KR101516448B1 - Uv uv cross-linked mixed matrix membranes of polymer functionalized molecular sieve and polymer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중합체 매트릭스와 분자체의 계면에서 거대공극을 갖지 않거나 또는 수 옹스트롬 미만의 공극을 갖는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 고성능 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)의 제조 방법, 조성물 및 이용 방법을 개시하고 있다. 이러한 UV 가교결합된 MMM은 중합체 작용기화 분자체를 연속성 UV 가교결합성 폴리이미드 중합체 매트릭스 내로 혼입한 다음, UV 가교결합하여 제조한다. 대칭성 조밀 필름, 비대칭성 평탄 시트 멤브레인 또는 비대칭성 중공 섬유 멤브레인 형태의 UV 가교결합된 MMM은 우수한 가요성 및 높은 기계적 강도를 갖고, 이산화탄소/메탄 및 수소/메탄 분리에 대해 상응하는 연속성 폴리이미드 중합체 매트릭스로부터 제조된 중합체 멤브레인에 대해 현저히 향상된 선택도 및 투과도를 나타낸다. MMM은 다양한 액체, 가스 및 증기 분리에 적합하다.The present invention relates to a process for preparing high performance UV cross-linked mixed matrix membranes (MMM) of polymeric functionalized molecular sieves and polymers which have no macropores or have voids less than a few angstroms at the interface of the polymer matrix and the molecular sieve And a method of using the same. Such UV crosslinked MMM is prepared by incorporating the polymeric functionalized molecular sieve into a continuous UV crosslinkable polyimide polymer matrix and then UV crosslinking. UV crosslinked MMM in the form of a symmetrical dense film, an asymmetric flat sheet membrane or an asymmetric hollow fiber membrane has excellent flexibility and high mechanical strength and has a corresponding continuous polyimide polymer matrix for carbon dioxide / methane and hydrogen / Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI > MMM is suitable for various liquid, gas and vapor separations.
Description
본 발명은 중합체 매트릭스와 분자체의 계면에서 거대공극을 갖지 않거나 또는 수 옹스트롬 미만의 공극을 갖는, 중합체 작용기화(functionalized) 분자체와 중합체의 고성능 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM: mixed matrix membrane)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 UV 가교결합된 MMM의 제조 방법 및 이용 방법에 관한 것이다. The present invention relates to high performance UV crosslinked mixed matrix membranes of polymeric functionalized molecular sieves and polymers having no macropores or at pores of less than a few angstroms at the interface of the polymer matrix and the molecular sieve ). The present invention also relates to methods of making and using UV crosslinked MMM.
멤브레인을 사용하는 가스 분리 공정은 대략 20 년 전에 최초 멤브레인 기초 산업용 수소 분리 공정 이후로 주요한 발전을 겪어 왔다. 신규한 재료 및 효과적인 방법의 설계는 멤브레인 가스 분리 공정을 계속해서 더욱 진보시킬 것이다.Membrane-based gas separation processes have undergone major developments since the original membrane-based industrial hydrogen separation process approximately 20 years ago. The design of novel materials and effective methods will continue to advance the membrane gas separation process.
많은 유리질 및 고무질 중합체의 가스 수송 특성은 가스 분리 멤브레인으로서의 잠재적인 용도에 대해 고 투과도 및 고 선택도를 갖는 재료에 대한 연구의 일부로서 측정되어 왔다. 불행하게도, 가스 분리 이용에 대한 신규한 멤브레인의 발전의 중요한 제한은 널리 공지된 중합체의 투과도와 선택도 사이의 상충관계(trade-off)이다. 로베손(Robeson)은 수백 개의 여러 중합체의 데이터를 비교함으로써 중합체 멤브레인의 선택도 및 투과도는 서로 불가분으로 연결되는 것처럼 보이고, 이러한 관계에서 선택도는 투과도가 감소함에 따라 증가하고, 또한 반대의 경우에도 그러하다는 것을 증명하였다.The gas transport properties of many glassy and rubbery polymers have been measured as part of a study on materials with high permeability and high selectivity for potential applications as gas separation membranes. Unfortunately, an important limitation of the development of new membranes for gas separation applications is the trade-off between the permeability and selectivity of the well-known polymers. Robeson compared the data of hundreds of different polymers so that the selectivity and permeability of the polymer membrane seemed to be inseparably linked to each other and in this relationship the selectivity increased as the permeability decreased and also in the opposite case I have proved that.
중합체 구조를 분리 특성을 개선하도록 맞춤 제작하려는 집중된 노력에도 불구하고, 현재의 중합체 멤브레인 재료는 생산성과 선택도 사이의 상충관계에서 한계에 도달한 것으로 보인다. 예를 들면, 많은 폴리이미드 및 폴리에테르이미드 유리질 중합체, 예컨대 Ultem® 1000은 셀룰로스 아세테이트(50℃ 및 690 kPa(100 psig) 순수 가스 시험에서 22)보다 현저히 더 높은 고유 CO2/CH4 선택도(αCO2/CH4)(50℃ 및 690 kPa(100 psig) 순수 가스 시험에서 30)를 가지며, 실질적인 가스 분리 이용에 더 매력적이다. 그러나, 이러한 폴리이미드 및 폴리에테르이미드 중합체는 현재의 상업용 셀룰로스 아세테이트 멤브레인 제품과 비교하여 상업용에 매력적인 뛰어난 투과도를 갖지 않으며, 이는 로베손이 보고한 상충관계와 일치한다. 또한, 분리용 중합체 멤브레인보다 훨씬 더 높은 투과도 및 선택도를 제공하는 몇몇 무기 멤브레인, 예컨대 Si-DDR 제올라이트 및 탄소 분자체 멤브레인이 존재하기는 하지만, 이러한 멤브레인은 너무 고가이고 대규모 생산에 어려운 것으로 밝혀졌다. 따라서, 개선된 분리 특성을 가지면서 가능하다면 투과도와 선택도 사이의 상충관계 곡선을 능가하는 분리 특성을 보유하는 대안적인 비용 효과적인 멤브레인을 제공하는 것이 매우 바람직하다.Despite the concentrated effort to tailor the polymer structure to improve separation properties, current polymeric membrane materials seem to have reached a limit in the trade-off between productivity and selectivity. For example, many polyimides and polyetherimide glassy polymers such as
중합체 및 무기 멤브레인보다 더 효과적인 멤브레인에 대한 필요성에 기초하여, 신규한 유형의 멤브레인, 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)이 최근에 개발되었다. MMM은 중합체 매트릭스 중에 분산된 무기 충전제, 예컨대 분자체를 함유하는 혼성 멤브레인이다. Based on the need for more effective membranes than polymers and inorganic membranes, new types of membranes, mixed matrix membranes (MMM) have recently been developed. MMM is a hybrid membrane containing an inorganic filler, such as molecular sieve, dispersed in a polymer matrix.
혼합 매트릭스 멤브레인은, 저비용 및 용이한 가공성과 같은 이의 이점을 유지하는 동시에, 기존의 중합체 멤브레인과 비교하여 동등하거나 또는 더 우수한 투과도를 가지면서 더 높은 선택도를 달성하는 잠재력을 갖는다. 지금까지 혼합 매트릭스 멤브레인에 대해 수행된 대부분의 연구는 분산된 고체 분자체 상, 예컨대 제올라이트 분자체 또는 탄소 분자체와 용이하게 가공된 연속성 중합체 매트릭스의 조합에 초점을 맞춰왔다. 예를 들면, 미국 제4,705,540호; 미국 제4,717,393호; 미국 제4,740,219호; 미국 제4,880,442호; 미국 제4,925,459호; 미국 제4,925,562호; 미국 제5,085,676호; 미국 제5,127,925호; 미국 제6,500,233호; 미국 제6,503,295호; 미국 제6,508,860호; 미국 제6,562,110호; 미국 제6,626,980호; 미국 제6,663,805호; 미국 제6,755,900호; 미국 제7,018,445호; 미국 제7,109,140호; 미국 제7,166,146호; 미국 제7,250,545호; 미국 제7,268,094호; 미국 제2005/0230305호; 미국 제2005/0268782호; 미국 제7,306,647호; 및 미국 2006/0117949호를 참조할 수 있다. 고체/중합체 혼합 매트릭스 내의 체 상(sieving phase)의 시나리오는 순수한 중합체보다 현저히 더 높은 선택도를 가질 수 있다. 따라서, 이론상 중합체 매트릭스에 적은 부피 비율의 분자체를 첨가하면 전체 분리 효율은 현저히 증가한다. MMM 내의 통상적인 무기 체 상은 다양한 분자체, 탄소 분자체 및 실리카를 포함한다. 셀룰로스 아세테이트, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에테르이미드(상업용 Ultem®), 폴리설폰(상업용 Udel®), 폴리디메틸실록산, 폴리에테르설폰 및 폴리이미드(상업용 Matrimid® 포함)를 비롯한 많은 유기 중합체가 MMM 내의 연속 상으로서 사용되고 있다. Mixed matrix membranes have the potential to achieve higher selectivity with equal or better permeability compared to conventional polymeric membranes while maintaining the advantages of low cost and easy processability. Most of the work done so far for mixed matrix membranes has focused on a combination of dispersed solid molecular sieve phases, such as zeolite molecular sieves or carbon molecular sieves and easily processed continuous polymer matrices. For example, U.S. 4,705,540; U.S. 4,717,393; U.S. 4,740,219; U.S. 4,880,442; U.S. 4,925,459; U.S. 4,925,562; U.S. 5,085,676; U.S. 5,127,925; U.S. 6,500,233; U.S. 6,503,295; U.S. 6,508,860; US 6,562,110; U.S. 6,626,980; U.S. 6,663,805; US 6,755,900; U.S. Patent No. 7,018,445; U.S. Patent No. 7,109,140; U.S. Patent No. 7,166,146; US 7,250,545; US 7,268,094; US 2005/0230305; US 2005/0268782; U.S. 7,306,647; And US 2006/0117949. Scenarios of the sieving phase within the solid / polymer blend matrix can have significantly higher selectivity than pure polymers. Thus, theoretically, the addition of a small volume ratio of molecular sieve to the polymer matrix significantly increases the overall separation efficiency. Conventional inorganic body phases in MMM include various molecular sieves, carbon molecular sieve, and silica. Many organic polymers, including cellulose acetate, polyvinylacetate, polyetherimide (commercial Ultem ® ), polysulfone (commercial Udel ® ), polydimethylsiloxane, polyethersulfone and polyimide (including commercial Matrimid ® ) .
고체/중합체 MMM을 사용하면 중합체 "상한" 곡선을 능가하지만, 이러한 신규한 유형의 MMM의 대규모 산업용 생산에 대해 여전히 해결될 필요가 있는 많은 쟁점이 존재한다. 예를 들면, 문헌에 보고된 대부분의 분자체와 중합체의 MMM의 경우, 무기 분자체와 유기 중합체 매트릭스의 계면에서의 공극 및 결함은 빈약한 계면 접착력 및 빈약한 재료 상용성으로 인해 관찰되었다. 투과하는 분자보다 훨씬 더 큰 이러한 공극은 결과적으로 MMM의 전체 선택도를 감소시킨다. 연구에 의하면, 연속성 중합체와 분산된 체 상 사이의 전이상인 계면 영역이 성공적인 MMM을 형성하는데 특히 중요하다는 것을 보여준다. The use of solid / polymer MMM surpasses the polymer "upper limit" curve, but there are still many issues that still need to be addressed for large industrial production of this new type of MMM. For example, in the case of most molecular sieves and polymeric MMMs reported in the literature, voids and defects at the interface of the inorganic molecular sieve and the organic polymer matrix were observed due to poor interfacial adhesion and poor material compatibility. This pore, which is much larger than the permeating molecules, consequently reduces the overall selectivity of the MMM. Studies have shown that interfacial areas between the continuous polymer and the dispersed phase are particularly important in forming successful MMMs.
보다 최근에, 상당한 연구 노력은 통상의 중합체에 대해 분리 특성 향상을 달성하도록 재료 상용성 및 MMM의 무기 분자체/중합체 계면에서의 접착력에 초점을 맞춰왔다. 예를 들면, 쿨카니(Kulkarni) 등 및 마란드(Marand) 등은 MMM의 체 입자/중합체 계면에서의 접착력을 개선하기 위한 유기규소 커플링제 작용기화 분자체의 용도를 보고하고 있다. 미국 제6,508,860호 및 미국 제7,109,140 B2호를 참조할 수 있다. 쿨카니 등은 또한 정전기적으로 안정화된 현탁액을 사용함으로써 최소의 거대공극 및 결함을 갖는 MMM을 형성하는 것을 보고하고 있다. 미국 제2006/0117949호를 참조할 수 있다.More recently, considerable research efforts have focused on material compatibility and adhesion at the inorganic molecular sieve / polymer interface of MMM to achieve improved separation properties for conventional polymers. For example, Kulkarni et al. And Marand et al. Have reported the use of organosilicon coupling agent functionalized molecular sieves to improve the adhesion of MMM at the body particle / polymer interface. US 6,508,860 and US 7,109,140 B2. Kukanai et al. Also report the use of electrostatically stabilized suspensions to form MMM with minimal macropores and defects. US 2006/0117949.
이러한 모든 연구 노력에도 불구하고, 재료 상용성 및 MMM의 무기 분자체/중합체 계면에서의 접착력의 쟁점은 완전히 해결되지 않고 있다.Despite all these research efforts, the issues of material compatibility and adhesion at the inorganic molecular sieve / polymer interface of MMM have not been completely solved.
발명의 명칭이 "가교결합성 및 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인 및 이의 제조 방법(Cross-linkable and cross-linked Mixed Matrix Membranes and Methods of Making the Same)"인 이전 특허 출원(미국 출원 제11/300,775호)(이의 전체로 본원에 인용되어 있음)는 2005년 12월 15일자에 출원되었다. 이러한 선출원에서, 분산된 충전제로서의 다공성 분자체 및 연속성 중합체 매트릭스로서의 중합체를 사용하는 UV 가교결합성 및 UV 가교결합된, 분자체와 중합체의 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)의 신규한 유형이 처음으로 개시되었다. 본 발명은 이 선출원에 대한 개량 발명이다. 본 발명에 이르러, 중합체 매트릭스와 분자체의 계면에서 거대공극을 갖지 않거나 또는 수 옹스트롬 미만의 공극을 갖는 고 선택도 UV 가교결합된 MMM은 중합체 작용기화 분자체, 예컨대 AlPO-14 또는 UZM-25를 연속성 폴리이미드 중합체 매트릭스 내로 혼입한 다음, UV 가교결합함으로써 성공적으로 제조할 수 있다는 것을 발견하였다. 폴리에테르설폰(PES)은 중합체 작용기화 분자체를 제공하기에 특히 유용한 중합체인 것으로 밝혀졌다. 따라서, 대규모 멤브레인 제조 방법은 공극과 결함이 없는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 MMM의 제조에 대해 개시되어 있다.No. 11 / 300,775, entitled " Cross-Linkable and Cross-Linked Mixed Matrix Membranes and Methods of Making the Same " ), Filed December 15, 2005, which is hereby incorporated by reference in its entirety. In this prior art, a novel type of UV crosslinkable and UV crosslinked, molecular sieve-polymer mixed matrix membrane (MMM) using a polymer as a dispersed filler as a porous molecular sieve and a continuous polymer matrix was first disclosed . The present invention is an improvement on this prior art. In accordance with the present invention, a high selectivity UV crosslinked MMM that does not have macropores or has voids less than a few angstroms in the interface between the polymer matrix and the molecular sieve has a polymeric functionalized molecular sieve, such as AlPO-14 or UZM-25 Can be successfully prepared by incorporation into a continuous polyimide polymer matrix followed by UV cross-linking. Polyethersulfone (PES) has been found to be a particularly useful polymer for providing polymeric functionalized molecular sieves. Thus, a large scale membrane manufacturing process is disclosed for the preparation of UV cross-linked MMMs of polymeric functionalized molecular sieves and polymers without pores and defects.
발명의 개요Summary of the Invention
본 발명은 신규한 공극과 결함이 없는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 이러한 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 MMM의 신규한 제조 방법 및 이용 방법에 관한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a UV crosslinked mixed matrix membrane (MMM) of polymeric functionalized molecular sieves and polymers free of new voids and defects. More particularly, the present invention relates to a novel process for making and using UV cross-linked MMMs of such polymeric functionalized molecular sieves and polymers.
본 발명은 분산된 충전제로서의 중합체(예, 폴리에테르설폰) 작용기화 분자체 및 연속성 UV 가교결합성 중합체(예, 폴리이미드) 매트릭스를 함유하는 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합성 MMM을 UV 가교결합함으로써 중합체 매트릭스와 분자체의 계면에서 거대공극을 갖지 않거나 또는 기껏해야 5 Å(0.5 ㎚) 미만의 공극을 갖는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)에 관한 것이다. 본원에 기재된 방법에 의해 제조된 대칭성 조밀 필름, 비대칭성 평탄 시트 멤브레인 또는 비대칭성 중공 섬유 멤브레인 형태의 UV 가교결합된 MMM은 우수한 가요성 및 높은 기계적 강도를 갖고, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 및 수소/메탄(H2/CH4) 분리에 대해 상응하는 연속성 폴리이미드 중합체 매트릭스로부터 제조된 중합체 멤브레인에 대해 현저히 향상된 선택도 및 투과도를 나타낸다. 본 발명의 UV 가교결합된 MMM은 또한 다양한 액체, 가스 및 증기 분리, 예컨대 가솔린 및 디젤 연료의 심도 탈황, 에탄올/물 분리, 수성/유기 혼합물, CO2/CH4, CO2/N2, H2/CH4, O2/N2, 올레핀/파라핀의 투과증발 탈수, 이소/노말 파라핀 분리 및 다른 가벼운 가스 혼합물 분리에 적합하다. The present invention relates to polymeric functionalized molecular sieves containing polymeric (e.g., polyethersulfone) functionalized molecular sieves as dispersed fillers and a continuous UV crosslinkable polymer (e.g., polyimide) matrix, and UV cross-linkable MMM UV crosslinked mixed matrix membranes (MMM) of polymeric functionalized molecular sieves and polymers that do not have macropores at the interface of the polymer matrix and molecular sieve by UV crosslinking or have pores of less than 5 A (0.5 nm) . UV cross-linked MMM in the form of a symmetric dense film, an asymmetric flat sheet membrane or an asymmetric hollow fiber membrane prepared by the process described herein has excellent flexibility and high mechanical strength and is suitable for use in a variety of applications including carbon dioxide / methane (CO 2 / CH 4 ) And hydrogen / methane (H 2 / CH 4 ) separations for polymer membranes prepared from corresponding continuous polyimide polymer matrices. The UV crosslinked MMMs of the present invention can also be used in a variety of liquid, gas and vapor separations such as depth desulfurization of gasoline and diesel fuels, ethanol / water separation, aqueous / organic mixtures, CO 2 / CH 4 , CO 2 / N 2 , H 2 / CH 4 , O 2 / N 2 , pervaporation dehydration of olefins / paraffins, iso / normal paraffin separation and other light gas mixture separations.
