酸性气体分离复合膜的制造方法和酸性气体分离膜组件的制作方法_2

文档序号:9400274阅读:来源:国知局
的部分(密封部)以符号4示出,对其赋予耐热性、耐水解性优异的环氧树脂等粘接材。
[0052] 通过在含有亲水性化合物、酸性气体载体的促进输送膜3中根据需要加入添加 剂,形成即使在作为酸性气体分离用组件进行运转时的环境下弹性模量也为〇.OlMPa~ IOOMPa范围的水凝胶。关于该弹性模量的水凝胶,考虑到通常的酸性气体分离用组件的运 转环境,其是指在80°C、相对湿度60%的环境下以IOmm/分钟进行拉伸试验,由其斜率计算 出的弹性模量在上述范围内的水凝胶。
[0053] 本发明人对疏水性多孔质体2a的结构进行了研究,该疏水性多孔质体2a即使在 上述高压环境且对含有高流量水蒸气的被分离气体进行分离的环境(以下称为高压高湿 使用环境)下也能够使上述弹性模量范围的水凝胶在尽量不渗透到内部的情况下进行支 撑,即,抑制由酸性气体分离层材料导致的空孔的堵塞或由酸性气体分离层材料侵入到多 孔质体中而引起的分离层的缺陷、可维持高气体分离性能。可维持高气体分离性能是指,在 高压高湿使用环境状态下对酸性气体进行分离的选择性、以及分离得到的酸性气体的流量 长时间显示恒定值。
[0054] 本发明人研究的结果发现,通过使用图2所示的支撑体作为负载促进输送膜3的 疏水性多孔质体2a,在该疏水性多孔质体2a的表面涂布至少含有亲水性化合物和酸性气 体载体的水凝胶状的涂布液3m,能够抑制水凝胶状的涂布液因毛细力而渗透到支撑体中的 情况以及涂布膜表面的不均匀化,能够形成表面均匀性高的促进输送膜3 (参照后述实施 例);上述支撑体具备多根纤丝201交叉、联结或分支而形成的三维网状结构200和大量 的空孔203,该大量的空孔203由被多根纤丝201划分出的微细间隙203构成,在三维网状 结构200中,在与支撑体2a的具备促进输送膜3的表面平行的面内,平均纤丝间距离X为 0.001ym以上且2ym以下,并且该面内的平均纤丝长y为0. 01ym以上且2ym以下,与该 表面垂直的方向的平均纤丝间距离z为0. 001ym以上且2ym以下。
[0055] 根据本实施方式的制造方法,能够在高温高湿高压环境下制造耐久性良好的酸性 气体分离复合膜1。
[0056] 以下,对本发明人发现的酸性气体分离复合膜的制造方法进行详细说明。
[0057] 〈多孔质体的制作〉
[0058] 首先,准备在至少一个表面具备疏水性多孔质体2a的多孔质支撑体2 (图1A)。如 图IA所示,多孔质支撑体2具备上述的疏水性多孔质体2a和促进输送膜3即可,但在高压 高湿环境下,优选多孔质支撑体2的强度更高。因此,如图IA所示,优选制成在疏水性多孔 质体2a的背面具备辅助支撑体2b的多孔质支撑体2。
[0059] 疏水性多孔质体2a只要具有上述结构则没有特别限定,如图1(A~C)和图2所 示,通常的方式是,具有多根纤丝的三维网状结构200由多根纤丝201和捆束部(结点)202 构成。
[0060] 如上所述,疏水性多孔质体2a具备多根纤丝201交叉、联结或分支而形成的三维 网状结构200和大量的空孔,该大量的空孔由被该多根纤丝201划分出的微细间隙203构 成,在与配置有酸性气体分离层3的一个表面平行的面内,平均纤丝间距离X为0. 001ym 以上且2ym以下,并且,该面内的平均纤丝长y为0.Oliim以上且2ym以下,与该表面垂 直的方向的平均纤丝间距离z为0. 001ym以上且2ym以下。
