and JB Torrance
As described in Solid State Ionics 63-65, p 897-901 (1993), a wide range of tolerances for A and B metals in this perovskite layer and for Bi in the Bi 2 O 2 interlayer Is possible. This document is incorporated herein by reference. W. Carrillo-Cabrera, HD Wiemhof
er and W. Gopel's Solid State Ionics, 32/33, p 1
As described in 172-1178 (1989), so-called superconductors (eg, YBa 2 Cu 3 O 7-x ) are also perovskite structures with other types of ordered vacancies.

【0019】[0019]

【発明が解決しようとする課題】研究者は、引き続い
て、この複合膜の機械的および物理的適合性を犠牲にす
ることなく、優れたフラックスを示す固体伝導性膜を捜
している。本発明の目的は、高いフラックスを示し、室
温から操作温度である高温にわたって安定な固体膜を提
供することにある。
Researchers have continually sought a solid conductive membrane that exhibits excellent flux without sacrificing the mechanical and physical compatibility of the composite membrane. An object of the present invention is to provide a solid film which exhibits a high flux and is stable from room temperature to a high operating temperature.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明の固体膜は、第一
表面および第二表面を有する固体膜であって、以下の
(A)および(B)を有する: (A)以下の(a)、(b)および(c)からなる群から選択される
構造: (a)実質的なペロブスカイト物質; (b)電子伝導相および酸素イオン伝導相の密な気体不浸
透性多相混合物であって、該電子伝導相は、該第一表面
および該第二表面の間に電子伝導性通路を形成し、そし
て該酸素イオン伝導相は、該第一表面および該第二表面
の間に酸素イオン伝導性通路を形成する;および (c)それらの組み合わせ;および(B)金属、金属酸化物お
よびそれらの組み合わせからなる群から選択される、多
孔性で化学的に活性な電子伝導被覆。
The solid film of the present invention is a solid film having a first surface and a second surface.
Having (A) and (B): (A) a structure selected from the group consisting of the following (a), (b) and (c): (a) a substantially perovskite material; (b) an electron conducting phase A dense gas-impermeable multiphase mixture of an oxygen ion conducting phase and an electron conducting phase forming an electron conducting path between the first surface and the second surface; The phase forms an oxygen ion conducting pathway between the first surface and the second surface; and (c) a combination thereof; and (B) a metal, a metal oxide and a combination thereof. A porous, chemically active electron conducting coating.

【0021】ある実施態様においては、上記実質的なペ
ロブスカイト物質は、{A1-xA'x}BO3-δ、{Bi2-yAyO
2-δ'}{(A1-xA'x)n-1BnO3n+1-δ"}およびそれらの組み
合わせからなる群から選択される組成を有し、ここで、
Aは、Ca、Sr、Ba、Bi、Pb、K、Sb、Te、Naおよびそれら
の混合物からなる群から選択され;A'は、La、Y、Ce、P
r、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、L
u、Th、Uおよびそれらの混合物からなる群から選択さ
れ;Bは、Fe、Mg、Cr、V、Ti、Ni、Ta、Mn、Co、V、Cu
およびそれらの混合物からなる群から選択され;xは、
約0.9以下であり;yは、0〜2の整数であり;nは、
1〜7の整数であり;そしてδ、δ'およびδ"は、該金
属の原子価により決定される。
In one embodiment, the substantial perovskite material is {A 1-x A ' x } BO 3-δ , {Bi 2-y A y O
Having a composition selected from the group consisting of 2-δ ′ } {(A 1−x A ′ x ) n−1 B n O 3n + 1−δ ″ } and combinations thereof, wherein
A is selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, K, Sb, Te, Na and mixtures thereof; A 'is La, Y, Ce, P
r, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, L
B is selected from the group consisting of u, Th, U and mixtures thereof; B is Fe, Mg, Cr, V, Ti, Ni, Ta, Mn, Co, V, Cu
And x is a member selected from the group consisting of:
Y is an integer from 0 to 2; n is
And δ, δ ′ and δ ″ are determined by the valency of the metal.

【0022】他の実施態様においては、上記実質的なペ
ロブスカイト物質は、立方ペロブスカイト、ブラウンミ
レライト(brownmillerite)、オーリビリウス(Aurivilli
us)相およびそれらの組み合わせからなる群から選択さ
れ、例えば、立方ペロブスカイトまたはブラウンミレラ
イトである。
In another embodiment, the substantial perovskite material is cubic perovskite, brownmillerite, Aurivillius.
us) phases and combinations thereof, for example, cubic perovskites or brown millerite.

【0023】さらに他の実施態様においては、本発明の
固体膜は、実質的なペロブスカイト物質および多孔性で
化学的に活性な電子伝導被覆の構造を有する、固体膜で
あって、該電子伝導被覆は、金属、金属酸化物およびそ
れらの組み合わせからなる群から選択され、該ペロブス
カイト物質は、{(Bi2-yAyO2-δ')}{(A1-xA'x)n-1BnO
3n+1-δ"}の組成を有し、ここで、Aは、Ca、Sr、Ba、B
i、Pb、K、Sb、Te、Naおよびそれらの混合物からなる群
から選択され;A'は、La、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、E
u、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Uおよびそれ
らの混合物からなる群から選択され;Bは、Fe、Mg、C
r、V、Ti、Ni、Ta、Mn、Co、Cuおよびそれらの混合物か
らなる群から選択され;xは、約0.9以下であり;y
は、0〜2の整数であり;nは、1〜7の整数であり;
そしてδ'およびδ"は、該金属の原子価により決定され
る。
In yet another embodiment, the solid membrane of the present invention is a solid membrane having a structure of a substantially perovskite material and a porous, chemically active electron conducting coating. Is selected from the group consisting of metals, metal oxides and combinations thereof, wherein the perovskite material is {(Bi 2-y A y O 2-δ ′ )} {(A 1-x A ′ x ) n- 1 B n O
3n + 1-δ ″ }, wherein A is Ca, Sr, Ba, B
A 'is selected from the group consisting of i, Pb, K, Sb, Te, Na and mixtures thereof; A' is La, Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, E
u is selected from the group consisting of u, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U and mixtures thereof; B is Fe, Mg, C
selected from the group consisting of r, V, Ti, Ni, Ta, Mn, Co, Cu and mixtures thereof; x is about 0.9 or less; y
Is an integer from 0 to 2; n is an integer from 1 to 7;
And δ ′ and δ ″ are determined by the valence of the metal.

【0024】さらに他の実施態様においては、本発明の
固体膜は、実質的なペロブスカイト物質および多孔性被
覆の構造を有する、固体膜であって、該被覆は、金属、
金属酸化物およびそれらの組み合わせからなる群から選
択され、該ペロブスカイト物質が、オーリビリウス相を
有する。
In yet another embodiment, the solid membrane of the present invention is a solid membrane having a structure of a substantially perovskite material and a porous coating, wherein the coating comprises a metal,
Selected from the group consisting of metal oxides and combinations thereof, wherein the perovskite material has an Aulivili phase.

【0025】さらに他の実施形態においては、上記多孔
性被覆は、白金、銀、パラジウム、鉛、コバルト、ニッ
ケル、銅、ビスマス、サマリウム、インジウム、スズ、
プラセオジム、それらの酸化物およびそれらの組み合わ
せからなる群から選択される。
In yet another embodiment, the porous coating comprises platinum, silver, palladium, lead, cobalt, nickel, copper, bismuth, samarium, indium, tin,
It is selected from the group consisting of praseodymium, their oxides, and combinations thereof.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】本発明は、工業用の流体流を分離
することができる新規な混合導体膜に関する。この膜
は、化学的に活性な被覆を有し、そして従来技術の固体
膜と比較して、高いフラックスが認められるように、25
℃からこの膜の操作温度までの範囲の温度にわたって、
空気中で、実質的に安定な実質的なペロブスカイト構造
を形成する構造および組成を有する。膜操作温度の上限
範囲は、C2-C4炭化水素および酸素の製造プロセスの部
分酸化については、約400℃であり;選択された部分酸
化および酸素製造プロセス、および工業用気体および工
業用液体からの酸素の除去については、約700℃であ
り;そして一定の環境下での上述のプロセス、およびメ
タンおよび天然ガスの部分酸化については、約850℃で
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a novel mixed conductor membrane capable of separating an industrial fluid stream. This membrane has a chemically active coating and, as compared to the prior art solid membrane, a higher flux is observed, as shown in FIG.
Over a temperature range from ℃ to the operating temperature of this membrane,
It has a structure and composition that forms a substantially stable, substantially perovskite structure in air. The upper range of membrane operating temperatures is about 400 ° C. for the partial oxidation of C 2 -C 4 hydrocarbon and oxygen production processes; selected partial oxidation and oxygen production processes, and industrial gases and liquids About 700 ° C. for the removal of oxygen from water; and about 850 ° C. for the processes described above under certain circumstances, and for the partial oxidation of methane and natural gas.

