用于分离二氧化碳的复合膜制造技术

本发明专利技术提供一种用于从气体混合物中分离二氧化碳的复合膜及方法，其中所述膜包括膨体聚四氟乙烯及聚硅氧烷。所述膜具有高的稳定性，并可在严酷环境及高温条件下（例如电厂的废气）以高的通量分离二氧化碳。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的领域涉及复合膜，且更具体而言，涉及用于分离二氧化 碳的膜。
技术介绍
基于化石燃料的电厂会排;改二氧化碳，而二氧化碳是温室气体。 废气中包含多达约15%体积比的二氧化碳，为减少温室气体的排放 量，需要从其他气体成分中分离出二氧化碳。其他气体成分可包括氮 气、氧气及水蒸气。当前所采用的二氧化碳捕获方法涉及到在胺溶液中进行化学吸 收。当气体成分汩汩地流过胺溶液时，碱性的胺溶液将仅吸收酸性的 二氧化碳。此后，再通过热工艺释放出所吸收的二氧化碳。而此种工 艺对环境不友好、成本高昂且需要占用较大的面积。传统上， 一直使用聚合物力莫进行气体分离。薄的聚合物膜会在低 的压力下形成高的气体通量。然而，聚合物膜的强度却限制了可使用 的气体压力，且因而限制了通过膜的通量。此外，聚合物膜也不能承 受电厂废气的严酷环境及高温。EP公告第0254556号公开了 一种用于从碳氢化合物气体中分离 酸性气体的由硅氧烷低聚物或共聚物形成的半透膜。此种膜可形成于 微孔聚合物支架上。作为一种材料，硅氧烷的优点是对气体分子具有 高的渗透率并具有良好的选择性。然而，硅氧烷的机械特性太差而无 法提供结构稳定性。因此，需要一种用于在高温及严酷环境中以高的通量从混合气体 中分离二氧化碳的高稳定性膜。
技术实现思路
在一实施例中，提供一种用于从包含二氧化碳的气体混合物中分 离二氧化碳的膜，其中所述膜包括膨体聚四氟乙烯及聚硅氧烷。在另一实施例中，提供一种从包含二氧化碳的气体混合物中分离二氧化碳的方法，其中所述方法包括经过包含膨体聚四氟乙烯及聚 硅氧烷的膜馈送气体混合物。各实施例提供一种用于在严酷环境及高温下(例如电厂废气)以高 的通量从混合气体中分离二氧化碳的高稳定性膜。所述膜具有高的强 度、良好的选择性以及高的抗撕裂强度。附图说明图l为示例性实施例，其绘示复合膜结构；图2为容纳有膜的测试压力单元；以及图3为显示数种膜的选择性及渗透率的曲线图。具体实施例方式除非上下文明确规定外，单数形式"一"及"该"也包括复数对象。 叙述同 一特性的所有范围的端点均是可独立组合的且包括所述端点。 所有参考文献均以引用方式并入本文中。与数量结合使用的修饰语"大约"包括所述值，并具有由上下文所 规定的含义(例如，包括与特定量的测量值相关联的容差范围)。"可选的或可选地"意指随后所述的事件或情形既可发生、也可不 发生，或者随后所指出的材料既可存在、也可不存在，且此说明包括 发生所述事件或情形或者存在所述材料的实例、以及不发生所述事件 或情形或者不存在所述材料的实例。在一实施例中，提供一种用于从包含二氧化碳的气体混合物中分 离二氧化碳的膜，其中所述膜包括膨体聚四氟乙烯(expanded polytetrafluorethylene)及聚硅氧烷(polysiloxane)。气体混合物可为燃煤电厂的废气。在一实施例中，气体混合物可 包括二氧化碳及氮气。在另一实施例中，气体混合物可包括二氧化碳 及氧气。在另一实施例中，气体混合物可包括二氧化碳、氮气及氧气。 在一实施例中，气体混合物包括约3 %至约15 %体积比的二氧化碳、约70%至约90%体积比的氮气以及约1%到约15%体积比的氧气。 混合物也可含其他气体，例如水蒸气、氩气或二氧化硫。膨体聚四氟乙烯是一种膨胀形式的聚四氟乙烯，与聚四氟乙烯相 比，其具有明显更多的孔且强度更高。膨体聚四氟乙烯是通过在35。C 与327。C之间以超过约10%/秒的速率沿一或多个方向拉伸聚四氟乙 烯进行制备。用于制作膨体聚四氟乙烯的方法阐述于美国专利第 3,953,566号中，该美国专利以引用方式并入本文中。膨体聚四氟乙烯 膜可从市面上购得。聚硅氧烷可为任意类型的聚硅氧烷。