NO304808B1

NO304808B1 - Fast multikomponent membran, fremgangsmaate for fresmtilling av en slik membran samt anvendelse av denne

Info

Publication number: NO304808B1
Application number: NO902254A
Authority: NO
Inventors: Terry J Mazanec; Thomas L Cable; Jr John G Frye
Original assignee: Standard Oil Co Ohio
Priority date: 1989-05-25
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1999-02-15
Also published as: MY107252A; DE69026752D1; EP0673675A2; CN1028493C; EP0673675A3; JP3212304B2; NO902254D0; AU5596290A; CA2017243A1; ATE137421T1; DE69026752T2; CN1048169A; JPH03101833A; EP0399833B1; NO902254L; EP0399833A1; CA2017243C

Description

Foreliggende patentsøknad er en delvis fortsettelse av US patentsøknad med serienummer 07/357 317 innsendt 25. mai 1989, som herved er inkorporert heri ved referanse.

Foreliggende oppfinnelse angår området elektrokjemiske reaktorer som letter overføringen av oksygen. Nærmere bestemt angår foreliggende oppfinnelse en fast multikomponent membran, fremgangsmåte for fremstilling av en slik membran, samt anvendelse av denne i en elektrokjemisk reaktorcelle for omsetning av en oksygenforbrukende gass med oksygeninneholdende gass.

Syntesegass er primært sammensatt av hydrogen og karbonmonoksyd. Generelt er det molare forhold mellom H2og CO fra tilnærmet 0,6 til 6. Produksjonen av syntesegass fra lette hydrokarboner som metan og naturgass ved delvis oksydasjon er kjent. Foreliggende oppfinnelse angår en to faset sammensatt ledermembran til anvendelse i en elektrokjemisk reaktorcelle (heretter referert til som en "fast multikomponent membran" eller dobbel ledermembran"), som letter elektrokatalytiske omdannelse av lette hydrokarboner til syntesegass.

Svoveloksyder og nitrogenoksyder er f.eks. velkjente skadelige forurensninger i gasstrømmer som strømmer ut fra stasjonære og mobile kilder som kraftanlegg, automobiler, skip, tog og lignende. Svoveloksyder er kjent å forbinde seg med vanndamp under dannels.e av en ytterst korroderende damp som forårsaker irritasjon på øyne og slimhinner, skader på metallinneholdende strukturer, og miljøskader på vegetasjonen på grunn av sur nedbør. Nitrogenoksyder er toksiske irriter-ende stoffer som også er skadelig for miljøet. Karbonylsulfid (COS) er en annen toksisk forurensningskilde dannet som et produkt av en reaksjon mellom en svovelinneholdende forbindelse og karbonmonoksyd i en utstrømmende gass. Reguler-inger av utslipp av disse forurensningskilder i atmosfæren har blitt tiltagende strengere. Foreliggende oppfinnelse angår en elektrokatalytisk prosess og en elektrokjemisk celle for fjerning av svoveloksyder og nitrogenoksyder fra gass-strømmer som anvender den kjemiske drivkraft fra en drivgass.

US patent 3 630 879 av Spacil et al, publisert 28. desember 1971, beskriver en rørformet, fast, oksygenion-elektrolyttcellestruktur uten elektriske ledere for dann- eisen av hydrogengass ved disosiasjon av vann. Det er beskrevet en struktur som består av en tynn, kontinuerlig sylinder av "internt kortsluttet" fast oksygenionemateriale med en første kontinuerlig porøs elektrodestruktur over dens indre overflate og en andre kontinuerlig porøs elektrodestruktur over dens ytre overflate.

Ounalli et al i "Hydrogen Production By Direct Thermo-lysis Of Water On Semipermeable Membrane", CR. Acad. Sei. Paris. t. 292: 1185-1190 (1981), beskriver anvendelsen av en enkeltfaset sammensatt leder som en oksygensemipermeabel membran. Ved anvendelse av en membran av kalsiumstabilisert zirkonium ved 1400-1800 °C, ble oksygen ekstrahert fra damp under dannelse av hydrogen, og oksygenet ble transpotert gjennom membranen.

US patent nr. 4 330 633 av Yoshisato et al, publisert 18. mai 1982, beskriver en fast elektrolytt for selektiv ad-skillelse av oksygen fra en gassformig atmosfære med et høyt partsielt oksygentrykk, og til en gassformig atmosfære med et lavt partielt oksygentrykk. Den faste elektrolytt er beskrevet som sammensatt av et sintret legeme vesentlig bestående av et koboltoksyd, et oksyd av minst ett metall utvalgt fra strontium og lantan, og et oksyd av minst ett metall utvalgt fra vismut og cerium.

Cales et al i "Fluorite-Type Solid Electrolytes As Oxygen Ion And Mixed Conductors", Progress in Solid Electrolytes , Wheat, T.A., Ahmad, A. og Kuriakose, A.K., editors, Energy of Mines and Resources, Ottawa, Canada (1983), fore-slår at selektiv oksygenpumping ved hjelp av visse faste oksydelektrolytter ved temperaturer høyere enn tilnærmet 1400 °C kan forklares ved tilstedeværelsen av en intern, partiell kortslutning i elektrolytten. En prosess hvori en stabilisert zirkonmembran er i en partiell oksygentrykk-gradient ved en temperatur mellom 1400 °C og 1800 C, er gitt som et eksempel når selektiv oksygenpumping er antatt å finne sted.

Flere publikasjoner beskriver konvensjonelle brenselceller som fullstendig oksyderer metan til karbondioksyd og vann. Disse brenselceller er ikke utformet for å utføre kjemiske prosesser, men heller for å utvikle elektrisitet fra brenselsgasser og luft (eller oksygen). Prosessene som ut-føres i brenselceller er utvalgt for fullstendig forbrenning snarere enn partiell forbrenning, og påkrever fullførelse av en ekstern elektrisk krets for at oksydasjon av drivgass skal foregå.

US patent nr. 4 659 448 av Gordon, publisert 21. april 1987, beskriver hovedsakelig en prosess for å fjerne S0x og N0xfra drivstoffgasser ved anvendelse av en fast stoff-elektrokjemisk keramisk celle. Denne prosess anvender et eksternt elektrisk potensial for elektrokatalytisk å redusere SO og NO Xtil elementært svovel (S) og fritt nitrogen f^)- Oksygenet fjernes tydeligvis gjennom den faste elektrolytt som ved elektrolyse.

"Electrochemical Abatment of Pollutants NO and SO

x x

in Combustion Exhaust Gases Employing a Solid-Oxide Electro-lyte", D.M. Mason, i Gas Stream Cleanup Papers from DOE/ METC-Sponsored Contractors Reviewing Meetings in 1987, DOE/METC-87/6082, s. 152-159, beskriver en prosess for elektrokjemisk "pumping" av oksygen vekk fra overflaten av en elektrode i kontakt med oksyder av svovel eller nitrogen. Prosessen drives ved påføring av en spenning og kan betraktes å være en elektrolyse.

US patent nr. 4 791 079 av Hazbun, publisert 13. desember 1988, og innsendt 9. juni 1986, beskriver en sammensatt ione- og elektron-ledende katalytisk keramisk membran

og dens anvendelse ved oksydasjon av hydrokarboner eller ved dehydrogeneringsprosesser. Membranen er beskrevet som bestående av to lag, hvorav ett av lagene er et ugjennomtrenge-lig sammensatt ione- og elektron-ledende keramisk lag, og

det andre er et porøst, katalysatorinneholdende ioneledende keramisk lag. Den ugjennomtrengelige sammensatte ione- og elektron-ledende keramiske membran er videre beskrevet i kolonne 2, linjer 57-62 som yttrium-stabilisert zir onium som er behandlet med tilstrekkelig Ce02eller Ti02til å bibringe elektronledende karakteristika til keramikken.

Foreliggende oppfinnelse angår en fast multikomponent membran for anvendelse i en elektrokjemisk reaktor. Den faste multikomponent membran er kjennetegnet ved at den omfatter en intim, gassugjennomtrengelig, flerfaseblanding av en elektron^ledende fase og en oksygenioneledende fase, hvori den elektronledende fase omfatter sølv, gull, platina, palladium, rhodium, ruthenium, vismutoksyd, en praseodym-indiumoksydblanding, en cerium-lantanoksydblanding, en niobiumtitanoksyd-blanding eller et elektronledende blandet metalloksyd med en perovskittstruktur, eller en blanding derav og/eller hvori den oksygenioneledende fase omfatter en oksygenioneledende blandet metalloksyd med en perovskittstruktur og/eller hvori den faste membran består av et blandet metalloksydmateriale med en perovskittstruktur inneholdende La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb eller Lu i kombinasjon med Co, Sr eller et oksyd derav, med den forutsetning at den faste membran av blandet metalloksydmateriale inneholder mindre enn 13 mol% vismut, cerium eller blandinger av vismut og cerium.

I et annet aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for fremstilling av en fast multikomponent membran omfattende en intim, gassugjennomtrengelig flerfaseblanding, kjennetegnet ved trinnene (A) fremstilling av en intim flerfaseblanding av minst ett materiale, slik som et metalloksyd, som er elektron-ledende og minst ett oksygenioneledende materiale, (B) eventuelt oppvarming av blandingen ved en for-høyet temperatur i en reduserende atmosfære for å redusere

metalloksydet til metall,

(C) utforming av den reduserte blanding til en ønsket form, og (D) oppvarming av den utformede blanding til en temperatur på minst 500 °C under dannelse av en kompakt og

fast membran.

Foreliggende oppfinnelse angår også anvendelse av en fast multikomponent membran i en elektrokjemisk reaktorcelle for omsetning av en oksygenforbrukende gass med en oksygeninneholdende gass i en omgivelse inneholdende enten den oksygenforbrukende gass eller den oksygeninneholdende gass, idet reaktorcellen omfatter en fast multikomponent membran med en inngangsende, en utgangsende og en mellomliggende passasje for bevegelse av én eller flere gasser fra inngangsenden til utgangsenden, hvori den faste membran er definert i overensstemmelse med kravene 1-3, eller den omfatter et gassugjennom trengelig blandet metalloksydmateriale med en perovskitt-struktur med elektronledningsevne og oksygenioneledningevne, under den forutsetning at den faste membran inneholder mindre enn 13 mol% vismut, cerium eller blandinger av vismut og cerium.

Kort beskrivelse av figurene.

