JP2020531260A - ガス分離用膜 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2018年8月21日に出願された米国仮特許出願第62/548,205号、及び2018年8月21日に出願された米国仮特許出願第62/548,195号の利益を主張するものであり、これらの各々は、それらの全体として参照により本明細書に組み込まれる。
いくつかの実施形態では、支持層は、ガス透過性ポリマーと、ガス透過性ポリマー内に分散された親水性添加剤と、を含み得る。
いくつかの実施形態では、支持層は、ガス透過性ポリマーと、ガス透過性ポリマー内に分散された親水性添加剤と、を含み得る。膜は、ガスに対して選択的な透過性を示すことができる。
式中、R1、R2、R3、及びR4は、水素又は1〜4個の炭素原子を有する炭化水素基であり、nは、0〜4の範囲の整数であり、Am+は、1〜3の原子価を有するカチオンである。場合によっては、カチオン(Am+)は、式:
式中、R5及びR6は、水素又は1〜4個の炭素原子を有する炭化水素基であり、R7は、水素又は1〜4個の炭素原子を有する炭化水素基又は2〜6個の炭素原子及び1〜4個の窒素原子のアルキルアミンであり、yは、1〜4の範囲の整数であり、mは、カチオンの原子価に等しい整数である。いくつかの実施形態では、Am+は、元素周期表のIa族、IIa族、及びIIIa族、又は遷移金属から選択される金属カチオンである。例えば、Am+は、リチウム、アルミニウム、又は鉄を含み得る。
いくつかの実施形態では、選択的ポリマー層は、選択的ポリマーマトリックスと、選択的ポリマーマトリックス内に分散されたカーボンナノチューブと、を含み得る。膜は、ガスに対して選択的な透過性を示すことができる。
式中、R1、R2、R3、及びR4は、水素又は1〜4個の炭素原子を有する炭化水素基であり、nは、0〜4の範囲の整数であり、Am+は、1〜3の原子価を有するカチオンである。場合によっては、カチオン(Am+)は、式:
式中、R5及びR6は、水素又は1〜4個の炭素原子を有する炭化水素基であり、R7は、水素又は1〜4個の炭素原子を有する炭化水素基又は2〜6個の炭素原子及び1〜4個の窒素原子のアルキルアミンであり、yは、1〜4の範囲の整数であり、mは、カチオンの原子価に等しい整数である。いくつかの実施形態では、Am+は、元素周期表のIa族、IIa族、及びIIIa族、又は遷移金属から選択される金属カチオンである。例えば、Am+は、リチウム、アルミニウム、又は鉄を含み得る。
本明細書にて開示した膜は、ガス状混合物の分離に使用することができる。例えば、第1のガス及び1つ以上の追加のガス(例えば、少なくとも第2のガス)を含む供給ガスから第1のガスを分離するための方法が、提供される。本方法は、第1のガスの膜透過性を提供するために効果的な条件下で、本開示の任意の膜を(例えば、選択的ポリマーを含む側で)供給ガスに接触させることを含んでもよい。いくつかの実施形態では、本方法は、少なくとも第1のガスを含有する透過液を膜の裏側から引き出すこともまた含むことができ、第1のガスはガス状流から選択的に除去される。透過液は、供給流と比較して高い濃度にて、少なくとも第1のガスを含むことができる。用語「透過液」とは、膜の第2の側に存在し得る掃気ガス又は液体などのその他の流体を除外した、膜の裏側又は第2の側で引き出された供給流の一部を意味する。
概要
ナノ多孔質ガス透過性膜、並びにナノ多孔質ガス透過性膜から形成される選択的透過性複合膜が本明細書に記載される。ナノ多孔質ガス透過性膜は、ガス透過性ポリマー(例えば、ポリエーテルスルホン(polyethersulfone、PES))と、ガス透過性ポリマー中に分散された、ポリビニルピロリドン(PVP)、ヒドロキシル化ポリエーテルスルホン(PES−OH)、又はスルホン化ポリスルホン(SPSf)などの親水性添加剤と、から形成される。得られたナノ多孔質ガス透過性膜は、改善された親水性及び形態を示す。親水性添加剤をPES中に組み込むことによって、親水性添加剤を含まない同一の膜と比較して、膜のガス透過抵抗が低下する。更に、ナノ多孔質ガス透過性膜から形成される選択的透過性複合膜の場合、親水性添加剤を含まない同一の膜と比較して、膜の向上した親水性に起因して、より薄い選択的ポリマー層が、ナノ多孔質ガス透過性膜の上にコーティングされ得る。形態学的改質及び親水性改質の両方によって、ナノ多孔質ガス透過性膜から形成される選択的透過性複合膜の分離性能が改善され得る。ナノ多孔質ガス透過性膜は、異なる調製条件で、28.5〜70nmの平均細孔径、及び11.4〜18.5%の表面空隙率を有する多孔質表面を有し得る。
ナノ多孔質ポリマー基材は、支持層として一般的に使用されて、ガス分離における複合膜の機械的強度を提供する。基材の表面特性及び形態は、複合膜の輸送性能を改善するために重要である。煙道ガスからのCO2分離などのガス分離に使用され得る、複合膜調製用のパイロット規模でのポリマー(例えば、ポリエーテルスルホン(PES))膜の効果的な製造方法が本明細書に記載される。得られた改善されたPES膜は、N2含有流、例えば煙道ガスからのCO2の除去及び捕捉を含む、ガス分離用複合膜の製造に効果的な支持体である。
ナノ多孔質ガス透過性膜用のキャスト溶液
