苯乙烯-硅氧烷三嵌段共聚物用于水性混合物中醇和其他有机化合物的选择性输送的膜制造技术

本公开内容涉及高分子量聚苯乙烯-聚二烷基硅氧烷-聚苯乙烯(“SDS”)三嵌段共聚物组合物以及使用由SDS三嵌段共聚物得到的膜从水溶液中分离出一种或多种有机化合物的方法。该方法可以用于将一种或多种有机化合物从发酵过程中产生的水溶液中分离出来。在一些实施方式中，一种或多种有机化合物包括醇，例如，乙醇。在其他的实施方式中，一种或多种有机化合物包括丙酮。在其他实施方式中，一种或多种有机化合物包括丙酮-乙醇-正丁醇(ABE)发酵过程中产生的丙酮、乙醇和正丁醇。在其他实施方式中，一种或多种有机化合物包括发酵过程中产生的一种或多种副产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】苯乙烯-硅氧烷三嵌段共聚物用于水性混合物中醇和其他有机化合物的选择性输送的膜相关串请的交叉引用本申请要求于2011年11月11日提交的美国临时申请第61/558，891号的优先权，在此将其全文并入作为参考。专利
本公开内容主要涉及使用由共聚物组合物得到的膜从水性混合物中选择性地分离出有机化合物的方法；更具体地，其涉及使用由聚苯乙烯-聚二烷基硅氧烷-聚苯乙烯三嵌段共聚物得到的膜从水性混合物中选择性地分离出一种或多种醇和/或一种或多种有机化合物的方法。
技术介绍
近十年来，对于全球变暖和“易”取得石油储量降低日益增强的关心促使了对生物燃料的关注。由可再生资源例如木质纤维素原料来制造生物燃料使得燃料的制造不产生向大气中的二氧化碳净排放，从而使得生物燃料成为环境友好的能源。由木质纤维素原料制造生物燃料由以下步骤组成:将原料降解成可发酵的糖；糖的发酵；和从发酵液中分离出醇。常规地，在发酵过程结束时用蒸馏法将醇从发酵液中分离，但其要求密集的能源，并且还苦于形成共沸物。渗透蒸发作为蒸馏的替代技术，将生物燃料从稀的水溶液中分离出。由于发酵液中的醇浓度通常很低(〈10% )，因此渗透蒸发更为经济、实用，以便将醇与发酵液的其他成分(水、糖、细菌和其他)分离。渗透蒸发是用于将液体混合物通过膜经由溶液扩散机制而分离的膜分离技术。首先，发生穿过膜的渗透，然后在膜的另一侧收集作为蒸汽的渗透物。渗透物在膜的渗透物侧的蒸发产生渗透物转移的驱动力。渗透蒸发膜表现为进料和渗透物之间的选择性屏障；因此，渗透蒸发膜的选择对于实现较高的选择性和通量来说是至关重要的。组分穿过膜的渗透性是其在膜材料中的扩散和溶解度的乘积。例如，对于醇-水混合物的渗透蒸发来说，由于水分子的尺寸较小，水的扩散率大于醇的扩散率。因此，应当选择醇的溶解度更高的膜材料，以获得较高的醇选择渗透性。 众所周知聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其疏水性质以及允许有优异选择性和高通量的高自由体积而作为用于从稀的水性乙醇混合物中分离乙醇的膜材料。但是，该聚合物的玻璃化转变温度低，导致成膜特性差。共聚物由于将许多种功能性组成部分结合到一个分子中而吸引了大量关注。例如，一种组分可以选择成促进乙醇的输送，而另一组分为膜提供结构完整性。因此，PDMS的成膜特性通过合成含有PDMS的共聚物而得以提高，以进行渗透蒸发实验。已经合成出许多种含有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚砜、聚氨酯脲和聚酰亚胺的含有PDMS的接枝和嵌段共聚物，且已经对其渗透蒸发特性进行研究。通常，嵌段和接枝PDMS共聚物的机械特性随温度或分子量的变化情况尚未得到量化，且一些嵌段和接枝PDMS共聚物的机械特性差，不适合于渗透蒸发应用。因此，需要机械特性适合于膜制造和/或渗透蒸发应用的对所关注成分具有高度选择性的聚合物。
技术实现思路
本公开内容涉及高分子量聚苯乙烯-聚二烷基硅氧烷-聚苯乙烯(下文称作“SDS”)三嵌段共聚物组合物。在一些实施方式中，本公开内容包括聚(苯乙烯_b-二烷基硅氧烷-b_苯乙烯)三嵌段共聚物，其包括聚二烷基硅氧烷嵌段和聚苯乙烯末端嵌段，其中三嵌段共聚物的分子量在大约110kg/mol至大约1000kg/mol的范围内。在各种实施方式中，三嵌段共聚物的分子量在大约110kg/mol至大约500kg/mol的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物的分子量在大约120kg/mol至大约300kg/mol的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物的分子量在大约130kg/mol至大约300kg/mol的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有形态，并且该形态是圆柱状、片状、双菱形或螺旋二十四面体(gyroid)形态。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有形态，并且该形态是圆柱状或片状形态。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有形态，并且该形态是圆柱状形态。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有畴间距(d)，并且该畴间距在大约20至大约90纳米的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物在大约290°C至大约350°C的温度范围内损失大约5%的重量。在其他实施方式中，聚二烷基硅氧烷是聚二甲基硅氧烷。在其他实施方式中，聚二烷基硅氧烷嵌段相对于聚苯乙烯末端嵌段的体积分数为大约0.6至大约0.95。本公开内容还涉 及使用由SDS三嵌段共聚物得到的膜从水溶液中分离出一种或多种有机化合物的方法。