Figur 1 er et lengdesnitt av en første utførelsesform av en elektrokjemisk reaktor inneholdende den faste multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse; Figur 2 er et tverrsnitt av en andre utførelsesform av en elektrokjemisk reaktor inneholdende den faste multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse; Figur 3 er et lengdesnitt av reaktoren vist i figur 2; Figur 4 er et elektronmikrofotografisk sprednings-refleksjonsbilde av overflaten av en utførelsesform av den faste multikomponente membran ifølge foreliggende oppfinnelse ved 500 gangers forstørrelse; og Figur 5 er et elektronmikrofotografi av et tverrsnitt av den samme faste multikomponent membran som vist i figur 4 ved 5000 gangers forstørrelse. Figur 6 er et tverrsnitt av en tredje utførelsesform av en elektrokjemisk reaktorcelle for anvendelse av multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 7 er et lengdesnitt av reaktoren vist i figur 6.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fast multikomponent membran for anvendelse i en kontinuerlig prosess for transport av oksygen fra enhver oksygeninneholdende gass til enhver reaksjonsgass som forbruker oksygen. Prosesser som kan utføres ved hjelp av foreliggende oppfinnelse er f.eks. forbrenningen av hydrogen for å produsere vann, den partielle oksydasjon av metan eller naturgass for å produsere umettede forbindelse eller syntesegass, den delvise oksydasjon av etan, ekstraksjon av oksygen fra oksygeninneholdende gasser (f.eks. ekstraksjon av oksygen fra N0X, hvori x har en verdi fra 0,5 til 2, S0y, hvori y har en verdi fra 2 til 3, vanndamp og C02), og ammoksydering av metan til hydrogen-syanid.

En utførelsesform av en elektrokjemisk reaktor inneholdende den faste multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse kan representeres skjematisk som vist i figur 1, hvori sidesnittet av reaktoren 1 viser en første sone 2 adskilt fra en andre sone 3 ved hjelp av en fast multikomponent membran 4. Den ytre omkrets av den første sone er definert ved reaktorrør 5 og den ytre omkrets av den andre sone er definert ved reaktorrør 6. Reaktorrørene 5 og 6 danner en gasstett forsegling med membran 4 ved hjelp av glass-pakningene henholdsvis 7 og 8. Tilføringsrør 9 og 10 leder den oksygeninneholdende gass 11 og den oksygenforbrukende gass 12 inn i henholdsvis sonene 2 og 3. Utgangsåpningene 13 og 14 tillater omsatte gasser 15 og 16 å strømme ut fra henholdsvis sonene 2 og 3.

I praksis passeres en oksygeninneholdende gass eller en gassblanding, slik som luft, i kontakt med den faste membran i den første sone, og den oksygenforbrukende gass eller gassblanding, slik som en reaksjonsgassinneholdende tilføringsgass, passeres i kontakt med den faste membran i den andre sone. Når den oksygeninneholdende gass eller gassblanding kommer i kontakt med den faste membran, reduseres oksygen til oksygenioner som transporteres gjennom den faste elektrolytt til overflaten som vender mot den andre sone. I den andre sone reagerer oksygenionene med den oksygenforbrukende gass eller gassblanding og oksyderer den oksygenforbrukende gass og frigir elektroner. Elektronene vender tilbake til overflaten som vender mot den første sone via den faste membran.

I en utførelsesform er den oksygenforbrukende gass metan eller naturgass, og den oksygeninneholdende gass eller gassblanding er luft. Når luft kommer i kontakt med membranen reduseres oksygenbestanddelen i luft til oksygenioner som transporteres gjennom membranen til den andre sone, hvor oksygenioner reagerer med metan under dannelse av syntesegass eller olefiner, avhengig av reaksjonsbetingelsene.

I en annen utførelsesform er den oksygenforbrukende gass metan, naturgass eller hydrogen, og den oksygeninneholdende gass er en røykgass eller eksosgass inneholdende N0Xog/eller S0y, hvori x og y er definert som ovenfor. Når røyk-gassen kommer i kontakt med membranen reduseres oksygenet i N0Xog/eller S0y til oksygenioner som transporteres gjennom membranen til den andre sone, hvor oksygenionene reagerer med den oksygenforbrukende gass under dannelse av karbondioksyd og vann, syntesegass eller olefiner, avhengig av reaksjonsbetingelsene. Nitrogengass og elementært svovel produseres elektrokjemisk fra henholdsvis N0Xog S0y i den første sone.

I ytterligere en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er den oksygeninneholdende gass en gass som inneholder vanndamp (dvs. H20-gass). Når H20 kommer i kontakt med membranen reduseres oksygenet i H20 til oksygenioner som transporteres gjennom membranen til den andre sone hvor oksygenionene f.eks. reagerer med metan eller naturgass. H20 reduseres til hydrogengass (H2) i den første sone. Hydrogen-gassen kan gjenvinnes og anvendes, f.eks. til å hydrogenere umettede hydrokarboner, tilveiebringe brennstoff for en elektrisk celle som produserer elektrisk strøm, og tilveiebringe brennstoff for oppvarming av den elektrokjemiske celle eller å tilveiebringe en reaksjonsgass for den elektrokjemiske prosess for ekstraksjon av oksygen fra en oksygeninneholdende gass.

Materialer som er til stede samtidig kan delta i elektrokjemisk reduksjon eller oksydasjon som finner sted på membranen ifølge foreliggende oppfinnelse. Når f.eks. metan er tilstede i sammen med ammoniakk i den andre sone og en oksygeninneholdende gass er til stede i den første sone, kan hydrogencyanid og vann produseres elektrokjemisk i den andre sone.

Andre kombinasjoner av materialer som er reaktive med hverandre for å produsere en lang rekke produkter er mulige.

Betegnelsene "oksygenforbrukende gass", "reaksjonsgass" og "oksygeninneholdende gass" heri innbefatter materialer som ikke er gasser ved temperaturer under temperatur-områdene for de aktuelle prosesser, og kan innbefatte materialer som er væsker eller faste stoffer ved romtemperatur. Et eksempel på en oksygeninneholdende gass som er flytende ved romtemperatur er vanndamp.

Som nevnt ovenfor kan den faste multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse anvendt i den elektro kjemiske reaktor være en indre, gassugjennomtrengelig, flerfaset blanding av ethvert elektronledende materiale med ethvert oksygenioneledende materiale og/eller en gassugjennomtrengelig "enkel fase" av sammensatte metalloksyder med en perovskitt-struktur og med både elektronledende og oksygenioneledende egenskaper. Betegnelsen "gassugjennomtrengelig" defineres heri å bety "vesentlig gassugjennomtrengelig eller gasstett" ved at blandingen ikke tillater noen vesentlig mengde av den ovenfor beskrevne oksygenforbrukende eller oksygeninneholdende gass å passere gjennom blandingen i form av en gass (dvs. at blandingen er ikke-porøs, snarere enn porøs, med hensyn til de relevante gasser). I noen tilfeller kan en mindre grad av gjennomtrengelighet overfor gasser være aksep-tabel eller uunngåelig, slik som når hydrogengass er til stede.

Betegnelsen "blandinger" i relasjon til den faste multikomponent membran innbefatter materialer som omfattes av to eller flere faste faser, og enkel-fasematerialer hvori atomene i de forskjellige elementer er blandet i den samme faste fase, slik som i den yttrium-stabiliserter zirkonium som er nevnt ovenfor. Eksemplene på foretrukne metalltilsatte metalloksyder er enkelfasematerialer, mens betegnelsen "flerfase-blanding" refererer til en blanding inneholder to eller flere faste faser som er spredt anbragt uten å danne en enkel-fase oppløsning.

Med andre ord er flerfase-blandingen "flerfase",

fordi det elektronledende materiale og det oksygenioneledende materiale er tilstede i form av minst to faste faser i den ga ss ugjennomtrengelige faste membran, slik at atomene i de forskjellige bestanddeler av den multikomponent membran for det meste ikke er blandet i den samme faste fase.

Den faste flerfasemembran ifølge foreliggende oppfinnelse adskiller seg vesentlig fra "impregnerte" materialer kjent i teknikken. En typisk impregneringsprosedyre innbefatter tilsetning av små mengder av et grunnstoff eller dets oksyd (dvs. impregneringsmiddel), til en stor mengde av en blanding (dvs. vertmateriale), slik at atomene i impregner-ingsmidlet blir permanent blandet med atomene i vertmateri-alet i løpet av impregneringsprosessen, hvorved materialet danner en enkel fase. Den faste flerfasemembran ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter på den annen side et oksygen-ione-ledende materiale og et elektronledende materiale som ikke er tilstede i impregneringsmiddel/vertmateriale-forbind-elsen beskrevet ovenfor, men som er tilstede i vesentlig adskilte faser. I stedet for et impregnert materiale kan den faste membran ifølge foreliggende oppfinnelse følgelig re-fereres til som en tofase, en dobbel leder, en flerfase, eller en multikomponent membran.

Flerfasemembranen ifølge foreliggende oppfinnelse kan adskilles fra de impregnerte materialer ved hjelp av slike rutineprosedyrer som elektronmikroskopi, røntgendiffraksjons-analyse, røntgenadsorpsjonskartlegging, eleketrondiffrak-sjonsanalyse og infrarød analyse, som kan påvise forskjeller i sammensetning over et flerfaseområde av membranen. Et eksempel på et slikt fysikalsk bevis på flerfase-sammensetning er elektronmikrofotografiene vist som figur 4 og figur 5. En detaljert forklaring på figur 4 og figur 5 etterfølger eksemplene 1-5 nedenfor.

De oksygenionerledende materialer eller faser i den doble leder er vanligvis faste oppløsninger dannet mellom oksyder inneholdende divalente og trivalente kationer som kalsiumoksyd, scandiumoksyd, yttriumoksyd og lantanoksyd, med oksyder inneholdende tetravalente kationer som zirkoniumoksyd, thoriumoksyd og ceriumoksyd, eller de oksygenioneledende materialer eller faser omfatter et oksygenioneledende blandet metalloksyd med en perovskittstruktur. Deres høyere ioneledningsevne antas å skylles tilstedeværelsen av ledige oksygenioneseter. Et ledig oksygenionesete forekommer for hvert divalente eller hvert par av trivalente kationer substituerer et tetravalent ion i gitteret. Ethvert av et stort antall oksyder som yttriumoksyd-stabilisert zirkoniumoksyd, thoriumoksyd-baserte materialer, eller impregnerte vismutoksyder kan anvendes. Noen av de kjente faste oksyd-overgangsmaterialer innbefatter Y203-stabilisert ZrO^, CaO-stabilisert Zr02#Sc203-stabilisert Zr02, Y203-stabilisert Bi203, Y203~stabilisert Ce02, Cao-stabilisert Ce02, Th02, Y203~stabilisert Th02, eller Th02, Zr02, Bi203>Ce02, eller HfC>2 stabilisert ved tilsetning av ethvert av lantanidoksydene eller CaO. Mange andre oksyder med oksygenioneledende evne som kan anvendes i flerfaseblandingene er kjent, og disse er innbefattet i det foreliggende begrep.

