[发明专利]用于分离的可自交联的和经自交联的芳族聚酰亚胺膜

说明书

本发明涉及可自交联的和经自交联的芳族聚酰亚胺，它们的膜，以及制备和使用这些聚合物和膜的方法。本发明所述的可自交联的芳族聚酰亚胺聚合物同时含有羟基官能团和羧酸官能团。经自交联的芳族聚酰亚胺是通过将可自交联的芳族聚酰亚胺聚合物在≤300℃下加热形成的。经自交联的芳族聚酰亚胺膜显示在分离气体和液体的混合物中的高选择性。

在先国家申请的优先权要求

本申请要求2013年9月27日提交的美国申请No.14/039,477的优先权。

发明背景

本发明涉及可自交联的和经自交联的芳族聚酰亚胺膜，其具有高度耐烃性，以及涉及制备和使用这些膜的方法。

在过去的30-35年中，基于聚合物膜的气体分离方法的技术得到快速发展。与常规分离方法相比，基于膜的技术具有低成本和高能效的优点。石油生产者和精炼者、化学公司以及工业气体供应者尤其关注膜气体分离。膜气体分离的多种应用已经实现了工业成功，包括从空气富集氮气，从天然气和从增强采油中除去二氧化碳，以及在氨吹扫气体料流中从氮气、甲烷和氩气除去氢气。例如，UOP的Separex^TM乙酸纤维素螺旋缠绕聚合物膜目前是在从天然气除去二氧化碳方面的国际市场领先者。

聚合物提供了性能范围，包括低成本、渗透性、机械稳定性，以及对于气体分离而言重要的易于加工性。玻璃态聚合物(即，处于比其T_g更低温度的聚合物)具有刚性聚合物主链，所以与具有较低刚性的主链的聚合物相比允许较小的分子例如氢气和氦气较快地通过，同时允许较大的分子例如烃较慢地通过。乙酸纤维素(CA)玻璃态聚合物膜广泛用于气体分离中。目前，这种CA膜用于天然气改质，包括除去二氧化碳。虽然CA膜具有许多优点，但是在许多性能方面受到限制，包括选择性、渗透性以及化学稳定性、热稳定性和机械稳定性。

在工业气体和液体分离应用中最常用的膜是不对称聚合物膜，所述膜具有薄的无孔选择性皮层用于进行分离。此分离是基于溶解-扩散机理。这种机理涉及渗透气体与膜聚合物之间的分子规模相互作用。这种机理假定在具有两个相对表面的膜中，每个组分被膜在一个表面上吸附，通过气体浓度梯度输送，并且在对面解吸。根据这种溶解-扩散模型，在分离给定成对气体(例如CO₂/CH₄，O₂/N₂，H₂/CH₄)中的膜性能是由两个参数确定的：渗透系数(在下文中简称为渗透性或P_A)以及选择性(α_A/B)。P_A是气体通量与膜的选择性皮层厚度的乘积再除以横跨膜的压力差。α_A/B是两种气体的渗透系数之比(α_A/B＝P_A/P_B)，其中P_A是渗透性较高的气体的渗透率，P_B是渗透性较低的气体的渗透率。这些气体可以具有高渗透系数，这是由于其具有高溶解度系数、高扩散系数，或者由于这两个系数都是高的。一般而言，随着溶解度系数根据气体的分子尺寸的增加而增加，扩散系数降低。在高性能聚合物膜中，高的渗透性和选择性都是所希望的，这是因为较高的渗透性降低了处理给定体积气体所需的膜区域尺寸，从而降低了膜元件的成本，并且因为较高的选择性能够获得具有较高纯度的产物气体。