光驱动离子泵送膜系统技术方案

技术编号:21459621 阅读:41 留言:0更新日期:2019-06-26 06:45
本文描述了染料敏化离子泵送膜和制备所述膜的方法。再生和可逆光活性染料共价键合到膜或隔膜上以进行离子泵送。光活性染料功能化膜可与其他离子交换膜一起布置,其作为选择性接触以提供光伏作用,且因此形成产生动力的膜,其泵送离子以用于驱动离子交换或离子传输过程,诸如脱盐和电渗析。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光驱动离子泵送膜系统
本专利技术涉及用光活性染料修饰的离子泵送膜和隔膜,用于离子交换和离子传输(IX)应用。
技术介绍
在离子交换或离子传输(IX)过程中,在有或没有被其他类似的带电离子取代的情况下,溶解的离子从一种溶液传输到另一种溶液。IX过程的应用包括但不限于脱盐、盐生产、酸和碱生产,以及用于燃料电池和电解器的膜。IX膜是可选择性渗透特定离子的膜,并且分为两大类:阳离子交换膜和阴离子交换膜。阳离子交换膜含有固定的带负电荷的基团,并且基于若干物理过程,包括但不限于唐南排斥(Donnanexclusion)和电荷排斥。带正电荷的阳离子良好地透过阳离子交换膜。类似地,阴离子交换膜含有固定的带正电荷的基团,并因此,具有负电荷的阴离子良好地透过阴离子交换膜。这些选择性渗透通过使电流,通常源自电子电流,通过以取决于最终应用和期望的离子传输过程的特定模式布置的阴离子交换膜和/或阳离子交换膜来进行。在IX过程中,诸如在电渗析装置、燃料电池、电解器中,将电子电流转换成离子电流的典型手段通常依赖于法拉第反应,诸如水或盐水电解,每个反应都需要电势>1V。虽然许多IX过程需要少得多的电势,但大量的能量被浪费为热量和/或用于驱动除IX过程之外的过程。例如,脱盐技术在大规模上是昂贵且低效的。然而,由于对饮用水的需求和日益减少的自然资源,诸如以色列、加利福尼亚和澳大利亚等经常遭受极端干旱条件的地方正在利用海水的脱盐。根据国家水资源部(stateDepartmentofWaterResources)2013年的一项研究,脱盐水的典型成本约为每英亩英尺2,000美元,这约为再生水成本的两倍。此外,脱盐在小规模上可能更加昂贵且效率更低,因为所需能量的更大部分被浪费为热量,例如,为了对于反渗透技术操作泵,以及为了对于电渗析技术而将电子功率转换成离子功率。虽然太阳能热蒸馏是便宜的,但是由于与从水中除去盐所需的能量相比,蒸发水所需的固有的过量能量,其效率远低于其他过程。目前,没有可以克服这些大能量消耗的分布式技术。现有技术(即反渗透,蒸馏和电渗析技术,这是大规模的现有技术)通常主要使用不可再生的电力来源并且价格昂贵。如果所述技术连接到光伏(PV)或风力系统以利用可再生电力来源,则系统的费用仍然很高。手持式反渗透(RO)技术,诸如手动泵送的KatadynSurvivor手持式RO装置,也是昂贵的;虽然太阳能蒸馏器是最先进的分布式和直接集成的可再生技术,但它们的效率非常低,并且受到该过程热力学的限制。在分布式手持式技术中,可比较的太阳能驱动的电渗析仍然需要大量的能量。例如,Lee的US20070099055公开了聚合物电解质膜,其包括离子导电聚合物和光酸产生剂(PAG)染料的光照射产物,其是不可逆的,使得在PAG染料吸收一个光子并产生一个质子之后,它不能再这样做。因此,存在对于允许IX过程发生而不浪费太多能量或消耗染料的技术的需要。本专利技术的特征在于染料敏化膜,其使用光来驱动离子传输,从而允许所述膜在光电化学过程/技术,诸如电渗析以及酸和碱的电解产生中发挥积极作用,并补充这些采用可再生日光驱动的离子传输的过程/技术的功率需求。此外,有些人已经提出,即使在大规模上,分布式的商品和/或服务也可能是合理的,例如,PV很可能从规模经济中受益很少,因为PV不用经常维护。因此,如果其预计比建立占用大量土地并且需要与维护相关的少量成本的工厂更便宜,消费者可以在他们自己的空间中安装和使用PV。并且,新发现的含盐地下水资源的中等规模和分布式水脱盐可能会受益于目前的技术。因此,本专利技术一旦大规模就可以证明是广泛有用和经济的。本文描述的任何特征或特征的组合包括在本专利技术的范围内,条件是任何这样的组合中包括的特征不是相互不一致的,这将从上下文,本说明书和本领域普通技术人员的知识中显而易见。在以下详细描述和权利要求中,本专利技术的其他优点和方面是显而易见的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供以与膜共价键合的再生性/可逆光活性染料,该膜与其它IX膜一起布置,其用作产生光伏作用的选择性接触,并因此用作产生动力的离子泵,用于驱动诸如脱盐的IX过程,如独立权利要求所述。在从属权利要求中给出了本专利技术的实施方式。如果它们不相互排斥,则本专利技术的实施方式可以彼此自由组合。本专利技术包括专用膜,其使用创新机制用于光至离子的能量转换,其中日光的吸收功能并释放直接驱动盐水脱盐的离子。