一种陶瓷碳酸盐双相膜反应器和二氧化碳分离方法

本发明属于膜分离反应器领域，尤其涉及一种陶瓷碳酸盐双相膜反应器和二氧化碳分离方法。

背景技术：

1、工业上分离co2一般采用化学吸收、吸附、低温分离以及膜分离四种技术。物理/化学吸收的技术是目前最成熟的co2捕集技术，已经实现了商业应用，然而由于效率低、能耗高、成本高等缺点，此项技术还需不断完善。膜分离技术具有操作简单、成本投入低、能耗低以及可以连续操作的特点，更适合于分离co2，但伴随着市场对于co2分离技术要求的不断提升，如何进一步提升膜分离反应器的机械强度、降低其在分离co2时的工作温度以及提升co2的分离速率，是本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种陶瓷碳酸盐双相膜反应器和二氧化碳分离方法，本发明提供的陶瓷碳酸盐双相膜反应器具有良好的抗弯强度，且其在较低温度下通过外电场的驱动能对混合气体中的二氧化碳进行高效分离。

2、本发明提供了一种陶瓷碳酸盐双相膜反应器，包括：复合电解质层和设置在所述复合电解质层两侧表面的多孔电极层，所述复合电解质层的成分包括固体陶瓷电解质和熔融碳酸盐，所述多孔电极层的成分包括固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂，所述固体陶瓷电解质为氧化钇稳定氧化锆、氧化铒稳定氧化铋、氧化钐掺杂氧化铈、氧化钆掺杂氧化铈、镧锶镓镁和钡锆铈钇中的一种或多种。

3、优选的，所述熔融碳酸盐为li2co3、na2co3和k2co3中的两种的熔融混合物。

4、优选的，所述熔融碳酸盐为li2co3和na2co3的二元共融碳酸盐，所述二元共融碳酸盐中li2co3和na2co3的摩尔比为1:（0.5~1.5）。

5、优选的，所述催化剂为导电氧化物和/或导电非氧化物；

6、所述导电氧化物为(la1-xsrx)mno3-δ、(la1-xsrx)(co1-yfey)o3-δ、(ba1-xsrx)(co1-yfey)o3-δ、(la1-xsrx)(cr1-yfey)o3-δ、laxsr2-xfe2-y-zniymozo6-δ、lico2o4、gdsrcoo4+δ、nd2nio4+δ、cu1.3mn1.7o4-δ、mn1.4co1.4cu0.2o4-δ和mnco1.9y0.1o4-δ中的一种或多种，其中，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，δ根据化学式的电中性平衡进行取值；

7、所述导电非氧化物为wc、tin、(ti1-xnbx)3sic2、(cr0.5v0.5)3alc2、(mo2/3ti1/3)3alc2、ti0.5v0.5alc2、(nb0.5v0.5)2alc和(ti1-xzrx)2alc中的一种或多种，其中，0＜x＜1。

8、优选的，所述复合电解质层中，固体陶瓷电解质占固体陶瓷电解质和熔融碳酸盐合计质量的70%。

9、优选的，所述多孔电极层中，固体陶瓷电解质占固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂合计质量的40%，熔融碳酸盐占固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂合计质量的20%。

10、优选的，所述复合电解质层的厚度为800μm。

11、优选的，所述多孔电极层的单侧厚度为30μm；所述多孔电极层的孔隙率为20~30%。

12、本发明提供了一种二氧化碳分离方法，包括以下过程：

13、在外电场的驱动下，利用上述技术方案所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器对混合气体中的二氧化碳进行膜分离。

14、与现有技术相比，本发明提供了一种陶瓷碳酸盐双相膜反应器和二氧化碳分离方法。本发明提供的陶瓷碳酸盐双相膜反应器包括：复合电解质层和设置在所述复合电解质层两侧表面的多孔电极层，所述复合电解质层的成分包括固体陶瓷电解质和熔融碳酸盐，所述多孔电极层的成分包括固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂，所述固体陶瓷电解质为氧化钇稳定氧化锆、氧化铒稳定氧化铋、氧化钐掺杂氧化铈、氧化钆掺杂氧化铈、镧锶镓镁和钡锆铈钇中的一种或多种。本发明将陶瓷相和熔融碳酸盐引入到膜反应器中，陶瓷相的引入增强了膜反应器的抗弯强度；熔融碳酸盐的引入使复合电解质在中低温下也有较高的电导率，使得二氧化碳分离的工作温度有效降低至600℃及以下。此外，本发明分离二氧化碳的速率不再依靠原料侧和渗透侧分压差，而是依靠外电场驱动，极大提高了二氧化碳的分离速率，以及对原料气体的选择性。

技术特征：

1.一种陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，包括：复合电解质层和设置在所述复合电解质层两侧表面的多孔电极层，所述复合电解质层的成分包括固体陶瓷电解质和熔融碳酸盐，所述多孔电极层的成分包括固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂，所述固体陶瓷电解质为氧化钇稳定氧化锆、氧化铒稳定氧化铋、氧化钐掺杂氧化铈、氧化钆掺杂氧化铈、镧锶镓镁和钡锆铈钇中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，所述熔融碳酸盐为li2co3、na2co3和k2co3中的两种的熔融混合物。

3.根据权利要求2所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，所述熔融碳酸盐为li2co3和na2co3的二元共融碳酸盐，所述二元共融碳酸盐中li2co3和na2co3的摩尔比为1:（0.5~1.5）。

4.根据权利要求1所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，所述催化剂为导电氧化物和/或导电非氧化物；

5.根据权利要求1所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，所述复合电解质层中，固体陶瓷电解质占固体陶瓷电解质和熔融碳酸盐合计质量的70%。

6.根据权利要求1所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，所述多孔电极层中，固体陶瓷电解质占固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂合计质量的40%，熔融碳酸盐占固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂合计质量的20%。

7.根据权利要求1所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，所述复合电解质层的厚度为800μm。

8.根据权利要求1所述的陶瓷碳酸盐双相膜反应器，其特征在于，所述多孔电极层的单侧厚度为30μm；所述多孔电极层的孔隙率为20~30%。

9.一种二氧化碳分离方法，其特征在于，包括以下过程：

技术总结本发明属于膜分离反应器领域，尤其涉及一种陶瓷碳酸盐双相膜反应器和二氧化碳分离方法。本发明提供的陶瓷碳酸盐双相膜反应器包括：复合电解质层和设置在复合电解质层两侧的多孔电极层，复合电解质层的成分包括固体陶瓷电解质和熔融碳酸盐，多孔电极层的成分包括固体陶瓷电解质、熔融碳酸盐和催化剂。本发明将陶瓷相和熔融碳酸盐引入到膜反应器中，陶瓷相的引入增强了膜反应器的抗弯强度；熔融碳酸盐的引入使复合电解质在中低温下也有较高的电导率，使得二氧化碳分离的工作温度有效降低至600℃以下。此外，本发明分离二氧化碳的速率不再依靠原料侧和渗透侧分压差，而是依靠外电场驱动，极大提高了二氧化碳的分离速率，以及对原料气体的选择性。技术研发人员：周伟,占忠亮受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18