JPH0466609B2 - - Google Patents

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JPH0466609B2
JPH0466609B2 JP59282044A JP28204484A JPH0466609B2 JP H0466609 B2 JPH0466609 B2 JP H0466609B2 JP 59282044 A JP59282044 A JP 59282044A JP 28204484 A JP28204484 A JP 28204484A JP H0466609 B2 JPH0466609 B2 JP H0466609B2
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JP
Japan
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separation
membrane
polyphosphazene
fluid
permeability
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP59282044A
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Japanese (ja)
Other versions
JPS60156506A (en
Inventor
Arufuretsudo Kurausu Menahemu
Keisu Maafui Miruton
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Permea Inc
Original Assignee
Permea Inc
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Publication date
Application filed by Permea Inc filed Critical Permea Inc
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Publication of JPH0466609B2 publication Critical patent/JPH0466609B2/ja
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【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は水含有混合物をポリホスフアゼン分離
膜と接触させることによつて非極性流体から水を
分離する方法に関する。 気体混合物から少なくとも一種の選択性流体の
品質向上又は濃縮を含む分離は、化学原量の供給
に対する要求の観点から本質的に重要な工程であ
る。これらの要求は、しばしば流体混合物から一
種又はそれ以上に望ましい流体を分離しそしてそ
の気体生成物を種々のプロセスに使用することに
よつて満たされる。流体混合物から一種又はそれ
以上の流体を選択分離するのに分離膜の使用が応
用されてきている。選択分離を達成するために
は、この膜は混合物通の一種又はそれ以上の流体
を輸送するのに少なくとも一種の他の流体よりも
低い抵抗性を示す。かくして、選択分離は、少な
くとも一種の他の流体に対して混合物中の一種又
はそれ以上の所望の流体の優先的欠乏又は濃縮を
与えることができ、そして従つて一種又はそれ以
上の所望流体対少なくとも一種の他の流体の比が
原料混合物の量比と異なる量比を有する生成物を
与える。しかし分離膜の使用による一種又はそれ
以上の所望の流体の選択分離を工業的に魅力ある
ものとするためには、その分離方法の使用が経済
的に魅力的であるように、膜はいくつかの基準を
満足しなければならない。例えば、この膜は分離
操作中曝される条件に耐えることができなければ
ならない。膜は同様に充分に高い流量即ち単位表
面積当りの透過流体の透過速度で一種又はそれ以
上の所望流体の適した選択分離性を提供しなけれ
ばならない。かくして適当に高選択分離性を示す
がしかし望ましくない低流量を示す分離膜は、こ
れらの膜の使用が経済的に実現しないような大き
な分離膜表面積を必要とする。同様に、高流量を
示すがしかし低選択分離性を示す分離膜は同様に
工業的に魅力がない。従つて、これらの流体分離
膜の使用が経済的に実現可能なものに、苛酷な環
境条件下に長時間充分高流量で非極性流体からの
極性流体の如き一種又はそれ以上の所望の流体の
適した選択分離を提供することができる流体分離
膜を開発する研究が続けられている。 一般に、膜を通しての流体の透過は、空隙、即
ちその空隙がクヌーセン流及び拡散による分離に
適していても又はいなくても、膜の供給及び出口
両方面で流体流れを連結する連続通路を通して進
行し、膜理論の最近の見解に従う他の機構では、
膜を通る流体の透過は流体と膜材料との相互作用
によるとされる。この後者の主張されている機構
では、膜を通す流体の透過は流体の膜材料中への
溶解及び膜を通しての流体の拡散を含むと考えら
れている。単一流体の透過定数は、流体の膜中の
溶解性及び拡散性の産物であると現在解釈されて
いる。所定の膜材料は、流体の膜材料との相互作
用によつて所定流体の透過について特定の透過定
数を有する。膜を通す流体の透過速度、即ち流量
は、透過定数と関係があるが、しかし同様に膜
厚、膜を横切る気体状の透過流体の分圧差、温度
及び類以のものの如き変数によつて影響を受け
る。 流体分離用途に実用的な膜として有用な重合体
は、いくつかの厳しい基準を満足しなければなら
ない。要求の主要なものは、透過度及び選択性の
如き重合体の固有輸送特性である。追加の要求
は、適した熱的及び化学的環境安定性及び重合体
を有用な膜への製造に重大な溶解特性の如き適し
た性質を含む。現在、流体分離に用いられてきて
いる殆んどの重合体がガラス状重合体として知ら
れる一群に属する。たいてい、これらの材料は、
フイルム又は中空糸いずれでも非対称的形態の有
用な膜をつくるための上記基準を非常によく満足
するので、魅力的である。しかし製造基準を満足
する多くの重合体は、所定分離用途について理想
より低い輸送特性を有する。しばしば、特定の気
体一対又は溶質−溶媒の一対について望ましく高
い選択性を示す重合体はより速い成分を適当な速
度で透過させない。逆に所定の透過性物質につい
て非常に高い透過度の重合体は、しばしば僅か中
程度に選択性である。所望の流体分離について必
要な要求の殆んど又はすべてを同時に満足する単
一の材料を見つけることは難しい仕事である。 ガラス状重合体は一般に高度に非晶質材料であ
り、これはそれらの名が示唆するように大気温で
凍結状態である。重合体のガラス転移温度すなわ
ちTgより上では、このガラス状固体はもう一つ
他の非晶質固体状態、即ち重合体鎖の分子規模で
ずつと早い運動で特徴づけられるゴムに変化す
る。ゴム状状態対ガラス状状態で重合体を区別す
る種種の性質のうち特に興味あるものは、輸送特
性がこの二つの型の材料でしばしば激しく異なる
ことである。多くのゴムを通す気体透過度は、多
くのガラス状重合体中の同じ気体の透過度に比較
して非常に高い。しかし一般に高透過度の原因と
なるゴム状状態の重合体鎖のより高い動的性質
は、しばしば多くのガラス状重合体に比較してゴ
ム状重合体のよりずつと低い選択性を生じさせ
る。更に、多くのゴム状重合体は、好ましい非対
称性形態を有する膜を効率よく製造するために要
求される好ましい他の性質の組合せを有しない。 いくつかのゴム状重合体が気体分離に用いられ
てきておりそして現在も用いられている。シリコ
ーンゴムは、特に血液酸素化又は空気酸素濃縮の
如き小規模用の空気(O2/N2)分離に適用され
てきている。かかる環境では、シリコーンゴムの
非常に高いO2透過度が、比較的魅力のない性質、
例えば低選択性及び機械的弱さよりも重要であ
る。シリコーンゴムは、非対称性に容易につくる
ことができないので、重合体は典型的には比較的
強い多孔性支持体で支持される。かかる多孔性支
持体は、適切な適用で、製造及び機械的強度につ
いてのゴム状重合体の限界を効果的に補う。工業
的に重要と考えられる大規模ガス分離用途には、
しかし殆んどのゴム状重合体の普通不適当な選択
特性が、それらの実際の使用を限定したままであ
る。 ポリホスフアゼン類は、以下の如く燐の上に有
機置換基をもつ燐−窒素順序を有する重合体であ
る。 ただし、R及びR′は同じか又は異なる有機置
換基でありそしてnは10又はそれ以上の整数であ
る。 ある限られた数のポリホスフアゼンの単独気体
輸送測定が行われてきている。例えば、
Bittirova等の「Vysokomol.Soedin」ser.B23巻
1号30−3頁(1980年)は、ポリ(オクチルオキ
シホスフアゼン)の酸素、窒素及びアルゴンに対
する透過性を開示している。このBittirova等の
報文は、各々12.84×10-7、11.88×10-7及び5.25
×10-7cm3、cm/cm2・S・atmのO2、Ar、N2につ
いての透過係数値を有する透明な、可撓性の、弾
性フイルムを含むその「特定の性質」の故に、こ
の材料に特別の関心をもつて一つのポリホスフア
ゼンに焦点をあてている。この文献は、更に他の
気体輸送特性についてこの弾性フイルムを用いる
試みをしていない。 Kireyev等の「Vysokomol.Soedin」Ser.A18
巻1巻、228頁(1976年)及びChattopadhyay等
の「J.Coating Technology」51巻658号87頁
(1979年)は、各々ポリ(ブチルオキシホスフア
ゼン)及びポリ(アリールオキシホスフアゼン)
の水蒸気透過性を開示している。Kireyev等は、
新しい型のエラストマーの必要性、かくしてポリ
ジオルガノホスフアゼンへの関心(品質評価物性
研究の一つは重量測定としてのこれらのホスフア
ゼンによる水蒸気の吸収に関する)を議論してい
る。 Chattopadhyay等は、塗料バインダーとして
の用途のための高度の難燃性及び他の望ましい重
合体の性質を有する材料としてポリアリールオキ
シホスフアゼン類の特別の関心をもち、
「Polyphosphazenes As New Coating
Binders」と題した刊行物を出している。 Chattopadhyay等の文献は、他の物理試験評
価と共に、25℃で重合体フイルムを通した水分蒸
気透過を示している。ポリホスフアゼン膜による
流体混合物の分離については注釈していない。 要約すると、適したポリホスフアゼン流体分離
膜は従来提供されてきていない。特に、非極性流
体から極性流体の分離のためにポリホスフアゼン
流体分離膜の適合性については示唆されてきてい
ない。 本発明によれば、水含有混合物を分離膜の第1
表面と接触させることにより水を非極性流体から
分離する方法であつて、 前記分離膜が水に対して優先的選択性および透
過性に有しそして式 (式中、nは100〜70000の整数であり、Yは酸
素でありそしてRおよびR′は同じであつても異
なつていてもよく、アリール、アルキル置換アリ
ールまたは1〜25個の炭素原子を有する弗素化ア
ルキル基からなる)により表わされる優先選択性
及び改良された熱的及び化学的安定性を有するゴ
ム状のポリホスフアゼンであり、 前記方法が、 第1表面の化学ポテンシヤルより低い、水につ
いての化学ポテンシヤルに前記ポリホスフアゼン
膜の第2表面を維持し、 前記ポリホスフアゼン膜の中にそしてそれを通
して水を透過させ、そして 供給混合物中に含有する濃度よりも、非極性流
体に対する大きな水の濃度を有する透過生成物を
前記第2表面の近辺から回収することを特徴とす
る方法が提供される。 上記のホスフアゼン流体分離膜は種々の構造を
有するか又は密なフイルムの形状でよい。ポルホ
スフアゼン膜のゴム状性質の故に、適した流体分
離膜構造は、ポリホスフアゼンをしばしば多孔性
基体上に支持された被覆として用いる。更に、ポ
リホスフアゼンは、得られる多成分膜の分離特性
に寄与する多孔質分離膜と接触された被覆材料と
して適用することができる。 本発明の記述では、以下の定義が用いられる。 本明細書で用いられる用語「流体」は、いずれ
も剪断力にも常に抵抗できず流れを生ずる物質、
例えば気体、即ち分子が明らかに抵抗なく流れる
物質の状態及び液体、即ち分子が自由に動くが重
力で制約される物質の状態を意味する。 本明細書で用いられる用語「極性流体」は、イ
オン化することができるか又は非電解質と反対に
電解質として作用することができるような流体又
は比較的高い誘電率又は分子双極モーメントの如
き性質で特徴づけられる流体を意味する。 本明細書で用いられる用語「膜」は、混合物の
一つの流体又は気体がその材料を通して選択的に
透過するように、流体及び/又は気体混合物と接
触させることができる表面を有する材料を対象と
する。かかる膜は、一般にフイルム又は中空糸の
形状で曝される。膜は、多孔質又は本質的に細孔
のないものでよく、又は多孔質である層及び本質
