[发明专利]氧气分离膜

说明书

本发明涉及分离领域，更具体地是涉及一种可选择性渗透氧气的复合材料。

氧气渗透膜可用于从含氧气体，如空气中分离氧气。典型的选择性氧气渗 透膜包含陶瓷材料，其在高于一定温度下可引导氧离子穿过晶格结构，并且能 够使氧气渗透通过所述的膜从一边到另一边，从氧分压较高的区域到达氧分压 较低的区域。适于氧气分离的陶瓷材料例子包括如US5,639,437中所述的化学式 为Sr_a(Fe_1-XCo_X)_a+bO_d的化合物，以及类似的替代物，例如Shao等人在Journal of Membrane Science，2000，vol 172，pp177—188中所提到的Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ和SrCo_0.8Fe_0.2O_3-δ。

这些膜材料的问题是它们的持久性较差，特别是在还原环境和高压差情况， 这些限制了它们的应用。

已知的复合膜，包含两种或两种以上的材料，其中一种能传导氧离子，另 一种则是电子传导体，例如Kharton等人在J.Electrochem Soc.，147，pp2814-21 (2000)中所描述掺杂Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ的La_0.7Sr_0.3MnO_3-δ。然而复合膜存在的一个问 题是，不同材料的颗粒之间必须构成连续的电子和氧传导通道的网络，通常要 求含有高含量的电子传导材料，这限制了氧的通量(氧气穿过所述膜的输送率)。 另外，由于氧渗透性一般在高温下出现，不同材料之间不同的热膨胀系数也会 导致膜结构的恶化。

依据本发明，提供一种用于选择性渗透氧气膜的组合物，其包括一种电子 传导成分和一种氧离子传导成分，其特征在于其中所述的电子传导成分也是一 种氧离子导体。

氧气分离膜一般的运作是在膜的一表面将氧原子或分子转化为氧化物离子 (O^2-)，并在另一表面释放氧原子或分子。为此，所述的膜不仅需要能传导氧化 物离子，而且需要能够传导电子，以调整由于所述膜相应侧面上氧化还原反应 引起的电荷不平衡。

现有技术已知的复合膜中，如Kharton等人在J.Electrochem.Soc.，147，pp2814 -21(2000)中所提到的包含Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ和La_0.7Sr_0.3MnO_3-δ的膜，每种未结合的 分离材料都具有非常低的氧气通量。例如，在950℃下，La_0.7Sr_0.3MnO_3-δ的氧气 通量为6.7×10^-5ml cm^-2min^-1或更低，而Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ的氧气通量在940℃下低 于1×10^-3。然而，当两种材料结合时，可以获得高氧气通量。

本发明中，通过使用一种具有氧化物离子传导性和电子传导性组分的复合 材料来改进通过膜的氧气通量，其中所述的电子传导性成分也是氧化物离子导 体。优选地，所述也能传导氧化物离子的电子传导性成分在950℃下，能够达到 大于1×10^-3ml cm^-2min^-1，以及最优选大于0.01ml cm^-2min^-1的氧气通量。

由于确保所述电子传导性成分也是氧化物离子导体，通过所述膜的氧气通 量得以提高，而且维持必要的电子传导率也保证了所述膜两侧的电荷平衡。