ナノ多孔質ガス透過性膜用の典型的なキャスト溶液は、PESポリマー、親水性添加剤、溶媒、及び細孔形成剤を含む。N−メチル−2−ピロリドン(N-methyl-2-pyrrolidone、NMP)及び水を、溶媒及び非溶媒としてそれぞれ用いた。2−メトキシエタノール(2-Methoxyethanol、2−ME)を、水との高い親和性のため、細孔形成添加剤としてキャスト溶液に組み込み、それは、基材のバルク内の相互接続されたスポンジ構造につながる。最初に、溶液が透明かつ均質になるまで、80℃で6時間磁気撹拌しながら、PES(又はPES及び親水性添加剤)を適切な量のNMPに溶解することによって、キャスト溶液を調製した。次いで、溶液を室温まで冷却し、相分離を最小限にするために2−MEを滴下した。典型的なPES含有量は、溶液中で14重量%であり、NMP対2−MEの重量比は、35/58であった。溶液を磁気撹拌下で一晩保持した。全ての手順をN2シャワー下で行った。一晩撹拌した後、溶液は、後続のキャストに使用することができる。
ナノ多孔質PES膜を、蒸気及び非溶媒誘導相反転工程によって連続的に製造した。PES膜は、実験室規模でフィルム塗布器、又はパイロット規模で連続キャスト機を用いることによって製造され得る。以下の実施例では、PES膜を、図2に示されるパイロット規模のロールツーロールキャスト機を使用して製造した。キャスト溶液を、固定ステンレス鋼ナイフ(最大21インチ幅)によって、100μmの所定の間隙設定で、4フィート/分の速度で移動する不織布上に連続的にキャストした。3lbfの張力を適用して、布地の平坦性を確保した。キャスト溶液を保持するトラフを、十分な流速(350cc/分)でN2でパージし、キャスト溶液が相分離するのを防止した。キャストナイフの後に湿度チャンバを設置し、布地の回転速度は、湿度チャンバ内の曝露時間を制御し得た。湿ったN2を湿度チャンバに流して、相対湿度を制御した。湿度チャンバ内の相対湿度及び曝露時間は、それぞれ60%及び6.25秒であった。続いて、キャストフィルムを、水タンクに浸漬して、PES膜を形成した。凝固浴温度を、所望の細孔径に応じて、15〜17℃で制御した。
製造されたPES膜及び複合膜のガス輸送特性を、ガス透過性試験装置を介して特性評価した。簡潔に言えば、膜を、2.7cm2の有効面積及び向流構成を有する矩形ステンレス鋼セルに装填した。乾燥基準で20%のCO2及び80%のN2の供給ガス混合物、及びアルゴン(argon、Ar)の掃気ガスを、マスフロー制御器(Brooks instrument,Hatfield,PA)によって制御した。供給ガス流量及び掃気ガス流速は、それぞれ92cc/分及び30cc/分であった。更に、圧力を、供給側面及び掃気側面でそれぞれ1.5psig及び1.2psigになるよう調整した。温度を、温度制御されたオーブン(Bemco Inc.Simi Valley,CA)を介して、57℃に制御した。供給ガス及び掃気ガスを、ラシヒガラスリングパッキングで満たされたステンレス鋼加湿器(Swagelok,Westerville,OH,U.S.A.)を介して加湿することによって、57℃(典型的な煙道ガス温度)で17.2%の飽和水含有量を、全ての輸送実験における供給側面及び掃気側面の両方に適用した。輸送測定の前に、100mlの水を両側の加湿器にポンプで送り込んだ。非透過及び透過ガス流を、それらのそれぞれのノックアウト容器及びドライライト管によって乾燥させた後、それらを組成分析のためにガスクロマトグラフ(gas chromatograph、GC)に送った。次いで、ガス組成物を、CO2透過性及びCO2/N2選択性の計算に使用した。
PESポリマー(BASF製Ultrason(登録商標)E7020P)及びPVP K90(BASF製Luvitec(登録商標))を使用して、ナノ多孔質ガス透過性膜(本明細書ではPES基材とも称される)を調製した。詳細な溶液組成を表1に要約する。キャスト溶液中のNMP及び2−ME濃度が、それぞれ32.27重量%及び53.48重量%に対応する、35/58のNMP/2−MEの重量比を使用した。キャスト溶液を、上記の手順に従って調製し、PES基材を、図2に示される連続キャスト機によってキャストした。水凝固浴温度を除いて、キャストプロセス中の操作パラメータを、以下の全ての実施例に対して同一に保った。実施例1Aにおいて、凝固浴温度を17℃に制御した。
元の未改質PES基材(親水性添加剤を用いずに調製された膜)を調製して、実施例1Aにおいて調製された膜と比較した。14重量%のPES濃度及び35/58のNMP/2−ME重量比を適用した。実施例1Aにおいて記載された同様の溶液調製手順及びキャストプロセスを使用した。凝固浴温度を17℃に制御した。表3は、元の未改質PES基材の表面形態、接触角、及びCO2透過性を示す。改質され、改善されたPES基材の改善を示すための対照として、この基材を使用した。
親水性PES基材を、より低い含有量のPVP(BASF製Luvitec(登録商標)K90)が組み込まれることを除いて、実施例1Aにおいて記載された同じ手順によって調製した。詳細な溶液組成を表4に要約する。図4は、調製されたPES基材の表面形態を示し、表5は、実施例1Cにおける改質されたPES基材の表面形態、接触角、及びCO2透過性を要約する。示されるように、平均細孔径及び表面空隙率は、それぞれ38.7nm及び13.4%であった。実施例1CのCO2透過性は22000GPUであり、比較例1Bと比較して、より開放的な形態が得られた。実施例2におけるより低い接触角は、改質されたPES基材の改善された親水性を示す。
