[发明专利]用于水-和气体分离的含碳膜

说明书

本发明涉及一种金属或陶瓷的多层膜装置，其包括具有孔径大于50nm的孔的大孔载体层、至少一个布置在其上的具有孔径为2nm‑50nm的孔的介孔中间层。根据本发明的膜装置还具有至少一个布置在介孔中间层上的具有平均孔径为0.3nm‑1.5nm的孔的微孔覆盖层，该微孔覆盖层包含氧化石墨或少层片氧化石墨烯或石墨或少层片石墨烯。在一个有利的实施方式中，覆盖层具有5至1000个氧化石墨烯的层片。在一个有利的实施方式中，通过至少部分地还原氧化石墨烯，覆盖层可以具有5至1000个部分还原的氧化石墨烯或石墨烯的层片。根据本发明的具有包含功能性微孔氧化石墨烯和/或石墨烯的覆盖层的多层化学和机械稳定且耐受温度的膜装置有利地适合用于水分离或纯化或用于气体分离。

本发明涉及含碳膜，特别是包含氧化石墨或石墨的膜，其尤其可用于水-或气体分离。

背景技术

分离膜原则上可以作为多孔或非多孔层存在。将分离膜区分为均质膜和不对称膜。均质膜通常制得非常薄，以具有尽可能高的单位面积渗透性。然而，在这些薄的膜的情况中，机械稳定性通常不足。与此相比，在不对称膜的情况中，非常薄的分离层布置在具有高渗透性的机械稳定的多孔子结构上。

分离工艺可以根据参与的相（固体、液体、气体）进行分类，并广泛应用于工业应用中。膜工艺也越来越多地被视为常规分离方法例如蒸馏、结晶、低温分离、吸附或萃取的替代。然而，由于迄今为止缺乏合适的一方面具有必需的分离性能，并且同时承受恶劣的运行条件（高温、高压、水蒸汽、腐蚀性气体、腐蚀性液体）的膜，不利地限制了该使用。

迄今为止在分离工艺中商业使用的膜通常包含聚合物材料，其在缺乏机械、热和化学稳定性方面具有一定的缺点，因此仅能有限地使用。

另一方面，已知陶瓷微孔膜，其具有由沸石、二氧化硅（SiO₂）或碳构成的功能层，以及除了SiO₂以外还具有碳原子的所谓的杂化SiO₂膜。这些膜被建议作为聚合物膜的替代。它们可以在更广泛的应用领域中使用，并且此外具有明显更长的使用寿命。它们通常耐受大多数有机溶剂，并且在杂化膜的情况下通常直至约300℃，任选也直至甚至更高的温度是温度稳定的。

特别地，沸石膜以实验规模和工业规模适合在溶剂的分离工艺中，例如在液相(渗透蒸发(PV))中或气相(蒸汽渗透，英文Vapour Permeation (VP))中使用。这些膜中的一些表现出约0.5nm的非常窄的孔径分布，并且特别适用于从所有类型的有机溶剂中分离水。

微孔无定形SiO₂膜已知20多年。该膜通常具有孔径大小0.5nm的微孔SiO₂膜层，其通过溶胶-凝胶法施加到具有γ-Al₂O₃的介孔载体上。自从其出现以来，此膜已经引起越来越多的兴趣，因为它们具有足够好的分离水和分离气体的分离性能。

这种微孔陶瓷气体分离膜的特征性性能之一是热活化气体输送。已经发现，对于高品质的膜，通过微孔材料的气体通量J（英语flux）作为温度的函数根据Arrhenius方程增加：

J = J₀ exp (-E_act/ RT)

其中 J = 气体流量 (mol m^-2 s^-1), J₀ = 非温度依赖性系数 (mol m^-2 s^-1), R =气体常数(J mol^-1 K^-1), T =温度(K)和E_act =活化能(kJ mol^-1)。