JP5607721B2 - High performance crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films - Google Patents
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Description
[0001]本発明は、高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜、並びにこれらの膜の製造方法及び使用方法に関する。 [0001] The present invention relates to high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films and methods of making and using these films.
[0002]過去30〜35年の間に、ポリマー膜ベースの気体分離プロセスの最新技術は急速に進歩した。膜ベースの技術は、従来の分離法と比較して低い設備コストと高いエネルギー効率という利点を両方とも有する。膜気体分離は、石油生産業者及び精製業者、化学会社、及び産業用ガス供給業者にとって特別な関心の対象となっている。天然ガス及びバイオガスからの二酸化炭素除去並びに原油増進回収、並びにアンモニアパージガス流中の窒素、メタン、及びアルゴンからの水素除去など幾つかの分野への応用は商業的成功を収めている。例えば、UOPのSeparex酢酸セルロースポリマー膜は、現在、天然ガスからの二酸化炭素除去に関して国際的なマーケット・リーダーである。 [0002] During the last 30-35 years, the state of the art of polymer membrane-based gas separation processes has advanced rapidly. Membrane-based technology has both the advantages of low equipment costs and high energy efficiency compared to conventional separation methods. Membrane gas separation is of particular interest to oil producers and refiners, chemical companies, and industrial gas suppliers. Applications in several areas such as carbon dioxide removal from natural gas and biogas and enhanced recovery of crude oil and hydrogen removal from nitrogen, methane, and argon in ammonia purge gas streams have been commercially successful. For example, UOP's Separex cellulose acetate polymer membrane is currently an international market leader for carbon dioxide removal from natural gas.
[0003]商業的な気体分離用途において最も通常的に用いられている膜はポリマーで非多孔質のものである。分離は溶液拡散メカニズムに基づく。このメカニズムは、透過ガスと膜ポリマーとの分子スケールの相互作用を含む。このメカニズムは、2つの対抗する面を有する膜において、それぞれの成分を1つの表面において膜に吸着させ、気体濃度勾配によって移動させ、反対側の表面において脱着させると考えられている。この溶液拡散モデルによれば、気体の所定の対(例えばCO2/CH4、O2/N2、H2/CH4)の分離における膜性能は、透過係数(以下、PAと略す)及び選択率(αA/B)の2つのパラメーターによって定まる。PAは、気体の流束と膜の選択表面薄層の厚さを掛け合わせ、膜を横切る圧力差で除したものである。αA/Bは、2種類の気体の透過係数の比(αA/B=PA/PB)であり、ここでPAは透過性のより高い気体の透過率であり、PBは透過性のより低い気体の透過率である。気体は、高い溶解度係数、高い拡散係数のため、或いは両方の係数ともに高いために高い透過係数を有する可能性がある。一般に、気体の分子サイズが増加すると、拡散係数は減少し、一方、溶解度係数は増加する。より高い透過率は所定体積の気体を処理するのに必要な膜領域の寸法を減少させ、それによって膜ユニットの設備コストを減少させるため、また、より高い選択率はより高い純度の生成物気体をもたらすため、高性能ポリマー膜においては高い透過率及び高い選択率が望ましい。 [0003] The most commonly used membranes in commercial gas separation applications are polymeric and non-porous. Separation is based on a solution diffusion mechanism. This mechanism involves a molecular scale interaction between the permeate gas and the membrane polymer. This mechanism is thought to be that in a membrane having two opposing surfaces, each component is adsorbed to the membrane on one surface, moved by a gas concentration gradient, and desorbed on the opposite surface. According to the solution-diffusion model, membrane performance in the separation of a given pair of gases (e.g., CO 2 / CH 4, O 2 / N 2, H 2 / CH 4) is the transmission coefficient (hereinafter, abbreviated as P A) And the selectivity (α A / B ). P A is multiplied by the thickness of the selected skin layers of the flux and the membrane of the gas is obtained by dividing the pressure difference across the membrane. alpha A / B is the ratio of the two transmission coefficient of the gas (α A / B = P A / P B), where P A is the transmittance of the transmission of higher gas, P B is It is the permeability of gas with lower permeability. A gas may have a high permeability coefficient because of its high solubility coefficient, high diffusion coefficient, or because both coefficients are high. In general, as the gas molecular size increases, the diffusion coefficient decreases while the solubility coefficient increases. Higher permeabilities reduce the size of the membrane area required to process a given volume of gas, thereby reducing the equipment cost of the membrane unit, and higher selectivity also results in higher purity product gas Therefore, high permeability and high selectivity are desirable in high performance polymer membranes.
[0004]ポリマーは、低いコスト、良好な透過率、機械的安定性、及び加工容易性などの気体分離のために重要な種々の範囲の特性を与える。高いガラス転移温度(Tg)、高い融点、及び高い結晶化度を有するポリマー材料が好ましい。ガラス質のポリマー(即ちそれらのTgよりも低い温度におけるポリマー)はより剛性のポリマー骨格を有し、したがって水素及びヘリウムのような小さめの分子をより迅速に通過させるが、その一方で、炭化水素のような大きめの分子は、剛性のより低い骨格を有するポリマーと比較してよりゆっくりとガラス質のポリマーを通過する。しかしながら、透過性のより高いポリマーは、一般に透過性のより低いポリマーよりも選択率が低い。透過率と選択率との間には常に一般的なトレードオフ(所謂ポリマー上限限界)が存在する。過去30年にわたって、この上限によってもたらされる制限を克服することに大きな研究努力が向けられている。種々のポリマー及び方法が用いられたが、それほど大きくは成功していない。更に、伝統的なポリマー膜は、熱安定性及び汚染抵抗性に関する制約も有する。 [0004] Polymers provide various ranges of properties important for gas separation such as low cost, good permeability, mechanical stability, and ease of processing. Polymer materials having a high glass transition temperature (T g ), a high melting point, and a high crystallinity are preferred. Polymers of glassy (i.e. the polymer at lower temperatures than their T g) has a more rigid polymer backbone, thus it is more quickly pass through the smaller molecules such as hydrogen and helium, on the other hand, carbonized Larger molecules such as hydrogen pass through glassy polymers more slowly compared to polymers with less rigid backbones. However, more permeable polymers generally have lower selectivity than less permeable polymers. There is always a general trade-off (so-called polymer upper limit) between transmittance and selectivity. Over the past 30 years, great research efforts have been directed at overcoming the limitations imposed by this upper limit. Various polymers and methods have been used, but have not been very successful. In addition, traditional polymer membranes also have constraints on thermal stability and contamination resistance.
[0005]酢酸セルロース(CA)のガラス質ポリマー膜は、気体分離において広く用いられている。現在は、かかるCA膜は、二酸化炭素の除去などの天然ガスの改質のために商業的に用いられている。CA膜は多くの有利性を有するが、これらは、選択率、透過率などの数多くの特性、並びに化学的、熱的、及び機械的安定性が制限される。ポリマー膜の性能は速やかに劣化する可能性があることが分かっている。膜性能の消失の主たる原因は、膜表面上での液体の凝縮である。凝縮は、膜生成物気体の算出される露点に基づいて運転に十分な露点の余裕を与えることによって抑止することができる。水及び重質炭化水素を天然ガス流から除去し、それによって流れの露点を低下させるために、モレキュラーシーブを用いる再生可能な吸着システムであるUOPのMemGuardシステムが開発された。予備処理システムによる重質炭化水素の選択的な除去によって、膜の性能が著しく改善され得る。これらの予備処理システムはこのような機能を有効に果たすことができるが、コストが非常に高い。幾つかのプロジェクトにおいては、予備処理システムのコストは、供給流の組成によって全コスト(予備処理システム及び膜システム)の10〜40%の高さであった。予備処理システムのコストを減少させるか又は予備処理システム自体を完全に排除すると、天然ガス改質のための膜システムのコストが大きく減少するであろう。他方において、ここ数年においては、大型の沖合天然ガス改質プロジェクトに益々多くの膜システムが適用されている。沖合プロジェクトのためには、設置面積が大きな制約となる。したがって、沖合プロジェクトのためには設置面積を減少させることが非常に重要である。予備処理システムの設置面積もまた、全膜システムの設置面積の10〜50%超の非常に高いものである。膜システムから予備処理システムを除去することは、特に沖合プロジェクトに対して大きな経済的影響を有する。 [0005] Cellulose acetate (CA) glassy polymer membranes are widely used in gas separation. Currently, such CA membranes are commercially used for natural gas reforming such as carbon dioxide removal. While CA membranes have many advantages, they are limited in many properties such as selectivity, permeability, and chemical, thermal, and mechanical stability. It has been found that the performance of polymer membranes can degrade quickly. The main cause of the loss of membrane performance is liquid condensation on the membrane surface. Condensation can be inhibited by providing a sufficient dew point margin for operation based on the calculated dew point of the film product gas. In order to remove water and heavy hydrocarbons from natural gas streams, thereby reducing the dew point of the stream, UOP's MemGuard system, a renewable adsorption system using molecular sieves, was developed. The selective removal of heavy hydrocarbons by the pretreatment system can significantly improve membrane performance. These pretreatment systems can perform such functions effectively, but are very expensive. In some projects, the cost of the pretreatment system was as high as 10-40% of the total cost (pretreatment system and membrane system) depending on the feed stream composition. Reducing the cost of the pretreatment system or completely eliminating the pretreatment system itself will greatly reduce the cost of the membrane system for natural gas reforming. On the other hand, in recent years, more and more membrane systems have been applied to large offshore natural gas reforming projects. For offshore projects, the footprint is a major constraint. Therefore, it is very important to reduce the installation area for offshore projects. The pretreatment system footprint is also very high, over 10-50% of the total membrane system footprint. Removing the pretreatment system from the membrane system has a significant economic impact, especially for offshore projects.
[0006]膜の選択率、透過率、及び熱安定性を向上させるために、ポリイミド(PI)、ポリ(トリメチルシリルプロピン)(PTMSP)、及びポリトリアゾールのような高性能ポリマーが開発されている。これらのポリマー膜材料は、CO2/CH4、O2/N2、H2/CH4、及びプロピレン/プロパン(C3H6/C3H8)のような気体の対を分離するための有望な特性を示している。しかしながら、現在のポリマー膜材料は、それらの生産性−選択率の二律背反関係の点で限界に達している。更に、ガラス質の溶液拡散膜を用いることに基づく気体分離プロセスは、しばしばCO2又はC3H6のような吸着した浸透分子による剛性のポリマーマトリクスの可塑化を受ける。供給気体混合物が凝縮性の気体を含む場合には、膜構造の膨潤によって示されるポリマーの可塑化、及び供給流中の全ての成分の透過率の大きな増加が、可塑化圧力より高い圧力で起こる。 [0006] High performance polymers such as polyimide (PI), poly (trimethylsilylpropyne) (PTMSP), and polytriazole have been developed to improve membrane selectivity, permeability, and thermal stability. . These polymeric membrane materials, CO 2 / CH 4, O 2 / N 2, H 2 / CH 4, and propylene / propane (C 3 H 6 / C 3 H 8) for separating the pair of gases, such as Shows promising properties. However, current polymer membrane materials have reached their limits in terms of their trade-off of productivity-selectivity. Furthermore, gas separation processes based on the use of glassy solution diffusion membranes often undergo plasticization of rigid polymer matrices with adsorbed osmotic molecules such as CO 2 or C 3 H 6 . If the feed gas mixture contains a condensable gas, the plasticization of the polymer as indicated by the swelling of the membrane structure, and a large increase in the permeability of all components in the feed stream occurs at pressures higher than the plasticization pressure. .
[0007]芳香族ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、及びポリベンゾイミダゾール(PBI)は、平坦な堅い剛体棒状のフェニレン−複素環式環単位を有する非常に熱安定性の梯子状のガラス質ポリマーである。かかるポリマー中の堅い剛性の環単位は効率的に充填され、高い透過率及び高い選択率の両方を有するポリマー膜のために望ましい、非常に小さい浸透剤が接近可能な自由体積要素が残留する。しかしながら、高い熱安定性及び化学安定性を有するこれらの芳香族PBO、PBT、及びPBIポリマーは、通常の有機溶媒中で可溶性が低く、このために最も実用的な溶媒キャスト法によってポリマー膜を製造するための一般的なポリマー材料として用いることができない。ポリマー骨格中において複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(pendant functional groups)を含む可溶性芳香族ポリイミドを芳香族ポリベンゾオキサゾール(PBO)又はポリベンゾチアゾール(PBT)に熱転化することによって、溶媒キャスト法によってPBO又はPBTポリマーから直接得ることが困難又は不可能であるPBO又はPBTポリマー膜を生成させる代替法を提供することができる(Tullos et al., MACROMOLECULES, 32, 3598 (1999))。 [0007] Aromatic polybenzoxazole (PBO), polybenzothiazole (PBT), and polybenzimidazole (PBI) are highly heat-stable ladders with flat rigid rod-like phenylene-heterocyclic ring units Glassy polymer. Rigid rigid ring units in such polymers are efficiently packed, leaving a free volume element accessible to very small penetrants, which is desirable for polymer membranes having both high permeability and high selectivity. However, these aromatic PBO, PBT, and PBI polymers with high thermal stability and chemical stability are poorly soluble in ordinary organic solvents, which makes polymer membranes produced by the most practical solvent casting method It cannot be used as a general polymer material. Thermally converting soluble aromatic polyimides containing pendant functional groups ortho to the heterocyclic imide nitrogen in the polymer backbone to aromatic polybenzoxazole (PBO) or polybenzothiazole (PBT) Can provide an alternative method for producing PBO or PBT polymer films that are difficult or impossible to obtain directly from PBO or PBT polymers by solvent casting (Tullos et al., MACROMOLECULES, 32, 3598 (1999). )).