所有高效太阳能光伏发电技术的两个重要特征是日光吸收,其导致产生自由载荷子,并且整流电流-电压行为,其指示电荷传输中的方向性。这些也是本专利技术所期望的性能,但并非所有的整流材料都进行高效太阳能光伏发电技术。在一种实施方式中,本专利技术的特征在于IX膜的配置,其类似于典型的电渗析装置的配置,其是本领域普通技术人员已知的,除了产生和/或去除离子的材料(即,电渗析装置中的电极)是背靠背放置的。光吸收电源取代了背靠背电极,而其他膜用作过滤器,选择性地将Na+和Cl-从盐水隔室中送出,最终产生饮用水。在一种特定实施方式中,光驱动离子泵送膜是双层双极膜,其可位于单极阳离子交换膜和单极阴离子交换膜附近。这些配置可用于使最初位于两个单极膜之间的盐水脱盐。在另一实施方式中,本专利技术的特征在于三层双极膜结构,其包括层压在阴离子交换膜(诸如)和阳离子交换膜(诸如112)之间的定制光活性染料功能化膜。IX膜可以将光生离子传输出双极膜,并且不会传输其他离子来代替失去的离子。本专利技术的独特技术特征之一是与膜共价键合的定制光活性光酸性或光碱性染料。光活性染料的光吸收改变了结合离子(诸如质子)的化学势,使得离子更可能从染料解离,并且因此过量离子,诸如质子和氢氧离子,通过日光吸收而局部地产生。然后,负责二极管状膜行为的特性在一个方向上驱动解离的带正电荷的离子,诸如质子;对于质子的情况,水对基态染料的再质子化产生带负电荷的氢氧化物或缓冲离子,其然后沿相反方向传输。测量了光电压和光电流,表明光已经转换成离子功率。不希望将本专利技术限制于任何理论或机制,相信本专利技术的技术特征有利地允许光活性染料的可逆和再生反应,从而允许光活性染料被重复使用直至其由于副反应而降解。此外,光活性染料与膜的共价键合可以防止光活性染料的浸出以允许膜的长期使用。由于膜从日光产生离子功率,因此其可用于补充任何使用电偏置移动离子的装置所需的功率,从而降低该装置的功率要求。目前已知的现有参考文献或工作都没有本专利技术的独特技术特征。出于示例性目的,已经结合详细描述中的脱盐过程描述了本专利技术。然而,本专利技术适用于涉及离子交换、离子传输或离子诱导的电势变化的任何应用。例如,本专利技术可以与脑功能和神经元连接的研究结合使用,例如,用于健康和阿尔茨海默病的研究。按比例缩小至纳米尺寸的光活性染料功能化膜可用于触发神经元放电以映射脑连接组。此外,本专利技术可用于局部地产生酸和碱,其可用于选择性地打开和关闭需要酸和/或碱的反应,作为反应的底物或产物,或在酸和/或碱催化反应的情况下。缩写bpy,2,2’-联吡啶化的bq,联喹啉PPA,聚烯丙胺ppy,苯基吡啶TPP,四苯基卟啉BPM,双极膜PSBM,光酸敏化双极膜PFSA,全氟磺酸离聚物膜PFSF,磺酰氟聚(全氟磺酰氟)膜AHA,阴离子交换膜cPFSA,与PFSA共价键合的光酸iPF本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种离子泵送膜系统(100),用于离子交换或离子传输(IX)过程,包括离子交换膜(110),所述离子交换膜具有与所述膜(110)共价键合的光活性染料,当暴露于光子源时,所述光活性染料被配置为经历再生和可逆光驱动解离或光驱动缔合反应,以产生带正电荷的离子并净得带负电荷的离子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.07 US 62/384,5031.一种离子泵送膜系统(100),用于离子交换或离子传输(IX)过程,包括离子交换膜(110),所述离子交换膜具有与所述膜(110)共价键合的光活性染料,当暴露于光子源时,所述光活性染料被配置为经历再生和可逆光驱动解离或光驱动缔合反应,以产生带正电荷的离子并净得带负电荷的离子。2.根据权利要求1所述的系统,其中所述光子源是日光、紫外线光、可见光或近红外光。3.根据权利要求1或2所述的系统,其中所述光活性染料与所述离子交换膜(110)的至少一个表面共价键合。4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统,其中所述离子交换膜(110)掺杂有所述光活性染料。5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统,还包括并置或附接到所述离子交换膜的第二膜,其中所述膜系统(100)是双极膜。6.根据权利要求5所述的系统,其中所述离子交换膜是阳离子交换膜(110a),并且所述第二膜是阴离子交换膜(110b)。7.一种脱盐系统,包括脱盐室、根据权利要求6所述的膜系统、第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜,其中所述膜系统、所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜设置在所述脱盐室中,使得所述膜将所述脱盐室分隔成三个室区段,其中所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜以交替模式布置,其中在IX过程期间,含有盐离子的流体被设置在所述脱盐室内,其中所述离子交换膜中所述光活性染料的光致激发引起所述再生和可逆光驱动解离或光驱动缔合反应,以产生带正电荷的和净带负电荷的离子,其能够使设置在所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜之间的室区段中的所述盐离子传输穿过相应的膜,从而减少所述室区段中所述流体的所述盐离子含量。