Foretrukne blant disse faste elektrolytter er Y^ O^' stabiliserte og CaO-stabiliserte Zr02-materialer. Disse to faste elektrolytter er kjennetegnet ved deres høye ioneledningsevne, deres oksygenioneledning over brede temperatur-områder og oksygentrykk, og deres forholdsvis lave pris.

Ved foreliggende oppfinnelse er det i tillegg funnet at blandede metalloksyder med en perovskittstruktur (ved driftstemperaturer) kan ha meget god oksygenioneledningsevne. Betegnelsen "perovskitter" refererer til en klasse av materialer som har en struktur basert på strukturen av mineralet perovskitt, CaTiO^. I dens idealiserte form har perovskittstrukturen et kubisk gittermønster hvori en enhetcelle inneholder metallioner ved hjørnene av cellen, et annet metallion i cellens sentrum og oksygenioner ved midtpunktene av tern-ingens kanter. Dette er referert til som en ABO^-type struk-tyr, hvori A og B representerer metallioner.

Generelt fordrer perovskittstrukturer at summen av valensene av A-ioner og B-ioner er 6, og forholdet mellom radiene av ionene i en ABO^-struktur inneholdende to metallioner kan uttrykkes ved formelen

hvori rA ., r B og r X er radiene av henholdsvis A-ionet, B-ionet og oksygenionet, og t er en "toleransefaktor" som kan ligge innenfor det tilnærmede område 0,7-1,0. Generelt har forbindelser med perovskittstruktur et A-ion med en radius mellom tilnærmet 1,0 til 1,4 Ångstrøm, og et B-ion med en radius mellom tilnærmet 0,45 til 0,75 Ångstrøm. Ved foreliggende oppfinnelse er det generelt funnet at når blandede metalloksyder med en perovskittstruktur inneholder A-ioner med radier som nærmer seg den nedre ende av A-ioneradius-området for gitt B-ion som bestemt ved den ovenfor angitte formel, så øker oksygenioneledningsevnen generelt. Denne tendens mot øket oksygenioneledningsevne kan imidlertid be-grenses ved høyere ustabilitet av perovskittstrukturen ved

driftstemperaturer når A-ioneradier nærmer seg den nedre grense av de ønskede radier for perovskitter med et gitt B-ion.

Mange forskjellige grunnstoffer og oksyder av grunnstoffer kan anvendes for å danne perovskitter som er anvendelige ved foreliggende oppfinnelse. Generelt kan det anvendes enhver kombinasjon av metalliske grunnstoffer som tilfreds-stiller vilkårene for en perovskitt. Typiske eksempler på slike grunnstoffer er lantanidene, metallene i grupper Ia og Ila, overgangsgrunnstoffene, Al, Ga og Ge. Eksempler på foretrukne grunnstoffer innbefatter La, Co, Sr, Ca, Fe, Cu, Ni, Mn, Cr, Y, Ba, Ti, Ce, Al, Sm, Pr, Nd, V, Gd, Ru, Pb, Na, W, Sc, Hf, Zr, oksyder derav og blandinger derav. Bi og/eller

Ce er typisk ikke påkrevet i de foretrukne utførelsesformer, men kan være tilstede hvis ønskelig. Fortrinnsvis er Bi og/ eller Ce tilstede i mengder mindre enn 13 mol%. Helst er Bi og/eller Ce tilstede i mengder mindre enn tilnærmet 10 mol%.

Foretrukne eksempler på A-metaller i ABO^-type materialer som er anvendelige ved foreliggende oppfinnelse, innbefatter lantanidene (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb og Lu), yttrium og jordalkaliemetallene, spesielt Mg, Ca, Sr og Ba.

Foretrukne B-metaller i AB03-materialene for foreliggende oppfinnelse innbefatter den første rad av overgangs-grunnstof fene , nemlig Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, og Zn. Blant disse grunnstoffer er kobolt mest foretrukket.

Perovskittstrukturen er tolerant overfor mange forskjellige multiple kationsubstitusjoner på både A- og B-setene, slik at mange forskjellige mer komplekse perovskittfor-bindelser inneholdende en blanding av A-metaller og B-metaller er anvendelige ved foreliggene oppfinnelse. Perovskittmaterialer inneholdende mer enn to grunnstoffer foruten oksygen er foretrukket.

Eksempler på blandede metalloksyder med en perovskitt-struktur som er anvendelig som en fast oksygenioneledende elektrolytt ved foreliggende oppfinnelse innbefatter lantan-strontium-koboltitt, lantan-strontium-ferritt, lantan-kalsium-koboltitt, strontium-ferritt, strontium-koboltitt og gadolin-ium-strontium-koboltitt, og blandinger derav. Spesifikke

eksempler er La Sr, CoO- , La Sr.FeO.,, La Ca, Co00, SrCo Fe.O-,,

^ a b 3 a b 3 a b 3 a b 3 Gd Sr, CoO_, hvori og a og b er tall hvis sum er lik 1. Det

a b 3 3 3

molare forhold mellom de respektive metaller representert ved a:b kan dekke et bredt område. Typiske impregneringsfor-hold a:b er 4:1, 3:1, 1:4 og 1:3.

Anvendelige ABO^-type forbindelser og fremgangsmåte for fremstilling av disse er beskrevet i Dow Chemical Company's PCT søknad nr. 89085506, publisert 9. mars 1989 under publikasjons nr. 89/01922; Muller og Roy, "The Major Ternary Structural Families", s. 175-201 (1974); Lines, M.E. og Glass, A.M., "Principles and Applications of Ferro-electrics and Related Materials"; s. 280-92 og Appendix F,

s. 620-32 (Clarendon Press), Oxford (1977); og Evans, R.D., "An Introduction to Crystal Chemistry", Cambridge Univ. Press., Cambridge, 2. utgave (1964), s. 1967-71. Hver av disse referanser med beskrivelser som angår perovskitter er herved inkorporert ved referanse.

Det elektronledende materiale eller fase av membranen kan være ethvert materiale som utviser tilstrekkelig elektron-ledingsevne under reaksjonsbetingelsene. Vanligvis består den elektronledende fase av en eller flere metaller eller metalloksyder som oppviser vesentlig elektronledningsevne ved reaksjonstemperaturer. Egnede metaller innbefatter sølv, gull, platina, rhodium, ruthenium, palladium, nikkel, kobolt og kopper, blant hvilke palladium og platina er foretrukne. Eksempler på egnede metalloksyder innbefatter vismutoksyder, tinn-indiumoksydblandinger, praseodym-indiumoksydblandinger, cerium-lantanoksydblandinger, niobium-titanoksydblandinger og elektronledende blandede metalloksyder med en perovskitt-struktur, blant hvilke de metallimpregnerte metalloksyder som praseodym-impregnerte indiumoksyder, tinn-impregnerte indiumoksyder, cerium-impregnerte lantanoksyder, niobium-impregnerte titanoksydblandinger og elektronledende blandede metalloksyder med en perovskittstruktur er foretrukne. Blant de metallimpregnerte metalloksyder er praseodym-impregnerte indiumoksyder og blandede metalloksyder de mest foretrukne.

I mange ABO^-type blandede metalloksydforbindelser

er den reelle struktur et continuum av en pseudosymmetrisk variant avledet fra den perfekt symmetriske enkle kubiske

struktur ved hjelp av små forskyvninger av ionene. I noen tilfeller fører disse forskyvninger til en liten fordrein-ing av enhetscellen, hvis symmetri følgelig reduseres til tetragonal eller ortorombisk, og i andre tilfeller er de-formasjonen slik at tilgrensende celler ikke lengere er nøyaktig identiske, slik at den sanne enhetscelle omfatter mer enn en av de mindre enheter. De ferroelektriske egenskaper av mange av disse oksyder skyldes slike avvik fra en ideell struktur.

Elektronledningsevnen av blandede metalloksyder med

en perovskittstruktur øker generelt når A-ionet er delvis substituert, eller "impregnert", med et divalent metallisk kation, slik som Ba, Ca eller Sr. Denne tendens mot høyere elektronledningsevne er ofte fulgt av høyere ustabilitet ved driftstemperaturer. Perovskitter som delvis er dekompo-nert til en forskjellig struktur kan ha elektronledningsevne som adskiller seg vesentlig fra den orginale perovskittstruktur .

De elektronledende blandede metalloksydmaterialer kan utvelges fra enhver av de ovennevnte impregnerte perovskitter. Spesifikke eksempler innbefatter lantan-strontium-manganitt, lantan-strontium-koboltitt, lantan-magnesium-kromitt, lantan-krom-ferritt, lantan-kobolitt, yttrium-barium-kupritt (f.eks. YBa2Cu3Oxhvori x er et tall i området fra 6 til 7), og blandinger derav.

Som nevnt ovenfor kan den faste multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse anvendt i den elektrokjemiske reaktor, som et alternativ til en flerfaset multikomponent membran eller i tillegg til det flerfasede materiale, omfatte en gassugjennomtrengelig "enkel fase" av blandede metalloksyder med en perovskittstruktur og med både elektronledende og oksygenioneledende egenskaper. Mange av de ovennevnte perovskitt-type materialer er egnede for dette aspekt av foreliggende oppfinnelse. Spesifikke eksempler på perovskittmaterialer som er anvendelige innbefatter de følg-ende materialer:

hvori x er et tall i området fra 6 til 7.