親水性PES基材を、実施例1Aにおいて記載された同じ手順によって得た。異なる分子量のPVP(BASF製Luvitec(登録商標)K30)を、0.025重量%の濃度で組み込んだ。PES濃度及びNMP/2−ME重量比を、それぞれ14重量%及び35/58に保った。凝固浴温度を15℃に制御した。図5は、調製されたPES基材の表面形態を示し、表6は、改質され、改善されたPES基材の表面形態、接触角、及びCO2透過性を要約する。示されるように、実施例1D(19000GPU)における、改質され、改善されたPESのCO2透過性は、比較例1B(9200GPU)における元の未改質PES基材のCO2透過性よりも高く、これは、より開放的な形態に起因していた。実施例1Dにおけるより低い接触角は、改質され、改善されたPES基材の改善された親水性を示す。
親水性PES基材を、実施例1Aにおいて記載された同じ手順によって調製した。異なる分子量のPVP(BASF製Luvitec(登録商標)K30)を、0.01重量%の濃度で組み込んだ。PES濃度及びNMP/2−ME重量比を、それぞれ14重量%及び35/58に保った。凝固浴温度を15℃に制御した。図6は、調製されたPES基材の表面形態を示し、表7は、改質され、改善されたPES基材の表面形態、接触角、及びCO2透過性を要約する。示されるように、実施例1E(18000GPU)における、改質されたPESのCO2透過性は、比較例1B(9200GPU)における元の未改質PES基材のCO2透過性よりも高く、これは、より開放的な形態によって説明することができた。表7における低減した接触角によって示されるように、実施例1Eにおいて、改質されたPES基材の改善された親水性が得られた。
キャスト溶液を、実施例1Aにおいて記載された同じ手順によって調製した。実施例1Fにおける親水性添加剤として、1%のヒドロキシル化度を有するヒドロキシル化PES(住友化学製SUMIKAEXCEL 5003 PS)を用いた。詳細なキャスト溶液組成を表8に示す。親水性PES膜を、凝固浴温度を17℃で制御したことを除いて、実施例1Aにおいて記載されたキャストプロセスを使用することによって得た。図7は、調製されたPES基材の表面形態を示し、表9は、改質されたPES基材の表面形態、接触角、及びCO2透過性を要約する。示されるように、実施例1F(14100GPU)における、改質されたPESのCO2透過性は、比較例1B(9200GPU)における元の未改質PES基材のCO2透過性よりも高く、これは、より開放的な形態に起因していた可能性がある。表9に列挙されるように、実施例1Fにおける低減した接触角は、改質され、改善されたPES基材の改善された親水性を示す。
キャスト溶液を、実施例1Aにおいて記載された同じ手順によって調製した。実施例1Gにおいて、6%のスルホン化度を有するスルホン化ポリスルホンを、親水性添加剤として用いた。詳細なキャスト溶液組成を表10に示す。親水性PES膜を、凝固浴温度を17℃で制御したことを除いて、実施例1Aにおいて記載されたキャストプロセスを使用することによって得た。図8は、調製されたPES基材の表面形態を示し、表11は、改質されたPES基材の表面形態、接触角、及びCO2透過性を要約する。示されるように、実施例1G(12800GPU)における、改質され、改善されたPESのCO2透過性は、比較例1B(9200GPU)における元の未改質PES基材のCO2透過性よりも高かった。この基材のガス透過抵抗の低減は、そのより開放的な形態のためであった。表11に示される、実施例1Gにおける70°のより低い接触角は、改質されたPES基材の改善された親水性を示す。
アミン含有ポリマー選択的層を、上記の実施例1A〜1Gの各基材上にコーティングして、複合膜を形成した。選択的層は、固定部位キャリアとして機能したポリビニルアミン(polyvinylamine、PVAm)と、移動キャリアとして機能したピペラジングリシネート(piperazine glycinate、PG)と、を含む。PVAm及びPGを、35/65の重量比で混合した。コーティング溶液(約1000cp)の粘度を使用して、基板上に選択的層を欠陥なくコーティングした。約175nmの選択的層厚さを、全ての複合膜に用いた。複合膜のガス輸送特性を、前述の手順によって測定した。
概要
カーボンナノチューブを含む選択的透過性膜が、本明細書に記載される。膜は、CO2/N2分離、具体的には、減圧が膜の透過側面に引かれる用途において使用され得る。膜の選択的ポリマー層は、アミン含有ポリマーと、移動キャリアとしてアミン含有ポリマー内に分散されたアミノ酸塩と、を含んで、CO2の輸送を促進し得る。未処理及び/又は官能基化カーボンナノチューブは、選択的ポリマー層中に組み込むことができ、そこで、それは硬質無機充填剤として機能する。非官能基化カーボンナノチューブ、並びに側壁官能基化カーボンナノチューブ(例えば、ヒドロキシ官能基化カーボンナノチューブ、カルボキシ官能基化カーボンナノチューブ、又はアミン官能基化カーボンナノチューブ)を利用し得る。カーボンナノチューブは、選択的ポリマー層の剛性を高めることができ、これは、減圧下でのナノ多孔質支持層への選択的ポリマー層の浸透を低減することができる。これにより、選択的ポリマー層中にカーボンナノチューブを含まない同一の膜に対して、適用された減圧下での膜の機能(例えば、CO2透過度、CO2選択性、又はこれらの組み合わせ)を改善することができる。
