JP7150811B2 - ガス混合物を分離するための多層芳香族ポリアミド薄膜複合膜 - Google Patents
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Description
本願は、2017年7月7日に出願された米国特許出願第15/644,005号の優先権を主張し、その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
表1. 様々な膜材料のヘリウム透過性及びHe/CO2選択性
クロロホルム(≧99.8%、Sigma‐Aldrich)に3wt%のポリフェニレンオキシド(PPO、Sabic 6130)を溶解して溶液を作り、コーキングを施した芳香族ポリアミド複合薄膜を作成した。溶液を市販の芳香族ポリアミド薄膜複合膜(LG ChemicalのLG SW 400 SR)上にスピンコートして(3000rpm、10秒間、1mL注入)、各膜上にガラス状ポリマコーティングを形成した。このコーティングの後に、膜を溶媒の沸点よりも5℃から10℃高い温度に設定された真空オーブン内に置き、1時間乾燥させた。コーキング層の厚さは1μm未満であった。
実施例1で述べた方法で、クロロホルムに3wt%の臭素化ポリフェニレンオキサイド(Br‐PPO、インハウスで臭素化したPPO、臭素化度60%)を溶解し、市販の芳香族ポリアミド複合薄膜(LG ChemicalのLG SW 400 SR)上にコーティングして、コーキングを施した芳香族ポリアミド複合薄膜を調製した。
実施例1で述べた方法で、クロロホルムに3wt%のポリイミド(インハウス)を溶解し、市販の芳香族ポリアミド複合薄膜(LG ChemicalのLG SW 400 SR)上にコーティングして、コーキングを施した芳香族ポリアミド複合薄膜を調製した。
実施例1で述べた方法で、NAFION 117(低級脂肪族アルコールと水との混合物に~5wt%のSigma‐Aldrichを溶解)を市販の芳香族ポリアミド複合薄膜(LG ChemicalのLG SW 400 SR)上にコーティングして、コーキングを施した芳香族ポリアミド複合薄膜を調製した。
実施例1で述べた方法で、クロロホルムに3wt%のPPOを溶解し、市販の芳香族ポリアミド複合薄膜(Woongjin Chemical(現Toray Advanced Materials Korea Inc.)のRE8040‐SHN)上にコーティングして、コーキングを施した芳香族ポリアミド複合薄膜を調製した。
実施例1で述べた方法で、クロロホルムに3wt%のポリスルホン(PSF、UDEL P‐3500 LCD MB7、MW=77,000‐83,000g/mol、Solvay)を溶解し、市販の芳香族ポリアミド複合薄膜(LG ChemicalのLG SW 400 SR)上にコーティングして、コーキングを施した芳香族ポリアミド複合薄膜を調製した。
実施例1で述べた方法で、クロロホルムに3wt%のポリスルホン(PSF)を溶解し、市販の芳香族ポリアミド複合薄膜(LG ChemicalのLG SW 400 SR)上にコーティングして、コーキングを施した芳香族ポリアミド複合薄膜を調製した。
実施例1で述べた方法で、NAFION 117(Sigma‐Aldrich、低級脂肪族アルコールと水との混合物に~5wt%を溶解)を市販のポリアクリロニトリル限外濾過膜(Sepro MembranesのPAN 350 UF支持層)にコーティングして、比較用の膜を調製した。
実施例1で述べた方法で、n‐ヘキサン(97%、Sigma Aldrich)に5wt%のPDMS(Dow CorningのSYLGARD 184)を溶解し、市販の芳香族ポリアミド複合薄膜(LG ChemicalのLG SW 400 SR)上にコーティングして、比較用の膜を調製した。
表2. 膜の透過率及び理想的選択性
1Nafion(登録商標)‐117はPAN350支持体上にコーティングされている;
2CSM(RE8040‐SHN):Woongjin Chemical海水淡水化TFC RO;
3LG1:LG Chemical 海水淡水化TFC RO(製品番号:LG SW 400SR)
表3. 工程シミュレーション比較
範囲形式で表した値は、その範囲の限度として明記された数値を含むだけでなく、さらにその範囲に包含されている全ての個々の数値、又は下位範囲を、あたかも各々の数値及び下位範囲が明示されているかのように含まれるように柔軟に解釈するものとする。例えば、「約0.1%から約5%」の範囲又は「約0.1%から5%」の範囲は、まさしく約0.1%から約5%を含むだけさけではなく、表示された範囲内の個々の値(例えば、1%、2%、3%、4%)及び下位範囲(例えば、0.1%から0.5%、1.1%から2.2%、3.3%から4.4%)も含むものと解釈するものとする。「約XからY」との記載は、特に指示のない限り、「約Xから約Y」と同じ意味を持つ。同様に、「約X、Y、又は約Z」との記載は、特に指示のない限り、「約X、約Y、又は約Z」と同じ意味を持つ。