[0008]他方において、SAPO−34及び炭素モレキュラーシーブ膜のような幾つかの無機モレキュラーシーブ膜は、気体分離に関してポリマー膜よりも遙かに高い透過率及び選択率を与えるが、高コストであり、機械的安定性が劣っており、大規模製造が困難である。したがって、改良された分離特性を有するコスト的に有効な代わりの膜を提供することが未だに非常に望ましい。 [0008] On the other hand, some inorganic molecular sieve membranes, such as SAPO-34 and carbon molecular sieve membranes, provide much higher permeability and selectivity than polymer membranes for gas separation, but are costly Mechanical stability is inferior and large-scale manufacturing is difficult. Accordingly, it is still highly desirable to provide a cost effective alternative membrane with improved separation characteristics.
[0009]米国特許第5,409,524号明細書では、膜を加熱してポリマー中の過剰の自由体積を緩和することによって数多くの異なるポリマー膜が処理されている。これは、ポリマーの透過率を低下させる傾向を有する。膜の加熱は60〜300℃の温度範囲であった。次に、酸素の存在下で膜にUV放射線を照射して、表面を少なくとも部分的に酸化している。処理したと報告されている膜の1つはポリベンゾオキサゾール膜であった。ポリベンゾオキサゾールポリマーは一工程の重縮合合成手順によって製造し、このポリベンゾオキサゾールポリマーから製造された膜を180℃において熱処理している。膜フィルムは、12.25Barrerから9.11Barrerへの25%の透過率の減少、及び5.34から6.21への15%の酸素/窒素選択率の増加を示していた。これらの条件によって、異なる出発材料並びに非常により高い膜処理温度を用いる本発明と比較して、選択率の僅かな増加しか得られていない。 [0009] In US Pat. No. 5,409,524, a number of different polymer films are treated by heating the film to mitigate excess free volume in the polymer. This has a tendency to reduce the permeability of the polymer. The heating of the film was in the temperature range of 60-300 ° C. The film is then irradiated with UV radiation in the presence of oxygen to at least partially oxidize the surface. One of the films reported to be processed was a polybenzoxazole film. The polybenzoxazole polymer is produced by a one-step polycondensation synthesis procedure, and the film produced from this polybenzoxazole polymer is heat treated at 180 ° C. The membrane film showed a 25% decrease in permeability from 12.25 Barrer to 9.11 Barrer and a 15% increase in oxygen / nitrogen selectivity from 5.34 to 6.21. These conditions provide only a slight increase in selectivity compared to the present invention using different starting materials as well as much higher membrane processing temperatures.
[0010]SCIENCE誌の最近の号において、気体分離のための新しいタイプの高透過性ポリベンゾオキサゾールポリマー膜が報告された(Ho Bum Parkら, SCIENCE 318, 254 (2007))。これらのポリベンゾオキサゾール膜は、複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂ヒドロキシル基を含むヒドロキシ含有ポリイミドポリマー膜を高温熱転位することによって得られる。これらのポリベンゾオキサゾールポリマー膜は、通常のポリマー膜よりも100倍良好で、幾つかの無機モレキュラーシーブ膜のものと同等の非常に高いCO2透過率(>1000Barrer)を示したが、CO2/CH4選択率は商業的な酢酸セルロース膜と同等であった。これらの膜を商業的に用いるためには向上した選択率が必要である。本発明者らは、微量酸ドーパント(例えばHCl及びH3PO4)を加えることによってこれらのポリベンゾオキサゾールポリマー膜の選択率を増加させようと試みた。しかしながら、これらのポリベンゾオキサゾールポリマー膜中での微量酸ドーパントの安定性は商業的使用のための重要な課題である。 [0010] In a recent issue of SCIENCE, a new type of highly permeable polybenzoxazole polymer membrane for gas separation was reported (Ho Bum Park et al., SCIENCE 318, 254 (2007)). These polybenzoxazole films are obtained by high temperature thermal rearrangement of hydroxy containing polyimide polymer films containing pendant hydroxyl groups ortho to the heterocyclic imide nitrogen. These polybenzoxazole polymer membranes were 100 times better than normal polymer membranes and showed very high CO 2 permeability (> 1000 Barrer) comparable to that of some inorganic molecular sieve membranes, but CO 2 / CH 4 selectivity was comparable to commercial cellulose acetate membranes. In order to use these membranes commercially, improved selectivity is required. The inventors have attempted to increase the selectivity of these polybenzoxazole polymer membranes by adding trace acid dopants (eg, HCl and H 3 PO 4 ). However, the stability of trace acid dopants in these polybenzoxazole polymer films is an important issue for commercial use.
[0011]米国特許出願公開第2008/0300336号(A1)においては、UV架橋を用いることによって膜の透過率及び選択率を向上させるように機能するモレキュラーシーブを含む特定の混合マトリクス膜の特性を向上させることに成功したことが報告された。しかしながら、ここで報告されている向上したレベルの特性を得るためには、ポリマーを架橋し且つモレキュラーシーブを加えることの両方が必要であった。モレキュラーシーブを分散させる必要性を回避し且つポリマーとモレキュラーシーブとの間の接着性の欠如によって引き起こされる問題を排除することの両方のために、モレキュラーシーブを含まない改良されたポリマー膜を与えることが非常に望ましい。 [0011] In US Patent Application Publication No. 2008/0300336 (A1), the characteristics of certain mixed matrix membranes including molecular sieves that function to improve membrane permeability and selectivity by using UV crosslinking are described. It was reported that it was successfully improved. However, to obtain the improved level of properties reported here, it was necessary to both cross-link the polymer and add molecular sieves. To provide an improved polymer film that does not contain molecular sieves, both to avoid the need to disperse molecular sieves and to eliminate problems caused by lack of adhesion between the polymer and molecular sieves Is highly desirable.
[0012]本発明は、以下の特性/有利な点(即ち、加工容易性、高い選択率及び高い透過速度又は流束の両方、高い熱安定性、並びに溶媒膨潤、可塑化、及び炭化水素汚染物質に対する抵抗性による長時間にわたって安定な流束及び保持された選択率)を有する新しいタイプの高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜、並びにかかる膜の製造手段を提供することによって、従来技術のポリマー膜及び無機モレキュラーシーブ膜の両方の問題を解決する。これらの膜は、架橋ポリイミド膜と比較して非常に良好な透過率、及び未架橋のポリベンゾオキサゾール膜と比較して非常に良好な選択率を与える。 [0012] The present invention has the following characteristics / advantages (ie, both processability, high selectivity and high permeation rate or flux, high thermal stability, and solvent swelling, plasticization, and hydrocarbon contamination) By providing a new type of high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes with long-term stable flux and retained selectivity due to resistance to materials, and means for making such membranes, It solves the problems of both technical polymer membranes and inorganic molecular sieve membranes. These membranes give very good permeability compared to crosslinked polyimide membranes and very good selectivity compared to uncrosslinked polybenzoxazole membranes.
[0013]本発明は、高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜、並びにこれらの膜の製造方法及び使用方法に関する。
[0014]高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、ポリマー骨格中のUV架橋性の官能基及び複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH基)の両方を含む架橋性ポリイミドポリマーから、熱転化とそれに続いて行われるUV照射によって製造される。本発明において記載する高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー鎖セグメントを含み、これらのポリマー鎖セグメントの少なくとも一部は、UV放射線に曝露することによって場合によっては直接共有結合を介して互いに架橋されている。ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜の架橋によって、大きく向上した膜選択率並びに化学安定性及び熱安定性が膜に付与される。
[0013] The present invention relates to high performance crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films, and methods of making and using these films.
[0014] High performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films are UV-crosslinkable functional groups in the polymer backbone and pendant functional groups ortho to the heterocyclic imide nitrogen (e.g., -OH or -SH groups). ) From both cross-linkable polyimide polymers by thermal conversion followed by UV irradiation. The high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films described in the present invention comprise polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer chain segments, and at least some of these polymer chain segments are exposed to UV radiation. In some cases, they are crosslinked to each other via direct covalent bonds. The cross-linking of polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes imparts greatly improved membrane selectivity, chemical stability and thermal stability to the membrane.
[0015]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、加工容易性、高い選択率、高い透過速度又は流束、高い熱安定性、並びに溶媒膨潤、可塑化、及び炭化水素汚染物質に対する抵抗性による長時間にわたって安定な流束及び保持された選択率という利点を伴って、従来技術のポリマー膜及び無機モレキュラーシーブ膜の両方の問題を解決する。 [0015] Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are easy to process, high selectivity, high permeation rate or flux, high thermal stability, and resistance to solvent swelling, plasticization, and hydrocarbon contaminants Solves the problems of both prior art polymer membranes and inorganic molecular sieve membranes with the advantages of stable flux over time and retained selectivity.
[0016]高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を製造する方法は、(1)まず、ポリマー骨格中において、複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH)及びUV架橋性官能基(例えばカルボニル基)を含む芳香族ポリイミドポリマーを合成し;(2)工程(1)において合成した芳香族ポリイミドポリマーからポリイミド膜を製造し;(3)アルゴン、窒素のような不活性雰囲気下又は真空下において300℃〜600℃の間で加熱することによって、ポリイミド膜をポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾール膜に転化させ;そして(4)最後に、UV放射線に曝露することによって、ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾール膜を架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜に転化させる;ことを含む。幾つかの場合においては、UV放射線への曝露の後に膜後処理工程を加えて、架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜の選択層表面を、ポリシロキサン、フルオロポリマー、熱硬化性シリコーンゴム、又はUV放射線硬化性エポキシシリコーンのような高透過性材料の薄層で被覆することができる。 [0016] A method for producing high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes is as follows: (1) First, a pendant functional group ortho-positioned to a heterocyclic imide nitrogen (eg, —OH or -SH) and an aromatic polyimide polymer containing a UV-crosslinkable functional group (for example, a carbonyl group); (2) producing a polyimide film from the aromatic polyimide polymer synthesized in step (1); (3) argon, Convert the polyimide film to a polybenzoxazole or polybenzothiazole film by heating between 300 ° C. and 600 ° C. under an inert atmosphere such as nitrogen or under vacuum; and (4) Finally, to UV radiation By exposing the polybenzoxazole or polybenzothiazole film to cross-linked polybenzoxazo It is converted to le or polybenzothiazole polymer film; comprising. In some cases, after exposure to UV radiation, a film post-treatment step is added to make the selective layer surface of the crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film a polysiloxane, fluoropolymer, thermosetting silicone rubber, Or it can be coated with a thin layer of highly permeable material such as UV radiation curable epoxy silicone.
[0017]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、多孔質の支持体層の頂部上に支持されている薄い非多孔質の密な選択層を有する非多孔質の対称構造又は非対称構造のいずれかを有することができる。これらの膜は、平坦シート(又は渦巻き型)、ディスク、チューブ、中空繊維、又は薄膜複合体のような任意の好都合な形態に形成することができる。 [0017] Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are non-porous symmetric or asymmetric structures having a thin non-porous dense selective layer supported on top of a porous support layer. Can have either. These membranes can be formed in any convenient form such as flat sheets (or spirals), discs, tubes, hollow fibers, or thin film composites.
[0018]本発明は、架橋ポリベンゾオキサゾールポリマー膜又は架橋ポリベンゾチアゾールポリマー膜のいずれかを用いて、複数の気体又は液体の混合物から少なくとも1種類の気体又は液体を分離する方法を提供する。本方法は、少なくとも1種類の気体又は液体に対して透過性の架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を用意すること;架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜の一面上に複数の気体又は液体の混合物を接触させて、少なくとも1種類の気体又は液体を架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を透過させること;及び、膜の反対側から、膜を透過した少なくとも1種類の気体又は液体の部分である透過気体又は液体組成物を取り出すこと、を含む。 [0018] The present invention provides a method of separating at least one gas or liquid from a plurality of gases or liquid mixtures using either a crosslinked polybenzoxazole polymer film or a crosslinked polybenzothiazole polymer film. The method includes providing a crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane that is permeable to at least one gas or liquid; a plurality of gases or one or more gases on one side of the crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane. Contacting the liquid mixture to allow at least one gas or liquid to permeate the cross-linked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane; and at least one gas or liquid that has permeated the membrane from the opposite side of the membrane Removing the permeate gas or liquid composition that is part of
[0019]高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、種々の液体、気体、及び蒸気の分離(逆浸透による水の脱塩など)、非水性液体の分離(ガソリン及びディーゼル燃料の深度脱硫など)、エタノール/水の分離、水性/有機混合物のパーベーパレーション脱水、CO2/CH4、CO2/N2、H2/CH4、O2/N2、H2S/CH4、オレフィン/パラフィン、イソ/n−パラフィンの分離、並びに他の軽質気体混合物の分離のために好適であるだけでなく、触媒反応及び燃料電池用途のような他の用途のために用いることもできる。 [0019] High performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are used to separate various liquids, gases, and vapors (such as desalting water by reverse osmosis), non-aqueous liquid separations (gasoline and diesel fuel depths). Desulfurization etc.), ethanol / water separation, pervaporation dehydration of aqueous / organic mixtures, CO 2 / CH 4 , CO 2 / N 2 , H 2 / CH 4 , O 2 / N 2 , H 2 S / CH 4 Not only suitable for the separation of olefins / paraffins, iso / n-paraffins, and other light gas mixtures, but can also be used for other applications such as catalysis and fuel cell applications .