Blandinger av perovskitter med ytterligere ledende metall eller metalloksyd er også anvendelige ved fremstilling av multikomponent membranen anvendt ved foreliggende oppfinnelse. Det ytterligere ledende metall eller metalloksyd kan være det samme som, eller forskjellig fra, grunnstoffene som er til stede i perovskitten. Det ytterligere ledende metall eller metalloksyd er funnet å danne en adskilt fase fra perovskittmaterialet ved oppvarming, og tilveiebringes ytterligere ledende materialer gjennom perovskitten under dannelse av elektronledende vaner gjennom membranen. I en foretrukket utførelsesform omfatter den multikomponent membran en blanding av en perovskitt, slik som lantan-koboltitt eller lantan-strontium-koboltitt, og et overskudd av et ledende metall eller metalloksyd, slik som et overskudd av koboltmetall i en kobolt-inneholdende perovskitt .

Ved foreliggende oppfinnelse er det funnet at noen perovskitter har en tendens til å være noe mer elektron-ledende, i motsetning til oksygenioneledende, mens andre perovskitter har en tendens til å være noe mer oksygenioneledende, i motsetning til elektronledende. I en foretrukket utførelsesform omfatter multikomponent membranen en blanding av to eller flere perovskitter, hver perovskitt har fordeler ved elektronledningsevne eller oksygenioneledningsevne, og kan innbefatte ytterligere ledende metall eller metalloksyd som beskrevet ovenfor.

Perovskitter har også varierende grad av stabilitet med hensyn til tilstedeværelse av en reduserende gass og andre reaktive gasskomponenter. Fordi fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse utsetter membranoverflaten for slike reaktive bestanddeler, kan det være ønskelig å beskytte overflaten av multikomponent membranen ved å utforme overflaten av membranen, eller dekke membranen med metall, metalloksyd, eller perovskitt som er stabil overfor gassen som den vil være i kontakt med når den anvendes. Ved dannelse av det siste skikt av en perovskitt-multikomponent membran, kan f.eks. et skikt som inneholder et lantanid og krum, i stedet for et lantanid og kobolt, være en måte for å hjelpe til å bevare stabiliteten av overflaten som utsettes for en re-aktiv gass, slik som en reduserende gass.

Disse flerfasede multikomponent membraner kan inneholde fra tilnærmet 1 til 75 volumdeler av et elektronledende materiale, og fra tilnærmet 25 til 99 volumdeler av et oksygenioneledende materiale. Grunnstoffene Bi, Ce og Ti, hver for seg eller samlet, kan utelates i de foretrukne ut-før els es f ormer .

Multikomponentmembranen fremstilles ved å kombinere minst ett av de elektronledende materialer med minst ett av de oksygenioneledende materialer, og utforme de kombinerte materialer under .dannelse av en kontakt, gasstett, flerfaset fast membran. Spesielt kan den faste membran fremstilles ved hjelp av en fremgangsmåte som omfatter trinnene (A) fremstilling av en inngående blanding av minst ett materiale som er elektronledende og minst ett oksygen-ionledende materiale,

(B) utforming av blandingen i en ønsket form, og

(C) oppvarming av den utformende blanding til en

temperatur på minst 500 °C under dannelse av en kompakt og

fast membran.

Den faste membran kan også fremstilles fra minst ett metalloksyd, i hvilket oksyd metallet er elektronledende, ved en fremgangsmåte som omfatter trinnene (A) fremstilling av en inngående blanding av minst ett metalloksyd, i hvilket oksydmetallet er elektronledende,

og minst ett oksygenioneledende materiale,

(B) oppvarming av blandingen ved en forhøyet temperatur i en reduserende atmosfære for å redusere metalloksydet

til metall,

(C) utforming av den reduserte blanding i en ønsket form, og (D) oppvarming av den utformede blanding til en temperatur på minst 500 °C for å danne en kompakt og fast

membran.

I en annen utførelsesform kan fast membran med elektronledende og oksygenioneledende egenskaper fremstilles fra et enkelt materiale, slik som de ovenfor beskrevne perovskitter. Et stort antall pulverfremstillingsmetoder kan anvendes for å fremstille slike faste membraner. Egnede metoder innbefatter fremstilling fra oksyder, termisk dekomponering av nitrater eller acetater, og en sitronsyre-fremstillingsmetode.

Som et eksempel kan den faste membran fremstilles fra oksydene ved hjelp av en fremgangsmåte som omfatter trinnene:

(A) fremstilling av perovskittpulver inneholdende

de ovennevnte A- og B-metaller,

(B) utforming av blandingen i en ønsket form, og

(C) oppvarming av den utformende blanding til en

temperatur som er tilstrekkelig for å danne en kompakt og

fast membran med elektronledende og oksygenioneledende egenskaper. Vanligvis er temperaturen for dette trinn minst 500 °C, og er generelt minst 1000 °C.

Fremstilling av sammensatte metalloksydblandinger ved hjelp av termisk dekomponering av nitrater og acetater omfatter trinnene: (A) oppløsning av nitrat- og/eller acetatsalter av de ønskede grunnstoffer i et polart oppløsningsmiddel som

vann,

(B) oppvarming av den erholdte oppløsning i trinn

(A) for å fjerne det polare oppløsningsmiddel inntil et fast

pulver erholdes,

(C) utforming av blandingen i en ønsket form, og

(D) oppvarming av den dannede blanding til en temperatur som er tilstrekkelig til å danne en kompakt og fast

membran med elektronledende og oksygenledende egenskaper. Vanligvis er temperaturen for dette trinn minst 500 °C, og er generelt minst 1000 °C.

Fremstilling ifølge sitronsyre-fremstillingsmetoden innbefatter: (A) blanding av nitrat- og/eller acetatsalter av de ønskede grunnstoffer i et polart oppløsningsmiddel, slik som

vann, inneholdende sitronsyre i oppløsning,

(B) oppvarming av blandingen til en forhøyet temperatur for å danne et fast pulver,

(C) utforming av blandingen i en ønsket form, og

(D) oppvarming av den utformede blanding til en

temperatur som er tilstrekkelig til å danne en kompakt og

fast membran med elektronledende og oksygenioneledende egenskaper. Temperaturen for dette trinn er minst 500 °C, og er generelt minst 1000 °C.

I de ovennevnte fremgangsmåter for fremstilling av multikomponent membranen tilsettes vanligvis et bindingsmiddel til blandingen før det siste oppvarmingstrinn for å hjelpe til ved bindingen av metall- og/eller metalloksyd-partiklene for å danne en ønsket form. Midlet er fortrinnsvis et materiale som ikke forstyrrer dannelsen av en kompakt og fast membran i det siste trinn med oppvarming av den utformende blanding til en temperatur på minst 500 °C, og bindingsmidlet er i stand til lett å dispergeres i blandingen. Et slikt bindingsmiddel kan f.eks. være en voks eller et parafin-hydrokarbon dispergert eller oppløst i et egnet oppløsningsmiddel. Et spesifikt eksempel på et bindingsmiddel er Carbowax 20M (Supelco) oppløst i en tiltrekkelig mengde kloroform for å fordele en bindende mengde voks på de elektronledende og oksygenioneledende partikler.

Modifisering og/eller ytterligere dannelse av perovskittstrukturer kan forekomme under reaksjonsbetingelser i reaktorcellen, omfattende de blandede metalloksyder med perovskittstruktur .

Den faste membran kan omfatte multikomponent membranen eventuelt avsatt på et fast materiale som er porøst overfor reaktanten eller produktgassene og som virker som et støtte-materiale for den faste membran. Det porøse faste materiale kan være ethvert materiale som gir oppnåelse av det ønskede mål så lengde det ikke forstyrrer reaksjonsprosessen under reaksjonsbetingelsene. Ethvert av et stort antall oksyder, innbefattet yttriumoksyd-stabilisert zirkoniumoksyd, impregnert ceriumoksyd, thoriumbaserte materialer, eller impreg nerte vismutoksyder som er nevnt som oksygenledende materialer, og forskjellig andre metalloksyder kan anvendes. Eksempler innbefatter CaO-stabilisert ZrO.,; Y^^-stabilisert Zr02;Sc203-stabilisert Zr02; Y203-stabilisert Bi203; Y2°3~stabilisert Ce02; CaO-stabilisert Ce02; Th02; v203~stabilisert Th02; Th02#Zr02; Bi2°3'Ce02eller Hf02stabilisert ved hjelp av tilsetning av ethvert av lantanidoksydene eller CaO; A1203>

Membranene ifølge foreliggende oppfinnelse kan an-bringes på et støttesubstrat ved hjelp av enhver teknikk slik som dampavsetning på et porøst substrat, impregnering av et porøst substrat, ko-impregnering av et porøst støtte-substrat, eller enhver annen vanlig anvendt teknikk for å fremstille keramikk. Alternativt kan memebranen fremstilles ved båndstøping av en suspensjonsblanding, begitting eller andre teknikker. En annen teknikk er varmebehandling av den utformede membranforløper for å danne en stabil struktur, eller inntil den er gasstett, og festing av de resulterende membraner til en støttestruktur og videre varmebehandling for å oppnå den ferdige, støttede membran. Andre teknikker er mulige så lenge støttesubstratet tillater at en oksygeninneholdende gass og en oksygenforbrukende gass kan komme i kontakt med membranen ifølge foreliggende oppfinnelse.

Foreliggende oppfinnelse kan videre eksemplifiseres ved referanse til figur 2 og 3 som illustrerer andre utfør-elsesformer av en elektrokjemisk celle og en fast membran ifølge oppfinnelsen. Figur 2 er et grunnriss av en elektrokjemisk celle anvendelig i en utførelsesform av en elektrokjemisk reaktor som er forskjellig fra den elektrokjemiske reaktor vist i figur 1, og figur 3 er et sidesnitt av den samme celle som vist i figur 2. I både figur 2 og 3 omfatter den elektrokjemiske celle et skall 20 hvori er plassert en sirkulær fast sylinderisk dobbeltleder, kjerne 21. Som det fremgår fra konstruksjonen illustrert i figur 2 og 3, inneholder cellen en indre gjennomstrømmingskanal 22 inne i kjernen 21 som fører gjennom hele lengden av kjernen 21, og en ytre gjennomstrømmingskanal 23 mellom den ytre overflate av kjernen 21 og den indre overflate av skallet 20.

X praksis utføres omsetningen med et apparat som illustrert i figurene 2 og 3, ved f.eks. å passere en oksygenforbrukende gass gjennom den indre gjennomstrømmingskanal 22 og en oksygeninneholdende gass gjennom den ytre gj ennomstrømm-ingskanal 23. Den oksygeninneholdende gass som kommer i kontakt med den ytre overflate av dobbeltlederkjernen 21, omdannes til oksygenioner som vandrer gjennom den faste kjerne 21 til den indre overflate av kjernen 21. Ved den indre overflate av kjerne 21 reagerer oksygenionene med den oksygenforbrukende gass som er i kontakt med den indre overflate. Under denne reaksjon mister hvert oksygenion 2 elektroner som vandrer fra den indre overflate av kjerne 21 til den ytre overflate av kjernen 21.