8.根据权利要求1-4中任一项所述的系统,其中所述离子交换膜(110)包括聚合物膜(110c),所述光活性染料与所述聚合物膜共价键合。9.根据权利要求8所述的系统,其中所述聚合物膜(110c)由选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸、聚(丙烯酸-甲基丙烯酸丁酯)三嵌段共聚物、聚苯醚、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乳酸和与戊二醛交联的聚乙烯醇组成的组的聚合物材料合成。10.根据权利要求8或9所述的系统,还包括阳离子交换膜(110a)和阴离子交换膜(110b),其中所述离子交换膜(110c)与所述阳离子交换膜(110a)和所述阴离子交换膜(110b)并置或附接,其中所述膜系统(100)是双极膜。11.一种脱盐系统,包括脱盐室、根据权利要求10所述的膜系统、第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜,其中所述膜系统、所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜设置在所述脱盐室中,使得所述膜将所述脱盐室分隔成三个室区段,其中所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜以交替模式布置,其中在所述IX过程期间,含有盐离子的流体被设置在所述脱盐室内,其中所述离子交换膜中所述光活性染料的光致激发引起所述再生和可逆光驱动解离或光驱动缔合反应,以产生带正电荷的和净带负电荷的离子,其能够使设置在所述第二阳离子交换膜和所述第二阴离子交换膜之间的室区段中的所述盐离子传输穿过相应的膜,从而减少所述室区段中所述流体的所述盐离子含量。12.根据权利要求8或9所述的系统,还包括阳离子交换膜(110a)和阴离子交换膜(110b),其中所述离子交换膜(110c)设置在所述阳离子交换膜(110a)和所述阴离子交换膜(110b)之间。13.根据权利要求12所述的系统,其中所述阳离子交换膜(110a)沿边缘连接到所述阴离子交换膜(110b)以形成圆柱形IX管,其中所述离子交换膜(110c)设置在所述IX管内,使得所述离子交换膜(110c)在边缘连接处横连所述阳离子交换膜(110a)和所述阴离子交换膜(110b),其中所述离子交换膜(110c)的光致激发能够通过穿过相应的所述阳离子交换膜(110a)或阴离子交换膜(110b)使得盐离子从所述IX管外部传输到所述IX管内部。14.一种脱盐系统,包括脱盐室和多个根据权利要求13所述的IX管,其中所述多个IX管被捆束在一起并设置在所述脱盐室内,其中在所述IX过程期间,含有盐离子的流体被设置于所述脱盐室内,其中每个IX管的所述离子交换膜(110c)中的所述光活性染料的光致激发引起所述再生和可逆光驱动解离或光驱动缔合反应,以产生带正电荷的和净带负电荷的离子,其使得所述流体中的所述盐离子能够通过穿过相应的所述阳离子交换膜(110a)或阴离子交换膜(110b)从所述IX管外部传输到所述IX管内部,从而减少来自每个IX管外部的所述流体的所述盐离子含量。15.一种脱盐系统,包括脱盐室,和根据权利要求12所述的膜系统(100),其中所述离子交换膜(110c)、阳离子交换膜(110a)和阴离子交换膜(110b)设置在所述脱盐室中,使得膜将所述脱盐室分隔成三个室区段,其中在所述IX过程期间,含有盐离子的流体被设置在所述脱盐室内,其中所述离子交换膜(110c)中所述光活性染料的光致激发引起再生和可逆光驱动解离或光驱动缔合反应,以产生带正电荷的和净带负电荷的离子,其能够使设置在所述阳离子交换膜(110a)和阴离子交换膜(110b)之间的所述室区段中的所述盐离子传输穿过相应的膜,从而减少所述室区段中所述流体的所述盐离子含量。16.根据权利要求1-15中任一项所述的系统,其中所述光活性染料是光酸、光碱、或光酸或光碱无机金属络合物。17.根据权利要求16所述的系统,其中所述光活性染料被配置成进行光驱动离子释放或捕获。18.根据权利要求16所述的系统,其...

【专利技术属性】
技术研发人员:沙恩·阿尔多威廉·怀特克里斯托弗·D·桑伯恩约瑟夫·M·卡登罗纳德·S·赖特埃里克·施瓦茨
申请(专利权)人:加州大学董事会
类型:发明
国别省市:美国,US

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