【0027】混合伝導性酸化物層を含む膜は公知である
ものの、本発明の流体不浸透性膜は、実質的にペロブス
カイト構造を形成する組成を有する。このような構造
は、高いフラックス、特に酸素の高いフラックスを示
す。金属または金属酸化物の多孔性被覆は、供給側の界
面の流体交換の動力学的な速度、浸透側の界面の流体交
換の動力学的な速度またはそれらの両方を高める。この
ような様式で、そのような物質から作製された膜は、高
いフラックスを示す。
Although the membrane containing the mixed conductive oxide layer is known, the fluid impermeable membrane of the present invention has a composition that substantially forms a perovskite structure. Such a structure exhibits a high flux, especially a high flux of oxygen. The porous coating of metal or metal oxide enhances the kinetic rate of fluid exchange at the feed side interface, the kinetic rate of fluid exchange at the permeate side interface, or both. In such a manner, membranes made from such materials exhibit a high flux.

【0028】本発明の流体不浸透性膜は、少なくとも2
種の異なる金属酸化物の混合物から形成され、ここで、
この多成分金属酸化物は、約400℃より高い温度で、電
子伝導性および生成物流体イオン伝導性を示すペロブス
カイト構造を形成する。これらの物質は、一般的に、混
合伝導性酸化物と呼ばれる。
[0028] The fluid impermeable membrane of the present invention comprises at least 2
Formed from a mixture of different metal oxides, wherein:
The multi-component metal oxide forms a perovskite structure that exhibits electron conductivity and product fluid ionic conductivity at temperatures above about 400 ° C. These materials are commonly called mixed conductive oxides.

【0029】適切な混合伝導性酸化物は、以下の構造に
より表わされる: [A1-xA'x]BO3-δ または [Bi2-yAyO2-δ'][(A1-xA'x)n-1BnO3n+1-δ"] ここで、Aは、Ca、Sr、Ba、Bi、Pb、Ca、K、Sb、Te、Na
およびそれらの混合物からなる群から選択され;A'は、
La、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu、Th、Uおよびそれらの混合物からなる群
から選択され;Bは、Fe、Mg、Cr、V、Ti、Ni、Ta、Mn、
Co、V、Cuおよびそれらの混合物からなる群から選択さ
れ;xは、0.9以下、好ましくは、約0.6以下、さらに好
ましくは、0.4以下、最も好ましくは、0.25以下であ
り;yは、0〜2の整数であり;nは、1〜7の整数で
あり;そしてδ、δ'およびδ"は、該金属の原子価によ
り決定される。
Suitable mixed conducting oxides are represented by the following structure: [A 1-x A ′ x ] BO 3-δ or [Bi 2-y A y O 2-δ ′ ] [(A 1 -x A ' x ) n-1 B n O 3n + 1-δ " ] where A is Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, Ca, K, Sb, Te, Na
And A 'is selected from the group consisting of:
La, Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, E
B is selected from the group consisting of r, Tm, Yb, Lu, Th, U and mixtures thereof; B is Fe, Mg, Cr, V, Ti, Ni, Ta, Mn,
X is selected from the group consisting of Co, V, Cu and mixtures thereof; x is 0.9 or less, preferably about 0.6 or less, more preferably 0.4 or less, most preferably 0.25 or less; N is an integer from 1 to 7; and δ, δ ′ and δ ″ are determined by the valency of the metal.

【0030】この混合伝導性酸化物は、流体不浸透性膜
に形成される。この流体不浸透性膜の少なくとも1つの
表面は、金属または金属酸化物の多孔性層で被覆されて
いる。この被覆は、化学的に活性な部位として作用し、
この部位は、この流体不浸透性膜の表面において、この
界面での流体交換の動力学的速度を高める。
The mixed conductive oxide is formed on a fluid-impermeable membrane. At least one surface of the fluid impermeable membrane is coated with a porous layer of a metal or metal oxide. This coating acts as a chemically active site,
This site increases the kinetic rate of fluid exchange at the interface at the surface of the fluid impermeable membrane.

【0031】本発明は、固体膜に関し、これは、実質的
なペロブスカイト物質(substantially perovskitic mat
erial)、電子伝導相および酸素イオン伝導相の密な気体
不浸透性多相混合物、およびそれらの組み合わせからな
る群から選択される構造;および金属、金属酸化物およ
びそれらの組み合わせからなる群から選択される多孔性
被覆を有する。
The present invention relates to a solid film, which comprises a substantially perovskite material.
erial), a structure selected from the group consisting of a dense gas-impermeable multiphase mixture of an electron conducting phase and an oxygen ion conducting phase, and combinations thereof; and selected from the group consisting of metals, metal oxides, and combinations thereof. Having a porous coating.

【0032】本発明はまた、ここに記載されている被覆
混合導体から形成される1またはそれ以上の膜の使用に
関する。そのような膜の適切な使用には、C1-C4炭化水
素の部分酸化についてのプロセス、酸素の分離、製造お
よび酸素含有流体(特に、空気、または他の流体で希釈
した空気)からの酸素の除去についてのプロセスが挙げ
られる。
The present invention also relates to the use of one or more membranes formed from the coated mixed conductors described herein. The appropriate use of such membranes, processes for the partial oxidation of C 1 -C 4 hydrocarbons, oxygen separation, production and oxygen containing fluids (in particular, air or diluted air other fluids) from A process for removing oxygen is mentioned.

【0033】本発明は、化学的に活性な被覆を有するペ
ロブスカイト膜、およびそのような膜を使用するプロセ
スに関する。そのようなプロセスの1つには、高温で
の、酸素含有供給原料からの酸素の分離がある。この膜
は、生成物流体イオンおよび電子の導体であり、実質的
なペロブスカイト構造を形成するような組成である。特
定の組成は、混合伝導性流体不浸透性膜において、ペロ
ブスカイト構造を安定化させる。このような物質から作
製した膜は、高いフラックスを示す。さらに特定する
と、混合導体膜(その流体不浸透性膜は、以下の組成を
有する)は、予想以上に高い流体輸送フラックス(特
に、酸素の輸送フラックス)を示すことが明らかとなっ
た: [A1-xA'x]BO3-δ 式1 または [Bi2-yAyO2-δ'][(A1-xA'x)n-1BnO3n+1-δ"] 式2 ここで、Aは、Ca、Sr、Ba、Bi、Pb、Ca、K、Sb、Te、Na
およびそれらの混合物からなる群から選択され;A'は、
La、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu、Th、Uおよびそれらの混合物からなる群
から選択され;Bは、Fe、Mg、Cr、V、Ti、Ni、Ta、Mn、
Co、V、Cuおよびそれらの混合物からなる群から選択さ
れ;xは、0.9以下であり;yは、0〜2の整数であ
り;nは、1〜7の整数であり;そしてδ、δ'および
δ"は、該金属の原子価により決定され;ここで、この
ペロブスカイト相は、25〜950℃の温度範囲にわたっ
て、空気中で、実質的に安定であり、白金、銀、パラジ
ウム、鉛、コバルト、ニッケル、銅、ビスマス、サマリ
ウム、インジウム、スズ、プラセオジム、それらの酸化
物およびそれらの組み合わせからなる群から選択される
金属または金属酸化物の多孔性層で被覆される。
The present invention relates to perovskite membranes having chemically active coatings, and to processes using such membranes. One such process involves the separation of oxygen from an oxygen-containing feed at an elevated temperature. The membrane is a conductor of product fluid ions and electrons and is of such a composition as to form a substantial perovskite structure. Certain compositions stabilize the perovskite structure in a mixed conducting fluid impermeable membrane. Films made from such materials exhibit high fluxes. More specifically, it has been found that the mixed conductor membrane, whose fluid impermeable membrane has the following composition, exhibits an unexpectedly high fluid transport flux, especially the transport flux of oxygen: 1-x A ' x ] BO 3-δ formula 1 or [Bi 2-y A y O 2-δ' ] [(A 1-x A ' x ) n-1 B n O 3n + 1-δ " ] Where A is Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, Ca, K, Sb, Te, Na
And A 'is selected from the group consisting of:
La, Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, E
B is selected from the group consisting of r, Tm, Yb, Lu, Th, U and mixtures thereof; B is Fe, Mg, Cr, V, Ti, Ni, Ta, Mn,
Selected from the group consisting of Co, V, Cu and mixtures thereof; x is less than or equal to 0.9; y is an integer from 0 to 2; n is an integer from 1 to 7; 'And δ "are determined by the valency of the metal; wherein the perovskite phase is substantially stable in air over a temperature range of 25-950 ° C and contains platinum, silver, palladium, lead , Cobalt, nickel, copper, bismuth, samarium, indium, tin, praseodymium, oxides thereof, and combinations thereof, coated with a porous layer of a metal or metal oxide.

