用于化学工艺强化的方法和设备技术

本文公开的实施方案大体涉及用于同时产生和分离过程的方法和设备。所述设备提供了包括基板、催化层和膜层的膜组件。所述催化层包括纳米尺寸的耐硫催化剂和/或颗粒。因此，所述设备可在无硫和含硫(酸性气体)环境中操作以进行水煤气变换(WGS)反应，同时维持高反应转化。本文还公开用于形成催化膜的方法。在一个实施方案中，提供了形成含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂的方法。

Methods and equipment for chemical process strengthening

The embodiments disclosed herein generally relate to methods and devices for simultaneous generation and separation processes. The device provides a membrane module including a substrate, a catalytic layer and a film layer. The catalytic layer includes nano sized sulfur tolerant catalysts and / or particles. Therefore, the equipment can be operated in a sulfur-free and sulfur-containing (acid gas) environment for water-gas shift (WGS) reactions while maintaining high reaction conversion. This paper also discloses a method for the formation of catalytic films. In one embodiment, a method of forming oxygen containing sulphate nanomaterials containing lanthanide elements is provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于化学工艺强化的方法和设备
本文描述的实施方案大体涉及用于同时产生和分离过程的方法和设备。更具体地，实施方案包括用于在用于气体到气体或气体到液体同时产生和分离过程的设备中使用的膜反应器。本文还描述了描述用于形成纳米催化剂的方法的实施方案，所述纳米催化剂可用于同时产生和分离过程。
技术介绍
预计煤炭和天然气资源将在未来二十多年内提供大于40％的全球能源需求。为了通过减少发电厂、工业、交通等的温室气体排放来减轻全球变暖，正在开发先进技术来实现这些能源的清洁、有效和环保的使用。作为先进转化技术之一，煤气化提供了有效且灵活的方法来利用丰富的能源资源，而使对环境的污染最小化。在煤气化过程中，煤被加热并暴露于氧气和蒸汽中，并且氧气和水分子使煤氧化并产生二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和氢气的气体混合物。气体混合物然后经历水煤气变换(WGS)反应以产生氢气。各种膜反应器用于同时产生和分离氢气。膜反应器的一个实例为紧凑型催化膜反应器(CCMR)。CCMR通常包括具有催化膜的膜组件。催化膜包括具有在其中沉积的纳米尺寸催化剂的多孔层。当反应气体穿过催化膜时，氢气产生。催化膜还与氢气可渗透的膜层整合。当氢气透过膜层时，反应的热力学向氢气生产变换。氢气在CCMR中同时产生和分离。然而，同时氢气产生和分离的膜或膜组件的持续存在问题包括硫中毒和低氢通量。通常，WGS反应涉及高温变换(HTS)，随后为低温变换(LTS)。商业HTS催化剂包括铁(Fe)氧化物材料和铬(Cr)氧化物材料的组合。然而，在硫进料气体环境中，HTS催化剂的催化活性可能显著降低。商业LTS催化剂，诸如铜-锌(Cu-Zn)材料，对低于0.1ppm的硫非常敏感，导致几乎100％活性损失。诸如钴-钼-硫化物(CoMoS)材料和钴铬氧化物-硫化物(CoCr2O4S)材料的预硫化催化剂在含硫条件下具有极少或无明显活性损失。然而，常见的预硫化催化剂在WGS反应期间表现出低活性和硫损失，并且在无硫条件下表现出甲烷副产物形成。不需要对WGS的合成气中的硫进行预处理，操作和资本成本可显著减轻或降低。因此，需要用于同时产生和分离过程的改进方法和设备。
技术实现思路
在一个实施方案中，描述了用于形成纳米催化剂的方法。所述方法包括将至少一种有机溶剂与至少一种表面活性剂混合以形成组合物、将所述组合物与含镧系元素的材料混合以形成含镧系元素的硫化物纳米催化剂，以及将含镧系元素的硫化物纳米催化剂暴露于氧气并且加热以形成含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂。在另一个实施方案中，描述了用于形成催化膜的方法。所述方法包括将至少一种有机溶剂与至少一种表面活性剂混合以形成组合物、将所述组合物与含镧系元素的材料混合以形成含镧系元素的硫化物纳米催化剂，以及将含镧系元素的硫化物纳米催化剂暴露于氧气并且加热以形成含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂。催化膜组件的多孔氧化物层可用含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂来浸渍以形成催化膜，并且催化膜可被设置在膜层与多孔支撑层之间。在另一个实施方案中，描述了用于形成催化膜的方法。所述方法包括将至少一种有机溶剂与至少一种表面活性剂混合以形成组合物、将所述组合物与含镧系元素的材料混合以形成含镧系元素的硫化物纳米催化剂，以及将含镧系元素的硫化物纳米催化剂暴露于氧气并且加热以形成含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂。催化膜组件的多孔氧化物层可用含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂来浸渍以形成催化膜，并且催化膜组件可包括设置在催化膜与膜层之间的多孔支撑层。