Den ovenfor angitte prosess kan selvsagt reverseres ved å passere en oksygeninneholdende gass gjennom den indre gjennomstrømmingskanal 22 og en oksygenforbrukende gass gjennom den ytre gjennomstrømningskanal 23. Oksygenioner vil da vandre gjennom den faste kjerne 21 til den ytre overflate av kjernen 21, og elektroner vil vandre til den indre, overflate.

Ved en typisk prosess, i hvilken syntesegass fremstilles fra lettere hydrokarboner, er f.eks. én eller flere lette hydrokarboner i den indre gjennomstrømningskanal 22, og dersom et støttemateriale som er porøst overfor membranen i den faste kjerne 21 er til stede, befinner det porøse støtte-materialet seg vanligvis på den ytre overflate av membranen. Beslutningen om hvilke soner som skal anvendes for den oksygenforbrukende gass og den oksygeninneholdende gass, og eventuelt lokaliseringen av et porøst støttemateriale, vil imidlertid avhenge av hvilket arrangement som er mest egnet for den spesielle anvendelse av foreliggende oppfinnelse. Be-stemmelse av det mest egnede arrangement kan meget godt ut-føres av en fagmann uten unødig eksperimentering.

Eventuell katalysator

Den elektrokjemiske celle kan eventuelt inneholde en katalysator tilgrensende til, eller belagt på, den første ledende overflate. Når den elektrokjemiske celle f.eks. anvendes for gassrensing, er det ved foreliggende oppfinnelse funnet at tilstedeværelsen av en katalysator kan lette reduk- sjonen av oksyder av svovel og nitrogen og/eller lette dekomponering av karbonylsulfid ved den første ledende overflate (dvs. katode) av den elektrokjemiske celle.

Katalysatoren kan være til stede i form av en film på overflaten av den faste membran i den elektrokjemiske celle, dispergert eller blandet på overflaten av den faste membran (f.eks. ved impregnering av membranoverflaten), eller den kan være til stede i form av adskilte partikler eller fibere pakket i umiddelbar nærhet av overflaten av cellemembranen.

I en utførelsesform kan omsetningen utføres i en celle som vist i figur 6 og 7, hvori den faste, multikomponent membran 33 har en første overflate 34 som er i stand til å redusere oksygen til oksygenioner. Tilgrensende til den første overflate 34 er en første gjennomstrømningskanal 36 inneholdende katalysatoren 35. Membranen 33 har en andre overflate 32 som er i stand til å omsette oksygenioner med en oksygenforbrukende gass i en andre gjennomstrømningskanal 31.

I praksis utføres omsetningen med en apparatur som illustrert i figurene 6 og 7, lignende den fremgangsmåte som anvender apparaturen ifølge figurene 2 og 3.

De foretrukne utførelsesformer av den elektrokjemiske fremgangsmåte er som følger. (1) Den elektrokjemiske prosess for oksydasjon av en reaksjonsgass under dannelse av en syntesegass ved anvendelse av den faste multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse inneholdt i en elektrokjemisk reaktor, utføres ved en temperatur fra tilnærmet 1000 °C til 1400 °C. I en utførelses-form utføres prosessen ved temperaturer innenfor området 1000 til 1300 °C. Den elektrolytiske celle kan oppvarmes til den ønskede temperatur og temperaturen kan opprettholdes under reaksjonen ved ekstern oppvarming og/eller den eksoterme karakter av reaksjonen.

Den oksygeninneholdende gass som passeres under kontakt med den faste membran på siden som vender mot den

sone, kan være luft, rent oksygen, eller enhver annen gass som inneholder minst 1 % fritt oksygen. I en annen utførelsesform inneholder den oksygeninneholdende gass oksygen i andre former som N20, NO, N02, S02, S03, vanndamp og C02. Fortrinnsvis inneholder den oksygeninneholdende gass minst tilnærmet 1 %

fritt oksygen, og helst er den oksygeninneholdende gass luft.

Tilføringsgassene som behandles for fremstilling av syntesegass kan omfatte lette hydrokarboner som metan, naturgass, etan, eller andre blandinger av lette hydrokarboner. Naturgassen kan enten være brønnhode-naturgass eller bearbeidet naturgass. Sammensetningen av den bearbeidede naturgass varierer med behovene til den endelige bruker. En typisk bearbeidet naturgassammensetning inneholder tilnærmet 70 vekt% metan, tilnærmet 10 vekt% etan, 10 til 15 vekt% C02, og balansen utgjøres av mindre mengder propan, butan og nitrogen.

Den lette hydrokarbon-tilførselsgass kan blandes med ethvert inert fortynningsmiddel som nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon eller enhver annen gass, inkludert vanndamp, som ikke forstyrrer den ønskede reaksjon. Nitrogen og vanndamp er foretrukne fortynningsmidler.

Syntesegassen fremstilt ved den faste membranover-flate som vender mot den andre sone, er vesentlig nitrogenfri og omfatter en blanding av hydrogen og karbonmonoksyd, og kan inneholde noe acetylen eller etylen eller begge deler. Syntesen kan også inneholde små mengder karbondioksyd. Syntesegassen kan omdannes til væsker ved anvendelse av Fischer-Tropech-prosessen og kan omdannes til metanol ved kommersielle prosesser. (2) Den elektrokjemiske fremgangsmåte for oksydering av metan, naturgass eller andre lette hydrokarboner til umettede hydrokarboner utføres ved anvendelse av den faste multikomponent membran inneholdt i en elektrokjemisk reaktor ved temperatur på tilnærmet 300 °C opptil, men ikke inkludert, 1000 °C. I en utførelsesform utføres fremgangsmåten ved temperaturer innenfor området 550 °C til 950 °C, og fortrinnsvis innenfor området 750 °C til 950 °C. Den elektrolytiske celle kan oppvarmes til den ønskede temperatur og temperaturen kan opprettholdes under reaksjonen ved hjelp av ekstern oppvarming og/eller ved anvendelse av den eksotermiske egenskap av reaksjonen.

Den oksygeninneholdende gass som passeres under kontakt med den faste membran på siden som vender mot den første sone, kan være luft, rent oksygen, eller enhver annen gass som inneholder minst 1 % fritt oksygen. I en annen ut- førelsesform inneholder den oksygeninneholdende gass oksygen i andre former som N20, NO, N02, S02, S03, vanndamp og C02. Fortrinnsvis inneholder den oksygeninneholdende gass minst tilnærmet 1 % fritt oksygen, og helst er den oksygeninneholdende gass luft.

Tilføringsgassene som behandles kan omfatte lette hydrokarboner som metan, naturgass, etan, eller andre blandinger av lette hydrokarboner. En metan-inneholdende tilfør-ingsgass kan f.eks. være metan eller naturgass eller enhver annen gass som inneholder minst 50 % metan. Naturgassen kan enten være brønnhode-naturgass eller bearbeidet naturgass. Sammensetningen av den bearbeidede naturgass varierer med behovene til den endelige bruker. En typisk bearbeidet naturgassammensetning inneholder tilnærmet 70 vekt% metan, tilnærmet 10 vekt% etan, 10 til 15 vekt% C02, og balansen utgjøres av mindre mengder propan, butan og nitrogen.

Den lette hydrokarbongass-tilføringsstrøm kan blandes med ethvert inert fortynningsmiddel som nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, eller enhver annen gass, innbefattet vanndamp, som ikke forstyrrer den ønskede reaksjon. Nitrogen og vanndamp er foretrukne fortynningsmidler.

De umettede hydrokarboner fremstilt ved den faste membranoverf late som vender mot den andre sone er f .eks. etylen, acetylen, propylen, butylen, isobutylen, og blandinger derav. (3) Den elektrokjemiske prosess for ekstrahering av oksygen fra en oksygeninneholdende gass utføres ved anvendelse av den elektrokjemiske celle ifølge foreliggende oppfinnelse. Prosessen utføres vanligvis ved en temperatur innenfor området 300 °C til 1400 °C. I en utførelsesform kan prosessen utføres i området fra 500 °C til 1400 °C. I en annen utførelsesform utføres prosessen innenfor området 700 °C til 1100 °C. I en foretrukket utførelsesform utføres prosessen ved en temperatur på minst 400 °C og er fortrinnsvis ikke høyere enn 1000 °C, og helst ikke høyere enn 900 °C. Den elektrokjemiske celle kan oppvarmes til den ønskede temperatur og temperaturen kan opprettholdes under reaksjonen ved anvendelse av en varm røyk-gass, ekstern oppvarming, og/eller ved anvendelse av den eksotermiske egenskap av reaksjonen.

Den oksygeninneholdende gass som behandles kan være enhver gass som inneholder fritt oksygen og/eller inneholder oksygen i andre former som N20, NO, N02, S02, S03, H20 (gass)

(dvs. vanndamp), C02, eller en blanding av oksygeninneholdende gasser, slik som en røykgass.

Reaksjonsgassen omfatter enhver gass som er istand til å reagere med oksygen eller oksygenioner, innbefattet en eller flere hydrokarboner som foreligger i gassfasen og som er i stand til å reagere med oksygen eller oksygenioner under fremgangsmåtebetingelsene, slik som mettede og umettede lavere alifatiske hydrokarboner som metan, naturgass, etan, eten, acetylen, propan, proper, propyn, butan, buten, butyn, iso-butan, isobuten, mettede og umettede lavere cykliske hydrokarboner som cyklopropan, cyklobutan, cyclobuten, aromatiske hydrokarboner som benzen, nafthalen, og blandinger derav; naturgass; hydrogen; karbonmonoksyd; hydrogensulfid; metanol; ammoniakk; og blandinger derav.

Foretrukne reaksjonsgasser eller gassblandinger for anvendelse ved denne fremgangsmåte er de som er rimelige pr. volumenhet, som er et biprodukt av en industriell prosess, og/eller som danner anvendelige produkter når de reagerer med oksygen eller oksygenioner. En spesielt foretrukket gass for anvendelse som en reaksjonsgass er naturgass.