본 발명은 유기 용매의 혼합물 중에 분산된 중합체 작용기화 분자체 입자 및 용해된 연속성 UV 가교결합성 중합체 매트릭스를 함유하는 안정한 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 현탁액(또는 소위 "캐스팅 도프")을 이용하는 공극과 결함이 없는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 MMM의 제조 방법을 제공한다. 이 멤브레인의 제조 방법은 (a) 2 이상의 유기 용매의 혼합물 중에 분자체 입자를 초음파 혼합 및/또는 기계적 교반 또는 다른 방법에 의해 분산시켜 분자체 슬러리를 형성하는 단계, (b) 상기 분자체 슬러리 중에 적합한 중합체를 용해시켜 분자체 입자의 표면을 작용기화하는 단계, (c) 상기 중합체 작용기화 분자체 슬러리 중에 연속성 중합체 매트릭스로 작용하는 UV 가교결합성 중합체를 용해시켜 안정한 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 현탁액을 형성하는 단계, (d) 상기 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 현탁액을 사용하여 대칭성 조밀 필름(도 1), 비대칭성 평탄 시트(도 2), 박막 필름 복합체(TFC, 도 3) 또는 비대칭성 중공 섬유의 형태의 MMM을 제조하는 단계, 및 (e) 상기 MMM을 UV 방사선하에 가교결합하는 단계를 포함한다. The present invention relates to stable polymeric functionalized molecular sieves containing polymeric functionalized molecular sieve particles dispersed in a mixture of organic solvents and a dissolved continuous UV crosslinkable polymer matrix and pores using a suspension of polymer (or so-called "casting dope & And UV-crosslinked MMM of polymer with functionalized molecular sieves without defects. The method for producing the membrane includes the steps of (a) dispersing molecular sieve particles in a mixture of two or more organic solvents by ultrasonic mixing and / or mechanical stirring or other methods to form a molecular sieve slurry, (b) Dissolving a suitable polymer to effect functionalization of the surface of the molecular sieve particles; (c) dissolving the UV crosslinkable polymer acting as a continuous polymer matrix in the polymeric functionalized molecular sieve slurry to form a stable polymer functionalized molecular sieve (Fig. 1), asymmetric flat sheet (Fig. 2), a thin film film composite (TFC, Fig. 3) or asymmetric flat film (Fig. 2) using a suspension of the polymeric functionalized molecular sieve and polymer. (E) cross-linking the MMM under UV radiation. ≪ Desc / Clms Page number 7 >
몇몇 경우에, 멤브레인 후처리 단계는 선택도를 개선하도록 첨가할 수 있지만, 단 이 후처리 단계는 멤브레인을 현저히 변경 또는 손상시키지 않거나, 또는 멤브레인이 경시적으로 성능을 잃게끔 하지 않아야 한다(도 4). 이러한 멤브레인 후처리 단계는 MMM의 상부 표면을 UV 방사선 경화성 에폭시 실리콘 물질의 박층으로 코팅한 후, 표면 코팅된 MMM을 UV 방사선하에 UV 가교결합하는 단계를 포함할 수 있다. 멤브레인 후처리 단계는 또한 UV 가교결합된 MMM의 상부 표면을 폴리실록산, 불소중합체 또는 열경화성 실리콘 고무와 같은 물질의 박층으로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.In some cases, the membrane post-treatment step may be added to improve selectivity, but this post-treatment step should not significantly alter or damage the membrane or cause the membrane to lose its performance over time ). Such a membrane post-treatment step may include coating the top surface of the MMM with a thin layer of UV radiation curable epoxy silicone material, followed by UV cross-linking the surface coated MMM under UV radiation. The membrane post-treatment step may also include coating the top surface of the UV crosslinked MMM with a thin layer of a material such as polysiloxane, fluoropolymer, or thermosetting silicone rubber.
본 발명에서 제공된 MMM 내의 분자체는 UV 가교결합성 중합체 매트릭스보다 현저히 더 높은 선택도 및/또는 투과도를 가질 수 있다. 따라서, UV 가교결합성 중합체 매트릭스에 적은 중량%의 분자체를 첨가하면, 전체 분리 효율이 증가한다. UV 가교결합은 추가로 UV 가교결합성 MMM의 전체 분리 효율을 개선시킬 수 있다. 본 발명의 UV 가교결합된 MMM 내에 사용된 분자체는 마이크로다공성 분자체, 메소다공성 분자체, 탄소 분자체 및 다공성 금속-유기 구조체(MOF)를 포함한다. 마이크로다공성 분자체는 소기공 마이크로다공성 알루미노-포스페이트 분자체, 예컨대 AlPO-18, AlPO-14, AlPO-52 및 AlPO-17, 소기공 마이크로다공성 알루미노실리케이트 분자체, 예컨대 UZM-5, UZM-25 및 UZM-9, 소기공 마이크로다공성 실리코-알루미노-포스페이트 분자체, 예컨대 SAPO-34, SAPO-56 및 이들의 혼합물(이들에 국한되지는 않음)로부터 선택되지만, 이들에 국한되지는 않는다. The molecular sieve in the MMM provided in the present invention may have significantly higher selectivity and / or permeability than the UV crosslinkable polymer matrix. Thus, adding less weight percent molecular sieve to the UV crosslinkable polymer matrix increases the overall separation efficiency. UV crosslinking can further improve the overall separation efficiency of the UV crosslinkable MMM. Molecular sieves used in the UV crosslinked MMM of the present invention include microporous molecular sieves, mesoporous molecular sieves, carbon molecular sieves, and porous metal-organic structures (MOF). The microporous molecular sieve may be a microporous alumino-phosphate molecular sieve such as AlPO-18, AlPO-14, AlPO-52 and AlPO-17, microporous microporous aluminosilicate molecular sieves such as UZM- 25 and UZM-9, microporous microporous silica-alumino-phosphate molecular sieves such as, but not limited to SAPO-34, SAPO-56 and mixtures thereof.
더욱 중요하게는, 농축 현탁액 중에 분산된 분자체 입자는 폴리에테르설폰(PES)과 같은 적합한 중합체에 의해 작용기화되고, 이는 결과적으로 분자체의 표면 위의 하이드록실(-OH) 기와 PES와 같은 분자체 안정화제의 중합체 측쇄에서의 또는 중합체 쇄 말단에서의 하이드록실(-OH) 기 사이의 반응을 통한 중합체-O-분자체 공유 결합 또는 분자체의 표면 위의 하이드록실기와 중합체 쇄에서의 에테르기와 같은 작용기 사이의 수소 결합 중 어느 하나의 결합을 형성시킨다. 적합한 중합체를 사용하여 분자체의 표면을 작용기화하면, 분자체/중합체 매트릭스 계면을 작용기화하는데 사용된 분자체/중합체에서 실질적으로 공극과 결함이 없는 계면 및 우수한 상용성이 제공된다. 따라서, 통상의 중합체 멤브레인에 비하여 그리고 동일한 중합체 매트릭스와 동일한 분자체를 함유하는 현탁액으로부터 제조되지만 중합체 작용기화되지 않은 중합체 멤브레인에 비하여 현저히 분리 특성이 향상된, 공극과 결함이 없는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합성 MMM은 이러한 안정한 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 현탁액을 사용하여 성공적으로 제조한다. 이러한 MMM의 UV 가교결합은 전체 분리 효율을 추가로 개선시킨다. 계면에서 공극 및 결함이 존재하지 않으면, 투과 종이 멤브레인 내의 공극 및 결함을 거쳐 비분리된 채 통과하기보다는 MMM 내의 분자체의 기공을 거쳐 통과함으로써 분리될 가능성이 증가한다. 본 발명을 사용하여 제조된 UV 가교결합된 MMM은 중합체 멤브레인의 용액-확산 메커니즘과 분자체의 분자 체질 및 수착 메커니즘을 조합하고(도 5), 동일한 분자체/중합체 조성물을 포함하는 상이한 멤브레인 샘플 중에서 최대 선택도 및 일관된 성능을 보장한다. 본 발명의 UV 가교결합된 MMM 내의 분자체 입자를 작용기화하는데 사용된 중합체의 기능은 (1) 수소 결합 또는 분자체-O-중합체 공유 결합을 통해 분자체 계면을 작용기화하는데 사용된 분자체/중합체에서 우수한 접착력을 형성하는 것, (2) 중간체가 분자체와 연속성 중합체 매트릭스의 상용성을 개선시키는 것, 및 (3) 농축 현탁액 중의 분자체 입자를 안정화시켜 변함없이 균일하게 현탁되게 하는 것을 포함한다.More importantly, the molecular sieve particles dispersed in the thickening suspension are functionalized by a suitable polymer, such as polyethersulfone (PES), which results in the formation of hydroxyl (-OH) groups on the surface of the molecular sieve, O-molecular sieve through reaction between hydroxyl (-OH) group at the polymer side chain of the self-stabilizing agent or at the end of the polymer chain covalent bond or hydroxyl group on the surface of the molecular sieve and ether And a hydrogen bond between the functional groups such as a tether. Functionalization of the surface of the molecular sieve using a suitable polymer provides a substantially void-free, non-deficient interface and excellent compatibility in the molecular sieve / polymer used to functionalize the molecular sieve / polymer matrix interface. Thus, polymeric functionalized molecular sieves which are prepared from suspensions containing the same molecular sieves as the conventional polymeric membranes and which are identical to the polymeric matrix but which have significantly improved separation characteristics compared to polymeric non-functionalized polymeric membranes, The UV cross-linkable MMM of the polymer is successfully prepared using such a stable polymeric functionalized molecular sieve and a suspension of the polymer. UV crosslinking of such MMM further improves overall separation efficiency. Without voids and defects at the interface, there is an increased likelihood that the permeate will be separated by passing through the pores of the molecular sieve in the MMM rather than passing through the pores and defects in the membrane non-segregated. The UV crosslinked MMMs prepared using the present invention combine the molecular sieving and sorption mechanism of the molecular sieve with the solution-diffusion mechanism of the polymer membrane (Fig. 5) and can be obtained from different membrane samples containing the same molecular sieve / polymer composition Ensuring maximum selectivity and consistent performance. The function of the polymer used to functionalize the molecular sieve particles in the UV crosslinked MMMs of the present invention is (1) molecular sieves used to functionalize the molecular sieve interface via hydrogen bonding or molecular sieve-O- (2) the intermediate improves the compatibility of the molecular sieve with the continuous polymer matrix, and (3) stabilizes the molecular sieve particles in the thickening suspension so that they remain uniformly suspended do.
중합체 작용기화 분자체 입자를 함유하는 안정화된 현탁액은 연속성 UV 가교결합성 중합체 매트릭스 내에 균일하게 분산된다. UV 가교결합된 MMM, 특히 대칭성 조밀 필름 MMM, 비대칭성 평탄 시트 MMM 또는 비대칭성 중공 섬유 MMM은 안정화된 현탁액으로부터 제조한다. 본 발명에 의해 제조된 UV 가교결합된 MMM은 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스 전체에 걸쳐 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체 입자를 포함한다. 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스는 UV 가교결합성 폴리이미드와 같은 UV 가교결합성 유리질 중합체를 UV 방사선하에 UV 가교결합함으로써 형성한다. 분자체 입자를 작용기화하는데 사용된 중합체는 UV 가교결합된 중합체 매트릭스와 상이한 중합체로부터 선택한다. The stabilized suspension containing the polymeric functionalized molecular sieve particles is uniformly dispersed in the continuous UV crosslinkable polymer matrix. UV crosslinked MMMs, in particular symmetrical dense film MMM, asymmetric flat sheet MMM or asymmetric hollow fiber MMM, are prepared from a stabilized suspension. The UV crosslinked MMM prepared by the present invention comprises polymeric functionalized molecular sieve particles uniformly dispersed throughout the continuous UV crosslinked polymer matrix. Continuous UV crosslinked polymeric matrices are formed by UV cross-linking UV crosslinkable glassy polymers, such as UV crosslinkable polyimides, under UV radiation. The polymer used to vaporize the molecular sieve particles is selected from polymers different from the UV crosslinked polymer matrix.
본 발명의 방법은 대규모 멤브레인 생산에 적합하고 상업용 중합체 멤브레인 제조 공정에 통합될 수 있다.The process of the present invention is suitable for large-scale membrane production and can be integrated into a commercial polymer membrane manufacturing process.
본 발명은 추가로 본원에 기재된 UV 가교결합된 MMM을 사용하여 가스 혼합물로부터 1 이상의 가스를 분리하는 방법으로서, (a) 상기 1 이상의 가스에 투과성인 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스 중에 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체 충전제 물질을 포함하는 UV 가교결합된 MMM을 제공하는 단계, (b) 혼합물을 UV 가교결합된 MMM의 한쪽 면에 접촉시켜 상기 1 이상의 가스가 UV 가교결합된 MMM을 통과하도록 하는 단계, 및 (c) 멤브레인의 반대 면으로부터 상기 멤브레인을 투과한 상기 1 이상의 가스의 일부를 포함하는 투과 가스 조성물을 제거하는 단계를 포함하는 분리 방법을 제공한다. The present invention further provides a method of separating at least one gas from a gaseous mixture using the UV crosslinked MMM described herein, comprising the steps of: (a) providing a homogeneously dispersed Providing a UV cross-linked MMM comprising a polymeric functionalized molecular sieve filler material; (b) contacting the mixture on one side of a UV cross-linked MMM so that the at least one gas passes through a UV cross-linked MMM And (c) removing the permeate gas composition comprising a portion of the at least one gas that has permeated the membrane from the opposite side of the membrane.
본 발명의 UV 가교결합된 MMM은 다양한 액체, 가스 및 증기 분리, 예컨대 가솔린 및 디젤 연료의 심도 탈황, 에탄올/물 분리, 수성/유기 혼합물, CO2/CH4, CO2/N2, H2/CH4, O2/N2, 올레핀/파라핀의 투과증발 탈수, 이소/노말 파라핀 분리 및 다른 가벼운 가스 혼합물 분리에 적합하다.UV cross-linking of the present invention combined MMM various liquid, gas and vapor separation, for example, gasoline, and the depth desulfurization, ethanol / water separation of the diesel fuel, an aqueous / organic mixture, CO 2 / CH 4, CO 2 /
본 발명은 다음의 도면 및 첨부된 설명을 참조하여 보다 잘 이해할 수 있다.The invention may be better understood with reference to the following drawings and the accompanying description.
도면의 간단한 설명Brief Description of Drawings
도 1은 분산된 중합체 코팅 분자체 및 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스를 함유하는 대칭성 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 조밀 필름의 도식도이다.Figure 1 is a schematic diagram of a symmetric UV crosslinked mixed matrix dense film containing a dispersed polymer coated molecular sieve and a continuous UV crosslinked polymer matrix.
도 2는 다공성 지지체 기재 위에 제조된, 분산된 중합체 코팅 분자체 및 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스를 함유하는 비대칭성 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인의 도식도이다.Figure 2 is a schematic diagram of an asymmetric UV cross-linked mixed matrix membrane containing a dispersed polymer-coated molecular sieve and a continuous UV crosslinked polymer matrix, prepared on a porous support substrate.
도 3은 다공성 지지체 기재 위에 제조된, 분산된 중합체 코팅 분자체 및 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스를 함유하는 비대칭성 박막 필름 복합체 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인의 도식도이다. 3 is a schematic diagram of an asymmetric thin film film composite UV crosslinked mixed matrix membrane containing a dispersed polymer coating molecular sieve and a continuous UV crosslinked polymer matrix prepared on a porous support substrate.
도 4는 다공성 지지체 기재 위에 제조되고 중합체 박층으로 코팅된, 분산된 중합체 코팅 분자체 및 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스를 함유하는 후처리된 비대칭성 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인의 도식도이다.4 is a schematic diagram of a post-treated asymmetric UV crosslinked mixed matrix membrane comprising a dispersed polymer coating molecular sieve and a continuous UV crosslinked polymer matrix, prepared on a porous support substrate and coated with a thin polymer layer.
도 5는 UV 가교결합된 중합체 멤브레인의 용액-확산 메커니즘과 분자체 멤브레인의 분자 체질 메커니즘을 조합하는, 중합체 코팅 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인의 분리 메커니즘을 보여주는 도식도이다.Figure 5 is a schematic diagram showing the separation mechanism of a UV cross-linked mixed matrix membrane of a polymer-coated molecular sieve and a polymer, combining a solution-diffusion mechanism of a UV cross-linked polymer membrane and a molecular sieving mechanism of a molecular sieve membrane.
도 6은 공유 결합을 통한 중합체 작용기화 분자체의 형성을 보여주는 도식도이다.Figure 6 is a schematic diagram showing the formation of polymeric functionalized molecular sieves through covalent bonds.
도 7은 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA)의 화학 구조 도면이다. 7 is a chemical structural diagram of poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA).
도 8은 폴리(DSDA-TMMDA)의 화학 구조 도면이다.8 is a chemical structural diagram of poly (DSDA-TMMDA).
도 9는 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA)의 화학 구조 도면이다.9 is a chemical structural diagram of poly (DSDA-PMDA-TMMDA).
도 10a는 반응 및 하이드록실 기 함유 단량체 "A1 내지 A12"를 보여주는 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체의 구조 및 제법이다.FIG. 10A shows the structure and preparation of UV cross-linkable microporous polymers showing reaction and hydroxyl group containing monomers "Al to A12 ".
도 10b는 도 10a에 도시된 반응에서 사용되는 "B1 내지 B1O"의 구조이다.FIG. 10B shows the structure of "B1 to B1O" used in the reaction shown in FIG. 10A.
도 11은 P1, 대조군 1, MMM 1 및 MMM 2 멤브레인의 CO2/CH4 분리 성능을 보여주는 도면이다.Figure 11 is a plot showing CO 2 / CH 4 separation performance of P1,
도 12는 P1, 대조군 1 및 MMM 1 멤브레인의 H2/CH4 분리 성능을 보여주는 도면이다. Figure 12 is a plot showing H 2 / CH 4 separation performance of P1,
도 13은 P2 및 MMM 3 멤브레인의 CO2/CH4 분리 성능을 보여주는 도면이다.Figure 13 is a plot showing the CO 2 / CH 4 separation performance of the P2 and
도 14는 P3, 대조군 2 및 MMM 5 멤브레인의 CO2/CH4 분리 성능을 보여주는 도면이다.Figure 14 is a plot showing CO 2 / CH 4 separation performance of P3,
발명의 상세한 설명DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
연속성 중합체 매트릭스 중에 분산된 분자체 충전제를 함유하는 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)은 분자체 물질의 더 우수한 분자체질 및 수착 특성으로 인해 중합체 가공성을 보유하고 분리에 대한 선택도를 개선시킬 수 있다. MMM은 지난 20 년 동안 전세계적으로 관심을 받아 왔다. 그러나, 대부분의 유형의 MMM의 경우, 결과적으로 빈약한 기계적 및 가공 특성 및 빈약한 투과 성능을 발생시키는 중합체 매트릭스에서의 분자체 입자의 응집 및 MMM에서 분자체 입자와 중합체 매트릭스의 계면에서의 빈약한 접착력은 여전히 해결될 필요가 있다. 재료 상용성 및 중합체 매트릭스와 분자체 입자의 우수한 접착력은 MMM의 향상된 선택도를 달성하기 위해 필요하다. 분자체 내부에 기공보다 더 큰 분자체 입자 주의에 결과적으로 공극 및 결함을 발생시키는 빈약한 접착력은 분리하고자 하는 종이 분자체의 기공을 우회하도록 함으로써 MMM의 전체 선택도를 감소시킨다. 따라서, MMM은 연속성 중합체 매트릭스의 선택도를 기껏해야 약간 향상시킨다.Mixed matrix membranes (MMM) containing molecular sieve fillers dispersed in a continuous polymer matrix can possess polymer processability due to the better molecular sieve and sorption properties of the molecular sieve material and can improve selectivity for separation. MMM has been around the world for the last 20 years. However, in the case of most types of MMMs, consequent aggregation of molecular sieve particles in the polymer matrix resulting in poor mechanical and processing properties and poor permeation performance and poor aggregation of the molecular sieve particles and polymer matrix in the MMM Adhesion still needs to be resolved. Material compatibility and good adhesion of polymer matrix and molecular sieve particles are needed to achieve improved selectivity of MMM. The poor adhesion that results in voids and defects as a result of molecular sieve particulate removal, which is larger than pores in the molecular sieve, reduces the overall selectivity of the MMM by bypassing the pores of the paper molecular sieve to be separated. Thus, MMM slightly improves the selectivity of the continuous polymer matrix at best.
