[发明专利]带通道的制品及其制造方法

说明书

一种制品，包括主体，所述主体具有在其表面上产生并延伸到该主体中的间隔开的通道，其中所述通道位于受控的、间隔开的位置。带通道的或带微通道的制品可以是带通道的或带微通道的膜的形式或是其他形式。本发明还涉及制造带通道的制品的方法和该带通道的制品的用途。

技术领域

本发明大体涉及带通道的制品，典型地涉及带微通道的制品，及制造该带通道的制品的方法。该带通道或带微通道的制品可以是带通道或带微通道的膜的形式或是其他形式。

背景技术

离子传递膜(ITM)是用于气体分离如从气流生产氧气和氢气的陶瓷膜。在ITM中，气体的分离是基于离子传导，其中特定气体可以离子通量的形式在整个陶瓷材料上选择性地传递。陶瓷膜也可以基于混合的离子和电子传导或混合的质子-电子传导性而允许分离。大多数氧离子传递膜材料只在高于700℃(973K)的温度传导氧，尽管膜需要被加热，但所需的能量显著小于用于其他形式的氧生产的能量。因此，因为ITM能够从空气中分离氧并且以比使用常规的低温蒸馏工艺所产生的成本更低的成本生产氧，它们已经吸引了相当大的研究兴趣。

与使用ITM相关联的一个问题是，通过常规ITM的氧渗透缓慢，这限制了总体的氧分离工艺的速度。在膜表面的氧交换和在致密膜中的扩散(bulk diffusion)被认为是通过ITM进行氧渗透的主要限速步骤，并且总体渗透经常被这两个过程联合控制。

为尝试改善通过ITM进行氧渗透，一些研究集中在通过应用催化剂来改良膜表面以提高氧的表面交换。然而，氧渗透的绝对改善受到扩散阻力的限制。

在扩散限制工艺期间，氧渗透通量(OPF，JO₂)与膜厚度成反比。因此，对氧渗透通量的一些改进可以通过降低膜厚度来实现。但是，为了确保足够的机械强度，对膜的厚度有限制。例如，盘膜，如在实验室实验中使用的那些盘膜，为确保足够的机械强度而典型地具有约1mm的厚度，结果造成长的氧气扩散距离。

为试图通过减少氧离子扩散距离来提高OPF，已经开发出支撑在多孔基材上的具有薄致密层的陶瓷膜(小于100μm厚)。在该支撑膜的设计中，因为所用的高烧结和工作温度(高达1250℃)，需要慎重考虑致密层和多孔支撑体之间的热膨胀与化学相容性的匹配。此外，非对称膜需要在高温下烧结以获得致密层，导致具有低孔隙率的多孔支撑体和造成支撑体中的气体扩散阻力的分离的孔。另外，这种支撑体的低孔隙率使得难以在多孔支撑体和致密层之间的界面处沉积用于氧表面交换的催化剂。

通过膏体挤出来制备的管式膜也经历与在平板式膜中所观察到的类似的厚致密层。然而，具有小于3mm的外径的中空纤维膜由于能实现小于500μm的膜厚度，所以具有吸引力。中空纤维膜是通过涉及将陶瓷浆料旋转成凝固剂的相转化工艺制备的。相转化从膜的两侧壁开始，由内部和外部的凝固剂造成。得到的中空纤维膜结构由在两侧的表层和由两组指状孔夹着的中心层组成。烧结后，中间层和两个表层形成致密层(即形成3层致密层)，穿过该致密层进行经离子传递的氧分离。然而，具有多个致密层的多孔结构不利于氧的渗透，因为通过整个膜厚度的渗透将涉及在三个致密层中每层表面进行的氧交换工艺，然后完成氧渗透穿过中空纤维膜。因此，这限制了总体氧渗透工艺的速率。

提出了两种方法来解决与穿过中空纤维膜的氧渗透相关的问题。在一种方法中，使用酸来侵蚀表层并打开指状孔，只留下壁的中心一个致密层。或者，将一定量的溶剂加入到内部凝固剂中，以便防止内表层的形成或者以便溶解任何新形成的表层。然而，这两种方法的问题是由于结合高孔隙率的超薄纤维壁而使制备中空纤维膜的工艺复杂和/或机械强度低。虽然由于尺寸不同很难比较不同类型的膜(例如板式对比中空纤维)的性能，但是作为壁非常薄的结果，中空纤维膜能够获得相对高的氧渗透通量(OPF)。然而，尽管中空纤维膜有这些性能，但它们因为易碎并且可以很容易地破裂而应用有限。另外，中空纤维膜不能被容易地扩大到商业应用，并且由于中空纤维不直，它们不能被很密集地封装。因此，例如，在实际应用中将这些纤维组装成反应器是非常困难的。