的に細孔のない層を有してよい。本発明は、極性
流体について有利な流体分離特性を示す膜を提供
する。しかし、本発明の膜は、極性流体以外につ
いても有用なそして有利な流体及び/又は気体分
離性を示す。 本明細書で用いられる用語「密な」又は「密な
フイルム」は、細孔、即ち膜の表面間を連絡する
流体通路が本質的にない、及び空隙、即ち膜の材
料を含有しない膜厚内の領域が本質的にない膜を
意味する。この密な膜は、構造全体に亘つて本質
的に同じであるので、等方性膜の定義にはいる。
ある厚い膜は非常に選択性であるが、それらの一
つの不利な点は膜の比較的大きな厚みの故に低透
過流量である。密な膜は材料の固有気体分離特性
を決定するのに有利である。固有分離特性には、
分離係数α、及び透過定数P(その両方は以下に
規定される)が含まれる。 本明細書で用いられる用語「非対称性」又は
「非等方性」とは、膜の厚断面で一定しない多孔
度を有する膜を意味する。同一材料からつくられ
た二つの別々の部分、即ち薄い密な半透過性スキ
ン及びそれ程密でない空隙含有支持体部分から構
成される非対称性膜の例は、ロエブ(Loeb)膜
と呼ばれるものである。しかし、非対称性膜は、
外側表面又はスキン上にこの薄い密な半透過性領
域を必ずしも有する必要はない。 本発明の膜は、特定の分離相関を有するフイル
ム又は中空糸状の材料から構成される。これらの
相関のいくつかは、便宜的に膜の一対の気体につ
いての相対分離係数の用語で表わされる。所定の
一対の気体(a)及び(b)についての膜の分離係数
(αa/b)は、気体(a)についての膜の透過定数
(Pa)対気体(b)についての膜の透過定数(Pb)の
比として定義される。所定気体についての透過度
は、単位厚さ当りの膜の1cm水銀柱の分圧低下に
対する、1秒当り、表面積1cm2当りの膜を通過す
る、標準温度及び圧力(STP)下での気体の容
積であり、そしてこれは(P=cm3−cm/cm2−秒−
cmHg)の単位で表わされる。分離係数は、同様
に気体混合物の気体(a)についての厚さ(1)の膜の透
過度(P/l)a対気体(b)についての同じ膜の透過
度(P/l)bの比(P/1=cm3/cm2−秒−cmHg)
に等しい。 実際には、所定の膜に対する所定の一対の気体
に関する分離係数は、一対の気体の各々に対する
透過定数または透過度の計算に充分な情報を与え
る多くの技術を使用して決定することができる。
透過定数、透過度、分離係数を決定するのに利用
できる技術は、Hwang等によつて「Techniques
of Chemistry」巻「Membranes In
Separation」(John Wiley&Sons社、1975年)
12章、296〜322頁に開示されている。 本明細書に用いられる「ポルホスフアゼン」
は、式 (式中、nは100〜70000の整数であり、Yは酸
素でありそしてRおよびR′は同じであても異な
つていてもよく、アリール、アルキル置換アリー
ルまたは1〜25個の炭素原子を有する弗素化アル
キル基からなる)により表わされる。 本明細書で用いられる用語「架橋重合体」と
は、ポリホスフアゼンの重合体鎖が他の一つと結
合していることを意味する。重合体が安定である
こと、即ちポリホスフアゼン用の溶媒に溶解しな
い事実が架橋の指標である。 本発明は、単独及び共重合体としてのポリホス
フアゼン及び同様に極性流体分離膜用材料として
のポリホスフアゼンの混合物から構成される流体
分離膜を提供する。種々のポリホスフアゼンの流
体輸送及び分離特性は、例えば、H2O及びCH4
含有する混合ストリーム(流れ)からのH2Oに
対して高度に選択性でありそして透過性であるこ
とが判つた。ハロゲン化ポリホスフアゼンの使用
によつて、気体又は液体いずれかの形状の非−極
性成分からのH2Oの除去等の流体脱水応用が、
同様に示唆される。ポリホスフアゼンは一般に
種々の流体について優先的選択性及び透過性を示
したが、しかしフルオロ置換アルコキシ及びアリ
ールオキシポリホスフアゼンは、前記の他のポリ
ホスフアゼンを上廻る高められた水回収を提供す
る。 ポリホスフアゼンは、可溶性、高分子量(しば
しば1000000より大きい)、直鎖物質を与えるよう
に合成することができる。三量体のシクロホスホ
ニトリルクロライド単量体を熱重合すると、各燐
に二つの塩素を有する高分子量(−PN−)骨格
を与える。このポリ(ジクロロ)ホスフアゼン
は、続く求核置換反応によつてそれからすべての
可溶性ポリホスフアゼンゴムがつくられるベース
重合体である。典型的には、以下に示すように、
燐上の塩素を置き換えそしてその場所に−O−R
基に置換するために、アルコールのナトリウム塩
が用いられる。 アルコラート塩の混合物を使用することによつ
て共重合体が得られる。交換反応にNa−OR塩の
代りにアミン類を使用することによつて、燐背骨
原子に結合した酸素ではなく窒素を含有する側基
がつくられる。典型的には燐上に−OR側基をも
つポリホスフアゼンが、−NR2基をもつものよ
り、熱的にそして化学的に、例えば加水分解に対
して安定である。 ポリホスフアゼンから構成される流体分離膜
は、極性/非極性流体分離に対して透過度及び選
択性の予想外に魅力的な組合せを有することが判
り、そしてこれらのポリホスフアゼンは同様に多
くのゴム状重合体より著しく良好な熱的及び化学
的安定性を有することが示される。ハロゲン化ポ
リホスフアゼンの流体輸送特性及び物理/化学特
性は、この種のゴム状重合体が大規模での実用的
極性/非極性流体分離に用いることに対して著し
い可能性を有することを示す。フルオロアルコキ
シポリホスフアゼンを用いるH2O透過度及びメ
タン流からのH2Oの分離が特に注目に値する。 気体分離膜用に用いられる種々のポリホスフア
ゼンは、室温よりずつと低いTgのゴム状材料で
ある。これらのポルホスフアゼンは、一般に極性
有機溶媒例えばテトラヒドロフラン(THF)、メ
タノール、アセトン、酢酸エチル、メチルエチル
ケトン(MEK)、ジメチルホルムアミド
(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、ホ
ルミルピペリジン、N−メチルピロリドン及び類
似のものに可溶である。アリール側基を有するポ
リホスフアゼンは、芳香族炭化水素、例えばトル
エン及びべンゼンに同様可溶である。この後者の
溶媒は、アルキル側基上にハロゲン化したポリホ
スフアゼンを殆んど膨潤させない。ポリ(フルオ
ロ−アルコキシ)ホスフアゼンはメタノールに容
易に溶けるが、これらのホスフアゼンは、高級ア
ルコール類には僅かしか、例えば約70℃まででイ
ソプロピルアルコールに1%より少なくしか溶け
ない。置換アルコキシ、アリールオキシ及び置換
アリールオキシから構成される側基をもつもの及
びその共重合体を含む種々のポリホスフアゼン、
例えばポリ(ビス−フエノキシ)ホスフアゼン、
コポリ(フエノキシ−P−エチルフエノキシ)ホ
スフアゼン、ポリ(ビス−トリフルオロエトキ
シ)ホスフアゼン及び類似のものを、気体分離膜
として評価した。燐原子の鎖背骨上の弗素化アル
コキシ側基をもつ共重合体ホスフアゼンを評価
し、ポリ(ビス−トリフルオロエトキシ)ホスフ
アゼンで得た結果と関係する結果を得た。混合パ
ーフルオロ化アルコキシ共重合体の全体の側基の
組成は、約65%−O−CH2−CF3、約35%−O−
CH2−(CF2o−CHF2(ただし、nは1、3、5、
7、9に等しい)であつたが、この共重合体は同
様に側基に0.5不飽和官能基を含有し、これは過
酸化物又は硫黄の如き種々の加硫剤によつて架橋
することができる。 本発明に従う支持されたポリホスフアゼン流体
分離膜は、多孔性フイルター支持体上の複合被覆
によつて得られる。典型的には、ポリホスフアゼ
ンの6〜10重量%テトラヒドロフラン(THF)
溶液を再生セルローズフイルター(0.2ミクロン
細孔性)の円盤の表面に適用した。真空を適用し
溶媒を除去した。次に、ポリホスフアゼン重合体
の比較的均一な膜が得られる迄、被覆/乾燥方法
を典型的には3〜7回繰返した。膜厚は二つの方
法によつて、即ち被覆支持体の合計厚から未被覆
セルローズ支持体厚を引く直性ミクロメーター測
定によつて及びポリホスフアゼン密度及び膜面積
を考慮した被覆に続く重量増加の使用によつて得
た。この二つの方法によつて得られる厚さは約10
%内で一致した。重量増加/密度/面積計算から
得られる厚さが、セルローズフイルター支持体柱
に含む細孔を有するいずれの材料をも含むことが
期待されるので、これらの値を用いた。膜厚は典
型的には約0.02cm又はそれ以下であつた。 気体分離試験は、混合気体を用いるHwang等
の通常の方法に従つた。ポリホスフアゼン材料の
試験中に遭遇する高気体流れ速度の故に、殆んど
のデータは10〜20psigの供給気体圧力で得た。試
験膜の下流側は真空下とした。混合気体供給スト
リームを100〜約300psigの圧力としたときの高圧
供給試験を評価した。報告するすべての試験が室
温で評価された。 流体(気体)用の支持膜として4つの異なつた
ポリホスフアゼンの使用で得られた気体分離結果
を参考のための第表に示す。極性流体、例えば
CO2及びH2Sについてのこの4種のポリホスフア
ゼン膜の分離性能が、参考のための第表のデー
タによつて示される。第表のデータは、同様に
CH4及びCO2ついてのポリホスフアゼンの分離性
能の比較を示す。参考のための第表には、共に
ゴム状及びガラス状材料である多種の膜につい
て、水素及び二酸化炭素の透過性及び水素/メタ
ン及び二酸化炭素/メタンの分離係数の比較を示
した。特に興味あるものとして、データは弗素化
アルコキシ側基を担持するポリホスフアゼンにつ
いての極性気体透過度及び酸気体/メタン選択性
の予期しなかつた確実なそして魅力的な挙動を示
している。これらの重合体、ポリ(ビス−トリフ
ルオロエトキシ)ホスフアゼン及び種々の弗素化
アルコキシ側基の共重合体は、共にメタンから極
性気体分離についての透過度(400〜600c.c.−cm/
cm2−秒−cmHg)及び選択性(10〜11.5)の異例
なそして魅力的な組合せを示す。かかる高二酸化
炭素透過度は、シリコーン基礎重合体によつての
み越される。例えば、ポリジメチルシロキサンは
二酸化炭素透過度について3000〜4000まで高い標
準単位を有すると報告されているが、しかし二酸
化炭素/メタンの分離係数はかなり低く、例えば
3〜4である。多くのガラス状重合体は比較的高
い二酸化炭素/メタン選択性を示すが〔ポリスル
ホンについては約30、そしてアンモニア架橋臭素
化ポリフエニレンオキシド(PPO、例えば2,
6−ジメチル−1,4−フエニレンオキシド)に
ついては35〜50〕、CO2透過度は典型的には1又
は2桁低く、例えばポリスルホンについて約6そ
して架橋臭素化PPO膜について約40〜45である。
測定結果は、フルオロ−アルオキシ置換ポリホス
フアゼンについての硫化水素透過度は二酸化炭素
のそれと均等しいことを示している。
The present invention relates to a method for separating water from non-polar fluids by contacting a water-containing mixture with a polyphosphazene separation membrane. The separation, including the upgrading or enrichment of at least one selective fluid from a gaseous mixture, is an essentially important step from the point of view of the requirements for the supply of chemical raw materials. These needs are often met by separating one or more desired fluids from a fluid mixture and using the gaseous products in various processes. The use of separation membranes has been applied to selectively separate one or more fluids from a fluid mixture. To achieve selective separation, the membrane exhibits a lower resistance to transporting one or more fluids through the mixture than at least one other fluid. Thus, selective separation can provide preferential depletion or enrichment of one or more desired fluids in a mixture relative to at least