[发明专利]形成离子传递膜结构的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及美国临时专利申请系列号No.60/485738，其在此全文 引入作为参考。

美国政府利益

本发明得到了美国政府支持，合作协议号为DE-FC26- 01NT41096，由美国能源部国家能源技术试验室提供资金。美国政府对 本发明具有一定的权利。

发明领域

本发明涉及形成用于离子传递膜的复合结构的方法，其中在多孔 载体层上形成一层或多层材料之前在该多孔载体层的孔中填充填料物 质，以防材料层堵塞载体层的孔。

发明背景

陶瓷膜在化学工业中的应用日益增加，用来进行气体分离和纯 化。它们显示出了替代更多传统单元操作比如蒸馏、蒸发和结晶的潜 力。离子传递膜可用来从各种进料混合物中分离氧气或氢气。它们由 能够在高温传导氧离子或质子的陶瓷形成。对氧离子传递膜而言，氧 在称作阴极侧的一个膜表面电离。氧离子通过该膜传递到相对的阳极 侧。在阳极侧处，氧离子重新结合形成元素氧。在重新结合过程中， 氧离子失去电子，该电子用于在阴极侧使氧电离。用来形成这种膜的 一类典型陶瓷是钙钛矿材料。

穿过离子传递膜的氧通量和膜的厚度成反比。因此，膜越薄，通 量越高。但是，由于膜是由脆性陶瓷形成的，所以膜必须由多孔载体 提供支持。多孔载体可以由和离子传递膜相同的材料制备，或者可以 由不同材料制备，或者甚至由本身对分离不起作用的惰性材料制备。 就此而言，膜的形状可以是管形或者平片状。制造这种膜的问题在于 当在多孔载体层上施加层时，孔会被正在沉积的材料堵塞。结果，多 孔载体的扩散阻力增加，导致膜的性能下降。

在涡轮叶片涂层上出现同样类型的问题。在涡轮叶片上施加涂 层，从而使抵抗氧化、腐蚀、锈蚀和其它类型环境老化的能力得到改 善。涡轮叶片采用空气冷却，具有空气通道用于空气流通从而冷却涡 轮叶片。为了防止空气通道在涂覆时被堵塞，在美国专利4743462中， 在冷却通道开口处设置了短效性的插塞。在美国专利6365013中，为 了实现这个目的将流体引导流出该冷却通道。应该注意到，对复合陶 瓷膜而言，孔为1-10微米，所以不能装配短效性的插塞。另外，让流 体流过多孔载体结构会造成涂覆工艺的中断。

如同将要讨论的，本发明提供了形成用于离子传递膜的复合结构 的方法，其中载体层经受处理以防止涂层材料渗入到载体层中的孔 里。

发明综述

本发明提供了形成用于离子传递膜的复合结构的方法。根据该方 法，在具有孔的多孔载体层的一个表面上施加填料物质，使该填料物 质进入孔中。从多孔载体层的所述一个表面上去除多余的填料物质， 使得所述的一个表面暴露出来，同时其孔被该填料物质堵塞。在所述 填料物质在孔中适合位置的情况下，在该多孔载体层的所述一个表面 上形成至少一个材料层。当在该一个表面上形成该至少一个材料层 后，从孔中去除所述填料物质。

所述孔优选平均直径为约0.1-约500微米。填料材料可以包含平 均颗粒尺寸小于孔平均直径的最终细分粉末。填料材料在压力下施加 到该一个表面上。填料材料可以是淀粉、石墨、聚合物或其混合物。 填料材料的颗粒尺寸可以是平均孔大小的约10％-约20％。

填料材料或者可以是将溶解在溶剂中的物质。将溶剂施加在该一 个表面上，通过填料材料的溶解去除填料材料。填料材料可以包含液 体，该液体在固化时硬化变成固体。在该一个表面上施加了填料材料 后，该液体可以固化成固体。填料材料可以是该液体和固体颗粒的混 合物。

在本发明的任何实施方案中，该至少一层材料可以通过热喷涂、 等压(isopressing)或以浆料形式或者其它合适涂覆工艺施加。非多 孔载体层可以由金属制成，孔可以是非连通的，也就是说孔并不互相 连通。优选地，孔可以是全部基本上互相平行的。另一方面，孔载体 层可以由其中孔互相连通的陶瓷制备。

附图简述

尽管说明书由申请人认为其明确指出发明主题的权利要求书进行 了总结，但是申请人相信结合附图会更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明方法涂有填料物质的载体层的截面图；

图2是图1的载体层在从表面去除了填料物质后的部分截面图；

图3是图1的多孔载体层的截面图，其中在载体层的该表面上施 加了具有互联孔网络的多孔层而且在该多孔层上施加了致密的材料 层；和