【0034】出願人の発見は、生成物流体が混合伝導性
酸化物膜を通ってイオン的に輸送される機構の理解を発
展させることにより、より充分に理解され得る。典型的
な生成物流体には、工業用の気体(例えば、酸素、窒
素、アルゴン、水素、ヘリウム、ネオン、空気、一酸化
炭素、二酸化炭素、合成ガス(COおよびH2の混合物)な
ど)が包含される。従来の混合物導体膜で認められる生
成物流体フラックスは、表面の動力学的な制限およびバ
ルク拡散の制限により、制御される。表面の動力学的な
制限は、生成物流体フラックスに対する束縛要因であ
る。この生成物流体フラックスは、この混合導体膜の供
給側にある供給原料流体分子を移動性イオンに変換する
こと、およびこのイオンを、生成物流体分子に変換して
戻すか、またはこのイオンを、この混合導体膜の浸透側
にて、反応性流体分子と反応させることに関与する多く
の工程の1つまたはそれ以上により生じる。バルク拡散
の制限は、この流体不浸透性膜物質を通る生成物流体イ
オンの拡散性に関係する流体フラックスの束縛要因であ
る。
Applicants' findings can be better understood by developing an understanding of the mechanism by which product fluids are ionically transported through mixed conducting oxide membranes. Typical product fluid, industrial gases (e.g., oxygen, nitrogen, argon, hydrogen, helium, neon, air, carbon monoxide, carbon dioxide, a mixture of synthesis gas (CO and H 2), etc.) Included. The product fluid flux found in conventional mixed conductor membranes is controlled by surface kinetic limitations and bulk diffusion limitations. Surface kinetic limitations are a constraint on the product fluid flux. The product fluid flux converts feed fluid molecules on the feed side of the mixed conductor membrane to mobile ions and converts the ions back to product fluid molecules or converts the ions to On the permeate side of the mixed conductor membrane, it results from one or more of the many steps involved in reacting with reactive fluid molecules. Bulk diffusion limitations are fluid flux constraint factors related to the diffusivity of product fluid ions through this fluid impermeable membrane material.

【0035】実質的にペロブスカイト相物質から構成さ
れる膜は、全体的に高い生成物流体フラックスを示す。
しかしながら、このペロブスカイト相は、全ての混合伝
導性酸化物物質では形成されないか、または形成された
としても、必要な範囲の作製条件および操作条件では、
安定ではない。例えば、六方相物質から形成した膜は、
ほとんど酸素フラックスを示さず、たとえあったとして
もほんのわずかである。効果的な酸素膜を製造するため
には、従って、この膜組成は、操作条件において、この
膜内にて、実質的に高い割合の安定ペロブスカイト相を
維持しなければならない。
Membranes consisting essentially of perovskite phase materials exhibit an overall high product fluid flux.
However, this perovskite phase is not formed, or even formed, in all mixed conducting oxide materials, under the required range of fabrication and operating conditions,
Not stable. For example, a film formed from a hexagonal phase material
Shows little or no oxygen flux, if any. In order to produce an effective oxygen film, the film composition must therefore maintain a substantially high percentage of the stable perovskite phase within the film at operating conditions.

【0036】この流体不浸透性膜にわたって、高いバル
ク拡散速度を完全なものとするためには、界面の流体交
換の動力学的な速度を検討しなければならない。この供
給原料流体が、この流体不浸透性膜の供給側において、
移動性のイオンに変換される速度、またはこの流体不浸
透性膜中の移動性のイオンが、生成物流体分子に変換し
て戻される速度が、この流体不浸透性膜のバルク拡散速
度よりも低いなら、全体的な生成物の浸透速度は、3つ
のプロセスのうちの最も遅いものに限定される。
In order to achieve a high bulk diffusion rate across this fluid impermeable membrane, the kinetic rate of interfacial fluid exchange must be considered. The feed fluid is provided on the feed side of the fluid impermeable membrane,
The rate at which mobile ions are converted to mobile ions, or the rate at which mobile ions in the fluid-impermeable membrane are converted back to product fluid molecules, is greater than the bulk diffusion rate of the fluid-impermeable membrane. If low, the overall product penetration rate is limited to the slowest of the three processes.

【0037】出願人は、空気中における室温および常圧
という条件から、生成物流体分離に使用される条件まで
の範囲にわたって、以前には安定ペロブスカイト相を保
持することができなかった組成の流体不浸透性膜におい
て、そのペロブスカイト相を安定化する新規な組成を発
見した。特に、特定の組成は、ABO物質の実質的なペロ
ブスカイト構造において、実質的に立方状のペロブスカ
イト層を安定化する。この立方ペロブスカイト(cubic p
erovskite)物質の1またはそれ以上の表面の多孔性被覆
は、流体の吸着、イオン化、再結合または脱着の速度を
高め、そして、全体的な流体フラックス速度を高める。
Applicants have reported that fluids ranging in composition from room temperature and atmospheric pressure in air to those used for product fluid separation have previously been unable to maintain a stable perovskite phase. We have discovered a novel composition that stabilizes the perovskite phase in permeable membranes. In particular, certain compositions stabilize the substantially cubic perovskite layer in the substantially perovskite structure of the ABO material. This cubic perovskite (cubic p
The porous coating of one or more surfaces of the erovskite) material increases the rate of fluid adsorption, ionization, recombination or desorption, and increases the overall fluid flux rate.

【0038】本発明は、被覆膜を提供し、実質的なペロ
ブスカイト相である混合導体酸化物構造の作製を可能に
する。このような物質から製造した膜は、このようにし
て比較的な高い全体的なバルク拡散速度を示す。
The present invention provides a coating and allows for the production of mixed conductor oxide structures that are substantially perovskite phases. Films made from such materials thus exhibit relatively high overall bulk diffusion rates.

【0039】本願の請求の範囲に記載された膜は、式1
および式2に記載した組成を有し、この組成は、連絡し
た貫通多孔性を有さず、金属、金属酸化物または金属と
金属酸化物との混合物の多孔性層で被覆された、空気中
で25〜950℃において実質的に安定なペロブスカイト構
造を有し、そして操作温度にて、電子および生成物流体
イオンを伝導する能力を有する。
The film described in the claims of the present application has the formula (1)
And having a composition described in Formula 2, wherein the composition has no interconnected through-porosity and is coated with a porous layer of metal, metal oxide or a mixture of metal and metal oxide in air. Has a substantially stable perovskite structure at 25-950 ° C. and has the ability to conduct electrons and product fluid ions at operating temperatures.

【0040】本発明を実施するのに適切な多成分金属酸
化物は、「混合」伝導性酸化物と呼ばれる。その理由
は、このような多成分金属酸化物が、高温で、電子およ
び生成物流体イオンを伝導するからである。適切な混合
伝導性酸化物は、式1および2の組成により表わされ、
空気中にて、25℃から物質の操作温度で、実質的に安定
な立方ペロブスカイト構造を生じる。先行文献で記述さ
れた物質は、著しく低い生成物流体フラックスを示す。
Multicomponent metal oxides suitable for practicing the present invention are referred to as "mixed" conductive oxides. This is because such multicomponent metal oxides conduct electrons and product fluid ions at high temperatures. Suitable mixed conducting oxides are represented by the compositions of Formulas 1 and 2,
In air, at 25 ° C. to the operating temperature of the material, a substantially stable cubic perovskite structure results. The materials described in the prior art exhibit a significantly lower product fluid flux.

【0041】この物質の厚さは、この膜の充分な機械的
強度を保証するために、変えることができる。先に述べ
たように、膜が薄くなるほど、所定の膜物質に対する全
体的なバルク拡散速度が高くなる。この現象を利用する
ために、薄い膜を、1またはそれ以上の多孔質の支持体
で支持してもよい。出願人の発明の支持されていない混
合導体膜の最小厚さは、約0.01 mm、好ましくは、約0.0
5 mm、最も好ましくは、約0.1 mmである。出願人の発明
の支持されていない混合導体膜の最大厚さは、約10 m
m、好ましくは、約2 mm、最も好ましくは、約1 mmで
ある。
The thickness of the material can be varied to ensure sufficient mechanical strength of the film. As mentioned earlier, the thinner the film, the higher the overall bulk diffusion rate for a given film material. To take advantage of this phenomenon, thin membranes may be supported on one or more porous supports. The minimum thickness of the unsupported mixed conductor film of Applicants' invention is about 0.01 mm, preferably about 0.0
5 mm, most preferably about 0.1 mm. The maximum thickness of the unsupported mixed conductor film of the applicant's invention is about 10 m
m, preferably about 2 mm, and most preferably about 1 mm.