I en utførelsesform av denne fremgangsmåte tilveiebringes minst en elektrokjemisk celle i utstrømningsveien for røykgasser eller eksosgasser for å rengjøre, rense eller re-sirkulere utstrømminger av røykgasser eller eksosgasser. Den elektrokjemiske celle i denne prosess omfatter en fast multikomponent membran ifølge foreliggende oppfinnelse som adskiller en reaksjonsgassene fra en sone som inneholder røyk-gass eller eksosgass. Gassen som inneholder oksyder av svovel og/eller nitrogen som passeres under kontakt med den første overflate eller katode, kan inneholde S02, S03, N02, NO og N20, i så små mengder som 0,001 mol% opptil 100 mol%. Fortrinnsvis er mengden svovel og/eller nitrogen i gasstrømmen som skal behandles i området fra tilnærmet 0,005 til 5 mol%, og helst i området fra til nærmet 0,1 til 1 mol%, fordi typiske røykgass-og eksosstrømmer inneholder oksyder av svovel og/eller nitrogen i dette mer foretrukne driftsområde.

I tillegg til svovel- og/eller nitrogenoksydet kan gasstrømmen som skal renses også inneholde andre bestanddeler, slik som nitrogengass, oksygengass, argon, helium, karbondioksid, vanndamp, karbonmonoksyd og uforbrent drivstoff. Tilstedeværelsen av oksygeninneholdende gasser som oksygengass og karbondioksid kan f.eks. forspille noe av brennstoffgassen som anvendes for å omdanne oksyder av svovel og/eller nitrogen. Ved foreliggende oppfinnelse er det imidlertid funnet at den er spesielt økonomisk når den anvendes med slike gasstrømmer, fordi den ytterligere anvendte brennstoffgass er langt mindre kostbar enn elektrisitet anvendt i elektrolytiske prosesser, slik som beskrevet i US patent 4 659 448, under den vanlige kostnad av brennstoffgass mot kilowatt timer elektrisitet i de fleste områder.

Foretrukne katalysatorer for det første gjennomstrøm-ningsområde innbefatter oksyder av lantan, oksyder av lantan impregnert med europium (Eu), oksyder av en blanding av lantan, strontium og kobolt, oksyder av molybden og oksyder av wolfram. Spesifikke eksempler på katalysatorer for redusering av oksyder av svovel innbefatter La203, La.6Sr 4Co03 (en perovskitt), ZnMo04, FeW04. Disse katalysatorer bibeholder, eller de bibeholder ikke, den angitte molekylære formel og/eller struktur under prosessen, fordi svovelatomet kan være ytterst reaktivt mot, og forbinde seg med, visse grunnstoffer i de eksemplifiserte katalysatorer. Lantanoksyder har f.eks. en tendens til å danne lantanoksysulfider, og perovskitter, slik som det ovennevnte lantan-strontiumkobolt-perovskitt, mister ofte sin perovskittstruktur når de bringes i kontakt med f.eks. svoveloksyder.

Fremgangsmåter for fremstilling og anvendelse av disse katalysatorer er velkjente teknikken. Eksempler på referanser som beskriver disse katalysatorer innbefatter Baglio, "Lanthanum Oxysulfide as a Catalyst for the Oxidation of CO and COS by S02," Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dez. (1982) vol. 21, s. 38-41 og Hibbert et al, "Flue Gas Desulfurization: Catalytic Removal of Sulfur Dioxide by Carbon Monoxide on Sulphided Lai^S^CoOg," del IT, Applied Catalysis (1988) vol. 41, s. 289-299, som alle fullt ut er inkorporert heri ved referanse.

Omsetningen utføres vanligvis ved en temperatur på minst 300 °C, og fortrinnsvis ved en temperatur på minst 400 °C. Prosesstemperaturen er fortrinnsvis ikke høyere enn 1000 °C, og helst ikke høyere enn 900 °C. Temperaturen for et spesielt system av elektrokjemisk celle/tilføringsgassbland-ing, kan lett optimaliseres av en fagmann ved å undersøke omdannelseshastigheter ved forskjellige temperaturer for den optimale omdannelseshastighetstemperatur. Den øvre grense for driftstemperaturen er vanligvis like under temperaturen ved hvilken bestanddelene i den elektrokjemiske celle dekomponerer til uønskede materialer.

Trinnet med oppvarming av den elektrokjemiske celle kan delvis eller fullstendig tilveiebringes ved hjelp av varmen som vanligvis er til stede i røykgassen eller eksosgassen, slik som den som dannes ved forbrenning av hydrokarboner, eller kan oppvarmes ved hjelp av en ekstern kilde. Fremgangsmåte for temperaturkontroll, innbefattet avkjøling ved injeksjon av en gass med lavere temperatur eller en blanding av gasser i reaksjonsgassen og/eller sonen inneholdende røykgassen eller eksosgassen, konveksjonsavkjøling og væske-avkjøling, kan anvendes hvis nødvendig for å forhindre over-oppheting under den elektrokjemiske prosess, og kan oppnås ved forskjellige fremgangsmåter kjent i teknikken.

Vanligvis utføres omsetningen ved et trykk fra 0,1 til 100 atmosfærer, fortrinnsvis mellom 0,5 og 10 atmosfærer, og helst tilnærmet 1,0 atmosfærer.

Gjennomstrømningshastigheten av den svoveloksyd-og/eller nitrogenoksyd-inneholdende gasstrøm gjennom cellen kan varieres etter behov når bare det er tilstrekkelig kontakt mellom gasstrømmen og katoden for å erholde den ønskede reduksjon i svoveloksyd- og nitrogenoksyd-utstrømningene. Kontakttider fra 0,1 til 100 sekunder kan anvendes, selv om kontakttider fra 1 til 20 sekunder vanligvis er tilstrekkelig.

Gjennomstrømningshastigheten av den resuserende gass kan også varieres etter behov når bare det er tilstrekkelig kontakt mellom den reduserende gass og anoden for å erholde den ønskede reduksjon av svoveloksyd og nitrogenoksyd-utstrømninger.

I de følgende eksempler er de oksygenforbrukende gasser behandlet i en laboratoriereaktor lignende reaktoren illustrert i figur 1. De doble ledermembraner anvendt i eksemplene 1-13 ble fremstilt som følger.

Eksempel A

Den doble ledermembran anvendt i eksemplene 1 og 2 nedenfor fremstilles ved å lage en skive som inneholder palladiummetall som den elektronledende fase og yttriumoksyd-stabilisert zirkoniumoksyd (i det etterfølgende "YSZ") som ioneledende fase. Det tillages først en pulverblanding bestående av 50 % palladiumoksyd og 50 % yttriumoksyd (8 mol%)-stabilisert zirkoniumoksyd. Pulveret oppvarmes deretter i en blandingsatmosfære av hydrogen og nitrogen ved 400 °C i 15 minutter for å redusere palladiumoksydet til metallisk palladium. Til 4,0 g av blandingen tilsettes 0,4 g Carbowax 20M (erholdt fra Supelco) oppløst i kloroform, og den resulterende blanding tørkes ved 85 °C. Den dannede Pd/yttrium-oksyd-stabiliserte zirkoniumoksyd/Carbowax 20M_pulver presses til en skive ved anvendelse av et trykk på 4220 kg/ 2 cm . Skiven sintres deretter i luft ved 1500 C i 30 minutter. Den resulterende skive er kompakt og gasstett. Skiven har en diameter på 25,4 mm og en tykkelse på 0,76 mm.

Eksempel B

Dobbeltledermembranen anvendt i eksempåel 3 nedenfor fremstilles ved å lage en skive som inneholder platinametall som den elektronledende fase og YSZ som ioneledende fase. 9,52 g Engelhard platinablekk (et produkt fra Engelhard Corporation: katalog nr. 6926) fortynnes med 3 cm 3 alfa-terpineol og deretter blandes 2,00 g yttriumoksyd (8 mol%)-stabilisert zirkoniumoksyd i det fortynnede blekk. Blandingen inndampes til tørrhet og terpineolen brennes av i en ovn ved 100 °C. Den tørkede masse pulveriseres deretter og 8,49 g av det tørkede, pulveriserte pulver tilsettes til

3

0,94 g Carbowax 20M oppløst i 20 cm kloroform. Kloro-formen avdampes og det gjenværende pulver tørkes i en ovn ved 85 °C i tilnærmet 30 minutter, pulveret males på nytt forsiktig og siktes gjennom en 120 mesh sikt. 5,00 g av det siktede Pt/yttriumoksyd-stabilisert zirkoniumoksyd/Carbowax 20M-pulver presses deretter til en skive med en diameter

på 3,50 cm, under anvendelse av et trykk på 4220 kg/cm<2>. Skiven oppvarmes deretter ved en hastighet 1-1/2 °C/minutt til 1650 °C, sintres i luft ved 1650 °C i to timer og av-kjøles ved en hastighet på 4 °C/minutt. Den resulterende skive er kompakt og gasstett.

Eksempel C

Dobbeltledermembranen anvendt i eksempel 4 nedenfor fremstilles ved å lage en skive som inneholder en kombinasjon av lantan-, krom- og magnesiumoksyder som den elektron-ledende fase og YSZ som den ioneledende fase. Det tillages først en pulverblanding av 0,25 g MgO, 5,52 g CrO^og 10,00 g La^ O^. Pulveret tørkes deretter ved 100 °C og knuses på nytt. Deretter tilsettes 5,0 g av den resulterende La(CrgMg)-pulver til en varm vandig oppløsning inneholdende 0,5 g B2°3og den resulterende oppløsning tørkes deretter og knuses til et meget fint pulver. 4,5 cm 3 av B-MgLaCr-pulveret blandes deretter med 4,5 cm 3 yttriumoksyd (8 mol?)-stabilisert zirkoniumoksyd, etterfulgt av 10 vekt% Carbowax 20M opp-løst i kloroform. Den resulterende blanding tørkes deretter og knuses på nytt til en pulverblanding. 4,0 g av pulverblandingen presses til en skive ved anvendelse av et trykk på 4220 kg/cm^. Skiven oppvarmes en hastighet fra 1 °C til 2 °c/minutt til 1400 °C, sintres i luft ved 1400 °C i totalt 45 minutter, og avkjøles ved en hastighet på 3,9 °C/minutt. Den resulterende skive er kompakt og gasstett.

