[发明专利]制造复合金属气体分离膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造和修复用于从各种气体混合物中分离特定气体的复合气体分离组件的方法。

背景技术

复合气体分离组件通常用于从气体混合物中选择性分离特定气体。这些复合气体分离组件可由多种材料制成，但是最常使用的两种材料是聚合物和金属复合材料。虽然聚合物膜能为低温下气体分离提供有效的和节省成本的选择，但它们常常不适合需要较高温度和压力的气体分离过程；因为，它们易于热分解。随着更严格的环境规范，高温处理的需求要求能提供高通量、高选择性和高温下运行能力的复合气体分离组件。

现有技术公开了负载在多孔基体上且可用于高温气体分离应用的气体分离膜的多种类型和用于其制备的方法。许多用于将薄的、致密的、气体选择性膜层沉积在多孔基体上的已知技术使用常导致表面厚度不均一的技术。美国专利号7,390,536中描述了用以制造具有更均一厚度的膜而开发的一种技术。该专利公开了一种通过以下方式制造复合气体分离组件的方法：将第一材料沉积于多孔基体上，从而形成经涂覆的基体；可对所述基体研磨或抛光以从其表面去除不利的形态，从而形成经抛光的基体。随后，可沉积气体选择性金属(例如钯或钯合金)以在所述多孔基体上形成致密的气体选择性膜。然而，其中没有提出所述研磨或抛光可用于向膜层的表面提供增强的活化性质，以致于不需要化学活化或通过在所述表面接种氢气选择性材料的核而进行活化。事实上，美国专利号7,390,536明确公开了在抛光后，在沉积随后的气体选择性金属层之前，应对经抛光的多孔基体的表面进行化学活化。

美国专利公布号2009/0120287公开了另一种制备钯复合气体分离组件的方法，其提供了制备金属复合气体分离膜系统的方法。所述膜系统可包含多孔载体，覆盖在所述多孔载体上的第一气体选择性材料膜层、其中通过使用超细研磨料去除所述膜层的大部分以降低膜厚度，和覆盖在所述降低膜层上的第二气体选择性材料层。第一膜层可以包含通过多重镀覆(plating)循环沉积的钯。该钯膜层随后经研磨以去除大部分膜从而降低其厚度并抛光至更光滑的光洁面(finish)。第二钯层随后沉积在新的厚度降低的层上。研磨步骤提供膜厚度的降低，但是其没有提及这提供了具有增强活化性质的用于在其上铺置或沉积其它金属膜层的特定表面形态。

在许多制备负载在多孔基体上的用于气体分离的金属膜的现有技术方法中，所述多孔基体的表面和金属层及膜的表面在其每次应用之间都需要通过将它们与活化溶液接触而进行表面活化。这种活化溶液的实例包括氯化亚锡(SnCl₂)、氯化钯(PdCl₂)、盐酸(HCl)和水的混合物。所述活化方法通常需要多次使用活化溶液，并间歇地干燥、和甚至退火。这些洗涤和干燥步骤是费力的，它们会产生有害的水性废物，且它们需要大量的时间来完成。

活化钯表面的另一种方法利用了乙酸钯的氯仿溶液，并且包括所述乙酸盐的蒸发、干燥和分解，随后将其还原为钯金属晶种。

用于活化金属表面的非化学方法公开于US 2011/0232821中。然而，所公开的方法使用的表面形态——特别是表面粗糙度——与本发明方法中所使用的表面形态不同。

因此，希望具有制备薄的、致密的且厚度相对均一的负载型金属膜的方法，所述金属膜可用于气体分离。

还希望所述方法在负载型金属膜的制造中允多重金属镀覆步骤且不需要载体和中间金属膜层的表面的中间化学活化。

还希望所述方法在负载型金属膜制造中产生减少量的废物和挥发性有机溶剂。

发明内容

本发明提供了制造包含多个膜层的复合气体分离组件的高效且便宜的方法，其中不需在沉积随后的膜层之间使用化学表面活化。所述方法包括以下步骤：提供具有金属膜层的多孔载体；在所述金属膜层的表面上施加表面形态，所述表面形态提供具有增强的活化性质的活化表面，以用于在其上铺置随后的金属膜层，其中所述活化表面具有在下文中所述的研磨图案以及一定的平均表面粗糙度；将所述随后的金属膜层铺置到所述活化的表面上；和退火所述随后的金属膜层以提供退火的金属膜层。

具体实施方式

本发明方法提供了薄的、致密的气体选择性膜的生产，所述方法使用多重金属镀覆步骤但是不需要在镀覆步骤之间使用活化溶液对镀覆金属表面进行中间处理。通过消除使用活化溶液的表面活化克服了许多与现有的表面活化技术相关的问题。例如，它减轻了在气体分离组件制造中因使用活化溶液活化载体和金属层表面而引起的较缓慢和不均匀的金属电镀的某些问题。