본 발명은 신규한, 공극과 결함이 없는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 이러한 중합체 작용기화 분자체와 UV 가교결합된 중합체 MMM의 신규한 제조 방법 및 이용 방법에 관한 것이다. UV 가교결합된 MMM은 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체 및 연속성 UV 가교결합성 중합체 매트릭스를 함유하는 안정화된 농축 현탁액("캐스팅 도프"라고도 칭함)으로부터 제조된 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 MMM를 UV 가교결합함으로써 제조한다. 본 발명에서 사용된 용어 "혼합 매트릭스"는 멤브레인이 연속성 UV 가교결합성 중합체 매트릭스 및 이 연속성 UV 가교결합성 중합체 매트릭스 전체에 걸쳐 균일하게 분산된 불연속성 중합체 작용기화 분자체 입자를 포함하는 선택적인 투과성 층을 갖는다는 것을 의미한다. 본원에 사용된 용어 "UV 가교결합성 중합체 매트릭스"는 본 발명에서 사용된 모든 중합체 매트릭스가 UV 방사선에 노광될 때 상호중합체-쇄-연결되는 가교결합된 중합체 구조를 형성하도록 서로 연결될 수 있는 UV 민감성 작용기를 함유한다는 것을 의미한다. 본 발명에 사용된 용어 "UV 가교결합된"은 상호중합체-쇄-연결되는 가교결합된 중합체 구조가 UV 방사선하에 형성되었다는 것을 의미한다. The present invention relates to novel, UV-crosslinked mixed matrix membranes (MMM) of polymeric functionalized molecular sieves and polymers without voids and defects. More particularly, the present invention relates to a novel method of making and using UV crosslinked polymeric MMM with such polymeric functionalized molecular sieves. The UV crosslinked MMM is a polymeric functionalized molecular sieve prepared from a stabilized thick suspension (also referred to as "casting dope ") containing a uniformly dispersed polymeric functionalized molecular sieve and a continuous UV crosslinkable polymer matrix, By UV crosslinking. The term "mixed matrix" as used in the present invention means that the membrane comprises a continuous UV crosslinkable polymer matrix and an optional transparent layer comprising discontinuous polymeric functionalized molecular sieve particles uniformly dispersed throughout the continuous UV crosslinkable polymer matrix . ≪ / RTI > As used herein, the term "UV crosslinkable polymer matrix" refers to a UV-crosslinkable polymer matrix that can be linked together to form an interpolymer-chain-linked crosslinked polymer structure when all of the polymeric matrices used in the present invention are exposed to UV radiation Quot; functional group ". As used herein, the term "UV crosslinked" means that an interpolymer-chain-linked crosslinked polymer structure is formed under UV radiation.
본 발명은 유기 용매의 혼합물 중에 분산된 중합체 작용기화 분자체 입자 및 용해된 연속성 중합체 매트릭스를 함유하는 안정화된 농축 현탁액을 사용하여 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM), 특히 조밀 필름의 UV 가교결합된 MMM, 비대칭성 평탄 시트의 UV 가교결합된 MMM, 비대칭성 박막 필름 복합체의 MMM 또는 비대칭성 중공 섬유의 UV 가교결합된 MMM을 제조하는 신규한 방법을 제공한다. 본 방법은 (a) 2 이상의 유기 용매의 혼합물 중에 분자체 입자를 초음파 혼합 및/또는 기계적 교반 또는 다른 방법으로 분산시켜 분자체 슬러리를 형성하는 단계, (b) 상기 분자체 슬러리 중에 적합한 중합체를 용해시켜 분자체 입자의 표면을 작용기화하는 단계, (c) 상기 중합체 작용기화 분자체 슬러리 중에 연속성 중합체 매트릭스로서 작용하는 UV 가교결합성 중합체를 용해시켜 안정한 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 현탁액을 형성하는 단계, (d) 상기 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 현탁액을 사용하여 대칭성 조밀 필름(도 1), 비대칭성 평탄 시트(도 2), 비대칭성 박막 필름 복합체(도 3) 또는 비대칭성 중공 섬유의 형태의 MMM을 제조하는 단계, 및 (e) 상기 MMM을 UV 방사선하에 가교결합하여 UV 가교결합된 MMM을 형성하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a UV crosslinked mixed matrix membrane (MMM), in particular a UV crosslinking of a dense film, using a stabilized concentrated suspension containing polymeric functionalized molecular sieve particles and a dissolved continuous polymer matrix dispersed in a mixture of organic solvents UV crosslinked MMM of asymmetric flat sheets, MMM of asymmetric thin film composites, or UV crosslinked MMM of asymmetric hollow fibers. The method comprises the steps of (a) dispersing molecular sieve particles in a mixture of two or more organic solvents by ultrasonic mixing and / or mechanical stirring or otherwise to form a molecular sieve slurry, (b) dissolving a suitable polymer in the molecular sieve slurry (C) dissolving the UV crosslinkable polymer which acts as a continuum polymer matrix in the polymeric functionalized molecular sieve slurry to form a stable polymeric functionalized molecular sieve and a suspension of the polymer (Fig. 1), an asymmetric flat sheet (Fig. 2), an asymmetric thin film film composite (Fig. 3), or asymmetric hollow fibers using a suspension of the polymeric functionalized molecular sieve and polymer , And (e) crosslinking said MMM under UV radiation to form a UV crosslinked MMM.
몇몇 경우에, 멤브레인 후처리 단계는 선택도를 개선하도록 추가될 수 있지만, 단 이 후처리 단계는 멤브레인을 변경 또는 손상시키지 않거나, 또는 멤브레인이 경시적으로 성능을 잃게끔 하지 않아야 한다(도 4). 이러한 멤브레인 후처리 단계는 UV 가교결합성 MMM의 상부 표면을 UV 방사선 경화성 에폭시 실리콘 물질의 박층으로 코팅한 후, 표면 코팅된 UV 가교결합성 MMM을 UV 방사선하에 UV 가교결합하는 단계를 포함할 수 있다. 멤브레인 후처리 단계는 또한 UV 가교결합된 MMM의 상부 표면을 폴리실록산, 불소중합체 또는 열경화성 실리콘 고무와 같은 물질의 박층으로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.In some cases, the membrane post-treatment step may be added to improve selectivity, but this post-treatment step should not alter or damage the membrane or cause the membrane to lose performance over time (Figure 4) . Such a membrane post-treatment step may comprise coating the top surface of the UV cross-linkable MMM with a thin layer of UV radiation curable epoxy silicone material, followed by UV cross-linking the surface coated UV cross-linkable MMM under UV radiation . The membrane post-treatment step may also include coating the top surface of the UV crosslinked MMM with a thin layer of a material such as polysiloxane, fluoropolymer, or thermosetting silicone rubber.
본원에 기재되어 있는 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체를 함유하는 UV 가교결합된 MMM의 설계는 분자체, 이 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체, 연속성 중합체 매트릭스로서 작용하는 UV 가교결합성 중합체 및 이 중합체를 용해시키는데 사용된 용매의 적절한 선택에 기초한다. The design of UV cross-linked MMMs containing the uniformly dispersed polymeric functionalized molecular sieves described herein includes the molecular sieve, the polymer used to functionalize the molecular sieve, the UV cross-linkable polymer that acts as a continuous polymer matrix And the appropriate choice of solvent used to dissolve the polymer.
본 발명에서 제공되는 UV 가교결합된 MMM 내의 분자체는 분리에 대해 중합체 매트릭스보다 현저히 더 높은 선택도를 가질 수 있다. 따라서, 중합체 매트릭스에 적은 중량%의 분자체를 첨가하면, 전체 분리 효율이 증가한다. UV 가교결합은 추가로 UV 가교결합성 MMM의 전체 분리 효율을 현저히 개선시킬 수 있다. 본 발명의 UV 가교결합된 MMM 내에 사용된 분자체는 마이크로다공성 분자체, 메소다공성 분자체, 탄소 분자체 및 다공성 금속-유기 구조체(MOF)를 포함한다. The molecular sieve in the UV crosslinked MMM provided in the present invention may have significantly higher selectivity than the polymer matrix for separation. Thus, adding a small percentage by weight of molecular sieve to the polymer matrix increases the overall separation efficiency. UV crosslinking can further improve the overall separation efficiency of the UV crosslinkable MMM. Molecular sieves used in the UV crosslinked MMM of the present invention include microporous molecular sieves, mesoporous molecular sieves, carbon molecular sieves, and porous metal-organic structures (MOF).
분자체는 이산화탄소와 같은 가스가 통과하도록 허용하지만, 메탄과 같은 다른 가스가 통과하도록 허용하지 않거나, 또는 그 다른 가스가 현저히 더 낮은 속도로 통과하도록 허용하는 크기를 갖는 선택적인 홀/기공을 포함함으로써 중합체 매트릭스의 성능을 개선시킨다. 분자체는 MMM의 성능을 향상시키기 위해 원래 중합체보다 원하는 분리에 더 높은 선택도를 가져야 한다. UV 가교결합된 MMM에서 원하는 가스 분리를 얻기 위해, 분자체 내의 더 빨리 투과하는 가스 성분의 정상 상태 투과도가 원래 중합체 매트릭스 상 내의 더 빨리 투과하는 가스의 정상 상태 투과도와 적어도 동일한 것이 바람직하다. 분자체는 독특한 넓은 각 X선 회절 패턴을 특징으로 할 수 있는 구조체 구조를 갖는다. 제올라이트는 알루미노실리케이트 조성에 기초하는 분자체의 하위부류이다. 비제올라이트 분자체는 알루미노포스페이트, 실리코-알루미노포스페이트 및 실리카와 같은 다른 조성에 기초한다. 상이한 화학 조성의 분자체는 동일한 구조체 구조를 가질 수 있다.The molecular sieve includes optional holes / pores that allow gases such as carbon dioxide to pass through but do not allow other gases such as methane to pass through or allow the other gases to pass at a significantly lower rate Thereby improving the performance of the polymer matrix. The molecular sieve must have a higher selectivity to the desired separation than the original polymer to improve the performance of the MMM. To obtain the desired gas separation in the UV crosslinked MMM, it is preferred that the steady state permeability of the faster permeating gas component in the molecular sieve is at least equal to the steady state permeability of the faster permeating gas in the original polymer matrix phase. The molecular sieve has a structure that can be characterized by a unique broad X-ray diffraction pattern. Zeolites are a sub-class of molecular sieves based on aluminosilicate compositions. Non-zeolitic molecular sieves are based on other compositions such as aluminophosphates, silica-aluminophosphates and silicas. Molecular sieves of different chemical compositions may have the same structure.
제올라이트는 추가로 착물 알루미노실리케이트 분자가 제올라이트 매트릭스 내에 상당한 자유도로 이동할 수 있는 물 분자 및 이온이 차지하는 동공을 둘러싸는 3차원 구조체 구조를 한정하도록 조립되는 분자체로서 광범위하게 기재될 수 있다. 상업적으로 유용한 제올라이트에서, 물 분자는 구조체 구조를 파괴하는 일 없이 제거 또는 대체될 수 있다. 제올라이트 조성은 다음의 화학식: M2/nO:Al2O3:xSiO2:yH2O(여기서, M은 원자가 n의 양이온이고, x는 2 보다 크거나 2이며, y는 제올라이트의 기공도 및 수화 상태에 의해 측정된 수이고, 일반적으로 0 내지 8임)으로 표현될 수 있다. 천연 제올라이트에서, M은 대략적으로 지구화학적 존재비를 일반적으로 반영하는 비율로 주로 Na, Ca, K, Mg 및 Ba로 표현된다. 양이온 M은 구조에 느슨하게 결합하고 흔히 통상의 이온 교환에 의해 다른 양이온 또는 수소로 전부 또는 일부 대체될 수 있다. 분자체 수착제의 산 형태는 암모늄 교환에 이어서, 하소 또는 무기산 또는 이온 교환기를 사용하는 양성자에 대한 알칼리 이온의 직접 교환을 비롯한 다양한 기술에 의해 제조할 수 있다. The zeolite may further be broadly described as a molecular sieve which is assembled to define a three-dimensional structure structure in which the complexed aluminosilicate molecule surrounds the pore occupied by water molecules and ions capable of moving to a considerable degree of freedom in the zeolite matrix. In commercially useful zeolites, water molecules can be removed or replaced without destroying the structure structure. The zeolite composition has the following formula: M 2 / n O: Al 2 O 3 : xSiO 2 : yH 2 O, where M is a cation of valence n, x is greater than or equal to 2, y is the porosity of the zeolite And the number measured by the hydration state, and is generally 0 to 8). In natural zeolites, M is expressed primarily as Na, Ca, K, Mg and Ba in proportions that generally reflect the geochemical abundance ratio. The cation M can be loosely bound to the structure and can be replaced in whole or in part by other cations or hydrogen, usually by conventional ion exchange. The acid form of the molecular sieve sorbent can be prepared by a variety of techniques, including ammonium exchange followed by calcination or direct exchange of alkali ions to protons using inorganic acids or ion exchangers.
마이크로다공성 분자체 물질은 0.2 내지 2 ㎚의 매우 한정된 크기의 기공을 갖는 마이크로다공성 결정이다. 이러한 별개의 기공도는 촉매 및 수착 매질로서 광범위한 용도를 갖는 이러한 물질에 분자체질 특성을 제공한다. 분자체 구조 유형은 제올라이트 명명법에 대해 IUPAC 위원회가 설정한 규칙에 따라 IZA 구조 위원회가 부여한 이의 구조 형태 코드로 확인할 수 있다. 각각의 독특한 구조체 구조(topology)는 3의 대문자로 구성된 구조 형태 코드로 지칭된다. 본 발명에서 사용된 바람직한 분자체는 AEI, CHA, ERI, LEV, AFX, AFT 및 GIS의 IZA 구조 지칭을 갖는 분자체를 포함한다. 이러한 소기공 알루미나 함유 분자체의 예시적인 조성물로는 특정한 알루미노포스페이트(AlPO), 실리코알루미노포스페이트(SAPO), 메탈로-알루미노포스페이트(MeAPO), 원소 알루미노포스페이트(ElAPO), 메탈로-실리코알루미노포스페이트(MeAPSO) 및 원소 실리코알루미노포스페이트(ElAPSO)를 포함하는 비제올라이트 분자체(NZMS)를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명에서 UV 가교결합된 MMM의 제법에 사용된 마이크로다공성 분자체는 소기공 분자체, 예컨대 SAPO-34, Si-DDR, UZM-9, AlPO-14, AlPO-34, AlPO-17, SSZ-62, SSZ-13, AlPO-18, LTA, ERS-12, CDS-1, MCM-65, MCM-47, 4A, 5A, UZM-5, UZM-9, UZM-25, AlPO-34, SAPO-44, SAPO-47, SAPO-17, CVX-7, SAPO-35, SAPO-56, AlPO-52, SAPO-43, 중기공 분자체, 예컨대 Si-MFI, Si-BEA, Si-MEL 및 대기공 분자체, 예컨대 FAU, OFF, 제올라이트 L, NaX, NaY 및 CaY이다.The microporous molecular sieve material is a microporous crystal having pores of a very limited size of 0.2 to 2 nm. These distinct degrees of porosity provide molecular characterization properties for these materials with a wide range of applications as catalysts and sorbent media. The molecular sieve structure type can be identified by the structural form code assigned to it by the IZA structural committee in accordance with the rules established by the IUPAC committee for the zeolite nomenclature. Each unique structure topology is referred to as a structured type code consisting of three uppercase letters. Preferred molecular sieves used in the present invention include molecular sieves having the IZA structure designations AEI, CHA, ERI, LEV, AFX, AFT and GIS. Exemplary compositions of such small pore alumina containing molecular sieves include, but are not limited to, specific aluminophosphates (AlPO), silicoaluminophosphates (SAPO), metallo-aluminophosphates (MeAPO), elemental aluminophosphates (ElAPO) Zeolite molecular sieve (NZMS) comprising silicoaluminophosphate (MeAPSO) and elemental silicoaluminophosphate (ElAPSO). Preferably, the microporous molecular sieve used in the preparation of the UV crosslinked MMM in the present invention comprises a small pore molecular sieve such as SAPO-34, Si-DDR, UZM-9, AlPO-14, AlPO- 17, SSZ-62, SSZ-13, AlPO-18, LTA, ERS-12, CDS-1, MCM-65, MCM-47, 4A, 5A, UZM-5, UZM- 34, SAPO-44, SAPO-47, SAPO-17, CVX-7, SAPO-35, SAPO-56, AlPO- MEL and the airborne per se, such as FAU, OFF, zeolite L, NaX, NaY and CaY.
더욱 바람직하게는, 본 발명에서 UV 가교결합된 MMM의 제법에 사용된 마이크로다공성 분자체는 소기공 마이크로다공성 알루미노-포스페이트 분자체, 예컨대 AlPO-18, AlPO-14, AlPO-52 및 AlPO-17, 소기공 마이크로다공성 알루미노실리케이트 분자체, 예컨대 UZM-5, UZM-25, UZM-9 및 소기공 마이크로다공성 실리코-알루미노-포스페이트 분자체, 예컨대 SAPO-34, SAPO-56 및 이들의 혼합물로부터 선택되지만, 이들에 국한되지는 않는다. More preferably, the microporous molecular sieve used in the preparation of the UV crosslinked MMM in the present invention is a microporous microporous aluminophosphate molecular sieve such as AlPO-18, AlPO-14, AlPO-52 and AlPO-17 , Microporous aluminosilicate molecular sieves such as UZM-5, UZM-25, UZM-9 and microporous microporous silico-alumino-phosphate molecular sieves such as SAPO-34, SAPO-56 and mixtures thereof But are not limited to these.
본 발명에 제공된 UV 가교결합된 MMM에서 사용된 또 다른 유형의 분자체는 메소다공성 분자체이다. 바람직한 메소다공성 분자체의 예로는 메소다공성 물질의 MCM-41 유형, SBA-15 및 표면 작용기화 MCM-41 및 SBA-15를 포함한다.Another type of molecular sieve used in the UV crosslinked MMM provided herein is the mesoporous molecular sieve. Examples of preferred mesoporous molecular sieves include the MCM-41 type of mesoporous materials, SBA-15 and surface functionalized MCM-41 and SBA-15.
