[发明专利]用于气体分离的功能化无机膜

说明书

相关申请的交叉引用

本申请为2005年9月28日提交的美国临时专利申请序列号 No.60/721560的非临时申请并要求其优先权，并且与和本申请同时提交的 名为“Methods And Apparatus For Hydrogen Gas Production”的Attorney Docket No.165652-3相关。在此引入所述两个申请的全部内容作为参考。

关于联邦资助研发的声明

本发明依据美国能源部授予的合同号DOE NETL DE-FC26-05NT42451，在政府资助下进行。政府可享有本发明的一定权利。

背景技术

本发明一般地涉及用于从气流中分离气体，特别是用于从气流中分离 CO₂的膜和方法。

从气流中分离CO₂是减少化石燃料类燃烧过程中温室排放的关键步骤。 动力装置(power plant)中通常采用胺法(amine process)净化燃料或废气流。然 而，因为胺法涉及在净化之前对气流进行冷却，所以该法对于能源和资金 的耗费巨大。在现有的装置中，可使用能够在200℃以上的温度分离CO₂的膜替代胺法。还可将所述膜用于先进的整体气化组合循环(integrated gasification combined cycle)(IGCC)装置以改进效率。为取得成功，膜必须满 足两组要求。首先，膜必须能够从气流中选择性分离CO₂。特别地，期望 在燃料气流中使CO₂与H₂分离或者在废气流中使CO₂与N₂分离。为了实 现用多孔膜分离，通常优选具有反向选择性(reverse selectivity)。反向选择性 是相对于克努森选择性(Knudsen selectivity)预期的水平富含较重气体的选 择性。其次，膜必须具有200℃以上的工作温度。

例如，在CO₂和H₂的分离中具有反向选择性的高温膜在高达500℃时 必须显示机械和功能稳定性且CO₂/H₂选择性大于10。另外，期望的是至少 1000Barrer的CO₂透过性(permeability)。目前未能获得能够满足这些要求的 膜。

由于CO₂比气流中其他目标组分重，所以克努森扩散不是可行的分离 机制。克努森扩散描述了气体通过孔径小于气体平均自由程(mean free path) 的膜的流动。克努森扩散速率与气体的分子量成反比。仅仅依据克努森扩 散的膜的CO₂/H₂选择性为0.21。然而，传输必须通过能够实现所需选择性 的替换性机制进行。例如，最具前景的聚合物膜基于通过氨基选择性传输 CO₂的易化传输机制(facilitated transport mechanism)。在180℃所述膜显示出 约为10的选择性和2000Barrer的透过性，但在180℃以上由于膜的脱水使 得性能迅速下降。因而，聚合物膜不适于在较高温度下使用。