[发明专利]用于气体分离的膜

说明书

本文描述了膜、制备所述膜的方法以及使用所述膜的方法。所述膜可包括支撑层和设置在所述支撑层上的选择性聚合物层。在一些情况下，所述支撑层可包含气体可透过的聚合物和分散在所述气体可透过的聚合物内的亲水性添加剂。在一些情况下，所述选择性聚合物层可包含选择性聚合物基质和分散在所述选择性聚合物基质内的碳纳米管。所述膜可表现出对气体的选择性渗透性。因此，所述膜可用于从氢气和/或氮气中选择性移除二氧化碳和/或硫化氢。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月21日提交的美国临时申请号62/548,205和2018年8月21日提交的美国临时申请号62/548,195的权益，所述临时申请中的每一个据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

存在产生包含二氧化碳、硫化氢和氯化氢的气流，或包含二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物的气流的许多工业方法。通常期望从气流中的其他组分(诸如氢气和氮气)中移除这些气体中的一种或多种。已对可选择性透过的聚合物膜的多种气体分离应用进行了研究，所述应用包括氢气纯化和二氧化碳封存。然而，本领域仍需要膜、制备所述膜的方法和分离气体的方法。

发明内容

本文描述了膜、制备所述膜的方法以及使用所述膜的方法。所述膜可包括支撑层和设置在所述支撑层上的选择性聚合物层。

在一些实施方案中，所述支撑层可包含气体可透过的聚合物和分散在所述气体可透过的聚合物内的亲水性添加剂。

支撑层可包含气体可透过的聚合物和分散在所述气体可透过的聚合物内的亲水性添加剂。气体可透过的聚合物可以为选自下列的聚合物：聚酰胺、聚酰亚胺、聚吡咯酮、聚酯、基于砜的聚合物、聚合有机硅氧烷、氟化聚合物、聚烯烃、它们的共聚物、以及它们的共混物。在一些实施方案中，气体可透过的聚合物包括聚醚砜。

在一些实施方案中，亲水性添加剂包括亲水性聚合物。亲水性聚合物可以为电中性的或带电的。适宜的亲水性添加剂的示例包括聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、羟基化聚醚砜(PES-OH)、磺化聚砜(SPSf)、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、磺化聚苯乙烯、它们的共聚物、或它们的共混物。在某些实施方案中，亲水性添加剂可包括聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、羟基化聚醚砜(PES-OH)、磺化聚砜(SPSf)、它们的共聚物、或它们的共混物。在一些实施方案中，亲水性添加剂可以基于所述气体可透过的聚合物和所述亲水性添加剂的总干重计0.05重量％至20重量％(例如，0.05重量％至10重量％、0.05重量％至5重量％、或0.1重量％至2.5重量％)的量存在于所述气体可透过的聚合物中。

通过将亲水性添加剂引入气体可透过的聚合物中，相对于缺少所述亲水性添加剂的相同支撑层，该支撑层的表面特性和形态(以及通过扩展支撑层的传输性能)可显著增强。在一些示例中，支撑层可表现出如通过扫描式电子显微镜(SEM)所测量的10％至25％的表面孔隙率，20nm至90nm的平均孔径，或它们的组合。在一些示例中，支撑层可表现出如通过测角计所测量的75°或更小的水接触角(例如，60°至75°的水接触角)。在一些实施方案中，支撑层可表现出在57℃和1atm进料压力下至少12,000GPU的CO₂透过率(例如，12,000GPU至30,000GPU的CO₂透过率)。支撑层的改善的特性可使所得的复合膜渗透具有改善的传输特性。在某些情况下，气体可透过的聚合物(以及伴随的亲水性添加剂)可设置在基底(例如，非织造织物，诸如聚酯非织造物)上。

选择性聚合物基质可具有在57℃和1atm进料压力下10至500(例如，75至350)的CO₂:N₂选择性。选择性聚合物基质可包含亲水性聚合物、氨基化合物、或它们的组合。在一些实施方案中，亲水性聚合物可不存在(例如，选择性聚合物基质可包含一种或多种氨基化合物)。在其他实施方案中，选择性聚合物基质可包含亲水性聚合物和氨基化合物的组合。例如，在一些情况下，选择性聚合物基质可包含分散在亲水性聚合物基质中的氨基化合物。