Eksempel D

Dobbeltledermembranen anvendt i eksempel 5 nedenfor fremstilles ved å lage en skive som inneholder BMgLaCrOxsom den elektronledende fase og YSZ som den ioneledende fase i overensstemmelse med eksempel 3 ovenfor, som etter sintring impregneres på en side (anodesiden) med praseodym, yttrium, og zirkonium. B3 MgLaCrO x/YSZ-skiven impregneres ved anvendelse av 0,1 cm av en vandig oppløsning inneholdende 0,218 gPr(N<0>3)3'5H20. 0,212 g Zr(N03)4"6H20, og 0,0115 g Y( NO.,) " 6H_0 pr. cm3 vann, på en overflate av skiven. Skiven tørkes deretter og oppvarmes til 1100 oC under luft.

Eksempel E

Dobbeltledermembranen anvendt i eksempel 6 nedenfor fremstilles ved å lage en skive som inneholder praseodym- impregnert indiumoksyd som den elektronledende fase og YSZ som den ioneledende fase. En pulverblanding av 31,22 g In_0o-pulver, 4,26 g Pr,0, .. -pulver, 29,70 g yttriumoksyd

Z oO I-L ^

(8 mol%)-stabilisert zirkoniumoksydpulver, 100 cm destil-lert vann, fire dråper Darvan C (et dispergeringsmiddel kommersielt tilgjengelig fra R. T. Vanderbilt og Company, Inc., Norwalk, Connecticut) og zirkoniumoksyd-malingsmedium males i en kulemølle i 17 timer. Blandingen tørkes deretter ved 200 °C, det tilsettes 10 vekt% Carbowax 20M i kloroform, og den totale blanding tørkes på nytt ved 100 °C for å

fjerne kloroform. Pulverblandingen knuses deretter på nytt og 4,0 g av blandingen presses til en skive ved anvendelse av et trykk på 4 220 kg/cm 2. Skiven oppvarmes deretter til 1550 °C ved en hastighet fra 0,5 °C til l°C/minutt, sintres i luft ved 1550 °C i 3 timer, og avkjøles ved en hastighet på 1 °C/minutt. Den resulterende skive er kompakt og gasstett og har en endelig diameter på 3,12 cm.

En elektronmikrofotografisk sprediningstilbakekastet avbilding av overflaten av dobbeltledermembranen fremstilt i overensstemmelse med eksempel E ovenfor ved 500 gangers forstørrelse er vist i figur 4. To områder som korrespon-derer med de to faser av membranen fremgår tydelig fra av-bildingen. De flatere, jevnere områder omfatter en oksygenionerledende fase, primært yttriumoksyd-stabilisert zirkoniumoksyd, som bekreftet ved røntgenabsorpsjonskartlegging. Det tynne, finkornede bånd som nesten strekker seg fra toppen til bunnen i sentrum av mikrofotografiet er den elektron-ledende fase primært omfattende indiumoksyd.

Et andre elektronmikrofotografi som er et tverrsnitt av den samme membran som i eksempel 5, forstørret 5000 ganger, er vist i figur 5. De små, hvite partikler er den elektronledende, indium-inneholdende fase, og det grå område er den ioneledende fase, primært yttriumoksyd-stabilisert zirkoniumoksyd. De ekstremt mørke områder skyldes små hule-rom som er dannet i tverrsnittoverflaten under prøveprepa-rering.

De følgende eksmpeler illustrerer fremstilling av membraner omfattende et blandet metalloksyd med en perovskittstruktur. Eksempler F og G illustrerer den ovenfor be-

skrevne fremstilling fra oksydene.

Eksempel F

Det fremstilles en fast membran basert på et ABO^-type materiale av formelen La _Sr 0Co00. En pulverblanding

.Z. o j

av 7,50 g La203, 18,47 g Co3°4 >°919,08 g SrO males i en kulemølle i etylalkohol ved anvendelse av zirkoniumoksyd-malingsmedium i tilnærmet 24 timer. Den resulterende suspen-sjon inndampes til tørrhet ved 90 °C og knuses til et pulver. Dette pulver blandes med 10 vekt% Carbowax 20M oppløst i kloroform. Den resulterende blanding tørkes ved romtemperatur og knuses på nytt til en pulverblanding og siktes gjennom en 80-mesh sikt. 4 g av pulveret presses til en ønsket form

2

ved anvendelse av et trykk på 4 220 kg/cm . Den utformede blanding oppvarmes deretter langsomt til 600 °C for å brenne bort Carbowax-bindingsmidlet, oppvarmes ved en hastighet på tilnærmet 0,6 °C/minutt til 1200 °C, opprettholdes ved 1200 °C i tilnærmet 5 timer og avkjøles til tilnærmet 105 °C ved en hastighet på tilnærmet 0,9 °C/minutt. Den resulterende membran er kompakt og gasstett.

Eksempel G

En membran fremstilles i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge eksempel F, med unntak av at SrO substitueres med en ekvivalent molar mengde CaO, for å danne en blanding med formelen La _Ca _Co0o.

.z.o j

De følgende eksempler H-L illustrerer fremstilling

av faste membraner i overensstemmelse med den ovenfor beskrevne fremgangsmåte for termisk dekomponering av nitrat-og/eller acetatsalt.

Eksempel H

20,0 g lantanacetat, 49,35 g strontiumnitrat og

72,61 g koboltacetat oppløses i vann. Oppløsningen inndampes til nesten tørrhet på en varmeplate under omrøring. Den kon-sentrerte blanding oppvarmes deretter ved 450 °C i en time i luft. Det resulterende pulver males i aceton og kalsineres deretter ved 1150 °C i luft i 5 timer. Det resulterende pulver males i en kulemølle i aceton inneholdende tre dråper Darvan C dispergeringsmiddel under anvendelse av zirkoniumoksyd-malingsmedium i 20 timer. Pulversuspensjonen tørkes ved 200 °C, det iblandes 10 vekt% Carbowax 20M i kloro-

form, og den totale blanding tørkes deretter langsomt på en varmeplate under omrøring, etterfulgt av videre tørking ved 90 °C i en ovn. Det resulterende pulver knuses i en morter og siktes gjennom en 80 mesh sikt. Fire gram av det resulterende pulver presses til en ønsket form ved anvendelse av et trykk på 4220 kg/cm 2. Den utformede blanding oppvarmes deretter langsomt til 600 °C for å brenne ut Carbowax-bindingsmidlet, og oppvarmes deretter til 1200 °C ved en hastighet på tilnærmet 0,6 °C/minutt og opprettholdes ved 1200 °C i tilnærmet 5 timer og avkjøles deretter. Den resulterende La 2^r gCoO^ ABO^-type multikomponent membran er kompakt og gasstett.

Eksempel J

En fast membran fremstilles i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge eksempel H, med unntak av at koboltacetat substitueres med jernacetat ved en ekvivalent molar mengde metallion. Formelen som representerer produktet kan uttrykkes som La _Sr QFeO_.

Eksempel K

En fast membran fremstilles i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge eksmepel H, med unntak av at koboltacetat substitueres med jernacetat og krumacetat i slike mengder at det molare forhold mellom jern og krum er 4:1, og det totale molare innhold av jern og krum er ekvivalent med antall mol kobolt. De fremstilte produkter kan representeres av formelen La -Sr QFe QCr _0o.

Eksempel L

En fast membran fremstilles i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge eksempel H, med unntak av at lantanacetat substitueres med gadoliniumacetat ved ekvivalente molare mengder av metallioner. De fremstilte produkter kan representeres av formelen Gd _Sr _CoO.,.

Fremstilling av faste membraner ved hjelp av den ovenfor beskrevne sitronsyre-fremstillingsmetode er illustrert i eksempel M nedenfor.

Eksempel M

En La .Sr QFe 0Cr ..0-, ABO-,-type multikomponent

. z . o . o . ± .1 j j

membran fremstilles fra nitratene eller acetatene ved å blande dem i en sitronsyreoppløsning. 30,0 g lantannitrat,

60,96 g strontiumnitrat, 117,85 g jernnitrat, 14,59 g krom-nitrat, 10,61 g koboltnitrat og 138,71 g sitronsyre opp-løses i vann. Oppløsningen plasseres i en rund glasskolbe og blandes i en rotasjonsfordamper under vakuum ved 80 °C inntil blandingen tykner. Væsken helles i en fordampnings-skål og tørkes i en vakuumovn ved 110 °C, under delvis vakuum i 20 timer. Pulveret knuses og kalsineres deretter i luft ved 200 °C i 1 time, og deretter ved 900 °C i 24 timer. Pulveret plasseres i en plastkrukke og males i en kulemølle

i aceton inneholdende 3 dråper Darvan C dispergeringsmiddel zirkoniumoksyd-malingsmiddel i 24 timer. Pulversuspensjonen tørkes ved 90 °C, det tilblandes 5 vekt% Carbowax 20M kloroform, og den totale blanding tørkes deretter langsomt på en varmeplate under omrøring, etterfulgt av videre tørking ved 90 °C i en ovn. Det resulterende pulver knuses i en morter og siktes gjennom en 60 mers sikt. Fire gram av det resulterende pulver presses til en ønsket form ved anvendelse av et trykk på 2630 kg/cm 2. Den utformede blanding oppvarmes langsom til 600 °C for å brenne bort Carbowax-bindingsmidlet, og oppvarmes deretter til 1200 °C ved en hastighet på tilnærmet 0,6 °C/minutt og opprettholdes ved 1200 °C i tilnærmet 5 timer og avkjøles deretter. Den resulterende membran er kompakt og gasstett.

Hver dobbeltlederskive ifølge eksemplene A-M ovenfor er festet mellom to YSZ-rør med diameter på 25,4 mm. En ende av denne sammensetning tilpasses etkvartsovertrukket til-førselsrør av rustfritt stål for innføring av den oksygenforbrukende gass, og den andre ende av denne sammensetning tilpasses et tilførselsrør av rustfritt stål for innføring av den oksygeninneholdende gass. I hvert av de følgende eksempler plasseres sammensetningen i en spalteovn som kan oppvarmes til 1100 °C. Hastigheten av oksygenstrømmen gjennom skivene som omfatter blandede metalloksyder testet i eksemplene 7-13, bestemmes ved tilførsel av 60 °C/minutt av standard brennstoffblanding til brennstoffsiden av skiven, tilførsel av 200 cm 3/minutt av luft til den motsatte side av skiven, analysering av gassammensetningen som strømmer ut fra brennstoffsiden av skiven med hensyn til volumprosent CO,,, CO og N2med en gasskromatograf, og måling av volum- prosenten av vann i avløpet ved å innsamle vann fra gassen som strømmer ut fra brennstoffsiden av skiven ved hjelp av en tørris/acetonfelle. De følgende formler oppsummerer be-regningmåten for total oksygenstrøm og oksygenstrøm pr. over-flatearealenhet:

Hvis ikke annet er angitt heri er alle deler, pro-senter, forhold og lignende relatert til volum ved standard temperatur og trykk (STP, 25 °C og 1 atmosfære). Når temperatur eller trykk ikke er spesifisert heri, er temperaturen romtemperatur (tilnærmet 25 °C) og trykket er tilnærmet 1 atmosfære.