[0020]1999年に、Tullosらは複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂ヒドロキシル基を含む一連のヒドロキシ含有ポリイミドポリマーを合成したことを報告した。これらのポリイミドは、窒素下又は真空下において350℃〜500℃の間で加熱するとポリベンゾオキサゾールへの熱転化を受けることが見出された(Tullos et al., MACROMOLECULES, 32, 3598 (1999))。SCIENCEの最近の号では、Tullosらによって報告されたポリベンゾオキサゾールポリマー材料は、良好に構成された形態を有して調整されている自由体積要素を有しているという更なる研究が報告された。熱駆動セグメント転位を用いて、これらのポリベンゾオキサゾールポリマー材料における独特の微細構造を規則正しく調整して、気体分離用のポリベンゾオキサゾールポリマー膜を製造するためのルートを提供することができる。Ho Bum Park et al., SCIENCE, 318, 254 (2007)を参照。これらのポリベンゾオキサゾールポリマー膜は、通常のポリマー膜よりも100倍良好で、幾つかの無機モレキュラーシーブ膜のものと同等の非常に高いCO2透過率(>1000Barrer)を示したが、CO2/CH4分離用の幾つかの小孔無機モレキュラーシーブ膜のものよりも低いCO2/CH4選択率を示した。 [0020] In 1999, Tullos et al. Reported the synthesis of a series of hydroxy-containing polyimide polymers containing pendant hydroxyl groups ortho to the heterocyclic imide nitrogen. These polyimides were found to undergo thermal conversion to polybenzoxazole when heated between 350 ° C. and 500 ° C. under nitrogen or vacuum (Tullos et al., MACROMOLECULES, 32, 3598 (1999) ). In a recent issue of SCIENCE, a further study was reported that the polybenzoxazole polymer material reported by Tullos et al. Had a free volume element that was tuned with a well-configured morphology. . Thermally driven segmental dislocations can be used to regularly tailor the unique microstructure in these polybenzoxazole polymer materials to provide a route for producing polybenzoxazole polymer membranes for gas separation. See Ho Bum Park et al., SCIENCE, 318, 254 (2007). These polybenzoxazole polymer membranes were 100 times better than normal polymer membranes and showed very high CO 2 permeability (> 1000 Barrer) comparable to that of some inorganic molecular sieve membranes, but CO 2 The CO 2 / CH 4 selectivity was lower than that of some small pore inorganic molecular sieve membranes for / CH 4 separation.
[0021]本発明は、新規な高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜、並びにこれらの膜の製造方法及び使用方法を包含する。
[0022]本発明は、加工容易性、高い選択率と高い透過速度又は流束の両方、高い熱安定性、並びに炭化水素汚染物質に曝露することによる溶媒膨潤、可塑化、及び劣化に対して抵抗性を有することによる長時間にわたって安定な流束及び保持された選択率という特性/有利な点を有する新しいタイプの高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜、並びにこれらの膜を提供することによって、従来技術のポリマー膜及び無機モレキュラーシーブ膜の両方の問題を解決するものである。
[0021] The present invention includes novel high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films, and methods of making and using these films.
[0022] The present invention addresses both processability, high selectivity and high permeation rate or flux, high thermal stability, and solvent swelling, plasticization, and degradation from exposure to hydrocarbon contaminants. Provided are new types of high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes having these characteristics / advantages of stable flux and retained selectivity over time due to resistance, and these membranes This solves the problems of both prior art polymer membranes and inorganic molecular sieve membranes.
[0023]本発明において記載する高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、熱転化及びそれに続くUV照射によって、ポリマー骨格中のUV架橋性官能基(例えばカルボニル基)及び複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH)の両方を含む架橋性ポリイミドポリマーから製造される。膜はポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー鎖セグメントを含み、これらのポリマー鎖セグメントの少なくとも一部は、UV放射線に曝露することによって直接共有結合によって互いに架橋されている。ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜の架橋によって、大きく向上した膜選択率、並びに化学安定性及び熱安定性が膜に付与される。 [0023] The high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films described in this invention can be obtained by thermal conversion followed by UV irradiation to form UV crosslinkable functional groups (eg carbonyl groups) and heterocyclic imides in the polymer backbone. Made from a crosslinkable polyimide polymer containing both pendent functional groups ortho to the nitrogen (eg, —OH or —SH). The film comprises polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer chain segments, at least some of these polymer chain segments being crosslinked to one another by direct covalent bonding by exposure to UV radiation. The cross-linking of polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes imparts greatly improved membrane selectivity, chemical stability and thermal stability to the membrane.
[0024]本発明は、(1)まず、ポリマー骨格中において、複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH)及びUV架橋性官能基(例えばカルボニル基)を含む芳香族ポリイミドポリマーを合成し;(2)工程(1)において合成した芳香族ポリイミドポリマーからポリイミド膜を製造し;(3)アルゴン、窒素のような不活性雰囲気下又は真空下において300℃〜600℃の間で加熱することによって、ポリイミド膜をポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾール膜に転化させ;そして(4)最後に、UV放射線に曝露することによって、ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾール膜を架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜に転化させる;ことによって、これらの高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を製造する方法を提供する。幾つかの場合においては、UV照射の後に膜後処理工程を加えて、架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜の選択層表面を、ポリシロキサン、フルオロポリマー、熱硬化性シリコーンゴム、又はUV放射線硬化性エポキシシリコーンのような高透過性材料の薄層で被覆することができる。 [0024] The present invention provides: (1) First, in the polymer backbone, a pendant functional group ortho-positioned with respect to the heterocyclic imide nitrogen (eg -OH or -SH) and a UV-crosslinkable functional group (eg carbonyl group) (2) A polyimide film is produced from the aromatic polyimide polymer synthesized in step (1); (3) 300 ° C. under an inert atmosphere such as argon or nitrogen or under vacuum. Heating between ˜600 ° C. converts the polyimide film to a polybenzoxazole or polybenzothiazole film; and (4) finally, exposing the polybenzoxazole or polybenzothiazole film to exposure to UV radiation Converted to a crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film; To provide a method for producing a performance crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer film. In some cases, a film post-treatment step is added after UV irradiation to make the selective layer surface of the crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film a polysiloxane, fluoropolymer, thermosetting silicone rubber, or UV radiation. It can be coated with a thin layer of a highly permeable material such as a curable epoxy silicone.
[0025]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を製造するために本発明において用いるポリベンゾオキサゾールタイプ及びポリベンゾチアゾールタイプのポリマー膜は、アルゴン、窒素のような不活性雰囲気下又は真空下において300℃〜600℃の間で加熱することによるポリイミド膜の熱転化によって製造される。ポリイミド膜は、溶液キャスト又は溶液紡糸法によって、ポリマー骨格中のUV架橋性官能基(例えばカルボニル基)及び複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH)を有する可溶性ポリイミドから製造される。複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH)を有するポリイミドを熱転化させると、不可逆的分子転位によってポリベンゾオキサゾール(懸垂官能基が−OH基である場合)又はポリベンゾチアゾール(懸垂官能基が−SH基である場合)が形成され、該熱転化は二酸化炭素の消失を伴うが、他の揮発性副生成物は発生しない。ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマーは、式(I): [0025] The polybenzoxazole-type and polybenzothiazole-type polymer films used in the present invention to produce cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films can be obtained under an inert atmosphere such as argon, nitrogen or under vacuum. Manufactured by thermal conversion of polyimide film by heating between 300 ° C and 600 ° C. The polyimide film is formed by a solution-casting or solution-spinning method in which a UV-crosslinkable functional group (for example, a carbonyl group) in the polymer skeleton and a pendant functional group (for example, —OH or —SH) in the ortho position with respect to the heterocyclic imide nitrogen are used. Manufactured from soluble polyimide. When a polyimide having a pendant functional group ortho-positioned to the heterocyclic imide nitrogen (for example, —OH or —SH) is thermally converted, polybenzoxazole (when the pendant functional group is an —OH group) by irreversible molecular rearrangement ) Or polybenzothiazole (if the pendant functional group is a -SH group) and the thermal conversion is accompanied by the disappearance of carbon dioxide, but no other volatile by-products are generated. Polybenzoxazole and polybenzothiazole polymers have the formula (I):
(ここで、式(I)のXは、ポリベンゾオキサゾールに関してはOであり、ポリベンゾチアゾールに関してはSである。)
の繰り返し単位を含む。
(Where X in formula (I) is O for polybenzoxazole and S for polybenzothiazole.)
Of repeating units.
[0026]本発明において高性能架橋ポリベンゾオキサゾールタイプ及びポリベンゾチアゾールタイプの膜を製造するために用いる、複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基を含むUV架橋性ポリイミドポリマーは、式(II): [0026] A UV crosslinkable polyimide polymer comprising pendent functional groups ortho to the heterocyclic imide nitrogen used to produce high performance crosslinked polybenzoxazole type and polybenzothiazole type films in the present invention comprises: Formula (II):
(ここで、式(II)のX1は (Where X1 in formula (II) is
又はこれらの混合物であり;式(II)のX2は、X1と同じであるか、或いは Or a mixture thereof; X2 in formula (II) is the same as X1, or
又はこれらの混合物から選択され;式(II)の−Y−は Or a mixture thereof; -Y- in formula (II) is
又はこれらの混合物であり;−Z−、−Z’−、及び−Z”−は、独立して、−O−又は−S−であり;−R−は Or a mixture thereof; -Z-, -Z'-, and -Z "-are independently -O- or -S-; -R- is
又はこれらの混合物である。)
の複数の第1の繰り返し単位を含む。
[0027]本発明の一態様においては、式(II)の好ましいX1及びX2が同一である場合には、これらは、
Or a mixture thereof. )
A plurality of first repeating units.
[0027] In one embodiment of the invention, when preferred X1 and X2 of formula (II) are the same,
又はこれらの混合物の群から選択され;式(II)のYは Or selected from the group of mixtures thereof; Y in formula (II) is
又はこれらの混合物の群から選択される。
[0028]本発明の他の態様においては、式(II)のX1は
Or selected from the group of these mixtures.
[0028] In another embodiment of the present invention, X1 of formula (II) is
又はこれらの混合物の群から選択され;式(II)のX2は Or selected from the group of mixtures thereof; X2 in formula (II) is
又はこれらの混合物の群から選択され;式(II)のYは Or selected from the group of mixtures thereof; Y in formula (II) is
又はこれらの混合物の群から選択される。
[0029]本発明において高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾール膜を製造するために用いる好ましいポリイミドポリマーの幾つかとしては、ポリ[3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン](ポリ(BTDA−APAF))、ポリ[4,4’−オキシジフタル酸無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン](ポリ(ODPA−APAF))、ポリ(3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物−3,3’−ジヒドロキシ−4,4’−ジアミノビフェニル)(ポリ(BTDA−HAB))、ポリ[3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン](ポリ(DSDA−APAF))、ポリ(3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン−3,3’−ジヒドロキシ−4,4’−ジアミノビフェニル(ポリ(DSDA−APAF−HAB))、ポリ[2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物−3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン](ポリ(6FDA−BTDA−APAF))、ポリ[4,4’−オキシジフタル酸無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン−3,3’−ジヒドロキシ−4,4’−ジアミノビフェニル](ポリ(ODPA−APAF−HAB))、ポリ[3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン−3,3’−ジヒドロキシ−4,4’−ジアミノビフェニル](ポリ(BTDA−APAF−HAB))、及びポリ(4,4’−ビスフェノールA二無水物−3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン](ポリ(BPADA−BTDA−APAF))が挙げられるが、これらに限定されない。
Or selected from the group of these mixtures.