[第1の局面]
ガス分離膜であって:
多孔質支持層と;
界面重合を介して前記多孔質支持層上に形成される芳香族ポリアミド層と;
前記芳香族ポリアミド層上に形成されるガラス状ポリマを備えるコーティングであって 、前記ガラス状ポリマのガラス転移温度は50℃を超える、前記コーティングと;を備え る、
ガス分離膜。
[第2の局面]
前記ガラス状ポリマは、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリフェニルスルホン 、ポリアミド、ポリスルホン、ポリフェニルエーテル、ニトロセルロース、セルロースジ アセテート、セルローストリアセテート、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(フェニレン サルファイド)、ポリ(塩化ビニル)、ポリスチレン、ポリ(メチルメタクリレート)、 ポリアクリルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポ リカーボネート、ポリビニルトリメチルシラン、ポリトリメチルシリルプロピン(pol ytrimethylsilylpropyne)、ポリ(エーテルイミド)、ポリ(エ ーテルスルホン)、ポリオキサジアゾール、ポリ(フェニレンオキシド)、又は、これら の組み合わせ若しくは共重合体、を備える、
第1の局面に記載の膜。
[第3の局面]
前記ガラス状ポリマは、官能基化されている、
第2の局面に記載の膜。
[第4の局面]
前記ガラス状ポリマは、スルホン化又はハロゲン化されている、
第3の局面に記載の膜。
[第5の局面]
前記ガラス状ポリマは、臭素化されている、
第4の局面に記載の膜。
[第6の局面]
前記ガラス状ポリマは、臭素化ポリイミド、臭素化ポリスルホン、及び臭素化ポリ(フ ェニレンオキシド)のうちの少なくとも1つを備える、
第5の局面に記載の膜。
[第7の局面]
前記膜のヘリウム/二酸化炭素の理想的選択性は、20から70である、
第1の局面に記載の膜。
[第8の局面]
前記膜のヘリウム/窒素の理想的選択性は、70よりも高い、
第1の局面に記載の膜。
[第9の局面]
前記膜のヘリウム/メタンの理想的選択性は、70よりも高い、
第1の局面に記載の膜。
[第10の局面]
前記膜のヘリウム透過率は、作動供給圧50psiaにて、5と150GPU(10 - 6 cm 3 (STP)/cm 2 /sec/cmHg)との間である、
第1の局面に記載の膜。
[第11の局面]
ガス分離膜の形成方法であって:
ガラス状ポリマを備える溶液を、複合膜の芳香族ポリアミド層と接触させるステップと ;
前記複合膜の前記芳香族ポリアミド層上に前記ガラス状ポリマのコーティングを形成す るために、前記溶液を乾燥させるステップと;を備え、
前記芳香族ポリアミド層は、界面重合によって形成され、
前記ガラス状ポリマのガラス転移温度は、50℃よりも高い、
ガス分離膜の形成方法。
[第12の局面]
前記溶液を得るために、前記ガラス状ポリマを溶媒中に溶解させるステップ;を備える 、
第11の局面に記載の方法。
[第13の局面]
前記溶媒は、クロロホルムを備える、
第12の局面に記載の方法。
[第14の局面]
前記ガラス状ポリマは、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリフェニルスルホン 、ポリアミド、ポリスルホン、ポリフェニルエーテル、ニトロセルロース、セルロースジ アセテート、セルローストリアセテート、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(フェニレン サルファイド)、ポリ(塩化ビニル)、ポリスチレン、ポリ(メチルメタクリレート)、 ポリアクリルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポ リカーボネート、ポリビニルトリメチルシラン、ポリトリメチルシリルプロピン(pol ytrimethylsilylpropyne)、ポリ(エーテルイミド)、ポリ(エ ーテルスルホン)、ポリオキサジアゾール、ポリ(フェニレンオキシド)、又は、これら の共重合体、を備える、
第11の局面に記載の方法。
[第15の局面]
前記溶液を、前記芳香族ポリアミド層と接触させる前記ステップは:
