[发明专利]一种具有高水热稳定性能的CO2捕集膜材料的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种具有高水热稳定性能的CO₂捕集膜材料的制备方法，尤其涉及水蒸气环境中H₂/CO₂气体分离领域内的一种纯ZrO₂膜的制备方法。该ZrO₂膜在大规模的工业应用中将具有广泛的应用前景，如甲烷水蒸气重整反应，水煤气变换反应等。

背景技术：

近年来，随着经济的快速发展以及工业化进程的加快，CO₂排放量日益增加。与此同时，石油、煤炭和天然气资源的日渐枯竭也急需新的能源补充。氢气是目前比较有前景的一种新型能源，它现有的主要制备方法是水煤气变换反应，但该反应在获得H₂的同时会产生CO₂。越来越多的CO₂排放量将会导致温室效应和全球气候变化日趋严重，因此国际上对CO₂的排放问题给予了越来越多的关注，在节能减排的同时，如何对已排放的CO₂进行捕集封存，是当前化工领域研究的热点之一。

传统的CO₂捕集技术有化学吸收、物理吸附等，它们都具有其独特的优势，但是均存在一些不足，如过程复杂、能耗高、消耗吸附剂等。膜分离由于具有装置简单、操作方便、过程连续、能耗低等优势，在气体分离领域具有巨大的应用潜力。与有机膜相比，无机膜具有耐高温、耐高压、耐腐蚀等优点，并且具有非常好的渗透性和选择性，在气体分离领域和膜催化反应器中有非常好的应用前景。

目前研究比较多的无机膜材料是微孔SiO₂膜，但它在高温水蒸气或强酸强碱的环境下稳定性很差，不能实现渗透选择性与稳定性的统一，限制了其在实际工业化条件下的应用。与SiO₂材料相比，ZrO₂膜材料具有酸碱共性、化学稳定性好、热稳定性高、机械强度大等特点，是非常具有前景的微孔陶瓷膜材料。目前，国外研究学者Tsuru采用ZrO₂陶瓷膜材料制备出了ZrO₂气体分离膜，该膜对H₂(He)的渗透通量为3~5×10^-7mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,然而H₂(He)/CO₂的理想分离因子仅为1.2~2.4，低于Knudsen扩散的分离因子（4.7），分离效果不明显。目前尚未有报道对ZrO₂膜进行水蒸气处理。实际的工业过程如水煤气变换反应、甲烷水蒸气重整反应等，不但要求膜对工业气体(H₂、CO₂、O₂、N₂、CH₄、CO)中的H₂/CO₂具有较高的分离性能，还要求膜材料本身具备良好的水热稳定性。

发明内容：

本发明的目的是为了提高膜对H₂(He)/CO₂的分离性能以及膜的水热稳定性，解决工业气体中(H₂、CO₂、O₂、N₂、CH₄、CO)中H₂(He)/CO₂的高效分离问题而提出的一种具有高水热稳定性能的CO₂捕集膜材料的制备方法。

本发明的技术方案为：一种具有高水热稳定性能的CO₂捕集膜材料的制备方法，其具体步骤如下：

a.ZrO₂溶胶的合成

将锆醇盐、溶剂和螯合剂按摩尔比1:(1~50)：（0.1~20）的比例混合置于冰浴中，并搅拌1~60分钟，再向其中加入水，反应1~60分钟后，获得外观透明的ZrO₂溶胶；

b.涂膜过程

将ZrO₂溶胶与溶剂按体积比1:（3~20）的比例稀释配制成制膜液，将制膜液在载体表面涂膜；

c：干燥烧结过程

将涂覆制膜液的载体干燥，升温至100~800℃，保温1~10h后自然降温，制得ZrO₂气体分离膜。