JP2014521493A - ガス分離膜 - Google Patents
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Abstract
該正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方に、第1および第2親水性ポリマー溶液よりもよりpH耐性の、第3の、異なる親水性ポリマーの薄層をコーティングし、その上に緻密拒絶層を形成し;そして、 コーティングした正浸透膜およびコーティングした圧力遅延浸透膜の一方を高pH溶液に露出することを含むガス分離膜を形成する方法。前記方法により形成されたガス分離膜。
Description
[0016] 最適緻密層と多孔性層との性能を同時に達成するために、二層膜をキャスティングしなければならない。本明細書中で使用する浸漬析出法は、LoebおよびSourirajanに与えられた米国特許第31331324号明細書に開示されている方法に類似する(当該特許文献の開示を参照として本明細書中に含める)。
[0020] 次いで、CTAポリマー溶液の薄層を第1CAB溶液上に置く。
[0022] 粘性二層溶液のCTA層側を、次いで、水と接触状態にする。水との接触は、膜成分を凝固させ、適切な膜特性(例:多孔性、親水性、非対称性等)を形成する。こうして、水との接触は、溶液状のポリマーを不安定にし、非常に迅速に緻密ポリマー層が表面上に凝結する。この層は、さらに溶液中に水が浸入する妨害として作用し、緻密層の下のポリマーがさらによりゆっくり凝結し、緩やかな多孔性マトリックスを形成する。緻密層はCTAから形成し、多孔性層の殆どはCABから形成される。緻密層は、メタンやCO2の選択的透過を示し、一方で他の種を遮断する膜の部分である。多孔性層は、単に緻密層のための支持体として作用する。この支持層は、例えば、緻密層自身10ミクロン厚さのため、いずれかの実際的用途を有するには機械的強度および凝集力に欠けるので必要である。
[0024] したがって、浸漬/凝固プロセスは、例えば、約5〜15マイクロメーター厚さの、表面成分としてCTAの固体緻密層またはスキン層をもつ非対称膜を形成できる。さらに、形成物は殆どCABからなる多孔性層もしくは足場層であり、多孔性もしくは足場層は高度に多孔性であり、多孔性もしくは足場層内に固体の拡散をもたらす。多孔性もしくは足場層は、例えば、20〜150ミクロンの厚さを有することができる。浸漬/凝固プロセスより作製される緻密もしくはスキン層および多孔性もしくは足場層は、キャスティングパラメーターならびに溶媒の選択およびポリマー物質の固体と溶媒との割合の双方によりそれらの多孔度が制御される。多孔性もしくは足場層はできるだけポリマーの密度を低くし、例えば、15〜30容積%のポリマーである。緻密もしくはスキン層の上部のポリマー濃度は50%ポリマーよりも高い。
[0026] 本開示の例示目的のため、一実施態様では、二層ポリマー溶液を、親水性裏当て材の表面上に押出することができる。エアナイフを使用して溶媒のいくらかを蒸発させて緻密もしくはスキン層の形成のための溶液を調製できる。次いで、上に押出された溶液を有する裏当て材を凝固浴(例えば、水浴)中に導入する。水浴は膜成分をもたらし、適切な膜特性(例:多孔性、親水性、非対称性、等)に凝固させかつ形成させる。FOプロセスでは、メッシュ裏当としての繊維が有意な横方向抵抗を与えない(すなわち、メッシュ裏当ては膜表面に水取得を有意に邪魔しない)ので、メッシュ裏当て層の孔により水移動をもたらす。膜は、例えば、総厚さ約10μm〜約150μm(多孔性裏当て材料を除く)であり得る。多孔性裏当て材は、例えば、約50μm〜約500μmの厚さであり得る。
[0028] 上述した浸漬析出プロセスにより形成したセルロース膜の緻密もしくはスキン層は、非常に薄い親水性緻密ポリマー層でコーティングできる。この薄いポリマー層は、次いで緻密拒絶層となる。
膜加水分解
[0033] よりpH耐性ポリマーの非常に薄い親水性緻密層で一旦被覆したら、膜を水で再湿潤化させることができる。次いで、膜のセルロース部分を加水分解によりより開放にすることができる。
仕様、材料、製造、アセンブリ
[0037] 事実上、ガス分離膜の目的とした操作と一致するいずれの成分も利用できるので、本明細書中で開示する特定の成分に実施態様が限定されないことを理解できよう。したがって、例えば、特定の成分等を開示するが、かかる成分は、ガス分離膜実施態様の目的の操作と一致するいずれの形状、寸法、スタイル、タイプ、モデル、バージョン、クラス、グレード、大きさ、濃度、材料、重量、品質等を含むことができる。実施態様はいずれの特定の成分の使用に限定されないが、ただし、選択した成分が、ガス分離膜実施態様の目的の操作に一致することを条件とする。
使用
[0040] ポリマー被覆加水分解膜の実施態様は、特に、ガス分離応用に有用である。特に興味ある一応用は天然ガスからのCO2除去である。多くの天然ガス源はCO2が非常に富んでいるので天然ガスパイプライングリッド中に許容されない。
Claims (20)
- 浸漬析出および加水分解によりガス分離膜を形成する方法であって、
高性能多孔性層を生成するように最適化された処方を有する第1親水性ポリマー溶液を置き;
第1親水性ポリマー溶液上に、高性能緻密層を生成するように最適化した第2の、異なる親水性ポリマー溶液を置き、それにより、2層ポリマー溶液を形成し;
該第2の、異なる親水性ポリマー溶液を水と接触状態にして該緻密層を形成することにより、該2層ポリマー溶液を正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方に形成し;
該正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方に、第1および第2親水性ポリマー溶液よりもよりpH耐性の、第3の、異なる親水性ポリマーの薄層をコーティングし、その上に緻密拒絶層を形成し;そして、
コーティングした正浸透膜およびコーティングした圧力遅延浸透膜の一方を高pH溶液に露出し、それにより、加水分解により多孔性でかつ緻密層をより開くようにする、
