多孔膜微结构器件及其制造方法技术

公开一种膜微结构器件（１０）。所述膜微结构器件（１０）包含：限定第一凹陷（３２）的第一玻璃、陶瓷或玻璃－陶瓷板（１２），限定第二凹陷（３４）的第二玻璃、陶瓷或玻璃－陶瓷板（２０），以及夹在第一板和第二板（１２，２０）之间的非金属多孔膜（３０）。第一板（１２）、第二板（２０）和多孔膜（３０）结合在一起，设置多孔膜（３０），以覆盖第一凹陷（３２）和第二凹陷（３４），在第一板和多孔膜之间限定第一微通道，在第二板和多孔膜之间限定第二微通道，第一微通道与第二微通道流体相连。还揭示了制造膜微结构器件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及微结构器件领域，更具体地，涉及结合了多孔膜的微结构器件。虽然本专利技术能应用于很宽的范围，但是特别适用于在微流体反应器系统领域的提取器、分离器、扩散器以及接触器。
技术介绍
结合了多孔膜的反应器系统通常称作膜反应器，这种反应器通常被用来分离多相复杂原料，或过滤单相物料。一般而言，常规膜反应器中的多孔膜可具有微孔隙至大孔隙，可以用各种材料制造。多孔材料通常根据其(平均)孔尺寸进行分类。微孔材料的孔径一般小于或等于10纳米(nm)，中孔材料的孔尺寸通常在约2.0-50.0nm范围，而大孔材料通常包含约250nm大的孔。参见，IUPAC Manual of Symbolsand Terminology，Appendix 2，Part 1，Colloid and Surface Chemistry，Pure Appl.Chem.31，578(1972)。除其它因素外，依据平均孔径，如果特定应用需要，一些多孔膜可以用作催化材料的负载结构。目前，在膜反应器中使用的多孔膜通常依据膜在指定反应器中的作用或功能来分类，通常，膜反应器内的多孔膜根据三个功能之一进行分类。如果膜的功能主要是从反应器中选择性除去受平衡限制的反应的产物，以在常规反应器中得到收益，或者除去复杂混合物中的一种或多种组分，这种膜反应器通常分类为“提取器”。在其它应用中，膜的功能是计量可能引起连续反应的反应物。由于目标产物经常是初级加成(primary addition)的产物，通过透过膜来调节这种反应物的浓度可以提高选择性。当与常规反应器相比时，可以加入同样量的反应物，但是，其中一种反应物通过该膜沿催化剂床分布。因此，这种类型的膜反应器通常称为“分布器”或“扩散器”。第三种类型的膜反应器通常利用了膜的独特几何特点，即分离两种媒介的可透过壁。当膜也是催化剂的载体时，可以从膜的两面输入反应物(例如，气体从一面输入，液体从另一个面输入)，或迫使反应混合物通过反应性壁。在第一种情况中，可以促进催化剂与反应物之间的接触，这种接触限制了常规反应器的性能(如，在气-液-固过程中的气体，疏水性反应物与亲水性催化剂等)。在第二种情况中，反应物和产物在活性孔中的停留时间受到操作常数(通过膜的压降)控制，但不受扩散控制。这样可能导致更好地控制活性或选择性。这两种情况下，膜的作用是促进反应物和催化剂之间的接触。这种膜反应器通常称作“接触器”。更具体地，上面所述的第一接触器的模式被称作“界面接触器”，而第二模式被称作“流通接触器”。本领域使用的典型的膜反应器由同心管构造(膜是内管)。一种特定的管型膜反应器称为填充床膜反应器(PBMR)。这种膜反应器结合了管状多孔陶瓷膜和置于该陶瓷管内芯空间中的固定床催化剂。这种膜反应器组件(module)通常由包含复合膜管的不锈钢壳构成，管内装填有催化剂。一般而言，膜管端部是搪瓷的，并装有如石墨密封件的压缩配件，以确保内室(保留物(retentate)或管侧)和外室(渗透物或壳侧)之间的密封性。在这种常规管型膜反应器中，流体简单地从管的一端传送到反应器，而反应器的另一端用作出口端。如本领域的技术人员容易理解的，这种管型反应器的工业化和平行化(parallelization)很复杂，并且难以实施。此外，控制反应需要在反应器外部，特别是在进口端的上游实施复杂的流体控制。除了这些缺陷外，管型膜反应器的结构对催化剂材料的机械负载性能差，不容易密封。因此，这种器件通常会产生泄漏，会明显地对效率产生负面影响。随着微反应器技术的出现，近年来尝试减小膜反应器的规模，并由此尽可能减少上面所述的密封以及效率方面的缺陷。在一种微反应器方法中，多孔膜的周边用金属框架支撑，形成在微反应器内的许多叠加层之一。多孔膜通常是微机加工的金属层，如不锈钢或铜，但是如塑料和陶瓷的材料也一直是试验的目标。