[发明专利]经处理的混合基质聚合物膜

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年12月16日提交的美国临时专利申请第61/916,629号， 发明名称为“经处理的混合基质聚合物膜”的权益。所引用的专利申请的内 容通过引用并入本申请。

发明背景

A.技术领域

本发明涉及经处理的混合基质聚合物膜，其中金属有机骨架(MOF)如 沸石咪唑酯骨架(ZIF)和聚合物连接(例如通过共价键)，使得MOF与聚合 物的界面之间的空隙的数目或大小或两者都减小。进一步地，所述膜可以用 等离子体、电磁辐射、或热能、或其任意组合进行处理。膜中MOF和聚合 物的连接与膜的表面处理的组合导致聚合物膜具有用于气体分离应用的出人 意料地改进的选择性参数。

B.背景技术

膜是具有从液体、蒸气或气体分离一种或更多种物质的能力的结构。它 像选择性屏障一样通过允许一些物质通过(即渗透物或渗透物流)而阻止其 他物质通过(即渗余物或渗余物流)来起作用。在期望将物质彼此分离的情 况下，该分离性质在实验室和工业环境中均具有广泛的适用性(例如，从空 气去除氮或氧、从气体如氮和甲烷中分离氢、从氨厂的产物流中回收氢、在 炼油工艺中回收氢、使甲烷与生物气中其他组分分离、出于医学或冶金学目 的富集空气的氧、在设计为预防燃油箱爆炸的惰化体系中使氮气在空容积或 顶空富集、从天然气和其他气体去除水蒸气、从天然气去除二氧化碳、从天 然气去除H₂S、从空气排出气流去除挥发性有机液体(VOL)、空气的干燥或 除湿等)。

膜的实例包括聚合物膜，例如由聚合物制成的膜、液膜(如乳化液膜、 固定化(支撑)液膜、熔盐等)和由无机材料如氧化铝、二氧化钛、锆氧化 物、玻璃质材料等制成的陶瓷膜。

对于气体分离应用，选择的膜一般是聚合物膜。然而，聚合物膜所面临 的问题之一是众所周知的由Robeson的上界曲线示出的渗透性与选择性之间 的平衡(Robeson,JMembr.Sci.1991,62:165；Robeson,JMembr.Sci.,2008, 320:390-400)。具体地，存在例如一种气体相对于另一种气体的选择性上界， 这使得选择性随着膜的渗透性的增加而降低。

金属有机骨架(MOF)如沸石咪唑酯骨架(ZIF)之前已被引入到聚合 物膜中以产生混合基质膜。使用MOF的目的是增加所述膜的渗透性。这些 混合基质膜是通过使ZIF和聚合物共混来制备的，其中ZIF和聚合物之间并 无化学反应发生。由于ZIF与聚合物在聚合物-沸石界面上弱的相互作用，这 使得膜的渗透性增加。特别地，在膜中引入非选择性的界面空隙使得该空隙 使对给定材料的渗透性增强而选择性降低。这已被称为“笼中筛”形态(Hillock 等人，JournalofMembraneScience.2008，314:193–199)。图1A-B示出表现出 “笼中筛”形态的现有技术的膜(Mahajan等人，JAppl.Polym.Sci.，2002， 86:881)。

这种“笼中筛”形态导致在给定Robeson上界平衡曲线以上不能起作用 的混合基质膜。即，大多数这种膜不能超越渗透性-选择性的平衡限制，因而 使得它们效率较低并且使用成本较高。因此，会需要另外的处理步骤以获得 期望的给定气体的气体分离水平或纯化水平。

发明概述