[0029] Some of the preferred polyimide polymers used to make high performance crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole films in the present invention include poly [3,3 ', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride. Product-2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane] (poly (BTDA-APAF)), poly [4,4′-oxydiphthalic anhydride-2,2-bis (3- Amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane] (poly (ODPA-APAF)), poly (3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride-3,3′-dihydroxy-4,4 '-Diaminobiphenyl) (poly (BTDA-HAB)), poly [3,3', 4,4'-diphenylsulfonetetracarboxylic dianhydride 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane] (poly (DSDA-APAF)), poly (3,3 ′, 4,4′-diphenylsulfonetetracarboxylic dianhydride-2 , 2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane-3,3′-dihydroxy-4,4′-diaminobiphenyl (poly (DSDA-APAF-HAB)), poly [2,2′- Bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride-3,3 ', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride-2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) Hexafluoropropane] (poly (6FDA-BTDA-APAF)), poly [4,4′-oxydiphthalic anhydride-2,2-bis (3-amino-4-hydride) Roxyphenyl) hexafluoropropane-3,3′-dihydroxy-4,4′-diaminobiphenyl] (poly (ODPA-APAF-HAB)), poly [3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic acid Anhydride-2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane-3,3′-dihydroxy-4,4′-diaminobiphenyl] (poly (BTDA-APAF-HAB)), and poly (4,4′-bisphenol A dianhydride-3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride-2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane] ( Poly (BPADA-BTDA-APAF)), but is not limited thereto.
[0030]本発明において架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を製造するために用いる、ポリマー骨格中においてUV架橋性官能基及び複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH)を含むポリイミドは、ポリ(アミド酸)を形成し、次に溶液イミド化又は熱イミド化を行うことを含む2工程プロセスによって、1−メチル−2−ピロリドン(NMP)又はN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)のような極性溶媒中でジアミン及び二無水物から合成される。脱水剤として無水酢酸を用い、溶液イミド化反応のためのイミド化触媒としてピリジン(又はトリエチルアミン)を用いる。これらのポリマーの製造に関するより多くの情報は、Tullos et al., MACROMOLECULES, 32, 3598 (1999)で入手することができる。 [0030] Suspended functional groups ortho-positioned to UV-crosslinkable functional groups and heterocyclic imide nitrogens in the polymer backbone (such as-) used in the present invention to produce crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films OH or —SH) containing polyimides form 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or N 2 by a two-step process that includes forming poly (amidic acid) followed by solution imidization or thermal imidization. , N-dimethylacetamide (DMAc) is synthesized from diamine and dianhydride in a polar solvent. Acetic anhydride is used as the dehydrating agent, and pyridine (or triethylamine) is used as the imidization catalyst for the solution imidization reaction. More information on the production of these polymers is available in Tullos et al., MACROMOLECULES, 32, 3598 (1999).
[0031]本発明において高性能架橋ポリベンゾオキサゾールタイプ又はポリベンゾチアゾールタイプの膜を製造するために用いるポリイミド膜は、均一なポリイミド溶液を清浄なガラスプレートの頂面上にキャストし、溶媒をプラスチックカバーの内部で室温において少なくとも12時間ゆっくりと蒸発させることによって、ポリマー骨格中において、UV架橋性官能基及び複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂官能基(例えば−OH又は−SH)を含むポリイミドポリマーから、非多孔質対称薄膜形態を有する膜に成形することができる。次に、膜をガラスプレートから取り外し、室温において24時間、次に真空下200℃において少なくとも48時間乾燥させる。 [0031] In the present invention, a polyimide film used for producing a high-performance crosslinked polybenzoxazole type or polybenzothiazole type film is obtained by casting a uniform polyimide solution on the top surface of a clean glass plate and using a plastic as a solvent. By slowly evaporating at room temperature for at least 12 hours inside the cover, pendant functional groups ortho-positioned to the UV crosslinkable functional groups and the heterocyclic imide nitrogen (eg —OH or —SH) in the polymer backbone. The polyimide polymer containing can be molded into a film having a non-porous symmetric thin film form. The membrane is then removed from the glass plate and dried at room temperature for 24 hours and then under vacuum at 200 ° C. for at least 48 hours.
[0032]ポリイミドポリマーを溶解するために用いる溶媒は、主として、ポリマーを完全に溶解するそれらの能力、及び膜形成工程における溶媒の除去しやすさのために選択される。溶媒の選択における他の考慮事項としては、低い毒性、低い腐食活性、低い環境危険ポテンシャル、入手容易性、及びコストが挙げられる。本発明において用いるための代表的な溶媒としては、ポリマー膜を形成するために通常用いられている殆どのアミド溶媒、例えばN−メチルピロリドン(NMP)及びN,N−ジメチルアセトアミド(DMAC)、塩化メチレン、テトラヒドロフラン(THF)、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、トルエン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、これらの混合物、当業者に公知の他のもの、並びにこれらの混合物が挙げられる。 [0032] Solvents used to dissolve the polyimide polymer are selected primarily for their ability to completely dissolve the polymer and the ease of removal of the solvent in the film forming process. Other considerations in selecting a solvent include low toxicity, low corrosive activity, low environmental hazard potential, availability, and cost. Typical solvents for use in the present invention include most amide solvents commonly used to form polymer films, such as N-methylpyrrolidone (NMP) and N, N-dimethylacetamide (DMAC), chloride Methylene, tetrahydrofuran (THF), acetone, N, N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), toluene, dioxane, 1,3-dioxolane, mixtures thereof, others known to those skilled in the art, and these Of the mixture.
[0033]本発明において高性能架橋ポリベンゾオキサゾールタイプ又はポリベンゾチアゾールタイプの膜を製造するために用いるポリイミド膜はまた、ポリイミドポリマーを溶媒中に溶解させてポリイミド材料の溶液を形成し;多孔質膜支持体(例えば無機セラミック材料から製造される支持体)をこの溶液と接触させ;次に溶媒を蒸発させて、支持体層上にポリイミドポリマー材料を含む薄い選択層を与える;工程を含む方法によって製造することもできる。 [0033] The polyimide film used in the present invention to produce a high performance crosslinked polybenzoxazole type or polybenzothiazole type film also dissolves the polyimide polymer in a solvent to form a solution of the polyimide material; Contacting a membrane support (eg, a support made from an inorganic ceramic material) with this solution; then evaporating the solvent to provide a thin selective layer comprising a polyimide polymer material on the support layer; Can also be manufactured.
[0034]ポリイミド膜はまた、転相(phase inversion)を行い、次に炭化水素又はエーテルのような疎水性有機化合物である少なくとも1種類の乾燥剤を用いることで直接空気乾燥することによって、平坦なシート又は中空繊維の形態を有する非対称膜として製造することもできる(米国特許第4,855,048号明細書を参照)。ポリイミド膜はまた、転相を行い、次に溶媒交換を行うことによって、平坦なシート又は中空繊維の形態を有する非対称膜として製造することもできる。 [0034] The polyimide membrane can also be planarized by performing phase inversion and then directly air drying using at least one desiccant that is a hydrophobic organic compound such as a hydrocarbon or ether. It can also be produced as an asymmetric membrane having the form of a simple sheet or hollow fiber (see US Pat. No. 4,855,048). Polyimide membranes can also be produced as asymmetric membranes in the form of flat sheets or hollow fibers by phase inversion followed by solvent exchange.
[0035]ポリイミド膜は、次にアルゴン、窒素のような不活性雰囲気下又は真空下において、300℃〜600℃、好ましくは400℃〜500℃、最も好ましくは400℃〜450℃の間で加熱することによって、ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜に転化させる。この加熱工程のための加熱時間は30秒間〜2時間の範囲である。より好ましい加熱時間は30秒間〜1時間である。次に、所定距離からのUVランプを用い、求める分離特性に基づいて選択した所定の時間、ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜をUV架橋することによって、架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を形成する。例えば、架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜は、1.9cm(0.75インチ)の膜表面からUVランプまでの距離及び30分間の照射時間を用い、50℃未満において、UVランプから発生させた254nmの波長のUV光を用いてUV放射線に曝露することによって、ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜から製造することができる。ここで記載するUVランプは、Ace Glass Incorporatedから入手可能な12Wの電源による低圧の水銀アーク液浸UV石英12Wランプである。架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜における架橋度を最適化することによって、向上した透過特性及び環境安定性と共に、膜を広範囲の気体及び液体分離に適するように調整することが促進される。架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜の架橋度は、UVランプと膜表面との間の距離、UV照射時間、UV光の波長及び強度などを調節することによって制御することができる。好ましくは、UVランプから膜表面までの距離は、12W〜450Wの低圧又は中圧水銀アークランプから与えられるUV光を用いる場合には0.8〜25.4cm(0.3〜10インチ)の範囲であり、UV照射時間は0.5分間〜1時間の範囲である。より好ましくは、UVランプから膜表面までの距離は、12W〜450Wの低圧又は中圧水銀アークランプから与えられるUV光を用いる場合には1.3〜5.1cm(0.5〜2インチ)の範囲であり、UV照射時間は0.5〜40分間の範囲である。 [0035] The polyimide film is then heated between 300 ° C. and 600 ° C., preferably between 400 ° C. and 500 ° C., most preferably between 400 ° C. and 450 ° C., under an inert atmosphere such as argon, nitrogen or under vacuum. By doing so, it is converted into a polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film. The heating time for this heating step is in the range of 30 seconds to 2 hours. A more preferable heating time is 30 seconds to 1 hour. Next, the polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film is UV-crosslinked by using a UV lamp from a predetermined distance and UV-crosslinking the polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film for a predetermined time selected based on the required separation characteristics. Form. For example, a crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film is generated from a UV lamp at less than 50 ° C. using a 1.9 cm (0.75 inch) film surface to UV lamp distance and a 30 minute irradiation time. It can be produced from polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer films by exposure to UV radiation using UV light of a wavelength of 254 nm. The UV lamp described here is a low pressure mercury arc immersion UV quartz 12W lamp with a 12W power supply available from Ace Glass Incorporated. Optimizing the degree of crosslinking in crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes facilitates tailoring the membrane to suit a wide range of gas and liquid separations with improved permeation properties and environmental stability. The degree of crosslinking of the crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films can be controlled by adjusting the distance between the UV lamp and the film surface, the UV irradiation time, the wavelength and intensity of the UV light, and the like. Preferably, the distance from the UV lamp to the film surface is 0.8 to 25.4 cm (0.3 to 10 inches) when using UV light provided from a low or medium pressure mercury arc lamp of 12 W to 450 W. The UV irradiation time is in the range of 0.5 minutes to 1 hour. More preferably, the distance from the UV lamp to the membrane surface is between 1.3 and 5.1 cm (0.5 to 2 inches) when using UV light provided from a 12 W to 450 W low or medium pressure mercury arc lamp. The UV irradiation time is in the range of 0.5 to 40 minutes.
[0036]幾つかの場合においては、架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を形成した後に膜の後処理工程を加えて、ポリシロキサン、フルオロポリマー、熱硬化性シリコーンゴム、又はUV放射線硬化性エポキシシリコーンのような高透過性材料の薄層を付与することができる。被覆によって、表面の細孔及び空孔を含む他の欠陥が充填される(米国特許第4,230,463号明細書;同第4,877,528号明細書;同第6,368,382号明細書を参照)。 [0036] In some cases, after the formation of a crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film, a post-treatment step of the film is added to form a polysiloxane, fluoropolymer, thermosetting silicone rubber, or UV radiation curable A thin layer of highly permeable material such as epoxy silicone can be applied. The coating fills other defects including surface pores and vacancies (US Pat. Nos. 4,230,463; 4,877,528; 6,368,382). See the specification).
[0037]本発明の高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、多孔質支持体層の頂部上に支持されている薄い非多孔質で高密度の選択層を有する非多孔質対称構造又は非対称構造のいずれかを有することができる。多孔質支持体は、同じ架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー材料、又は高い熱安定性を有する異なるタイプの有機又は無機材料から構成することができる。本発明の高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、平坦シート(又は渦巻き型)、ディスク、チューブ、中空繊維、又は薄膜複合体のような任意の好都合な形態に形成することができる。 [0037] The high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes of the present invention have a non-porous symmetrical structure with a thin non-porous and dense selection layer supported on top of the porous support layer Or can have either an asymmetric structure. The porous support can be composed of the same crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer material, or different types of organic or inorganic materials with high thermal stability. The high performance crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes of the present invention can be formed into any convenient form such as flat sheets (or spirals), disks, tubes, hollow fibers, or thin film composites. .
[0038]本発明は、架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を用いて複数の気体又は液体の混合物から少なくとも1種類の気体又は液体を分離する方法であって、(a)少なくとも1種類の気体又は液体に対して透過性の架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を与え;(b)架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜の一面に混合物を接触させて、少なくとも1種類の気体又は液体を、架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を透過させ;そして(c)膜の反対側から、膜を透過した少なくとも1種類の気体又は液体の部分を含む透過気体又は液体組成物を取り出す;ことを含む上記方法を提供する。 [0038] The present invention is a method of separating at least one gas or liquid from a mixture of a plurality of gases or liquids using a crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membrane comprising (a) at least one type Providing a cross-linked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane that is permeable to gas or liquid; (b) contacting the mixture on one side of the cross-linked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane to form at least one gas or Allowing the liquid to permeate the cross-linked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane; and (c) removing from the opposite side of the membrane a permeate gas or liquid composition comprising at least one gas or liquid portion that has permeated the membrane A method as described above is provided.
[0039]これらの高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、液相又は気相の特定の種の精製、分離、又は吸着において特に有用である。複数の気体の対の分離に加えて、これらの高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、例えば、例えば医薬及びバイオテクノロジー産業において逆浸透によって水を脱塩するためか又はタンパク質若しくは他の熱的に不安定な化合物を分離するために用いることができる。高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜はまた、発酵槽及びバイオリアクターにおいて、気体を反応容器中に移し、及び細胞培地を容器から取り出すために用いることができる。更に、高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、空気流又は水流から微生物を除去するため、水精製のため、連続発酵/膜パーベーパレーションシステムにおけるエタノール製造のため、及び空気流又は水流中の微量の化合物又は金属塩を検出又は除去するために用いることができる。 [0039] These high performance crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are particularly useful in the purification, separation, or adsorption of certain species in the liquid or gas phase. In addition to the separation of multiple gas pairs, these high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are suitable for desalting water, for example by reverse osmosis in the pharmaceutical and biotechnology industries or for proteins or other Can be used to separate thermally unstable compounds. High performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes can also be used in fermenters and bioreactors to transfer gases into reaction vessels and to remove cell culture media from the vessels. In addition, high performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes can be used to remove microorganisms from air or water streams, for water purification, for ethanol production in continuous fermentation / membrane pervaporation systems, and for air streams or It can be used to detect or remove trace amounts of compounds or metal salts in the water stream.
[0040]本発明の架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、空気清浄、石油化学、精油所、及び天然ガス産業における気体分離プロセスにおいて特に有用である。このような分離の例としては、窒素又は酸素のような大気気体からの揮発性有機化合物(例えばトルエン、キシレン、及びアセトン)の分離、並びに空気からの窒素の回収が挙げられる。かかる分離の更なる例は、天然ガスからのCO2又はH2Sの分離、アンモニアパージガス流中のN2、CH4、及びArからのH2の分離、精油所におけるH2の回収、オレフィン/パラフィンの分離、例えばプロピレン/プロパンの分離、及びイソ/n−パラフィンの分離のためである。ここで記載する架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を用いて、分子サイズが異なる複数の気体の任意の所定の対又は群、例えば窒素と酸素、二酸化炭素とメタン、水素とメタン、或いは一酸化炭素、ヘリウム、及びメタンを分離することができる。2種類より多い気体を第3の気体から取り出すことができる。例えば、ここで記載する膜を用いて未加工の天然ガスから選択的に取り出すことができる気体成分の幾つかとしては、二酸化炭素、酸素、窒素、水蒸気、硫化水素、ヘリウム、及び他の微量気体が挙げられる。選択的に残留させることができる気体成分としては炭化水素ガスが挙げられる。透過性成分が、二酸化炭素、硫化水素、及びこれらの混合物からなる群から選択される酸成分であり、これを天然ガスのような炭化水素混合物から取り出す場合には、1つのモジュール、又は少なくとも並列的に稼働する少なくとも2つのモジュール若しくは直列のモジュールを用いて酸成分を取り出すことができる。例えば、1つのモジュールを用いる場合には、供給気体の圧力は275kPa〜2.6MPa(25〜4000psi)の範囲にすることができる。膜を横切る差圧は、用いる特定の膜、導入流の流速、及び圧縮が所望の場合には圧縮機が透過液流を圧縮する有効性のような多くのファクターによって0.7barのような低さ、或いは145barのような高さ(10psi、又は2100psiのような高さ)の範囲にすることができる。145bar(2100psi)より高い差圧は膜を破損する可能性がある。差圧がより低いと、より多いモジュール、より多い時間、及び中間生成物流の圧縮が必要な可能性があるので、少なくとも7bar(100psi)の差圧が好ましい。プロセスの運転温度は、供給流の温度及び雰囲気温度条件によって変化させることができる。好ましくは、本発明の膜の有効運転温度は−50℃〜150℃の範囲である。より好ましくは、本発明の膜の有効運転温度は−20℃〜100℃の範囲であり、最も好ましくは、本発明の膜の有効運転温度は25℃〜100℃の範囲である。 [0040] The crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes of the present invention are particularly useful in gas separation processes in the air purification, petrochemical, refinery, and natural gas industries. Examples of such separations include separation of volatile organic compounds (eg, toluene, xylene, and acetone) from atmospheric gases such as nitrogen or oxygen, and recovery of nitrogen from the air. Further examples of such separations include separation of CO 2 or H 2 S from natural gas, separation of H 2 from N 2 , CH 4 , and Ar in an ammonia purge gas stream, recovery of H 2 in refineries, olefins For separation of paraffin / paraffin, for example of propylene / propane, and iso / n-paraffin. Using the cross-linked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane described herein, any given pair or group of gases having different molecular sizes, such as nitrogen and oxygen, carbon dioxide and methane, hydrogen and methane, or one Carbon oxide, helium, and methane can be separated. More than two gases can be extracted from the third gas. For example, some of the gaseous components that can be selectively extracted from raw natural gas using the membranes described herein include carbon dioxide, oxygen, nitrogen, water vapor, hydrogen sulfide, helium, and other trace gases. Is mentioned. Examples of the gas component that can be selectively left include hydrocarbon gas. When the permeable component is an acid component selected from the group consisting of carbon dioxide, hydrogen sulfide, and mixtures thereof, when taken from a hydrocarbon mixture such as natural gas, one module, or at least in parallel The acid component can be removed using at least two modules operating in series or in series. For example, when one module is used, the pressure of the supply gas can be in the range of 275 kPa to 2.6 MPa (25 to 4000 psi). The differential pressure across the membrane can be as low as 0.7 bar depending on many factors such as the particular membrane used, the flow rate of the inlet stream, and the effectiveness of the compressor to compress the permeate stream if compression is desired. Or a range of heights such as 145 bar (heights such as 10 psi or 2100 psi). Differential pressures higher than 145 bar (2100 psi) can damage the membrane. A lower differential pressure may require more modules, more time, and compression of the intermediate product stream, so a differential pressure of at least 7 bar (100 psi) is preferred. The operating temperature of the process can be varied depending on the feed stream temperature and ambient temperature conditions. Preferably, the effective operating temperature of the membrane of the present invention is in the range of -50 ° C to 150 ° C. More preferably, the effective operating temperature of the membrane of the present invention is in the range of −20 ° C. to 100 ° C., and most preferably the effective operating temperature of the membrane of the present invention is in the range of 25 ° C. to 100 ° C.
[0041]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、化学、石油化学、医薬、及び関連産業において、有機物の蒸気を気体流から取り出すための気体/蒸気分離プロセスにおいて、例えば清浄空気規制を満足するため、或いは価値のある化合物(例えば、塩化ビニルモノマー、プロピレン)を回収することができるように製造プラントにおけるプロセス流中の揮発性有機化合物を回収するためのオフガス処理において特に有用である。これらの架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を用いることができる気体/蒸気分離プロセスの更なる例は、石油及びガス精製所における水素からの炭化水素蒸気の分離、天然ガスの炭化水素露点調節(即ち、炭化水素の露点を考えられる最も低い排出パイプライン温度よりも低く低下させて、液体炭化水素がパイプライン内で分離しないようにすること)のため、ガスエンジン及びガスタービン用の燃料ガスにおけるメタン価を制御するため、及びガソリン回収のためである。架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、特定の気体に強く吸着して膜を横切るそれらの移動を促進させる種(例えばO2に関してはコバルトポルフィリン又はフタロシアニン、或いはエタンに関しては銀(I))を含有し得る。 [0041] Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes meet, for example, clean air regulations in gas / vapor separation processes for removing organic vapors from gas streams in the chemical, petrochemical, pharmaceutical, and related industries Or in off-gas treatment to recover volatile organic compounds in the process stream at the manufacturing plant so that valuable compounds (eg, vinyl chloride monomer, propylene) can be recovered. Further examples of gas / vapor separation processes that can use these crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes include separation of hydrocarbon vapors from hydrogen in oil and gas refineries, hydrocarbon dew point control of natural gas (Ie, reducing the hydrocarbon dew point below the lowest possible exhaust pipeline temperature so that liquid hydrocarbons do not separate in the pipeline) This is for controlling the methane number in the tank and for recovering gasoline. Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer films are species that strongly adsorb to specific gases and promote their migration across the film (eg, cobalt porphyrin or phthalocyanine for O 2 or silver (I) for ethane) May be contained.
[0042]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、天然ガスの改質(例えば天然ガスからのCO2の除去)のために十分な露点の余裕を与えるために高温において運転することができる。架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、天然ガスの改質のための単一段階膜か或いは2段階膜システムにおける第1及び/又は第2段階膜としてのいずれかで用いることができる。本発明の高い選択率、高い透過率、並びに高い熱安定性及び化学安定性を有する高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜により、高コストの予備処理システムを用いずに膜を運転することができる。したがって、架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜システムを含む新しいプロセスにおいては、吸着剤MemGuardシステムのような高コストの膜予備処理システムは必要ないであろう。予備処理システムが排除され且つ膜面積が大きく減少するので、この新しいプロセスは、大きな設備コストの節約を達成し、既存の膜の設置面積を減少させることができる。 [0042] Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes can be operated at elevated temperatures to provide sufficient dew point margin for natural gas reforming (eg, removal of CO 2 from natural gas). . Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes can be used either as single stage membranes for natural gas modification or as first and / or second stage membranes in a two stage membrane system. High performance cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes with high selectivity, high permeability, and high thermal and chemical stability of the present invention operate the membranes without using high cost pretreatment systems be able to. Thus, in new processes involving cross-linked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane systems, an expensive membrane pretreatment system such as an adsorbent MemGuard system may not be necessary. Because the pretreatment system is eliminated and the membrane area is greatly reduced, this new process can achieve significant equipment cost savings and reduce the existing membrane footprint.
[0043]これらの架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜はまた、パーベーパレーションによる液体混合物の分離において、例えば水性流出液又はプロセス流体のような水からの有機化合物(例えば、アルコール、フェノール類、塩素化炭化水素、ピリジン類、ケトン)の除去において用いることもできる。エタノール選択性である架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を用いると、発酵プロセスによって得られる比較的希薄なエタノール溶液(5〜10%のエタノール)におけるエタノール濃度が増加するであろう。これらの架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を用いる他の液相分離の例は、米国特許第7,048,846号明細書(その全部を参照により本明細書中に援用する)に記載されているプロセスと同様のパーベーパレーション(pervaporation)膜プロセスによるガソリン及びディーゼル燃料の深度脱硫である。イオウ含有分子に対して選択性である架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜を用いると、流動接触分解(FCC)及び他のナフサ炭化水素流からイオウ含有分子が選択的に除去されるであろう。更なる液相の例としては、例えば有機化合物の異性体を分離するために他の有機成分から1種類の有機成分を分離することが挙げられる。架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を用いて分離することができる複数の有機化合物の混合物としては、酢酸エチル−エタノール、ジエチルエーテル−エタノール、酢酸−エタノール、ベンゼン−エタノール、クロロホルム−エタノール、クロロホルム−メタノール、アセトン−イソプロピルエーテル、アリルアルコール−アリルエーテル、アリルアルコール−シクロヘキサン、ブタノール−酢酸ブチル、ブタノール−1−ブチルエーテル、エタノール−エチルブチルエーテル、酢酸プロピル−プロパノール、イソプロピルエーテル−イソプロパノール、メタノール−エタノール−イソプロパノール、及び酢酸エチル−エタノール−酢酸が挙げられる。 [0043] These cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are also used in the separation of liquid mixtures by pervaporation, for example organic compounds (eg alcohols, phenols) from water such as aqueous effluents or process fluids. , Chlorinated hydrocarbons, pyridines, ketones). Using a cross-linked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane that is ethanol selective will increase the ethanol concentration in a relatively dilute ethanol solution (5-10% ethanol) obtained by the fermentation process. Other liquid phase separation examples using these crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are described in US Pat. No. 7,048,846, which is incorporated herein by reference in its entirety. Deep desulfurization of gasoline and diesel fuel by a pervaporation membrane process similar to the process being described. Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes that are selective for sulfur-containing molecules will selectively remove sulfur-containing molecules from fluid catalytic cracking (FCC) and other naphtha hydrocarbon streams. Let's go. Examples of further liquid phases include the separation of one organic component from another organic component, for example to separate isomers of organic compounds. As a mixture of a plurality of organic compounds that can be separated using a crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane, ethyl acetate-ethanol, diethyl ether-ethanol, acetic acid-ethanol, benzene-ethanol, chloroform-ethanol, chloroform -Methanol, acetone-isopropyl ether, allyl alcohol-allyl ether, allyl alcohol-cyclohexane, butanol-butyl acetate, butanol-1-butyl ether, ethanol-ethyl butyl ether, propyl acetate-propanol, isopropyl ether-isopropanol, methanol-ethanol-isopropanol And ethyl acetate-ethanol-acetic acid.
[0044]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、水からの有機分子(例えばパーベーパレーションによる水からのエタノール及び/又はフェノール)の分離、及び水からの金属及び他の有機化合物の除去のために用いることができる。 [0044] Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes separate organic molecules from water (eg, ethanol and / or phenol from water by pervaporation) and remove metals and other organic compounds from water Can be used for.
[0045]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、天然ガスからの二酸化炭素の除去などの気体混合物の分離のための直接的な利用分野を有する。膜は、天然ガス中のメタンよりも速い速度で二酸化炭素を通過させて拡散させることができる。二酸化炭素は、より高い可溶性、より高い拡散性、又は両方のために、メタンよりも高い透過速度を有する。したがって、膜の透過側で二酸化炭素が富化し、膜の供給(又は排斥)側でメタンが富化する。 [0045] Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes have direct applications for separation of gas mixtures such as removal of carbon dioxide from natural gas. The membrane can diffuse carbon dioxide through at a faster rate than methane in natural gas. Carbon dioxide has a higher permeation rate than methane due to higher solubility, higher diffusivity, or both. Thus, carbon dioxide is enriched on the permeate side of the membrane and methane is enriched on the supply (or waste) side of the membrane.
[0046]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜はまた、オレフィン分解用途のためにパラフィン/オレフィン流中のオレフィンを濃縮するための直接的な利用分野も有する。例えば、架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、プロピレン/プロパンを分離するために用いて、プロパンからプロピレン及びイソブタンからイソブチレンを製造するための接触脱水素反応における流出流の濃度を増加させることができる。したがって、ポリマーグレードのプロピレンを得るために必要なプロピレン/プロパン分離器の段数を減少させることができる。架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜に関する他の用途は、軽質パラフィン異性化、及びナフサ分解器供給原料中のn−パラフィン(これはその後にエチレンに転化させることができる)の濃度を増加させるプロセスであるMaxEneにおいてイソパラフィンとn−パラフィンを分離するためである。 [0046] Crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes also have direct applications for concentrating olefins in paraffin / olefin streams for olefin cracking applications. For example, cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes can be used to separate propylene / propane to increase the concentration of the effluent in a catalytic dehydrogenation reaction to produce propylene from propane and isobutylene from isobutane. Can do. Thus, the number of propylene / propane separator stages required to obtain polymer grade propylene can be reduced. Other uses for cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes are to increase the concentration of light paraffin isomerization and n-paraffins in the naphtha cracker feed, which can then be converted to ethylene. This is because isoparaffin and n-paraffin are separated in the process MaxEne.
[0047]架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜の更なる用途は、特定の物質の選択的除去によって平衡限界反応の収量を増加させるための化学反応器内の分離器である。 [0047] A further application of cross-linked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes is separators in chemical reactors to increase the yield of equilibrium limiting reactions by selective removal of certain materials.
[0048]要約すると、本発明の高性能架橋ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾチアゾールポリマー膜は、逆浸透による水の脱塩のような種々の液体、気体、及び蒸気の分離、ガソリン及びディーゼル燃料の深度脱硫のような非水性液体の分離、エタノール/水の分離、水性/有機混合物のパーベーパレーション脱水、CO2/CH4、CO2/N2、H2/CH4、O2/N2、H2S/CH4、オレフィン/パラフィン、イソ/n−パラフィンの分離、及び他の軽質気体混合物の分離のために好適である。 [0048] In summary, the high performance crosslinked polybenzoxazole and polybenzothiazole polymer membranes of the present invention are capable of separating various liquids, gases, and vapors such as water desalting by reverse osmosis, gasoline and diesel fuel depths. Separation of non-aqueous liquids such as desulfurization, separation of ethanol / water, pervaporation dehydration of aqueous / organic mixtures, CO 2 / CH 4 , CO 2 / N 2 , H 2 / CH 4 , O 2 / N 2 , H 2 S / CH 4, is suitable for the separation of olefins / paraffins, separation of the iso / n-paraffins, and other light gas mixture.
[0049]以下の実施例は、本発明の1以上の好ましい態様を示すために与えるものであるが、その限定された態様ではない。数多くの変更を以下の実施例に対して行うことができ、これは本発明の範囲内にある。 [0049] The following examples are given to illustrate one or more preferred embodiments of the present invention, but are not limited thereto. Numerous changes can be made to the following examples, which are within the scope of the invention.
実施例1:
ポリ(BTDA−APAF)ポリイミドの合成:
[0050]ポリ(アミド酸)を形成し、次に溶液イミド化プロセスを行うことを含む2工程プロセスによって、ポリマー骨格中においてUV架橋性カルボニル基及び複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂OH官能基を含む芳香族ポリ[3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン](ポリ(BTDA−APAF))ポリイミドを、NMP極性溶媒中において2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン(APAF)及び3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)から合成した。脱水剤として無水酢酸を用い、溶液イミド化反応のためのイミド化触媒としてピリジンを用いた。例えば、窒素入口及びメカニカルスターラーを取り付けた250mLの三つ口丸底フラスコに、10.0g(27.3ミリモル)のAPAF及び40mLのNMPを充填した。APAFが完全に溶解したら、40mLのNMP中のBTDA(8.8g、27.3ミリモル)の溶液をフラスコ内のAPAF溶液に加えた。反応混合物を雰囲気温度において24時間機械的に撹拌して、粘稠なポリ(アミド酸)溶液を得た。次に、10mLのNMP中の11.1gの無水酢酸を撹拌下で反応混合物にゆっくりと加え、次に10mLのNMP中の8.6gのピリジンを反応混合物に加えた。反応混合物を80℃において更に1時間機械的に撹拌して、ポリ(BDTA−APAF)ポリイミドを得た。反応混合物を大量のメタノール中にゆっくりと沈殿させることによって、微細繊維の形態のポリ(BTDA−APAF)ポリイミド生成物を回収した。次に、得られたポリ(BTDA−APAF)ポリイミド繊維をメタノールで十分にすすぎ、真空オーブン中150℃において24時間乾燥した。
Example 1:
Synthesis of poly (BTDA-APAF) polyimide:
[0050] Suspension ortho to the UV-crosslinkable carbonyl group and the heterocyclic imide nitrogen in the polymer backbone by a two-step process comprising forming a poly (amic acid) and then performing a solution imidization process Aromatic poly [3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride-2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane] (poly (BTDA) containing OH functional group -APAF)) polyimide in NMP polar solvent with 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (APAF) and 3,3 ', 4,4'-benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BTDA). Acetic anhydride was used as a dehydrating agent, and pyridine was used as an imidization catalyst for solution imidization reaction. For example, a 250 mL three-necked round bottom flask equipped with a nitrogen inlet and a mechanical stirrer was charged with 10.0 g (27.3 mmol) APAF and 40 mL NMP. When APAF was completely dissolved, a solution of BTDA (8.8 g, 27.3 mmol) in 40 mL NMP was added to the APAF solution in the flask. The reaction mixture was mechanically stirred at ambient temperature for 24 hours to give a viscous poly (amic acid) solution. Next, 11.1 g of acetic anhydride in 10 mL of NMP was slowly added to the reaction mixture with stirring, and then 8.6 g of pyridine in 10 mL of NMP was added to the reaction mixture. The reaction mixture was mechanically stirred at 80 ° C. for an additional hour to obtain poly (BDTA-APAF) polyimide. The poly (BTDA-APAF) polyimide product in fine fiber form was recovered by slowly precipitating the reaction mixture into a large volume of methanol. Next, the obtained poly (BTDA-APAF) polyimide fiber was thoroughly rinsed with methanol and dried in a vacuum oven at 150 ° C. for 24 hours.
実施例2:
ポリ(ODPA−APAF)ポリイミドの合成:
[0051]ポリ(アミド酸)を形成し、次に溶液イミド化プロセスを行うことを含む2工程プロセスによって、ポリマー骨格中において複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂−OH官能基を含む芳香族ポリ[4,4’−オキシジフタル酸無水物−2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン](ポリ(ODPA−APAF))ポリイミドを、NMP極性溶媒中において4,4’−オキシジフタル酸無水物(ODPA)及び2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン(APAF)から合成した。脱水剤として無水酢酸を用い、溶液イミド化反応のためのイミド化触媒としてピリジンを用いた。例えば、窒素入口及びメカニカルスターラーを取り付けた250mLの三つ口丸底フラスコに、10.0g(27.3ミリモル)のAPAF及び20mLのNMPを充填した。APAFが完全に溶解したら、35mLのNMP中のODPA(8.88g、27.3ミリモル)の溶液をフラスコ内のAPAF溶液に加えた。反応混合物を雰囲気温度において24時間機械的に撹拌して、粘稠なポリ(アミド酸)溶液を得た。次に、10mLのNMP中の11.1gの無水酢酸を撹拌下で反応混合物にゆっくりと加え、次に10mLのNMP中の8.6gのピリジンを反応混合物に加えた。反応混合物を80℃において更に1時間機械的に撹拌して、ポリ(ODPA−APAF)ポリイミドを得た。反応混合物を大量のメタノール中にゆっくりと沈殿させることによって、微細繊維の形態のポリ(ODPA−APAF)ポリイミド生成物を回収した。次に、得られたポリ(ODPA−APAF)ポリイミド繊維をメタノールで十分にすすぎ、真空オーブン中150℃において24時間乾燥した。
Example 2:
Synthesis of poly (ODPA-APAF) polyimide:
[0051] Including a pendant-OH functional group ortho to the heterocyclic imide nitrogen in the polymer backbone by a two-step process involving forming a poly (amidic acid) and then performing a solution imidization process Aromatic poly [4,4′-oxydiphthalic anhydride-2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane] (poly (ODPA-APAF)) polyimide is prepared in 4 in NMP polar solvent. , 4′-oxydiphthalic anhydride (ODPA) and 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (APAF). Acetic anhydride was used as a dehydrating agent, and pyridine was used as an imidization catalyst for solution imidization reaction. For example, a 250 mL three-necked round bottom flask equipped with a nitrogen inlet and a mechanical stirrer was charged with 10.0 g (27.3 mmol) APAF and 20 mL NMP. When APAF was completely dissolved, a solution of ODPA (8.88 g, 27.3 mmol) in 35 mL of NMP was added to the APAF solution in the flask. The reaction mixture was mechanically stirred at ambient temperature for 24 hours to give a viscous poly (amic acid) solution. Next, 11.1 g of acetic anhydride in 10 mL of NMP was slowly added to the reaction mixture with stirring, and then 8.6 g of pyridine in 10 mL of NMP was added to the reaction mixture. The reaction mixture was mechanically stirred at 80 ° C. for an additional hour to obtain poly (ODPA-APAF) polyimide. The poly (ODPA-APAF) polyimide product in fine fiber form was recovered by slowly precipitating the reaction mixture in a large volume of methanol. Next, the obtained poly (ODPA-APAF) polyimide fiber was thoroughly rinsed with methanol and dried in a vacuum oven at 150 ° C. for 24 hours.
実施例3:
ポリ(BTDA−APAF)ポリマー膜の製造:
[0052]ポリ(BTDA−APAF)ポリマー膜を以下のようにして製造した。実施例1で合成した4.0gのポリ(BTDA−APAF)ポリイミドを、12.0gのNMP及び12.0gの1,3−ジオキソランの溶媒混合物中に溶解した。混合物を2時間機械的に撹拌して、均一なキャスティングドープを形成した。得られた均一なキャスティングドープを一晩脱気した。ポリ(BTDA−APAF)ポリマー膜を、ドクターナイフを用いて20ミルのギャップで清浄なガラスプレート上において気泡のないキャスティングドープから製造した。次に、膜をガラスプレートと一緒に真空オーブン中に配置した。真空オーブンの真空度及び温度をゆっくりと上昇させることによって溶媒を除去した。最後に、膜を真空下200℃において少なくとも48時間乾燥して残留溶媒を完全に除去して、ポリ(BTDA−APAF)ポリマー膜を形成した。
Example 3:
Production of poly (BTDA-APAF) polymer membrane:
[0052] A poly (BTDA-APAF) polymer membrane was prepared as follows. 4.0 g of poly (BTDA-APAF) polyimide synthesized in Example 1 was dissolved in a solvent mixture of 12.0 g NMP and 12.0 g 1,3-dioxolane. The mixture was mechanically stirred for 2 hours to form a uniform casting dope. The resulting uniform casting dope was degassed overnight. A poly (BTDA-APAF) polymer film was prepared from a bubble-free casting dope on a clean glass plate with a doctor knife using a 20 mil gap. The membrane was then placed in a vacuum oven with a glass plate. The solvent was removed by slowly increasing the vacuum oven vacuum and temperature. Finally, the membrane was dried under vacuum at 200 ° C. for at least 48 hours to completely remove residual solvent to form a poly (BTDA-APAF) polymer membrane.
実施例4:
ポリベンゾオキサゾールポリマー膜PBO(BTDA−APAF−450C)(PBO(BTDA−APAF)と略す)の製造:
[0053]実施例3において製造したポリ(BTDA−APAF)ポリマー膜を、N2流下において5℃/分の加熱速度で50℃から450℃に加熱することによって、ポリベンゾオキサゾールポリマー膜PBO(BTDA−APAF−450C)を製造した。膜を450℃において1時間保持し、次にN2流下において5℃/分の冷却速度で50℃に冷却した。
Example 4:
Production of polybenzoxazole polymer film PBO (BTDA-APAF-450C) (abbreviated as PBO (BTDA-APAF)):
[0053] The poly (BTDA-APAF) polymer membrane produced in Example 3 was heated from 50 ° C. to 450 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min under N 2 flow to produce a polybenzoxazole polymer membrane PBO (BTDA -APAF-450C) was produced. The membrane was held at 450 ° C. for 1 hour and then cooled to 50 ° C. at a cooling rate of 5 ° C./min under N 2 flow.
実施例5:
架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリベンゾオキサゾールポリマー膜(架橋PBO(BTDA−APAF−450C)と略す)の製造:
[0054]実施例4において製造したPBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜を、UVランプから発生させた254nmの波長のUV光を用い、1.9cm(0.75インチ)の膜表面からUVランプへの距離及び20分間の照射時間で、50℃においてUV放射線に曝露することによってUV架橋することにより、架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜を製造した。用いたUVランプは、Ace Glass Incorporatedからの12Wの電源による低圧の水銀アーク液浸UV石英12Wランプであった。
Example 5:
Production of crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polybenzoxazole polymer film (abbreviated as crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C)):
[0054] The PBO (BTDA-APAF-450C) polymer film produced in Example 4 was UV irradiated from a 1.9 cm (0.75 inch) film surface using UV light with a wavelength of 254 nm generated from a UV lamp. A cross-linked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer film was prepared by UV cross-linking by exposure to UV radiation at 50 ° C. with a distance to the lamp and an irradiation time of 20 minutes. The UV lamp used was a low pressure mercury arc immersion UV quartz 12W lamp with a 12W power supply from Ace Glass Incorporated.
実施例6:
ポリ(ODPA−APAF)ポリマー膜の製造:
[0055]実施例3に記載したものと同様の手順を用いて、しかしながら本実施例においては実施例2において合成したポリ(OTDA−APAF)ポリイミドを用いてポリ(ODPA−APAF)ポリマー膜を製造した。
Example 6:
Production of poly (ODPA-APAF) polymer film:
[0055] A procedure similar to that described in Example 3 was used, but in this example a poly (ODPA-APAF) polymer membrane was prepared using the poly (OTDA-APAF) polyimide synthesized in Example 2. did.
実施例7:
ポリベンゾオキサゾールポリマー膜PBO(ODPA−APAF−450C)(PBO(ODPA−APAF−450C)と略す)の製造:
[0056]実施例4に記載のものと同様の手順を用いて、実施例6において製造したポリ(ODPA−APAF)ポリマー膜を加熱することによって、ポリベンゾオキサゾールポリマー膜PBO(ODPA−APAF−450C)を製造した。
Example 7:
Production of polybenzoxazole polymer film PBO (ODPA-APAF-450C) (abbreviated as PBO (ODPA-APAF-450C)):
[0056] Using a procedure similar to that described in Example 4, the poly (ODPA-APAF) polymer film produced in Example 6 was heated to produce a polybenzoxazole polymer film PBO (ODPA-APAF-450C). ) Was manufactured.
実施例8:
ポリベンゾオキサゾールポリマー膜PBO(ODPA−APAF−400C)(PBO(ODPA−APAF−400C)と略す)の製造:
[0057]実施例6において製造したポリ(ODPA−APAF)ポリマー膜を、N2流下において5℃/分の加熱速度で50℃から400℃に加熱することによって、ポリベンゾオキサゾールポリマー膜PBO(ODPA−APAF−400C)を製造した。膜を400℃において1時間保持し、次にN2流下において5℃/分の加熱速度で50℃に冷却した。
Example 8:
Production of polybenzoxazole polymer film PBO (ODPA-APAF-400C) (abbreviated as PBO (ODPA-APAF-400C)):
[0057] The poly (ODPA-APAF) polymer membrane produced in Example 6 was heated from 50 ° C. to 400 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min under N 2 flow to thereby obtain a polybenzoxazole polymer membrane PBO (ODPA -APAF-400C) was produced. The membrane was held at 400 ° C. for 1 hour and then cooled to 50 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min under N 2 flow.
実施例9:
架橋PBO(ODPA−APAF−450C)ポリベンゾオキサゾールポリマー膜(架橋PBO(ODPA−APAF−450C)と略す)の製造:
[0058]実施例7において製造したPBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜を、UVランプから発生させた254nmの波長のUV光を用い、1.9cm(0.75インチ)の膜表面からUVランプへの距離及び20分間の照射時間で、50℃においてUV放射線に曝露することによってUV架橋することにより、架橋PBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜を製造した。用いたUVランプは、Ace Glass Incorporatedからの12Wの電源による低圧の水銀アーク液浸UV石英12Wランプであった。
Example 9:
Production of crosslinked PBO (ODPA-APAF-450C) polybenzoxazole polymer film (abbreviated as crosslinked PBO (ODPA-APAF-450C)):
[0058] The PBO (ODPA-APAF-450C) polymer film produced in Example 7 was UV irradiated from a 1.9 cm (0.75 inch) film surface using UV light at a wavelength of 254 nm generated from a UV lamp. A cross-linked PBO (ODPA-APAF-450C) polymer film was prepared by UV cross-linking by exposure to UV radiation at 50 ° C. with a distance to the lamp and an irradiation time of 20 minutes. The UV lamp used was a low pressure mercury arc immersion UV quartz 12W lamp with a 12W power supply from Ace Glass Incorporated.
実施例10:
架橋PBO(ODPA−APAF−400C)ポリベンゾオキサゾールポリマー膜(架橋PBO(ODPA−APAF−400C)と略す)の製造:
[0059]実施例8において製造したPBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜を、UVランプから発生させた254nmの波長のUV光を用い、1.9cm(0.75インチ)の膜表面からUVランプへの距離及び20分間の照射時間で、50℃においてUV放射線に曝露することによってUV架橋することにより、架橋PBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜を製造した。用いたUVランプは、Ace Glass Incorporatedからの12Wの電源による低圧の水銀アーク液浸UV石英12Wランプであった。
Example 10:
Production of crosslinked PBO (ODPA-APAF-400C) polybenzoxazole polymer film (abbreviated as crosslinked PBO (ODPA-APAF-400C)):
[0059] The PBO (ODPA-APAF-400C) polymer film produced in Example 8 was UV irradiated from a 1.9 cm (0.75 inch) film surface using UV light with a wavelength of 254 nm generated from a UV lamp. A cross-linked PBO (ODPA-APAF-400C) polymer film was prepared by UV cross-linking by exposure to UV radiation at 50 ° C. with a distance to the lamp and an irradiation time of 20 minutes. The UV lamp used was a low pressure mercury arc immersion UV quartz 12W lamp with a 12W power supply from Ace Glass Incorporated.
実施例11:
PBO(BTDA−APAF−450C)及び架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜のCO2/CH4分離性能:
[0060]実施例4において製造したPBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜、及び実施例5において製造した架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜を、それぞれ50℃及び100℃の試験温度下でCO2/CH4分離に関して試験した(表1)。表1から、PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜は高いCO2透過性(PCO2=50℃の試験温度において535.9Barrer)、及び中程度のCO2/CH4選択率(50℃の試験温度において26.0)を示したことが分かる。架橋の後、架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜は、50℃及び100℃の試験温度の両方においてそれぞれPBO(BTDA−APAF−450C)膜と比較してCO2/CH4選択率(50℃の試験温度において48.4)の著しい増加を示した。
Example 11:
CO 2 / CH 4 separation performance of PBO (BTDA-APAF-450C) and crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membranes:
[0060] The PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane produced in Example 4 and the crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane produced in Example 5 were subjected to test temperatures of 50 ° C. and 100 ° C., respectively. Were tested for CO 2 / CH 4 separation (Table 1). From Table 1, the PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane has high CO 2 permeability (P CO2 = 535.9 Barrer at 50 ° C. test temperature) and moderate CO 2 / CH 4 selectivity (50 ° C. It can be seen that the test temperature showed 26.0). After cross-linking, the cross-linked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane has a CO 2 / CH 4 selectivity (compared to PBO (BTDA-APAF-450C) membrane, respectively, at both 50 ° C. and 100 ° C. test temperatures. There was a significant increase of 48.4) at a test temperature of 50 ° C.
実施例12:
PBO(BTDA−APAF−450C)及び架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜のH2/CH4分離性能:
[0061]実施例4において製造したPBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜、及び実施例5において製造した架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜を、50℃の試験温度下でH2/CH4分離に関して試験した(表2)。表2から、架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜は133の高いH2/CH4選択率を示し、これはPBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜の値よりも3倍超高いものであったことが分かる。これらの結果は、架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜がH2/CH4分離のための良好な候補材料であることを示唆している。
Example 12:
H 2 / CH 4 separation performance of PBO (BTDA-APAF-450C) and crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membranes:
[0061] The PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane produced in Example 4 and the crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane produced in Example 5 were subjected to H 2 / It was tested for CH 4 separation (Table 2). From Table 2, the crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane shows a high H 2 / CH 4 selectivity of 133, which is more than 3 times higher than that of the PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane. It turns out that it was. These results suggest that cross-linking PBO (BTDA-APAF-450C) polymer film is a good candidate materials for the H 2 / CH 4 separation.
実施例13:
PBO(BTDA−APAF−450C)及び架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜のプロピレン/プロパン分離性能:
[0062]実施例4において製造したPBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜、及び実施例5において製造した架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜を、50℃の試験温度下でプロピレン/プロパン分離に関して試験した(表3)。表3から、PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜のプロピレン/プロパン選択率は、UV放射線によって膜を架橋した後に12.6から19.1に増加したことが分かる。これらの結果は、架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜はまた、プロピレン/プロパン分離のための良好な候補材料でもあることを示唆している。
Example 13:
Propylene / propane separation performance of PBO (BTDA-APAF-450C) and crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membranes:
[0062] The PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane produced in Example 4 and the crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane produced in Example 5 were propylene / propane at a test temperature of 50 ° C. Tested for separation (Table 3). From Table 3, it can be seen that the propylene / propane selectivity of PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane increased from 12.6 to 19.1 after the membrane was crosslinked by UV radiation. These results suggest that cross-linked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membranes are also good candidate materials for propylene / propane separation.
実施例14:
PBO(ODPA−APAF−450C)及び架橋PBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜のCO2/CH4分離性能:
[0063]それぞれ実施例7及び実施例9において製造したPBO(ODPA−APAF−450C)及び架橋PBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜を、50℃において、690kPaの純ガス圧力下でCO2/CH4分離に関して試験した(表4)。表4から、450℃において熱処理することによってポリ(ODPA−APAF)ポリイミド膜から製造されたPBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜は、同じ試験条件下で通常の酢酸セルロースポリマー膜よりも50倍高い545BarrerのCO2透過率(PCO2)を示したことが分かる。しかしながら、このPBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜のCO2/CH4選択率(αCO2/CH4=22)は、通常の酢酸セルロースポリマー膜と同等である。架橋の後、架橋PBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜は、未架橋のPBO(ODPA−APAF−450C)膜と比較して二倍のCO2/CH4選択率(αCO2/CH4=45)を示した。架橋PBO(ODPA−APAF−450C)ポリマー膜のCO2透過率(PCO2)は、なお通常の酢酸セルロースポリマー膜のものよりも15倍超高い。
Example 14:
CO 2 / CH 4 separation performance of PBO (ODPA-APAF-450C) and crosslinked PBO (ODPA-APAF-450C) polymer membranes:
[0063] The PBO (ODPA-APAF-450C) and cross-linked PBO (ODPA-APAF-450C) polymer membranes prepared in Example 7 and Example 9, respectively, at 50 ° C. under a pure gas pressure of 690 kPa CO 2 / Tested for CH 4 separation (Table 4). From Table 4, PBO (ODPA-APAF-450C) polymer membranes made from poly (ODPA-APAF) polyimide membranes by heat treatment at 450 ° C. are 50 times more than normal cellulose acetate polymer membranes under the same test conditions. It can be seen that a high 545 Barrer CO 2 permeability (P CO2 ) was shown. However, the PBO (ODPA-APAF-450C) CO 2 / CH 4 selectivity of a polymer membrane (α CO2 / CH4 = 22) is equivalent to the ordinary cellulose acetate polymer membrane. After crosslinking, the crosslinked PBO (ODPA-APAF-450C) polymer membrane has twice the CO 2 / CH 4 selectivity (α CO2 / CH4 = 45 compared to the uncrosslinked PBO (ODPA-APAF-450C) membrane. )showed that. The CO 2 permeability (P CO2 ) of the crosslinked PBO (ODPA-APAF-450C) polymer membrane is still more than 15 times higher than that of a normal cellulose acetate polymer membrane.
実施例15:
PBO(ODPA−APAF−400C)及び架橋PBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜のCO2/CH4分離性能:
[0064]それぞれ実施例8及び実施例10において製造したPBO(ODPA−APAF−400C)及び架橋PBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜を、50℃において、690kPaの純ガス圧力下でCO2/CH4分離に関して試験した(表5)。表5から、400℃において熱処理することによってポリ(ODPA−APAF)ポリイミド膜から製造されたPBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜は、同じ試験条件下で通常の酢酸セルロースポリマー膜よりも13倍高い143BarrerのCO2透過率(PCO2)を示したことが分かる。このPBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜のCO2/CH4選択率(αCO2/CH4=32)は、通常の酢酸セルロースポリマー膜のものよりも45%高い。架橋の後、架橋PBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜は、未架橋のPBO(ODPA−APAF−400C)膜と比較して更に増加したCO2/CH4選択率(αCO2/CH4=45)を示した。架橋PBO(ODPA−APAF−400C)ポリマー膜のCO2透過率(PCO2)は、なお通常の酢酸セルロースポリマー膜のものよりも8倍高い。
Example 15:
CO 2 / CH 4 separation performance of PBO (ODPA-APAF-400C) and crosslinked PBO (ODPA-APAF-400C) polymer membranes:
[0064] The PBO (ODPA-APAF-400C) and cross-linked PBO (ODPA-APAF-400C) polymer membranes prepared in Example 8 and Example 10, respectively, at 50 ° C. under a pure gas pressure of 690 kPa CO 2 / Tested for CH 4 separation (Table 5). From Table 5, PBO (ODPA-APAF-400C) polymer film made from poly (ODPA-APAF) polyimide film by heat treatment at 400 ° C. is 13 times more than normal cellulose acetate polymer film under the same test conditions. It can be seen that the high 143 Barrer CO 2 permeability (P CO2 ) was shown. The PBO (ODPA-APAF-400C) CO 2 / CH 4 selectivity of a polymer membrane (α CO2 / CH4 = 32) is 45% higher than that of ordinary cellulose acetate polymer membrane. After crosslinking, the crosslinking PBO (ODPA-APAF-400C) polymer membranes, the uncrosslinked PBO (ODPA-APAF-400C) further increased CO 2 / CH 4 selectivity as compared to the film (α CO2 / CH4 = 45 )showed that. The CO 2 permeability (P CO2 ) of the crosslinked PBO (ODPA-APAF-400C) polymer membrane is still 8 times higher than that of a normal cellulose acetate polymer membrane.
比較例:
[0065]5つのプロセスシミュレーション実施例を検討して、高気体透過性の架橋ポリベンゾオキサゾールポリマー膜を商業的に入手できる膜と比較した。比較例1は、現在商業的に入手できる膜を用いた単一段階システムであった。比較例2及び3は、表1に示す高気体透過性架橋PBO(BTDA−APAF−450C)膜を用いた単一段階システムであった。比較例1及び2は50℃の供給流温度において運転した。運転中に膜表面上で液体が凝縮することを抑止するのに十分な露点の余裕を得るために、これらの2つの例においては、UOP LLCによって開発されたモレキュラーシーブを用いるMemGuardと呼ばれる予備処理再生可能な吸着剤システムを適用した。比較例3は、架橋ポリベンゾオキサゾールポリマー膜の高い熱安定性及び機械安定性のために、100℃の高い供給流温度において運転した。高温において膜システムを運転することによって十分な露点の余裕が与えられたので、比較例3においては予備処理システムは必要でなかった。
Comparative example:
[0065] Five process simulation examples were studied and high cross-linked cross-linked polybenzoxazole polymer membranes were compared to commercially available membranes. Comparative Example 1 was a single stage system using a currently commercially available membrane. Comparative Examples 2 and 3 were single stage systems using the highly gas permeable crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) membrane shown in Table 1. Comparative Examples 1 and 2 were operated at a feed stream temperature of 50 ° C. In these two examples, a pre-treatment called MemGuard using a molecular sieve developed by UOP LLC in order to obtain sufficient dew point margin to prevent condensation on the membrane surface during operation. A renewable adsorbent system was applied. Comparative Example 3 was operated at a high feed stream temperature of 100 ° C. due to the high thermal and mechanical stability of the crosslinked polybenzoxazole polymer membrane. Since a sufficient dew point margin was provided by operating the membrane system at high temperatures, a pretreatment system was not required in Comparative Example 3.
[0066]天然ガス流からの炭化水素の回収を向上させるために、二段階膜システムを検討した。比較例4においては、第1及び第2段階の両方に関して商業的に入手できる膜を用いた。比較例4に関してはMemGuardのような予備処理システムが必要であろう。比較例5においては、第1及び第2段階膜の両方に関して、高気体透過性架橋PBO(BTDA−APAF−450C)膜を用いた。比較例5においては、第1段階を昇温温度において運転して、生成ガスのために十分な露点マージンを与えた。比較例5に関しては予備処理システムは必要ではなかった。比較例5の第2段階は、膜の選択率を増加させて炭化水素消失を減少させるために、50℃の供給流温度において運転した。重質炭化水素が第2段階供給流に達するのは困難であるので、MemGuardのような予備処理ユニットは必要ではなかった。 [0066] In order to improve the recovery of hydrocarbons from natural gas streams, a two-stage membrane system was investigated. In Comparative Example 4, a commercially available membrane was used for both the first and second stages. For Comparative Example 4, a pretreatment system such as MemGuard would be necessary. In Comparative Example 5, a high gas permeable crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) membrane was used for both the first and second stage membranes. In Comparative Example 5, the first stage was operated at the elevated temperature to provide a sufficient dew point margin for the product gas. For Comparative Example 5, no pretreatment system was required. The second stage of Comparative Example 5 was operated at a feed stream temperature of 50 ° C. to increase membrane selectivity and reduce hydrocarbon loss. Since heavy hydrocarbons are difficult to reach the second stage feed stream, a pretreatment unit such as MemGuard was not necessary.
[0067]比較例1、2、及び3においては、8%のCO2を有する天然ガス供給流を想定した。CO2に関する製品規格は2%である。比較例1においては、商業的に入手できる膜が現在の天然ガス改質市場において代表的な性能を有する膜であるとみなした。比較例2及び3においては、架橋PBO(BTDA−APAF−450C)(表1に示す)膜を用いて、200mmの厚さを有する膜を製造した。新規な高気体透過性架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜の透過率は、密な膜に関して測定された透過率を基準として50℃において0.030m3(STP)/m2・h・kPaであり、100℃において0.044m3(STP)/m2・h・kPaであると仮定し、選択率は50℃において44であり、100℃において15である(これは表1に示す選択率よりも低い)と仮定した。比較例1、2、及び3に関して、上記の性能を基準とするプロセスシミュレーションを行った。結果を表6に示す。 [0067] In Comparative Examples 1, 2, and 3, a natural gas feed stream having 8% CO 2 was assumed. The product specification for CO 2 is 2%. In Comparative Example 1, a commercially available membrane was considered to be a membrane with typical performance in the current natural gas reforming market. In Comparative Examples 2 and 3, a film having a thickness of 200 mm was produced using a crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) (shown in Table 1) film. The permeability of the novel high gas permeable crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer membrane is 0.030 m 3 (STP) / m 2 · h · at 50 ° C. based on the permeability measured for the dense membrane. Assuming that kPa is 0.044 m 3 (STP) / m 2 · h · kPa at 100 ° C., the selectivity is 44 at 50 ° C. and 15 at 100 ° C. (this is shown in Table 1) Assumed to be lower than the selectivity). For Comparative Examples 1, 2, and 3, a process simulation based on the above performance was performed. The results are shown in Table 6.
[0068]上記の例を比較することによって、比較例2は比較例1と比べて大きなコストの節約(59.8%少ない膜面積しか必要でない)及びより高い炭化水素回収率(7.4%高い)を示したことが分かる。比較例3は、膜面積を節約(82.6%)することができるだけでなく、僅かに低い炭化水素回収率で高コストのMemGuard予備処理システムを排除することもできる。新規な高気体透過性及び高選択性の架橋ポリベンゾオキサゾールポリマー膜システムによって、膜システムのコスト、及び大規模の沖合ガス処理プロジェクトのために非常に重要な設置面積は大きく減少することが期待される。 [0068] By comparing the above examples, Comparative Example 2 has significant cost savings (requires only 59.8% less membrane area) and higher hydrocarbon recovery (7.4%) than Comparative Example 1. It can be seen that it was high). Comparative Example 3 not only saves membrane area (82.6%), but also eliminates the high cost MemGuard pretreatment system with slightly lower hydrocarbon recovery. The new high gas permeable and highly selective cross-linked polybenzoxazole polymer membrane system is expected to greatly reduce the cost of the membrane system and the critical footprint for large offshore gas treatment projects. The
[0069]比較例4及び5において示すように、二段階膜システムを運転することによって炭化水素回収率を増加させることができる。比較例4においては、両方の段階において、比較例1におけるものと同等の性能データを有する商業的に入手できる膜を適用した。比較例4においては、第1段階及び第2段階の両方に関して架橋PBO(BTDA−APAF−450C)ポリマー膜を用いた。第1段階は、MemGuardシステムを排除するために昇温温度において運転した。第2段階は、選択率を増加させるためにより低い温度において運転した。比較例3及び4における天然ガス供給流は45%CO2に変化し(二段階システムに関してはより重要である)、これらの2つの例におけるCO2に関する製品規格は8%と見なされた。表7に、比較例4及び5に関するシミュレーションの結果を示す。 [0069] As shown in Comparative Examples 4 and 5, the hydrocarbon recovery can be increased by operating a two-stage membrane system. In Comparative Example 4, a commercially available membrane having performance data equivalent to that in Comparative Example 1 was applied at both stages. In Comparative Example 4, a crosslinked PBO (BTDA-APAF-450C) polymer film was used for both the first stage and the second stage. The first stage was operated at elevated temperature to eliminate the MemGuard system. The second stage was operated at a lower temperature to increase the selectivity. The natural gas feed stream in Comparative Examples 3 and 4 changed to 45% CO 2 (more important for a two-stage system), and the product specification for CO 2 in these two examples was considered 8%. Table 7 shows the results of the simulation for Comparative Examples 4 and 5.
[0070]表7から、比較例4及び比較例5は非常に類似した炭化水素回収率を有することが分かる。第1段階膜に関する高温運転のために、比較例5ではMemGuardシステムのような予備処理(これは比較例4の全コストの10〜40%である)は必要ない。同時に、比較例4から比較例5へ、第1段階膜の面積は79.5%減少し、第2段階膜の面積は59.2%減少する。比較例5は比較例4と比べて大きな設備コストの節約(>50%)及び設置面積の節約(>50%)を与えると期待することができる。唯一の欠点は、圧縮機が僅かに大きくなることである。表7は、比較例4から比較例5へ馬力が7.5%増加することを示す。 [0070] From Table 7, it can be seen that Comparative Example 4 and Comparative Example 5 have very similar hydrocarbon recovery rates. Due to the high temperature operation on the first stage membrane, Comparative Example 5 does not require pretreatment like the MemGuard system (which is 10-40% of the total cost of Comparative Example 4). At the same time, from Comparative Example 4 to Comparative Example 5, the area of the first stage film is reduced by 79.5% and the area of the second stage film is reduced by 59.2%. Comparative Example 5 can be expected to provide significant equipment cost savings (> 50%) and installation area savings (> 50%) compared to Comparative Example 4. The only drawback is that the compressor is slightly larger. Table 7 shows that the horsepower increases from Comparative Example 4 to Comparative Example 5 by 7.5%.
Claims (7)
(a)架橋性ポリイミドポリマーから製造された架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を提供すること、ここで、前記架橋性ポリイミドポリマーは、その架橋性ポリイミドポリマーの骨格中に見出される架橋性官能基、及び複素環式イミド窒素に対してオルト位の懸垂−OH又は−SH基を含み、前記架橋性ポリイミドポリマーが、まず、熱転化によりポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマーに転化され、次いで、前記ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマーがUV放射による架橋処理に付されるものであり、前記架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜が少なくとも1種類の気体又は液体に対して透過性であり;
(b)該架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜の一面上に複数の気体又は液体の混合物を接触させて、少なくとも1種類の気体又は液体を該架橋ポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチアゾールポリマー膜を透過させること;及び
(c)該膜の反対側から、該膜を透過した少なくとも1種類の気体又は液体の部分である透過気体又は液体組成物を取り出すこと;
を含み、前記架橋性ポリイミドポリマーが、式(II):
の複数の繰り返し単位を含む方法。 A method of separating at least one gas or liquid from a mixture of gases or liquids using a crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane,
(A) Providing a crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film made from a crosslinkable polyimide polymer, wherein the crosslinkable polyimide polymer is a crosslinkable functional group found in the backbone of the crosslinkable polyimide polymer. And a pendant —OH or —SH group ortho to the heterocyclic imide nitrogen, and the crosslinkable polyimide polymer is first converted to a polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer by thermal conversion, then The polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer is subjected to a crosslinking treatment by UV radiation, and the crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer membrane is permeable to at least one gas or liquid ;
(B) contacting said cross-linked polybenzoxazole or a mixture of a plurality of gas or liquid on a surface of polybenzothiazole polymer film, at least one of gas or liquid the crosslinked polybenzoxazole or polybenzothiazole polymer film it transmits; and (c) from the opposite side of the film, to take out the permeate or a liquid composition is at least one gas or part of the liquid that has passed through the membrane;
Only containing the crosslinkable polyimide polymer is represented by the formula (II):
A method comprising a plurality of repeating units.
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