大気中のCO2濃度が過去10年間で400ppmを超えたため、地球温暖化に関する懸念が高まっている。化石燃料の燃焼は、大量のCO2放出への主な要因のうちの1つであり、膜技術は、大規模な固定源(例えば、石炭火力発電所及び天然ガス火力発電所からの煙道ガス)からCO2を捕捉し、続いて、圧縮及び地質学上の除去をする有望な手法として提案されている。複数の研究努力が、少なくとも95%のCO2純度を有する発電所の煙道ガスから、90%CO2を捕捉し得る膜プロセスを設計するために供された。これらのプロセスの多くの一般的な要素は、減圧が膜の透過側面に引かれて膜透過駆動力を提供する減圧膜段階である。これらの状況では、膜は、供給側面から透過側面への圧力差を受ける。しかしながら、多くの場合、適用された減圧は、膜のCO2透過性を有意に減少させる(例えば、50%以上)。
単層及び多層カーボンナノチューブの両方、並びに側壁官能基化(例えば、欠陥酸化、続いてヒドロキシル化(−OH)、カルボキシル化(−COOH)、及び/又はアミノ化(−NH2))によって合成されるこれらのナノチューブの誘導体が、本明細書に記載される膜に組み込まれ得る。ナノチューブは、50nm〜100μm(例えば、200nm〜20μm)の長さの範囲であり得る。ナノチューブは、任意の好適な直径を有し得る。例えば、場合によっては、ナノチューブは、10nm〜50nmの直径を有し得る。Arkema Inc.(Philadelphia,PA)から、商標名Graphistrength(登録商標)C100(長さ0.1〜10μm、直径10〜15nm)で市販されている多層カーボンナノチューブが、これらの原理実証研究のために使用された。
市販のカーボンナノチューブは、非常に絡み合った集合体として供給されているため、水に分散することは困難であった。したがって、超音波処理が使用されて、カーボンナノチューブを水中に効果的に分散させた。いくつかの手法が使用されて、カーボンナノチューブの水中での分散及び安定化を促進した。第1に、ドデシル硫酸ナトリウムを添加して、カーボンナノチューブの表面張力を低下させ、それによって凝集を防止した。第2に、強酸酸化によって、カーボンナノチューブの側壁上に欠陥が作成された。酸化剤によって作成された欠陥は、続いて、より安定なヒドロキシル基及びカルボン酸基に変換された。第3に、酸処理されたカーボンナノチューブ上のヒドロキシル基及びカルボン酸基を、アミン含有試薬に結合させた(それによって、カーボンナノチューブ上にペンダントアミノ基を導入した)。カーボンナノチューブの側壁上に荷電基を導入することによって、カーボンナノチューブの凝集を、電気斥力によって抑制することができる。
分散されたカーボンナノチューブを、アミン含有ポリマーの溶液に添加して、特定のポリマー濃度及びカーボンナノチューブ充填を有する分散液にすることによって、膜合成用コーティング溶液を調製した。次いで、カーボンナノチューブを、別の超音波処理を行うことによって、ポリマー中に十分に分散させた。次に、特定量のアミノ酸塩を、分散液中に組み込んで、コーティング溶液を形成した。次いで、コーティング溶液を、「ナイフコーティング」技術によって、ポリエーテルスルホン(PES)ナノ多孔質基材上にコーティングした。水を蒸発させた後、次いで、膜をガス透過性測定のために使用した。
ガス透過性測定を、以下に記載されるように、透過装置を使用して行った。膜を、温度制御されたオーブン(Bemco Inc.Simi Valley,Ca)内のステンレス鋼の矩形透過セルに、2.7cm2の有効膜面積で装填した。供給側面上で、20%のCO2及び80%のN2を含有する92sccmの2成分ガス混合物を、57℃で、60体積%のラシヒリングのパッキング及び100mLの水で充填された500mLのステンレス鋼加湿器(Swagelok,Westerville,OH)を使用して加湿した。供給圧力を、周囲圧力付近の圧力調整器によって1.5psigで制御した。透過側面上で、湿潤アルゴン掃気又は減圧のいずれかを使用して、膜透過駆動力を提供した。掃気ガスを使用した場合、30sccmの乾燥アルゴンを、供給側面加湿器と同一の加湿器によって加湿した。アルゴン掃気の圧力を、周囲圧力付近の圧力調整器を使用して1.0psigで制御した。供給ガス及び掃気ガスは、向流パターンであった。非透過及び透過流の組成を、熱伝導率検出器(Agilent Technologies,Palo Alto,CA)を備えたクロマトグラフ(GC)を使用して分析した。SUPELCO Carboxen(登録商標)1004マイクロパックGCカラム(Sigma−Aldrich,St.Louis,MO)を、分析のために設置した。減圧を引いた場合、透過セルの透過側面を、真空ダイヤフラムポンプ(荏原製作所、東京、日本)に接続した。透過圧力を、減圧調整器(Alicat Scientific,Inc.,Tucson,AZ)によって0.2atmで制御した。透過流が真空ポンプに入る前に、冷却装置(Fisher Scientific,Hampton,NH)によって0℃に冷却された1Lステンレス鋼の水ノックアウト(Swagelok,Westerville,OH)を通過して、透過液から水分を除去した。真空ポンプの排出は、組成分析のために、30sccmの乾燥アルゴン掃気によってGCに送られた。