附图说明因此，使本公开的上述特征可得到详细理解的方式，即对以上简要概述的本公开的更具体描述，可参照实施方案来获得，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应指出的是，附图仅示出本公开的典型实施方案，且因此不视为对本公开范围的限制，因为本公开可承认涉及磁传感器的任何领域中的其他平等有效实施方案。图1示意性地示出了根据本文描述的实施方案的膜组件。图2示意性地示出了根据本文描述的实施方案的用于在用于同时产生和分离过程的设备中使用的膜组件。图3为根据本文描述的实施方案的用于在用于同时产生和分离过程的设备中使用的膜组件的示意性横截面图。图4示意性地示出了根据本文描述的实施方案的包括图3中所示的膜组件的设备。图5示意性地示出了根据本文描述的实施方案的用于在用于同时产生和分离过程的设备中使用的膜组件。图6示意性地示出了根据本文描述的实施方案的用于在用于同时产生和分离过程的设备中使用的膜组件。图7为根据本文描述的实施方案的用于在用于同时产生和分离过程的设备中使用的膜组件的示意性横截面图。图8为示出根据本文描述的一个实施方案的图7中所示的膜组件的耐硫测试的图表。为便于理解，已尽可能使用相同的参考数字来指代附图中通用的相同元件。预期一个实施方案中公开的元件可在无需特别指明的情况下有利地在另一个实施方案中使用。具体实施方式本文公开的实施方案大体涉及用于同时产生和分离过程的方法和设备。所述设备提供了包括基板、催化膜和膜层的膜组件。催化膜包括纳米尺寸的颗粒，其使设备能够在无硫和含硫的进料气体环境中操作以进行WGS反应，同时维持高反应转化。本文描述的实施方案还包括用于形成适用于气体到气体或气体到液体同时产生和分离过程的耐硫纳米催化剂的方法。如本文所用的术语“钯(Pd)层”通常是指并且可包括含有钯、含钯颗粒或钯合金层和/或颗粒的层。例如，钯层可为钯过渡金属合金。用于形成钯合金的过渡金属可包括金、银、铝、铜、钌及其组合和混合物。如本文所用的术语“纳米催化剂”通常是指用作催化剂的纳米级材料、分子和/或部分。本文所述的纳米催化剂可包括各种形态和特征，其通常被配置来促进催化操作，并且更具体地促进与气体到气体或气体到液体同时产生和分离过程相关的催化功能。图1示意性地示出了根据本文描述的实施方案的膜组件100。膜组件100可用于任何合适的膜反应器，诸如微膜反应器(MMR)。膜组件100包括用于支撑催化层104和钯层106的基板102。膜组件100可用于任何气体到气体或气体到液体同时产生和分离过程。在一个实施方案中，膜组件100用于同时氢气产生和分离。基板102可为诸如多孔不锈钢(SS)、多孔陶瓷或氧化物层的多孔材料。在一个实施方案中，基板102为多孔ZrO2基板。催化层104可涂覆在基板102上。催化层104可包括耐硫纳米催化剂。纳米催化剂具有纳米范围内的粒度。在一个实例中，纳米催化剂包含长度尺寸在约4nm与约10nm之间(诸如约7nm)并且宽度尺寸在约1nm与约3nm之间(诸如约2nm)的纳米棒结构。在一个实施方案中，纳米催化剂包括含镧系元素的材料。镧系元素配位络合物由于其在镧系元素中的轨道电子组织引起的磁性、催化和光学特性而在商业过程中具有应用。预期镧系元素硫氧化物/含氧硫酸盐过渡体系在硫氧化物与含氧硫酸盐之间展现出氧转移能力，所述氧转移能力比常规氧化铈转变系统的氧转移能力高约八倍。镧系元素配位络合物的硫氧化还原容量有助于它们在脱氢过程(例如WGS反应)中的催化特性。含镧系元素的材料中的镧系元素可包括来自镧系元素系元素的任何元素。例如，镧系元素可为镧、铈、镨、钕、钷、钐或铕。在一个实施方案中，纳米催化剂包括硫氧化镧、硫氧化铕、硫氧化镨或硫氧化铈。在另一个实施方案中，纳米催化剂包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于形成纳米催化剂的方法，其包括：将至少一种有机溶剂与至少一种表面活性剂混合以形成组合物；将所述组合物与含镧系元素的材料混合以形成含镧系元素的硫化物纳米催化剂；以及将含镧系元素的硫化物纳米催化剂暴露于氧气，并且加热以形成含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.17 US 14/857,4681.一种用于形成纳米催化剂的方法，其包括：将至少一种有机溶剂与至少一种表面活性剂混合以形成组合物；将所述组合物与含镧系元素的材料混合以形成含镧系元素的硫化物纳米催化剂；以及将含镧系元素的硫化物纳米催化剂暴露于氧气，并且加热以形成含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂。2.如权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂包括甲苯、己烷或其组合和混合物。3.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种表面活性剂选自由以下组成的组：油胺、油酸和十八碳烯。4.如权利要求1所述的方法，其中所述含镧系元素的硫化物纳米催化剂包括硫氧化铕、硫化镧或硫化镨。5.如权利要求1所述的方法，其中所述含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂包括含氧硫酸镧或含氧硫酸镨。6.如权利要求1所述的方法，其中所述含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂包括含钯催化膜。7.一种用于形成催化膜的方法，其包括：将至少一种有机溶剂与至少一种表面活性剂混合以形成组合物；将所述组合物与含镧系元素的材料混合以形成含镧系元素的硫化物纳米催化剂；将含镧系元素的硫化物纳米催化剂暴露于氧气，并且加热以形成含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂；将催化膜组件的多孔氧化物层暴露于含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂，以用含镧系元素的含氧硫酸盐纳米催化剂浸渍多孔氧化物层以形成催化膜，其中所述催化膜组件包含设置在膜层与基板之间的催化膜。8.如权利要求7所述的方法，其中所述催化膜、所述膜层和所述基板以管状...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冬梅，谭帅，
申请(专利权)人：怀俄明大学，
类型：发明
国别省市：美国,US