在用于渗透驱动的膜过程的膜中减少离子交换和反向盐流动现象的方法技术

本发明专利技术涉及一种使半透性渗透膜改性的方法，其包括处理所述膜以在渗透驱动的膜过程中减少离子交换和反向抽取溶质流动现象中的至少一者。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】在用于渗透驱动的膜过程的膜中减少离子交换和反向盐流 动现象的方法 相关美国专利申请案的夺叉参考 本申请案主张2012年11月12日提交的名称为"在用于渗透驱动的膜过程的膜中 减少离子交换和反向盐流动现象的方法"的美国临时专利申请案第61/725, 026号的优先 权。临时申请案的全部内容以全文引用的方式并入本文中。
-或多个方面涉及半透膜的形成或改性以减少离子交换和反向盐流动现象的出 现，其用于渗透驱动的膜过程（osmoticallydrivenmembraneprocess，"0DMP"）中。
技术介绍
0DMP在降低成本以及增加来自渗透压梯度的膜分离和电力生产的效率和功效方 面的潜能明显。然而，在这些技术发展的目前状态下，非理想性持续限制此潜能的完全实 现。一种此类非理想性见于在半透膜（理想地是溶质输送的完全屏障）两侧的溶质从一种 溶液穿越到另一种溶液中的倾向。
技术实现思路
各种实施例的方法包括通过处理膜来使半透性的渗透膜改性，以在渗透驱动的膜 过程中减少离子交换和反向抽取溶质流动现象中的至少一者。 各种实施例的装置包括一种半透性的渗透膜，其具有经改性以减少离子交换和反 向抽取溶质流动中的至少一者的聚合物膜材料。【附图说明】 并入本文中并且构成本说明书一部分的随附图式展示本专利技术的例示性实施例，并 且与上文给出的一般描述和下文给出的详细描述一起用来解释本专利技术的特征。 图1A是常规正向渗透膜系统的横截面流程图。 图1B是常规正向渗透膜系统的横截面流程图。 图1C是常规正向渗透膜系统的横截面流程图。 图2A是具有改性膜的正向渗透系统的横截面流程图。 图2B是具有改性膜的正向渗透系统的横截面流程图。图2C是具有改性膜的正向渗透系统的横截面流程图。 图3是一种用于使膜改性的实施例方法的流程图。 图4是一种用于使膜改性的实施例方法的流程图。【具体实施方式】 将参考随附图式详细描述各种实施例。在可能的情况下，将在整个附图中使用相 同的参考数字来指代相同或类似的部分。对特定实例及实施方案作出的参考是出于说明性 目的，且无意限制本专利技术或权利要求书的范围。可以在不脱离本专利技术范围的情况下设计替 代性实施例。此外，将不会详细描述本专利技术的熟知要素，或将省略所述要素，以免混淆本发 明的相关细节。 各种实施例方法和装置可以包括在多种渗透驱动的膜过程（0DMP)中的任一者中 使用改性膜。此类0DMP的实例可以包括正向渗透（F0)和/或压力增强渗透（PE0)淡化或 水处理、压力延迟渗透（PRO)发电、以及所需进料流成分的直接渗透浓缩（D0C)。在其中可 以使用实施例回收系统的一些0DMP中，第一溶液（称为过程溶液或进料溶液）可以是海 水、半咸水、废水、污染水、工艺物料流或其它水溶液，其可以暴露于膜的第一表面。溶质浓 度相对于第一溶液溶质浓度而增加的第二溶液（称为抽取溶液）可以是暴露于膜的第二相 对表面。 本专利技术的实施例提供用于0DMP的膜的形成或改性，所述膜具有减少或消除离子 交换和反向抽取溶质流动现象的特征。使用于0DMP的膜改性以减少或消除离子交换和反 向抽取溶质流动现象的方法包括（但不限于）：（1)以化学方式修饰正向渗透（F0)膜的表 面官能团；（2)将单体或聚合物链添加到膜的表面以改变其排斥特征；(3)用额外膜材料涂 层所述膜；(4)将不同类型的膜组合在一起，以相对于一种单独的膜而实现离子排斥性能 改进；和/或（5)形成具有在其化学和/或结构中固有的离子和抽取溶质排斥改进的膜。 