制造这种多孔层所需的微层压加工技术和其它技术通常是高成本的，因而阻碍了大规模生产，发现采用这些技术制造的多孔膜在化学处理方面的应用受到限制。因此，目前所需要的但在本领域似乎难以得到的是，克服了本领域已知的膜微反应器存在的缺点、结合有多孔膜的微结构器件及这种微结构器件的制造方法。专利技术概述本专利技术一个方面涉及整体微结构。这样一种微结构包括第一板、第二板以及设置在第一板和第二板之间的玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷多孔膜，所述第一板具有多个限定第一凹进的第一壁，所述第二板具有多个限定第二凹进的第二壁。将第一板、第二板和多孔膜结合在一起，使多孔膜与多个第一和第二壁合作，限定第一微通道和与第一微通道保持流体连通的第二微通道。另一种这样的微结构包括限定第一凹进的第一玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷板，限定第二凹进的第二玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷板，夹在第一板和第二板之间的非金属多孔膜。将第一板、第二板和多孔膜结合在一起，并放置多孔膜来覆盖第一和第二凹进，以限定在第一板和多孔膜之间的第一微通道，以及与第一微通道保持流体连通的、在第二板和多孔膜之间的第二微通道。本专利技术另一方面涉及制造微结构的方法。一种示范性例子包括在具有多个限定第一凹进的第一壁的第一板的顶部设置前体材料，并将第一板与具有多个限定第二凹进的第二壁的第二板组装，使前体材料位于第一和第二板之间并覆盖第一和第二凹进的至少一部分。组装后的第一和第二板加热至一定温度，足以使前体材料转变为与第一和第二板相结合的玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷的多孔膜。揭示的膜微结构器件及制造膜微结构器件的方法与本领域已知的其他微结构器件及制造技术相比，有许多的优点。例如，揭示的多孔膜微结构器件的整体结构提供了对多孔膜的显著的机械支撑，这点迄今在本领域未能实现。此外，这种结构能够在膜微结构内进行基本密封的催化和非催化的化学处理。此外，揭示的这种膜微结构器件能用于提取器、扩散器和接触器应用，例如但不限于，可将膜微结构用于H2/烃分离、甲烷蒸气重整、烷烃选择性氧化、液相加氢和氧化、氢生产、通过沸石吸收除去污染物、从水中分离挥发性有机化合物以及使用质子膜产生能量(微燃料电池)。另一些优点可以由限定在所揭示的膜微结构器件内的微通道的微规格的内尺寸得到。一般而言，微规格的微通道尺寸能提供高的表面/体积比值，该比值又能使流体与多孔膜的相互作用最大。在多孔膜浸渍一种或多种催化剂或负载有一种或多种催化剂的情况下，流体/催化剂的接触通过多孔膜而被最大化。结果，提高了生产率或产率。所揭示的微结构和方法的其它特征和优点将在下述具体实施方式中说明，它们中的一部分在本领域技术人员阅读了说明书之后是容易明白的，或者在实施了本文中所描述的专利技术后是容易理解的。要明白，前面的概述和下面的详细描述仅仅是对本专利技术的例举，用于提供理解所要求保护的本专利技术的本质和特点的概括或构架。所包含的附图用于提供对所揭示的微结构和制造方法的进一步的理解，说明了本专利技术的各个实施方式，并与说明书一起用来解释所揭示的微结构和方法的原理和操作。附图简要说明附图说明图1A-1C所示是第一示范性膜微结构从各个方向看的视图。图2A-2C所示是第二示范性膜微结构从各个方向看的视图。图3所示是图1C中示出的用作分离器的膜微结构。图4所示是图1C中示出的用作提取器的膜微结构。图5所示是图1C中示出的用作扩散器的膜微结构。图6所示是图1C中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种整体微结构，该微结构包括：第一板，包含限定第一凹进的多个第一壁；第二板，包含限定第二凹进的多个第二壁；玻璃、陶瓷、玻璃－陶瓷或其它非金属多孔膜，设置在第一和第二板之间；其特征在于，第一板、第二板和多孔膜结 合在一起，使多孔膜与多个第一和第二壁合作，限定出第一微通道以及与第一微通道流体连通的第二微通道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P卡兹，CC盖尔穆，D勒图尔纳，JP特蒙特，P沃尔，NJ瓦库，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]