[发明专利]气体分离膜及其用法

说明书

本发明涉及一种由表层和多孔层组成的非对称结构的气体分离膜，这种气体分离膜的特征在于，通过降低可透过气体(可透过膜的成分)透过多孔层时的可透过气体的阻力，增加了可透过气体的膜透过速率，并且，该气体分离膜在作为中空纤维气体分离膜时至少具有实用等级的机械强度。本发明进一步涉及一种具有极好的耐水性和耐热水性的气体分离膜。本发明还涉及一种除湿方法和增湿方法，它们的特征在于使用前述的气体分离膜。

气体分离膜被用于各种气体分离方法。大多数气体分离膜是由具有高选择性的玻璃状聚合物生成。一般而言，玻璃状聚合物具有高选择性(分离度)，但是有气体透过率低的缺点。因此，使用的大多数由玻璃状聚合物生成的气体分离膜具有一种由多孔层(支撑层)和薄表层(选择层)组成的非对称结构，即，降低了产生气体透过阻力的选择层的厚度，以使气体透过速率不至太低。

气体分离膜常用作中空纤维气体分离膜组件，该组件是这样构成的：将大量的中空纤维膜(例如，从一百到几十万)捆扎成一个中空纤维束，并用如环氧树脂类的热固树脂，或用热塑树脂固定该中空纤维束的至少一端，以使中空纤维膜在该端是开放的，以构成中空纤维分离膜元件，然后，将一个或多个这种中空纤维分离膜元件插入到至少具有一个混合气体入口、一个可透过气体出口和一个不可透过气体出口的容器中，并将中空纤维膜的内部传递空间与中空纤维膜的外部传递空间隔开。在中空纤维气体分离膜组件中，将混合气体输入到与中空纤维膜的内部或外部接触的空间，当流动与中空纤维膜接触时，混合气体中的特定成分(可透过气体)选择性透过该膜，并通过可透过气体出口来回收，而排除了那些特定成分(可透过气体)的气体通过不可透过气体出口来回收，这样就实现了气体分离。

对于由聚合物共混物制成的气体分离膜，U.S.5,055,116公开了一种包括具有特定分子结构的两种不同聚酰亚胺的共混物的气体分离膜，并指出，用聚酰亚胺的掺混比能够线性地控制氧气和氮气的透过速率。U.S.5,248,319也公开了一种包括具有苯基二氢化茚残基的聚酰亚胺和一种特定的聚酰亚胺、聚酰胺或聚酰胺酰亚胺的共混物的气体分离膜。U.S.5,608,014公开了一种包括一种特定的聚醚砜。一种特定的芳香聚酰亚胺和一种特定的芳香聚酰亚胺或聚酰胺或聚酰胺酰亚胺的共混物的气体分离膜。并且，U.S.5,917,137公开了一种包括一种特定的聚醚砜和一种特定的芳香聚酰亚胺的共混物的气体分离膜。然而，这些公开没有提到水汽透过速率或多孔层的气体透过阻力。他们也没有披露或建议有关具有很高水汽透过速率，同时还具有适合于在工业组件中用作非对称中空纤维膜的机械强度的气体分离膜。

耐水性和耐热水性是除湿膜和增湿膜的重要性能。然而，对含水汽的气体具有改善的透过速率的膜经常表现出较差的耐水性和耐热水性。日本未审专利公开2-222717公开了一种具有极好的耐水性和耐热水性均聚酰亚胺分离膜，但是它用于有机蒸汽的脱水，并且水蒸汽透过速率低。

对于非对称结构膜，在可透过气体透过该膜时，可透过速率的速率决定过程是可透过气体透过该膜的表层的过程在可透过气体透过该膜的多孔层的过程中，透过阻力相对比较低。因此，在大多数情况下，在透过速率方面，基本上可以忽略可透过气体透过该膜的多孔层的过程的影响。

然而，在表层非常薄以致于可透过气体透过这种膜时的透过速率非常高的情况下，或在这种膜的可透过成分是非常容易透过这种膜的一种气体的情况下，可透过气体透过这种膜的透过速率有时受到可透过气体透过多孔层的显著的影响。在这种情况下，一种具有非对称结构的膜仍然能够在可透过气体透过这种膜的透过速率方面得到改进，并通过这样一种改进，开发了一种具有高效率的更紧凑、高性能的气体分离膜。当透过该膜的成分是水汽时，由于水汽透过膜时比其它无机气体具有高得多的透过速率(高几百倍至几千倍)，水汽透过膜的透过速率尤其受到多孔层的透过阻力的显著影响。因此，已经考虑到，降低水汽透过多孔层的通道的透过阻力，能够增加水汽透过这种膜的透过速率，并且已经进行了这种改进，以开发具有高效的紧凑、高性能的除湿膜和/或增湿膜，这是由于增加了水汽透过这种膜的透过速率。