前記芳香族ポリアミド層上に前記溶液をスロットダイコーティング、スピンコーティン グ、ディップコーティング、又はスプレーコーティングするステップ;を備える、
第11の局面に記載の方法。
[第16の局面]
ガス分離方法であって:
透過物流及び廃棄流を得るために、二酸化炭素と、ヘリウム及び水素のうちの少なくと も一方とを備えるガス供給流を、ガス分離膜と接触させるステップ;を備え、
前記透過物流中のヘリウム又は水素の濃度は、前記ガス供給流中のヘリウム又は水素の 濃度のそれぞれよりも高く、
前記ガス分離膜は:
多孔質支持層と;
界面重合によって前記多孔質支持層上に形成される芳香族ポリアミド層と;
前記芳香族ポリアミド層上に形成されるガラス状ポリマを備えるコーティングであって 、前記ガラス状ポリマのガラス転移温度は50℃よりも高い、前記コーティングと;を備 える、
ガス分離方法。
[第17の局面]
前記ガス供給流は、少なくとも100vol ppmのヘリウム、水素、又は、これら の組み合わせを備える、
第16の局面に記載の方法。
[第18の局面]
前記ガス供給流は、最大で90vol%のヘリウム、水素、又はこれらの組み合わせを 備える、
第16の局面に記載の方法。
[第19の局面]
前記透過物流は、ガス混合物中の少なくとも90vol%のヘリウム、前記ガス混合物 中の少なくとも90vol%のヘリウム、又は、その両方を備える、
第16の局面に記載の方法。
[第20の局面]
生成物流は、少なくとも85vol%のヘリウム、少なくとも85vol%の水素、又 は少なくとも85vol%のヘリウムと水素の組み合わせを備える、
第16の局面に記載の方法。
102、202 供給側
104、204 透過側
106、206 ガラス状ポリマコーティング
108、208 芳香族ポリアミド層
110、210 多孔質支持体
112 多孔質基体
200 中空糸膜
300 渦巻形モジュール
302 スペーサ
304 第1の端部
306 第2の端部
308 中央開口
400 中空糸膜モジュール
402 ハウジング
404 中空糸膜
406 入口
408 出口
410 出口
800 システム
802 試験ガス
804 調圧弁
806 膜モジュール
808、810 質量流量計
812 ガスクロマトグラフ
1000 工程フローシステム
1002 供給ガス
1004 混合器
1006 膜ユニット
1008 透過物流
1010 混合器
1012 透過物
1014 加圧システム
1016 膜ユニット
1018 生成物流
1020 再利用流
1022 廃棄流
Claims (20)
- 中空糸膜を備えるガス分離膜であって:
前記中空糸膜は:
多孔質支持層と;
界面重合を介して前記多孔質支持層上に形成される芳香族ポリアミド層と;
前記芳香族ポリアミド層上に形成され、前記芳香族ポリアミド層の欠陥を塞ぐ、ガラス状ポリマを備えるコーティングであって、前記ガラス状ポリマのガラス転移温度は50℃を超え、前記ガラス状ポリマはポリ(フェニレンオキシド)又はスルホン化ポリ(テト ラフルオロエチレン)又はこれらの組み合わせ若しくは共重合体を備える、前記コーティングと;を備える、
ガス分離膜。 - 前記ポリ(フェニレンオキシド)、又は前記スルホン化ポリ(テトラフルオロエチレン )、又はこれらの組み合わせ若しくは共重合体に加え、前記ガラス状ポリマは、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリフェニルスルホン、ポリアミド、ポリスルホン、ポリフェニルエーテル、ニトロセルロース、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(フェニレンサルファイド)、ポリ(塩化ビニル)、ポリスチレン、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリアクリルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリビニルトリメチルシラン、ポリトリメチルシリルプロピン(polytrimethylsilylpropyne)、ポリ(エーテルイミド)、ポリ(エーテルスルホン)、ポリオキサジアゾール、ポリ(フェニレンオキシド)、又は、これらの組み合わせ若しくは共重合体、を備える、
請求項1に記載の膜。 - 前記ガラス状ポリマは、官能基化されている、
請求項2に記載の膜。 - 前記ガラス状ポリマは、スルホン化又はハロゲン化されている、
請求項3に記載の膜。 - 前記ガラス状ポリマは、臭素化されている、
請求項4に記載の膜。 - 前記ガラス状ポリマは、臭素化ポリイミド、臭素化ポリスルホン、及び臭素化ポリ(フェニレンオキシド)のうちの少なくとも1つを備える、