[0061] 从抑制至少含有亲水性化合物和酸性气体载体的水凝胶状的涂布液3m在毛细力 的作用下渗透到疏水性多孔体2a中的方面考虑,优选配置酸性气体分离层3的面内的平均 纤丝间距离X和与该面垂直的方向的平均纤丝间距离z较短。平均纤丝间距离X和z过长 时,所涂布的凝胶膜的表面状态变得不均匀,容易引起膜缺陷的增加及由此带来的膜寿命 的降低,另外,抑制高压下凝胶向支撑体中渗透的效果有降低的倾向。
[0062] 因此,平均纤丝间距离X优选为0. 001~2um、更优选为0. 005y~I. 5um、进一 步优选为〇. 01~Iym。另外,z方向的平均纤丝间距离z优选为0. 001~2ym、更优选为 0? 005y~I. 5ym、进一步优选为0? 01~Iym。
[0063] 另外,从与上述平均纤丝间距离同样的方面出发,优选配置酸性气体分离层3的 面内的平均纤丝长y较短。因此,平均纤丝间长y优选为0.01~2ixm、更优选为0.02y~ 2ym、进一步优选为0? 02~2ym。
[0064] 由间隙203构成的孔的形状没有特别限定,其截面可以为圆形、椭圆形、多边形、 无定形等各种结构,但其尺寸越均匀,越具有良好的透过性,因此优选尺寸均匀。
[0065] 疏水性多孔质体2a中,多根纤丝201的平均纤丝径优选为0. 01ym以上且5ym 以下。另外,优选纤丝整体的80%以上的纤丝径为0. 01ixm以上且5ixm以下。
[0066] 在不妨碍透过性的范围内,纤丝径越粗则水凝胶的支撑性越高,因此优选。从能够 充分确保透过性和机械强度的方面出发,优选疏水性多孔质体2a的孔隙率为0. 01%以上 且90%以下,更优选为0. 1 %以上且85%以下。
[0067] 作为疏水性多孔质体2a的材质,只要具有疏水性则没有任何限定,但优选配置酸 性气体分离层3的面与水的接触角为100度以上。作为该材质,可以举出氟系树脂,优选聚 四氟乙烯(PTFE)。
[0068] 作为PTFE以外的优选的疏水性多孔质体2a的材质,从耐热湿性的方面出发,可以 举出陶瓷、玻璃、金属等无机材料、具有l〇〇°C以上的耐热性的有机树脂材料等,可以优选使 用高分子量聚酯、聚烯烃、耐热性聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜、芳纶、聚碳酸酯、聚丙烯、金属、玻 璃、陶瓷等。更具体而言,可以举出陶瓷、聚偏二氟乙烯、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚 砜(PSF)、聚酰亚胺、聚丙烯(PP)、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮等。
[0069] 疏水性多孔质体2a过厚时,透气性降低,过薄时,强度存在难点。因此,优选支撑 体的厚度为30ym以上且500ym以下、更优选为50ym以上且450ym以下、进一步优选为 50ym以上且400ym以下。
[0070] 疏水性多孔质体2a的制造方法没有特别限制,在PTFE的情况下,基于PTFE所具 有的拉伸特性,通过双向拉伸能够容易地制造。通过优化双向拉伸的条件,能够以具有所期 望的纤丝结构的方式制造疏水性多孔质体2a。
[0071] 水凝胶状的促进输送膜3与疏水性多孔质体的亲和性差,因此,如国际公开 2009093666号小册子等所示,认为需要实施多孔质体表面的亲水化处理等。本发明人通过 将疏水性多孔质体制成上述的三维网状结构200的结构,首次成功地将水凝胶以良好的耐 久性直接支撑于疏水性的多孔质体上而不需要进行上述处理。本发明人认为,能够将水凝 胶以良好的耐久性直接支撑于疏水性的多孔质体上的主要原因在于,通过制成具有上述的 三维网状结构200的疏水性多孔质体,能够将使用B型粘度计测得的粘度为0.IPa?s~ 5.OPa?s的水凝胶涂布液(促进输送膜的原料)以适度的接触角(最优选为120度~140 度)范围保持在该多孔质体上。