预期减少离子交换作用的膜的特质包括（但不限于）： ⑴跨一系列pH和离子强度的表面电荷是中性到略微正性（例如电位为零或 零以上，如大约0. 1到5mV)或强正性（例如，G电位为大约5到20mV)，归因于在中性时形 成一层集中在相对电荷表面上的离子的倾向减少，并且在正性时将一层阳离子吸引到膜表 面上的倾向减少，所述形成相对于阴离子累积可能增加离子交换； (2)表面是略微到中等疏水性的，归因于其在双重层中吸引阳离子的倾向减少，归 因于在阳离子与阴离子之间的水合程度的差异（阴离子常常较少水合，并且因此较少吸引 到亲水性表面，其它所有都相等）以及所得的离子渗透性中的差异（归因于在膜聚合物间 隙区或其它膜渗透孔隙与常常较小的阳离子离子半径之间空间相互作用的差异）； (3)表面具有平滑表面形态，其相对于水渗透减少电荷累积的表面积；和 (4)膜孔隙紧密匹配水分子的半径和或形状，包括（但不限于）由孔隙构成的膜或 含有碳纳米管、石墨烯、水通道蛋白或意图复制水通道蛋白功能的仿生合成水选择性多孔 材料的膜（例如，孔隙对水而言足够大但对杂质而言不是）。举例来说，拉图（Ratto)等人 的PCT公开专利申请案第W0 2010/002805号和拉图等人的美国专利第8, 196, 756号两者 都揭示用于在渗透过程中分离溶质与溶剂的含有碳纳米管的膜。PCT公开专利申请案和美 国专利两者都以全文引用的方式并入本文中。 在使膜展现这些特征中的一或多者的pH范围和/或离子强度下操作0DMP膜系统 还将导致减少离子交换非理想性现象的有效性增加。这些特质中的若干种还将具有减少 抽取溶液溶质反向盐流动的非理想性的作用，确切地说相对于溶质整体增加水选择性的特 质。在一些情况下，如为具有所需总体作用而需要的，将减少一或多种所需特质以便增加其 它所需特质。 在渗透驱动的膜过程（0DMP)中的非理想性现象的一个实例图解说明于图1A中， 并且包括抽取溶液溶质从抽取溶液到进料溶液中的反向盐流动。图1A图解说明在正向渗 透（F0)过程中的常规膜104,其中抽取溶质（例如，MgS04)进入到含有水（H20)和氯化钠 (NaCl)的盐水物料流或进料流中，在弃置之前需要后处理。 图1B图解说明这些现象的第二实例（例如离子交换现象），其中离子物质渗透穿 过常规膜104。具体来说，图1B图解说明含有水和氯化钠的进料溶液和含有水和硫酸镁 (MgS04)的抽取溶液。在正向渗透过程中的非理想性使离子穿过常规膜104。此处，显示钠 离子（Na+)经由膜104从进料溶液渗透到抽取溶液中，显示镁离子（Mg2+)经由所述膜从抽 取溶液渗透到进料溶液中，并且显示硫酸根离子（S042 )经由所述膜从抽取溶液渗透到进 料溶液中。 离子物质中的任何一者或全部可以渗透穿过膜，其可以在不共输送其相对离子的 情况下进行，只要带等量电荷的离子或离子群以相对方向渗透，在两个溶液中维持电中性 即可。在离子抽取溶质（如硫酸镁）的情况下，含有氯化钠的进料流可能导致镁离子和钠 离子在两个溶液之间交换，相对独立于氯离子和硫酸根离子的交换。在此类情况下，抽取溶 液的组成将随时间变化，并且可能需要进行二次处理或替换，带来较高系统操作成本，包括 化学（抽取溶质）消耗。 图1C图解说明第三实例，其类似于第二实例，只是抽取溶液包含可热分离的抽取 溶质，即碳酸氢铵（NH4HC当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使半透性渗透膜改性的方法，其包含处理所述膜以在渗透驱动的膜过程中减少离子交换和反向抽取溶质流动现象中的至少一者。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·麦金尼斯，
申请(专利权)人：纳格瑞美布拉尼斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US