Cuerpo estratificado de membrana de carbono.

Un cuerpo estratificado de membrana de carbono que comprende:

un sustrato poroso,

una primera membrana porosa de carbono como una capa inferior de membrana de carbono dispuesta sobre lasuperficie de un sustrato poroso,

y

una segunda membrana porosa de carbono como capa de separación de la membrana de carbono dispuesta sobrela superficie de la capa inferior de membrana de carbono, caracterizada porque la capa de separación de lamembrana de carbono tiene un grosor de la película más pequeño y un diámetro de poro promedio más pequeñoque el de la capa inferior de la membrana de carbono.

Cuerpo estratificado de membrana de carbono

Campo técnico [0001] La presente invención se refiere a un cuerpo estratificado de membrana de carbono. Más específicamente, la presente invención se refiere a un cuerpo estratificado de membrana de carbono que es una membrana de separación excelente en lo que respecta al rendimiento y el flujo de separación cuando el cuerpo estratificado de membrana de carbono se usa como una membrana de separación para una mezcla.

Antecedentes de la técnica [0002] Se ha llevado a cabo el desarrollo de membranas para filtrar y separar un gas específico o similar procedente de una mezcla de diversos tipos de gases o similares desde un punto de vista ambiental o de ahorro de energía. Como membranas de separación de ese tipo, se conocen películas poliméricas tales como una película polisulfónica, una película de silicio, una película de poliamida y una película de poliimidas. Sin embargo, dichas películas tienen problemas de resistencia química o de resistencia térmica, por ejemplo, se producen con facilidad cambios en la calidad y el deterioro de la película cuando se incluye en la mezcla un disolvente orgánico.

Por otra parte, una membrana de carbono tiene una excelente resistencia térmica y estabilidad química como membrana de separación, y se conoce una membrana de separación que tiene un cuerpo poroso y una membrana de carbono formada a partir de la anterior. Por ejemplo, la Patente Japonesa Nº 3647985 da a conocer una membrana de carbono de tipo tamiz molecular fabricada formando una capa de revestimiento de sol de sílice, sol de aluminio, o similar sobre la superficie de un cuerpo cerámico poroso y la formación de una membrana de carbono que se adhiere a la superficie de la capa de revestimiento. Debido a que en la membrana de carbono de tipo tamiz molecular están presentes un gran número de poros que tienen cada uno de ellos un diámetro de 1 nm o menos, los componentes que tienen un diámetro molecular específico se pueden separar a partir de una mezcla de diversos tipos de gases que tienen diferentes diámetros moleculares, y refinarse. Además, la Patente Japonesa Nº 3698107 da a conocer una membrana de separación de gases obtenida por eliminación de un sustituyente en una película de poliimida aromática que tiene un sustituyente (grupo de ácido sulfónico) capaz de eliminarse mediante descomposición térmica y calentar la película de poliimida aromática de tal manera que pueda permanecer la estructura de la imida.

Tal como se da a conocer en la Patente Japonesa Nº 3647985, en un procedimiento para impregnar la superficie del cuerpo poroso (sustrato poroso) con sol de sílice y formar una membrana de carbono sobre la anterior, el diámetro de poro de la membrana de carbono aumenta debido a la formación de una capa de sol. Por tanto, el rendimiento de la separación se mejora con respecto a algunos tipos de gases que tienen un diámetro molecular de 0, 43 nm o más y un peso molecular relativamente elevado como en el caso de la separación de un gas mixto de C3H8 y C3H6. Sin embargo, se ha descubierto que se deteriora selectivamente con respecto a sustancias que tienen un peso molecular relativamente pequeño como en la separación de un gas mixto de CO2 y CH4, la separación de N2 y O2, y la separación de una mezcla de agua y EtOH, que son industrialmente útiles. Además, el flujo es bajo por la influencia de la pérdida de presión debida al sol de sílice, y el rendimiento de la separación es menor que el del procedimiento de formar una membrana de carbono directamente sobre un sustrato poroso tal como anteriormente.

Con el fin de potenciar la selectividad y el flujo de separación de una mezcla utilizando una membrana de carbono general formada por un tipo de precursor, existe un procedimiento en el que se cambia la estructura molecular de un precursor con el fin de aumentar el número de poros que contribuyen a la separación o se disminuye adicionalmente el grosor de la membrana. Sin embargo, existe una limitación relativa al aumento en el número de poros por alteración de una estructura molecular, y los defectos aumentan cuando el grosor de la membrana disminuye en 1 µm o menos. Por tanto, la selectividad se deteriora.

El documento EP 0 474 424 describe una membrana selectiva formada por la deposición y la carbonización de un polímero orgánico sobre la superficie de un artículo poroso preparado a partir de polvo de resina fenólica sinterizada. La membrana formada puede ser relativamente gruesa, con una porosidad relativamente aumentada, o relativamente fina, con una porosidad relativamente reducida.

El documento WO 01/97956 describe una membrana de carbono nanoporosa formada sobre un sustrato poroso mediante la pirolisis de un polímero. Una realización tiene tres revestimientos añadidos antes de la pirolisis para formar una única membrana.