[0072] 作为辅助支撑体2b,只要能够约束疏水性多孔质体2a从而在高压高湿环境下抑 制疏水性多孔质体2a变形且强度、耐拉伸性和透气性良好,则没有特别限制,可以适当选 择使用无纺布、机织物、机织物以及孔径为〇.Iym以上且2000ixm以下的网等,优选耐久 性、耐热性优异的树脂纤维的无纺布。
[0073] 作为该树脂纤维,可以举出由聚丙烯、芳纶(商品名)等改性聚酰胺、聚四氟乙烯、 聚偏二氟乙烯等含氟树脂等耐热性树脂形成的纤维。
[0074] 辅助支撑体2b过厚时,透气性降低,过薄时,有可能难以得到充分的强度。因此, 辅助支撑体2b的厚度优选为30ym以上且500ym以下、更优选为50ym以上且450ym以 下、进一步特别优选为50ym以上且400ym以下。
[0075] 另外,从在粘接剂涂布区域使密封部4的粘接剂充分渗入从而能够形成有效的非 透气性区域、同时在不涂布粘接剂的区域不妨碍气体通过的观点考虑,辅助支撑体2b的开 口部的平均孔径优选为0. 001ym以上且200ym以下、更优选为0. 002ym以上且200ym 以下、进一步特别优选为0. 005ym以上且200ym以下。
[0076] 本发明中,为了进一步赋予机械强度,优选在形成气体分离层的支撑层的下部形 成有支撑体。作为该支撑体,可以举出机织物、无纺布、网等,从成膜性和成本方面出发,优 选使用无纺布。作为无纺布,可以将由聚酯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯、聚酰胺等形成的纤 维单独使用或多种组合使用。出于除去起毛或提高机械性能等目的,也优选将无纺布用2 根辊夹住进行加压热加工。
[0077] 〈中间层〉
[0078] 如前所述,从抑制促进输送膜形成时的促进输送材料的渗入的观点考虑,酸性气 体分离复合膜1的多孔质支撑体2 (疏水性多孔质体2a)的至少与促进输送膜3接触的一侧 的表面具有疏水性。另外,为了使载体充分地发挥功能,促进输送膜3需要在膜中保持大量 的水分,因此,使用吸水性和保水性非常高的聚合物。此外,促进输送膜中金属碳酸盐等载 体的含量越多,吸水量越增加,酸性气体的分离性能越提高。因此,促进输送膜3多为凝胶 膜或低粘性膜,此外,在酸性气体的分离时,以I. 5MPa左右的压力供给温度为100~130°C、 湿度为90%左右的原料气体,因此,随着使用,分离层逐渐进入(渗入)到多孔质支撑体中, 酸性气体的分离能力有随时间推移而降低的倾向。
[0079] 因此,酸性气体分离复合膜1中,优选在疏水性多孔质体2a与促进输送膜3之间 具备更有效地抑制促进输送材料(膜)向多孔质支撑体2 (疏水性多孔质体2a)中渗入的 中间层5。
[0080] 中间层5只要是具有透气性的疏水性层,则没有特别限制,优选为具有通气性且 比疏水性多孔质体2a致密的层。通过具备该中间层5,能够防止促进输送膜3进入到多孔 质支撑体中从而形成均匀性高的膜。
[0081] 中间层5只要形成在疏水性多孔质体2a上即可,但也可以具有渗入到疏水性多孔 质体2a中的渗入区域。渗入区域在疏水性多孔质体2a与中间层5的密合性良好的范围内 越少越优选。
[0082] 作为中间层5,优选在重复单元内具有硅氧烷键的聚合物层。作为该聚合物层,
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