実施例2Aでは、選択的ポリマーマトリックス(アミン含有ポリマー及びアミン含有ポリマー中に分散されたアミノ酸塩)を含む選択的ポリマー層を含む膜を、カーボンナノチューブを用いずに調製した。
実施例2Bでは、非官能基化多層カーボンナノチューブを、選択的ポリマー層に組み込んで、その機械的強度を向上させた。
実施例2Cでは、酸処理された多層カーボンナノチューブを、選択的ポリマー層に組み込んで、その機械的強度を向上させた。
実施例2Dでは、アミン官能基化多層カーボンナノチューブを、選択的ポリマー層に組み込んで、その機械的強度を向上させた。
Claims (94)
- 支持層と、
前記支持層上に配置された選択的ポリマー層と、
を含み、
前記支持層が、ガス透過性ポリマーと、前記ガス透過性ポリマー内に分散された親水性添加剤とを含む、膜。 - 前記選択的ポリマー層が、57℃及び1気圧の供給圧力で、少なくとも10のCO2:N2選択性を有する、請求項1に記載の膜。
- 前記選択的ポリマー層が、57℃及び1気圧の供給圧力で、10〜500のCO2:N2選択性を有する、請求項1〜2のいずれか一項に記載の膜。
- 前記選択的ポリマー層が、57℃及び1気圧の供給圧力で、10〜350のCO2:N2選択性を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の膜。
- 前記選択的ポリマー層が、親水性ポリマー、アミノ化合物、又はこれらの組み合わせを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の膜。
- 前記アミノ化合物が、アミン含有ポリマーを含む、請求項5に記載の膜。
- 前記アミン含有ポリマーが、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン、ポリ−N−イソプロピルアリルアミン、ポリ−N−tert−ブチルアリルアミン、ポリ−N−1,2−ジメチルプロピルアリルアミン、ポリ−N−メチルアリルアミン、ポリ−N,N−ジメチルアリルアミン、ポリ−2−ビニルピペリジン、ポリ−4−ビニルピペリジン、ポリアミノスチレン、キトサン、コポリマー、及びこれらのブレンドからなる群から選択される、請求項6に記載の膜。
- 前記アミン含有ポリマーが、ポリビニルアミンを含む、請求項6又は7に記載の膜。
- 前記アミノ化合物が、低分子量アミノ化合物を含む、請求項5に記載の膜。
- 前記低分子量アミノ化合物が、1,000Da未満の分子量を有する、請求項9に記載の膜。
- 前記低分子量アミノ化合物が、一級アミンの塩又は二級アミンの塩を含む、請求項9又は10に記載の膜。
- 前記低分子量アミノ化合物が、以下の一般式によって定義されるアミノ酸塩を含み、
- 前記低分子量アミノ化合物が、アミノイソ酪酸カリウム塩、アミノイソ酪酸−リチウム塩、アミノイソ酪酸−ピペラジン塩、グリシン−カリウム塩、グリシン−リチウム塩、グリシン−ピペラジン塩、ジメチルグリシン−カリウム塩、ジメチルグリシン−リチウム塩、ジメチルグリシン−ピペラジン塩、ピペラジジン−2−カルボン酸−カリウム塩、ピペラジジン−2−カルボン酸−リチウム塩、ピペラジジン−2−カルボン酸−ピペラジン塩、ピペラジジン−4−カルボン酸−カリウム塩、ピペラジジン−4−カルボン酸−リチウム塩、ピペラジジン−4−カルボン酸−ピペラジン塩、ピペラジジン−3−カルボン酸−カリウム塩、ピペラジジン−3−カルボン酸−リチウム塩、ピペラジジン−3−カルボン酸−ピペラジン塩、及びこれらのブレンドからなる群から選択される塩を含む、請求項9〜11のいずれか一項に記載の膜。
- 前記親水性ポリマーが、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミン、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、又はポリエチレンイミンなどのポリアミン、ポリシロキサン、これらのコポリマー、及びこれらのブレンドからなる群から選択されるポリマーを含む、請求項5〜13のいずれか一項に記載の膜。
- 前記選択的ポリマー層が、架橋剤を更に含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の膜。
- 前記架橋剤が、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒド、無水マレイン酸、グリオキサール、ジビニルスルホン、トルエンジイソシアネート、トリメチロールメラミン、テレフタレートアルデヒド、エピクロロヒドリン、ビニルアクリレート、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される化合物を含む、請求項15に記載の膜。
- 前記選択的ポリマー層が、カーボンナノチューブを更に含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はこれらの組み合わせを含む、請求項17に記載の膜。