ガス分離膜を形成する方法。 - 第2の、異なる親水性ポリマー溶液を水と接触状態にして緻密層を形成することにより、非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方に2層ポリマー溶液を形成することを含む請求項1に記載の方法。
- 非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方に2層ポリマー溶液を形成することが、約5〜約15ミクロンの厚さを含む緻密層および約20〜約150ミクロンの厚さを含む多孔層を形成することを含む、請求項2に記載の方法。
- 非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方に2層ポリマー溶液を形成することが、約50容量%以上のポリマーの密度を含む緻密層および約15容量%〜約30容量%ポリマーの密度を含む多孔層を形成することを含む、請求項2に記載の方法。
- 第1の酢酸酪酸セルロース溶液を置くことを含む第1親水性ポリマー溶液を置き;
第1の酢酸酪酸セルロース溶液の上に第2の三酢酸セルロース溶液を置くことを含む、第1親水性ポリマー溶液の上に第2の、異なる親水性ポリマー溶液を置き;それにより、2層ポリマー溶液を形成し;そして
非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方に2層ポリマー溶液を形成することが、第2セルロース三酢酸セルロース溶液を水と接触状態にして緻密層を形成することにより非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方に2層ポリマー溶液を形成することを含む、請求項2に記載の方法。 - 非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方に被覆することが、非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方を、第3スルホン化ポリスチレンポリイソブチレンブロックコポリマーの薄層を用いて被覆し、その上に緻密拒絶層を形成することを含む、請求項2に記載の方法。
- 非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方に被覆することが、非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方を、約1ミクロン以下の第3スルホン化ポリスチレンポリイソブチレンブロックコポリマー層を用いて被覆することを含む、請求項6に記載の方法。
- 第1親水性ポリマー溶液を置くことが、第1の酢酸酪酸セルロース溶液を置くことを含み;
第1親水性ポリマー溶液の上に第2の、異なる親水性ポリマー溶液を置くことが、第1の酢酸酪酸セルロースの上に第2の三酢酸セルロース溶液を置き、それにより、2層ポリマー溶液を形成し;そして
正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方に2層ポリマー溶液を形成することが、第2三酢酸セルロース溶液を水と接触状態にして緻密層を形成することにより正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方に2層ポリマー溶液を形成することを含む、請求項1に記載の方法。 - 正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方に被覆することが、正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方を、第3スルホン化ポリスチレンポリイソブチレンブロックコポリマーの薄層を用いて被覆し、その上に緻密拒絶層を形成することを含む、請求項1に記載の方法。
- 正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方に被覆することが、正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方を、約1ミクロン以下の第3スルホン化ポリスチレンポリイソブチレンブロックコポリマー層を用いて被覆することを含む、請求項9に記載の方法。
- ガス分離膜であって、
高性能多孔性層を生成するように最適化された処方を用いて、浸漬析出によりおよび加水分解により、第1親水性ポリマー溶液から形成された多孔性膜;
該多孔性層により支持されその上の緻密層であって、当該緻密層は、第2の、異なる親水性ポリマー溶液から、浸漬析出によりおよび加水分解により、高性能緻密膜を生成するように最適化されて生成され、;そして、
該緻密層上に塗布され、該第1および第2親水性ポリマー溶液よりもよりpH耐性の第3の親水性ポリマーより形成される緻密拒絶層
を含む前記ガス分離膜。 - 膜が非対称膜である、請求項11に記載の膜。
- 緻密層が、約5〜約15ミクロンの厚さを含み、多孔層が約20〜約150ミクロンの厚さを含む、請求項12に記載の膜。
- 緻密層が約50容量%以上のポリマーの密度を含み、多孔層が約15容量%〜約30容量%ポリマーの密度を含む、請求項12に記載の膜。
- 非対称膜が非対称正浸透膜および非対称圧力遅延浸透膜の一方を含み、第1酢酸酪酸セルロース溶液から形成される多孔性膜および第2三酢酸セルロース溶液から形成される緻密層を有する、請求項12に記載の膜。
- 緻密拒絶層が、スルホン化ポリスチレンポリイソブチレンブロックコポリマーから形成される、請求項12に記載の膜。
- 緻密絶縁層の厚さが約1ミクロン以下である、請求項16に記載の膜。
- 膜が正浸透膜および圧力遅延浸透膜の一方を含み、第1酢酸酪酸セルロース溶液から形成される多孔性膜および第2三酢酸セルロース溶液から形成される緻密層を有する、請求項11に記載の膜。
- 緻密拒絶層が、スルホン化ポリスチレンポリイソブチレンブロックコポリマーから形成される、請求項11に記載の膜。
- 緻密絶縁層の厚さが約1ミクロン以下である、請求項19に記載の膜。
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