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陶瓷透氧膜材料在中高温条件下兼具氧离子和电子导电性,可选择性地使富氧气氛中的氧气以O2-形式在膜中渗透通过。基于陶瓷透氧膜的氧分离技术具有广泛的应用前景。将陶瓷透氧膜用于纯氧制备,预期可降低现有纯氧生产成本的30%以上;将其与涉氧化学反应耦合,可提升高附加值化工产品的转化率与选择性;应用于富氧燃烧领域,不仅有望节能35%以上,还可获得含高浓度CO2的烟气产物,利于CO2分离和捕获。陶瓷透氧膜的应用,不仅要求膜材料具有高氧渗透通量、优异的化学与热稳定性、优良的机械强度等,同时还应易于工业化规模制备。相较于单相陶瓷透氧膜材料,双相复合透氧膜材料具有更好的长期稳定性、更高的机械强度以及更宽的设计和应用窗口,从而有望率先实现推广应用。为提高陶瓷透氧膜的氧渗透通量,人们提出了透氧膜的薄膜化制备,以缩短氧离子扩散路径;对膜表面进行修饰,以提升表面氧交换速率等策略。并发展了基于多孔支撑层-致密分离层的透氧膜构型设计。相转化流延技术可一步制备具有指状直孔和梯度孔结构的材料,指状直孔有利于降低物质输运阻力。实验室的前期研究结果表明,将其应用于透氧膜,可使膜氧渗透性能大大提高;同时,相转化流延技术可实现批量化生产,有望用于高效、廉价地制备大面积透氧膜。本论文着重研究了基于相转化技术的对称型陶瓷透氧膜制备工艺,同时研究膜的表面修饰对膜氧渗透性能的影响。第一章主要介绍了透氧膜的工作原理,膜材料的发展现状、研究趋势,以及膜的构型设计及制备技术,并提出了本论文的研究内容。第二章研究一种将相转化法、普通流延法和热压叠层相结合的制备工艺,制备直孔对称结构Gd0.1Ce0.9O2-δ-La0.6Sr0.4FeO3-δ(GDC-LSF)双相复合透氧膜;采用离子浸渍技术,对膜表面进行Nd2NiO4+δ(NNO)纳米颗粒表面修饰,比较研究两种膜的氧渗透性能。实验结果表明,900℃和Air/He条件下,未修饰的GDC-LSF对称膜的氧渗透通量为0.38 mL·cm-2·min-1,经NNO修饰后膜氧渗透通量显著提高至1.53 mL·cm-2·min-1。结果还显示,“多孔层/致密层/多孔层”的对称构型设计,使得生坯膜在烧结过程中不易变形、成品率高;同时,使膜具有良好的抗热震性及机械强度,从而提高膜的使用寿命。此外,GDC-LSF对称膜在CO2气氛中表现出较好的化学稳定性。因此,发展的直孔对称结构GDC-LSF双相复合透氧膜具有较好的应用前景。第三章研究采用上述发展的对称型透氧膜制备工艺,制备直孔对称结构Zr0.84Y0.16O1.92-La0.8Sr0.2MnO3-δ(YSZ-LSM)双相复合透氧膜;采用离子浸渍技术对膜表面进行Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)或NNO纳米颗粒修饰,比较修饰前后膜的氧渗透性能。实验结果显示:在900℃、Air/He梯度下,未修饰的YSZ-LSM对称膜的氧渗透通量为0.249 mL·cm-2·min-1,经SDC修饰后膜的氧渗透通量增至0.323 mL.cm-2.min-1;而经NNO修饰后,膜氧渗透通量达到0.554 mL.cm-2·min-1。研究表明:表面修饰可有效提升膜的氧渗透性能;修饰物种SDC与NNO相比,后者对于提升透氧性能的效果更显著;发展的制备方法有望推动透氧膜的规模化应用,且为不同领域的陶瓷膜的结构设计与制备提供新途径。第四章对全文作了总结,并基于透氧膜的可模块化、集成化特点,对透氧膜器件设计与组装的研究工作进行了工作展望。