结构化中空纤维透氧膜的制备及其在催化氧化脱氢反应中的应用

通过非对称的致密透氧膜（具有致密层和多孔层）将氧（氧分子或晶格氧）沿反应器逐渐加入反应区（催化剂层），从而控制局部氧浓度以达到提高催化氧化脱氢反应选择性和产率的目的。本项目采用相转化-烧结法制备具有致密薄层和多孔层的非对称中空纤维陶瓷致密透氧膜；通过在中空膜的多孔层内沉积催化剂进行催化修饰制备中空纤维催化透氧膜；设计并组装中空纤维膜反应器进行丙烷催化氧化脱氢反应。通过该课题的研究，将对中空纤维催化透氧膜的制备、催化透氧膜反应器设计以及反应器中氧化脱氢反应过程规律有一个全面的认识和了解，掌握涉及中空纤维陶瓷膜制备与陶瓷膜结构设计方面的关键技术，促进中空纤维陶瓷膜在化工生产中的应用。

本项目采用溶胶低温燃烧法制备了La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、SrCo0.9Nb0.1O3、SrCo0.9Sc0.1O3、La0.7Sr0.3FeO3、以及La0.3Sr0.7Fe0.7Cu0.2Mo0.1O3等一系列具有钙钛矿结构的陶瓷粉体。考察了粉体对甲烷、乙烷等部分氧化脱氢反应的催化性能以及在部分氧化反应条件下的稳定性。在此基础上通过相转化-烧结技术制备具有致密薄层和多孔层的非对称中空纤维陶瓷致密透氧膜。考察了各种中空纤维膜的透氧性能及稳定性。. 分别用自制的钙钛矿结构的陶瓷粉体、Ni/Al2O3作催化剂，采用催化剂造粒-装填的方法将催化剂装填到中空纤维膜的腔体或膜外构建成单管中空纤维膜反应器，考察反应器中甲烷和乙烷部分氧化反应以及膜反应器的稳定性能。同时也通过将催化剂粉体分散到含粘结剂的溶液中制成催化剂浆料再涂覆-烧结的方法，将催化剂负载到中空纤维膜的内或外制备催化透氧陶瓷中空纤维膜，将制备的催化透氧陶瓷膜组装成膜反应器，考察膜反应器中甲烷或乙烷的反应与稳定性能。. 通过三年来本课题的研究，优化完善了制备氧化物陶瓷粉体的溶胶低温燃烧工艺，通过调控络合剂、燃烧助剂的用量制备纯度高、粒度小且分布范围窄的粉体。掌握了相转化-烧结法制备中空纤维膜的关键技术参数和原理，通过调控制备参数如芯液的组成制备三明治、蜂窝以及指状孔与海绵孔等多种结构的中空纤维膜。基本了解了中空纤维膜反应器结构形式对甲烷部分氧化反应的影响；了解了空气和甲烷混合进料与氧通过氧渗透中空纤维膜逐渐引入到甲烷中反应物之间接触方式或者反应物种的不同对甲烷部分氧化反应的影响；基本掌握了氧渗透中空纤维膜反应器中甲烷部分氧化和偶联，乙烷脱氢反应的基本规律；掌握了影响反应器工作稳定性的因素。已发表均被检索的相关论文11篇其中SCI检索7篇，EI检索10篇。授权发明专利3项。培养已毕业硕士研究生4名，在读硕士研究生2名，在读博士1名。