【0042】出願人の発明の支持されている混合導体膜
の最小厚さは、約0.0005 mm、好ましくは、約0.001 m
m、最も好ましくは、約0.01 mmである。出願人の発明の
支持されている混合導体膜の最大厚さは、約2 mm、好
ましくは、約1 mm、最も好ましくは、約0.1 mmであ
る。
The minimum thickness of the supported mixed conductor film of Applicants' invention is about 0.0005 mm, preferably about 0.001 m
m, most preferably about 0.01 mm. The maximum thickness of the supported mixed conductor membrane of Applicants' invention is about 2 mm, preferably about 1 mm, and most preferably about 0.1 mm.

【0043】高い生成物流体フラックスに加えて、本発
明の膜は、25℃からこの膜の操作温度までの温度範囲お
よび1〜約1×10-6気圧(絶対圧)の酸素分圧範囲にわた
って、相転移を受けることなく、安定性を示す。実質的
に安定なペロブスカイト構造は、25℃〜950℃の温度範
囲および1〜約1×10-6気圧(絶対圧)の酸素分圧範囲に
わたって、永久的な相転移を示さない、90%以上のペロ
ブスカイト相物質、好ましくは、95%以上のペロブスカ
イト相物質、そして最も好ましくは、98%以上のペロブ
スカイト相物質を有する全ての構造が挙げられる。
In addition to the high product fluid flux, the membrane of the present invention can be used over a temperature range from 25 ° C. to the operating temperature of the membrane and an oxygen partial pressure range from 1 to about 1 × 10 −6 atmospheres (absolute). Shows stability without undergoing phase transition. The substantially stable perovskite structure exhibits no permanent phase transition over a temperature range of 25 ° C. to 950 ° C. and an oxygen partial pressure range of 1 to about 1 × 10 −6 atm (absolute), more than 90% Perovskite phase material, preferably 95% or more perovskite phase material, and most preferably 98% or more perovskite phase material.

【0044】出願人の発明はまた、電子伝導性物質のい
ずれかと、生成物流体イオン伝導性物質のいずれかおよ
び/または気体不浸透性「単一相」混合金属酸化物との
密な流体不浸透性多相混合物の、化学的に活性な被覆さ
れた膜を包含し、この混合金属酸化物は、ペロブスカイ
ト構造を有し、電子伝導性および生成物流体イオン伝導
性の両方を有する。「流体不浸透性」という語句は、こ
こでは、この混合物が、実質的な量の流体がこの膜を通
過することを許容しない(すなわち、この膜は、関連す
る流体に対して、多孔性というよりもむしろ、非多孔性
である)という点において、「実質的に流体不浸透性ま
たは気密」であることを意味するように定義されてい
る。ある場合においては、例えば、水素ガスが存在する
ような場合には、流体がわずかな程度に浸透するのは許
容され得るし、避けがたい。
Applicants' invention also provides a method for forming a dense fluid impregnation of any of the electron conductive materials with any of the product fluid ion conductive materials and / or the gas impermeable "single phase" mixed metal oxide. Include a chemically active coated membrane of an osmotic multiphase mixture, the mixed metal oxide having a perovskite structure and having both electronic and product fluid ionic conductivity. The phrase "fluid impervious" herein means that the mixture does not allow a substantial amount of fluid to pass through the membrane (i.e., the membrane is referred to as porous with respect to the associated fluid). Rather than being non-porous), it is defined to mean "substantially fluid impermeable or gas tight." In some cases, for example, in the presence of hydrogen gas, a slight penetration of the fluid can be tolerated and unavoidable.

【0045】この固体多成分膜に関して、「混合物」と
いう用語は、2またはそれ以上の固相、および種々の元
素の原子が同一固相に混在した単一相物質(例えば、イ
ットリウム安定化ジルコニア)からなる物質を含む。
「多相混合物」という語句は、2またはそれ以上の固相
を、単一相溶液を形成することなく、点在して含有する
組成を意味する。
With respect to this solid multi-component membrane, the term "mixture" refers to a two- or more solid phase and a single phase material in which atoms of various elements are mixed in the same solid phase (eg, yttrium stabilized zirconia). Including a substance consisting of
The phrase "multiphase mixture" means a composition that contains two or more solid phases interspersed without forming a single phase solution.

【0046】言い換えれば、この多相混合物は、「多
相」である。その理由は、この電子伝導性物質および生
成物流体イオン伝導性物質は、この多成分膜の種々の成
分の原子の、その大部分が、同一固相に混在されないよ
うに、この流体不浸透性固体膜中において、少なくとも
2つの固相として、存在するからである。
In other words, the multiphase mixture is “multiphase”. The reason for this is that the electron-conducting material and the product fluid-ion-conducting material are made of a fluid-impermeable material such that most of the atoms of the various components of the multicomponent membrane are not mixed in the same solid phase This is because there are at least two solid phases in the solid film.

【0047】本発明の多相固体膜は、当該技術分野で公
知の「ドープされた」物質とは、実質的に異なる。典型
的なドーピング操作は、少量の元素またはその酸化物
(すなわち、ドーパント)を、多量の組成物(すなわち、
ホスト物質)に添加することを包含するが、この際、こ
のドーパントの原子は、このドープ工程中に、このホス
ト物質と永久的に混在するようにされ、それにより、こ
の物質は単一相を形成する。他方、本発明の多相固体膜
は、生成物流体イオン伝導性物質および電子伝導性物質
を有し、これらは、上記のドーパント/ホスト物質の関
係では存在せず、実質的に別個の相で存在する。従っ
て、本発明の固体膜は、ドープされたされた物質という
よりもむしろ、2相、2つの部分からなる導体、多相ま
たは多成分膜と呼ばれ得る。
The multiphase solid film of the present invention is substantially different from "doped" materials known in the art. A typical doping operation involves a small amount of an element or its oxide
(I.e., the dopant) in a large amount of the composition (i.e.,
To the host material), wherein the atoms of the dopant are made to be permanently mixed with the host material during the doping step, whereby the material becomes a single phase. Form. On the other hand, the multiphase solid membrane of the present invention has a product fluid ion conductive material and an electron conductive material, which are not present in the above-described dopant / host material relationship, but are substantially separate phases. Exists. Thus, the solid film of the present invention may be referred to as a two-phase, two-part conductor, multi-phase or multi-component film, rather than a doped material.

【0048】本発明の固体膜は、第一表面、第二表面、
この第一表面および第二表面の間の電子伝導性通路、お
よびこの第一表面および第二表面の間の酸素イオン伝導
性通路を有していてもよい。
The solid film of the present invention comprises a first surface, a second surface,
An electron conductive path between the first surface and the second surface and an oxygen ion conductive path between the first surface and the second surface may be provided.

【0049】本発明の多相膜は、電子顕微鏡検査、X線
回折分析、X線吸着マッピング、電子回折分析、赤外分
析など(これらは、この膜の多相領域にわたって、組成
の相違を検出できる)のような通常の操作によって、ド
ープされた物質から区別できる。
The multiphase films of the present invention can be used for electron microscopy, X-ray diffraction analysis, X-ray adsorption mapping, electron diffraction analysis, infrared analysis, etc. (these detect differences in composition over the multiphase region of the film). Can be distinguished from the doped material by conventional procedures such as

