本文公开的主题涉及气体分离膜，并且更特别地涉及聚酰亚胺气体分离膜。在一个实施方案中，气体分离膜(10)包括多孔基底(32,34)、基本上连续的聚酰亚胺膜层(38)和布置在多孔基底与聚酰亚胺膜层之间以形成粘合层(36)的一层或更多层勃姆石纳米颗粒。配置粘合层(36)以改进聚酰亚胺膜层(38)与多孔基底(32,34)之间的粘附，并且聚酰亚胺膜层(38)具有约100nm或者更小的厚度(48)。
【技术实现步骤摘要】
本文公开的主题涉及气体分离膜，并且更特别地涉及聚酰亚胺气体分离膜。
技术介绍
一种纯化气体混合物的方法为通过使用气体分离膜。通常，气体分离膜依赖于穿过多孔膜材料的分压差以选择性驱使气体分子跨膜。为了使气体分离膜有效，所述膜应具有足够高的渗透性和高选择性。渗透性为特定气体跨膜流动的容易程度的量度，而选择性为跨膜的气体混合物的一种组分(例如氢气)比气体混合物的第二种组分(例如二氧化碳)多多少的量度。通常，随着膜的渗透性增加，膜的选择性减小，使得难以实现具有高通量的选择性膜。
技术实现思路
在一个实施方案中，气体分离膜包括多孔基底、基本上连续的聚酰亚胺膜层以及布置在多孔基底与聚酰亚胺膜层之间以形成粘合层(bond-coat layer)的一层或更多层勃姆石纳米颗粒。粘合层经配置以改进聚酰亚胺膜层与多孔基底的粘附，并且聚酰亚胺膜层具有约100 nm或者更小的厚度。在另一个实施方案中，制造气体分离膜的方法包括在多孔支持结构上沉积一层或更多层勃姆石纳米颗粒以形成粘合层，并且在粘合层上沉积聚酰亚胺前体。方法进一步包括在300°C或更低的温度下将粘合层和聚酰亚胺前体进行热处理以形成聚酰亚胺膜层，其中聚酰亚胺膜层具有约150 nm或者更小的厚度。在另一个实施方案中，气体分离膜包括支持层。所述膜还包括中间层，中间层布置在支持层之上并提供具有孔隙大小为小于40 nm和具有厚度约50-400 nm之间的表面。所述膜还包括粘合层，粘合层包含布置在中间层之上并具有厚度在约50 nm-400 nm之间的勃姆石纳米颗粒。所述膜进一步包括布置在粘合层之上且具有厚度在20-150 nm之间的聚酰亚胺膜。附图说明当参照附图阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解，其中在整个附图中同样的符号代表同样的部件，其中 图I为气体分离膜的实施方案的图示； 图2为说明气体分离膜的实施方案的各层的侧视图；和 图3为说明制造气体分离膜的方法的实施方案的流程图。具体实施例方式通常期望气体分离膜的渗透性和选择性两者均达到最大，以求膜能够快速和选择性地分离混合气流中的特定组分。气体分离膜可包括沉积在一个或更多个多孔支持层之上的膜层以提供高渗透性膜。然而，气体分离膜中的膜层与下面多孔支持层的粘附可能有限，这可导致膜在制造和使用期间损坏。因此，所公开的实施方案通过在制造过程期间加入勃姆石纳米颗粒粘合层，以改进顶部膜层前体溶液与下面支持层之间的粘附来解决上述问题。就是说，勃姆石粘合层使得能够在前体溶液与下面支持层之间更大程度地共价和/或非共价相互作用，从而改进层间粘附。因此，通过使用这种粘合层，本专利技术气体膜实施方案说明了比先前展示的膜层更薄且进一步提高膜渗透性的膜层的合成和使用。考虑到上述情况，图I图解说明了用于分离气体混合物的气体分离膜10的实施方案。例如，气体分离膜10可用于自水煤气变换反应器分离产品气体混合物(例如氢气和二氧化碳)。在图解说明的实施方案中，跨膜10存在分压差。就是说，在图解说明的实施方案中膜的顶侧12的压力可明显高于膜的底侧14的压力。这种压差可造成气体分子的跨膜流动16。 例如，存在于膜10的顶侧12的气体混合物可包括氢气18和二氧化碳20组分，并且跨膜10的压差可引起一部分气体混合物进入膜10。另外，分压差可引起一部分气体混合物进入气体分离膜以完全跨过膜10。例如，图I的实施方案说明，尽管氢气18和二氧化碳20两种气体中的一部分可进入气体分离膜10，但说明仅有氢气18完全跨过膜10到达另一侧14。同样地，图I图解说明了在二氧化碳20存在下对氢气18具有最佳选择性的理想气体分离膜10。通常，气体分离膜可减小选择性以改进渗透性。例如，相对厚的气体分离膜可具有高选择性，但可遭受低渗透性(即气体混合物中仅有一种物质基本通过膜，但慢)。