one other fluid, and thus one or more desired fluids versus at least one other fluid. The ratio of one of the other fluids provides a product having a volume ratio different from that of the raw mixture. However, in order to make the selective separation of one or more desired fluids by the use of separation membranes industrially attractive, several membranes must be used so that the use of the separation method is economically attractive. must meet the criteria. For example, the membrane must be able to withstand the conditions to which it is exposed during separation operations. The membrane must likewise provide suitable selective separation of the desired fluid or fluids at sufficiently high flow rates, ie, permeate rate per unit surface area. Thus, separation membranes exhibiting suitably high separation selectivity but undesirably low flow rates require large separation membrane surface areas that make the use of these membranes economically unfeasible. Similarly, separation membranes that exhibit high flow rates but low separation selectivity are likewise industrially unattractive. Therefore, the separation of one or more desired fluids, such as polar fluids from non-polar fluids, at sufficiently high flow rates for long periods of time under harsh environmental conditions makes the use of these fluid separation membranes economically viable. Research continues to develop fluid separation membranes capable of providing suitable selective separation. In general, permeation of fluid through a membrane proceeds through voids, continuous channels that connect fluid flow on both the feed and outlet sides of the membrane, whether or not the voids are suitable for separation by Knudsen flow and diffusion. However, in other mechanisms according to recent views of membrane theory,
Permeation of fluid through a membrane is said to be due to interaction of the fluid with the membrane material. In this latter proposed mechanism, permeation of fluid through the membrane is believed to involve dissolution of the fluid into the membrane material and diffusion of the fluid through the membrane. The permeation constant of a single fluid is currently interpreted to be the product of solubility and diffusivity in the fluid's membrane. A given membrane material has a particular permeation constant for the permeation of a given fluid due to the fluid's interaction with the membrane material. The permeation rate, or flow rate, of a fluid through a membrane is related to the permeation constant, but is also influenced by variables such as membrane thickness, partial pressure difference of the gaseous permeate across the membrane, temperature, and the like. receive. Polymers useful as practical membranes for fluid separation applications must meet several stringent criteria. Chief among the requirements are the intrinsic transport properties of the polymer, such as permeability and selectivity. Additional requirements include suitable properties such as suitable thermal and chemical environmental stability and solubility properties which are critical to fabricating the polymer into useful membranes. Most polymers currently used for fluid separation belong to a group known as glassy polymers. Often these materials are
Both films or hollow fibers are attractive because they very well meet the above criteria for creating useful membranes of asymmetric morphology. However, many polymers that meet manufacturing standards have transport properties that are less than ideal for a given separation application. Often, polymers that exhibit desirably high selectivity for a particular gas pair or solute-solvent pair will not allow faster components to permeate at an adequate rate. Conversely, polymers with very high permeability for a given permeable substance are often only moderately selective. Finding a single material that simultaneously satisfies most or all of the necessary requirements for desired fluid separation is a difficult task. Glassy polymers are generally highly amorphous materials, which, as their name suggests, are in a frozen state at ambient temperatures. Above the glass transition temperature, or Tg, of the polymer, this glassy solid transforms into another amorphous solid state, a rubber characterized by increasingly rapid motions of the polymer chains on a molecular scale. Of particular interest among the various properties that distinguish polymers in their rubbery versus glassy states is that the transport properties are often drastically different for these two types of materials. The gas permeability through many rubbers is very high compared to the permeability of the same gases in many glassy polymers. However, the higher dynamic nature of the polymer chains in the rubbery state, which generally accounts for the high permeability, often results in a much lower selectivity of rubbery polymers compared to many glassy polymers. Additionally, many rubbery polymers do not have the desirable combination of other properties required to efficiently produce membranes with desirable asymmetric morphology. Several rubbery polymers have been and are currently used for gas separation. Silicone rubber has been applied in air (O 2 /N 2 ) separation, particularly for small scale applications such as blood oxygenation or air oxygen enrichment. In such environments, the very high O 2 permeability of silicone rubber has relatively unattractive properties,
For example, it is more important than low selectivity and mechanical weakness. Because silicone rubber cannot be easily made asymmetrically, the polymer is typically supported on a relatively strong porous support. With appropriate application, such porous supports effectively compensate for the limitations of rubbery polymers in terms of manufacturing and mechanical strength. For large-scale gas separation applications that are considered to be of industrial importance,