금속-유기 구조체(MOF)는 또한 본 발명에 기재된 UV 가교결합된 MMM에서 분자체로서 사용할 수 있다. MOF는 고 다공성 결정성 제올라이트형 물질의 신규한 유형이고, 금속-리간드에 의해 어셈블링된 경질의 유기 단위로 구성된다. MOF는 단위 질량당 광범위하게 접근가능한 표면적을 보유한다. 문헌[Yaghi et al., SCIENCE, 295: 469 (2002); Yaghi et al., J. SOLID STATE CHEM., 152: 1 (2000); Eddaoudi et al., ACC. CHEM. RES., 34: 319 (2001); Russell et al., SCIENCE, 276: 575 (1997); Kiang et al., J. AM. CHEM. SOC., 121: 8204 (1999); Hoskins et al., J. AM. CHEM. SOC, 111: 5962 (1989); Li et al., NATURE, 402: 276 (1999); Serpaggi et al., J. MATER. CHEM., 8: 2749 (1998); Reineke et al., J. AM. CHEM. SOC., 122: 4843 (2000); Bennett et al., MATER. RES. BULL., 3: 633 (1968); Yaghi et al., J. AM. CHEM. SOC., 122: 1393 (2000); Yaghi et al., MICROPOR. MESOPOR. MATER., 73: 3 (2004); Dybtsev et al., ANGEW. CHEM. INT. ED., 43: 5033 (2004)]을 참조할 수 있다. MOF-5는 팔각형 Zn-O-C 클러스터 및 벤젠 연결로부터 구성된 신규한 부류의 다공성 물질의 원형이다. 가장 최근에, 야지(Yaghi) 등은 MOF-5의 골격에 기초하는 구조를 갖는 일련의 구조체(IRMOF)의 규칙적인 설계 및 구성을 보고하고 있으며, MOF-5에서 기공 작용기화 및 크기는 본래 입방체 구조를 변화시키는 일 없이 변한다. 예를 들면, IRMOF-1(Zn4O(R1-BDC)3)은 MOF-5의 구조와 동일한 구조를 갖지만, 단순화된 방법에 의해 합성된다. 밀워드(Millward) 및 야기는 2005 년에 JACS에서 Cu3(BTC)2 MOF 물질을 처음으로 보고하였고, BASF(Basolite® C 300의 BASF 상품명)가 처음으로 상업화하였다. Cu3(BTC)2 MOF 물질은 높은 프로필렌 충전능(loading capacity)을 갖는 프로필렌/프로판 분리용 흡착제로서 사용될 수 있는 6.9 Å의 고정된 직경 및 1800 m2/g의 BET 표면적을 갖는다. 2001 년에, 야기 등은 "α-MOP-1"이라 불리고 m-BDC에 의해 브릿징된 12 패들 고리(paddle-wheel) 단위로 구성되는 다공성 금속-유기 다면체(MOP) Cu24(m-BDC)24(DMF)14(H2O)5O(DMF)6(C2H5OH)6을 합성하여 큰 금속-카르복실레이트 다면체를 얻는 것을 보고하였다. 문헌[Yaghi et al., 123: 4368 (2001)]을 참조할 수 있다. 이러한 MOF, IR-MOF 및 MOP 물질은 상호연결된 고유 마이크로기공을 가지면서 크고 접근가능한 표면적과 같은 통상의 마이크로다공성 물질의 거동과 유사한 거동을 나타낸다. 또한, 이러한 MOF, IR-MOF 및 MOP 물질은 제올라이트 물질보다 비교적 더 큰 기공 크기로 인한 폴리이미드 멤브레인의 탄화수소 오염(fouling) 문제를 감소시킬 수 있다. MOF, IR-MOF 및 MOP 물질은 또한 중합체가 기공으로 침투하는 것을 허용하여, 계면 및 기계적 특성을 개선시키고 이어서 투과도에 영향을 미칠 것으로 기대된다. 따라서, 이러한 MOF, IR-MOF 및 MOP 물질(본 발명에서 모두 "MOF"라 칭함)은 본 발명에서의 UV 가교결합된 MMM의 제법에서 분자체로서 사용된다. Metal-organic structures (MOF) can also be used as molecular sieves in the UV cross-linked MMM described in the present invention. MOF is a novel type of highly porous crystalline zeolitic material and is composed of hard organic units assembled by metal-ligands. MOF has a surface area that is widely accessible per unit mass. Yaghi et al., SCIENCE, 295: 469 (2002); Yaghi et al., J. Solid State Chem., 152: 1 (2000); Eddaoudi et al., ACC. CHEM. RES., 34: 319 (2001); Russell et al., SCIENCE, 276: 575 (1997); Kiang et al., J. Am. CHEM. SOC., 121: 8204 (1999); Hoskins et al., J. Am. CHEM. SOC, 111: 5962 (1989); Li et al., NATURE, 402: 276 (1999); Serpaggi et al., J. MATER. CHEM., 8: 2749 (1998); Reineke et al., J. Am. CHEM. SOC., 122: 4843 (2000); Bennett et al., MATER. RES. BULL., 3: 633 (1968); Yaghi et al., J. Am. CHEM. SOC., 122: 1393 (2000); Yaghi et al., MICROPOR. MESOPOR. MATER., 73: 3 (2004); Dybtsev et al., ANGEW. CHEM. INT. ED., 43: 5033 (2004). MOF-5 is a prototype of a new class of porous materials consisting of octagonal Zn-OC clusters and benzene linkages. Most recently, Yaghi et al. Have reported the regular design and construction of a series of structures (IRMOF) based on the framework of MOF-5. In MOF-5, It changes without changing the structure. For example, IRMOF-1 (Zn 4 O (R 1 -BDC) 3 ) has the same structure as that of MOF-5, but is synthesized by a simplified method. Millward and Yagi first reported Cu 3 (BTC) 2 MOF materials in JACS in 2005, and BASF (Basolite ® C 300 BASF brand name) was the first to commercialize. The Cu 3 (BTC) 2 MOF material has a fixed diameter of 6.9 A and a BET surface area of 1800 m 2 / g, which can be used as an adsorbent for propylene / propane separation with high propylene loading capacity. In 2001, Yagi et al. Reported a porous metal-organic polyhedron (MOP) Cu 24 (m-BDC), which is composed of 12 paddle-wheel units bridged by m- ) 24 (DMF) 14 (H 2 O) 5O (DMF) 6 (C 2 H 5 OH) 6 to produce a large metal-carboxylate polyhedron. See Yaghi et al., 123: 4368 (2001). Such MOF, IR-MOF, and MOP materials exhibit behavior similar to that of conventional microporous materials, such as large and accessible surface areas with interconnected intrinsic micropores. In addition, such MOF, IR-MOF and MOP materials can reduce the hydrocarbon fouling problem of the polyimide membrane due to the relatively larger pore size than the zeolite material. MOF, IR-MOF, and MOP materials are also expected to allow the polymer to penetrate into the pores, thereby improving the interface and mechanical properties and subsequently affecting the permeability. Thus, such MOF, IR-MOF and MOP materials (all referred to herein as "MOF") are used as molecular sieves in the preparation of UV crosslinked MMMs in the present invention.
본 발명에서 UV 가교결합된 MMM의 연속성 중합체 매트릭스 중에 분산된 분자체의 입자 크기는 UV 가교결합된 MMM가 제조되는 농축 현탁액 중에 균일한 입자 분산액을 형성하기에 충분히 작아야 한다. 중앙 입자 크기는 10 ㎛, 바람직하게는 5 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 1 ㎛ 미만이어야 한다. 가장 바람직하게는, 나노-분자체(또는 "분자체 나노입자")는 본 발명의 UV 가교결합된 MMM 내에 사용되어야 한다.The particle size of the molecular sieve dispersed in the continuum polymer matrix of the UV crosslinked MMM in the present invention should be small enough to form a uniform particle dispersion in the concentrated suspension in which the UV crosslinked MMM is prepared. The median particle size should be 10 [mu] m, preferably less than 5 [mu] m, more preferably less than 1 [mu] m. Most preferably, nano-molecular sieves (or "molecular sieve nanoparticles") should be used within the UV cross-linked MMM of the present invention.
본원에 기재되어 있는 나노-분자체는 5 내지 1000 ㎚ 범위의 입자 크기를 갖는 마이크론 이하 크기의 분자체이다. UV 가교결합된 MMM의 제법에 대한 나노-분자체 선택은 유기 용매 중의 나노-분자체의 분산도, 나노-분자체의 기공도, 입자 크기 및 표면 작용기화, 중합체 매트릭스에 의한 나노-분자체의 접착 또는 습윤 특성을 선별하는 것을 포함한다. UV 가교결합된 MMM의 제법에 대한 나노-분자체는 더 작은 크기의 가스의 선택적인 투과를 허용하도록 적합한 기공 크기를 가져야 하고, 또한 멤브레인에서의 결함을 방지하는 나노미터 범위의 적절한 입자 크기를 가져야 한다. 나노-분자체는 수송 특성을 최대화하기 위해 중합체 매트릭스 내에 응집되지 않고 용이하게 분산되어야 한다. The nano-molecular sieves described herein are submicron sized molecular sieves having a particle size in the range of 5 to 1000 nm. The choice of nano-molecular sieves for the preparation of UV crosslinked MMM is dependent on the degree of dispersion of the nano-molecular sieve in the organic solvent, porosity of the nano-molecular sieve, particle size and surface functionalization, ≪ / RTI > adhesion or wetting properties. The nano-molecular sieves for the preparation of the UV crosslinked MMM must have a suitable pore size to allow selective permeation of a smaller size gas and also have an appropriate particle size in the nanometer range to prevent defects in the membrane do. The nano-molecular sieve must be readily dispersed in the polymer matrix without aggregation to maximize transport properties.
본원에 기재되어 있는 나노-분자체는 원래 투명한 용액으로부터 합성된다. 본원에 기재되어 있는 UV 가교결합된 MMM로 혼입되기에 적합한 나노-분자체의 대표적인 예로는 실리케이트-1, SAPO-34, Si-MTW, Si-BEA, Si-MEL, LTA, FAU, Si-DDR, AlPO-14, AlPO-34, SAPO-56, AlPO-52, AlPO-18, SSZ-62, UZM-5, UZM-9, UZM-25 및 MCM-65를 포함한다. The nano-molecular sieves described herein are originally synthesized from a clear solution. Representative examples of nano-molecular sieves suitable for incorporation into UV crosslinked MMMs described herein include silicate-1, SAPO-34, Si-MTW, Si-BEA, Si-MEL, LTA, FAU, , AlPO-14, AlPO-34, SAPO-56, AlPO-52, AlPO-18, SSZ-62, UZM-5, UZM-9, UZM-25 and MCM-65.
본 발명에서, UV 가교결합된 MMM이 형성되는 농축 현탁액 중에 분산된 분자체 입자는 적합한 중합체에 의해 작용기화되고, 이는 결과적으로 분자체의 표면 위의 하이드록실(-OH) 기와 PES와 같은 분자체 안정화제의 중합체 측쇄에서의 또는 중합체 쇄 말단에서의 하이드록실(-OH) 기 사이의 반응을 통해 중합체-O-분자체 공유 결합(도 6) 또는 분자체의 표면 위의 하이드록실기와 중합체 쇄에서의 에테르기와 같은 작용기 사이의 수소 결합 중 어느 하나의 결합을 형성시킨다. 농축 현탁액 중의 분자체의 표면은 규소(존재하는 경우), 알루미늄(존재하는 경우) 및 포스페이트(존재하는 경우)에 부착된 많은 하이드록실 기를 함유한다. 농축 현탁액 중의 분자체에서의 이러한 하이드록실 기는 현탁액의 장기간 안정성 및 MMM의 상 분리 동력학에 영향을 미칠 수 있다. 농축 현탁액의 안정성은 현탁액 중에 균일하게 분산된 잔류하는 분자체 입자의 특징과 관련된다. 분자체 입자의 응집이 방지될 수 있는지를 그리고 안정한 현탁액이 형성될 수 있는지를 결정하는 중요한 인자는 이러한 분자체 표면과 현탁액 중의 중합체 매트릭스 및 용매의 상용성이다. 본 발명에 기재된 적합한 중합체를 사용하여 분자체의 표면을 작용기화하면, 분자체/중합체 매트릭스 계면을 작용기화하는데 사용된 분자체/중합체에서 실질적으로 공극과 결함이 없는 계면 및 우수한 상용성이 제공된다. 따라서, 통상의 중합체 멤브레인에 대해 그리고 동일한 UV 가교결합성 중합체 매트릭스와 동일한 분자체를 함유하는 현탁액으로부터 제조되지만 중합체 작용기화되지 않은 멤브레인에 대해 현저히 분리 특성이 향상된, 공극과 결함이 없는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 MMM은 이러한 안정한 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 현탁액을 사용하여 성공적으로 제조한다. 계면에서 공극 및 결함이 존재하지 않으면, 투과 종이 공극 및 결함을 거쳐 비분리된 채 통과하기보다는 UV 가교결합된 MMM 내의 분자체의 기공을 거쳐 통과함으로써 분리될 가능성이 증가한다. 따라서, 본 발명을 사용하여 제조된 UV 가교결합된 MMM은 중합체 멤브레인의 용액-확산 메커니즘과 분자체의 분자 체질 및 수착 메커니즘을 조합하고(도 5), 동일한 분자체/중합체 조성물을 포함하는 상이한 멤브레인 샘플 중에서 최대 선택도 및 일관된 성능을 보장한다. In the present invention, the molecular sieve particles dispersed in the thickened suspension in which the UV crosslinked MMM is formed are functionalized by a suitable polymer, which results in the formation of hydroxyl (-OH) groups on the surface of the molecular sieve and molecular sieves O-molecular sieve covalent bond (Fig. 6) or a hydroxyl group on the surface of the molecular sieve by reaction between the hydroxyl (-OH) group at the polymer side chain of the stabilizer or at the end of the polymer chain Or a hydrogen bond between functional groups such as an ether group in the molecule. The surface of the molecular sieve in the thickening suspension contains a large number of hydroxyl groups attached to silicon (if present), aluminum (if present) and phosphate (if present). These hydroxyl groups in the molecular sieve in the thickening suspension can affect the long term stability of the suspension and the phase separation kinetics of MMM. The stability of the thickened suspension is related to the characteristics of the remaining molecular sieve particles uniformly dispersed in the suspension. An important factor in determining if agglomeration of molecular sieve particles can be prevented and whether a stable suspension can be formed is the compatibility of the polymer matrix and solvent in such a molecular sieve surface with the suspension. The functionalization of the surface of the molecular sieve using a suitable polymer described in the present invention provides a substantially void free, defect-free interface and excellent compatibility in the molecular sieve / polymer used to functionalize the molecular sieve / polymer matrix interface . Thus, there is a need for a polymeric functionalized polymeric membrane that is prepared from a suspension containing conventional molecular sieves and the same molecular sieve as the same UV crosslinkable polymeric matrix, but with significantly improved separation properties for the polymeric non- UV cross-linked MMMs of molecular sieves and polymers are successfully prepared using such stable polymeric functionalized molecular sieves and suspensions of polymers. The absence of voids and defects at the interface increases the likelihood of separation by passing through the pores of the molecular sieve in the UV crosslinked MMM rather than through the permeate paper through the voids and defects and not segregated. Thus, the UV crosslinked MMMs prepared using the present invention combine the molecular sieving and sorption mechanism of the molecular sieve with the solution-diffusion mechanism of the polymer membrane (Fig. 5), and the different membranes containing the same molecular sieve / Ensuring maximum selectivity and consistent performance among the samples.
본 발명의 UV 가교결합된 MMM 내의 분자체 입자를 작용기화하는데 사용된 중합체의 기능은 (1) 수소 결합 또는 분자체-O-중합체 공유 결합을 통해 분자체 계면을 작용기화하는데 사용된 분자체/중합체에서 우수한 접착력을 형성하는 것, (2) 중간체가 분자체와 연속성 중합체 매트릭스의 상용성을 개선시키는 것, 및 (3) 농축 현탁액 중의 분자체 입자를 안정화시켜 변함없이 균일하게 현탁되게 하는 것을 포함한다. 이러한 기능을 갖는 임의의 중합체는 UV 가교결합된 MMM이 형성되는 농축 현탁액 중에 분자체 입자를 작용기화하는데 사용할 수 있다. 바람직하게는, 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체는 분자체의 표면 위에 하이드록실기와 수소 결합을 형성할 수 있는 아미노기와 같은 작용기를 함유한다. 더욱 바람직하게는, 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체는 분자체의 표면 위의 하이드록실기와 반응하여 중합체-O-분자체 공유 결합을 형성할 수 있는 하이드록실기 또는 이소시아네이트기와 같은 작용기를 함유한다. 따라서, 분자체와 중합체 사이의 우수한 접착력이 달성된다. 이러한 대표적인 중합체는 하이드록실기 또는 아미노기 말단화 또는 에테르 중합체, 예컨대 폴리에테르설폰(PES), 폴리(하이드록실 스티렌), 설폰화 PES, 폴리에테르, 예컨대 하이드록실기 말단화 폴리(에틸렌 옥사이드), 하이드록실기 말단화 폴리(비닐 아세테이트), 아미노기 말단화 폴리(에틸렌 옥사이드) 또는 이소시아네이트기 말단화 폴리(에틸렌 옥사이드), 하이드록실기 말단화 폴리(프로필렌 옥사이드), 하이드록실기 말단화 코-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)-폴리(프로필렌 옥사이드), 하이드록실기 말단화 트리-블록-폴리(프로필렌 옥사이드)-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)-블록-폴리(프로필렌 옥사이드), 트리-블록-폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜) 비스(2-아미노프로필 에테르), 폴리(아릴 에테르 케톤), 폴리(에틸렌 이민), 폴리(아미도아민), 폴리(비닐 알콜), 폴리(알릴 아민), 폴리(비닐 아민) 및 폴리에테르이미드, 예컨대 GE Plastics에 의해 제조되고 상표 Ultem®하에 시판되는 Ultem(또는 Ultem 1000)뿐만 아니라, 하이드록실 기 함유 유리질 중합체, 예컨대 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 트리아세테이트, 셀룰로스 아세테이트-부티레이트, 셀룰로스 프로피오네이트, 에틸 셀룰로스, 메틸 셀룰로스 및 니트로셀룰로스를 비롯한 셀룰로즈 중합체가 있다.The function of the polymer used to functionalize the molecular sieve particles in the UV crosslinked MMMs of the present invention is (1) molecular sieves used to functionalize the molecular sieve interface via hydrogen bonding or molecular sieve-O- (2) the intermediate improves the compatibility of the molecular sieve with the continuous polymer matrix, and (3) stabilizes the molecular sieve particles in the thickening suspension so that they remain uniformly suspended do. Any polymer having this function may be used to functionalize molecular sieve particles in a thickened suspension in which UV crosslinked MMM is formed. Preferably, the polymer used to functionalize the molecular sieve contains a functional group such as an amino group capable of forming a hydrogen bond with the hydroxyl group on the surface of the molecular sieve. More preferably, the polymer used to functionalize the molecular sieve contains a functional group such as a hydroxyl group or isocyanate group that can react with the hydroxyl group on the surface of the molecular sieve to form a polymer-O-molecular sieve covalent bond do. Thus, excellent adhesion between the molecular sieve and the polymer is achieved. Such representative polymers include, but are not limited to, hydroxyl groups or amino group terminations or ether polymers such as polyethersulfone (PES), poly (hydroxyl styrene), sulfonated PES, polyethers such as hydroxyl terminated poly (ethylene oxide) (Vinyl acetate), an amino group-terminated poly (ethylene oxide) or an isocyanate group-terminated poly (ethylene oxide), a hydroxyl terminated poly (propylene oxide), a hydroxyl terminated co- (Ethylene oxide) -block-poly (propylene oxide), tri-block-poly (propylene oxide) -poly (propylene oxide), hydroxyl terminated tri-block- ) -Block-poly (ethylene glycol) -block-poly (propylene glycol) bis (2-aminopropyl ether), poly (aryl ether ketone) (Ethyleneimine), poly (amido amine), poly (vinyl alcohol), poly (allylamine), poly (vinylamine), and polyetherimide, for example Ultem (or produced by the GE Plastics and marketed under the trademark Ultem ® Ultem 1000) as well as cellulose polymers including hydroxyl group-containing glassy polymers such as cellulose acetate, cellulose triacetate, cellulose acetate-butyrate, cellulose propionate, ethylcellulose, methylcellulose and nitrocellulose.
본 발명의 UV 가교결합된 MMM에서 분자체 대 이 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체의 중량비는 원하는 특성뿐만 아니라, 특정한 현탁액 내의 특정한 분자체의 분산도에 따라, 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체를 기준으로 하여, 1:2 내지 100:1, 즉, 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체 100 중량부 당 분자체 5 중량부 내지 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체 1 중량부 당 분자체 100 중량부(이에 국한되지는 않음)의 광범위 내에 있을 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 UV 가교결합된 MMM에서 분자체 대 이 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체의 중량비는 10:1 내지 1:2 범위이다.The weight ratio of the polymer used to functionalize the molecular sieve versus the molecular sieve in the UV crosslinked MMM of the present invention can be varied depending on the desired properties as well as the degree of dispersion of the particular molecular sieve in a particular suspension, Based on the polymer, from 1: 2 to 100: 1, i.e. from 5 parts by weight of molecular sieve per 100 parts by weight of the polymer used for functionalizing the molecular sieve to molecular sieves per part by weight of the polymer used to functionalize the molecular sieve But not limited to, 100 parts by weight. Preferably the weight ratio of polymer used to functionalize the molecular sieve to the molecular sieve in the UV crosslinked MMM of the present invention is in the range of from 10: 1 to 1: 2.