請求項5に記載の膜。 - 前記膜のヘリウム/二酸化炭素の理想的選択性は、20から70である、
請求項1に記載の膜。 - 前記膜のヘリウム/窒素の理想的選択性は、70よりも高い、
請求項1に記載の膜。 - 前記膜のヘリウム/メタンの理想的選択性は、70よりも高い、
請求項1に記載の膜。 - 前記膜のヘリウム透過率は、作動供給圧50psiaにて、5と150GPU(10- 6cm3(STP)/cm2/sec/cmHg)との間である、
請求項1に記載の膜。 - ガス分離用中空糸膜の形成方法であって:
溶液を得るためにガラス状ポリマを溶媒中に溶解させるステップであって、前記ガラス 状ポリマはポリ(フェニレンオキシド)又はスルホン化ポリ(テトラフルオロエチレン) 又はこれらの組み合わせ若しくは共重合体を備える、前記溶解させるステップと;
前記ガラス状ポリマを備える前記溶液を、複合膜の芳香族ポリアミド層と接触させるステップと;
前記芳香族ポリアミド層の欠陥を塞ぎ、ガス分離用前記中空糸膜を提供するように、前記複合膜の前記芳香族ポリアミド層上に前記ガラス状ポリマのコーティングを形成するために、前記溶液を乾燥させるステップと;を備え、
前記芳香族ポリアミド層は、界面重合によって形成され、
前記ガラス状ポリマのガラス転移温度は、50℃よりも高い、
中空糸膜の形成方法。 - 前記ガラス状ポリマは、ポリ(フェニレンオキシド)を備える、
請求項11に記載の方法。 - 前記溶媒は、クロロホルムを備える、
請求項11に記載の方法。 - 前記ポリ(フェニレンオキシド)、又は前記スルホン化ポリ(テトラフルオロエチレン )、又はこれらの組み合わせ若しくは共重合体に加え、前記ガラス状ポリマは、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリフェニルスルホン、ポリアミド、ポリスルホン、ポリフェニルエーテル、ニトロセルロース、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(フェニレンサルファイド)、ポリ(塩化ビニル)、ポリスチレン、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリアクリルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリビニルトリメチルシラン、ポリトリメチルシリルプロピン(polytrimethylsilylpropyne)、ポリ(エーテルイミド)、ポリ(エーテルスルホン)、ポリオキサジアゾール、ポリ(フェニレンオキシド)、又は、これらの共重合体、を備える、
請求項11に記載の方法。 - 前記溶液を、前記芳香族ポリアミド層と接触させる前記ステップは:
前記芳香族ポリアミド層上に前記溶液をスロットダイコーティング、スピンコーティング、ディップコーティング、又はスプレーコーティングするステップ;を備える、
請求項11に記載の方法。 - ガス分離方法であって:
透過物流及び廃棄流を得るために、二酸化炭素と、ヘリウム及び水素のうちの少なくとも一方とを備えるガス供給流を、中空糸膜を備えるガス分離膜と接触させるステップ;を備え、
前記透過物流中のヘリウム又は水素の濃度は、前記ガス供給流中のヘリウム又は水素の濃度のそれぞれよりも高く、
前記ガス分離膜は:
多孔質支持層と;
界面重合によって前記多孔質支持層上に形成される芳香族ポリアミド層と;
前記芳香族ポリアミド層上に形成され、前記芳香族ポリアミド層の欠陥を塞ぐ、ガラス状ポリマを備えるコーティングであって、前記ガラス状ポリマのガラス転移温度は50℃よりも高く、前記ガラス状ポリマはポリ(フェニレンオキシド)又はスルホン化ポリ( テトラフルオロエチレン)又はこれらの組み合わせ若しくは共重合体を備える、前記コーティングと;を備える、
ガス分離方法。 - 前記ガス供給流は、少なくとも100vol ppmのヘリウム、水素、又は、これらの組み合わせを備える、
請求項16に記載の方法。 - 前記ガス供給流は、最大で90vol%のヘリウム、水素、又はこれらの組み合わせを備える、
請求項16に記載の方法。 - 前記透過物流は、ガス混合物中の少なくとも90vol%のヘリウム、前記ガス混合物中の少なくとも90vol%の水素、又は、その両方を備える、
請求項16に記載の方法。 - 前記透過物流は、少なくとも85vol%のヘリウム、少なくとも85vol%の水素、又は少なくとも85vol%のヘリウムと水素の組み合わせを備える、
請求項16に記載の方法。
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