[发明专利]用于储存和释放氧气的材料

说明书

本发明涉及一种用于储存和释放氧气的材料，所述材料由反应性陶瓷组成，所述反应性陶瓷由铜氧化物、锰氧化物和铁氧化物构成，其中所述反应性陶瓷取决于环境气氛的氧分压和/或环境温度显示出在由锰铜矿/赤铜矿/黑锰矿三相混合陶瓷形成的卸载极限状态与由尖晶石/黑铜矿两相混合陶瓷形成的加载极限状态之间的可以任意频度经过的过渡区域。在此从所述卸载极限状态向所述加载极限状态的方向上穿过所述过渡区域与吸收氧气相关，并且从所述加载极限状态向所述卸载极限状态的方向上穿过所述过渡区域与释放氧气相关。

本发明涉及一种具有权利要求1所述特征的用于储存和释放氧气的材料。

用于产生氧气或分离空气的氧化物陶瓷材料体系是已知的。于是，例如具有钙钛矿晶体结构的陶瓷具有以下特性：使氧气可逆地插入其晶格中或者扩散穿过其体积。

存在两种方案试图使用钙钛矿陶瓷来分离空气。一方面由这些化合物制备陶瓷膜，所述陶瓷膜由于其在约800℃的温度下的化学特性而使氧气从富氧的气体空间通过其晶格扩散到贫氧的气体空间。贫氧的气体空间在此被称为扫气侧(Sweep-Seite)，富氧的气体空间被称为进气侧(Feed-Seite)。与之相反，在相反的方向上发生穿过陶瓷的电荷平衡。由于大量的可能的离子组合，存在许多此类混合传导陶瓷(MIEC，mixed ionic-electronicconductor)。

氧扩散可以在两侧之间保持恒定的氧分压差下用于连续生产极高纯度氧气。这在技术上可以采用可商购的离子传输隔膜体系的形式。然而，这种方法不适合于生产氮气或惰性气体，因为推动力(即在进气侧与扫气侧之间的氧分压差)随着进气流的氧含量下降而趋近于零。

在技术上将钙钛矿陶瓷体系用于分离氧气的第二种方案是将其用作储氧材料(OSM-Oxygen Storage Material)。于是，钙钛矿陶瓷除了其传导氧的特性之外还拥有如下特性：在整个体积中或多或少地均匀分布地输和再次输出氧气。由此对于这些陶瓷产生了两种极限状态，以术语“卸载”和“加载”对其进行命名。

为了工业上的使用，例如将钙钛矿陶瓷作为固定床填料引入反应器中并且交替地用经加热的空气冲刷或暴露于真空。如果陶瓷是已卸载的，则它从周围流动的空气中吸收氧气。因此逐渐被氧气加载。如果陶瓷最终被加载，则停止空气流并且抽空反应器。然后陶瓷将其先前吸收的氧气再次放出。可以一直重复这种不连续的过程。如果现在将至少两个这样的反应器并联并反向驱动，则因此可以产生用于分离空气的连续过程。这种过程目前也称为高温变压吸附(high temperature pressure swing adsorption)并且因此是PSA方法的一种高温变体。其实例在US 6 361 584 B1中公开。然而，术语“吸附”在此背景下并非完全正确，因为实际上真正为吸收，其中氧气不仅是保留在陶瓷的表面上，而且是被吸收在陶瓷中。

应用陶瓷型氧气载体的另一个例子是所谓的CLC技术(Chemical LoopingCombustion，化学循环燃烧)。在此，在流化床反应器中使燃料与呈氧化物陶瓷颗粒形式的陶瓷型氧气载体接触。在此，氧气载体向燃料放出其氧气的一部分。氧气氧化燃料并且因此能够实现在隔绝空气的情况下进行燃烧。随后将如此卸载的氧化物陶瓷颗粒输送到第二流化床反应器中，在那里这些颗粒被空气冲刷并且再次被氧气加载。如果完成这一操作，将这些颗粒再次送入燃烧反应器并且因此能够实现重新燃烧。

因此，在CLC方法中，储氧材料的极小颗粒在气相中流化并且必须总是向另外的反应器之间来回运输。这目前仍然形成在CLC工艺中的最大问题之一，因为颗粒在主导温度下通常发生聚集，由此不能再充分流化并且甚至部分阻碍设备工艺。

从现有技术中还已知其他的此类陶瓷：