Eksempel 1

Reaktorsammensetningen inneholdende Pd/YSZ-dobbeltledermembranen ifølge eksempel A oppvarmes til 1100 °C, med tilførsel av nitrogen ved en hastighet på tilnærmet 60 cm<3>pr. minutt til den side som er beregnet for den oksygenforbrukende gass, og tilførsel av luft ved 200 cm<3>pr. minutt til den motsatte side av dobbeltledermembranen som er beregnet for den oksygeninneholdende gass. Nitrogenstrømmen erstattes derettermed en gass inneholdende 90 deler hydrogen og 10 deler argon, tilført ved en hastighet som leverer 61,0 cm 3 hydrogengass pr. minutt ved STP. Utstrømningsgassen passerer gjennom en kald felle av tørris/aceton (- 78 °C) for å oppsamle vannet som produseres, og deretter gjennom en gassoppsamler for gasskromatografisk analyse. Hydrogen-argon-gassblandingen tilføres reaktoren i 3 timer, og 1,23 g vann oppsamles under denne reaksjonstid.

Gasskromatografisk analyse viser ikke noe nitrogen, noe som viser at det ikke foregår noen lekkasje av luft inn i reaktoren, og at alt oksygen transporteres gjennom den dobbeltledende skive.

Overflatearealet av skiven som utsettes for hydrogen er 2,2 cm 2 og mengden oksygen som transporteres gjennom skiven er ekvivalent med en strømtetthet på 550 mA/cm 2.

Eksempel 2

Reaksjonsprosessen i dette eksempel utføres på den samme måte som i det foregående eksempel 1, med unntak av at hydrogen-argon-gassblandingen erstattes med en gassblanding inneholdende 17 deler metan og 83 deler nitrogen.

Gasskromatografisk analyse av utstrømningsgassen av-slører at det erholdes et 94 % utbytte av karbonmonoksyd blandet med hydrogen i et 1:2 molart forhold. Mengden av oksygen transpotert gjennom skiven er ekvivalent med en strømtetthet på 531 mA/cm 2.

De ovenfor angitte resultater viser at en nesten kvantitativ omdannelse av en blanding av hydrokarboner til syntesegass kan erholdes uten en ekstern krets for strømen av elektroner.

Eksempel 3

Reaksjonsprosessen i dette eksempel utføres på samme måte som i det foregående eksempel 1, med unntak av at dobbeltledermembranen erstattes med Pt/YSZ-membranen fremstilt i overensstemmelse med eksempel B, hydrogen-argon-gassblandingen tilføres ved en hastighet som utleverer 61,6 cm 3 hydrogengass pr, minutt ved STP, og hydrogen-argon-gassblandingen tilføres reaktoren i 2 1/2 time. Reaktoren produserer 0,38 g vann.

Overflatearealet av skiven som utsettes for hydrogen er 1,0 cm 2 og mengden oksygen transrtert gjennom skiven er

ekvivalent med en strømtetthet på 466 mA/cm 2.

Eksempel 4

Reaksjonsprosessen i dette eksempel utføres på samme måte som i det foregående eksempel 1, med unntak av at dobbeltledermembranen erstattes med BMgLaCrOx/YSZ-membranen fremstilt i overensstemmelse med eksempel C, hydrogen-argon-gassblandingen tilføres reaktoren over en tidsperiode på en time, og 0,107 g vann oppsamles under denne reaksjonstids-periode.

Overflatearealet av skiven som utsettes for hydrogen er 2,8 cm 2 og mengden oksygen transportert gjennom skiven er ekvivalent med en maksimal strømtetthet på 114 mA/cm 2.

Eksempel 5

Reaksjonsprosessen i dette eksempel utføres samme måte som i det foregående eksempel 1, med unntak av at (a) dobbeltledermembranen erstattes med PrYZr-BMgLaCrO^/YSZ-membranen fremstilt i overensstemmelse med eksempel D ovenfor, plassert på en slik måte at siden som er impregnert med praseodym, yttrium, og zirkon kommer i kontakt med hyrogen-argon-gassblandingen, (b) hydrogen-argon-gassblandingen til-føres reaktoren i 1 1/2 time (forsøk A) og i 2 timer (for-søk B), og (c) 0,16 g og 0,22 g vann oppsamles under henholdsvis forsøk A og B.

Overflatearealet av skiven som utsettes for hydrogen er 2,8 cm 2, slik at oksygenmengden som transporteres gjennom skiven er ekvivalent med en strømtetthet på 114 mA/cm 2 for forsøk A og 117 mA/cm<2>for forsøk B.

Eksempel 6

Reaksjonsprosessen i dette eksempel utføres på samme måte som i det foregående eksempel 1, med unntak av at dobbeltledermembranen erstattes med PrlnO x/YSZ-membranen fremstilt i overensstemmelse med eksempel E, hydrogen-argon-gassblandingen tilføres reaktoren i 2 timer, og 0,90 g vann oppsamles under denne reaksjonsperiode.

Gasskromatografisk analyse gir ingen påvisning av nitrogen, noe som indikerer at det ikke er noen lekkasje av luft inn i reaktoren, og at alt oksygen transporteres gjennom dobbeltlederskiven.

Overflatearealet av skiven som utsettes for hydrogen er 2,2 cm 2 og oksygenmengden som transporteres gjennom skiven er ekvivalent med en strømtetthet på 601 mA/cm 2.

Eksempel 7

Perovskitt-skiven ifølge eksempel F plasseres på en støtteplate av 330 rustfritt stål i ovnen Kornmalt glass (nr. 1724) blandes med vann for å danne en pasta. Et tynt lag av pastaen belegges deretter på randen skiven og et zirkoniumrør eller et mullitrør plasseres deretter på skiven slik at den våte pasta danner en forsegling, røret og skiven oppvarmes deretter i ovnen. Ved 925 °C smelter det malte glasset under dannelse av en lekkasjetett forsegling mellom skiven og røret. Reaktoren oppvarmes deretter til den ønskede temperatur under nitrogentilførsel til den forseglede side av skiven (rørsiden) og lufttilførsel til den motsatte side. Når skiven har den ønskede temperatur erstattes nitrogentilførselen med brennstoff for å måle oksygenstrømmen. Målingsbetingelsene er 1100 °C, 60 cm^/minutt brennstofftil-førsel til den forseglede side av skiven, og 200 cm 3/minutt lufttilførsel til den motsatte side av skiven. Skiven testes med en standard brennstoff-"blanding" som består av 57 % H2, 21,5 % C02, 16,5 % CH2og 5,0 % Ar.

Eksempler 8- 13

Reaksjonsprosessen ifølge eksemplene 8-13 utføres på samme måte som i det foregående eksempel 7, med unntak av den faste membran ifølge eksempel 7 erstattes med de faste membraner ifølge eksemplene G-M. Reaksjonsbetingelsene i eksempler 8-13 er de samme som i eksempel 7.

Dataene for oksygenstrøm for eksemplene 7-13 er opp-summert i tabell I nedenfor.

Claims

1. Fast multikomponent membran,karakterisert vedat den omfatter en intim, gassugjennomtrengelig, flerfaseblanding av en elektronledende fase og en oksygenioneledende fase, hvori den elektronledende fase omfatter sølv, gull, platina, palladium, rhodium, ruthenium, vismutoksyd, en praseodym-indiumoksydblanding, en cerium-lantanoksydblanding, en niobium-titanoksydblanding eller et elektronledende blandet metalloksyd med en perovskittstruktur, eller en blanding derav og/eller hvori den oksygenioneledende fase omfatter en oksygenioneledende blandet metalloksyd med en perovskittstruktur og/eller hvori den faste membran består av et blandet metalloksydmateriale med en perovskittstruktur inneholdende La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb eller Lu i kombinasjon med Co, Sr eller et oksyd derav, med den forutsetning at den faste membran av blandet metalloksydmateriale inneholder mindre enn 13 mol% vismut, cerium eller blandinger av vismut og cerium.

2. Fast membran ifølge krav 1,karakterisert vedat den faste membran omfatter en inngående, gassugjennomtrengelig, flerfaseblanding vesentlig bestående av fra 1 til 75 volumdeler av den elektronledende fase og fra 25 til 99 volumdeler av den ioneledende fase. .

3. Fast membran ifølge krav 1, karakterisert vedat den elektronledende fase omfatter en blandet metalloksyd med en perovskittstruktur omfattende nikkel, kobolt, kopper eller en tinnindiumoksyd-blanding, eller en blanding derav.

4. Fremgangsmåte for fremstilling av en fast multikomponent membran omfattende en intim, gassugjennomtrengelig flerfaseblanding, karakterisert vedtrinnene (A) fremstilling av en intim flerfaseblanding av minst ett materiale, slik som et metalloksyd, som er elektron-ledende og minst ett oksygenioneledende materiale, (B) eventuelt oppvarming av blandingen ved en for-høyet temperatur i en reduserende atmosfære for å redusere metalloksydet til metall, (C) utforming av den reduserte blanding til en ønsket form, og (D) oppvarming av den utformede blanding til en temperatur på minst 500 °C under dannelse av en kompakt og fast membran.

5. Anvendelse av en fast multikomponent membran i en elektrokjemisk reaktorcelle for omsetning av en oksygenforbrukende gass med en oksygeninneholdende gass i en omgivelse inneholdende enten den oksygenforbrukende gass eller den oksygeninneholdende gass, idet reaktorcellen omfatter en fast multikomponent membran med en inngangsende, en utgangsende og en mellomliggende passasje for bevegelse av én eller flere gasser fra inngangsenden til utgangsenden, hvori den faste membran er definert i overensstemmelse med kravene 1-3, eller den omfatter et gassugjennomtrengelig blandet metalloksydmateriale med en perovskittstruktur med elektronledningsevne og oksygenioneledningevne, under den forutsetning at den faste membran inneholder mindre enn 13 mol% vismut, cerium eller blandinger av vismut og cerium.