[发明专利]使用纳米级金属材料的气体分离膜系统及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用纳米级材料的气体分离膜系统及其制备方法。

背景技术

US 2004/0237780公开了用于从含氢气的气态物流中选择性分离 氢气的气体分离组件，所述气体分离组件通过首先将气体选择性金属 沉积至多孔基质上、随后抛光所得涂覆基质、和之后将第二层气体选 择性金属沉积至涂覆抛光的多孔基质上而制得。提及的用于沉积气体 选择性金属的技术包括无电镀、热沉积、化学气相沉积、电镀、喷射 沉积、溅射涂覆、电子束蒸发、离子束蒸发和喷射热解。应注意在US 2004/0237780的教导中制备所述复合气体分离组件要求包括研磨或 抛光涂覆基质的中间步骤以去除不适宜的形态，随后进行第二涂覆步 骤以沉积第二材料例如气体选择性金属。所述出版物中没有提及使用 金属的纳米粉末以涂覆多孔基质或在气体分离组件的制备中取消抛光 步骤。所述出版物也没有公开在没有中间抛光步骤的条件下热处理用 金属纳米粉末层涂覆的多孔基质，之后用气体选择性材料涂覆金属纳 米粉末层。

US 2004/0237779公开了用于从含氢气的气态物流中选择性分离 氢气的气体分离组件，所述气体分离组件包含多孔金属基质，多孔金 属基质之上是中间多孔金属覆盖层，中间多孔金属覆盖层之上是致密 的氢选择性膜。中间多孔金属覆盖层的金属可以包含一种或多种所述 金属的一层或多层(包括交替层)形式的钯和第IB族金属。可以通过无 电镀方法将中间多孔金属层涂布于多孔金属基质上。根据教导，中间 多孔金属层可以改进致密的气体选择性膜与多孔金属基质的粘合力， 和可防止多孔金属基质和致密的气体选择性膜之间的金属间扩散。在 多个提及的实施方案中，与多孔基质相比，中间多孔金属层针对氦通 量的多孔性不是明显更低的。因此，因为中间多孔金属层可以与它沉 积于其上的多孔金属基质的多孔性相同或更高，和由于它具有提供金 属间扩散阻挡层和改进的致密气体选择性膜粘合力的功能，所以似乎 中间多孔金属层虽然具有如此大的孔隙率但却不能起到如用于致密的 气体选择性膜的气体选择性膜金属的作用。其中没有提及在多孔金属 基质上涂布气体选择性材料层中应用金属或金属合金的纳米粉末或者 可成合金的纳米粉末。其中也没有提及表面已经用气体选择性金属的 纳米粉末处理过的多孔基质的热处理的应用。

US 2004/0244590公开了用于从含氢气的气态物流中选择性分离 氢气的气体分离组件，所述气体分离组件包含多孔金属基质，多孔金 属基质上是Tamman温度比多孔金属基质的Tamman温度高的粉末的中 间层。材料的Tamman温度定义为以Kelvin度数表示的材料熔化温度 一半的温度。用致密的氢选择性膜覆盖中间层。所述出版物教导中间 层可以防止多孔金属基质和致密的氢选择性膜之间的金属间扩散，和 中间层可以改进致密的气体选择性膜与多孔金属基质的粘合力。在所 述出版物教导的实施方案之一中，与多孔基质相比，中间层针对氦通 量的多孔性不是明显更低的。因此，因为中间多孔金属层可以与它沉 积于其上的多孔金属基质的多孔性相同或更高，和由于它具有提供金 属间扩散阻挡层和改进的致密气体选择性膜粘合力的功能，所以似乎 中间多孔金属层虽然具有如此大的孔隙率但却不能起到如用于致密的 气体选择性膜的气体选择性膜金属的作用。其中没有清楚提及要求中 间层的粉末是纳米粉末的要求。此外，其中既没有提及表面已经用气 体选择性金属的纳米粉末处理过的多孔基质的热处理的应用，也没有 提及将低温可成合金金属纳米粉末涂布至多孔基质表面。

需要提供用于制备气体分离膜系统的更有效或更经济的方法，所 述方法利用更少的制备步骤或比替代制备步骤更经济有利使用的步 骤。另外期望提供改进的气体分离膜系统，所述气体分离膜系统在它 的制备中使用更少或更有效地使用贵金属。

发明内容

因此，提供制备气体分离膜系统的方法，其中所述方法包括：向 多孔基质表面涂布纳米粉末以提供表面处理过的多孔基质，所述纳米 粉末包含气体选择性金属的纳米颗粒；和加热所述表面处理过的涂覆 的多孔基质从而提供适合用作所述气体分离膜系统的热处理过的表面 处理过的多孔基质。

另一发明是气体分离膜系统，包括：具有用纳米粉末层处理过的 表面的多孔基质，从而提供表面处理过的多孔基质，其中所述纳米粉 末包含气体选择性金属的纳米颗粒，和其中热处理所述表面处理过的 多孔基质以提供所述气体分离膜系统。