However, the usually unsuitable selective properties of most rubbery polymers remain limiting their practical use. Polyphosphazenes are polymers having a phosphorus-nitrogen sequence with an organic substituent on the phosphorus as follows. provided that R and R' are the same or different organic substituents and n is an integer of 10 or more. A limited number of single gas transport measurements of polyphosphazenes have been performed. for example,
Bittirova et al., Vysokomol. Soedin, ser. B23, No. 1, pp. 30-3 (1980) discloses the permeability of poly(octyloxyphosphazene) to oxygen, nitrogen and argon. This report by Bittirova et al. is 12.84×10 -7 , 11.88×10 -7 and 5.25
Due to its "specific properties" including transparent, flexible, elastic films with permeability coefficient values for O 2 , Ar, N 2 of ×10 -7 cm 3 , cm/cm 2 S atm , focuses on one polyphosphazene with special interest in this material. This document does not attempt to use this elastic film for further gas transport properties. “Vysokomol.Soedin” Ser.A18 of Kireyev et al.
vol. 1, p. 228 (1976) and Chattopadhyay et al., "J. Coating Technology," vol. 51, no. 658, p. 87 (1979), poly(butyloxyphosphazene) and poly(aryloxyphosphazene), respectively.
The water vapor permeability of Kireyev et al.
The need for new types of elastomers and thus the interest in polydiorganophosphazenes (one of the quality evaluation physical properties studies concerns the absorption of water vapor by these phosphazenes as a gravimetric measure) is discussed. Chattopadhyay et al. have a particular interest in polyaryloxyphosphazenes as materials with a high degree of flame retardancy and other desirable polymeric properties for use as paint binders;
"Polyphosphazenes As New Coating
He publishes a publication entitled ``Binders''. Chattopadhyay et al., along with other physical test evaluations, demonstrate moisture vapor transmission through polymeric films at 25°C. Separation of fluid mixtures by polyphosphazene membranes is not noted. In summary, suitable polyphosphazene fluid separation membranes have not been provided heretofore. In particular, the suitability of polyphosphazene fluid separation membranes for the separation of polar fluids from non-polar fluids has not been suggested. According to the present invention, the water-containing mixture is transferred to the first part of the separation membrane.
A method of separating water from a non-polar fluid by contacting a surface, the separation membrane having preferential selectivity and permeability to water and having the formula (wherein n is an integer from 100 to 70,000, Y is oxygen, and R and R' may be the same or different and contain aryl, alkyl-substituted aryl, or 1 to 25 carbon atoms. a rubbery polyphosphazene with preferential selectivity and improved thermal and chemical stability represented by fluorinated alkyl groups having maintaining a second surface of the polyphosphazene membrane at a chemical potential of, allowing water to permeate into and through the polyphosphazene membrane, and having a concentration of water relative to the non-polar fluid greater than the concentration contained in the feed mixture. A method is provided, characterized in that permeation products are collected from the vicinity of the second surface. The phosphazene fluid separation membranes described above may have various structures or be in the form of dense films. Because of the rubbery nature of polyphosphazene membranes, suitable fluid separation membrane structures often employ polyphosphazenes as a coating supported on a porous substrate. Furthermore, polyphosphazenes can be applied as coating materials in contact with porous separation membranes contributing to the separation properties of the resulting multicomponent membrane. In describing the invention, the following definitions are used. The term "fluid" as used herein refers to any substance that cannot always resist shear forces and produces a flow.
For example, it refers to a gas, ie, a state of matter in which molecules flow without apparent resistance, and a liquid, ie, a state of matter in which molecules move freely but are constrained by gravity. As used herein, the term "polar fluid" refers to a fluid that is capable of ionizing or acting as an electrolyte as opposed to a non-electrolyte or is characterized by properties such as a relatively high dielectric constant or molecular dipole moment. means a fluid that can be attached to As used herein, the term "membrane" refers to a material that has a surface that can be contacted with a fluid and/or gas mixture such that one fluid or gas of the mixture permeates selectively through the material. do. Such membranes are generally exposed in film or hollow fiber form. The membrane may be porous or essentially pore-free, or may have a layer that is porous and a layer that is essentially pore-free. The present invention provides membranes that exhibit advantageous fluid separation properties for polar fluids. However, the membranes of the present invention exhibit useful and advantageous fluid and/or gas separation properties for other than polar fluids. As used herein, the term "dense" or "dense film" refers to a film thickness that is essentially free of pores, i.e., fluid passageways communicating between the surfaces of the membrane, and voids, i.e., containing no material of the membrane. Refers to a membrane that has essentially no inner regions. This dense film falls within the definition of an isotropic film because it is essentially the same throughout the structure.
