專利名稱：利用自組裝聚合物膜分離酸性成分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及分離氣體蒸氣(gas vapor)中酸性成分的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及利用具有大分子自組裝聚合物的膜，從諸如井口氣或煙道氣/廢氣等氣流中提取酸性成分的方法。
背景技術(shù)：
許多國家已經(jīng)或考慮立法來控制溫室氣體，例如CO2的排放。加拿大和歐洲已經(jīng)存在CO2捕獲的早期市場，如果世界的其他地方強制碳減排，估計該市場會急劇擴張。根據(jù)二十一世紀中期的內(nèi)部和外部排放交易，CO2信用額度的價格約為10$/噸。即便CO2信用額度的成本較低，基于計劃的CO2排放和京都議定書目標產(chǎn)生$30 BB的2010市場。此外，國際能源機構(gòu)(IEA)對于CO2價格和排放的預(yù)測顯示到2050年，碳捕獲和封存可達到$2. 5千億-$1.8萬億，具體取決于排放罰金。例如，挪威立法，每排放一噸CO2交稅65美元。CO2分離的潛在市場大小使得解決該問題極具商業(yè)吸引力。目前，液體胺吸附劑是CO2捕獲的最佳選擇，然而，該技術(shù)因高昂的溶劑再生成本而僅在特定條件下是經(jīng)濟的。雖然目前的胺技術(shù)為CO2燃燒后和天然氣市場提供了直接的解決方案，但對于增長中的和物理上較大的市場的CO2分離,例如火力發(fā)電廠的煙道氣體捕獲需要降低進行理想分離所需的能量并維持經(jīng)濟上可行。某些膜系統(tǒng)的例子包括在Staudt-Bickel，W. J.Koros，名為“通過化學交聯(lián)改善聚酸亞胺的C02/CH4分離特性’’(Improvement of CO2/CH4 s印aration characteristics ofpolyimides by chemical crosslinking), Journal of Membrane Science, 1999, 155,第145-154頁中披露的那些，該篇文獻提出利用交聯(lián)的Uitem 1.000 作為減輕CO2誘導(dǎo)塑化的方法。此外，H.Lin, E. Van Wagner, R. Raharjo, B. D. Freeman,1. Roman; “用于天然氣脫硫的高效聚合物膜”(High-performance polymer membranes for natural-gassweetening) ; Advanced Materials, 2006, 18,第 39-44頁披露了利用交聯(lián)的聚(環(huán)氧乙燒)作為基質(zhì)材料以供天然氣脫硫。該材料具有高CO2滲透性、C02/CH4選擇性，對于CO2誘導(dǎo)塑化至少有一定耐受性。Hale等，在US7，368，511，“流變學特性改善和無缺口沖擊強度改善的聚合物慘混物，，(Polymer blends with improved rheology and improved unnotched impactstrength)中披露了摻有聚乳酸的生物可降解共聚物。Koros等的US7247191披露了交聯(lián)的和可交聯(lián)的中空纖維膜及其制備方法。該專利教導(dǎo)了利用交聯(lián)的聚酰亞胺抑制CO2誘導(dǎo)塑化以及利用該材料作為中空纖維膜。在許多工業(yè)應(yīng)用中，從含有非極性氣體的混合物中分離酸性氣體至關(guān)重要。不幸的是，沒有很多材料令人滿意地表現(xiàn)出酸性氣體選擇性和滲透性。例如，從天然氣中除去CO2的過程稱為天然氣脫硫，該過程需要高CO2滲透性(即，通量)和0)2/014選擇性。目前，大多數(shù)天然氣通過更傳統(tǒng)的技術(shù)，例如胺洗滌(aminescrubbing)純化。然而，這些技術(shù)僅對于產(chǎn)量大的氣井是經(jīng)濟的。
聚合物膜常用于低壓或低產(chǎn)量氣井上的天然氣。目前，醋酸纖維素和UltemlOOO馨用于天然氣脫硫，但這些材料接觸高CO2分壓的CO2時二者均有選擇性不穩(wěn)定的問題，而這是天然氣井可預(yù)計到的。如此，對能提供真實應(yīng)用環(huán)境中天然氣脫硫所需的氣體傳輸特性的新聚合物膜產(chǎn)生了需求。因此，本領(lǐng)域需要利用具有適當?shù)乃嵝詺怏w選擇性和滲透性的材料分離各種環(huán)境中的酸性氣體的方法。發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面，提供用聚合物除去氣流中酸性氣體的方法，其中所述聚合物包括大分子自組裝聚合材料，所述方法包括以下步驟a)使得所述氣體混合物接觸所述膜jPb)從所述氣流中提取所述酸性氣體。通常利用所謂的三-步“溶液-擴散”模型描述經(jīng)無孔聚合物的氣體滲透。按照該模型，上游(即，高分壓)膜表面的氣體分子分配入聚合物的上游面。氣體分子經(jīng)聚合物擴散并從接觸低氣體分壓的聚合物表面解吸。該過程的第二步，即經(jīng)聚合物的擴散是限速步驟。氣體A通過厚度為I的均質(zhì)、各向同性平面膜的穩(wěn)態(tài)滲透性，Pa如下定義