在一些实施方式中，本公开内容包括从水性混合物中选择性地分离出醇的方法，该方法包括:a)提供包括聚(苯乙烯-b_ 二烷基硅氧烷-b_苯乙烯)三嵌段共聚物的膜，该三嵌段共聚物包括聚二烷基硅氧烷嵌段和聚苯乙烯末端嵌段；和b)使水性混合物与膜接触，从而使醇选择性地穿过膜渗透，以形成包括醇且浓度大于水性混合物中的醇浓度的渗透物。在一些实施方式中，三嵌段共聚物的分子量在大约110kg/mol至大约1000kg/mol的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物的分子量在大约110kg/mol至大约500kg/mol的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物的分子量在大约120kg/mol至大约300kg/mol的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物的分子量在大约130kg/mol至大约300kg/mol的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有形态，并且该形态是圆柱状、片状、双菱形或螺旋二十四面体形态。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有形态，并且该形态是圆柱状或片状形态。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有形态，并且该形态是圆柱状形态。在其他实施方式中，三嵌段共聚物具有畴间距(d)，并且该畴间距在大约20至大约90纳米的范围内。在其他实施方式中，三嵌段共聚物在大约290°C至大约350°C的温度范围内损失大约5%的重量。在其他实施方式中，聚二烷基硅氧烷是聚二甲基硅氧烷。在其他实施方式中，聚二烷基硅氧烷嵌段相对于聚苯乙烯末端嵌段的体积分数为大约0.6至大约0.95。在其他实施方式中，膜的分离因子(Msf)在大约1.0-4.0的范围内。在其他实施方式中，在大约40°C下膜的通量在大约50至大约600g/m2-h的范围内。在其他实施方式中，在大约50°C下膜的通量在大约100至大约800g/m2-h的范围内。在其他实施方式中，在大约60°C下膜的通量在大约175至大约1100g/m2-h的范围内。在其他实施方式中，在大约70°C下膜的通量在大约200至大约1600g/m2-h的范围内。在其他实施方式中，在大约75°C下膜的通量在大约300至大约1800g/m2-h的范围内。在其他实施方式中，醇是C2-C10醇。在其他实施方式中，醇选自乙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、1-壬醇和1-癸醇。在其他实施方式中，醇是乙醇。在其他实施方式中，水性混合物包括浓度为该水性混合物的大约3-75wt %的乙醇。在其他实施方式中，渗透物包括浓度为该渗透物的大约20-85?〖％的乙醇。在其他实施方式中，醇是正丁醇。在其他实施方式中，水性混合物包括浓度为该水性混合物的大约0.5-8wt%的正丁醇。在其他实施方式中，渗透物包括浓度为该渗透物的大约30-85wt%的正丁醇。在其他实施方式中，醇是异丁醇。在其他实施方式中，水性混合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚(苯乙烯‑b‑二烷基硅氧烷‑b‑苯乙烯)三嵌段共聚物，包括聚二烷基硅氧烷嵌段和聚苯乙烯末端嵌段，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约110kg/mol至大约1000kg/mol的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.11 US 61/558,8911.一种聚(苯乙烯-b-二烷基硅氧烷-b-苯乙烯)三嵌段共聚物，包括聚二烷基硅氧烷嵌段和聚苯乙烯末端嵌段，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约llOkg/mol至大约1000kg/mol的范围内。2.根据权利要求1所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约110kg/mol至大约500kg/mol的范围内。3.根据权利要求1或2所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约120kg/mol至大约300kg/mol的范围内。4.根据权利要求1-3中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约130kg/mol至大约300kg/mol的范围内。5.根据权利要求1-4中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物具有形态，且其中所述形态是圆柱状、片状、双菱形或螺旋二十四面体形态。6.根据权利要求1-5中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物具有形态，且其中所述形态是圆柱状或片状形态。7.根据权利要求1-6中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物具有形态，且其中所述形态是圆柱状形态。8.根据权利要求1-7中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物具有畴间距(d)，且其中所述畴间距在大约20-90纳米的范围内。9.