Although some thick membranes are highly selective, one disadvantage of them is low permeate fluxes due to the relatively large thickness of the membrane. Dense membranes are advantageous in determining the material's inherent gas separation properties. The inherent separation properties include
A separation factor α and a permeation constant P (both defined below) are included. The term "asymmetric" or "anisotropic" as used herein refers to a membrane that has a porosity that is not constant across the thickness of the membrane. An example of an asymmetric membrane consisting of two separate parts made from the same material, a thin dense semi-permeable skin and a less dense void-containing support part, is called a Loeb membrane. . However, asymmetric membranes
It is not necessary to have this thin dense semi-transparent region on the outer surface or skin. The membrane of the present invention is composed of a film or hollow fiber material having a specific separation relationship. Some of these correlations are conveniently expressed in terms of relative separation coefficients for a pair of gases in a membrane. The separation coefficient (αa/b) of a membrane for a given pair of gases (a) and (b) is the permeation constant (Pa) of the membrane for gas (a) versus the permeation constant (Pa) of the membrane for gas (b). Pb). Permeability for a given gas is the volume of gas at standard temperature and pressure (STP) that passes through a membrane per cm2 of surface area per second for a partial pressure drop of 1 cm of mercury across the membrane per unit thickness. and this is (P=cm 3 −cm/cm 2 −sec−
cmHg). The separation factor is likewise the permeability (P/l) of a membrane of thickness (1) for gas (a) in a gas mixture versus the permeability (P/l) b of the same membrane for gas (b). Ratio (P/1= cm3 / cm2 -sec-cmHg)
be equivalent to. In practice, the separation factor for a given pair of gases for a given membrane can be determined using a number of techniques that provide sufficient information to calculate the permeability constant or permeability for each gas in the pair.
Techniques available for determining permeability constants, permeabilities, and separation factors are described in “Techniques” by Hwang et al.
of Chemistry” volume “Membranes In”
"Separation" (John Wiley & Sons, 1975)
Disclosed in Chapter 12, pages 296-322. "Porphosphazene" as used herein
is the expression (wherein n is an integer from 100 to 70,000, Y is oxygen, and R and R' may be the same or different and contain aryl, alkyl-substituted aryl, or 1 to 25 carbon atoms. consisting of a fluorinated alkyl group). As used herein, the term "crosslinked polymer" means that the polymer chains of the polyphosphazene are linked to one another. The stability of the polymer, ie, the fact that it is not soluble in the solvent for the polyphosphazene, is an indicator of crosslinking. The present invention provides fluid separation membranes composed of polyphosphazenes as homo and copolymers and also mixtures of polyphosphazenes as materials for polar fluid separation membranes. The fluid transport and separation properties of various polyphosphazenes were found to be highly selective and permeable to H2O from a mixed stream containing, for example, H2O and CH4 . . The use of halogenated polyphosphazenes allows for fluid dehydration applications such as the removal of H 2 O from non-polar components in either gas or liquid form.
Similarly suggested. Polyphosphazenes have generally shown preferential selectivity and permeability for various fluids, but fluoro-substituted alkoxy and aryloxy polyphosphazenes provide enhanced water recovery over the other polyphosphazenes mentioned above. Polyphosphazenes can be synthesized to provide soluble, high molecular weight (often greater than 1,000,000), linear materials. Thermal polymerization of trimeric cyclophosphonitrile chloride monomers provides a high molecular weight (-PN-) backbone with two chlorines for each phosphorus. This poly(dichloro)phosphazene is the base polymer from which all soluble polyphosphazene rubbers are made by subsequent nucleophilic substitution reactions. Typically, as shown below,
Replace the chlorine on the phosphorus and in its place -O-R
To substitute the group, the sodium salt of the alcohol is used. Copolymers are obtained by using mixtures of alcoholate salts. By using amines instead of Na-OR salts in the exchange reaction, side groups containing nitrogen rather than oxygen attached to the phosphorus backbone atoms are created. Polyphosphazenes with -OR pendant groups on the phosphorus are typically more stable thermally and chemically, for example to hydrolysis, than those with -NR2 groups. Fluid separation membranes composed of polyphosphazenes have been found to have an unexpectedly attractive combination of permeability and selectivity for polar/non-polar fluid separations, and these polyphosphazenes have similarly It is shown to have significantly better thermal and chemical stability than coalesced. The fluid transport properties and physical/chemical properties of halogenated polyphosphazenes indicate that this type of rubbery polymer has significant potential for use in practical polar/non-polar fluid separations on a large scale. Of particular note is the H2O permeability and separation of H2O from a methane stream using fluoroalkoxypolyphosphazenes. The various polyphosphazenes used for gas separation membranes are rubbery materials with Tg's below room temperature. These porphosphazenes are generally used in polar organic solvents such as tetrahydrofuran (THF), methanol, acetone, ethyl acetate, methyl ethyl ketone (MEK), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAC), formylpiperidine, N-methylpyrrolidone and the like. It is soluble in Polyphosphazenes with aryl side groups are similarly soluble in aromatic hydrocarbons such as toluene and benzene. This latter solvent causes little swelling of polyphosphazenes halogenated on the alkyl side groups. Although poly(fluoro-alkoxy)phosphazenes are readily soluble in methanol, these phosphazenes are only slightly soluble in higher alcohols, for example less than 1% soluble in isopropyl alcohol up to about 70°C. various polyphosphazenes, including those with side groups composed of substituted alkoxy, aryloxy and substituted aryloxy, and copolymers thereof;
For example, poly(bis-phenoxy)phosphazene,
Copoly(phenoxy-P-ethylphenoxy)phosphazene, poly(bis-trifluoroethoxy)phosphazene and the like were evaluated as gas separation membranes. Copolymer phosphazenes with pendant fluorinated alkoxy groups on the phosphorus atom chain backbone were evaluated and results were obtained that are related to those obtained with poly(bis-trifluoroethoxy)phosphazenes. The overall side group composition of the mixed perfluorinated alkoxy copolymer is about 65% -O- CH2 - CF3 , about 35% -O-
CH 2 −(CF 2 ) o −CHF 2 (where n is 1, 3, 5,
7,9), but this copolymer also contains 0.5 unsaturated functional groups in the pendant groups, which can be crosslinked by various vulcanizing agents such as peroxides or sulfur. I can do it. The supported polyphosphazene fluid separation membrane according to the invention is obtained by a composite coating on a porous filter support. Typically 6-10% by weight of polyphosphazene in tetrahydrofuran (THF)
The solution was applied to the surface of a disk of regenerated cellulose filter (0.2 micron porosity). Vacuum was applied to remove the solvent. The coating/drying process was then repeated, typically 3 to 7 times, until a relatively uniform film of polyphosphazene polymer was obtained. Film thickness is determined by two methods: by direct micrometer measurements subtracting the uncoated cellulose support thickness from the total thickness of the coated support and by using the weight gain following coating to account for polyphosphazene density and film area. Obtained by. The thickness obtained by these two methods is approximately 10
Matched within %. These values were used because the thicknesses obtained from the weight gain/density/area calculations are expected to include any material with pores contained in the cellulose filter support columns. Film thickness was typically about 0.02 cm or less. Gas separation tests followed the conventional method of Hwang et al. using gas mixtures. Due to the high gas flow rates encountered during testing of polyphosphazene materials, most data were obtained at feed gas pressures of 10-20 psig. The downstream side of the test membrane was under vacuum. High pressure feed tests were evaluated with mixed gas feed streams at pressures from 100 to about 300 psig. All tests reported were evaluated at room temperature. The gas separation results obtained using four different polyphosphazenes as support membranes for fluids (gases) are shown in the table for reference. Polar fluids, e.g.