權(quán)利要求
1.一種通過使氣流接觸聚合物從所述氣流中提取酸性氣體的方法，其中所述聚合物包含大分子自組裝聚合材料，所述方法包括以下步驟 a)使所述聚合物接觸所述氣流；和 b)從所述氣流中提取所述酸性氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物構(gòu)成薄膜。
3.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述聚合物構(gòu)成多薄膜片。
4.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法,其特征在于，所述酸性氣體包含一種或多種選自下組的氣態(tài)物質(zhì)一氧化碳、二氧化碳、一氧化硫、二氧化硫、三氧化硫、硫化氫和它們的混合物。
5.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟 a)合成所述聚合物； b)將所述聚合物制成薄膜； c)使所述氣體混合物接觸所述薄膜；和 d)利用所述聚合物薄膜從所述氣流中提取所述酸性氣體。
6.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述氣流包含煙道氣或廢氣。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣流包含井口氣。
8.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，CO2滲透性超過10巴拉下，所述聚合薄膜的C02/CH4選擇性超過4。
9.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述分子自組裝材料選自下組聚酯-酰胺、聚醚-酰胺、聚酯-氨基甲酸乙酯、聚醚-氨基甲酸乙酯、聚醚-脲、聚酯-脲或它們的混合物。
10.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述分子自組裝材料包含自組裝單元，所述單元包含多氫鍵陣列。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述多氫鍵陣列的締合合常數(shù)K(締合)大于IO3M'
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述多氫鍵陣列包含至少4個供體-受體氫鍵位點/自組裝單元。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述多氫鍵陣列包含平均2-8個供體-受體氫鍵位點/自組裝單元。
14.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述分子自組裝材料包含式I所示重復(fù)單元
15.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述分子自組裝材料是式II或III所示聚合物或寡聚物
16.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述分子自組裝材料的數(shù)均分子量(Mn)介于約 1000g/mol-約 50，000g/mol 之間。
17.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述分子自組裝材料的數(shù)均分子量小于5，OOOg/moL·
全文摘要
本發(fā)明公開了通過使氣流接觸聚合物而從所述氣流中除去酸性氣體的方法，其中所述聚合物是大分子自組裝聚合材料，所述方法包括將氣體混合物與膜接觸，并從所述氣流提取酸性氣體的步驟。
文檔編號B01D71/48GK103068475SQ201180009176
公開日2013年4月24日 申請日期2011年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者S·T·馬特尤奇, L·C·洛佩斯, S·D·費斯特, P·尼克亞斯, W·J·哈里斯 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)有限責任公司