- 前記選択的ポリマー層が、前記選択的ポリマー層の総乾燥重量に基づいて、0.5重量%〜5重量%のカーボンナノチューブを含む、請求項17〜18のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、10nm〜50nmの平均直径を有する、請求項17〜19のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、50nm〜20μmの平均長さを有する、請求項17〜20のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、側壁官能基化カーボンナノチューブを含む、請求項17〜21のいずれか一項に記載の膜。
- 前記側壁官能基化カーボンナノチューブが、ヒドロキシ官能基化カーボンナノチューブ、カルボキシ官能基化カーボンナノチューブ、アミン官能基化カーボンナノチューブ、又はこれらの組み合わせを含む、請求項22に記載の膜。
- 前記ガス透過性ポリマーが、ポリアミド、ポリイミド、ポリピロロン、ポリエステル、スルホン系ポリマー、ニトリル系ポリマー、ポリマー性オルガノシリコーン、フッ化ポリマー、ポリオレフィン、これらのコポリマー、及びこれらのブレンドから選択されるポリマーを含む、請求項1〜23のいずれか一項に記載の膜。
- 前記ガス透過性ポリマーが、ポリエーテルスルホン又はポリスルホンを含む、請求項1〜24のいずれか一項に記載の膜。
- 前記親水性添加剤が、親水性ポリマーを含む、請求項1〜25のいずれか一項に記載の膜。
- 前記親水性添加剤が、ポリビニルピロリドン(PVP)、ヒドロキシル化ポリエーテルスルホン(PES−OH)、スルホン化ポリスルホン(SPSf)、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、スルホン化ポリスチレン、これらのコポリマー、又はこれらのブレンドを含む、請求項1〜26のいずれか一項に記載の膜。
- 前記親水性添加剤が、ポリビニルピロリドン(PVP)、ヒドロキシル化ポリエーテルスルホン(PES−OH)、スルホン化ポリスルホン(SPSf)、これらのコポリマー、又はこれらのブレンドを含む、請求項1〜27のいずれか一項に記載の膜。
- 前記親水性添加剤が、前記ガス透過性ポリマー及び前記親水性添加剤の総乾燥重量に基づいて、0.05重量%〜20%重量%、0.05重量%〜10%重量%、0.05重量%〜5重量%、又は0.1重量%〜2.5%重量%の量で、前記ガス透過性ポリマー中に存在する、請求項1〜28のいずれか一項に記載の膜。
- 前記支持層が、走査型電子顕微鏡検査(SEM)によって測定される場合、10%〜25%の表面空隙率及び20nm〜90nmの平均細孔径を示す、請求項1〜29のいずれか一項に記載の膜。
- 前記支持層が、60°〜75°などの、75°以下の水接触角を示す、請求項1〜30のいずれか一項に記載の膜。
- 前記支持層が、57℃及び1気圧の供給圧力で、少なくとも12,000GPUのCO2透過性を示す、請求項1〜31のいずれか一項に記載の膜。
- 前記ガス透過性ポリマーが、基部上に配置されている、請求項1〜32のいずれか一項に記載の膜。
- 前記基部が、不織布を含む、請求項33に記載の膜。
- 前記不織布が、ポリエステルから形成された繊維を含む、請求項34に記載の膜。
- 前記膜が、前記支持層と前記選択的ポリマー層との間に配置された透過性層を更に含む、請求項1〜35のいずれか一項に記載の膜。
- 前記透過性層が、ポリ(ジメチルシロキサン)、ポリ(トリメチルシリルプロピン)、ポリ(4−メチル−1−ペンテン)、これらのコポリマー、及びこれらのブレンドから選択されるガス透過性ポリマーを含む、請求項36に記載の膜。
- 前記膜が、平坦なシートの、螺旋状に巻き付けられた、中空繊維の、又はプレート及び枠の構造に構成されている、請求項1〜37のいずれか一項に記載の膜。
- 前記膜が、酸性ガスに対して選択的に透過性である、請求項1〜38のいずれか一項に記載の膜。
- 前記膜が、二酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄、三酸化硫黄、窒素酸化物、塩化水素、水、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される流体に対して選択的に透過性である、請求項1〜39のいずれか一項に記載の膜。
- 供給ガス流から第1のガスを分離する方法であって、
請求項1〜40のいずれか一項によって定義される膜を、前記第1のガスの膜透過性を提供する効果的な条件下において、前記第1のガスを含む前記供給ガス流と接触させることを含む、方法。 - 前記供給ガスが、水素、二酸化炭素、硫化水素、塩化水素、一酸化炭素、窒素、メタン、蒸気、硫黄酸化物、窒素酸化物、又はこれらの組み合わせを含む、請求項41に記載の方法。
- 前記第1のガスが、二酸化炭素、硫化水素、塩化水素、及びこれらの組み合わせから選択される、請求項41又は42に記載の方法。
- 前記供給ガスが、窒素、水素、一酸化炭素、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される第2のガスを含み、
