制造负载型气体分离膜的方法技术

本发明专利技术提供了用于制备气体分离膜系统的方法。该方法包括将气体选择性金属膜层沉积到管状多孔载体上，接着退火所得气体选择性金属层。用研磨介体在受控抛光条件下抛光所得经退火气体选择性材料膜层，所述研磨介体包括结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括背衬，所述背衬具有结合到其上的包括包含分散在聚合物粘合剂中的磨料颗粒的多个成形磨料复合料的磨料层。然后将另一气体选择性金属层沉积到管状多孔载体上。将退火、抛光和沉积循环重复一个或多个循环直到提供防漏膜系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及制造可用于从气体混合物中分离特定气体的负载型气体分离膜的方法。包括气体分离膜的复合气体分离组件通常用于从气体混合物中选择性地分离特定气体。这些复合气体分离组件可以由多种材料制成，但是一些更常用的材料是聚合物、陶瓷和金属复合材料。虽然聚合物膜可以为低温下的气体分离提供有效且节省成本的选择，但它们通常不适合高温高压气体分离工艺。这是因为它们易于在较高温度下热分解。陶瓷材料的使用在商业工厂建设中通常并不优选，因为它们容易破裂，并且难以在使用这些材料时获得防漏密封。聚合物和陶瓷膜通常不能够满足日益严格的环境规范和日渐增长的高温加工要求，其可能需要复合气体分离组件的应用能够在升高的温度下操作并且能够提供高通量和高选择性。现有技术公开了负载在多孔基体上且可用于高温气体分离应用的不同类型的气体分离膜和用于制造它们的方法。许多用于将薄的、致密的、气体选择性的膜层沉积到多孔基体上的已知技术使用常常导致表面厚度不均匀的技术。美国专利第7175694号中描述了这些技术中的一种。美国专利第7175694号公开了包括多孔金属基体、中间多孔金属层和致密的氢气选择性膜的气体分离组件。该专利教导了可以研磨或抛光中间多孔金属层以从其表面去除不利形态，并在之后沉积致密的气体选择性金属膜层。虽然美国专利第7175694号启示了中间多孔金属层的研磨或抛光操作的目的是从其表面去除不利形态，但它没有启示抛光这些层可以增强在更少的步骤中密封金属表面以获得更薄的防漏金属表面的能力。它同样未能教导任何关于使用某些类型的抛光介体或条件以便于将金属膜层沉积到载体上和将表面特性施加到金属膜层上这一总过程的事情，所述表面特性提供密封并且允许随后在所述金属膜层上安置薄的、防漏的金属膜层。美国专利第8167976号公开了一种制造钯复合气体分离组件的方法，其提出了制造金属复合气体分离膜系统的方法。膜系统可以包括多孔载体和覆盖所述多孔载体的第一气体选择性材料膜层，其中该膜层的大部分通过使用超细磨料去除，以提供膜厚度减少的膜层。第二气体选择性材料被沉积在该膜厚度减少的膜层上，以提供具有覆盖层厚度的第二气体选择性材料覆盖层。该方法提供了具有膜厚度减少的膜层和有覆盖层厚度的覆盖层的气体分离膜系统。美国专利申请公布2011/0232821中公开了另一种方法，其描述了通过提供其上沉积金属膜层的多孔载体材料以及将提供激活金属膜层表面的某种表面特性施加到金属膜层表面上来制造气体分离膜系统的方法。这种表面激活增强了后续金属膜层在其上的安置。需要找到制造超薄且不漏气的负载型透气性金属膜的改进方法。特别是，这些方法应当能够使得可以用最少数量的金属镀覆步骤制造超薄透气性金属膜，这还导致减少其他制造步骤数量。另外，需要找到最小化膜金属厚度的方法，以减少铺设在膜载体上的昂贵金属的量和提供性能特性增强的最终负载型透气性金属膜。因此，本文提供了用于制备气体分离膜系统的方法。该方法包括将气体选择性材料层沉积在管状多孔载体的表面上，由此提供具有气体选择性膜层的所述管状多孔载体；退火所述气体选择性膜层以提供第一经退火气体选择性膜层；通过用研磨介体在第一受控抛光条件下抛光所述第一经退火气体选择性膜层而提供第一经研磨膜表面，所述研磨介体包括结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包含具有相对的主表面的背衬和包含结合到所述主表面之一的多个成形磨料复合料的磨料层，其中所述磨料复合料包含分散在聚合物粘合剂中的磨料颗粒，并且其中所述磨料复合料可以通过至少部分聚合包含可聚合粘合剂前体、磨料颗粒和硅烷偶联剂的浆料而制备；和将第二气体选择性材料层安置在所述第一经研磨膜表面上以提供第一覆盖膜层。图1是正视图，其示出了具有与机器人控制具带(belted)研磨介体相关联的金属膜层的管状多孔载体。图2是侧视图，其沿着图1所示的与机器人控制具带研磨介体相关联的管状多孔载体的2-2获得。在多个实施方式中，本专利技术涉及制造气体分离膜系统的方法。该方法在气体选择性膜层(特别是包含气体选择性金属的金属膜层)的受控研磨或抛光下使用特定类型的研磨介体，所述气体选择性膜层在具体限定的工艺参数内的条件下沉积在管状多孔载体上。研磨介体的物理性质与研磨或抛光负载型气体选择性金属膜层的方式或条件的组合实现了与使用各种现有技术方法所可能实现的相比更少的必要金属镀覆步骤以制备最终密封气体选择性金属膜层以及更薄的气体选择性金属膜层。在本专利技术的某些实施方式中，机器人，特别是机器人抛光单元，被用来控制研磨或抛光负载型金属膜层的方式或条件。