[发明专利]无核空腔结构新型铁基载氧体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学链燃烧技术领域，具体涉及一种无核空腔结构新型铁基载氧体及其制备方法。

背景技术

化学链燃烧(CLC)技术作为一种高效、经济、环保的新型无焰燃烧技术，不同于传统燃烧技术，它可以借助于载氧体的作用，将空气反应器中的氧传递到燃料反应器，从而避免了燃料与空气的直接接触，与此同时减少了高温以及燃烧NO_x的生成。燃烧反应过程中在燃料反应器的产物为CO₂和水蒸气，只需将水蒸气冷凝便可以分离得到高纯CO₂。因此，化学链燃烧技术以其具有富集CO₂的特点而备受世界学者的关注。

选择并制备出具有良好的物理和化学性能的载氧体是化学链燃烧技术的关键。发展具有良好的反应性、机械强度、载氧能力、持续循环能力、抗烧结和团聚能力、抗积炭能力、耐高温能力的低成本和环境友好载氧体是化学链燃烧技术的核心要求。目前主要研究的载氧体有Fe、Cu、Ni、Co、Mn、Cd等过渡金属的氧化物，其中多数金属氧化物都具有良好的反应性能、较高的载氧能力、持续循环能力及耐高温等优点，但存在着颗粒磨损、烧结等，耗费价格高、及环境有害等问题。为增加载氧体的比表面积、机械强度和热稳定性还可加入SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、MgO、钇稳定氧化锆(YSZ)、海泡石、高岭土、膨润土和铝、镁酸盐等惰性载体。在上述几种载氧体中，铁基载氧体虽然在反应活性和载氧能力方面比铜基以及镍基载氧体略有不足，但其价格低来源广，高温下性质稳定和析碳较少等优点使得其具有更加广阔的前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有载氧体的不足，利用TiO₂Fe₂O₃SiO₂无核空腔，提供一种抗烧结能力强、流动性能好、比表面积大、热稳定性好、结构稳定不变形和使用寿命长的化学链铁基载氧体及其制备方法。

所述空腔结构为球形，空腔结构在制作过程中由于柯肯达尔(Kirkendall)效应和弗伦克尔(Frenkel)效应共同作用而形成。

本发明所采用的技术方案是：

该载氧体的活性成分Fe₂O₃负载于空腔结构TiO₂表面，并在Fe₂O₃的外表面负载微孔结构的SiO₂外层薄膜。其中，在所述嵌入型无核空腔结构铁基载氧体中，空腔结构TiO₂和活性成分Fe₂O₃的质量比为(1∶1)～(19∶1)，SiO₂外层薄膜与活性成分Fe₂O₃中Si与Fe的原子数量比为0.5～1。

一种所述的新型无核空腔结构铁基载氧体的制备方法，具备以下步骤：

步骤(1)：将钠离子型阳离子交换树脂用蒸馏水充分洗涤，除去杂质后自然干燥备用；

步骤(2)：室温下取钛酸正丁酯连续滴加到剧烈搅拌的无水乙醇中，然后将已用硝酸将pH调至1的乙醇水溶液缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌，即得到二氧化钛溶胶，其中钛酸正丁酯、水、乙醇的体积比为1∶3∶10；

步骤(3)：将步骤(1)处理后的阳离子交换树脂平铺在布氏漏斗上，在其上用滴管滴加步骤(2)制备的二氧化钛溶胶，同时抽滤；然后将样品放入真空干燥器中干燥；最后，在马弗炉中以470-500℃灼烧5-7h，再以530-580℃灼烧2h，即制备出TiO₂空心微球载体；

步骤(4)：量取适量铁盐溶于足量的蒸馏水中，将制备的TiO₂空心微球载体放入上述溶液中，用浓氨水滴定溶液PH至9.0，超声波处理1-5h，搅拌后过滤并收集滤渣；

步骤(5)：对步骤(4)中获得的滤渣进行干燥、焙烧，即得到基于空腔结构TiO₂的铁基载氧体，且使得到的嵌入负载型铁基载氧体中，空腔结构TiO₂和活性成分Fe₂O₃的质量比为(1∶1)～(19∶1)；