[发明专利]用于烯烃‑烷烃分离膜的共聚物

说明书

发明领域

本发明描述了可被制成第11族金属离聚物的共聚物，其可用于分离烯烃和烷烃的膜。

政府权利

由能源部奖颁发DE-SC0004672和DE-SC0007510提供支持。美国政府对本专利申请享有权利。

技术背景

无孔但可透过的膜长期以来已被用于分离各种类型的化学品。例如，某些类型的半透膜用于从海水分离饮用水、或从氮气分离氧气、或从甲烷分离二氧化碳、或从烷烃分离烯烃。

从烷烃分离烯烃可使用氟化聚合物的银离聚物来实现。通常，可能因为含氟聚合物比未氟化聚合物对于氧化更稳定，所以氟化聚合物的第11族金属离聚物通常比未氟化聚合物更稳定。另外，在例如磺酸基或羧基附近含有氟取代基的聚合物往往是非常强的酸(有时称为“超强酸”)，其银盐可能更稳定。

在炼油厂或烯烃聚合工厂中，有时存在烯烃和烷烃的混合物并且希望从烷烃分离烯烃。如果这两种类型的化合物的沸点具有显著差异，则这可能是相对容易的，但分离具有相似沸点的此类化合物是更困难且昂贵的，当沸点的温度较低时尤其如此。例如，丙烷在-44.5℃下沸腾并且丙烯在-47.8℃下沸腾。由于能量成本，通过低温蒸馏分离这两种化合物是非常昂贵的。因此，更便宜、更低能量密集的分离方法是合乎需要的。

授予Erikson等人的美国专利5,191,151描述了使用膜从低级烷烃(含有1至6个碳原子)分离低级烯烃(含有2至4个碳原子)，所述膜是四氟乙烯(TFE)和含有磺酸的末端前体基团的全氟乙烯基醚的聚合物的银离聚物。Eriksen中没有提到目前要求保护的共聚物。

授予Feiring等人的美国专利申请2015/0025293描述了为全氟化聚合物的银离聚物的膜的用途。Feiring中没有提到目前要求保护的共聚物。

发明概要

本发明涉及一种共聚物，其包含衍生自式CF₂＝CF(OR_f)SO₂F的单体、一种或多种环状或可环化全氟化单体以及氟乙烯和乙烯中的一种或两种的重复单元，其中R_f是全氟亚烷基或含有具有2至20个碳原子的全氟亚烷基的醚，并且前提是衍生自CF₂＝CF(OR_f)SO₂F的重复单元是总重复单元的至少1摩尔％，衍生自一种或多种环状或可环化全氟化单体的单元是总重复单元的至少1摩尔％，并且衍生自乙烯和氟乙烯两者的重复单元总计是总重复单元的至少1摩尔％。

还公开了其中-SO₂F基团已被转化为其他基团(诸如磺酸或金属磺酸盐)的共聚物、包括含有此类共聚物的一个或多个层的膜，以及一种使用此类膜从烷烃分离烯烃的方法。

发明细节

本文使用某些术语，并且其中一些在以下定义。

在分离呈气态的烯烃和烷烃中的“驱动力”通常意指膜的第一(“进料”)侧上的烯烃的分压高于膜的第二(“产物”)侧上的烯烃的分压。例如，这可通过若干方法或其组合来实现。一种是对第一侧加压以增加第一侧上的烯烃的分压，第二种是通过惰性气体(诸如氮气)吹扫第二侧以降低第二侧上的烯烃的分压，并且第三种是通过真空泵减小第二侧的压力以降低第二侧上的烯烃的分压。可使用这些方法和本领域中施加驱动力的其他已知方法。

这可通过数学关系在一定程度上对气体的分离进行量化：

Q_aαF_a(P1_a-P2_a)

其中Q_a是通过膜的组分“a”的流动速率，F_a是通过膜的组分a的渗透性，P1_a是第一(进料)侧上的分压，并且P2_a是第二(产物)侧上的分压。

含有一种或多种第11族金属离聚物的膜意指包含金属离聚物的薄无孔层和物理地支持或加强第11族金属离聚物层的一个或多个其他聚合物层的膜。优选地，第11族金属离聚物层是约0.1μm至约1.0μm厚，更优选约0.2μm至约0.5μm厚。其他层对于待分离的烯烃和烷烃应优选是相对可透过的，并且本身并不具有很多(如果有的话)分离烯烃和烷烃的倾向。