[发明专利]具有含氨基的接枝聚合物表面的二氧化碳分离膜

说明书

本发明涉及COsubgt;2/subgt;选择性气体分离膜以及制备所述气体分离膜的方法以及其用途。所述COsubgt;2/subgt;选择性气体分离膜包含透气性或多孔支撑物层；和至少一个透气性聚合物层，所述透气性聚合物层用具有亲COsubgt;2/subgt;基团的聚合物链进行表面修饰，其中所述透气性聚合物层在其表面上具有亲COsubgt;2/subgt;基团的空间受控分布。制备所述COsubgt;2/subgt;选择性气体分离膜的方法包含以下步骤：在多孔或透气性支撑物层上沉积至少一个透气性聚合物层以形成致密膜，以及用具有亲COsubgt;2/subgt;基团的聚合物链对所述致密膜进行表面修饰，以在其表面上获得亲COsubgt;2/subgt;基团的空间受控分布。

技术领域

本发明涉及通过使用气体分离膜从气体混合物捕集CO₂。特别地，本发明涉及CO₂选择性聚合物膜和生产这样的膜的方法。本发明还涉及所述CO₂选择性聚合物膜的用途。

背景/现有技术

从烟气流捕集CO₂的现有技术，例如常规的吸收或吸附，具有高的能耗和总成本且意味着在以下主要市场(按CO₂排放量)工业实施的重大阻碍：能源部门(来自发电厂的烟气)、石油和天然气(天然气脱硫)、工业(来自例如水泥、炼钢的烟气)。此外，胺吸收过程中使用的化学物意味着对环境的额外污染源。

用于气体分离的膜技术已经被广泛使用。尽管聚合物膜是经济的且技术上是有用的，但它们受限于它们的性能。渗透率和选择性之间的平衡影响了聚合物膜用于从烟气流分离CO₂的用途，并且CO₂分离由于低渗透率而变得非常贵，所述低渗透率需要极其大的膜面积，导致高投资成本。

在膜科学中，人们认为为了选择性地分离气体混合物中的两种气体，需要制备致密的、选择性的(倾向于所述气体中的一种)聚合物层，其是：

1)均一的(由同种聚合物材料制成)

2)不同聚合物的掺合物，或

3)聚合物与颗粒的混合物。

由于聚合物的固有化学结构，所述致密聚合物层可以是CO₂选择性的；所述聚合物在其聚合物链中具有亲CO₂基团例如胺，和/或它们具有添加的颗粒(碳纳米管、二氧化硅、沸石等)以增强给定聚合物的CO₂选择性或渗透率。

为了形成薄层(即在200nm至100μm的范围内)，在溶液中将所述均一的聚合物(1)、不同聚合物的掺合物(2)、或聚合物与颗粒的混合物(3)与溶剂混合并浇铸/涂覆/沉积为薄膜，所述薄膜蒸发并形成致密的选择性膜。所述膜的聚合物层的组成以及相对于从膜的进料侧到渗透物侧的气体分子方向的亲CO₂基团或亲CO₂颗粒的空间安排/排列(垂直或水平)是相对随机的，并且尤其取决于所述组分的混合、聚合物与亲CO₂实体(化学基团、颗粒或其他聚合物)的相容性；重力、溶剂的蒸发速度、颗粒集团化等。

由于与其他气体例如N₂和O₂(烟气、呼吸)、CH₄(天然气、沼气)或H₂(合成气)相比更高的CO₂溶解度和/或扩散系数(溶液扩散机制)，聚合物膜从巨大且稀释的流(～1-20％CO₂)中分离CO₂。相比于其他气体(N₂、O₂、CH₄、H₂或其他气体)的CO₂选择性以及CO₂渗透率是由所述膜材料的固有性质赋予的。用于将气体分子运输通过膜的驱动力是由进料侧与渗透物侧之间的分压差或浓度差引起的，所述分压差或浓度差是通过在所述膜的渗透物侧使用扫气或真空而创建的。