因此，气体分离膜的渗透性通常可通过使膜变薄来改进。然而，低于一定厚度膜的缺陷可变得众多，造成膜具有高渗透性和几乎没有至没有选择性(即高流速和全部物质相对容易通过膜)。因此，聚合物膜层可沉积于多孔支持结构之上，使得膜层可比对于单独膜层可机械稳定时更薄。就是说，多孔支持结构可机械支持由于太薄(例如数十至数百纳米)而不能支持自身的膜。支持结构可为任何多孔材料，比如任何陶瓷(例如氧化铝或二氧化硅)或金属基底。在某些实施方案中，支持结构可具有小于约40 nm的孔隙大小。然而，气体分离膜的膜层应牢固地粘附于多孔支持结构以使气体分离膜恰当地发挥作用。就是说，在膜层与下面的支持结构之间需要显著量的粘合(例如共价键或非共价相互作用)，使得膜被基本固定。如果例如膜层未适当地粘附于多孔支持结构的表面，那么膜层可在膜沉积过程期间不慎除去，如在以下详细讨论的那样。根据其它实例，如果膜层未适当地粘附于多孔支持结构的表面，那么膜层可由于气体分离膜在气体分离过程期间经历的压差和气流而被完全或部分去除(例如吹出)。合适的陶瓷支持结构材料的一个实例为氧化铝。氧化铝为用作各种应用中的多孔载体的氧化铝形式。某些类型的氧化铝层，比如a氧化铝层，可通过使用与氧化铝粉联合的粘合剂和增塑剂形成，如以下关于制造支持层的实施方案描述的那样。其它类型的氧化铝层，比如Y氧化铝层，可通过烧结勃姆石纳米颗粒的层形成，如以下关于制造中间层的实施方案描述的那样。一般而言，勃姆石纳米颗粒为氢氧化铝矿物的纳米颗粒，并且因此，勃姆石纳米颗粒的表面包括一些羟基。当勃姆石纳米颗粒的沉积层被烧结(即固态烧结)时，勃姆石纳米颗粒可释放水并融合形成Y氧化铝层。通常，a氧化铝和Y氧化铝可在物理性质(例如表面粗糙度或孔隙度)方面具有细微差别，使得材料可在气体分离膜的不同层内起不同作用。考虑到上述情况，图2图解说明了气体分离膜30的实施方案的侧视图。图解说明的气体分离膜30实施方案包括支持层32、中间层34、粘合层36和膜层38。应该注意的是术语“支持层”本文用于确定具体支持层32，而术语“支持结构”本文用于指位于膜层38下面的所有层(例如支持层32、中间层34和粘合层36)。类似地，本文使用的术语“气体分离膜”指整个结构(例如气体分离膜30)，包括支持结构和膜层38，而术语“膜层”本文用于特别指气体分离膜30的膜层38。图解说明的气体分离膜30的底层为支持层32。通常，支持层32负责提供膜的机械强度，从而为上面的层提供稳定平台。在某些实施方案中，支持层32可为具有孔隙大小大于约30 nm的多孔陶瓷或金属基底。应该注意的是，本文使用的孔隙大小指的是基底孔隙 的平均直径。在某些实施方案中，支持层32可包括氧化铝(例如a氧化铝)支持材料并可如以下详细描述的那样自氧化铝浆液制造。多孔支持层32可占据膜30的总厚度40的最大部分。在某些实施方案中，支持层32可具有大于0. I mm的厚度42。在某些实施方案中，支持层32可具有约在0. 01 mm-1 mm、0. 05 mm-5 mm或0. I mm-Q. 3 mm之间的厚度42。在一个实施方案中，支持层32的厚度42可为约0.2 _。中间层34可位于气体分离膜30中的支持层32之上。通常，中间层34具有更细的孔隙度并在下面的支持层32的表面填补缺陷，以为后来的沉积提供更光滑的表面。因此，在某些实施方案中(例如采用本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种气体分离膜(10)，其包括：多孔基底(32,？34)；基本上连续的聚酰亚胺膜层(38)；和一层或更多层勃姆石纳米颗粒，其布置在多孔基底(32,？34)与聚酰亚胺膜层(38)之间以形成粘合层(36)，其中聚酰亚胺膜层(38)具有约100？nm或者更小的厚度(48)。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：KA波利什楚克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：
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