[发明专利]气体分离膜

说明书

技术领域

本发明涉及用于分离气体的膜、相应的膜的制备方法，带有相应的膜的气体分离模块以及该气体分离模块的操作方法。 

在工业应用中对富氧空气的需求越来越多，特别是含量在25％至35％之间的富氧空气。通过此方式燃烧过程可以更有效地进行。膜方法可以用于氧的富集。所采用的膜是半渗透选择性屏障，其用于分离气体形式或蒸汽形式的多组分混合物。在此，优选地经过膜透过的物质被富集于渗透物中，而被膜阻止的物质存在于滞留物中。根据气体不同的渗透率实现物质的分离。膜分离两种气体的能力的标尺是它们渗透性的比率，其用选择性来表示。使用具有高分离因子和高气体流量，即具有高选择性和高渗透性的膜，这对膜技术的经济性特别地重要。所述分离因子是一种材料特性，其可以例如通过开发特殊的聚合物被提高；而所述气体流量是一种膜特性，其另外地通过减少选择性分离层的有效厚度来改善。然而，涂层不能被任意薄地铺在载体膜上，而不造成该层的损坏。 

此外膜在长期使用中，应当确保积垢率(Fouling-Rate)尽可能地低，就是说，被溶解物质在膜的外表面沉积得很少。此外，以合适的成本生产是在开发膜的过程中重要的观点。 

背景技术

已知的膜或是氧/氮分离的选择性不足，或是极低的通量，这使得需要大的膜面积。膜厚度为1μm的硅组分膜具有例如1.6m³/m²h bar的氧流量，而氧/氮选择性只有2.1。对于大多数工业应用而言这太小了。由其它聚合物组成的膜尽管具有高选择性，而氧流量却通常远低于0.2m³/m²h bar，这使得需要大的膜面积，在此参见：R.Baker：“Membrane Technology in the Chemical Industry：FutureDirections”，Wiley-VCH，Weinheim，2001，39-67页。 

另外还曾尝试了开发具有下述混合基质的膜：沸石，特别是被引入到乙酸纤维素中的Silicalite。因此氧/氮选择性从3.0上升至3.6，参见：S.Kulprathipanja：“Mixed Matrix Membrane Development”，Annals of the New York Academy of Sciences 2003，361-369页。 

M.Jia等在“Molecular sieving effect of the zeolite-filled siliconerubber membranes in gas permeation”，Journal of Membrane Science，57，1991，289-296页，报道了具有由Silicalit和PDMS(聚二甲基硅氧烷)构成的混合基质的膜，其具有略微升高的氧/氮选择性。 

由US-B-6 562 110号专利公开了这样的具有混合基质的膜：其是由碳分子筛和聚酰亚胺制备的，并且同样具有改善了的渗透性和选择性的组合。 

在工业尺度衡量上述的膜不适合应用。缺点是例如：通过配置添加剂，膜的特性不能在必要的程度上被改善。另外出现的缺点：膜的制备不可重复，因为添加剂在膜内分布不均。此外如果添加剂粒子过大地沉淀，获得的将是过厚的膜，其不能再确保足够的渗透性。 

发明内容

本发明的目的是：提供用于分离气体的膜，其具有高渗透性和高选择性，另外还能以适宜的成本简单地制备，以使工业应用成为可能。另外本发明的目的是：提供该膜的制备方法；提供带有相应膜的气体分离模块(Modul)以及该气体分离模块的操作方法。 

通过用于分离气体的膜实现所述目的，这样的膜包括： 

-由聚合物或无机材料、特别是陶瓷材料构成的多孔载体层， 

-包括由糖类衍生物和均聚物所构成混合物的分离层，特别是包括乙基纤维素、乙酸纤维素或聚-4-甲基-1-戊烯， 

-其中糖类衍生物具有带五或六个环上原子的环状结构或者线形结构(或者说链状结构)，或是通过配糖键相连接的单糖衍生物，其中以此种方式连接的单糖的数量在2至1000之间。 

在此令人惊讶地证实了：如将糖类衍生物添加至膜中，通过此膜的氧流量显著地上升了。 

在一个优选的实施方式中，膜含有10至50wt％的糖类衍生物。 

在另一有利的实施方式中，糖类衍生物具有化学式STR1、STR2或STR3的结构，其中： 

STR1符合