根据权利要求1-8 中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述三嵌段共聚物在大约290°C至大约350°C的温度范围内损失大约5%的重量。10.根据权利要求1-9中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述聚二烷基硅氧烷是聚二甲基硅氧烷。11.根据权利要求1-10中任一项所述的三嵌段共聚物，其中所述聚二烷基硅氧烷嵌段相对于所述聚苯乙烯末端嵌段的体积分数为大约0.6至大约0.95。12.—种从水性混合物中选择性地分离醇的方法，所述方法包括: a)提供包括聚(苯乙烯-b-二烷基硅氧烷-b-苯乙烯)三嵌段共聚物的膜，所述三嵌段共聚物包括聚二烷基硅氧烷嵌段和聚苯乙烯末端嵌段；和 b)使所述水性混合物与所述膜接触，从而使醇选择性地穿过膜渗透，以形成包括醇且浓度大于所述水性混合物中的醇浓度的渗透物。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约llOkg/mol至大约1000kg/mol的范围内。14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约110kg/mol至大约500kg/mol的范围内。15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约120kg/mol至大约300kg/mol的范围内。16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中所述三嵌段共聚物的分子量在大约130kg/mol至大约300kg/mol的范围内。17.根据权利要求12-16中任一项所述的方法，其中所述三嵌段共聚物具有形态，且其中所述形态是圆柱状、片状、双菱形或螺旋二十四面体形态。18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，其中所述三嵌段共聚物具有形态，且其中所述形态是圆柱状或片状形态。19.根据权利要求12-18中任一项所述的方法，其中所述三嵌段共聚物具有形态，且其中所述形态是圆柱状形态。20.根据权利要求12-19中任一项所述的方法，其中所述三嵌段共聚物具有畴间距(d)，且其中所述畴间距在大约20-90纳米的范围内。21.根据权利要求12-20中任一项所述的方法，其中所述三嵌段共聚物在大约290°C至大约350°C的温度范围内损失大约5%的重量。22.根据权利要求12-21中任一项所述的方法，其中所述聚二烷基硅氧烷是聚二甲基硅氧烷。23.根据权利要求12-22中任一项所述的方法，其中所述聚二烷基硅氧烷嵌段相对于所述聚苯乙烯末端嵌段的体积分数为大约0.6至大约0.95。24.根据权利要求12-23中任一项所述的方法，其中所述膜的分离因子(Msf)在大约 1.0-4.0的范围内。25.根据权利要求12-24中任一项所述的方法，其中在大约40°C下所述膜的通量在大约50-600g/m2-h的范围内。26.根据权利要求12-25中任一项所述的方法，其中在大约50°C下所述膜的通量在大约100-800g/m2-h的范围内。27.根据权利要求12-26中任一项所述的方法，其中在大约60°C下所述膜的通量在大约175-1100g/m2-h的范围内。28.根据权利要求12-27中任一项所述的方法，其中在大约70°C下所述膜的通量在大约200-1600g/m2-h的范围内。29.根据权利要求12-28中任一项所述的方法，其中在大约75°C下所述膜的通量在大约300-1800g/m2-h的范围内。30.根据权利要求12-29中任一项所述的方法，其中所述醇是C2-C10醇。31.根据权利要求12-30中任一项所述的方法，其中所述醇选自乙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、1-壬醇和1-癸醇。32.根据权利要求12-31中任一项所述的方法，其中所述醇是乙醇。33.根据权利要求32所述的方法，其中所述水性混合物包括浓度为所述水性混合物的大约3-75?丨％的乙醇。34.根据权利要求32或33所述的方法，其中所述渗透物包括浓度为所述渗透物的大约20-85wt%的乙醇。35.根据权利要求12-31中任一项所述的方法，其中所述醇是正丁醇。36.根据权利要求35所述的方法，其中所述水性混合物包括浓度为所述水性混合物的大约0.5-8wt%的正丁醇。37.根据权利要求35或36所述的方法，其中所述渗透物包括浓度为所述渗透物的大约30_85wt % 的正丁醇。38.根据权利要求12-31中任一项所述的方法，其中所述醇是异丁醇。39.根据权利要求38所述的方法，其中所述水性混合物包括浓度为所述水性混合物的大约0.5-9.5wt%的异丁醇。40.根据权利要求38或39所述的方法，其中所述渗透物包括浓度为所述渗透物的大约20-85wt% 的异丁醇。41.根据权利要求12-31中任一项所述的方法，其中所述醇是2-丁醇。42.根据权利要求41所述的方法，其中所述水性混合物包括浓度为所述水性混合物的大约0.5-12.5￥七％的2-丁醇。43.根据权利要求12-31中任一项所述的方法，其中所述水性混合物还包括丙酮。44.根据权利要求43所述的方法，其中所述水性混合物包括浓度为所述水性混合物的大约0.5-3界1:%的丙酮。45.根据权利要求43或44所述的方法，其中所述渗透物包括浓度为所述渗透物的大约30-55￥七％的丙酮。46.根据权利要求12-45中任一项所述的方法，其中所述水性混合物由发酵过程产生。47.一种膜， 包括权利要求1-11中任一项所述的三嵌段共聚物。48....

【专利技术属性】
技术研发人员：NP巴尔萨拉，AE厄兹恰姆，AK杰哈，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US