The separation performance of these four polyphosphazene membranes for CO 2 and H 2 S is shown by the data in the table for reference. The data in the table is also
A comparison of the separation performance of polyphosphazenes for CH 4 and CO 2 is shown. For reference, the table shows a comparison of hydrogen and carbon dioxide permeability and hydrogen/methane and carbon dioxide/methane separation factors for various membranes, both rubbery and glassy materials. Of particular interest, the data show unexpected, robust and attractive behavior of polar gas permeability and acid gas/methane selectivity for polyphosphazenes bearing fluorinated alkoxy side groups. These polymers, poly(bis-trifluoroethoxy)phosphazene and copolymers of various fluorinated alkoxy side groups, both have high permeability (400-600 c.c.-cm/cm) for polar gas separation from methane.
cm2 -sec-cmHg) and selectivity (10-11.5). Such high carbon dioxide permeability is only surpassed by silicone-based polymers. For example, polydimethylsiloxane is reported to have standard units as high as 3000-4000 for carbon dioxide permeability, but the carbon dioxide/methane separation factor is quite low, e.g. 3-4. Although many glassy polymers exhibit relatively high carbon dioxide/methane selectivities [approximately 30 for polysulfones and ammonia-crosslinked brominated polyphenylene oxides (PPO, e.g. 2,
35-50 for 6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), CO2 permeability is typically one or two orders of magnitude lower, e.g. about 6 for polysulfone and about 40-45 for cross-linked brominated PPO membranes. It is.
Measurements show that the hydrogen sulfide permeability for fluoro-aloxy substituted polyphosphazenes is equivalent to that of carbon dioxide.

【表】【table】

【表】 ゼン
[Table] Zen

【表】【table】

【表】【table】

【表】 ポリホスフアゼン膜は、観察される輸送挙動を
説明するためには、極低流体とある異例なやり方
で相互に作用し合うようである。特に、ポリ(フ
ルオロ−アルコキシ)ホスフアゼンはある仕方で
CO2及びH2Sと相互に作用しなければならない。
多孔性ポリプロピレンフイルター(0.02ミクロン
細孔)上に支持されたポリ(ビス−トリフルオロ
エトキシ)ホスフアゼンの膜について20psigで
H2S/CO2/CH4の三成分混合気体供給を用い
て、更に実験を行つた。結果は、CO2/CH4透過
挙動が、一般に膜自体が完全であることを示し、
H2Sの不存在下に前に観察したものと非常に似て
いることを示した。しかしH2S/CO2分離係数は
本質的に一致している。かくして、ポリ(フルオ
ロ−アルコキシ)ホスフアゼンは、一対の極性気
体、例えばH2S/CO2の分離には殆ど魅力ないま
まであるが、気体状炭化水素又は他の非極性気体
からの望まれる分離がCO2又はH2Sであるときの
気体混合物で有用である。 ポリ(フルオロ−アルコキシ)ホスフアゼン中
のCO2の透過度は、同じ膜についての水素の透過
度より著しく高かつた。CO2/水素の如き混合気
体の試験は行わなかつたが、本データは、ポリ
(ビス−トリフルオロエトキシ)ホスフアゼン及
び種々のホスフアゼン混合物についてのCO2/水
素分離係数が約5〜6であることを示唆してい
る。一般に、ガラス状重合体の場合には、水素透
過度は二酸化炭素のほぼ二倍であることが観察さ
れる。あるゴム状重合体では、二酸化炭素は水素
より早く透過し、例えばシリコーンゴムは各々
3200及び660標準単位のCO2及びH2についての固
体透過度を有すると報告されている。シリコーン
についてのこれらの値は、ポリ(フルオロ−アル
コキシ)ホスフアゼンについての上記の評価と匹
敵する約5のCO2/H2分解係数を示唆している。
かくして、ポリ(ハロ−アルコキシ)ホスフアゼ
ンは、少なくともガラス状重合体において、早い
気体と呼ばれる一組の気体の分離に有用であるこ
とが判る。例えば、H2からの極性気体、即ち
CO2及びH2Sの分離を行うことが望ましい状況で
可能性ある値が存在するであろう。 大気温及び24psigでトリフルオロエトキシホス
フアゼン膜を使用して液体トルエン及びシクロヘ
キサンの混合物の分離を行つた流体分離例は、三
つの表に含まれていない。透過物は、以下の如く
供給ストリーム中のトルエン含量に対してトルエ
ンが濃縮されていた。トルエン対シクロヘキサン
モル比及び透過物は、液体供給混合物中1.43対
1.23であつた。 第表には、CO2/メタン及びH2/メタン混
合気体試験から得られるCO2及びH2透過度値の
比を単純に基準としたCO2/H2分離係数の計算
値をも含めている。気体分離膜の形態のポリハロ
ゲン化アルコキシホスフアゼン又は他のいずれか
のゴム状重合体を用いた極性気体に対する魅力的
な固有輸送特性を現実的に使用可能ならしめるこ
とは、第一の見地ではガラス状重合体で典型的に
見られる高機械的強度に比較してゴム状態の劣つ
た機械的性質によつて大きく制限されることによ
うである。しかし、流体分離に適した構造にある
薄いゴム状重合体膜を効果的に支持する技術があ
る。例えば、多孔性支持体の頂上に支持された超
薄の約500Åシリコーンベースゴム状膜が、血液
の酸素化又は酸素濃縮空気の製造に適している小
規模医療器機に製造されてきている。ポリホスフ
アゼンの気体分離膜としての研究は、ポリホスフ
アゼンの如きゴム状材料を含め広範な重合体の非
常に薄い分離膜を中空糸構造の微孔性支持体の頂
上に効果的に支持する可能性に導いた。例えば、
ポリ(ビス−トリフルオロエトキシ)ホスフアゼ
ンを微孔性ポリプロピレン中空糸の頂上に支持す
る実験は、CO2/CH4についての重合体の固有分
離係数に近似する複合繊維膜(8.3対固有10.5)
を与えた。この結果は、ポリホスフアゼン分離層
の殆んど完全な保全が達成されたことを示してい
る。この特定試料のCO2の透過度(P/l)は、
この特定ポリホスフアゼンについて約600(P)の
CO2の固有透過度に比較して、83(P/l)であ
り、かくしてこの支持されたポリホスフアゼン膜
の厚さを7.5ミクロンであるとの推定を可能にす
る。約2ミクロンの厚さで、CO2のP/lは約
300標準単位水準又はそれ以上と得られる。 上記のポリハロアルコキシポリホスフアゼンの
魅力的輸送特性とは別に、これらの材料は同様に
高い熱的及び化学的安定性を有し、このことは種
種の気体分離用途でのそれらの使用範囲を拡げ
る。例えば、−100〜300℃に亘る温度でのこれら
のポリホスフアゼンの示差走査熱量計は、ガラス
相からゴム相への転移Tg(これは−60℃近くで観
察される)以外の熱活性を示さない。これらのポ
リホスフアゼン材料は、ある気体分離用途で遭遇
する普通の溶媒及び他の有機物による分解に対し
て実質的な抵抗性を有する。例えば、液体トルエ
ン中室温で、シリコーンゴムは140容量%膨潤す
るが、一方ポリホスフアゼン混合物は約15%膨潤
するのみである。JP4ジエツト燃料(ケロセン留
分炭化水素)中100℃7日間浸漬後ポリホスフア
ゼン混合物は約9容量%膨潤するのみであり、か
くしてポリホスフアゼンに対する初期の関心は、
特殊なO−リング及びガスケツト用途の領域にあ
つた。 更にポリホスフアゼン材料の特異な安定性の特
色の例は、ポイホスフアゼン混合物の高温抗張力
のフルオロシリコーンエラストマーそれとの比較
にみられる。フルオロシリコーンエラストマーは
液体トルエンに室温で浸漬すると比較的低い平衡
膨潤を示すが(ポリホスフアゼンについての15%
に対して約20%)、ポリホスフアゼンの抗張力保
持率は、高温でかなり良く、例えばフルオロシリ
コーンの僅か約25%保持率に対してポリホスフア
ゼンについては150℃で50%に等しいか又はそれ
より大きい保持率である。ポリホスフアゼン気体
分離膜は、約175℃までの高温に長時間曝すこと
に上限をもつと期待されるが、しかしこれらの高
温は一般に気体分離膜の製造又は気体分離用途い
ずれかで遭遇する表面温度の上限を越えている。 ポリホスフアゼンは上記の輸送及び物理/化学
特性は魅力あるものであるが、不飽和弗素化ポリ
ホスフアゼンを架橋することができることは、流
体分離にこの重合体を使用する可能性を更に高め
る。かくして、架橋ポリホスフアゼンは、功撃的
使用環境、例えば溶媒和成分又は膨潤性不純物成
分を含有する供給ストリーム又は高温環境を含む
用途を提供する。種々のポリ(フルオロ−アルコ
キシ)ホスフアゼンの架橋は、ポリホスフアゼン
の例えば高弗素化アルキルジオールの二ナトリウ
ム塩との処理によつて、望まれる種々の程度まで
遂行される。溶液中のかかる反応は、緩和な室温
条件下に容易に行われ、そして反応物の化学量論
比に厳密に関係する程度迄起る。架橋は同様に固
体状態のポリホスフアゼンについても行われる。
かかる場合は、溶液架橋に比較して高温が普通要
求される。弗素化二ナトリウムジアルコキジドで
遂行される置換−交換反応による上記の如き架橋
は、過酸化物又は他のフリーラジカル剤を用いる
架橋反応(ここで、出発ポリホスフアゼン材料は
少量の不飽和サイトを有する)で行うより、非常
に高い架橋密度で行うことができる。かくして、
手にはいる情報からそして本試験から誘導される
如く、ポリホスフアゼン類は、種々の流体分離用
途に用いられる可能性のための充分な物性を有す
る。使用の可能性は、H2及び遅い気体、特に
CH4からH2Oの分離を含む。かかる分離用途に
は、ポリホスフアゼンの輸送特性は、種々のゴム
状及びガラス状重合体に比較して、それらの透過
性及び選択性の組合せによつて明確な利点を与え
るようである。 ゴム状重合体の気体の透過度は、ガラス状重合
体のそれと異なり、本質的に圧力と無関係であ
る。これは、関係式P=D×S(ここで、P、D
及びSは、重合体中の気体の透過度、拡散率及び
溶解度係数である)からも当然である。ゴム状重
合体中の気体の溶解度はヘンリーの法則に従い、
かくして溶解度係数は拡散率Dでそうであると同
様圧力と無関係である。従つて高圧での気体保持
性は低温でのそれとあまり異なるべきでない。成
績の低下を最小にするために、高温での操作は、
しばしば出来るだけ相対飽和水準を低下させるの
に充分なように有害不純物の飽和蒸気圧を上げて
用いられる。考えられるとろろでは、気体分離膜
としてのポリホスフアゼンの高透過度及び良好な
化学的抵抗性の故に、高温操作は必要ないであろ
う。かかる場合は、その分離有効性は、ポリホス
フアゼンを被覆として用いる複合膜の場合の多孔
性支持体によつて示される化学的抵抗性の適当で
あるところに依存する。 水の輸送特性を示す第表に示される、支持さ
れたポリホスフアゼン流体分離膜は、第、及
び表の膜と同じ方法に従つて調製した。水/メ
タンの分離係数は、実測したメタン透過度P
(H2O)及び別に測定したメタン透過度P(CH4
の比を用いた、第表に示す如く計算値である。
流体分離試験は通常の方法に従つた。水の透過度
P(H2O)は、試験膜の上流側で液状水で測定し
た。試験膜の下流側は、真空とした。報告する試
験はすべて室温で評価した。
Table: Polyphosphazene membranes appear to interact with ultralow fluids in an unusual manner to explain the observed transport behavior. In particular, poly(fluoro-alkoxy)phosphazenes are
Must interact with CO 2 and H 2 S.
at 20 psig for a membrane of poly(bis-trifluoroethoxy)phosphazene supported on a porous polypropylene filter (0.02 micron pores).
Further experiments were performed using a ternary mixed gas feed of H 2 S/CO 2 /CH 4 . The results show that the CO2 / CH4 permeation behavior is generally intact for the membrane itself;
We showed that the results are very similar to those observed previously in the absence of H 2 S. However, the H 2 S/CO 2 separation factors are essentially the same. Thus, poly( fluoro -alkoxy)phosphazenes remain largely unattractive for the separation of polar gas pairs, e.g. is useful in gas mixtures when is CO 2 or H 2 S. The permeability of CO2 in poly(fluoro-alkoxy)phosphazenes was significantly higher than the permeability of hydrogen for the same membrane. Although gas mixtures such as CO 2 /hydrogen were not tested, this data indicates that the CO 2 /hydrogen separation factor for poly(bis-trifluoroethoxy)phosphazene and various phosphazene mixtures is approximately 5-6. It suggests. It is generally observed that for glassy polymers the hydrogen permeability is approximately twice that of carbon dioxide. In some rubbery polymers, carbon dioxide permeates faster than hydrogen; for example, silicone rubber
Reported to have solids permeability for CO2 and H2 of 3200 and 660 standard units. These values for silicones suggest a CO2 / H2 decomposition factor of about 5, which is comparable to the above evaluation for poly(fluoro-alkoxy)phosphazenes.
Thus, poly(halo-alkoxy)phosphazenes, at least in glassy polymers, prove useful in the separation of a set of gases called fast gases. For example, polar gases from H2 , i.e.
Possible values may exist in situations where it is desirable to perform separation of CO2 and H2S . Fluid separation examples using trifluoroethoxyphosphazene membranes to separate mixtures of liquid toluene and cyclohexane at ambient temperature and 24 psig are not included in the three tables. The permeate was enriched in toluene relative to the toluene content in the feed stream as follows: The toluene to cyclohexane molar ratio and permeate was 1.43 to 1 in the liquid feed mixture.
It was 1.23. The table also includes calculations of the CO 2 /H 2 separation factor based simply on the ratio of the CO 2 and H 2 permeability values obtained from the CO 2 /methane and H 2 /methane gas mixture tests. There is. The practical use of attractive intrinsic transport properties for polar gases using polyhalogenated alkoxyphosphazenes or any other rubbery polymers in the form of gas separation membranes is of primary interest. It appears to be largely limited by the poor mechanical properties of the rubbery state compared to the high mechanical strength typically found in glassy polymers. However, there are techniques that effectively support thin rubbery polymeric membranes in structures suitable for fluid separation. For example, ultrathin approximately 500 Å silicone-based rubbery membranes supported on top of porous supports have been fabricated into small-scale medical devices suitable for blood oxygenation or the production of oxygen-enriched air. The study of polyphosphazenes as gas separation membranes has led to the possibility of effectively supporting very thin separation membranes of a wide range of polymers, including rubbery materials such as polyphosphazenes, on top of microporous supports in hollow fiber structures. Ta. for example,
Experiments supporting poly(bis-trifluoroethoxy)phosphazene on top of microporous polypropylene hollow fibers show that the composite fiber membrane approximates the polymer's inherent separation coefficient for CO2 / CH4 (8.3 vs. inherent 10.5).