El documento WO 00/53299 describe una membrana de separación multicapa preparada mediante múltiples etapas de atomización y deposición ultrasónica sobre el sustrato. Cada capa depositada es una “capa uniforme fina”.

El documento JP 60 179 102 describe una membrana de separación multicapa, formada por la carbonización de un polímero (por ejemplo, poliacrilonitrilo) . Una realización tiene tres capas, las capas “densas” 1, 2 y una capa de

“revestimiento” 3. No se utiliza sustrato para soportar las capas. Se forma una fibra hueca en condiciones en las que no se produce orientación molecular. La fibra se carboniza para obtener capas densas y gruesas.

El documento US 2006/159718 describe un procedimiento para formar cuerpos porosos moldeados basados en carbono para uso como, por ejemplo, implantes ortopédicos. Un cuerpo se forma a partir de una composición que contiene un polímero orgánico, y se carboniza. Los materiales de carga incluidos en el cuerpo se disuelven a continuación para formar los poros del cuerpo.

Divulgación de la invención [0006] La presente invención se ha realizado a la vista de los problemas anteriores y pretende proporcionar un cuerpo estratificado de membrana de carbono excelente en lo que respecta al rendimiento y el flujo de separación cuando se usa dicho cuerpo como membrana de separación para una mezcla y un procedimiento de fabricación del anterior.

Con el fin de conseguir el objetivo, se proporciona el siguiente cuerpo estratificado de membrana de carbono y un procedimiento de fabricación del anterior.

[1] Un cuerpo estratificado de membrana de carbono que comprende: un sustrato poroso, una primera membrana de carbono porosa (capa inferior de la membrana porosa) dispuesta sobre la superficie del sustrato poroso, y una segunda membrana de carbono porosa ( capa de separación de la membrana de carbono) dispuesta sobre una superficie de la capa inferior de la membrana de carbono, que tiene un grosor más pequeño y un diámetro de poro promedio más pequeño que el de la capa inferior de la membrana de carbono.

[2] Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con [1], en el que la capa inferior de la membrana de carbono y la capa de separación de la membrana de carbono se forman por carbonización de un precursor de la capa inferior de la membrana de carbono (precursor de la capa inferior) dispuesto sobre la superficie del sustrato poroso y un precursor de la capa de separación de la membrana de carbono (precursor de la capa de separación) dispuesto sobre la superficie del precursor de la capa inferior de 400 a 1000º C en una atmósfera no oxidante.

[3] Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con [2], en el que el precursor de la capa inferior es una capa que contiene una resina de poliimida como componente principal.

[4] Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con [2], en el que el precursor de la capa de separación es una capa que contiene lignina como componente principal.

[5] Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con uno cualquiera de [1] a [4], en el que la capa inferior de la membrana de carbono tiene un grosor de 0, 05 a 5, 0 µm, y la capa de separación de la membrana de carbono tiene un grosor de 0, 001 a 1, 0 µm.

[6] Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con uno cualquiera de [1] a [5], en el que la capa inferior de la membrana de carbono tiene un diámetro de poro promedio de 0, 2 a 100 nm, y la capa de separación de la membrana de carbono tiene un diámetro de poro promedio de 0, 1 a 5, 0 nm.

[7] Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con [6], en el que la capa inferior de la membrana de carbono tiene un diámetro de poro promedio de 0, 2 a 10 nm, y la capa de separación de la membrana de carbono... [Seguir leyendo]

1. Un cuerpo estratificado de membrana de carbono que comprende:

un sustrato poroso,

una primera membrana porosa de carbono como una capa inferior de membrana de carbono dispuesta sobre la superficie de un sustrato poroso,

y

una segunda membrana porosa de carbono como capa de separación de la membrana de carbono dispuesta sobre la superficie de la capa inferior de membrana de carbono, caracterizada porque la capa de separación de la membrana de carbono tiene un grosor de la película más pequeño y un diámetro de poro promedio más pequeño que el de la capa inferior de la membrana de carbono.

2. Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con la Reivindicación 1, en el que la capa inferior de la membrana de carbono y la capa de separación de la membrana de carbono se forman por carbonización de un precursor de la capa inferior de la membrana de carbono como precursor de la capa inferior dispuesto sobre la superficie de un sustrato poroso y un precursor de la capa de separación de la membrana de carbono como precursor de la capa de separación dispuesto sobre una superficie del precursor de la capa inferior de 400 a 1000º C en una atmósfera no oxidante.

3. Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, en el que la capa inferior de la membrana de carbono tiene un grosor de 0, 05 a 5, 0 µm, y la capa de separación de la membrana de carbono tiene un grosor de 0, 001 a 1, 0 µm.

4. Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 3, en el que la capa inferior de la membrana de carbono tiene un diámetro de poro promedio de 0, 2 a 100 nm, y la capa de separación de la membrana de carbono tiene un diámetro de poro promedio de 0, 1 a 5, 0 nm.

5. Un cuerpo estratificado de membrana de carbono de acuerdo con la Reivindicación 4, en el que la capa inferior de la membrana de carbono tiene un diámetro de poro promedio de 0, 2 a 10 nm, y la capa de separación de la membrana de carbono tiene un diámetro de poro promedio de 0, 1 a 1, 0 nm.