【0050】典型的には、この生成物流体イオン伝導性
物質または相は、二価カチオンおよび三価カチオンを含
む酸化物(例えば、酸化カルシウム、酸化スカンジウ
ム、酸化イットリウム、酸化ランタンなど)と、四価カ
チオン(例えば、ジルコニア、トリアおよびセリア)を含
む酸化物との間に形成した固溶体(すなわち、固体「電
解質」)であるか、またはこの生成物流体イオン伝導性
物質または相は、ペロブスカイト構造の生成物流体イオ
ン伝導性混合金属酸化物を含有する。それらの高いイオ
ン伝導率は、生成物流体イオン部位に空孔が存在するた
めと考えられている。ある種の生成物流体イオンの空孔
は、その格子内の、四価イオンを置換した各二価カチオ
ンまたは各2個の三価カチオンに対して、生じる。多数
の酸化物(例えば、イットリア安定化ジルコニア、ドー
プされたセリア(ceria)、トリアベースの(thoria-base
d)物質、またはドープされたビスマス酸化物)のいずれ
もが使用できる。公知の固体酸化物移動物質のいくつか
には、Y2O3安定化ZrO2、CaO安定化ZrO2、Sc2O3安定化Zr
O2、Y2O3安定化Bi2O2、Y2O3安定化CeO2、CaO安定化Ce
O2、ThO2、Y2O3安定化ThO2、またはランタノイド酸化物
またはCaOのいずれか1種を添加することにより安定化
したThO2、ZrO2、Bi2O3、CeO2またはHfO2がある。生成
物流体イオン伝導能を示す多くの他の酸化物は公知であ
り、これらはこの多相混合物において使用でき、本発明
の概念に含まれる。
Typically, the product fluid ionically conductive material or phase comprises an oxide containing divalent and trivalent cations (eg, calcium oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, etc.), Is a solid solution (i.e., a solid "electrolyte") formed between the oxide containing a multivalent cation (e.g., zirconia, tria and ceria), or the product fluid ionic conductive material or phase has a perovskite structure The product fluid contains an ion conductive mixed metal oxide. It is believed that their high ionic conductivity is due to the presence of vacancies at the product fluid ionic sites. Certain product fluid ion vacancies are created for each divalent or two trivalent cation that replaces a tetravalent ion in the lattice. Numerous oxides (e.g., yttria-stabilized zirconia, doped ceria, thoria-base
d) material or doped bismuth oxide) can be used. Some of the known solid oxide transfer materials include Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 , CaO stabilized ZrO 2 , Sc 2 O 3 stabilized Zr
O 2 , Y 2 O 3 stabilized Bi 2 O 2 , Y 2 O 3 stabilized CeO 2 , CaO stabilized Ce
O 2 , ThO 2 , Y 2 O 3 stabilized ThO 2 , or ThO 2 , ZrO 2 , Bi 2 O 3 , CeO 2 or HfO 2 stabilized by adding any one of lanthanoid oxide and CaO There is. Many other oxides that exhibit product fluid ionic conductivity are known and can be used in this multiphase mixture and are included in the concept of the present invention.

【0051】これらの固体電解質のうち、Y2O3(イット
リア)およびCaO(カルシア)安定化ZrO2(ジルコニア)物質
が好ましい。これらの2種の固体電解質は、その高いイ
オン伝導性、その広範囲の温度および生成物流体圧力に
わたる生成物流体イオン伝導性、およびその比較的に低
いコストにより、特徴づけられる。
Of these solid electrolytes, Y 2 O 3 (yttria) and CaO (calcia) stabilized ZrO 2 (zirconia) materials are preferred. These two solid electrolytes are characterized by their high ionic conductivity, their product fluid ionic conductivity over a wide range of temperatures and product fluid pressures, and their relatively low cost.

【0052】出願人はまた、ペロブスカイト構造が、多
相物質において、優れた電子伝導性および生成物流体イ
オン伝導性を示すので、ペロブスカイト物質は、電子伝
導性物質、生成物流体イオン伝導性物質またはそれらの
両方として、使用できることを発見した。得られた多相
混合物は、多孔性で化学的に活性な物質で被覆して、高
いフラックスの固体膜を製造できる。
Applicants have also noted that the perovskite structure exhibits excellent electronic and product fluid ionic conductivity in multiphase materials, so that the perovskite material may be an electronically conductive material, a product fluid ionic conductive material or I found that both of them could be used. The resulting multiphase mixture can be coated with a porous, chemically active material to produce a high flux solid film.

【0053】本発明は、密な気体不浸透性多相混合物
(約1〜約75容量部の電子伝導性相および約25〜約99容
量部の生成物流体イオン伝導性相を含有する)を有する
固体膜からなってもよい。
The present invention provides a dense, gas-impermeable, multiphase mixture containing from about 1 to about 75 parts by volume of an electron conducting phase and from about 25 to about 99 parts by volume of a product fluid ion conducting phase. It may consist of a solid film having

【0054】この多孔性被覆は、白金、銀、パラジウ
ム、鉛、コバルト、ニッケル、銅、ビスマス、サマリウ
ム、インジウム、スズ、プラセオジム、それらの酸化物
およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金
属または金属酸化物を含有する。このような場合に、こ
の被覆は、操作条件下にて、約1.0 ohm-1cm-1未満、好
ましくは、約0.1 ohm-1cm-1未満、最も好ましくは、約
0.01 ohm-1cm-1未満の酸素イオン伝導率を示す。この多
孔性被覆は、標準的な付与方法(噴霧、浸漬、積層、プ
レス、インプラント、スパッター蒸着、化学蒸着などを
含めるが、これらの限定されない)を用いて、付与され
得る。
The porous coating may comprise a metal selected from the group consisting of platinum, silver, palladium, lead, cobalt, nickel, copper, bismuth, samarium, indium, tin, praseodymium, their oxides and combinations thereof. Contains metal oxide. In such a case, the coating, under operating conditions, is less than about 1.0 ohm -1 cm -1 , preferably less than about 0.1 ohm -1 cm -1 , and most preferably
It shows an oxygen ion conductivity of less than 0.01 ohm -1 cm -1 . The porous coating can be applied using standard application methods including, but not limited to, spraying, dipping, laminating, pressing, implanting, sputter deposition, chemical vapor deposition, and the like.

【0055】本発明の膜は、生成物流体含有原料流か
ら、生成物流体(例えば、酸素)を回収するのに使用でき
る。この回収は、生成物流体含有供給原料流を、当該膜
により第二室から分離された第一室に送り込むこと;第
一室にて過剰の生成物流体分圧を加えるかおよび/また
は第二室にて低い生成物流体分圧を加えることにより、
正の生成物流体分圧差を第一および第二室の間に確立す
ること;約400℃より高い温度で、生成物流体含有原料
流を、この膜と接触させて、この生成物流体含有原料流
を、生成物流体に富む浸透流および生成物流体に乏しい
溶離流に分離することにより行われる。
The membrane of the present invention can be used to recover product fluid (eg, oxygen) from a product stream containing product fluid. This recovery includes pumping the product fluid containing feed stream to a first chamber separated from the second chamber by the membrane; applying an excess product fluid partial pressure in the first chamber and / or By applying a low product fluid partial pressure in the chamber,
Establishing a positive product fluid partial pressure difference between the first and second chambers; at a temperature greater than about 400 ° C., contacting the product fluid containing feed stream with the membrane to produce a product fluid containing feed This is done by separating the stream into a permeate stream rich in product fluid and an eluent stream lean in product fluid.

【0056】この第一室に存在する生成物流体含有原料
流中の生成物流体を、この膜の第一表面に吸着させ、こ
の膜によってイオン化し、そしてこのイオン化形態でこ
の流体不浸透性膜を通って輸送するのに充分な温度に処
理温度を上げるときに、この第一室および第二室の間の
生成物流体分圧の差により、この分離を起こす駆動力が
提供される。生成物流体に富む浸透流は、集められる
か、または第二室にて反応し、ここで、このイオン性生
成物流体は、この第二室にて、この膜の第二表面におい
て、電子の放出により、中性型に変換される。
The product fluid in the product fluid containing feed stream present in the first chamber is adsorbed on the first surface of the membrane, ionized by the membrane, and in this ionized form, the fluid impermeable membrane The difference in product fluid partial pressure between the first and second chambers provides the driving force to cause this separation when raising the processing temperature to a temperature sufficient to transport through. The product fluid-enriched permeate is collected or reacts in a second chamber, where the ionic product fluid is passed through the second chamber at the second surface of the membrane to generate electrons. Upon release they are converted to neutral form.

