[发明专利]利用自组装聚合物膜分离酸性成分

说明书

发明领域

本发明总体上涉及分离气体蒸气(gas vapor)中酸性成分的方法。更具体地说，本发明涉及利用具有大分子自组装聚合物的膜，从诸如井口气或烟道气/废气等气流中提取酸性成分的方法。

发明背景

许多国家已经或考虑立法来控制温室气体，例如CO₂的排放。加拿大和欧洲已经存在CO₂捕获的早期市场，如果世界的其他地方强制碳减排，估计该市场会急剧扩张。根据二十一世纪中期的内部和外部排放交易，CO₂信用额度的价格约为10$/吨。即便CO₂信用额度的成本较低，基于计划的CO₂排放和京都议定书目标产生$30 BB的2010市场。此外，国际能源机构(IEA)对于CO₂价格和排放的预测显示到2050年，碳捕获和封存可达到$2.5千亿-$1.8万亿，具体取决于排放罚金。例如，挪威立法，每排放一吨CO₂交税65美元。CO₂分离的潜在市场大小使得解决该问题极具商业吸引力。

目前，液体胺吸附剂是CO₂捕获的最佳选择，然而，该技术因高昂的溶剂再生成本而仅在特定条件下是经济的。虽然目前的胺技术为CO₂燃烧后和天然气市场提供了直接的解决方案，但对于增长中的和物理上较大的市场的CO₂分离，例如火力发电厂的烟道气体捕获需要降低进行理想分离所需的能量并维持经济上可行。

某些膜系统的例子包括在Staudt-Bickel,W.J.Koros,名为“通过化学交联改善聚酰亚胺的CO₂/CH₄分离特性”(Improvement of CO₂/CH₄ separation characteristics of polyimides by chemical crosslinking),Journal of Membrane Science,1999,155,第145-154页中披露的那些，该篇文献提出利用交联的Uitem作为减轻CO₂诱导塑化的方法。

此外，H.Lin,E.Van Wagner,R.Raharjo,B.D.Freeman,I.Roman;“用于天然气脱硫的高效聚合物膜”(High-performance polymer membranes for natural-gas sweetening);Advanced Materials,2006,18,第39-44页披露了利用交联的聚(环氧乙烷)作为基质材料以供天然气脱硫。该材料具有高CO₂渗透性、CO₂/CH₄选择性，对于CO₂诱导塑化至少有一定耐受性。

Hale等,在US7,368,511，“流变学特性改善和无缺口冲击强度改善的聚合物掺混物”(Polymer blends with improved rheology and improved unnotched impact strength)中披露了掺有聚乳酸的生物可降解共聚物。

Koros等的US7247191披露了交联的和可交联的中空纤维膜及其制备方法。该专利教导了利用交联的聚酰亚胺抑制CO₂诱导塑化以及利用该材料作为中空纤维膜。

在许多工业应用中，从含有非极性气体的混合物中分离酸性气体至关重要。不幸的是，没有很多材料令人满意地表现出酸性气体选择性和渗透性。

例如，从天然气中除去CO₂的过程称为天然气脱硫，该过程需要高CO₂渗透性(即，通量)和CO₂/CH₄选择性。目前，大多数天然气通过更传统的技术，例如胺洗涤(amine scrubbing)纯化。然而，这些技术仅对于产量大的气井是经济的。

聚合物膜常用于低压或低产量气井上的天然气。目前，醋酸纤维素和Ultem用于天然气脱硫，但这些材料接触高CO₂分压的CO₂时二者均有选择性不稳定的问题，而这是天然气井可预计到的。如此，对能提供真实应用环境中天然气脱硫所需的气体传输特性的新聚合物膜产生了需求。

因此，本领域需要利用具有适当的酸性气体选择性和渗透性的材料分离各种环境中的酸性气体的方法。

发明概述