La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ中空纤维催化透氧膜与膜反应器研究

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采用相转化法制备La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)钙钛矿中空纤维膜,该中空纤维膜具有非对称结构。在LSCF中空纤维膜的内/外表面涂覆额外的多孔钙钛矿涂层增加表面交换动力学促进氧渗透速率。几个典型的钙钛矿如SrCo0.8Fe0.2O3-δ(SCFe),Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3-δ(BSCF),SrCo0.9Sc0.1O3-δ(SCSc),SrCo0.9Nb0.1O3-δ(SCNb)被选作催化剂负载使用。结果表明,通过表面涂层修饰,LSCF中空纤维膜的氧气渗透通量明显的提高。不同钙钛矿的氧渗透促进作用的顺序为SCSc>BSCF>SCNb~SCFe>LSCF。钙钛矿材料可以提高膜的表面交换反应速率常数,这种涂覆策略可以应用于评估钙钛矿催化活性,在膜内侧表面负载催化剂涂层在透氧方面的性能较优越,但是膜两侧表面均涂覆涂层可以最大限度的促进氧气渗透。通过此法可以得到高渗透性、机械强度高、稳定性高的复合膜。   研究发现通过调节温度以及CH4/O2比,SrCe0.95Yb0.05O3-δ催化剂具有较好的OCM催化性能,并且热稳定性好。lwt%NaCl-SrCe0.95Yb0.05O3-δ与SrCe0.95Yb0.05O3-δ相比,具有更高的C2收率以及选择性,当CH4/O2为16∶10ml/min时,C2选择性以及收率达到最大值,分别为24.8%以及11.6%。说明NaCl的添加有利于甲烷转化,提高催化剂活性,而且还可以诱导乙烷脱氢生成乙烯,这可能是该类催化剂具有较高催化性能的重要原因。将致密的LSCF陶瓷中空纤维膜组装成甲烷氧化偶联(OCM)反应器,并对其OCM催化性能进行了测试。结果表明在700-1000℃范围内,原始LSCF纤维膜反应器具有较高的C2选择性(29%),但是甲烷转化率及收率均较低。在陶瓷膜内外两侧分别涂覆lwt%NaCl-SrCe0.95Yb0.05O3-δ(SCYb)以及Ba0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(BSCF)催化剂涂层的LSCF膜反应器可以获得较高的甲烷转化率(98.3%),在700-950℃的收率均高于未负载和仅在膜一侧负载催化剂的陶瓷膜反应器,并在850℃时得到最大选择性以及收率(分别为46.9%及43.7%)。仅在内侧负载SCYb催化涂层的膜反应器的OCM反应的转化率和收率分别为35.3%和23%。即SCYb催化剂经NaCl改性后C2烃的收率及选择性都得到提高。实验结果证明膜反应器负载的催化剂的催化性能决定了膜反应器的催化性能。
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