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钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜的一步烧结法制备与性能研究

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摘要

绪论

第一章 文献综述

1.1 钙钛矿陶瓷膜

1.1.1 钙钛矿陶瓷膜的晶体结构

1.1.2 钙钛矿陶瓷透氧膜的氧传输机理

1.1.3 钙钛矿陶瓷透氧膜材料

1.1.4 钙钛矿陶瓷透氧膜的种类

1.2 陶瓷中空纤维透氧膜的制备

1.2.1 陶瓷中空纤维透氧膜材料的制备

1.2.2 陶瓷中空纤维透氧膜的制备

1.3 本文的实验思路以及研究内容

第二章 一步烧结法制备BaBi0.05Co0.85Zr0.1O3-δ中空纤维透氧膜

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.2 实验药品的处理

2.2.3 BBCZ陶瓷中空纤维膜的制备

2.2.4 BBCZ陶瓷中空纤维膜的表征

2.2.5 氧渗透性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 金属氧化物混合粉体的粒径分布

2.3.2 BBCZ陶瓷中空纤维膜的微观形貌

2.3.3 BBCZ中空纤维膜前驱体的TG-DSC

2.3.4 BBCZ陶瓷中空纤维膜的晶型结构

2.3.5 BBCZ陶瓷中空纤维膜的机械强度及孔隙率

2.3.6 BBCZ陶瓷中空纤维膜的氧渗透性能

2.4 小结

第三章 Zr掺杂量对BBCZ陶瓷中空纤维膜性能的影响

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品及仪器

3.2.2 实验药品的预处理

3.2.3 中空纤维膜的制备

3.2.4 中空纤维膜的表征

3.2.5 中空纤维膜的氧渗透性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 膜材料容限因子计算

3.3.2 晶型结构

3.3.3 热膨胀性能

3.3.4 机械强度以及孔隙率

3.3.5 氧渗透性能

3.4 小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢

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摘要

钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜因具有分离效率高、安装简单、能耗低以及对氧100%的选择透过性等优点而受到广泛关注,但是陶瓷中空纤维透氧膜存在着制备过程复杂、成本高、反复高温处理能耗大、废气污染和热膨胀等问题限制了其工业化生产和应用。本文将陶瓷透氧膜材料的制备与中空纤维膜的制备相结合,经过一步烧结制备BaBi0.05Co0.85Zr0.1O3-δ(BBCZ)陶瓷中空纤维透氧膜,缩减了制备过程,有利于实现陶瓷中空纤维透氧膜的工业化生产;同时,探究了Zr元素掺杂量对BBCZ中空纤维透氧膜的热膨胀和透氧量等性能的影响。
  使用金属氧化物和碳酸盐作为金属离子来源,经湿法球磨混合均匀后直接利用相转化-烧结技术制备得到了致密的BBCZ陶瓷中空纤维透氧膜。金属氧化物和碳酸盐粉体在有粘结剂的条件下经过高温烧结可以直接形成钙钛矿相,得到钙钛矿陶瓷中空纤维透氧膜。所制备的陶瓷中空纤维膜的机械强度达到75.83MPa。在吹扫气为Ar(流速为150mL/min)、原料气为空气(流速为150mL/min)条件下,测试温度为650℃时,即在渗透气侧检测到O2,测试温度为1000℃时氧气渗透通量达到5.01mLmin-1cm-2,高于工业化应用要求的陶瓷中空纤维透氧膜透氧量30.2%。
  通过改变Zr元素的掺杂量制备了BaBi0.05Co0.95-xZrxO3-δ(x=0、0.05、0.1、0.15、0.2)系列陶瓷中空纤维透氧膜,探究了Zr元素掺杂对BaBi0.05Co0.95O3-δ膜材料性能的影响。随着Zr元素掺杂量的增加,所制备的中空纤维膜的机械强度逐渐增大,当掺杂量为0.2时达到110.54MPa;热膨胀系数逐渐减小,当掺杂量为0.2时降为12.26×10-6K-1,相比于BaBi0.05Co0.95O3-δ材料降低了57.3%,有效地改善了材料的热膨胀性能;氧渗透通量呈现出先升高再降低的趋势,相同测试条件下,掺杂量为0.1时透氧量最高。Zr元素掺杂量为0.15时所制备的中空纤维膜的机械强度为87.73MPa,热膨胀系数为15.76×10-6K-1,1000℃测试时透氧量最高达到4.54mLmin-1cm-2,综合性能最好。

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