前記膜が、57℃及び1気圧の供給圧力で、20〜300の第1のガス/第2のガス選択性を示す、請求項41〜43のいずれか一項に記載の方法。 - 前記膜が、供給側面及び透過側面を含み、前記方法が、減圧を前記膜の前記透過側面へと適用して、前記第1のガスを除去することを更に含む、請求項41〜44のいずれか一項に記載の方法。
- 前記膜が、供給側面及び透過側面を含み、前記方法が、前記膜の前記透過側面にわたって掃気ガスを流して前記第1のガスを除去することを更に含む、請求項41〜45のいずれか一項に記載の方法。
- 前記掃気ガスが、空気、蒸気、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるガスを含む、請求項46に記載の方法。
- 前記供給ガスが、25℃〜100℃の温度を有する、請求項41〜47のいずれか一項に記載の方法。
- 前記供給ガスが、少なくとも100℃の温度を有する、請求項41〜47のいずれか一項に記載の方法。
- 支持層上に選択的ポリマー層を堆積させることを含む膜の作製方法であって、
前記支持層が、ガス透過性ポリマーと、前記ガス透過性ポリマー内に分散された親水性添加剤とを含む、方法。 - 支持層と、
前記支持層上に配置された選択的ポリマー層と、
を含み、
前記選択的ポリマー層が、選択的ポリマーマトリックスと、前記選択的ポリマーマトリックス内に分散されたカーボンナノチューブとを含む、膜。 - 前記選択的ポリマーマトリックスが、57℃及び1気圧の供給圧力で、少なくとも10のCO2:N2選択性を有する、請求項51に記載の膜。
- 前記選択的ポリマーマトリックスが、57℃及び1気圧の供給圧力で、10〜500のCO2:N2選択性を有する、請求項51〜52のいずれか一項に記載の膜。
- 前記選択的ポリマーマトリックスが、57℃及び1気圧の供給圧力で、10〜350のCO2:N2選択性を有する、請求項51〜53のいずれか一項に記載の膜。
- 前記選択的ポリマーマトリックスが、親水性ポリマー、アミノ化合物、又はこれらの組み合わせを含む、請求項51〜54のいずれか一項に記載の膜。
- 前記アミノ化合物が、アミン含有ポリマーを含む、請求項55に記載の膜。
- 前記アミン含有ポリマーが、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン、ポリ−N−イソプロピルアリルアミン、ポリ−N−tert−ブチルアリルアミン、ポリ−N−1,2−ジメチルプロピルアリルアミン、ポリ−N−メチルアリルアミン、ポリ−N,N−ジメチルアリルアミン、ポリ−2−ビニルピペリジン、ポリ−4−ビニルピペリジン、ポリアミノスチレン、キトサン、コポリマー、及びこれらのブレンドからなる群から選択される、請求項56に記載の膜。
- 前記アミン含有ポリマーが、ポリビニルアミンを含む、請求項56又は57に記載の膜。
- 前記アミノ化合物が、低分子量アミノ化合物を含む、請求項55に記載の膜。
- 前記低分子量アミノ化合物が、1,000Da未満の分子量を有する、請求項59に記載の膜。
- 前記低分子量アミノ化合物が、一級アミンの塩又は二級アミンの塩を含む、請求項59又は60に記載の膜。
- 前記低分子量アミノ化合物が、以下の一般式によって定義されるアミノ酸塩を含み、
- 前記低分子量アミノ化合物が、アミノイソ酪酸カリウム塩、アミノイソ酪酸−リチウム塩、アミノイソ酪酸−ピペラジン塩、グリシン−カリウム塩、グリシン−リチウム塩、グリシン−ピペラジン塩、ジメチルグリシン−カリウム塩、ジメチルグリシン−リチウム塩、ジメチルグリシン−ピペラジン塩、ピペラジジン−2−カルボン酸−カリウム塩、ピペラジジン−2−カルボン酸−リチウム塩、ピペラジジン−2−カルボン酸−ピペラジン塩、ピペラジジン−4−カルボン酸−カリウム塩、ピペラジジン−4−カルボン酸−リチウム塩、ピペラジジン−4−カルボン酸−ピペラジン塩、ピペラジジン−3−カルボン酸−カリウム塩、ピペラジジン−3−カルボン酸−リチウム塩、ピペラジジン−3−カルボン酸−ピペラジン塩、及びこれらのブレンドからなる群から選択される塩を含む、請求項59〜61のいずれか一項に記載の膜。
- 前記親水性ポリマーが、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミン、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、又はポリエチレンイミンなどのポリアミン、ポリシロキサン、これらのコポリマー、及びこれらのブレンドからなる群から選択されるポリマーを含む、請求項55〜63のいずれか一項に記載の膜。
- 前記選択的ポリマーマトリックスが、架橋剤を更に含む、請求項51〜64のいずれか一項に記載の膜。
- 前記架橋剤が、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒド、無水マレイン酸、グリオキサール、ジビニルスルホン、トルエンジイソシアネート、トリメチロールメラミン、テレフタレートアルデヒド、エピクロロヒドリン、ビニルアクリレート、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される化合物を含む、請求項65に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブを含む、請求項51〜66のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、多層カーボンナノチューブを含む、請求項51〜67のいずれか一項に記載の膜。
