《二氧化碳對混合導體透氧膜的腐蝕機制研究》是依託上海大學，由吳成章擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：二氧化碳對混合導體透氧膜的腐蝕機制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：吳成章
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
煤的低碳利用是低碳能源的核心問題，通過透氧膜反應器與整體煤氣化蒸汽聯合循環發電（OTM-IGCC）的純氧燃燒耦聯可以更加簡單、經濟地實現二氧化碳的捕獲與儲存（CSS）。不過由於混合導體透氧膜材料在二氧化碳氣氛下的腐蝕毒化限制了此項技術的發展。.本項目通過研究混合導體透氧膜材料在二氧化碳氣氛下的靜態穩定性和動態穩定性，藉助於同位素示蹤技術，考察二氧化碳在透氧膜表面的吸附、解吸以及碳酸鹽化與二氧化碳濃度、氧空位濃度、氧分壓、試驗溫度等影響因素之間的作用規律，建立晶體微觀組織結構、透氧性能及二氧化碳吸附行為之間的內在聯繫。通過合金元素摻雜進一步研究二氧化碳氣氛下透氧膜材料的相結構穩定性及化學穩定性。本項目旨在深入研究二氧化碳對混合導體透氧膜材料的腐蝕毒化機制，為開發抗二氧化碳腐蝕的透氧膜材料提供理論基礎及技術支持，這對推動OTM-IGCC的耦聯技術發展並進一步低碳減排意義深遠。
結題摘要
透氧膜（OTM）材料能在高溫下高效地對空氣進行氧氮分離，這種制氧技術與整體煤氣化蒸汽聯合循環發電技術（IGCC）相耦合，可極大地提高煤炭的有效利用率並利於CO2氣體的捕捉。在OTM-IGCC耦聯技術中，透氧膜需在較高二氧化碳分壓下工作，鈣鈦礦結構的膜材料易受CO2毒化腐蝕，從而影響膜的透氧率。因此，研究CO2對鈣鈦礦結構透氧膜材料的腐蝕毒化機制，並開發高抗CO2腐蝕性能的透氧膜材料是OTM-IGCC高效套用的前提。 本項目系統研究了CO2對Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ （BCFN）透氧膜材料的結構及透氧性能的影響。研究了CO2對BCFN透氧膜材料的腐蝕機制，以及CO2與膜片反應生成碳酸鋇的結構演變過程。 為了提高透氧膜材料抗CO2氣體腐蝕性能，本項目根據透氧膜材料在CO2氣氛下的腐蝕機理，採用三種方法來實現：透氧膜材料表面多孔層覆蓋、合金元素摻雜及合成雙相透氧膜。研究發現經SSC塗層改性後的BCFN膜片較未塗層改性的BCFN膜片抗CO2腐蝕性能有較大的提高。另外，La和Fe元素對BCN材料在A位和B位的摻雜替代也表現出較好的耐CO2腐蝕性能，這主要歸因為元素摻雜後金屬-氧鍵能的提高和更穩定的鈣鈦礦結構。最後，我們通過合成雙相透氧膜材料進一步提高了耐CO2腐蝕性能，合成的0.6 mm厚的80CGO-20SCFN雙相膜在900 °C純CO2吹掃下，該透氧膜材料的透氧量可穩定於0.50 mL·min-1·cm2。 雜質元素的存在對透氧性能會有較大影響，特別是在CO2氣體吹掃的情況下。在項目實施中我們從實驗和理論計算兩種角度出發，研究了S雜質的遷移機理。這種遷移是由透氧時的氧化學梯度造成的，並且CO2氣體的吹掃可以加速硫的遷移。理論計算結果表明，硫雜質原子更傾向於占據氧空位的位置，當CO2氣體吹掃時，由於膜片表面形成的碳酸鹽會奪走鍶原子，從而形成鍶空位，這樣硫原子就會跳到吹掃側鍶原子的空位上，形成混合的硫化物和碳酸鹽。
