JP6644140B2 - ガス分離のための二重層コーティングされた膜 - Google Patents
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Description
本出願は、2015年10月22日に出願された米国特許出願第62/245,002号の優先権を主張するものである。
本発明はまた、疎水性フルオロポリマーコーティング層の膜からの剥離を起こさない二重層コーティングされた非対称膜を作製する方法も提供する。この方法は、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称膜支持体上にヒドロゲルコーティングを含む第一のコーティング層の粗いマイクロ/ナノ構造表面を用いて膜上の疎水性フルオロポリマーを含む第二のコーティング層の接着性を向上させることを含む。比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称膜支持体上にヒドロゲルをコーティングする結果、膜と疎水性フルオロポリマーコーティングとの間の接着性の向上、及び膜からの疎水性フルオロポリマーコーティング層の剥離の防止に不可欠であるマイクロ/ナノスケールでの粗い膜表面が形成される。本発明で述べる粗いマイクロ/ナノ構造表面とは、10マイクロメートル未満の高さである球状、針状、又は他の種類の非常に小さい隆起部で覆われた平坦ではない粗い膜表面を意味する。
ニッピング、ディップコーティング、スピンコーティング、キャスティング、浸漬、スプレー、塗装、及び他の公知の従来の溶液コーティング技術によって希釈フルオロポリマー溶液を比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称膜支持体上のヒドロゲルコーティング層の上面に適用することによって、薄い疎水性フルオロポリマーコーティング層が、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称膜支持体上のヒドロゲルコーティング層の上面に形成される。パーフッ素化有機溶媒の蒸発後に、この第二の薄い疎水性フルオロポリマーコーティングが形成される。
二重層コーティングされた膜は、水からの有機分子の分離(例:浸透気化による水からのエタノール及び/又はフェノール)、並びに水からの金属及び他の有機化合物の除去に用いられ得る。
以下の例は、本発明の1つ以上の好ましい実施形態を説明するために提供されるものであるが、その実施形態に限定されない。以下の例に対して、本発明の範囲に含まれる数多くの変更が施されてもよい。
ゼラチンコーティングされ、続いてAF2400コーティングされた高フラックス非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜の作製(「HF−AF−ゼラチン/CA−CTA」と略す)
1.5〜2のCO2/CH4選択性及び400GPUのCO2透過度(50℃、1000psig、10%CO2/90%CH4)を有する比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜支持体を、重量パーセントで8.2%の三酢酸セルロース、8.2%の酢酸セルロース、18.4%のN−メチルピロリドン、26.4%の1,3−ジオキソラン、12.3%のアセトン、及び26.5%の非溶媒を含むキャスティングドープから、従来の方法で作製した。ナイロン布上にキャストして膜とし、続いて1℃の水浴中に10分間浸漬してゲル化し、次に80℃から90℃の熱水浴中で15分間アニーリングして、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティング材料の水溶液を、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜の表面に滴下して、ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を、連続乾燥機により、70℃、2.0fpmで乾燥した。乾燥したゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜を、Fluorinert FC−770溶媒中のAF2400ポリマー溶液でディップコーティングし、85℃で乾燥して、乾燥したゼラチンコーティングされ、続いてAF2400コーティングされた高フラックス非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜(「HF−AF−ゼラチン/CA−CTA」と略す)を形成した。
ゼラチンコーティングされ、続いてAF2400コーティングされた高選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜の作製(「HS−AF−ゼラチン/CA−CTA」と略す)
3〜4のCO2/CH4選択性及び290〜350GPUのCO2透過度(50℃、1000psig、10%CO2/90%CH4)を有する比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜支持体を、重量パーセントで8.2%の三酢酸セルロース、8.2%の酢酸セルロース、12.3%のN−メチルピロリドン、34.8%の1,3−ジオキソラン、10.2%のアセトン、及び26.3%の非溶媒を含むキャスティングドープから、従来の方法で作製した。ナイロン布上にキャストして膜とし、続いて1℃の水浴中に10分間浸漬してゲル化し、次に80℃から90℃の熱水浴中で15分間アニーリングして、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティング材料の水溶液を、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜の表面に滴下して、ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を、連続乾燥機により、70℃、2.0fpmで乾燥した。乾燥したゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜を、Fluorinert FC−770溶媒中のAF2400ポリマー溶液でディップコーティングし、85℃で乾燥して、乾燥したゼラチンコーティングされ、続いてAF2400コーティングされた高選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜(「HS−AF−ゼラチン/CA−CTA」と略す)を形成した。
ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜の作製(「ゼラチン/CA−CTA」と略す)
3〜4のCO2/CH4選択性及び290〜350GPUのCO2透過度(50℃、1000psig、10%CO2/90%CH4)を有する比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜支持体を、重量パーセントで8.2%の三酢酸セルロース、8.2%の酢酸セルロース、12.3%のN−メチルピロリドン、34.8%の1,3−ジオキソラン、10.2%のアセトン、及び26.3%の非溶媒を含むキャスティングドープから、従来の方法で作製した。ナイロン布上にキャストして膜とし、続いて1℃の水浴中に10分間浸漬してゲル化し、次に80℃から90℃の熱水浴中で15分間アニーリングして、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティング材料の水溶液を、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜の表面に滴下して、ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を、連続乾燥機により、70℃、2.0fpmで乾燥して、乾燥したゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜(「ゼラチン/CA−CTA」と略す)を形成した。
HF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜及びHS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜のCO2/CH4分離性能
直径76mm(3インチ)の円形状の例1のHF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜及び直径76mm(3インチ)の円形状の例2のHS−AF−ゼラチン/CA−CTAを、10%CO2及び90%CH4を含有する天然ガスフィードを、50℃、フィード圧6996kPa(1000psig)で用いて、ガス輸送特性について評価した。表1は、本発明のHF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜及びHS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜におけるCO2透過度(PCO2/L)及びCO2/CH4選択性(αCO2/CH4)の比較を示す。表1の結果から、高選択性のHS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜が、高フラックスのHF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜よりも高いCO2/CH4選択性及び低いCO2透過度を示したことが分かる。
高CO2濃度フィードガスによるHF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜のCO2/CH4分離性能
直径76mm(3インチ)の円形状の例1のHF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜を、50%CO2及び50%CH4の高濃度CO2を含有する天然ガスフィードを、50℃、フィード圧3549kPa(500psig)で用いて、ガス輸送特性について22時間の連続試験で評価した。表2は、1時間、2時間、4時間、及び6時間の透過後の、本発明のHF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜のPCO2/L及びαCO2/CH4を示す。表2から、HF−AF−ゼラチン/CA−CTA膜が、500psigのフィード圧の50%CO2/50%CH4フィードの存在下での1時間の透過後、336GPUのPCO2/L及び16.0のαCO2/CH4を有することが分かる。この膜は、500psigのフィード圧の50%CO2/50%CH4フィードの存在下での6時間の透過後、CO2透過度及びCO2/CH4選択性の低下を示さなかった。
液体トルエンへの曝露後のHS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜のCO2/CH4分離性能