在一实施例中，聚硅氧烷是 聚有机硅氧烷。在另一实施例中，聚有机硅氧烷是交联的。聚有机硅 氧烷与交联剂及触媒发生反应。聚有机硅氧烷既可为直链的，也可为带支链的。在一实施例中， 聚有机硅氧烷具有下列化学式MDq丁sM其中1^是112^33.^0/2;0是1142,2/2;T是R5Si03,2;W是烷氧基、芳氧基或芳基烷氧基(araalkoxy),含1至60个碳原 子，包括1至30个碳原子；R3、 R"及RS分别是独立的烷基、芳基或 芳烷基，含1至60个碳原子，包括1至30个碳原子及1至10个碳 原子；q及s分别是独立的从0至300的整数且a是从1至3的整数。 在另一实施例中，q及s分别是独立的从0至50的整数，且在另一实 施例中，q及s分别是独立的从0至20的整数。在一实施例中，聚有机硅氧烷的粘度范围从约10厘沲(centistoke) 至约1,000,000厘沲。聚有机硅氧烷的粘度包括上限为约1,000,000厘 沲、约500,000厘沲、约100,000厘沲、约10,000厘沲、约1000厘沲、 约500厘沲、约250厘沲及约120厘沲的范围。聚有机硅氧烷的粘度 包括下限为约IO厘沲、约50厘沲、约90厘沲、约250厘沲、约.500 厘沲、约1000厘沲、约-io，ooo厘沲及约100,000厘沲的范围。这些曰月納贫,围。所述测量。 -在一实施例中，聚硅氧烷是直链或带支链的以羟基封端的聚二甲 基硅氧烷。交联剂可为适合于交联硅氧烷的任意类型的交联剂，包括硅酸正 丙酯、原硅酸四乙酯、tetrafutylorthosilicate、三官能团硅烷(例如三烷 基硅烷)、及四功能团硅烷(例如四烷基硅烷)。烷基可为曱基、乙基、 丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基及癸基。在一实施例中， 交联剂是硅酸正丙酯(N-propyl silicate)。交联剂的添加量介于约0.2至 约5.0的聚硅氧烷当量之间。触媒可为任意类型的固化触媒，包括氧化二丁基锡及二丁基氧化 锡、以及羧酸的二烷基金属盐，例如二月桂酸二丁基锡及二己二酸二 丁基锡。在一实施例中，触媒是二丁基氧化锡。触媒的添加量介于0.2 至5.0的聚硅氧烷当量之间。交联剂、聚硅氧烷及触媒可按任一传统方式进行反应。反应物的 次序并不重要，且反应物可按^f壬意次序添加。交联剂及触i某是以等摩 尔量使用。聚硅氧烷可在适于使聚硅氧烷固化的任意温度下进行交联。在一 实施例中，聚硅氧烷可在从大约室温至大约7(TC的温度下固化。在另 一实施例中，聚硅氧烷在室温下固化。所述膜可为包括不止一个层的复合结构。在一实施例中，所述膜 包括三个层。在一实施例中，所述膜包括一活性层及两个支撑层。在 另一实施例中，所述膜包括夹在两个支撑层之间的一活性层。支撑层对膜结构提供支撑并可渗透气体。支撑层的厚度应厚到足 以支撑所述膜，且薄到足以允i午气体以高的通量透过所述膜。在一实 施例中，各支撑层均介于从约IO微米至约50微米的范围中。在另一 实施例中，各支撑层均介于从约20微米至约40微米的范围中。在另 一实施例中，各支撑层均为约25微米。活性层对二氧化碳的渗透率高于对氮气及氧气的渗透率，用于从 混合气体中分离二氧化碳。活性层的厚度应厚到足以使膜具有适宜的 选择性，且薄到足以允许气体以高的通量透过所述膜。在一实施例中， 活性层介于从约10微米至约600微米的范围中。在另一实施例中， 活性层介于从约100微米至约500微米的范围中。在另一实施例中， 活性层约为500微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从包括二氧化碳的气体混合物中分离二氧化碳的膜，其中所述膜包括膨体聚四氟乙烯及聚硅氧烷。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：K坦顿，U拉波尔，UK巴里克，R韦特里韦尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]