gave. This result shows that almost complete preservation of the polyphosphazene separation layer was achieved. The CO 2 permeability (P/l) of this particular sample is
About 600 (P) for this specific polyphosphazene
Compared to the specific permeability of CO2 , it is 83 (P/l), thus making it possible to estimate the thickness of this supported polyphosphazene membrane to be 7.5 microns. At a thickness of approximately 2 microns, the P/l of CO 2 is approximately
Obtained at 300 standard unit level or above. Apart from the attractive transport properties of polyhaloalkoxypolyphosphazenes mentioned above, these materials also have high thermal and chemical stability, which extends their use in a variety of gas separation applications. spread. For example, differential scanning calorimetry of these polyphosphazenes at temperatures ranging from −100 to 300 °C shows no thermal activity other than the glass phase to rubber phase transition Tg (which is observed near −60 °C). . These polyphosphazene materials have substantial resistance to degradation by common solvents and other organics encountered in some gas separation applications. For example, in liquid toluene at room temperature, silicone rubber swells 140% by volume, while polyphosphazene mixtures swell only about 15%. After 7 days of immersion at 100°C in JP4 jet fuel (kerosene distillate hydrocarbon), the polyphosphazene mixture swells by only about 9% by volume, thus the initial interest in polyphosphazenes was
This was in the area of special O-ring and gasket applications. A further example of the unique stability characteristics of polyphosphazene materials is seen in the comparison of the high temperature tensile strength of polyphosphazene mixtures with that of fluorosilicone elastomers. Although fluorosilicone elastomers exhibit relatively low equilibrium swelling when immersed in liquid toluene at room temperature (15% for polyphosphazenes)
20%), the tensile strength retention of polyphosphazenes is quite good at high temperatures, e.g. retention equal to or greater than 50% at 150°C for polyphosphazenes compared to only about 25% retention for fluorosilicone. It is. Polyphosphazene gas separation membranes are expected to have an upper limit for long-term exposure to high temperatures of up to about 175°C, but these high temperatures are generally lower than the surface temperatures encountered either in gas separation membrane manufacturing or in gas separation applications. The upper limit has been exceeded. Although the transport and physical/chemical properties of polyphosphazenes described above are attractive, the ability to crosslink unsaturated fluorinated polyphosphazenes further increases the potential of using this polymer for fluid separation. Thus, the crosslinked polyphosphazenes provide applications that involve favorable use environments, such as feed streams containing solvated components or swellable impurity components or high temperature environments. Crosslinking of various poly(fluoro-alkoxy)phosphazenes is accomplished to varying degrees as desired by treatment of the polyphosphazenes with, for example, disodium salts of highly fluorinated alkyl diols. Such reactions in solution are readily carried out under mild room temperature conditions and occur to an extent strictly related to the stoichiometry of the reactants. Crosslinking also takes place on polyphosphazenes in the solid state.
In such cases, higher temperatures are usually required compared to solution crosslinking. Crosslinking as described above by substitution-exchange reactions carried out with fluorinated disodium dialkoxides can be achieved by crosslinking reactions using peroxides or other free radical agents (where the starting polyphosphazene material has a small amount of unsaturated sites). ) can be carried out at much higher crosslinking densities. Thus,
From the available information and as derived from this study, polyphosphazenes have sufficient physical properties for potential use in a variety of fluid separation applications. Possibilities of use include H 2 and slow gases, especially
Involves separation of H2O from CH4 . For such separation applications, the transport properties of polyphosphazenes appear to offer distinct advantages over various rubbery and glassy polymers due to their combination of permeability and selectivity. The gas permeability of rubbery polymers, unlike that of glassy polymers, is essentially independent of pressure. This is expressed by the relational expression P=D×S (where P, D
and S are the permeability, diffusivity, and solubility coefficient of gas in the polymer). The solubility of gases in rubbery polymers follows Henry's law,
The solubility coefficient is thus independent of pressure, as is the diffusivity D. Therefore, gas retention at high pressures should not differ significantly from that at low temperatures. To minimize performance degradation, operation at elevated temperatures should be
It is often used to raise the saturation vapor pressure of the harmful impurities sufficiently to reduce the relative saturation level as much as possible. In the contemplated grated roe, high temperature operation would not be necessary due to the high permeability and good chemical resistance of polyphosphazene as a gas separation membrane. In such cases, the separation effectiveness depends on the suitability of the chemical resistance exhibited by the porous support in the case of composite membranes using polyphosphazenes as coatings. The supported polyphosphazene fluid separation membranes shown in Table 1 showing water transport properties were prepared according to the same method as the membranes in Table 1 and Table 1. The separation coefficient of water/methane is the actually measured methane permeability P
(H 2 O) and separately measured methane permeability P (CH 4 )
These are the calculated values as shown in the table using the ratio of
Fluid separation tests followed conventional methods. The water permeability P(H 2 O) was measured in liquid water upstream of the test membrane. The downstream side of the test membrane was kept under vacuum. All reported tests were evaluated at room temperature.

【表】【table】

【表】 第表の膜は、本発明に従う好ましいハロゲン
化ポリホスフアゼンを用いるときの優れた水の透
過度を明確に示す。膜番号3によつて示される非
−ハロゲン化ポリホスフアゼンに比較される如
く、ハロゲン化ポリホスフアゼン類は30〜70倍の
水透過速度を得た。水についてのこれらの予測で
きないそして例外的透過度は、同様に表の計算さ
れたα欄に示される如く、合理的分離係数を伴つ
た。
TABLE The membranes in the table clearly demonstrate the excellent water permeability when using the preferred halogenated polyphosphazenes according to the invention. As compared to the non-halogenated polyphosphazene shown by membrane number 3, the halogenated polyphosphazenes obtained 30-70 times higher water permeation rates. These unpredictable and exceptional permeabilities for water were accompanied by reasonable separation factors, as also shown in the calculated α column of the table.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 水含有混合物を分離膜の第1表面と接触させ
ることにより水を非極性流体から分離する方法に
おいて、 前記分離膜が水に対して優先的選択性および透
過性を有しそして式 (式中、nは100〜70000の整数であり、Yは酸
素でありそしてRおよびR′は同じであつても異
なつていてもよく、アリール、アルキル置換アリ
ールまたは1〜25個の炭素原子を有する弗素化ア
ルキル基からなる)により表わされるポリホスフ
アゼンであり、 前記方法が、 第1表面の化学ポテンシヤルより低い、水につ
いての化学ポテンシヤルに前記ポリホスフアゼン
膜の第2の表面を維持し、 前記ポリホスフアゼン膜の中にそしてそれを通
して水を透過させ、そして 供給混合物中の含有する濃度よりも、非極性流
体に対する大きな水の濃度を有する透過生成物を
前記第2表面の近辺から回収することを特徴とす
る方法。 2 ポリホスフアゼンがフルオロアルコキシポリ
ホスフアゼンである特許請求の範囲第1項に記載
の方法。 3 フルオロアルコキシポリホスフアゼンがフル
オロエトキシポリホスフアゼンである特許請求の
範囲第2項に記載の方法。 4 ポリホスフアゼンがポリ(ビス−ジフエノキ
シ)ホスフアゼンである特許請求の範囲第1項に
記載の方法。
[Scope of Claims] 1. A method for separating water from a non-polar fluid by contacting a water-containing mixture with a first surface of a separation membrane, wherein the separation membrane has preferential selectivity and permeability for water. And expression (wherein n is an integer from 100 to 70,000, Y is oxygen, and R and R' may be the same or different and contain aryl, alkyl-substituted aryl, or 1 to 25 carbon atoms. a polyphosphazene represented by a fluorinated alkyl group having a fluorinated alkyl group having a fluorinated alkyl group, the method maintains a second surface of the polyphosphazene membrane at a chemical potential for water that is lower than a chemical potential of the first surface; permeating water into and through the second surface, and recovering from the vicinity of said second surface a permeate product having a concentration of water relative to the non-polar fluid greater than that contained in the feed mixture. Method. 2. The method according to claim 1, wherein the polyphosphazene is a fluoroalkoxypolyphosphazene. 3. The method according to claim 2, wherein the fluoroalkoxypolyphosphazene is fluoroethoxypolyphosphazene. 4. The method according to claim 1, wherein the polyphosphazene is poly(bis-diphenoxy)phosphazene.
JP28204484A 1983-12-28 1984-12-28 Polyphosphazen gas separating film Granted JPS60156506A (en)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59166209A (en) * 1983-03-11 1984-09-19 Nippon Oil Co Ltd Selective permeable membrane for separating gas
JPS59183802A (en) * 1983-04-01 1984-10-19 Nippon Oil Co Ltd Permselective membrane for separation of gas

Patent Citations (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59166209A (en) * 1983-03-11 1984-09-19 Nippon Oil Co Ltd Selective permeable membrane for separating gas
JPS59183802A (en) * 1983-04-01 1984-10-19 Nippon Oil Co Ltd Permselective membrane for separation of gas

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