안정화된 현탁액은 연속성 중합체 매트릭스 중에 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체 입자를 함유한다. UV 가교결합된 MMM, 특히 조밀 필름 MMM, 비대칭성 평탄 시트 MMM, 비대칭성 박막 필름 복합체 MMM 또는 비대칭성 중공 섬유 MMM은 안정화된 현탁액으로부터 제조한 후, UV 가교결합한다. 본 발명에 의해 제조된 UV 가교결합된 MMM은 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스 전체에 걸쳐 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체 입자를 포함한다. 본 발명의 UV 가교결합된 MMM 내의 연속성 중합체 매트릭스로서 작용하는 중합체는 UV 가교결합성 중합체의 유형이고, 분리에 중요한 광범위한 특성을 제공하며, 이를 변경하면 멤브레인 선택도를 개선시킬 수 있다. 높은 유리 전이 온도(Tg), 높은 융점 및 높은 결정도를 갖는 물질이 대부분의 가스 분리에 바람직하다. 유리질 중합체(즉, 이의 Tg보다 낮은 중합체)는 더 단단한 중합체 골격을 갖고 따라서 수소 및 헬륨과 같은 더 작은 분자가 멤브레인을 더 빨리 투과하도록 하고 탄화수소와 같은 더 큰 분자가 멤브레인을 더 천천히 투과하도록 한다. 본 발명에서 UV 가교결합된 MMM 용도의 경우에, 중합체 매트릭스는 저비용 및 용이한 가공성과 같은 멤브레인 분리에 중요한 광범위한 특성을 제공하고, 멤브레인 선택도를 추가로 개선시키는 가교결합된 구조를 형성할 수 있는 중합체 물질로부터 선택되어야 한다. 순수한 중합체로부터 제조된 필적하는 멤브레인은 10 이상, 더욱 바람직하게는 15 이상의, 메탄에 비하여 이산화탄소 또는 수소 선택도를 나타내는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 가교결합된 MMM 중에 연속성 중합체 매트릭스 상으로서 사용되는 중합체는 UV 가교결합성 경질의 유리질 중합체이다. 본 발명의 UV 가교결합된 MMM에서 분자체 대 연속성 중합체 매트릭스로서 작용하는 중합체의 중량비는 원하는 특성뿐만 아니라, 특정한 연속성 중합체 매트릭스 내의 특정한 분자체의 분산도에 따라, 1:100(연속성 중합체 매트릭스로서 작용하는 중합체 100 중량부 당 분자체 1 중량부) 내지 1:1(연속성 중합체 매트릭스로서 작용하는 중합체 100 중량부 당 분자체 100 중량부)의 광범위 내에 있을 수 있다. The stabilized suspension contains uniformly dispersed polymeric functionalized molecular sieve particles in the continuous polymer matrix. The UV crosslinked MMM, in particular the dense film MMM, the asymmetric flat sheet MMM, the asymmetric thin film film composite MMM or the asymmetric hollow fiber MMM, are produced from the stabilized suspension and UV crosslinked. The UV crosslinked MMM prepared by the present invention comprises polymeric functionalized molecular sieve particles uniformly dispersed throughout the continuous UV crosslinked polymer matrix. The polymers that serve as the continuum polymer matrix in the UV crosslinked MMMs of the present invention are a type of UV crosslinkable polymer and provide a wide range of properties important for separation, and altering it can improve membrane selectivity. Materials with a high glass transition temperature (T g ), high melting point and high crystallinity are preferred for most gas separation. Glassy polymers (i.e., low polymer than its T g) has a more rigid polymer backbone and thus a larger molecule, such as and the hydrocarbon is smaller molecules such as hydrogen and helium to permeate the membrane more quickly so as to passes through the membrane more slowly . In the case of the UV crosslinked MMM application in the present invention, the polymer matrix is capable of forming a crosslinked structure that provides a wide range of properties important for membrane separation, such as low cost and ease of processing, and further improves membrane selectivity Should be selected from polymeric materials. A comparable membrane made from a pure polymer preferably exhibits a carbon dioxide or hydrogen selectivity over methane of 10 or greater, more preferably of 15 or greater. Preferably, the polymer used as the continuous polymer matrix phase in the crosslinked MMM is a UV crosslinkable rigid glassy polymer. The weight ratio of the polymer serving as the molecular sieve to the continuous polymer matrix in the UV crosslinked MMM of the present invention is 1: 100 (acting as a continuous polymer matrix, depending on the desired properties as well as the degree of dispersion of the particular molecular sieve in the particular continuous polymer matrix (1 part by weight of molecular sieve per 100 parts by weight of polymer to be polymerized) to 1: 1 (100 parts by weight of molecular sieve per 100 parts by weight of polymer acting as a continuous polymer matrix).
UV 가교결합된 MMM의 제법에 적합한 연속성 중합체 매트릭스 상으로서 작용하는 통상적인 중합체는 중합체 쇄 분획을 포함하고, 이러한 중합체 쇄 분획의 적어도 일부는 UV 방사선에 노광됨으로써 직접 공유 결합을 통해 서로 UV 가교결합될 수 있다. UV 가교결합성 중합체는 UV 가교결합성 니트릴(-C≡N), 벤조페논(-C6H4-C(=O)-C6H4-), 아크릴(CH2=C(COOH)- 또는 -CH=C(COOH)-), 비닐(CH2=CH-), 스티렌(C6H5-CH=CH- 또는 -C6H4-CH=CH2), 스티렌-아크릴, 아릴 설포닐(-C6H4-SO2-C6H4-), 3,4-에폭시사이클로헥실 및 2,3-디하이드로푸란 기 또는 이들 기의 조합을 함유하는 임의의 중합체로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 이러한 중합체는 폴리설폰; 설폰화 폴리설폰; 폴리에테르설폰(PES); 설폰화 PES; 폴리아크릴레이트; 폴리에테르이미드; 스티렌 함유 공중합체, 예컨대 아크릴로니트릴스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔 공중합체 및 스티렌-비닐벤질할라이드 공중합체를 비롯한 폴리(스티렌); 폴리이미드, 예컨대 폴리[l,2,4,5-벤젠테트라카르복실산 2무수물-코-3,3',4,4'-벤조페논테트라카르복실산 2무수물-코-4,4'-메틸렌비스(2,6-디메틸아닐린)] 이미드(예, 폴리이미드 내에 1,2,4,5-벤젠테트라카르복실산 2무수물과 3,3',4,4'-벤조페논테트라카르복실산 2무수물의 1:1 비를 갖는 폴리이미드), Huntsman Advanced Materials에 의해 상표 Matrimid®하에 시판되는 Matrimid(Matrimid® 5218은 상표 Matrimid®하에 시판되는 특정한 폴리이미드 중합체를 말함) 및 HP Polymers GmbH로부터 각각 상표 P84 및 P84HT하에 시판되는 P84 또는 P84HT; 폴리아미드와 폴리이미드의 혼합물; 폴리케톤, 폴리에테르 케톤으로부터 선택할 수 있지만, 이들에 국한되지는 않는다.Conventional polymers that serve as a continuous polymer matrix phase suitable for the preparation of UV crosslinked MMMs comprise polymeric chain fractions and at least a portion of such polymeric chain fractions are exposed to UV radiation to be UV crosslinked . The UV cross-linkable polymer may be a UV crosslinkable nitrile (-C? N), benzophenone (-C 6 H 4 -C (═O) -C 6 H 4 -), acrylic (CH 2 ═C (COOH) or -CH = C (COOH) -) , vinyl (CH 2 = CH-), styrene (C 6 H 5 -CH = CH- or -C 6 H 4 -CH = CH 2 ), styrene-acrylic, aryl sulfonyl (-C 6 H 4 -SO 2 -C 6 H 4 -), 3,4- and 2,3-epoxycyclohexyl group, or a dihydro-furan may be selected from any of the polymers containing a combination of these groups . For example, such polymers include polysulfones; Sulfonated polysulfone; Polyethersulfone (PES); Sulfonated PES; Polyacrylates; Polyetherimide; Poly (styrene) including styrene-containing copolymers such as acrylonitrile styrene copolymer, styrene-butadiene copolymer and styrene-vinylbenzyl halide copolymer; Polyimides such as poly [l, 2,4,5-benzenetetracarboxylic acid dianhydride-ko-3,3 ', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic acid dianhydride- Methylene bis (2,6-dimethylaniline)] imide (e.g., 1,2,4,5-benzenetetracarboxylic acid dianhydride and 3,3 ', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic acid the acid dianhydride 1:01 polyimide having a ratio), Matrimid (Matrimid ® 5218 which is sold under the trademark Matrimid ® by Huntsman Advanced Materials are speaking a particular polyimide polymer sold under ® trademark Matrimid) and respectively from HP polymers GmbH P84 or P84HT, sold under the trademarks P84 and P84HT; A mixture of polyamide and polyimide; But are not limited to, polyketones, polyether ketones, and the like.
UV 가교결합된 MMM의 제법에 적합한 연속성 중합체 매트릭스 상으로서 작용하는 몇몇 바람직한 중합체로는 폴리에테르설폰(PES); 설폰화 PES; 폴리이미드, 예컨대 Huntsman Advanced Materials에 의해 상표 Matrimid®하에 시판되는 Matrimid(Matrimid® 5218은 상표 Matrimid®하에 시판되는 특정한 폴리이미드 중합체를 말함), HP Polymers GmbH로부터 각각 상표 P84 및 P84HT하에 시판되는 P84 또는 P84HT, 폴리(3,3',4,4'-벤조페논 테트라카르복실산 2무수물-피로멜리트산 2무수물-4,4'-옥시디프탈산 무수물-3,3',5,5'-테트라메틸-4,4'-메틸렌 디아닐린)(폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA), 도 7), 폴리(3,3',4,4'-디페닐설폰 테트라카르복실산 2무수물-3,3',5,5'-테트라메틸-4,4'-메틸렌 디아닐린)(폴리(DSDA-TMMDA), 도 8), 폴리(3,3',4,4'-디페닐설폰 테트라카르복실산 2무수물-피로멜리트산 2무수물-3,3',5,5'-테트라메틸-4,4'-메틸렌 디아닐린)(폴리(DSDA-PMDA-TMMDA), 도 9); 및 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체(도 10a 및 10b)를 포함하지만, 이들에 국한되지는 않는다.Some preferred polymers that serve as a continuous polymer matrix phase suitable for the preparation of UV crosslinked MMMs include polyethersulfone (PES); Sulfonated PES; Polyimide, e.g., P84 or respectively sold under the trademark P84 and P84HT Matrimid as marketed under the trademark Matrimid ® by Huntsman Advanced Materials (Matrimid ® 5218 is referring to a particular polyimide polymer sold under ® trademark Matrimid), from HP Polymers GmbH P84HT , Poly (3,3 ', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic acid dianhydride-pyromellitic acid dianhydride-4,4'-oxydiphthalic anhydride-3,3', 5,5'-tetramethyl (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) (FIG. 7), poly (3,3 ', 4,4'-diphenylsulfone tetracarboxylic acid dianhydride- 3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-methylene dianiline) (poly (DSDA-TMMDA), FIG. 8), poly (3,3', 4,4'-diphenylsulfonetetracarboxyl Acid dianhydride-pyromellitic acid dianhydride-3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-methylene dianiline) (poly (DSDA-PMDA-TMMDA), FIG. 9); And UV cross-linkable microporous polymers (Figures 10a and 10b).
UV 가교결합된 MMM의 제법에 적합한 연속성 중합체 매트릭스 상으로서 작용하는 가장 바람직한 중합체로는 PES; 폴리이미드, 예컨대 Matrimid®, 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA), 폴리(DSDA-TMMDA), 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 및 P84 또는 P84HT; 및 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체를 포함하지만, 이들에 국한되지는 않는다.The most preferred polymers acting as a continuous polymer matrix phase suitable for the preparation of UV crosslinked MMMs include PES; Polyimide, e.g., Matrimid ®, poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA ), poly (DSDA-TMMDA), poly (DSDA-PMDA-TMMDA), and P84 or P84HT; And UV cross-linkable microporous polymers.
본원에 기재되어 있는 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체(또는 소위 "고유 마이크로기공도의 중합체", 문헌[McKeown, et al., CHEM. COMMUN., 2780 (2002); McKeown, et al, CHEM. COMMUN., 2782 (2002); Budd, et al., J. MATER. CHEM., 13:2721 (2003); Budd, et al., CHEM. COMMUN., 230 (2004); Budd, et al., ADV. MATER., 16:456 (2004); McKeown, et al., CHEM. EUR. J., 11:2610 (2005)]을 참조할 수 있음)는 이의 분자 구조에 고유한 마이크로기공도를 보유하고 또한 중합체 쇄 분획을 포함하는 중합체 물질이고, 이 중합체 쇄 분획의 적어도 일부는 UV 방사선에 노광될 때 직접 공유 결합을 통해 서로 UV 가교결합된다. UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체는 UV 가교결합성 니트릴(-C≡N), 벤조페논(-C6H4-C(=O)-C6H4-), 아크릴(CH2=C(COOH)- 또는 -CH=C(COOH)-), 비닐(CH2=CH-), 스티렌(C6H5-CH=CH- 또는 -C6H4-CH=CH2), 스티렌-아크릴, 아릴 설포닐(-C6H4-SO2-C6H4-), 3,4-에폭시사이클로헥실 및 2,3-디하이드로푸란 기 또는 이들 기의 조합을 함유하는 임의의 마이크로다공성 중합체로부터 선택될 수 있다. 몇몇 대표적인 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체의 구조 및 이의 제법은 도 10a 및 10b에 도시되어 있다. 이러한 유형의 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체는 본 발명에서 UV 가교결합된 MMM 내의 연속성 중합체 매트릭스로서 사용할 수 있다. UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체는 불규칙하게 일그러진 경질의 봉형 구조를 가져 고유 마이크로기공도를 생성시킨다. 이러한 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체는 크고 접근가능한 표면적, 2 ㎚ 이하의 크기의 상호연결된 고유 마이크로기공뿐만 아니라, 높은 화학적 및 열적 안정성과 같은 통상의 마이크로다공성 분자체 물질과 유사한 거동을 나타내고, 또한, 우수한 용해도 및 용이한 가공성과 같은 통상의 중합체의 특성을 보유한다. 또한, 이러한 UV 가교결합성 마이크로다공성 중합체는 이산화탄소와 에테르 사이의 바람직한 상호작용을 갖는 폴리에테르 중합체 쇄를 보유한다. UV crosslinkable microporous polymers (or so-called "polymers of intrinsic microporosity ", McKeown, et al., CHEM. COMMUN., 2780 (2002); McKeown, et al, CHEM. COMMUN Budd, et al., ADV (2001), " Budd, et al., J. < RTI ID = 0.0 & (See, for example, McKeown, et al., CHEM, EUR, J., 11: 2610 (2005)) have micropurity degrees unique to their molecular structures Also, a polymeric material comprising a polymeric chain fraction, wherein at least a portion of the polymeric chain fraction is UV crosslinked to one another via direct covalent bonds when exposed to UV radiation. UV crosslinkable microporous polymers include UV crosslinkable nitrile (-C? N), benzophenone (-C 6 H 4 -C (═O) -C 6 H 4 -), acrylic (CH 2 ═C ) - or -CH = C (COOH) -), vinyl (CH 2 = CH-), styrene (C 6 H 5 -CH═CH- or -C 6 H 4 -CH═CH 2 ), styrene- From any microporous polymer containing arylsulfonyl (-C 6 H 4 -SO 2 -C 6 H 4 -), 3,4-epoxycyclohexyl and 2,3-dihydrofuran groups or combinations of these groups Can be selected. The structures of some exemplary UV crosslinkable microporous polymers and their preparation are shown in Figures 10a and 10b. This type of UV crosslinkable microporous polymer can be used as a continuous polymer matrix in UV crosslinked MMMs in the present invention. UV crosslinkable microporous polymers have irregularly distorted rigid rod-like structures, resulting in intrinsic microporosity. Such UV crosslinkable microporous polymers exhibit similar behavior to conventional microporous molecular sieve materials, such as high chemical and thermal stability, as well as large and accessible surface area, interconnected intrinsic micropores of
분자체 입자를 농축 현탁액 중에 분산시키는데에 그리고 분자체를 작용기화하는데 사용된 중합체 및 연속성 중합체 매트릭스로서 작용하는 중합체를 용해시키는데에 사용되는 용매는 주로 중합체를 전부 용해시키는 이의 능력 및 멤브레인 형성 단계에서 용매 제거의 용이성에 대해 선택한다. 용매 선택시 다른 고려사항은 낮은 독성, 낮은 부식 활성, 낮은 환경 위험 가능성, 이용가능성 및 비용을 포함한다. 본 발명에서 사용하기 위한 대표적인 용매는 중합체 멤브레인의 형성에 통상적으로 사용되는 대부분의 아미드 용매, 예컨대 N-메틸피롤리돈(NMP) 및 N,N-디메틸 아세트아미드(DMAC), 메틸렌 클로라이드, THF, 아세톤, DMF, DMSO, 톨루엔, 디옥산, 1,3-디옥솔란, 이들의 혼합물, 당해 분야의 숙련된 당업자 공지된 다른 용매들 및 이들의 혼합물을 포함한다. The solvent used to dissolve the polymer used to disperse the molecular sieve particles in the concentration suspension and to function as the polymer and the polymer used to functionalize the molecular sieve and the polymer acting as the continuous polymer matrix mainly depends on its ability to dissolve the polymer entirely, Choose for ease of removal. Other considerations in solvent selection include low toxicity, low corrosive activity, low environmental risk potential, availability and cost. Representative solvents for use in the present invention include most of the amide solvents commonly used in the formation of polymeric membranes such as N-methylpyrrolidone (NMP) and N, N-dimethylacetamide (DMAC), methylene chloride, THF, Acetone, DMF, DMSO, toluene, dioxane, 1,3-dioxolane, mixtures thereof, other solvents known to those skilled in the art, and mixtures thereof.
본 발명에서, UV 가교결합된 MMM은 용매 혼합물, 중합체 작용기화 분자체 및 연속성 중합체 매트릭스를 함유하는 안정화된 농축 현탁액으로부터 다양한 멤브레인 구조, 예컨대 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 조밀 필름, 비대칭성 평탄 시트의 UV 가교결합된 MMM, 비대칭성 박막 필름 복합체의 UV 가교결합된 MMM 또는 비대칭성 중공 섬유의 UV 가교결합된 MMM으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 현탁액은 깨끗한 유리 플레이트의 상부에 분무하거나, 스핀 코팅하거나, 실링된 유리 고리에 붓거나, 닥터 나이프로 캐스팅할 수 있다. 다른 방법에서, 다공성 기재를 현탁액으로 딥 코팅할 수 있다. 본 발명에서 사용된 하나의 용매 제거 기술은 희석 건조 가스로 형성된 멤브레인 위의 대기를 환기시키고 진공을 인출함으로써 휘발성 용매를 증발시키는 것이다. 본 발명에서 사용된 다른 용매 제거 기술은 현탁액의 용매와 혼화성인 중합체의 경우 농축 현탁액의 캐스트 박층(유리 플레이트 위에 또는 다공성 또는 투과성 기재 위에 미리 캐스팅함)을 비용매 중에 액침시키는 것을 필요로 한다. 용매의 제거를 수월하게 하기 위해, 기재 및/또는 대기 또는 분산액의 박층이 액침되는 비용매를 가열할 수 있다. UV 가교결합성 MMM이 실질적으로 용매를 포함하지 않는 경우, 이 UV 가교결합성 MMM을 유리 플레이트로부터 분리시켜 자립(free-standing)(또는 독립) 구조를 형성할 수 있거나, 또는 UV 가교결합성 MMM을 다공성 또는 투과성 지지체 기재와 접촉된 채 두어 통합된 복합체 어셈블리를 형성할 수 있다. 이용될 수 있는 추가의 제조 단계는 잔류 용매 및 다른 외부물질을 멤브레인으로부터 추출하기 위해 UV 가교결합성 MMM을 적절한 액체의 욕 중에 세척하고, 이 세척된 UV 가교결합성 MMM을 건조시켜 잔류 액체를 제거하는 단계를 포함한다. 몇몇 경우에, UV 가교결합성 MMM을 UV 방사선 경화성 에폭시 실리콘과 같은 물질의 박층으로 코팅하여 UV 가교결합성 MMM 위의 표면 공극 및 결함을 채울 수 있다.In the present invention, the UV crosslinked MMM can be prepared from a stabilized thickening suspension containing a solvent mixture, a polymeric functionalized molecular sieve and a continuous polymer matrix, into various membrane structures such as UV crosslinked mixed matrix dense films, UV of asymmetric flat sheets Crosslinked MMM, UV crosslinked MMM of asymmetric thin film film composites or UV crosslinked MMM of asymmetric hollow fibers. For example, the suspension may be sprayed on top of a clean glass plate, spin coated, poured into a sealed glass loop, or cast with a doctor knife. In another method, the porous substrate can be dip coated with a suspension. One solvent removal technique used in the present invention is to ventilate the atmosphere above the membrane formed of the dilute dry gas and to withdraw the vacuum to evaporate the volatile solvent. Other solvent removal techniques used in the present invention require that the cast thin layer of a thickening suspension (pre-cast on a glass plate or on a porous or transparent substrate) is immersed in the non-solvent for a polymer that is miscible with the solvent of the suspension. To facilitate the removal of the solvent, it is possible to heat the non-solvent in which the substrate and / or the thin layer of the air or dispersion liquid is immersed. If the UV crosslinkable MMM is substantially free of solvent, the UV crosslinkable MMM can be separated from the glass plate to form a free-standing (or independent) structure, or UV crosslinkable MMM May be left in contact with the porous or permeable support substrate to form an integrated composite assembly. A further manufacturing step that may be used is to wash the UV crosslinkable MMM in a bath of a suitable liquid to extract residual solvent and other foreign materials from the membrane and dry the washed UV crosslinkable MMM to remove the residual liquid . In some cases, the UV cross-linkable MMM can be coated with a thin layer of material such as UV radiation curable epoxy silicone to fill the surface voids and defects on the UV cross-linkable MMM.