【0057】この第一室および第二室の間の正の生成物
流体分圧差は、この第一室において、この原料流体(例
えば、酸素分離処理では、空気または他の酸素含有流
体)を、約1気圧に等しいかまたはそれより高い圧力に
て、この生成物流体に富む浸透流を回収するのに充分な
圧力にまで圧縮することにより、生じ得る。典型的な圧
力範囲は、約15 psia〜約250 psiaであり、最適な圧力
はこの生成物流体含有原料中の生成物流体の量に依存し
て変化する。必要な生成物流体分圧を達成するには、従
来の圧縮機が使用され得る。あるいは、この第一室およ
び第二室の間の正の生成物流体分圧差は、この第二室
を、この生成物流体に富む浸透流を回収するのに充分な
圧力にまで排気することにより、達成できる。この第二
室の排気は、圧縮機、ポンプなどを用いて、機械的に行
ってもよく、この生成物流体に富む浸透流を反応させる
ことにより、化学的に行ってもよく、この生成物流体に
富む浸透流を冷却することにより、熱的に行ってもよ
く、または当該技術分野で公知の他の方法により行って
も達成され得る。尚、本発明においては、上記方法によ
って、第二室での生成物流体分圧を低下させつつ、第一
室での生成物流体分圧の上昇を利用し得る。相対的な圧
力はまた、操作中に変化させてもよい。それは、生成物
流体の分離を最適にするのが必要であり、またはこの2
つの室に原料を供給し、もしくはそこから生成物流を受
けるプロセスを必要とするためである。
The positive product fluid partial pressure difference between the first and second chambers is such that in the first chamber, the feed fluid (eg, in an oxygen separation process, air or other oxygen-containing fluid) This can occur by compressing the product fluid-rich permeate at a pressure equal to or greater than about one atmosphere to a pressure sufficient to recover the permeate. Typical pressure ranges are from about 15 psia to about 250 psia, with the optimal pressure varying depending on the amount of product fluid in the product fluid-containing feed. Conventional compressors may be used to achieve the required product fluid partial pressure. Alternatively, the positive product fluid partial pressure difference between the first and second chambers is established by evacuating the second chamber to a pressure sufficient to recover the product fluid-rich permeate. Achievable. The exhaust of the second chamber may be performed mechanically using a compressor, a pump, or the like, or may be performed chemically by reacting a permeate flow rich in the product fluid. It may be performed thermally by cooling the body-rich permeate, or it may be achieved by other methods known in the art. In the present invention, the above method can utilize the increase in the product fluid partial pressure in the first chamber while reducing the product fluid partial pressure in the second chamber. The relative pressure may also be changed during operation. It is necessary to optimize the separation of the product fluid, or
This is because it requires a process of supplying raw materials to two chambers or receiving product streams therefrom.

【0058】この生成物流体に富む浸透流の回収は、こ
の実質的な生成物流体に富む浸透流を適当な容器に貯蔵
するか、またはそれを他の工程に移すことにより、行っ
てもよい。酸素製造プロセスについては、この生成物流
体に富む浸透流は、典型的には、純粋酸素または高純度
酸素(これは、一般に、少なくとも約90容量%のO2、好
ましくは、約95容量%を越えるO2、特に、99容量%を越
えるO2を含むものとして定義される)を含有する。
The recovery of the product fluid-rich permeate may be accomplished by storing the substantial product fluid-rich permeate in a suitable vessel or by transferring it to another step. . For an oxygen production process, the product fluid-enriched permeate typically comprises pure oxygen or high purity oxygen (which generally comprises at least about 90% by volume of O 2 , preferably about 95% by volume). O 2 exceeds, in particular, contain to) defined as including O 2 in excess of 99 volume%.

【0059】例示の目的上、酸素の分離および精製がこ
こに記述されているものの、本発明は、類似の様式で、
他の生成物流体(窒素、アルゴン、水素、ヘリウム、ネ
オン、空気、一酸化炭素、二酸化炭素、合成ガスなどを
含めるが、これらに限定されない)の分離、精製および
反応に使用できる。
Although the separation and purification of oxygen are described herein for illustrative purposes, the present invention
It can be used for the separation, purification and reaction of other product fluids, including but not limited to nitrogen, argon, hydrogen, helium, neon, air, carbon monoxide, carbon dioxide, syngas, and the like.

【0060】[0060]

【実施例】以下の実施例は、出願人の発明をさらに例示
するために、提供されている。この実施例は、例示であ
り、添付の請求の範囲を限定する意図はない。
The following examples are provided to further illustrate Applicants' invention. This example is illustrative and is not intended to limit the scope of the appended claims.

【0061】実施例1 [La0.2Sr0.8][Co0.1Fe0.7Cr0.2Mg0.01]O3-δという見か
けの組成を有する混合導体流体不浸透性膜を、米国特許
第5,061,682号(その内容は、本明細書中で参考として援
用される)に記述の実施例と同様の方法で、調製した。
溶解したスクロースを含有するおよそ30リットルの脱イ
オン水に、4232.60グラムのSr(NO3)2、773.80グラムのL
a2O3(Alpha, 850℃で乾燥)、6927.80グラムのFe(NO3)・
9H2O、730.50グラムのCo(NO3)3・6H2O、および64.10グ
ラムのMg(NO3)2を添加した。
Example 1 A mixed conductor fluid impervious membrane having an apparent composition of [La 0.2 Sr 0.8 ] [Co 0.1 Fe 0.7 Cr 0.2 Mg 0.01 ] O 3-δ was prepared according to US Pat. No. 5,061,682 (the content of , Incorporated herein by reference) in a manner similar to that described in the Examples.
To about 30 liters of deionized water containing dissolved sucrose, 4232.60 grams of Sr (NO 3) 2, 773.80 grams of L
a 2 O 3 (Alpha, dried at 850 ° C.), 6927.80 grams of Fe (NO 3 )
9H 2 O, 730.50 g of Co (NO 3) 3 · 6H 2 O, and 64.10 g of Mg (NO 3) 2 was added.

【0062】携帯型噴霧乾燥機を使用して、上記のセラ
ミック前駆体溶液を噴霧乾燥した。適当な携帯型噴霧乾
燥機は、Columbia, MdのNiro Atomizerから入手でき
る。この噴霧乾燥機は、40,000 rpmまで加速できる遠心
分離アトマイザーを含む。このアトマイザーは、乾燥チ
ャンバーの頂部付近に据えつけられる。乾燥チェンバー
は、2フィート7インチの内径を有し、2フィートの円
筒高さおよび60°の円錐底部を有する。この遠心分離ア
トマイザーおよび乾燥チェンバーは、ステンレス鋼から
製造されている。この乾燥チェンバーは、この乾燥チェ
ンバーに乾燥空気を送り込むために、電気加熱機に連結
されている。乾燥空気は、この乾燥チェンバーの下流側
に位置している送風機により、この乾燥チェンバーから
引き出される。この噴霧乾燥機は、この乾燥チェンバー
の底部から乾燥空気および乾燥生成物を受けるサイクロ
ン分離器を含む。このサイクロン分離器は、排気乾燥空
気から、乾燥生成物を分離する。このサイクロン分離器
の底部には出口があり、この出口により、この乾燥粒子
が、約300℃〜450℃の空気温度を維持できる垂直配向管
状炉中に下降する。この乾燥粒子は、この管状炉にて、
熱分解される。この管状炉は、自由に下降する粒子に、
約0.5〜2.0秒の滞留時間を与えるのに充分な高さを有す
る。この管状炉の底部は、収集チェンバーに連絡してお
り、ここでこのセラミック粒子が集められる。
The above ceramic precursor solution was spray-dried using a portable spray dryer. Suitable portable spray dryers are available from Niro Atomizer of Columbia, Md. The spray dryer includes a centrifugal atomizer that can accelerate to 40,000 rpm. This atomizer is installed near the top of the drying chamber. The drying chamber has an inside diameter of 2 feet 7 inches, a cylindrical height of 2 feet and a 60 ° conical bottom. The centrifugal atomizer and the drying chamber are manufactured from stainless steel. The drying chamber is connected to an electric heater for feeding dry air into the drying chamber. Dry air is drawn from the drying chamber by a blower located downstream of the drying chamber. The spray drier includes a cyclone separator that receives drying air and dried product from the bottom of the drying chamber. This cyclone separator separates the dry product from the exhaust dry air. At the bottom of the cyclone separator is an outlet through which the dry particles fall into a vertically oriented tubular furnace capable of maintaining an air temperature of about 300C to 450C. The dried particles are passed through the tube furnace
Pyrolyzed. This tube furnace transforms particles that descend freely into
It is high enough to provide a residence time of about 0.5-2.0 seconds. The bottom of the tube furnace communicates with a collection chamber where the ceramic particles are collected.