要认识到，当研磨条件不能够通过其他手段控制时，可以使用机器人控制研磨介体而实现对研磨条件的精确控制。其上沉积气体选择性膜层的多孔载体可以包括任何适合用作气体选择性材料载体并且可透过氢气的多孔金属材料。多孔载体可以是管状的形状或几何结构，并且具有允许其上施加或沉积气体选择性材料层的表面。管状多孔载体具有共同限定壁厚度的内表面和外表面，内表面限定管状导管。管状多孔载体的外直径(OD)可以在1.5cm至13cm范围内，但是优选地，管状多孔载体的外直径在2.5cm至10cm范围内。更优选地，管状多孔载体的外直径在3cm至8cm范围内。虽然形状通常为管状的多孔载体在本文描述的实施方式中可能是特别期望的，但要认识到其他载体形状也是可能的。例如，在一些实施方式中，基本上是平面的载体可以通过本文描述的技术进行改变而转变成膜系统。这样的改变对于本领域技术人员和本文所述益处将是明显的。管状多孔载体的多孔金属材料可以选自本领域技术人员已知材料中的任一种，包括但不限于，不锈钢，(1)例如，301、304、305、316、317和321系列不锈钢；(2)合金，例如B-2、C-4、C-22、C-276、G-30、X以及其它；和(3)合金，例如合金600、625、690和718。多孔金属材料因此可以包含可透过氢气并且包含铁和铬的合金。多孔金属材料还可以包含另外的合金金属，如镍、锰、钼及其任意组合。适合用作多孔金属材料的一种特别期望的合金可以包含量为合金总重量的最多约70重量％的镍以及量为合金总重量的10至30重量％的铬。用作多孔金属材料的另一种合适的合金包含30至70重量％的镍，12至35重量％的铬和5至30重量％的钼，这些重量％均基于合金总重量。INCONEL和HASTELLOY合金相对于其他合金可能是更优选的。多孔金属材料的厚度(例如，如上文所述的壁厚度)、孔隙度和孔的孔径分布是多孔载体的性质，其可被选择以提供具有一组期望性质的本专利技术气体分离膜系统。应理解，当多孔载体用于氢气分离应用时，随着多孔载体厚度增加，穿过它的氢气通量将倾向于降低。操作条件，如压力、温度和流体流组成，例如，也可以影响氢气通量。在任何情况下，使用具有厚度合理小厚度的多孔载体可能是期望的，以提供通过的高气体通量。下文预期的典型应用的管状多孔载体的壁厚度可以在约0.1mm至约25mm范围内。优选地，壁厚度可以在1mm至15mm范围内。更优选地，范围可以是2mm至12.5mm，并且最优选地，范围可以是2.5mm至8mm。多孔金属材料的孔隙度可以在0.01至约1范围内。术语孔隙度在本文中定义为多孔金属材料的非固体体积相对于总体积(即，非固体与固体)的比例。更典型的孔隙度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备气体分离膜系统的方法，其中所述方法包括：(a)将气体选择性材料层沉积在管状多孔载体的表面上，由此提供具有气体选择性膜层的所述管状多孔载体；(b)退火所述气体选择性膜层以提供第一经退火气体选择性膜层；(c)通过用研磨介体在第一受控抛光条件下抛光所述第一经退火气体选择性膜层而提供第一经研磨膜表面，所述研磨介体包括结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括背衬，所述背衬具有结合到其上的包括包含分散在聚合物粘合剂中的磨料颗粒的多个成形磨料复合料的磨料层；和(d)将第二气体选择性材料层安置在所述第一经研磨膜表面上以提供第一覆盖膜层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.10 US 61/977,7901.一种用于制备气体分离膜系统的方法，其中所述方法包括：(a)将气体选择性材料层沉积在管状多孔载体的表面上，由此提供具有气体选择性膜层的所述管状多孔载体；(b)退火所述气体选择性膜层以提供第一经退火气体选择性膜层；(c)通过用研磨介体在第一受控抛光条件下抛光所述第一经退火气体选择性膜层而提供第一经研磨膜表面，所述研磨介体包括结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括背衬，所述背衬具有结合到其上的包括包含分散在聚合物粘合剂中的磨料颗粒的多个成形磨料复合料的磨料层；和(d)将第二气体选择性材料层安置在所述第一经研磨膜表面上以提供第一覆盖膜层。2.权利要求1所述的方法，其还包括：(e)退火所述第一覆盖膜层以提供第二经退火气体选择性膜层；(f)通过用所述研磨介体在第二受控抛光条件下抛光所述第二经退火气体选择性膜层而提供第二经研磨膜表面；和(g)将第三气体选择性材料层安置在所述第二经研磨膜表面上以提供第二覆盖膜层。3.权利要求2所述的方法，其还包括：(h)退火所述第二覆盖膜层以提供第三经退火气体选择性膜层；(i)通过用所述研磨介体在第三受控抛光条件下抛光所述第三经退火气体选择性膜层而提供第三经研磨膜表面；和(j)将第四气体选择性材料层安置在所述第三经研磨膜表面上以提供第三覆盖膜层...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·C·索凯蒂斯，E·普雷西塞，
申请(专利权)人：国际壳牌研究有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL