用于修复膜以及改进渗透驱动膜系统的性能的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及通过将一种或多种物质引至膜，对渗透驱动膜系统中的膜的表面进行修复和/或修饰。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求以下专利申请的优先权和权益：2013年11月21日提交的美国临时专利申请号61/907,160、2014年3月14日提交的美国临时专利申请号61/953,016、2014年5月2日提交的美国临时专利申请号61/987,909以及2014年6月30日提交的美国临时专利申请号62/019,109，以引用的方式将以上专利申请的全部公开内容整体并入本文。
本专利技术总的说来涉及渗透驱动膜系统以及用于渗透驱动膜系统中的膜，更特别而言涉及修复和/或改变膜的表面以及改进膜系统的性能。
技术介绍
一般而言，将膜用于渗透驱动膜工艺中，以在溶液中将溶剂与溶质分离。在正向渗透工艺的情况下，使第一溶液与膜的一个表面接触，并使第二溶液与膜相对一侧的第二表面接触。溶剂将从浓度较低的溶液透过膜进入浓度较高的溶液，同时溶质被阻止穿过膜。在反向渗透的情况下，在压力下使溶液与膜的一个表面接触。压力致使溶剂透过膜，所述膜仍然阻止加压的溶液中的溶质穿过。正向渗透膜和反向渗透膜典型地包含设置在多孔支撑层上的薄膜屏障层。传统地，经由传统工艺制造膜层以适应特定的应用。参见例如美国专利号7,882,963，以引用的方式将该专利的公开内容整体并入本文。一般而言，将膜投入使用，且除定期清洗外，膜在其使用寿命中执行其预期功能。一旦膜到达其使用寿命的终点或者以另外的方式变得不可用(例如损坏(damaged))，则更换或丢弃该膜。新的膜较为昂贵，且维护/更换过程可能需要一定量的系统停机时间，这可能是昂贵且不便的。在膜活性层已损坏的一种情况下，该损坏可导致各种溶质穿过膜。取决于渗透驱动膜系统的用途，这可能会导致损失有价值的溶质(例如在药物产品的浓缩期间)或使有毒物质进入纯化的产物溶剂(例如在水的纯化期间)。近来，已在将纳米颗粒掺入膜的领域中进行了大量活动；然而，这些努力一直专注于在初始制造阶段掺入纳米颗粒以生产成品膜。通常将纳米颗粒掺入成品膜以增强防垢性(fouling resistance)并提高通量。迄今为止，尚未出现在制造之后和/或使用之中对膜进行修复的任何努力。
技术实现思路
现有技术方案通常由对解决积垢问题的需要所驱动，而非对现有的膜(特别是使用中的膜)进行修复、改进或改变。要求保护的本专利技术提供了向已被损坏的现有膜的表面容易地添加特定的物质或物质的组合(如嵌段共聚物)。在具体实施方式中，可选择具体物质来增强聚酰胺膜的脱盐(salt rejection)性能(即选择性)或通量容量(flux capacity)。在多个实施方式中，该物质可含有不同的疏水链和亲水链，可以对所述疏水链和亲水链进行选择以使其具有用于修复和/或增强膜表面和膜表面性能的不同的和具体的性质。例如，可对该物质进行选择，以使其具有在无需化学附着的条件下允许其“粘附(stick)”至相对疏水的表面上的性质，这允许了在用(in-service)元件的持续使用，从而延长其寿命。此外，可将本文所述的各种系统和方法用于对各种制造缺陷(如针孔(pin holes))进行修复，这些缺陷在直至膜被投入使用或经历质量检查和测试之前并不为人所知。在一些情况下，可在膜被投入使用之前对其进行修复或修饰。另外，本文所述的各种系统和方法可用于对实质上任何选择性类型的膜(例如，超滤、纳米过滤、反向渗透、正向渗透或阴离子/阳离子交换膜)进行修复或修饰。例如，在一个实施方式中，可用适当的物质对纳米过滤膜进行修饰，以使其在特定的应用中作为正向渗透膜而有效运行。例如，现有的纳米过滤膜(比常规的渗透膜多孔性更高)趋向于具有更高的通量和更低的脱盐特性。然而，由于纳米过滤膜多孔性更高，可使其自身更适合于修饰工序。根据本文所述的任何实施方式，可对纳米过滤膜进行涂覆，在所述涂覆中涂覆化合物可渗入NF膜的孔，从而改善纳米过滤膜的脱盐特性，同时对通量具有最小影响至可忽略不计的影响。改善的脱盐使得形成适用于正向渗透但具有更高通量容量的膜。一般而言，可用本文所述的任何物质对NF膜进行涂覆。一般而言，对膜表面(例如膜的渗余侧(retentate side)和/或透过侧(permeate side))进行修复或修饰可为使用该膜的渗透驱动膜系统提供有益贡献。这些有益贡献可包括：延长损坏的膜的寿命、使膜适应工作环境中的变化、改变一个或多个物理和/或性能特性和/或降低积垢。在一种情况中，防止或至少减少膜表面上的积垢可有助于维持更高和/或更恒定的通量水平。另外，例如通过减少穿过膜的离子交换或消除更换膜的需要，对使用中的膜的表面进行修复/修饰可改进渗透驱动膜系统的总体性能。根据本专利技术的多个实施方式，可将所述物质添加至进料溶液或驱动溶液，以促进一个或多个膜中的一个或多个缺陷(defects)进行自我修复、或促进一个或多个膜的一个或多个性质发生转变。对待添加的特定物质进行选择，以执行特定功能和应用(例如，修复聚酰胺膜中的孔或增强聚砜膜支撑层的亲水性)。通常，对所述物质进行选择，以使其与膜表面的一种或多种分子和/或表面形貌(topography)发生反应，从而在将进料溶液引至膜的进料侧时，该物质将开始使其自身附着至膜的进料侧的表面，从而开始进行自我修复/修饰工序。替代地或另外地，也可将所述物质引入膜的驱动侧或两侧，这取决于哪个膜表面需要修复或修饰。在一个方面，本专利技术涉及对渗透驱动膜系统中的膜的表面进行修复的方法。本文一般使用的术语“修复”不仅涵盖了对缺陷或损坏(如膜中的孔)进行物理修复，还涵盖了对膜的表面特性进行修饰，以便例如改善通量或脱盐、或使膜适应工作条件中的变化。所述方法包括如下步骤：确定缺陷的存在、确定缺陷的性质、基于缺陷的性质选择至少一种物质、以及将该至少一种物质引至膜的透过侧或渗余侧(即进料侧)中的至少一者。一般而言，“缺陷”包括：制造缺陷；在处理、组装或使用期间发生的膜表面的损坏；或系统工作环境(environment)/外界(circumstance)中的变化。后者包括例如：对膜表面进行修饰以抵抗系统性能的退化、和/或引入具有不同化学组成的进料溶液。缺陷的性质包括诸如：膜表面和/或层中的孔(例如活性层中的孔或磨耗损坏，这些缺陷使得允许不期望的溶质穿过膜)、缺陷的位置(例如膜的透过侧或渗余侧)、以及材料的相容性问题。将在下文中进行更详细讨论的所述至少一种物质可以是以固体(例如粉末)、气体和/或液体形式引入、以适应特定应用的单一化学品或化学品的复杂组合物。在本专利技术上述方面的多个实施方式中，可将所述方法用于对膜的活性层中的孔进行修复，其中引入所述至少一种物质的步骤包括在膜的活性层上沉积足以/有效地填补该孔的一定量的所述至少一种物质。对损坏进行修复(例如填充孔或对磨损区域进行表面重修(resurfacing))所需的具体量以及工序的持续时间将依据诸如以下条件而改变：缺陷的尺寸、缺陷的位置、膜的组成、所引入的物质(例如所使用的聚合物的类型)、物质负载容量、物质沉积速度、以及进料溶液和/或驱动溶液的组成。另外，可将所述方法用于对膜的性能特性进行改变，其中引入所述至少一种物质的步骤包括在膜上沉积一定量的所述至少一种物质以对膜的表面区域进行“涂覆”。一般而言，所需的量将取决于实现该修饰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对渗透驱动膜系统中的膜的表面进行修复的方法，所述方法包括以下步骤：确定缺陷的存在；确定所述缺陷的性质；基于所述缺陷的性质选择至少一种物质；以及将所述至少一种物质引至所述膜的渗余侧或透过侧中的至少一者。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.21 US 61/907,160;2014.03.14 US 61/953,016;1.一种对渗透驱动膜系统中的膜的表面进行修复的方法，所述方法包括以下步骤：确定缺陷的存在；确定所述缺陷的性质；基于所述缺陷的性质选择至少一种物质；以及将所述至少一种物质引至所述膜的渗余侧或透过侧中的至少一者。2.如权利要求1所述的方法，其中，将所述方法用于对所述膜的活性层中的孔进行修复，并且所述方法进一步包括在所述膜的所述活性层上沉积有效地填补所述孔的量的所述至少一种物质的步骤。3.如权利要求1所述的方法，其中，将所述方法用于对所述膜的性能特性进行改变，并且所述方法进一步包括在所述膜上沉积一定量的所述至少一种物质以对如下特性中的至少一个进行修饰的步骤：所述膜的活性层的表面电荷、所述膜的层的亲水性、所述膜的层的疏水性、或所述膜的屏障层的脱盐。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种物质包括抗氧化剂和丙烯酸酯单体。5.如权利要求1所述的方法，其中，所述物质包括无机离子。6.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括确定在何处引入所述至少一种物质的步骤，其中，所述确定在何处引入所述至少一种物质基于以下因素中的至少一个：所述缺陷的位置、所述缺陷的性质、或所述渗透驱动膜系统的性能特性。7.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括确定如何引入所述至少一种物质的步骤，其中，所述确定如何引入所述至少一种物质基于以下因素中的至少一个：所述缺陷的位置、所述缺陷的性质、或所述渗透驱动膜系统的性能特性。8.如权利要求1所述的方法，其中，对所述至少一种物质进行的选择基于以下因素中的至少一个：所述缺陷的性质、所述缺陷的位置、所述渗透驱动膜系统的性能特性、或材料适用性。9.如权利要求1所述的方法，其中，引入所述至少一种物质的步骤包括以下述条件中的至少一种引入所述至少一种物质：预定的用量、预定的间隔、或预定的持续时间。10.如权利要求1所述的方法，其中，引入所述至少一种物质的步骤包括：在所述渗透驱动膜系统工作期间改变所述至少一种物质的用量。11.如权利要求1所述的方法，其中，引入所述至少一种物质的步骤包括引入第二物质。12.如权利要求1所述的方法，其中，经由引至所述膜的所述渗余侧的进料溶液，将所述物质引至所述膜的表面。13.如权利要求12所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：扎卡里·赫尔姆，克里斯托弗·德劳尔，内森·T·汉考克，彼得·F·莫兰，胡马云·莫阿戴尔，威廉·安东尼·菲利普，
申请(专利权)人：OASYS水有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US