- 前記選択的ポリマー層が、前記選択的ポリマー層の総乾燥重量に基づいて、0.5重量%〜5重量%のカーボンナノチューブを含む、請求項51〜68のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、10nm〜50nmの平均直径を有する、請求項51〜69のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、50nm〜20μmの平均長さを有する、請求項51〜70のいずれか一項に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが、側壁官能基化カーボンナノチューブを含む、請求項51〜71のいずれか一項に記載の膜。
- 前記側壁官能基化カーボンナノチューブが、ヒドロキシ官能基化カーボンナノチューブ、カルボキシ官能基化カーボンナノチューブ、アミン官能基化カーボンナノチューブ、又はこれらの組み合わせを含む、請求項72に記載の膜。
- 前記支持層が、ガス透過性ポリマーを含む、請求項51〜73のいずれか一項に記載の膜。
- 前記ガス透過性ポリマーが、ポリアミド、ポリイミド、ポリピロロン、ポリエステル、スルホン系ポリマー、ニトリル系ポリマー、ポリマー性オルガノシリコーン、フッ化ポリマー、ポリオレフィン、これらのコポリマー、及びこれらのブレンドから選択されるポリマーを含む、請求項74に記載の膜。
- 前記ガス透過性ポリマーが、ポリエーテルスルホン又はポリスルホンを含む、請求項74又は75に記載の膜。
- 前記支持層が、基部上に配置されたガス透過性ポリマーを含む、請求項51〜76のいずれか一項に記載の膜。
- 前記基部が不織布を含む、請求項77に記載の膜。
- 前記不織布が、ポリエステルから形成された繊維を含む、請求項78に記載の膜。
- 前記膜が、前記支持層と前記選択的ポリマー層との間に配置された透過性層を更に含む、請求項51〜79のいずれか一項に記載の膜。
- 前記透過性層が、ポリ(ジメチルシロキサン)、ポリ(トリメチルシリルプロピン)、ポリ(4−メチル−1−ペンテン)、これらのコポリマー、及びこれらのブレンドから選択されるガス透過性ポリマーを含む、請求項80に記載の膜。
- 前記膜が、平坦なシートの、螺旋状に巻き付けられた、中空繊維の、又はプレート及び枠の構造に構成されている、請求項51〜81のいずれか一項に記載の膜。
- 前記膜が、酸性ガスに対して選択的に透過性である、請求項51〜82のいずれか一項に記載の膜。
- 前記膜が、二酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄、三酸化硫黄、窒素酸化物、塩化水素、水、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される流体に対して選択的に透過性である、請求項51〜83のいずれか一項に記載の膜。
- 供給ガス流から第1のガスを分離する方法であって、
請求項51〜84のいずれか一項によって定義される膜を、前記第1のガスの膜透過性を提供する効果的な条件下において、前記第1のガスを含む前記供給ガス流と接触させることを含む、方法。 - 前記供給ガスが、水素、二酸化炭素、硫化水素、塩化水素、一酸化炭素、窒素、メタン、蒸気、硫黄酸化物、窒素酸化物、又はこれらの組み合わせを含む、請求項85に記載の方法。
- 前記第1のガスが、二酸化炭素、硫化水素、塩化水素、及びこれらの組み合わせから選択される、請求項85又は86に記載の方法。
- 前記供給ガスが、窒素、水素、一酸化炭素、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される第2のガスを含み、
前記膜が、57℃及び1気圧の供給圧力で、20〜300の第1のガス/第2のガス選択性を示す、請求項85〜87のいずれか一項に記載の方法。 - 前記膜が、供給側面及び透過側面を含み、前記方法が、減圧を前記膜の前記透過側面へと適用して、前記第1のガスを除去することを更に含む、請求項85〜88のいずれか一項に記載の方法。
- 前記膜が、供給側面及び透過側面を含み、前記方法が、前記膜の前記透過側面にわたって掃気ガスを流して前記第1のガスを除去することを更に含む、請求項85〜89のいずれか一項に記載の方法。
- 前記掃気ガスが、空気、蒸気、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるガスを含む、請求項90に記載の方法。
- 前記供給ガスが、25℃〜100℃の温度を有する、請求項85〜91のいずれか一項に記載の方法。
- 前記供給ガスが、少なくとも100℃の温度を有する、請求項85〜91のいずれか一項に記載の方法。
- 支持層上に選択的ポリマー層を堆積させることを含む膜の作製方法であって、
前記選択的ポリマー層が、選択的ポリマーマトリックスと、前記選択的ポリマーマトリックス内に分散されたカーボンナノチューブとを含む、方法。
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