【0063】上記のセラミック前駆体溶液を、1時間あ
たり約1.8リットルの流速で、この噴霧乾燥チェンバー
に導入した。約30,000 RPMで回転している遠心分離アト
マイザーにより、この前駆体溶液を、約20〜50ミクロン
程度の直径を有する小滴に分割した。この乾燥チェンバ
ーおよびサイクロンを通る空気の流量は、1分間あた
り、約35〜40標準立方フィートの範囲であった。この乾
燥チェンバーに入る空気は、約375℃まで予備加熱され
た。この小滴が、この乾燥チェンバーの底部に向かっ
て、強制的に対流移動するにつれて、それらの直径が約
10.0ミクロン以下にまで低下するように、それらは、脱
水の臨界状態まで、脱水された。この乾燥チェンバーの
底部にある乾燥気体の温度は、およそ125℃であり、そ
れにより、実質的に全ての水が、この噴霧乾燥機中の粒
子から確実に除去された。次いで、この乾燥粉末および
乾燥空気は、このサイクロン分離器にて、互いに分離さ
れた。分離した粉末は、重力により、この管状炉に落下
し、約490℃まで予備加熱された。この炉内での粒子の
滞留時間は、約0.5〜2.0秒の範囲であった。この管状炉
内の温度により、個々の粒子中の硝酸塩イオンおよび酸
化物の間の発熱的アニオン酸化還元反応が開始された。
燃焼副生成物(CO2および水蒸気)は、この系を通り排気
口から出され、その間、反応した粒子を、収集ジャー中
に落とした。約1000グラムの粒子が集められた。
The above ceramic precursor solution was introduced into the spray drying chamber at a flow rate of about 1.8 liters per hour. The precursor solution was broken up into droplets having a diameter on the order of about 20-50 microns by a centrifugal atomizer rotating at about 30,000 RPM. Air flow rates through the drying chamber and cyclone ranged from about 35 to 40 standard cubic feet per minute. The air entering the drying chamber was preheated to about 375 ° C. As the droplets force convection toward the bottom of the drying chamber, their diameter decreases by about
They were dehydrated to a critical state of dehydration, dropping below 10.0 microns. The temperature of the drying gas at the bottom of the drying chamber was approximately 125 ° C., which ensured that substantially all of the water had been removed from the particles in the spray dryer. Then, the dried powder and the dried air were separated from each other in the cyclone separator. The separated powder dropped by gravity into the tube furnace and was preheated to about 490 ° C. The residence time of the particles in the furnace ranged from about 0.5 to 2.0 seconds. The temperature in the tube furnace initiated an exothermic anionic redox reaction between nitrate ions and oxides in the individual particles.
Combustion by-products (CO 2 and water vapor) exited the exhaust through this system while reacting particles dropped into the collection jar. About 1000 grams of particles were collected.

【0064】得られた粉末を分析したところ、[La0.19S
r0.8][Co0.1Fe0.69Cr0.2Mg0.01]Oxの組成を有してい
た。ZrO2媒体820gと共に、ジャーミルに、得られた粉
末のうちの190.10g、ポリビニルブチラール樹脂(Monsa
nto, St. Louis MO)3.88g、およびトルエン160 mlを充
填し、およそ3時間粉砕した。無水エタノール20 mlを
添加し、このスラリーを、粉砕することなく、一晩放置
した。この生成物を濾過し、得られた粉末を乾燥し、そ
して60メッシュのTylerスクリーンに通してふるい分け
した。この粉末のX線回折(XRD)により、この物質は、1
00%立方ペロブスカイト相であることが明らかになっ
た。
When the obtained powder was analyzed, [La 0.19 S
r 0.8 ] [Co 0.1 Fe 0.69 Cr 0.2 Mg 0.01 ] O x . With ZrO 2 media 820 g, the jar mill, 190.10G of powder obtained polyvinyl butyral resin (Monsa
nto, St. Louis MO) and 160 ml of toluene were ground and ground for approximately 3 hours. 20 ml of absolute ethanol was added and the slurry was left overnight without grinding. The product was filtered, the resulting powder was dried and sieved through a 60 mesh Tyler screen. By X-ray diffraction (XRD) of the powder, the substance was found to have 1
It was found to be a 00% cubic perovskite phase.

【0065】ふるい分けした粉末のうちの4gを、28,0
00 psiの圧力下にて、1-3/8インチの直径のディスクに
プレスした。このディスクを、空気中にて、105℃で15
分間焼成し、この温度を、13時間にわたって、1300℃ま
で上げ、1時間維持し、次いで、室温まで冷却した。
4 g of the sieved powder was
Under a pressure of 00 psi, they were pressed into 1-3 / 8 inch diameter disks. The disc is placed in air at 105 ° C for 15
Firing for 1 minute, the temperature was raised to 1300 ° C. over 13 hours, maintained for 1 hour, and then cooled to room temperature.

【0066】このディスクの両面を、イソプロパノール
を用い、1 mmの最終厚さまで、500grit SiCで研磨し
た。白金インク(Englehardt)に、3.0重量%のBi2O3(Flu
ka)を添加し、得られた混合物をトルエンで希釈して、
低粘度塗装液を形成した。研磨したディスクの両面を、
およそ2.0 cm2の面積にわたって、この塗装液で被覆し
た。被覆したディスクを、空気中で、10.5時間にわたっ
て、1065℃まで加熱し、次いで、室温まで冷却した。被
覆したディスクを、1/8インチ厚のパイレックスリング
を用いて、1インチの外径のムライト管に接着し、その
曝露表面積を測定すると、およそ2 cm2であった。
Both sides of the disc were polished with isopropanol to a final thickness of 1 mm with 500 grit SiC. 3.0% by weight of Bi 2 O 3 (Flu
ka) was added, the resulting mixture was diluted with toluene,
A low viscosity coating liquid was formed. Both sides of the polished disc,
The coating solution was coated over an area of approximately 2.0 cm 2 . The coated disc was heated to 1065 ° C. in air for 10.5 hours and then cooled to room temperature. The coated disc was adhered to a 1 inch outer diameter mullite tube using a 1/8 inch thick Pyrex ring and its exposed surface area was approximately 2 cm 2 .

【0067】このムライト管、ディスクおよび気体取扱
装置を、サーミスター制御した電気ヒーターに配置し
た。このディスクを、停滞空気中にて、850℃(これは、
この管/ディスクの結合部分からおよそ1cmのところに
ムライト管に固定した熱電対により、指示された)まで
加熱した。このディスクの1側面にて、1.0リットル/分
の流量で空気を流し始め、このディスクの他の側面に
て、ヘリウム浸透流供給原料を、150 cm3/分で流し始め
た。流出したヘリウム浸透流はオンラインガスクロマト
グラフィーを用いて分析した。この浸透流はまた、窒素
について分析して、この浸透流への空気の漏洩について
補正した。
The mullite tube, disk and gas handling device were placed in a thermistor controlled electric heater. 850 ° C (this is
Approximately 1 cm from the tube / disc junction, indicated by a thermocouple fixed to a mullite tube). On one side of the disc, air began to flow at a rate of 1.0 liter / min, and on the other side of the disc, a helium permeate feed began to flow at 150 cm 3 / min. The effluent helium permeate was analyzed using online gas chromatography. The permeate was also analyzed for nitrogen to correct for air leakage into the permeate.

【0068】この膜の酸素フラックスは、以下の式を用
いて計算した:
The oxygen flux of this membrane was calculated using the following equation:

【0069】[0069]

【化1】 Embedded image

【0070】酸素フラックスは、以下の式を用いて、膜
ディスク厚の変化を補正するために標準化した:
The oxygen flux was normalized to compensate for changes in membrane disk thickness using the following equation:

【0071】[0071]

【化2】 Embedded image

【0072】単位面積あたりの酸素フラックスは、厚さ
について標準化した酸素フラックス(q'o2)を、膜ディ
スク面積(cm2で測定)で割ることにより、算出した。
The oxygen flux per unit area was calculated by dividing the oxygen flux (q'o 2 ) normalized for thickness by the membrane disk area (measured in cm 2 ).

【0073】このディスクの操作特性を、50時間にわた
って評価した。試験データを、以下の表1に示す。全て
のデータを測定した点において、室温(TO)は、293°Kに
保持し、POは、741 mm Hgとした。空気供給速度は、100
0 sccmに維持した。
The operating characteristics of the disc were evaluated over a period of 50 hours. The test data is shown in Table 1 below. At the point where all data were measured, room temperature (T O ) was kept at 293 ° K and P O was 741 mm Hg. Air supply speed is 100
Maintained at 0 sccm.

【0074】表1のデータは、空気中、高温における、
この物質の優れた長期安定性、および高い酸素フラック
スを示している。
The data in Table 1 shows that in air and at high temperatures,
It shows the excellent long-term stability of this material and the high oxygen flux.