이어서, UV 가교결합된 MMM은, UV 가교결합성 MMM 또는 박층의 코팅을 갖는 UV 가교결합성 MMM을 원하는 분리 특성에 기초하여 선택된 기간 동안 일정한 거리로부터의 UV 램프를 사용하여 추가로 UV 가교결합함으로써 제조한다. 예를 들면, UV 가교결합된 MMM은 50℃ 이하에서 30 분의 조사 시간 동안 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시킴으로써 MMM로부터 제조할 수 있다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드(Ace Glass Incorporated)로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다. UV 가교결합된 MMM에서의 가교결합도의 최적화는 개선된 투과 특성 및 환경적 안정성을 지닌 광범위한 가스 및 액체 분리에 멤브레인을 맞춤 제작하는 것을 촉진한다. 본 발명의 UV 가교결합된 MMM의 가교결합도는 UV 램프와 멤브레인 표면 사이의 거리, UV 조사 시간, UV 광의 파장 및 강도 등을 조정함으로써 조절할 수 있다. 바람직하게는, UV 램프로부터 멤브레인 표면으로의 거리는 12 와트 내지 450 와트의 저압 또는 중압 수은 아크 램프로부터 제공된 UV 광으로 0.8 내지 25.4 ㎝(0.3 내지 10 inch) 범위이고, UV 조사 시간은 1 분 내지 1 시간 범위이다. 더욱 바람직하게는, UV 램프로부터 멤브레인 표면으로의 거리는 12 와트 내지 450 와트의 저압 또는 중압 수은 아크 램프로부터 제공된 UV 광으로 1.3 내지 5.1 ㎝(0.5 내지 2 inch) 범위이고, UV 조사 시간은 1 내지 40 분 범위이다. The UV crosslinked MMM can then be further crosslinked by UV crosslinking using a UV lamp from a certain distance for a selected period of time based on the desired separation characteristics of the UV crosslinkable MMM with UV crosslinkable MMM or coating of the thin layer . For example, UV crosslinked MMM can be prepared using UV light of 254 nm wavelength generated from a UV lamp with a distance of 1.9 cm (0.75 inch) from the membrane surface to the UV lamp for 30 minutes of irradiation time at 50 ° C or less Can be prepared from MMM by exposure to UV radiation. The UV lamp described herein is a low pressure mercury arc immersion UV quartz 12-watt lamp with a 12-watt power supply from Ace Glass Incorporated. Optimization of the degree of crosslinking in UV crosslinked MMM facilitates customization of the membrane to a wide range of gas and liquid separations with improved permeation characteristics and environmental stability. The crosslinking degree of the UV crosslinked MMM of the present invention can be controlled by adjusting the distance between the UV lamp and the membrane surface, the UV irradiation time, the wavelength and intensity of the UV light, and the like. Preferably, the distance from the UV lamp to the membrane surface is in the range of 0.8 to 25.4 cm (0.3 to 10 inch) with UV light provided from a low pressure or medium pressure mercury arc lamp of 12 to 450 watts and the UV irradiation time is 1 to 1 Time range. More preferably, the distance from the UV lamp to the membrane surface is in the range of 1.3 to 5.1 cm (0.5 to 2 inches) with UV light provided from a low pressure or medium pressure mercury arc lamp from 12 to 450 watts, and the UV irradiation time is from 1 to 40 Min.
몇몇 경우에, UV 가교결합된 MMM을 추가로 폴리실록산, 불소중합체 또는 열경화성 실리콘 고무와 같은 물질의 박층으로 코팅하여 UV 가교결합된 MMM 위의 표면 공극 및 결함을 채운다. In some cases, the UV cross-linked MMM is further coated with a thin layer of a material such as polysiloxane, fluoropolymer, or thermosetting silicone rubber to fill the surface voids and defects on the UV cross-linked MMM.
본 발명의 하나의 바람직한 실시양태는 고 다공성 지지층의 상부 위에 평활하고 얇은 조밀의 선택적인 층을 포함하는 가스 분리용 비대칭성 평탄 시트 형태의 UV 가교결합된 MMM이다. 본 발명의 다른 바람직한 실시양태는 고 다공성 지지층의 상부 위에 평활하고 얇은 조밀의 선택적인 층을 포함하는 가스 분리용 비대칭성 중공 섬유 형태의 UV 가교결합된 MMM이다. One preferred embodiment of the present invention is a UV crosslinked MMM in the form of an asymmetric flat sheet for gas separation comprising a smooth, thin dense, selective layer on top of the porous support layer. Another preferred embodiment of the present invention is a UV cross-linked MMM in the form of an asymmetric hollow fiber for gas separation comprising a smooth, thin dense, selective layer on top of the porous support layer.
고성능 UV 가교결합된 MMM을 제조하기 위한 본 발명의 방법은 대규모 멤브레인 생산에 적합하고 상업용 중합체 멤브레인 제조 공정에 통합될 수 있다. 본 발명에 기재된 방법에 의해 제조된 UV 가교결합된 MMM, 특히 조밀 필름의 MMM, 비대칭성 평탄 시트의 MMM, 비대칭성 박막 필름 복합체의 MMM 또는 비대칭성 중공 섬유의 UV 가교결합된 MMM은 이의 상응하는 중합체 매트릭스로부터 제조된 중합체 멤브레인에 대해 그리고 동일한 중합체 매트릭스와 동일한 분자체를 함유하는 현탁액으로부터 제조되지만 중합체 작용기화되지 않은 멤브레인에 대해 현저히 향상된 선택도 및/또는 투과도를 나타낸다.The process of the present invention for producing high performance UV crosslinked MMM is suitable for large scale membrane production and can be integrated into commercial polymer membrane manufacturing processes. The UV crosslinked MMMs produced by the process described in the present invention, particularly the MMMs of dense films, the MMM of the asymmetric flat sheet, the MMM of the asymmetric thin film composite or the UV crosslinked MMM of the asymmetric hollow fibers, Exhibit significantly improved selectivity and / or permeability for polymeric membranes prepared from polymeric matrices and for membranes which are prepared from suspensions containing the same molecular sieves and the same polymeric matrix but which are not polymeric functionalized.
본 발명은 본 발명에 기재된 UV 가교결합된 MMM을 사용하여 가스 혼합물로부터 1 이상의 가스를 분리하는 방법으로서, (a) 상기 1 이상의 가스에 투과성인 연속성 UV 가교결합된 중합체 매트릭스 중에 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체 충전제 물질을 포함하는 UV 가교결합된 MMM을 제공하는 단계, (b) 가스 혼합물을 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인의 한쪽 면에 접촉시켜 상기 1 이상의 가스가 UV 가교결합된 MMM을 통과하도록 하는 단계, 및 (c) 멤브레인의 반대 면으로부터 상기 멤브레인을 투과한 상기 1 이상의 가스를 포함하는 투과 가스 조성물을 제거하는 단계를 포함하는 분리 방법을 제공한다. The present invention is a process for separating one or more gases from a gaseous mixture using UV crosslinked MMM as described herein, comprising the steps of: (a) providing a homogeneously dispersed polymer in a continuous UV crosslinked polymer matrix permeable to said at least one gas Providing a UV cross-linked MMM comprising a functionalized molecular sieve filler material; (b) contacting the gas mixture to one side of a UV cross-linked mixed matrix membrane such that the at least one gas passes through UV cross-linked MMM And (c) removing the permeate gas composition comprising the at least one gas that has permeated the membrane from the opposite side of the membrane.
본 발명의 UV 가교결합된 MMM은 다양한 가스, 증기 및 액체 분리에 적합하고, 가스 및 증기 분리, 예컨대 CO2/CH4, H2/CH4, O2/N2, CO2/N2, 올레핀/파라핀 및 이소/노말 파라핀의 분리에 특히 적합하다. The UV cross-linked MMM of the present invention is suitable for a wide range of gases, vapors, and liquid separation and gas and vapor separation, for example, CO 2 / CH 4, H 2 / CH 4,
본 발명의 UV 가교결합된 MMM은 액체 또는 가스 상 중의 특정한 종의 정제, 분리 또는 흡수에 특히 유용하다. 가스 쌍의 분리 이외에, 이러한 UV 가교결합된 MMM은 예를 들면 단백질 또는 다른 열적으로 불안정한 화합물의 분리, 예를 들면 약학 및 생물공학 산업에서의 분리에 사용할 수 있다. UV 가교결합된 MMM은 또한 가스를 반응 용기로 수송하고 이 용기로부터 세포 배양 배지를 옮기기 위해 발효기 및 바이오반응기에서 사용할 수 있다. 추가로, UV 가교결합된 MMM은 연속식 발효/멤브레인 투과증발 시스템에서 공기 또는 물 스트림, 물 정제, 에탄올 생성으로부터 미생물의 제거에 그리고 공기 또는 물 스트림에서 미량 화합물 또는 금속 염의 검출 또는 제거에 사용할 수 있다. The UV crosslinked MMMs of the present invention are particularly useful for the purification, separation or absorption of certain species in liquid or gas phases. In addition to separation of the gas pairs, such UV crosslinked MMM can be used, for example, for the separation of proteins or other thermally unstable compounds, for example in the pharmaceutical and biotechnological industries. The UV crosslinked MMM can also be used in a fermenter and a bioreactor to transport the gas to a reaction vessel and transfer the cell culture medium from the vessel. In addition, UV crosslinked MMM can be used for the removal of microorganisms from air or water streams, water purification, ethanol production in continuous fermentation / membrane pervaporation systems and for the detection or removal of trace compounds or metal salts in air or water streams have.
본 발명의 UV 가교결합된 MMM은 공기 정제, 석유화학, 정제소 및 천연 가스 산업에서 가스 분리 공정에 특히 유용하다. 이러한 분리의 예로는 공기로부터 질소 또는 산소 및 질소의 회수와 같은 대기 가스로부터 휘발성 유기 화합물(예컨대, 톨루엔, 크실렌 및 아세톤)의 분리를 포함한다. 이러한 분리의 추가의 예로는 천연 가스로부터 CO2의 분리, 암모니아 퍼지 가스 스트림 내의 N2, CH4 및 Ar로부터 H2의 분리, 정제소에서 H2의 회수, 올레핀/파라핀 분리, 예컨대 프로필렌/프로판 분리 및 이소/노말 파라핀 분리가 있다. 분자 크기가 상이한 임의의 소정의 쌍 또는 군의 가스, 예를 들면 질소와 산소, 이산화탄소와 메탄, 수소와 메탄 또는 일산화탄소, 헬륨과 메탄은 본원에 기재되어 있는 UV 가교결합된 MMM을 사용하여 분리할 수 있다. 2 이상의 가스를 제3 가스로부터 제거할 수 있다. 예를 들면, 본원에 기재되어 있는 멤브레인을 사용하여 천연 가스 원료로부터 선택적으로 제거될 수 있는 가스 성분 중 일부는 이산화탄소, 산소, 질소, 수증기, 황화수소, 헬륨 및 다른 미량 가스를 포함한다. 선택적으로 보유될 수 있는 가스 성분 중 일부는 탄화수소 가스를 포함한다. The UV crosslinked MMMs of the present invention are particularly useful in gas separation processes in the air purification, petrochemical, refinery and natural gas industries. Examples of such separation include the separation of volatile organic compounds (e.g., toluene, xylene, and acetone) from atmospheric gases such as nitrogen or recovery of oxygen and nitrogen from air. Additional examples of such separation include separation of CO 2 from natural gas, separation of H 2 from N 2 , CH 4 and Ar in the ammonia purge gas stream, recovery of H 2 from the refinery, olefin / paraffin separation such as propylene / And iso / normal paraffin separation. Any predetermined pair or group of gases of different molecular size, such as nitrogen and oxygen, carbon dioxide and methane, hydrogen and methane or carbon monoxide, helium and methane, may be separated using UV cross-linked MMM as described herein . Two or more gases can be removed from the third gas. For example, some of the gas components that can be selectively removed from natural gas feeds using the membranes described herein include carbon dioxide, oxygen, nitrogen, water vapor, hydrogen sulfide, helium, and other trace gases. Some of the gas components that may optionally be retained include hydrocarbon gases.
본 발명에 기재된 UV 가교결합된 MMM은 또한 가스 스트림으로부터 유기 증기를 제거하기 위한 화학, 석유화학, 약학 및 연합 산업에서의 가스/증기 분리 공정에서, 예를 들면 대기정화법(clean air regulation)을 만족시키는 휘발성 유기 화합물의 회수를 위한 배기 가스 처리에서 또는 중요한 화합물(예, 비닐클로라이드 단량체, 프로필렌)이 회수될 수 있도록 제조 플랜트에서의 공정 스트림 내에서 특히 유용하다. 이러한 UV 가교결합된 MMM이 사용될 수 있는 가스/증기 분리 공정의 추가의 예로는 천연 가스의 탄화수소 이슬점의 감소를 위한(즉, 탄화수소 이슬점을 액체 탄화수소가 수송관에서 분리되지 않도록 최저의 가능한 배출 수송관 온도보다 낮게 감소시키는 것), 가스 엔진 및 가스 터빈용 연료 가스에서의 메탄가의 조절을 위한 그리고 가솔린의 회수를 위한 오일 및 가스 정제소에서의 수소로부터 탄화수소의 증기 분리가 있다. UV 가교결합된 MMM은 멤브레인을 가로지르는 특정한 가스의 수송을 수월하게 하기 위해 이 가스에 강하게 흡착하는 종(예를 들면, O2의 경우 코발트 포르피린 또는 프탈로시아닌 또는 에탄의 경우 은(I))을 혼입할 수 있다.The UV crosslinked MMM described in the present invention can also be used in gas / vapor separation processes in chemical, petrochemical, pharmaceutical and allied industries to remove organic vapors from a gas stream, for example by satisfying clean air regulation In the exhaust stream for the recovery of volatile organic compounds, or in the process stream in the production plant such that important compounds (e.g., vinyl chloride monomers, propylene) can be recovered. Further examples of gas / vapor separation processes in which such UV cross-linked MMMs may be used include those for reducing the hydrocarbon dew point of the natural gas (i. E., The hydrocarbon dew point to the lowest possible exhaust transport pipe Temperature), vapor separation of hydrocarbons from hydrogen in oil and gas refineries for the regeneration of methane in fuel gas for gas engines and gas turbines, and for recovery of gasoline. UV cross-linked MMM incorporates species that strongly adsorb to this gas (e.g., cobalt porphyrin or phthalocyanine for O 2 or (I) for ethane) to facilitate transport of specific gases across the membrane can do.
이러한 UV 가교결합된 MMM은 또한 투과증발에 의한 액체 혼합물의 분리에서, 예컨대 수성 유출물 또는 공정유와 같은 물로부터 유기 화합물(예, 알콜, 페놀, 염소화 탄화수소, 피리딘, 케톤)의 제거에서 사용할 수 있다. 에탄올에 선택적인 멤브레인은 발효 공정에 의해 얻은 비교적 희석된 에탄올 용액(5~10% 에탄올) 중의 에탄올 농도를 증가시키는데 사용한다. 이러한 UV 가교결합된 MMM을 사용하는 다른 액체 상 분리의 예로는 US 제7,048,846 B2호(이의 전체로 본원에 참조로 인용되어 있음)에 기재된 공정과 유사한 투과증발 멤브레인 공정에 의한 가솔린 및 디젤 연료의 심도 탈황이 있다. 황 함유 분자에 선택적인 UV 가교결합된 MMM은 유동 접촉 분해(FCC; fluid catalytic cracking)로부터 황 함유 분자 및 다른 나프타 탄화수소 스트림을 선택적으로 제거하는데 사용된다. 추가의 액체 상의 예로는, 예를 들면 유기 화합물의 이성체를 분리하기 위한, 다른 유기 성분으로부터의 1의 유기 성분의 분리를 포함한다. 본 발명의 멤브레인을 사용하여 분리할 수 있는 유기 화합물들의 혼합물로는 에틸아세테이트-에탄올, 디에틸에테르-에탄올, 아세트산-에탄올, 벤젠-에탄올, 클로로포름-에탄올, 클로로포름-메탄올, 아세톤-이소프로필에테르, 알릴알콜-알릴에테르, 알릴알콜-사이클로헥산, 부탄올-부틸아세테이트, 부탄올-1-부틸에테르, 에탄올-에틸부틸에테르, 프로필아세테이트-프로판올, 이소프로필에테르-이소프로판올, 메탄올-에탄올-이소프로판올 및 에틸아세테이트-에탄올-아세트산을 포함한다. These UV crosslinked MMMs can also be used in the separation of liquid mixtures by pervaporation, for example in the removal of organic compounds (e.g., alcohols, phenols, chlorinated hydrocarbons, pyridines, ketones) from water such as aqueous effluents or process oils have. Selective membranes for ethanol are used to increase the concentration of ethanol in a relatively dilute ethanol solution (5 to 10% ethanol) obtained by the fermentation process. Examples of other liquid phase separations using such UV crosslinked MMMs include depths of gasoline and diesel fuel by a pervaporation membrane process similar to that described in US 7,048,846 B2, incorporated herein by reference in its entirety There is desulfurization. UV crosslinked MMM selective to sulfur containing molecules is used to selectively remove sulfur containing molecules and other naphtha hydrocarbon streams from fluid catalytic cracking (FCC). Examples of further liquid phases include, for example, the separation of one organic component from another organic component to separate the isomers of the organic compound. The mixture of organic compounds which can be separated by using the membrane of the present invention may be selected from the group consisting of ethyl acetate-ethanol, diethyl ether-ethanol, acetic acid-ethanol, benzene-ethanol, chloroform-ethanol, chloroform-methanol, acetone- Butanol-1-butyl ether, ethanol-ethyl butyl ether, propyl acetate-propanol, isopropyl ether-isopropanol, methanol-ethanol-isopropanol and ethyl acetate- isopropyl alcohol, allyl alcohol-allyl ether, allyl alcohol-cyclohexane, Ethanol-acetic acid.
UV 가교결합된 MMM은 물로부터 유기 분자의 분리(예를 들면 투과증발에 의한 물로부터 에탄올 및/또는 페놀의 분리) 및 물로부터 금속 및 다른 유기 화합물의 제거에 사용할 수 있다. UV crosslinked MMM can be used for the separation of organic molecules from water (for example, the separation of ethanol and / or phenol from water by pervaporation) and the removal of metals and other organic compounds from water.
UV 가교결합된 MMM의 추가의 용도는 화학 반응기에서, 물의 제거에 의해 에스테르화 수율을 증대시키는 친수성 멤브레인을 사용하는 것과 유사한 방식으로, 특별한 생성물의 선택적인 제거에 의해 평형 제한 반응의 수율을 증대시키는 것이다. A further use for UV crosslinked MMM is to increase the yield of the equilibrium limiting reaction by selective removal of a particular product in a manner similar to the use of a hydrophilic membrane in a chemical reactor to increase the esterification yield by the removal of water will be.
본 발명은 균일하게 분산된 중합체 작용기화 분자체 및 연속성 중합체 매트릭스를 함유하는 안정한 농축 현탁액으로부터 제조된 신규한, 공극과 결함이 없는, 중합체 작용기화 분자체와 중합체의 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)에 관한 것이다. 이러한 신규한 UV 가교결합된 MMM은 천연 가스로부터의 이산화탄소 제거를 비롯하여 가스 혼합물의 분리를 위해 당면한 용도를 갖는다. UV 가교결합된 MMM은 이산화탄소가 천연 가스 내의 메탄보다 더 빠른 속도로 확산되게 허용한다. 이산화탄소는 더 높은 용해도, 더 높은 확산도 또는 둘 다로 인해 메탄보다 더 높은 투과 속도를 갖는다. 따라서, 이산화탄소는 멤브레인의 투과 면에서 농후하고, 메탄은 멤브레인의 공급(또는 거절) 면에서 농후하다. The present invention relates to a novel, void-free, defect-free, UV-cross-linked mixed matrix membrane of polymeric functionalized molecular sieves and polymers made from a stable thickening suspension containing a uniformly dispersed polymeric functionalized molecular sieve and a continuous polymer matrix MMM). These novel UV crosslinked MMMs have immediate use for the separation of gas mixtures, including the removal of carbon dioxide from natural gas. UV crosslinked MMM allows carbon dioxide to diffuse at a faster rate than methane in natural gas. Carbon dioxide has a higher permeation rate than methane due to higher solubility, higher diffusion, or both. Thus, the carbon dioxide is rich in the permeate side of the membrane, and methane is rich in the supply (or rejection) of the membrane.
