[發(fā)明專利]壓力驅(qū)動的固體電解質(zhì)隔膜氣體分離方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 96102952.8
• 申請日: 1996-03-21
• 公開（公告）號: CN1136467A
• 公開（公告）日: 1996-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: R·布拉薩德;C·F·戈茨曼
• 申請（專利權(quán)）人: 普拉塞爾技術(shù)有限公司
• 主分類號: B01D53/22
• 分類號: B01D53/22
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 吳大建,田舍人

本發(fā)明涉及一種用于從混合進料氣流中分離氧的方法，更具體地說，涉及一種利用固體電解質(zhì)隔膜來除氧以純化進料氣流的方法。

利用某些隔膜來分離空氣和其他氣體混合物是一種現(xiàn)有技術(shù)。例如，有機聚合物隔膜(包括復合空心纖維)已顯示出分離作用的選擇性，它能使氧的滲透作用比氮大10倍或略小。利用這類隔膜的方法可劃分為從環(huán)境空氣中生產(chǎn)氧以及特別是生產(chǎn)氮的兩大類。

利用無機氧化物可制出完全不同類型的隔膜，作為代表性的氧化物有以鈣或釔穩(wěn)定的鋯的氧化物和具有螢石結(jié)構(gòu)的類似氧化物。在提高的溫度下，這些物質(zhì)含有可移動的氧離子空穴。當通過這類氧化物隔膜而施加一個電場時，該隔膜就能允許氧，并且僅僅允許氧通過，這樣它就相當于一種對氧具有非常大選擇性的隔膜。在氣體分離的應用上，這類隔膜是有吸引力的。最近有人報導，這類材料能同時顯示離子傳導性和電子傳導性兩種性能。然而，這類能顯示混合傳導性能的隔膜在受到不同氧分壓的作用下，不需外加電場就能允許氧透過。

Gur等人報導了一種基于混合傳導性鈣鈦礦的無機非多孔性隔膜的滲透性能。其中報導了該隔膜的高滲透速率，這表明有可能將這類化學驅(qū)動的隔膜應用于氧的選擇分離或純化。參見“ANew?Class?Of?Oxygen?Selective?Chemically?Driven?Nonporous?CeramicSubstrates”，Part?I，A-Site?Doped?Perovskites，Journal?ofMembrane?Science，75：151-162(1992)。Teraoka等人在Chemistry?Letters，PP.1743-1746(1985)中指出，氧通過鈣鈦礦型氧化物的滲透速率隨著鍶或鈷含量的增加而增加。Iwahara等指出，在用鋱摻雜的含鋯氧化物燒結(jié)陶瓷材料中存在混合傳導作用。同時還指出在這類材料中存在電化學的氧滲透作用。參見Iwahara等，″Mixed?Conduction?and?Oxygen?Permeation?in?Sintered?Oxideof?a?System?ZrO₂-Tb₄O₇″，Advances?in?Ceramics，Vol.24，Scienceand?Technology?of?Zirconia?III?pp.907-915(1988)。在Advances?inElectrochemistry?and?Electrochemical?Engineering，Series?10，pp.323-389(1977)中由Huggins發(fā)表的題為″Ionically?ConductingSolid?State?Membranes″的論文中也能找到關(guān)于離子傳導固態(tài)隔膜的綜合評論。

在一種混合傳導型無機氧化物中，由于在氧化物中存在氧的空穴而產(chǎn)生氧的傳導。氧離子消除了在氧化物中能高速遷移的氧離子空穴。必須供應電子(并在氧化物隔膜的另一側(cè)除去電子)以促使反應進行。對于僅顯示離子傳導性的材料來說，必須在其氧化物隔膜的兩側(cè)設(shè)置電極并由外加回路來載帶電子。

對于能同時顯示離子和電子兩種傳導性的混合導體材料來說，與氧空穴流相反的逆向電流由內(nèi)部的電子流載帶而不是由通過外電路的電流來載帶。完整的輸送是由處于混合傳導無機氧化物隔膜的每一側(cè)附近的氣流的分壓來驅(qū)動。雖然這種隔膜對于從惰性氣體中除去大量氧的工藝來說是有吸引力的，但該方法受到所能施加的壓力的限制。由于把氧從隔膜處帶走的“透過”氣流是“純”氧，因此進料氣流與產(chǎn)品氣流二者都必須處于高壓下(或者“透過”氣流處于很低的壓力下)以便給氧的滲透產(chǎn)生一個驅(qū)動力。即使如此，所能獲得的純化程度仍是有限的。

在現(xiàn)有的專利文件中，有很多關(guān)于使用混合傳導無機氧化物隔膜的技術(shù)。Bauer等在USP?5,108,465中公開了一種用于從氮氣流中除去氧的小室，其中使用一種混合傳導隔膜。Bauer等人的小室是根據(jù)其中的隔膜兩側(cè)具有不同的氧分壓的原理來工作。對于由Bauer公開的“氧泵”的唯一的工作動力是通過增加氮/氧混合氣的壓力和/或通過降低純氧氣室的壓力來獲得的氧分壓的差異。