直径76mm(3インチ)の円形状の例2のHS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜及び直径76mm(3インチ)の円形状の比較例2のゼラチン/CA−CTA膜を、10%CO2及び90%CH4を含有する天然ガスフィードを50℃、フィード圧6996kPa(1000psig)で用いて、膜コーティング層表面を液体トルエンで10分間浸漬した前後でのCO2/CH4分離特性について評価した。表3の実験結果から、HS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜が、膜コーティング層表面を液体トルエンで10分間浸漬した後、CO2透過度の2.6%の減少、及びCO2/CH4選択性の5.3%の低下を示したことが分かった。しかし、フルオロポリマーコーティングなしのゼラチン/CA−CTA膜は、膜コーティング層表面を液体トルエンで10分間浸漬した後、CO2透過度の51.6%の低下を示した。例2のHS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜の疎水性フルオロポリマーコーティングは、液体トルエンの存在下でのフルオロポリマーコーティング層の下にあるゼラチンコーティングされたCA−CTA膜の湿潤及び膜構造の崩壊を大きく低減した。したがって、疎水性フルオロポリマーコーティングを有する例2のHS−AF−ゼラチン/CA−CTA膜は、フルオロポリマーコーティングなしのゼラチンコーティングされたCA−CTA膜と比較して、CO2透過度の著しい低下を示さなかった。これらの結果から、ゼラチン、及び続いてフルオロポリマーで二重コーティングされたCA−CTA膜が、炭化水素に対する高い耐性を有し、高い炭化水素耐性の用途及び天然ガス凝縮設備に用いられ得ることが示された。
ゼラチンコーティングされ、続いてAF1600コーティングされた高フラックス非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜の作製(「HF−AF1600−ゼラチン/CA−CTA−1−2」と略す)
1.4のCO2/CH4選択性及び800GPUのCO2透過度(50℃、250psig、10%CO2/90%CH4)を有する比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜支持体を、重量パーセントで14.4%の三酢酸セルロース、5.1%の酢酸セルロース、18.7%のN−メチルピロリドン、27.0%の1,3−ジオキソラン、12.4%のアセトン、及び26.5%の非溶媒を含むキャスティングドープから、従来の方法で作製した。ナイロン布上にキャストして膜とし、続いて1℃の水浴中に10分間浸漬してゲル化し、次に80℃から90℃の熱水浴中で15分間アニーリングして、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティング材料の水溶液を、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜の表面に滴下して、ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。ゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を、連続乾燥機により、70℃、2.0fpmで乾燥した。乾燥したゼラチンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜を、Fluorinert FC−770溶媒中のAF1600ポリマー溶液でディップコーティングし、85℃で乾燥して、乾燥したゼラチンコーティングされ、続いてAF1600コーティングされた高フラックス非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜(「HF−AF1600−ゼラチン/CA−CTA−1−2」と略す)を形成した。
キトサンコーティングされ、続いてAF1600コーティングされた高フラックス非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜の作製(「HF−AF1600−キトサン/CA−CTA−1−2」と略す)
1.4のCO2/CH4選択性及び800GPUのCO2透過度(50℃、250psig、10%CO2/90%CH4)を有する比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜支持体を、重量パーセントで14.4%の三酢酸セルロース、5.1%の酢酸セルロース、18.7%のN−メチルピロリドン、27.0%の1,3−ジオキソラン、12.4%のアセトン、及び26.5%の非溶媒を含むキャスティングドープから、従来の方法で作製した。ナイロン布上にキャストして膜とし、続いて1℃の水浴中に10分間浸漬してゲル化し、次に80℃から90℃の熱水浴中で15分間アニーリングして、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。キトサンコーティング材料の水性酢酸溶液を、比較的多孔性で充分な空隙を有する選択性非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜の表面に滴下して、キトサンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を形成した。キトサンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース湿潤膜を、連続乾燥機により、70℃、2.0fpmで乾燥した。乾燥したキトサンコーティングされた非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜を、Fluorinert FC−770溶媒中のAF1600ポリマー溶液でディップコーティングし、85℃で乾燥して、乾燥したキトサンコーティングされ、続いてAF1600コーティングされた高フラックス非対称酢酸セルロース−三酢酸セルロース膜(「HF−AF1600−キトサン/CA−CTA−1−2」と略す)を形成した。
燃料ガスコンディショニング用途におけるHF−AF1600−ゼラチン/CA−CTA−1−2膜及びHF−AF1600−キトサン/CA−CTA−1−2膜
