[發明專利]使用具有聚酰亞胺氣體分離膜的勃姆石粘合層的系統和方法

無效

• 申請號: 201210314296.5
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102961973A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: K.A.波利什楚克
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: B01D69/12
• 分類號: B01D69/12;B01D71/64;B01D71/02;B01D67/00;B01D53/22
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 孔青;林森

技術領域

本文公開的主題涉及氣體分離膜，并且更特別地涉及聚酰亞胺氣體分離膜。

背景技術

一種純化氣體混合物的方法為通過使用氣體分離膜。通常，氣體分離膜依賴于穿過多孔膜材料的分壓差以選擇性驅使氣體分子跨膜。為了使氣體分離膜有效，所述膜應具有足夠高的滲透性和高選擇性。滲透性為特定氣體跨膜流動的容易程度的量度，而選擇性為跨膜的氣體混合物的一種組分(例如氫氣)比氣體混合物的第二種組分(例如二氧化碳)多多少的量度。通常，隨著膜的滲透性增加，膜的選擇性減小，使得難以實現具有高通量的選擇性膜。

發明內容

在一個實施方案中，氣體分離膜包括多孔基底、基本上連續的聚酰亞胺膜層以及布置在多孔基底與聚酰亞胺膜層之間以形成粘合層(bond-coat?layer)的一層或更多層勃姆石納米顆粒。粘合層經配置以改進聚酰亞胺膜層與多孔基底的粘附，并且聚酰亞胺膜層具有約100?nm或者更小的厚度。

在另一個實施方案中，制造氣體分離膜的方法包括在多孔支持結構上沉積一層或更多層勃姆石納米顆粒以形成粘合層，并且在粘合層上沉積聚酰亞胺前體。方法進一步包括在300℃或更低的溫度下將粘合層和聚酰亞胺前體進行熱處理以形成聚酰亞胺膜層，其中聚酰亞胺膜層具有約150?nm或者更小的厚度。

在另一個實施方案中，氣體分離膜包括支持層。所述膜還包括中間層，中間層布置在支持層之上并提供具有孔隙大小為小于40?nm和具有厚度約50-400?nm之間的表面。所述膜還包括粘合層，粘合層包含布置在中間層之上并具有厚度在約50?nm-400?nm之間的勃姆石納米顆粒。所述膜進一步包括布置在粘合層之上且具有厚度在20-150?nm之間的聚酰亞胺膜。

附圖說明

當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面和優勢將變得更好理解，其中在整個附圖中同樣的符號代表同樣的部件，其中：

圖1為氣體分離膜的實施方案的圖示；

圖2為說明氣體分離膜的實施方案的各層的側視圖；和

圖3為說明制造氣體分離膜的方法的實施方案的流程圖。

具體實施方式

通常期望氣體分離膜的滲透性和選擇性兩者均達到最大，以求膜能夠快速和選擇性地分離混合氣流中的特定組分。氣體分離膜可包括沉積在一個或更多個多孔支持層之上的膜層以提供高滲透性膜。然而，氣體分離膜中的膜層與下面多孔支持層的粘附可能有限，這可導致膜在制造和使用期間損壞。

因此，所公開的實施方案通過在制造過程期間加入勃姆石納米顆粒粘合層，以改進頂部膜層前體溶液與下面支持層之間的粘附來解決上述問題。就是說，勃姆石粘合層使得能夠在前體溶液與下面支持層之間更大程度地共價和/或非共價相互作用，從而改進層間粘附。因此，通過使用這種粘合層，本發明氣體膜實施方案說明了比先前展示的膜層更薄且進一步提高膜滲透性的膜層的合成和使用。

考慮到上述情況，圖1圖解說明了用于分離氣體混合物的氣體分離膜10的實施方案。例如，氣體分離膜10可用于自水煤氣變換反應器分離產品氣體混合物(例如氫氣和二氧化碳)。在圖解說明的實施方案中，跨膜10存在分壓差。就是說，在圖解說明的實施方案中膜的頂側12的壓力可明顯高于膜的底側14的壓力。這種壓差可造成氣體分子的跨膜流動16。

例如，存在于膜10的頂側12的氣體混合物可包括氫氣18和二氧化碳20組分，并且跨膜10的壓差可引起一部分氣體混合物進入膜10。另外，分壓差可引起一部分氣體混合物進入氣體分離膜以完全跨過膜10。例如，圖1的實施方案說明，盡管氫氣18和二氧化碳20兩種氣體中的一部分可進入氣體分離膜10，但說明僅有氫氣18完全跨過膜10到達另一側14。

同樣地，圖1圖解說明了在二氧化碳20存在下對氫氣18具有最佳選擇性的理想氣體分離膜10。通常，氣體分離膜可減小選擇性以改進滲透性。例如，相對厚的氣體分離膜可具有高選擇性，但可遭受低滲透性(即氣體混合物中僅有一種物質基本通過膜，但慢)。因此，氣體分離膜的滲透性通常可通過使膜變薄來改進。然而，低于一定厚度膜的缺陷可變得眾多，造成膜具有高滲透性和幾乎沒有至沒有選擇性(即高流速和全部物質相對容易通過膜)。

因此，聚合物膜層可沉積于多孔支持結構之上，使得膜層可比對于單獨膜層可機械穩定時更薄。就是說，多孔支持結構可機械支持由于太薄(例如數十至數百納米)而不能支持自身的膜。支持結構可為任何多孔材料，比如任何陶瓷(例如氧化鋁或二氧化硅)或金屬基底。在某些實施方案中，支持結構可具有小于約40?nm的孔隙大小。