【0075】[0075]

【表1】 [Table 1]

【0076】[0076]

【発明の効果】本発明は、ペロブスカイト構造または多
相構造から形成され、化学的に活性な被覆を有する新規
な膜に関する。この膜は、とりわけ高い割合の流体フラ
ックスを示す。ひとつの適用は、高温での酸素含有供給
原料からの酸素の分離である。この膜は、酸素イオンお
よび電子の導体であり、そして25℃からこの膜の操作温
度までの温度範囲にわたり、空気中において実質的に安
定である。
The present invention relates to a novel membrane formed from a perovskite structure or a multiphase structure and having a chemically active coating. This membrane exhibits a particularly high proportion of fluid flux. One application is the separation of oxygen from oxygen-containing feeds at elevated temperatures. The membrane is a conductor of oxygen ions and electrons and is substantially stable in air over a temperature range from 25 ° C. to the operating temperature of the membrane.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595017584 200 Public Square,39G BP Building,Clevel and,Ohio 44114,U.S.A. (72)発明者 トーマス エル. ケーブル アメリカ合衆国 オハイオ 44065, ニ ューバリー, ペキン ロード 10685 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (71) Applicant 595017584 200 Public Square, 39G BP Building, Clevel and, Ohio 44114, U.S.A. S. A. (72) Inventor Thomas L. Cable United States Ohio 44065, Newbury, Pekin Road 10685

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第一表面および第二表面を有する固体膜
であって、以下の(A)および(B)を有する固体膜: (A)以下の(a)、(b)および(c)からなる群から選択される
構造: (a)実質的なペロブスカイト物質; (b)電子伝導相および酸素イオン伝導相の密な気体不浸
透性多相混合物であって、該電子伝導相は、該第一表面
および該第二表面の間に電子伝導性通路を形成し、そし
て該酸素イオン伝導相は、該第一表面および該第二表面
の間に酸素イオン伝導性通路を形成する;および (c)それらの組み合わせ;および(B)金属、金属酸化物お
よびそれらの組み合わせからなる群から選択される、多
孔性で化学的に活性な電子伝導被覆。
1. A solid film having a first surface and a second surface, the solid film having the following (A) and (B): (A) The following (a), (b) and (c) A structure selected from the group consisting of: (a) a substantially perovskite material; (b) a dense gas-impermeable multiphase mixture of an electron conducting phase and an oxygen ion conducting phase, wherein the electron conducting phase is Forming an electron conductive path between the first surface and the second surface, and the oxygen ion conductive phase forming an oxygen ion conductive path between the first surface and the second surface; and c) a combination thereof; and (B) a porous, chemically active electron conducting coating selected from the group consisting of metals, metal oxides and combinations thereof.
【請求項2】 前記構造が、実質的なペロブスカイト物
質である、請求項1に記載の固体膜。
2. The solid film according to claim 1, wherein the structure is a substantially perovskite material.
【請求項3】 前記実質的なペロブスカイト物質が、
{A1-xA'x}BO3-δ、{Bi2-yAyO2-δ'}{(A1-xA'x)n-1B
nO3n+1-δ"}およびそれらの組み合わせからなる群から
選択される組成を有する、請求項1に記載の固体膜:こ
こで、Aは、Ca、Sr、Ba、Bi、Pb、K、Sb、Te、Naおよび
それらの混合物からなる群から選択され;A'は、La、
Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
m、Yb、Lu、Th、Uおよびそれらの混合物からなる群から
選択され;Bは、Fe、Mg、Cr、V、Ti、Ni、Ta、Mn、Co、
V、Cuおよびそれらの混合物からなる群から選択され;
xは、約0.9以下であり;yは、0〜2の整数であり;
nは、1〜7の整数であり;そしてδ、δ'およびδ"
は、該金属の原子価により決定される。
3. The substantially perovskite material comprises:
{A 1-x A ' x } BO 3-δ , {Bi 2-y A y O 2-δ' } {(A 1-x A ' x ) n-1 B
2. The solid membrane of claim 1, having a composition selected from the group consisting of: n O 3n + 1-δ ″ } and combinations thereof, wherein A is Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, K , Sb, Te, Na and mixtures thereof; A 'is La,
Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, T
B is selected from the group consisting of m, Yb, Lu, Th, U and mixtures thereof; B is Fe, Mg, Cr, V, Ti, Ni, Ta, Mn, Co,
Selected from the group consisting of V, Cu and mixtures thereof;
x is about 0.9 or less; y is an integer from 0 to 2;
n is an integer from 1 to 7; and δ, δ ′ and δ ″
Is determined by the valence of the metal.
【請求項4】 前記実質的なペロブスカイト物質が、立
方ペロブスカイト、ブラウンミレライト(brownmillerit
e)、オーリビリウス(Aurivillius)相およびそれらの組
み合わせからなる群から選択される、請求項2に記載の
固体膜。
4. The method of claim 1, wherein said substantially perovskite material is cubic perovskite, brownmillerit.
3. The solid membrane of claim 2, wherein the solid membrane is selected from the group consisting of e), an Aurivillius phase and combinations thereof.
【請求項5】 前記実質的なペロブスカイト物質が、立
方ペロブスカイトである、請求項2に記載の固体膜。
5. The solid membrane according to claim 2, wherein said substantially perovskite substance is a cubic perovskite.
【請求項6】 前記実質的なペロブスカイト物質が、
{A1-xA'x}BO3-δの組成を有する請求項1に記載の固
体膜:ここで、Aは、Ca、Sr、Ba、Bi、Pb、K、Sb、Te、
Naおよびそれらの混合物からなる群から選択され;A'
は、La、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H
o、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Uおよびそれらの混合物からな
る群から選択され;Bは、Fe、Mg、Cr、V、Ti、Ni、Ta、
Mn、Co、V、Cuおよびそれらの混合物からなる群から選
択され;xは、約0.9以下であり;そしてδは、該金属
の原子価により決定される。
6. The substantially perovskite substance
The solid membrane according to claim 1, having a composition of {A 1-x A ' x } BO 3-δ : wherein A is Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, K, Sb, Te,
Selected from the group consisting of Na and mixtures thereof; A '
Is La, Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, H
o is selected from the group consisting of Er, Tm, Yb, Lu, Th, U and mixtures thereof; B is Fe, Mg, Cr, V, Ti, Ni, Ta,
Is selected from the group consisting of Mn, Co, V, Cu and mixtures thereof; x is less than or equal to about 0.9; and δ is determined by the valency of the metal.
【請求項7】 前記ペロブスカイト物質が、ブラウンミ
レライトである、請求項2に記載の固体膜。
7. The solid film according to claim 2, wherein the perovskite substance is brown millerite.
【請求項8】 前記多孔性被覆が、白金、銀、パラジウ
ム、鉛、コバルト、ニッケル、銅、ビスマス、サマリウ
ム、インジウム、スズ、プラセオジム、それらの酸化物
およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、
請求項2に記載の固体膜。
8. The porous coating is selected from the group consisting of platinum, silver, palladium, lead, cobalt, nickel, copper, bismuth, samarium, indium, tin, praseodymium, oxides thereof, and combinations thereof. ,
The solid film according to claim 2.
【請求項9】 実質的なペロブスカイト物質および多孔
性で化学的に活性な電子伝導被覆の構造を有する、固体
膜であって、該電子伝導被覆が、金属、金属酸化物およ
びそれらの組み合わせからなる群から選択され、該ペロ
ブスカイト物質が、{(Bi2-yAyO2-δ')}{(A1-xA'x)n-1Bn
O3n+1-δ"}の組成を有する固体膜:ここで、Aは、Ca、S
r、Ba、Bi、Pb、K、Sb、Te、Naおよびそれらの混合物か
らなる群から選択され;A'は、La、Y、Ce、Pr、Nd、P
m、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Uお
よびそれらの混合物からなる群から選択され;Bは、F
e、Mg、Cr、V、Ti、Ni、Ta、Mn、Co、Cuおよびそれらの
混合物からなる群から選択され;xは、約0.9以下であ
り;yは、0〜2の整数であり;nは、1〜7の整数で
あり;そしてδ'およびδ"は、該金属の原子価により決
定される。
9. A solid film having a structure of a substantially perovskite material and a porous, chemically active electron conducting coating, wherein the electron conducting coating comprises a metal, a metal oxide and combinations thereof. Selected from the group, the perovskite substance is {(Bi 2-y A y O 2-δ ′ )} {((A 1-x A ′ x ) n−1 B n
O 3n + 1-δ ″ } solid film: where A is Ca, S
A 'is selected from the group consisting of r, Ba, Bi, Pb, K, Sb, Te, Na and mixtures thereof; A' is La, Y, Ce, Pr, Nd, P
m is selected from the group consisting of m, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U and mixtures thereof;
e is selected from the group consisting of Mg, Cr, V, Ti, Ni, Ta, Mn, Co, Cu and mixtures thereof; x is about 0.9 or less; y is an integer from 0 to 2; n is an integer from 1 to 7; and δ ′ and δ ″ are determined by the valency of the metal.
【請求項10】 実質的なペロブスカイト物質および多
孔性被覆の構造を有する、固体膜であって、該被覆が、
金属、金属酸化物およびそれらの組み合わせからなる群
から選択され、該ペロブスカイト物質が、オーリビリウ
ス相を有する、固体膜。
10. A solid film having a structure of a substantially perovskite material and a porous coating, wherein the coating comprises:
A solid film selected from the group consisting of a metal, a metal oxide, and a combination thereof, wherein the perovskite material has an Aulivili phase.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006082039A (en) * 2004-09-17 2006-03-30 Noritake Co Ltd Oxygen separation membrane element, its manufacturing method, oxygen manufacturing method, and reactor
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