电加热MIEC中空纤维 membrane用于紧凑型氧气生成

《Journal of Membrane Science》：Electrically Heated MIEC Hollow Fiber Membranes for Compact Oxygen Generation

　　

王晓|埃尔科莱·拉博蒂尼|马克·甘农|威廉·斯特鲁布|纳雷什·梅农

ChromoLogic LLC., 1225 S Shamrock Ave, Monrovia, CA 91016

摘要

混合离子-电子导电（MIEC）中空纤维膜（HFMs）为高温下高纯度氧气分离提供了一种有前景的方法。在这项研究中，我们展示了一种基于电加热MIEC HFMs的紧凑型氧气发生器，该发生器利用交流电（AC）实现快速、可控的加热，加热温度可达到970°C，且无需外部炉子。氧气分离通过压力-真空泵送系统建立的压力差来实现，氧气分压差可达9.39-21.99 psi，从而无需使用扫气气体。新型中空纤维束和复合高温密封结构确保了在热压差条件下的可靠密封性能。单纤维和多纤维模块的氧气透过通量约为0.7 mL cm^-2 min^-1，透过纯度高达97%，并且性能在150小时内保持稳定。这些结果证明了MIEC HFM基发生器的可扩展性，并突显了其作为便携式及模块化氧气分离系统的可行性，为相关设计提供了指导。

章节摘录

引言

氧气分离是众多工业和能源相关应用中的关键过程。传统的高纯度氧气生产方法（如低温蒸馏）虽然成熟，但能耗较高且系统体积庞大¹。压力摆动吸附（PSA）是一种广泛使用的替代方法，它利用多孔吸附剂在循环加压和减压过程中对氮气优先吸附的特性来分离氧气²。

材料与试剂

所使用的MIEC HFM由67体积%的Gd₀.₂Ce₀.₈O₂?_δ和33体积%的La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃?_δ（GDC-LSCF）组成，该材料由薛教授的实验室提供，其制备工艺已在先前文献中详细描述¹⁷。收到的HFMs直接用于HFM模块的制备和性能评估，无需任何额外处理。

HFM模块的制备

采用三层复合灌封技术在定制金属管中嵌入HFM，以确保在高温高压条件下的气密性。

利用电能控制表面温度

M.P. Popov等人研究了钙钛矿中空纤维膜（HFMs）的电阻加热现象，并观察到纤维沿长度方向的温度梯度<9, 10>。我们的实验也得到了类似的结果。如图3A所示，在空气中进行电阻加热时，温度在较短的距离（5 - 8毫米和37 - 40毫米，称为“加热区域”）内急剧下降，导致中心区域加热集中

结论

本研究证明了一种基于电加热MIEC中空纤维膜的紧凑型氧气发生器的可行性，验证了无需外部炉子或扫气气体即可直接采用交流电阻加热和压力-真空操作的可行性。无论是单纤维还是多纤维模块，都观察到了稳定且可扩展的氧气透过性能，这证实了模块化设计的合理性。复合钎焊-陶瓷密封技术实现了中空纤维束在高温下的可靠密封

CRediT作者贡献声明

威廉·斯特鲁布：研究工作。纳雷什·梅农：项目管理工作。王晓：研究工作。埃尔科莱·拉博蒂尼：研究工作。马克·甘农：研究工作

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

作者所在公司（ChromoLogic）聘请了《Journal of Membrane Science》主编Jerry Lin教授作为美国国防部SBIR第二阶段序列项目（合同编号HT942525CE041）的技术顾问。本文报告的研究工作是在建立这种顾问关系之前完成的。

致谢

本项工作得到了美国国防部通过Small Business Innovation Research（SBIR）第二阶段计划（合同编号W81XWH22C0120）的支持。本文表达的观点仅代表作者个人观点，不一定反映美国政府的官方政策或立场。

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