[发明专利]薄膜气体分离膜

说明书

发明背景

本发明总体上涉及气体分离膜，更具体地涉及使二酸酐与二胺接触制备的芳族聚酰亚胺气体分离膜。

气体分离膜(GSM)可以用于从气体混合物中分离特定气体。例如，GSM可用来从空气中分离和去除氧气，使得所得气体混合物不可燃。GSM也可以用于将二氧化碳(CO₂)与甲烷(CH₄)分开，以及将氢气(H₂)与CH₄分开。

许多GSM由具有分子结构的聚合物形成，所述分子结构具有足够小的分子间空隙，使得它们可以区别不同尺寸的分子，例如CH₄和H₂，但是具有足够高分数的自由体积，使得这些气体可以通过GSM扩散。GSM提供选择性阻挡某些气体以及通过其它气体的程度称为GSM的“选择性”。

可用于分离气体的膜必须具有充足的选择性，以区别两种气体，以及还必须具有高通量。通量通常量化为渗透性或可透性。渗透性，以气体渗透单位(GPU)测量，是每膜面积(cm²)，每透膜压降(cm Hg)，每单位时间(秒或s)的气体流量(以立方厘米，cm³，在标准温度和压力(STP)下测量)：1 GPU= 10^-6 cm³ (STP)/cm² s (cm Hg)。可透性，以Barrer测量，是渗透性乘以膜的表层厚度，1 Barrer = 10^-10 cm³ (STP) cm/cm² s (cm Hg)。通过膜的流量将随膜面积或透膜压降增大而增大，以及将随膜选择性层厚增大而减小。

在本文中，理想的是GSM具有低选择性层厚。实际上，选择性层厚越低，通量越高。但是，薄的GSM倾向于易碎。因此，在许多实际应用中，可以将GSM支撑在基础支撑结构上。相对于作为分离目标的气体混合物，这种支撑结构可以是显著多孔的。换言之，可以选择支撑结构的材料，以提供强度，同时不降低通量。

正如所见，需要提供一种可以对于气体混合物提供高分离选择性和高通量的GSM。还需要提供这样一种GSM，其结构对于实际应用中的使用而言具有充足的强度。

发明内容

在本发明的一个方面，气体分离膜包括芳族聚酰亚胺聚合物，该芳族聚酰亚胺聚合物包括多个式(I)的重复单元

其中

X₁选自

及其混合物；和

Ar选自

及其混合物，

其中X₁和Ar的苯基独立地任选被一个或多个独立地选自C₁-C₃烷基、C-C烷氧基、卤素、硝基和-NR¹R²的取代基取代，

其中R^a、R^b、R^c和R^d各自独立地为C₁-C₃烷基，和

R¹和R²为H或C₁-C₃烷基，条件是R¹和R²不都为H。

在本发明的另一个方面，气体分离装置包括薄膜气体分离膜；该膜的支撑结构；和其中气体分离膜包括芳族聚酰亚胺聚合物，该芳族聚酰亚胺聚合物包括多个式(I)的重复单元

其中

X₁选自

及其混合物；和

Ar选自

及其混合物，

其中X₁和Ar的苯基独立地任选被一个或多个独立地选自C₁-C₃烷基、C-C烷氧基、卤素、硝基和-NR¹R²的取代基取代，

其中R^a、R^b、R^c和R^d各自独立地为C₁-C₃烷基，和