[发明专利]聚合物中空纤维上的介孔二氧化硅膜

说明书

之前的相关申请

本申请要求2010年11月1日申请的US序列号61/408719的优先权，以参考方式将其全部并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及用于分子分离的膜，和更特别地涉及置于多孔聚合物中空纤维上的无机介孔膜。

背景

分离膜具有各种潜在的工业应用，包括天然气分离和从发电厂烟道气中捕获CO₂。由于较低的能量需求和容易放大分离元件，基于膜的气体分离具有增长的市场占有率。当前，气体分离应用可能包含多孔聚合物膜或无机膜的利用。可以以中空纤维形式制造用于气体分离应用的聚合物膜。中空纤维组件具有典型地在5000-10000m²/m³范围的高表面积/体积比，这对于商业大规模工艺是重要的设计考量。尽管聚合物中空纤维可以胜任许多分离工艺，聚合物材料的气体分离性能可能受它们的化学成分和结构的限制。

尽管致力于调整聚合物结构以改善分离性质，目前聚合物膜材料似乎已经达到生产率和选择性的平衡的极限。例如，许多聚酰亚胺和聚醚酰亚胺玻璃状聚合物诸如1000比那些诸如醋酸纤维素(～22)的聚合物具有更高的固有CO₂/CH₄选择性(在50℃和690kPa(100psig)下为～30)，其对于实际气体分离应用更具吸引力。然而，相比目前的商业醋酸纤维素膜产品，这些聚酰亚胺和聚醚酰亚胺玻璃状聚合物并不具有商业化有吸引力的渗透。此外，在暴露到高压气体例如CO₂下这样的聚合物倾向于塑化(即，膨胀(swell))，由此导致它们没有选择性。

另一方面，一些无机膜，诸如SAPO-34和DDR沸石膜和碳分子筛膜，对于分离提供了比聚合物膜更高的渗透性和选择性。额外的好处是这些材料不会塑化。然而，对于大规模制造来说它们的加工路径目前太昂贵和困难。

因此，仍就非常希望提供一种相比聚合物膜具有改善的分离性质的替代性的成本效益好的膜。特别地，长期目标是在高扩展性和经济性的平台(诸如聚合物中空纤维)上制备一种具有选择性的无机膜。

为了使流体分离膜比其他分离工艺诸如蒸馏、吸附和低温分离更有竞争力，存在开发至少具有下列性质之一的新型膜的需求：

a)比得上或优于聚合物膜的气体分离选择性和比聚合物膜更高的生产量；

b)高膜表面积/体积比(例如，中空纤维组件)；和

c)对商业化分离工艺容易放量。

概述

除非另有指明，当在说明书和权利要求中“a”或“an”与术语“包含”一起使用词“1”是指1或大于1。

术语“约”是指表述的值加上或者减去测量误差的极限或者如果没有公开测量方法则加上或减去10%。

权利要求中术语“或”的使用是用于意指“和/或”，除非明确表明仅涉及替代物或替代物是互斥的。

术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”(以及它们的变形)是开放式的连接动词和在权利要求中使用时允许其他元素的添加。

本文中使用以下缩写：