直径49.5mmの円形状の例6のHF−AF1600−ゼラチン/CA−CTA−1−2膜及び直径49.5mmの円形状の例7のHF−AF1600−キトサン/CA−CTA−1−2を、5%CO2、70%CH4、15%C2H6、及び10%C3H8を含有する燃料ガスフィードを50℃、フィード圧3549kPa(500psig)で用いて、燃料ガスコンディショニング用途について評価した。表4の結果から、HF−AF1600−ゼラチン/CA−CTA−1−2膜及びHF−AF1600−キトサン/CA−CTA−1−2膜のいずれも、エタン(C2H6)及びプロパン(C3H8)よりも速くメタン(CH4)を透過させ、高いCH4透過率、良好なCH4/C2H6選択性、及び高いCH4/C3H8選択性を有して、高CH4含有量燃料ガス及びC2+濃縮テールガスを生成することが示される。
Claims (10)
- ガラス質ポリマーを含む多孔性で空隙を有する選択性非対称膜支持体、及び2つのコーティング層を備える膜であって、ヒドロゲルを含む第一のコーティング層は、前記膜支持体の上面にあり、フルオロポリマーを含む第二のコーティング層は、前記第一のコーティング層の上にある、膜。
- 前記ガラス質ポリマーが、ポリスルホン、スルホン化ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ポリアミド/イミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ(ベンゾベンズイミダゾール)、ポリベンゾキサゾール、固有の微孔性を有するポリマー、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、酢酸−酪酸セルロース、プロピオン酸セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロース、及びこれらの混合物から成る群より選択される、請求項1に記載の膜。
- 前記ヒドロゲルが、ゼラチン及びアルギン酸ナトリウムから成る群より選択される、請求項1に記載の膜。
- 前記フルオロポリマーが、アモルファスフルオロポリマーである、請求項1に記載の膜。
- 前記フルオロポリマーが、2,2−ビストリフルオロ−メチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソール(PDD)のホモポリマー、2,2−ビストリフルオロ−メチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソール(PDD)と、テトラフルオロエチレン(TFE)、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、及びクロロトリフルオロエチレンから成る群より選択される別のフッ素含有モノマーの相補量とのアモルファスコポリマー、2,2−ビストリフルオロ−メチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソール(PDD)とテトラフルオロエチレン(TFE)とのアモルファスコポリマー、2,2−ビストリフルオロ−メチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソール(PDD)とテトラフルオロエチレン(TFE)との、ジオキソールが65モル%であるアモルファスコポリマー、2,2−ビストリフルオロ−メチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソール(PDD)とテトラフルオロエチレン(TFE)とのアモルファスコポリマー、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール(TTD)とテトラフルオロエチレン(TFE)とのコポリマー、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール(TTD)とテトラフルオロエチレン(TFE)との、TTDが80モル%、TFEが20モル%であるコポリマー、シラン官能基を有するフルオロ−シランフッ素化コポリマー、及び、エポキシド官能基を有するフルオロ−エポキシドフッ素化オリゴマー、から成る群より選択される、請求項1に記載の膜。
- ガラス質ポリマーを含む多孔性で空隙を有する選択性非対称膜支持体を作製すること、前記膜支持体の上面にヒドロゲルコーティングを適用すること、及び続いて、前記ヒドロゲルコーティング上にフルオロポリマーコーティングを適用することを含む、膜の作製方法。
- ガラス質ポリマーを含む多孔性で空隙を有する選択性非対称膜支持体、及び前記膜支持体の上面のヒドロゲルを含む第一のコーティング層及び前記第一のコーティング層の上のフルオロポリマーを含む第二のコーティング層である2つのコーティング層を備える膜を用いてガスの混合物から少なくとも1つのガスを分離するための方法であって、
(a)ガラス質ポリマーを含む多孔性で空隙を有する選択性非対称膜支持体、並びに前記膜支持体の上面のヒドロゲルを含む第一のコーティング層及び前記第一のコーティング層の上のフルオロポリマーを含む第二のコーティング層である2つのコーティング層を備え、前記少なくとも1つのガスに対して透過性である膜を提供すること、
(b)前記膜の一方の側に前記混合物を接触させて、前記少なくとも1つのガスを前記膜に透過させること、及び
(c)前記膜の反対側から、前記膜を透過した前記少なくとも1つのガスの一部を含む透過ガス組成物を取り出すこと、
を含む方法。 - 前記ガスの混合物が、大気ガス中の揮発性有機化合物の混合物を含む、請求項7に記載の方法。
- 前記ガスの混合物がCO2を含む天然ガスであり、前記膜を透過したガスがCO2である、請求項7に記載の方法。
- 前記ガスの混合物がN2、CH4、Ar、及びH2を含み、前記膜を透過したガスがH2である、請求項7に記載の方法。
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