크기가 상이한 다른 임의의 소정의 쌍의 가스, 예를 들면 질소와 산소, 이산화탄소와 메탄, 이산화탄소와 질소, 수소와 메탄 또는 일산화탄소, 헬륨과 메탄은 본원에 기재되어 있는 UV 가교결합된 MMM을 사용하여 분리할 수 있다. 2 이상의 가스는 제3 가스로부터 제거할 수 있다. 예를 들면, 본원에 기재되어 있는 멤브레인을 사용하여 천연 가스 원료로부터 선택적으로 제거될 수 있는 성분 중 일부는 이산화탄소, 산소, 질소, 수증기, 황화수소, 헬륨 및 다른 미량 가스를 포함한다. 선택적으로 보유될 수 있는 성분 중 일부는 탄화수소 가스를 포함한다.Any other predetermined pairs of gases of different sizes, such as nitrogen and oxygen, carbon dioxide and methane, carbon dioxide and nitrogen, hydrogen and methane or carbon monoxide, helium and methane, can be prepared using UV crosslinked MMM as described herein Can be separated. Two or more gases can be removed from the third gas. For example, some of the components that can be selectively removed from natural gas feeds using the membranes described herein include carbon dioxide, oxygen, nitrogen, water vapor, hydrogen sulfide, helium, and other trace gases. Some of the optional components that may be retained include hydrocarbon gases.
다음의 실시예는 본 발명의 1 이상의 바람직한 실시양태를 예시하기 위해 제공되지만, 이의 실시양태를 제한하지 않는다. 다음의 실시예에 다양한 변형이 이루어질 수 있고, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. The following examples are provided to illustrate one or more preferred embodiments of the invention, but are not intended to limit the embodiments thereof. Various modifications may be made to the following embodiments, which are within the scope of the present invention.
실시예Example 1: One:
폴리Poly (( DSDADSDA -- PMDAPMDA -- TMMDATMMDA )-) - PESPES 중합체 polymer 멤브레인(P1로 축약)의Of the membrane (abbreviated as P1) 제법 quite
폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 중합체(도 9) 5.4 g 및 폴리에테르설폰(PES) 0.6 g을 기계적으로 교반하여 일정량의 유기 용매 또는 몇몇 유기 용매의 혼합물(예, NMP, 아세톤과 1,3-디옥솔란의 용매 혼합물) 중에 용해시킴으로써 균질한 캐스팅 도프를 형성하였다. 수득된 균질한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다. 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 중합체 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 필름을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 표 1 및 표 2, 및 도 11 및 도 12에 기재된 P1 중합체 멤브레인을 형성하였다.5.4 g of poly (DSDA-PMDA-TMMDA) polyimide polymer (FIG. 9) and 0.6 g of polyethersulfone (PES) were mechanically stirred and mixed with a certain amount of organic solvent or a mixture of several organic solvents (eg NMP, acetone, 3-dioxolane) to form a homogeneous casting dope. The obtained homogeneous casting dope was degassed overnight. Poly (DSDA-PMDA-TMMDA) polymer membranes were prepared from bubble-free casting dope using a doctor knife with 20-millimeter spacing on clean glass plates. The film was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membrane was dried under vacuum at 200 [deg.] C for at least 48 hours to completely remove the residual solvent to form the P1 polymer membrane described in Tables 1 and 2 and Figs. 11 and 12.
실시예Example 2: 2:
UVUV 가교결합된Crosslinked 폴리Poly (( DSDADSDA -- PMDAPMDA -- TMMDATMMDA )-) - PESPES 중합체 polymer 멤브레인(대조군 1로 축약)의Membrane (abbreviated as control 1) of 제법 quite
표 1 및 표 2, 및 도 11 및 도 12에 기재된 대조군 1 중합체 멤브레인은, 50℃에서 10 분의 조사 시간에 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시켜 P1 중합체 멤브레인을 추가로 UV 가교결합함으로써 제조하였다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다.The
실시예Example 3: 3:
UV
UV 가교결합된 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 연속성 매트릭스 중에 분산된 AlPO-14 분자체 충전제 30 중량%를 함유하는 UV 가교결합된 폴리에테르설폰(PES) 작용기화 AlPO-14/폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM 1로 축약)을 다음과 같이 제조하였다: UV crosslinked polyethersulfone (PES) functionalized containing 30 wt.% Of AlPO-14 molecular sieve filler dispersed in a UV crosslinked poly (DSDA-PMDA-TMMDA) polyimide continuity matrix AlPO-14 / poly -PMDA-TMMDA) Mixed matrix membranes (abbreviated as MMM 1) were prepared as follows:
AlPO-14 분자체 1.8 g을 1 시간 동안 기계적으로 교반하고 초음파처리하여 NMP와 1,3-디옥솔란의 혼합물 중에 분산시킴으로써 슬러리를 형성하였다. 이어서, PES 0.6 g을 첨가하여 슬러리 내의 AlPO-14 분자체를 작용기화하였다. 이 슬러리를 적어도 1 시간 동안 교반하여 PES 중합체를 전부 용해시키고 AlPO-14의 표면을 작용기화하였다. 이후에, 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 중합체 5.6 g을 이 슬러리에 첨가하고 수득된 혼합물을 추가로 2 시간 동안 교반하여 연속성 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 분산된 PES 작용기화 AlPO-14 분자체(AlPO-14 대 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 및 PES의 중량비는 30:100이고, PES 대 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA)의 중량비는 1:9임) 30 중량%를 함유하는 안정한 캐스팅 도프를 형성하였다. 이 안정한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다.1.8 g of AlPO-14 molecular sieve was mechanically stirred for 1 hour and sonicated to disperse it in a mixture of NMP and 1,3-dioxolane to form a slurry. Then 0.6 g of PES was added to functionalize the AlPO-14 molecular sieve in the slurry. The slurry was stirred for at least 1 hour to completely dissolve the PES polymer and functionalize the surface of AlPO-14. Thereafter, 5.6 g of poly (DSDA-PMDA-TMMDA) polyimide polymer was added to the slurry and the resulting mixture was stirred for an additional 2 hours to form a PES functionalized dispersed in a continuous poly (DSDA-PMDA-TMMDA)
혼합 매트릭스 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 안정한 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 필름을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 30% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 형성하였다. The mixed matrix membrane was prepared from a stable casting dope without bubbles using a doctor knife with 20-millimeter spacing on a clean glass plate. The film was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membrane was dried under vacuum at 200 [deg.] C for at least 48 hours to remove all residual solvent to form a 30% AlPO-14 / PES / poly (DSDA-PMDA-TMMDA) mixed matrix membrane.
표 1 및 표 2, 및 도 11 및 도 12에 기재된 MMM 1 멤브레인은, 50℃에서 10 분의 조사 시간에 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시켜 30% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 추가로 UV 가교결합함으로써 제조하였다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다.The
실시예Example 4: 4:
UV
UV 가교결합된 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 연속성 매트릭스 중에 분산된 AlPO-14 분자체 충전제 40 중량%를 함유하는 UV 가교결합된 폴리에테르설폰(PES) 작용기화 AlPO-14/폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM 2로 축약)을 다음과 같이 제조하였다: UV crosslinked polyethersulfone (PES) functionalized containing 40 wt% of AlPO-14 molecular sieve filler dispersed in a UV crosslinked poly (DSDA-PMDA-TMMDA) polyimide continuity matrix AlPO-14 / poly -PMDA-TMMDA) Mixed matrix membranes (abbreviated as MMM 2) were prepared as follows:
AlPO-14 분자체 2.4 g을 기계적으로 교반하고 초음파처리하여 NMP와 1,3-디옥솔란의 혼합물 중에 분산시킴으로써 슬러리를 형성하였다. 이어서, PES 0.6 g을 첨가하여 슬러리 내의 AlPO-14 분자체를 작용기화하였다. 이 슬러리를 적어도 1 시간 동안 교반하여 PES 중합체를 전부 용해시키고 AlPO-14의 표면을 작용기화하였다. 이후에, 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 중합체 5.6 g을 이 슬러리에 첨가하고 수득된 혼합물을 추가로 2 시간 동안 교반하여 연속성 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 분산된 PES 작용기화 AlPO-14 분자체(AlPO-14 대 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 및 PES의 중량비는 40:100이고, PES 대 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA)의 중량비는 1:9임) 40 중량%를 함유하는 안정한 캐스팅 도프를 형성하였다. 이 안정한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다.2.4 g of AlPO-14 molecular sieves were mechanically stirred and sonicated to form a slurry by dispersion in a mixture of NMP and 1,3-dioxolane. Then 0.6 g of PES was added to functionalize the AlPO-14 molecular sieve in the slurry. The slurry was stirred for at least 1 hour to completely dissolve the PES polymer and functionalize the surface of AlPO-14. Thereafter, 5.6 g of poly (DSDA-PMDA-TMMDA) polyimide polymer was added to the slurry and the resulting mixture was stirred for an additional 2 hours to form a PES functionalized dispersed in a continuous poly (DSDA-PMDA-TMMDA)
40% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 안정한 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 필름을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 40% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 형성하였다. A 40% AlPO-14 / PES / poly (DSDA-PMDA-TMMDA) mixed matrix membrane was prepared from a stable bubble-free casting dope using a doctor knife with 20-millimeter spacing on a clean glass plate. The film was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membrane was dried under vacuum at 200 [deg.] C for at least 48 hours to completely remove the residual solvent to form a 40% AlPO-14 / PES / poly (DSDA-PMDA-TMMDA) mixed matrix membrane.
표 1 및 표 2, 및 도 11 및 도 12에 기재된 MMM 2 멤브레인은, 50℃에서 10 분의 조사 시간에 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시켜 40% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 추가로 UV 가교결합함으로써 제조하였다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다.The
실시예Example 5: 5:
P1P1
, 대조군 1, ,
실시예 1에서 제조된 P1 중합체 멤브레인, 실시예 2에서 제조된 대조군 1, 실시예 3에서 제조된 MMM 1 및 실시예 4에서 제조된 MMM 2의 CO2 및 CH4의 투과도(PCO2 및 PCH4) 및 CO2/CH4의 선택도(αCO2 / CH4)를 5O℃에서 690 kPa(100 psig) 압력하에 순수 가스 측정에 의해 측정하였다. CO2/CH4 분리에 대한 결과는 표 1 및 도 11에 기재되어 있다. Embodiment permeability of Example 1 P1 polymer membrane in Example 2, the MMM prepared in the
표 1 및 도 11로부터, UV 가교결합된 대조군 1 중합체 멤브레인은 P1 중합체 멤브레인과 비교하여 αCO2/CH4의 27% 증가를 나타내지만, PCO2의 60% 감소를 나타냄을 볼 수 있다. UV 가교결합된 MMM 1 멤브레인의 αCO2/CH4는 43으로 증가하였고 P1 중합체 멤브레인과 비교하여 80% 향상되었다. UV 가교결합된 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 AlPO-14 분자체 충전제 40 중량%를 함유하는 UV 가교결합된 MMM 2 멤브레인은 CO2/CH4 분리에 대해 P1 중합체 멤브레인과 비교하여 αCO2/CH4 50% 증가 및 PCO2 40% 증가를 동시에 나타내고, 이는 AlPO-14가 CO2/CH4 가스 분리에 대해 높은 선택도의 분자체와 중합체의 혼합 매트릭스 멤브레인을 제조하기 위한 분자체질 메커니즘을 갖는 적합한 분자체 충전제(마이크로 기공 크기: 1.9×4.6Å, 2.1×4.9Å 및 3.3×4.0Å)라는 것을 제시한다. 이러한 시험 결과는 CO2/CH4 가스 분리에 대해 AlPO-14 분자체 충전제의 분자체질 메커니즘과 이러한 혼합 매트릭스 멤브레인 중의 UV 가교결합된 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 매트릭스의 용액-확산 메커니즘의 성공적인 조합을 나타낸다. Table 1 and from Figure 11,
도 11은 5O℃ 및 690 kPa(100 psig)에서 P1, 대조군 1, MMM 1 및 MMM 2의 CO2/CH4 분리 성능뿐만 아니라, 문헌(참조: Robeson, J. Membr. Sci., 62:165 (1991))으로부터 35℃ 및 345 kPa(50 psig)에서 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한 데이터를 나타낸다. P1 중합체 멤브레인 및 UV 가교결합된 대조군 1 중합체 멤브레인의 CO2/CH4 분리 성능은 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선보다 훨씬 아래라는 것을 볼 수 있다. 그러나, UV 가교결합된 MMM 1 및 MMM 2 혼합 매트릭스 멤브레인은 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선에 거의 달하는 CO2/CH4 분리 성능을 현저히 나타낸다. 이러한 결과는 신규한 공극과 결함이 없는 UV 가교결합된 MMM 1 및 MMM 2 멤브레인이 천연 가스 또는 배연 가스로부터의 CO2 제거에 대해 매우 전도유망한 멤브레인 후보자라는 것을 나타낸다. P1 및 대조군 1 중합체 멤브레인에 대해 MMM 1 및 MMM 2의 개선된 성능은 AlPO-14 분자체 충전제의 분자체질 메커니즘과 UV 가교결합된 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 매트릭스의 용액-확산 메커니즘의 성공적인 조합에 기인한다. Figure 11 shows the CO 2 / CH 4 separation performance of P1,
(Barrer)P CO2
(Barrer)
(Barrer)ΔP CO2
(Barrer)
a 690 kPa(100 psig) 순수 가스 압력하에 50℃에서 시험함; a Tested at 50 캜 under a pure gas pressure of 690 kPa (100 psig);
1 Barrer = 1O-10(㎤(STP)ㆍ㎝)/(㎤ㆍsecㆍ㎝Hg)1 Barrer = 10 -10 (cm3 (STP) 占) m) / (cm3 占 sec 占 H Hg)
실시예Example 6: 6:
P1P1
, 대조군 1 및 ,
실시예 1에서 제조된 P1 중합체 멤브레인, 실시예 2에서 제조된 대조군 1 및 실시예 3에서 제조된 UV 가교결합된 MMM 1 혼합 매트릭스 멤브레인의 H2 및 CH4의 투과도(PH2 및 PCH4) 및 H2/CH4의 선택도(αH2 / CH4)를 5O℃에서 690 kPa(100 psig) 압력하에 순수 가스 측정에 의해 측정하였다. H2/CH4 분리에 대한 결과는 표 2 및 도 12에 기재되어 있다. (P H2 and P CH4 ) of the P1 polymer membrane prepared in Example 1, the H 2 and CH 4 of the UV crosslinked
표 2 및 도 12로부터, UV 가교결합된 대조군 1 중합체 멤브레인은 P1 멤브레인과 비교하여 PH2의 10% 감소와 함께 αH2 / CH4의 178% 증가를 나타냄을 볼 수 있다. 그러나, UV 가교결합된 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 AlPO-14 분자체 충전제 30 중량%를 함유하는 UV 가교결합된 MMM 1은 H2/CH4 분리에 대해 P1 중합체 멤브레인과 비교하여 αH2 / CH4 190% 증가 및 PH2 30% 증가를 동시에 나타내고, 이는 H2/CH4 가스 분리에 대해 AlPO-14 분자체 충전제의 분자체질 메커니즘과 이러한 혼합 매트릭스 멤브레인 중의 UV 가교결합된 폴리(DSDA-PMDA-TMMDA) 폴리이미드 매트릭스의 용액-확산 메커니즘의 성공적인 조합을 증명한다.From Table 2 and Figure 12, it can be seen that the UV cross-linked
도 12는 5O℃ 및 690 kPa(100 psig)에서 P1, 대조군 1 및 MMM 1의 H2/CH4 분리 성능뿐만 아니라, 문헌(참조: Robeson, J. Membr. Sci., 62:165 (1991))으로부터 35℃ 및 345 kPa(50 psig)에서 H2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한 데이터를 나타낸다. P1 중합체 멤브레인의 H2/CH4 분리 성능은 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선보다 훨씬 아래라는 것을 볼 수 있다. 대조군 1 중합체 멤브레인은 P1 중합체 멤브레인과 비교하여 개선된 H2/CH4 분리 성능을 나타내고 이의 H2/CH4 분리 성능은 H2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선에 달한다. UV 가교결합된 MMM 1 혼합 매트릭스 멤브레인은 추가로 대조군 1 중합체 멤브레인과 비교하여 현저히 개선된 H2/CH4 분리 성능을 나타내고 이의 H2/CH4 분리 성능은 H2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선을 훨씬 능가한다. 이러한 결과는 신규한 공극과 결함이 없는 UV 가교결합된 MMM 1 혼합 매트릭스 멤브레인이 천연 가스로부터의 H2 제거에 대해 매우 전도유망한 멤브레인 후보자라는 것을 나타낸다. Figure 12 shows the H 2 / CH 4 separation performance of P1,
(Barrer)P H2
(Barrer)
(Barrer)ΔP H2
(Barrer)
a 690 kPa(100 psig) 순수 가스 압력하에 50℃에서 시험함; a Tested at 50 캜 under a pure gas pressure of 690 kPa (100 psig);
1 Barrer = 1O-10(㎤(STP)ㆍ㎝)/(㎤ㆍsecㆍ㎝Hg)1 Barrer = 10 -10 (cm3 (STP) 占) m) / (cm3 占 sec 占 H Hg)
실시예Example 7: 7:
폴리Poly (( DSDADSDA -- TMMDATMMDA )-) - PESPES 중합체 polymer 멤브레인(P2로 축약)의Membrane (abbreviated as P2) of 제법 quite
폴리(DSDA-TMMDA) 폴리이미드 중합체(도 8) 7.2 g 및 폴리에테르설폰(PES) 0.8 g을 기계적으로 교반하여 NMP와 1,3-디옥솔란의 용매 혼합물 중에 용해시킴으로써 균질한 캐스팅 도프를 형성하였다. 수득된 균질한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다. P2 중합체 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 멤브레인을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 표 3 및 도 13에 기재된 P2를 형성하였다.7.2 g of poly (DSDA-TMMDA) polyimide polymer (FIG. 8) and 0.8 g of polyethersulfone (PES) were mechanically stirred and dissolved in a solvent mixture of NMP and 1,3-dioxolane to form a homogeneous casting dope . The obtained homogeneous casting dope was degassed overnight. The P2 polymer membrane was prepared from a bubble-free casting dope using a doctor knife with 20-millimeter spacing on a clean glass plate. The membrane was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membrane was dried under vacuum at 200 [deg.] C for at least 48 hours to completely remove the residual solvent to form P2 as shown in Table 3 and Fig.
실시예Example 8: 8:
UV 가교결합된 40% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-TMMDA)의 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM 3으로 축약)의 제법Preparation of a mixed matrix membrane (abbreviated as MMM 3) of UV crosslinked 40% AlPO-14 / PES / poly (DSDA-TMMDA)
UV 가교결합된 폴리(DSDA-TMMDA) 폴리이미드 연속성 매트릭스 중에 분산된 AlPO-14 분자체 충전제 40 중량%를 함유하는 폴리에테르설폰(PES) 작용기화 AlPO-14/폴리(DSDA-TMMDA)의 UV 가교결합된 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM 3)을 다음과 같이 제조하였다:UV crosslinking of polyethersulfone (PES) functionalized AlPO-14 / poly (DSDA-TMMDA) containing 40% by weight of AlPO-14 molecular sieve filler dispersed in UV crosslinked poly (DSDA- TMMDA) polyimide continuity matrix A combined mixed matrix membrane (MMM 3) was prepared as follows:
AlPO-14 분자체 3.2 g을 1 시간 동안 기계적으로 교반하고 초음파처리하여 NMP와 1,3-디옥솔란의 혼합물 중에 분산시킴으로써 슬러리를 형성하였다. 이어서, PES 0.8 g을 첨가하여 슬러리 내의 AlPO-14 분자체를 작용기화하였다. 이 슬러리를 적어도 1 시간 동안 교반하여 PES 중합체를 전부 용해시키고 AlPO-14의 표면을 작용기화하였다. 이후에, 폴리(DSDA-TMMDA) 폴리이미드 중합체 7.2 g을 이 슬러리에 첨가하고 수득된 혼합물을 추가로 2 시간 동안 교반하여 연속성 폴리(DSDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 분산된 PES 작용기화 AlPO-14 분자체(AlPO-14 대 폴리(DSDA-TMMDA) 및 PES의 중량비는 40:100이고, PES 대 폴리(DSDA-TMMDA)의 중량비는 1:9임) 40 중량%를 함유하는 안정한 캐스팅 도프를 형성하였다. 이 안정한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다.3.2 g of AlPO-14 molecular sieves were mechanically stirred for 1 hour and sonicated to form a slurry by dispersing in a mixture of NMP and 1,3-dioxolane. 0.8 g of PES was then added to functionalize the AlPO-14 molecular sieve in the slurry. The slurry was stirred for at least 1 hour to completely dissolve the PES polymer and functionalize the surface of AlPO-14. Thereafter, 7.2 g of poly (DSDA-TMMDA) polyimide polymer was added to the slurry and the resulting mixture was stirred for an additional 2 hours to form a PES functionalized AlPO-14 minute dispersed in a continuous poly (DSDA-TMMDA) polymer matrix A stable casting dope containing 40 wt% of itself (weight ratio of AlPO-14 to poly (DSDA-TMMDA) and PES of 40: 100 and PES to poly (DSDA-TMMDA) in a weight ratio of 1: 9) . This stable casting dope was degassed overnight.
40% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 안정한 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 필름을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 40% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 형성하였다. A 40% AlPO-14 / PES / poly (DSDA-TMMDA) mixed matrix membrane was prepared from a bubble-free stable casting dope using a doctor knife with 20-millimeter spacing on a clean glass plate. The film was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membrane was dried under vacuum at 200 [deg.] C for at least 48 hours to completely remove the residual solvent to form a 40% AlPO-14 / PES / poly (DSDA-TMMDA) mixed matrix membrane.
MMM 3은, 50℃에서 10 분의 조사 시간에 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시켜 40% AlPO-14/PES/폴리(DSDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 추가로 UV 가교결합함으로써 제조하였다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다.
실시예Example 9: 9:
P2P2
및 And
MMM
실시예 7에서 제조된 P2 중합체 멤브레인 및 실시예 8에서 제조된 UV 가교결합된 MMM 3 혼합 매트릭스 멤브레인의 CO2 및 CH4의 투과도(PCO2 및 PCH4) 및 CO2/CH4의 선택도(αCO2/CH4)를 5O℃에서 690 kPa(100 psig) 압력하에 순수 가스 측정에 의해 측정하였다. CO2/CH4 분리에 대한 결과는 표 3 및 도 13에 기재되어 있다. Exemplary selection of P2 polymer membrane and in Example 8 the UV crosslinking in a combined
표 3 및 도 13으로부터, UV 가교결합된 폴리(DSDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 AlPO-14 분자체 충전제 40 중량%를 함유하는 UV 가교결합된 MMM 3 멤브레인은 CO2/CH4 분리에 대해 P2 중합체 멤브레인과 비교하여 αCO2 / CH4 및 PCO2 60% 증가를 동시에 나타내고, 이는 CO2/CH4 가스 분리에 대해 AlPO-14 분자체 충전제의 분자체질 메커니즘과 이러한 혼합 매트릭스 멤브레인 중의 UV 가교결합된 폴리(DSDA-TMMDA) 폴리이미드 매트릭스의 용액-확산 메커니즘의 성공적인 조합을 증명한다. Table 3 and from the Figure 13, UV cross-linked poly (DSDA-TMMDA) UV cross-linked
도 13은 5O℃ 및 690 kPa(100 psig)에서 P2 중합체 멤브레인 및 UV 가교결합된 MMM 3 혼합 매트릭스 멤브레인의 CO2/CH4 분리 성능뿐만 아니라, 문헌(참조: Robeson, J. Membr. Sci., 62:165 (1991))으로부터 35℃ 및 345 kPa(50 psig)에서 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한 데이터를 나타낸다. P2 중합체 멤브레인의 CO2/CH4 분리 성능은 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선보다 훨씬 아래라는 것을 볼 수 있다. 그러나, UV 가교결합된 MMM 3은 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선에 거의 달하는 CO2/CH4 분리 성능을 현저히 나타낸다. Figure 13 shows the CO 2 / CH 4 separation performance of P2 polymer membranes and UV crosslinked
(Barrer)P CO2
(Barrer)
(Barrer)ΔP CO2
(Barrer)
a 690 kPa(100 psig) 순수 가스 압력하에 50℃에서 시험함; a Tested at 50 캜 under a pure gas pressure of 690 kPa (100 psig);
1 Barrer = 1O-10(㎤(STP)ㆍ㎝)/(㎤ㆍsecㆍ㎝Hg)1 Barrer = 10 -10 (cm3 (STP) 占) m) / (cm3 占 sec 占 H Hg)
실시예Example 10: 10:
UV
UV 가교결합된 폴리(DSDA-TMMDA) 폴리이미드 연속성 매트릭스 중에 분산된 UZM-25(순수한 실리카 형태) 분자체 충전제 30 중량%를 함유하는 UV 가교결합된 폴리에테르설폰(PES) 작용기화 UZM-25/폴리(DSDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM 4로 축약)을 다음과 같이 제조하였다:UV crosslinked polyethersulfone (PES) functionalized UZM-25 / UZM-25 containing 30 wt% UZM-25 (pure silica type) molecular sieve filler dispersed in UV crosslinked poly (DSDA- TMMDA) polyimide continuity matrix UZM- A poly (DSDA-TMMDA) mixed matrix membrane (abbreviated as MMM 4) was prepared as follows:
UZM-25 분자체 1.8 g을 1 시간 동안 기계적으로 교반하고 초음파처리하여 NMP와 1,3-디옥솔란의 혼합물 중에 분산시킴으로써 슬러리를 형성하였다. 이어서, PES 0.6 g을 첨가하여 슬러리 내의 UZM-25 분자체를 작용기화하였다. 이 슬러리를 적어도 1 시간 동안 교반하여 PES 중합체를 전부 용해시키고 UZM-25의 표면을 작용기화하였다. 이후에, 폴리(DSDA-TMMDA) 폴리이미드 중합체 5.6 g을 이 슬러리에 첨가하고 수득된 혼합물을 추가로 3 시간 동안 교반하여 연속성 폴리(DSDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 분산된 PES 작용기화 UZM-25 분자체(UZM-25 대 폴리(DSDA-TMMDA) 및 PES의 중량비는 30:100이고, PES 대 폴리(DSDA-TMMDA)의 중량비는 1:9임) 30 중량%를 함유하는 안정한 캐스팅 도프를 형성하였다. 이 안정한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다.1.8 g of UZM-25 molecular sieves were mechanically stirred for 1 hour and sonicated to form a slurry by dispersion in a mixture of NMP and 1,3-dioxolane. Subsequently, 0.6 g of PES was added to functionalize the UZM-25 molecular sieve in the slurry. The slurry was stirred for at least 1 hour to completely dissolve the PES polymer and functionalize the surface of UZM-25. Thereafter, 5.6 g of poly (DSDA-TMMDA) polyimide polymer was added to this slurry and the resulting mixture was stirred for an additional 3 hours to give a PES functionalized UZM-25 minute dispersed in a continuous poly (DSDA-TMMDA) polymer matrix A stable casting dope was formed containing 30 wt% of itself (weight ratio of UZM-25 to poly (DSDA-TMMDA) and PES is 30: 100 and weight ratio of PES to poly (DSDA-TMMDA) is 1: 9) . This stable casting dope was degassed overnight.
30% UZM-25/PES/폴리(DSDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 안정한 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 필름을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 30% UZM-25/PES/폴리(DSDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 형성하였다. A 30% UZM-25 / PES / poly (DSDA-TMMDA) mixed matrix membrane was prepared from a stable bubble-free casting dope using a doctor knife with 20-millimeter spacing on a clean glass plate. The film was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membranes were dried under vacuum at 200 캜 for at least 48 hours to remove all residual solvent to form a 30% UZM-25 / PES / poly (DSDA-TMMDA) mixed matrix membrane.
MMM 4는, 50℃에서 10 분의 조사 시간에 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시켜 30% UZM-25/PES/폴리(DSDA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 추가로 UV 가교결합함으로써 제조하였다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다.MMM 4 was exposed to UV radiation using UV light of 254 nm wavelength generated from a UV lamp with a distance of 1.9 cm (0.75 inch) from the membrane surface to the UV lamp at 10 minutes irradiation time at 50 占 폚, The UZM-25 / PES / poly (DSDA-TMMDA) mixed matrix membrane was further prepared by UV cross-linking. The UV lamp described herein is a low pressure mercury arc immersion UV quartz 12-watt lamp with a 12-watt power supply from Aisle Glass Inc.
실시예Example 11: 11:
P2P2 및 And MMMMMM 4 4 멤브레인의Membrane COCO 22 // CHCH 44 분리 특성 Separation characteristic
실시예 7에서 제조된 P2 중합체 멤브레인 및 실시예 10에서 제조된 MMM 4 혼합 매트릭스 멤브레인의 CO2 및 CH4의 투과도(PCO2 및 PCH4) 및 CO2/CH4의 선택도(αCO2 / CH4)를 5O℃에서 690 kPa(100 psig) 압력하에 순수 가스 측정에 의해 측정하였다. CO2/CH4 분리에 대한 결과는 표 4에 기재되어 있다. Exemplary selection of Example 7. The MMM prepared in the P2 polymer membrane, and Example 10, prepared from 4-permeability of the mixed matrix membrane of CO 2 and CH 4 (P CO2 and P CH4) and CO 2 / CH 4, also (α CO2 / CH4 ) Was measured by pure gas measurement at 5O < 0 > C and 690 kPa (100 psig) pressure. The results for CO 2 / CH 4 separation are shown in Table 4.
표 4로부터, UV 가교결합된 폴리(DSDA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 UZM-25 분자체 충전제 30 중량%를 함유하는 실시예 10에서 제조된 UV 가교결합된 MMM 4 혼합 매트릭스 멤브레인은 CO2/CH4 분리에 대해 αCO2/CH4가 P2 중합체 멤브레인의 25로부터 39로 증가하였고, P2 중합체 멤브레인과 비교하여 αCO2/CH4가 60% 증가하였음을 나타내고, 이는 UZM-25가 CO2/CH4 가스 분리에 대해 높은 선택도의 분자체와 중합체의 혼합 매트릭스 멤브레인을 제조하기 위한 분자체질 메커니즘을 갖는 적합한 분자체 충전제(마이크로 기공 크기: 2.5×4.2Å 및 3.1×4.2Å)라는 것을 제시한다. From Table 4 it can be seen that the UV crosslinked MMM 4 mixed matrix membrane prepared in Example 10 containing 30% by weight of UZM-25 molecular sieve filler in the UV crosslinked poly (DSDA-TMMDA) polymer matrix has CO 2 / CH 4 the α CO2 / CH4 is increased to 39 from 25 in the P2 polymer membrane, α CO2 / CH4 represents a hayeoteum 60% increase, which UZM-25, the CO 2 / CH 4 gas separation as compared to P2 polymer membrane for the separation (Micro pore size: 2.5 x 4.2 A and 3.1 x 4.2 A) with a molecular sieving mechanism for preparing a mixed matrix membrane of molecular sieve with a high selectivity for molecular sieves.
(Barrer)P CO2
(Barrer)
a 690 kPa(100 psig) 순수 가스 압력하에 50℃에서 시험함; a Tested at 50 캜 under a pure gas pressure of 690 kPa (100 psig);
1 Barrer = 1O-10(㎤(STP)ㆍ㎝)/(㎤ㆍsecㆍ㎝Hg)1 Barrer = 10 -10 (cm3 (STP) 占) m) / (cm3 占 sec 占 H Hg)
실시예Example 12: 12:
UVUV 가교결합성Crosslinkability 폴리Poly (( BTDABTDA -- PMDAPMDA -- ODPAODPA -- TMMDATMMDA )-) - PESPES 중합체 polymer 멤브레인(P3으로 축약)의Membrane (shortened to P3) 제법 quite
폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 폴리이미드 중합체(도 7) 5.4 g 및 폴리에테르설폰(PES) 0.6 g을 3 시간 동안 기계적으로 교반하여 NMP와 1,3-디옥솔란의 용매 혼합물 중에 용해시켜 균질한 캐스팅 도프를 형성하였다. 수득된 균질한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다. P3 중합체 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 필름을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 표 5 및 도 14에 기재된 바대로 P3 멤브레인을 형성하였다. 5.4 g of poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) polyimide polymer (FIG. 7) and 0.6 g of polyethersulfone (PES) were mechanically stirred for 3 hours and dissolved in a solvent mixture of NMP and 1,3-dioxolane A homogeneous casting dope was formed. The obtained homogeneous casting dope was degassed overnight. The P3 polymer membrane was prepared from a bubble-free casting dope using a doctor knife with 20-millimeter spacing on a clean glass plate. The film was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membrane was dried at 200 < 0 > C under vacuum for at least 48 hours to remove the residual solvent altogether to form the P3 membrane as described in Table 5 and Fig.
실시예Example 13: 13:
UVUV 가교결합된Crosslinked 폴리Poly (( BTDABTDA -- PMDAPMDA -- ODPAODPA -- TMMDATMMDA )-) - PESPES 중합체 polymer 멤브레인(대조군 2로 축약)의Membrane (abbreviated as control 2) 제법 quite
대조군 2 멤브레인은, 50℃에서 10 분의 조사 시간에 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시켜 P3 중합체 멤브레인을 추가로 UV 가교결합함으로써 제조하였다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다.
실시예Example 14: 14:
UV
UV 가교결합된 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 폴리이미드 연속성 매트릭스 중에 분산된 AlPO-14 분자체 충전제 30 중량%를 함유하는 UV 가교결합된 폴리에테르설폰(PES) 작용기화 AlPO-14/폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인(UV 가교결합된 30% AlPO-14/PES/폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA))(MMM 5로 축약)을 다음과 같이 제조하였다:UV Crosslinked Polyethersulfone (PES) Functionalized Containing 30 wt% AlPO-14 Molecular Sieve Filler Dispersed in a UV Crosslinked Poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) Polyimide Continuity Matrix [ (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) (abbreviated as MMM 5) was prepared as follows: < tb >
AlPO-14 분자체 1.8 g을 1 시간 동안 기계적으로 교반하고 초음파처리하여 NMP와 1,3-디옥솔란의 혼합물 중에 분산시킴으로써 슬러리를 형성하였다. 이어서, PES 0.6 g을 첨가하여 슬러리 내의 AlPO-14 분자체를 작용기화하였다. 이 슬러리를 적어도 1 시간 동안 교반하여 PES 중합체를 전부 용해시키고 AlPO-14의 표면을 작용기화하였다. 이후에, 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 폴리이미드 중합체 5.6 g을 이 슬러리에 첨가하고 수득된 혼합물을 추가로 2 시간 동안 교반하여 연속성 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 중합체 매트릭스 중에 분산된 PES 작용기화 AlPO-14 분자체(AlPO-14 대 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 및 PES의 중량비는 30:100이고, PES 대 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA)의 중량비는 1:9임) 30 중량%를 함유하는 안정한 캐스팅 도프를 형성하였다. 이 안정한 캐스팅 도프를 밤새 탈기하였다.1.8 g of AlPO-14 molecular sieve was mechanically stirred for 1 hour and sonicated to disperse it in a mixture of NMP and 1,3-dioxolane to form a slurry. Then 0.6 g of PES was added to functionalize the AlPO-14 molecular sieve in the slurry. The slurry was stirred for at least 1 hour to completely dissolve the PES polymer and functionalize the surface of AlPO-14. Thereafter, 5.6 g of poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) polyimide polymer was added to this slurry and the resulting mixture was stirred for an additional 2 hours to disperse into the continuous poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) polymer matrix (Weight ratio of AlPO-14 to poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) and PES is 30: 100 and the weight ratio of PES to poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) is 1 : 9) to form a stable casting dope containing 30 wt%. This stable casting dope was degassed overnight.
30% AlPO-14/PES/폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 깨끗한 유리 플레이트 위에서 20-밀 간격을 갖는 닥터 나이프를 사용하여 버블이 없는 안정한 캐스팅 도프로부터 제조하였다. 이어서, 이 필름을 유리 플레이트와 함께 진공 오븐에 넣었다. 용매를 진공 오븐의 진공 및 온도를 천천히 증가시켜 제거하였다. 마지막으로, 멤브레인을 진공하에 200℃에서 적어도 48 시간 동안 건조시켜 잔류 용매를 전부 제거함으로써 30% AlPO-14/PES/폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 형성하였다. A 30% AlPO-14 / PES / poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) mixed matrix membrane was prepared from a stable casting dope without bubbles using a doctor knife with 20-millimeter spacing on a clean glass plate. The film was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum and temperature of the vacuum oven. Finally, the membrane was dried under vacuum at 200 [deg.] C for at least 48 hours to remove all residual solvent to form a 30% AlPO-14 / PES / poly (BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) mixed matrix membrane.
MMM 5 혼합 매트릭스 멤브레인은, 50℃에서 10 분의 조사 시간에 멤브레인 표면으로부터 UV 램프로의 거리가 1.9 ㎝(0.75 inch)인 UV 램프로부터 생성된 254 ㎚ 파장의 UV 광을 사용하여 UV 방사선에 노광시켜 30% AlPO-14/PES/폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 혼합 매트릭스 멤브레인을 추가로 UV 가교결합함으로써 제조하였다. 여기에 기재된 UV 램프는 에이스 글래스 인코포레이티드로부터 입수한 12 와트 전력 공급을 갖는 저압의 수은 아크 액침 UV 석영 12 와트 램프이다.The
실시예Example 15: 15:
P3P3
, 대조군 2 및 ,
실시예 12에서 제조된 P3 중합체 멤브레인, 실시예 13에서 제조된 대조군 2 중합체 멤브레인 및 실시예 14에서 제조된 MMM 5 혼합 매트릭스 멤브레인의 CO2 및 CH4의 투과도(PCO2 및 PCH4) 및 CO2/CH4의 선택도(αCO2 / CH4)를 5O℃에서 690 kPa(100 psig) 압력하에 순수 가스 측정에 의해 측정하였다. CO2/CH4 분리에 대한 결과는 표 5 및 도 14에 기재되어 있다. Example 12 The P3 polymer membrane, carried the MMM prepared in
표 5 및 도 14로부터, 대조군 2 중합체 멤브레인은 P3 중합체 멤브레인과 비교하여 αCO2 / CH4의 199% 증가를 나타내지만, PCO2의 60% 감소를 나타냄을 볼 수 있다. 실시예 14에서 제조된 MMM 5 혼합 매트릭스 멤브레인의 αCO2 / CH4는 51로 증가하였고 P3 중합체 멤브레인과 비교하여 αCO2 / CH4는 201% 향상되었고 PCO2는 43% 감소하였다. From Table 5 and Figure 14, it can be seen that the
도 14는 5O℃ 및 690 kPa(100 psig)에서 P3, 대조군 2 및 MMM 5의 CO2/CH4 분리 성능뿐만 아니라, 문헌(참조: Robeson, J. Membr. Sci., 62:165 (1991))으로부터 35℃ 및 345 kPa(50 psig)에서 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한 데이터를 나타낸다. P3 중합체 멤브레인의 CO2/CH4 분리 성능은 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선보다 훨씬 아래라는 것을 볼 수 있다. 대조군 2 중합체 멤브레인은 개선된 CO2/CH4 분리 성능을 나타내고 CO2/CH4 분리에 대해 로베손(1991)의 중합체 상한선에 달한다. MMM 5 혼합 매트릭스 멤브레인은 CO2/CH4 분리에 대한 로베손(1991)의 중합체 상한선을 능가하는 CO2/CH4 분리 성능을 나타낸다. 이러한 결과는 신규한 공극과 결함이 없는 MMM 5 혼합 매트릭스 멤브레인이 천연 가스 또는 배연 가스로부터의 CO2 제거에 대한 우수한 멤브레인 후보자라는 것을 나타낸다. P3 중합체 멤브레인 및 대조군 2 중합체 멤브레인에 대해 MMM 5 혼합 매트릭스 멤브레인의 개선된 성능은 AlPO-14 분자체 충전제의 분자체질 메커니즘과 UV 가교결합된 폴리(BTDA-PMDA-ODPA-TMMDA) 폴리이미드 매트릭스의 용액-확산 메커니즘의 성공적인 조합에 기인한다. Figure 14 shows the CO 2 / CH 4 separation performance of P3,
(Barrer)P CO2
(Barrer)
(Barrer)ΔP CO2
(Barrer)
a 690 kPa(100 psig) 순수 가스 압력하에 50℃에서 시험함; a Tested at 50 캜 under a pure gas pressure of 690 kPa (100 psig);
1 Barrer = 1O-10(㎤(STP)ㆍ㎝)/(㎤ㆍsecㆍ㎝Hg)1 Barrer = 10 -10 (cm3 (STP) 占) m) / (cm3 占 sec 占 H Hg)
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