用于薄膜蒸馏的复合物混合基质薄膜和相关的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种薄膜蒸馏系统，该系统包括平板复合物混合基质亲水性/疏水性薄膜，该薄膜包括至少一个亲水性层和一个疏水性层。该亲水性层包含亲水性聚合物和具有高导热性的无机纳米颗粒。该疏水性层包含氟化的表面改性大分子（SMM）。本发明专利技术还揭示了一种用于制造该薄膜的反相法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于薄膜蒸馏的复合物混合基质薄膜和相关的制造方法专利
本专利技术涉及用于薄膜蒸馏的薄膜领域。更具体地，本专利技术涉及混合基质疏水性/亲水性复合物混合基质薄膜领域。参考文献给出以下参考文献作为附加的背景信息，因此这些参考文献通过参考结合。Khayet，M.，薄膜和薄膜蒸馏的理论建模（Membranesandtheoreticalmodelingofmembranedistillation）；胶体和界面科学进展综述（Areview，AdvancesinColloidandInterfaceScience），164，56-88，2011。Khayet，M.，Matsuura，T.，薄膜蒸馏：原理和应用（MembraneDistillation：PrinciplesandApplications），Elsevier，阿姆斯特丹（Amsterdam）（荷兰（TheNetherlands））2011。Qtaishat，M.R.，Khayet，M.，和Matsuura，T.，用于薄膜蒸馏的复合物薄膜和相关制造方法（Compositemembranesformembranedistillationandrelatedmethodsofmanufacture）。美国专利申请公开第20110031100号。技术背景薄膜蒸馏（MD）是一种新兴的物理分离技术，近几十年来吸引了研究者的注意（Khayet，2011）。MD是一种热驱动的过程，其中的微孔薄膜作为从较冷的含液体或气体的室分离温热溶液的物理支持。由于该过程是非等温的，所以蒸汽分子从高蒸汽压的薄膜侧（即温热的薄膜侧）通过薄膜孔隙迁移到低蒸汽压的薄膜侧。这可通过以下不同构型建立，即，直接接触薄膜蒸馏，DCMD；空气隙薄膜蒸馏，AGMD；吹扫气体薄膜蒸馏，SGMD；和真空薄膜蒸馏，VMD（Khayet，2011）。MD薄膜的一个重要要求是，孔隙必须不是潮湿的，而且孔隙中只能存在蒸汽。这个要求限制了可用于MD的材料选择。值得注意的是，MD薄膜限于疏水性材料，例如聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、和聚偏二氟乙烯（PVDF）。虽然这些薄膜是为了微滤和超滤目的制造的，但是由于它们的疏水性性质，可用于MD研究中（Khayet，2011）。与其他分离过程相比，MD具有一些优点。这些优点主要是：高达100%的非挥发性溶质排除率，比常规蒸馏更低的运行温度，比常规压力驱动的薄膜分离过程如反渗透（RO）更低的运行压力，以及比常规蒸馏过程更小的蒸汽空间。尽管存在所有这些优点，但MD过程尚未商业化用于大规模工厂。原因之一在于较低的MD通量和薄膜润湿，这使得MD薄膜的耐久性降低。由此可见，这些缺点源于MD薄膜的设计不足。在最近出版的书籍中（Khayet&Matsuura，2011），讨论了对较高渗透通量的DCMD薄膜的要求。美国专利申请第12/629703号（Qtaishat，Khayet&Matsuura，2011）中还讨论了用于DCMD的疏水性/亲水性复合物薄膜。在这个申请中显示，这种类型的薄膜能满足较高渗透通量的DCMD薄膜的所有要求（Qtaishat，Khayet&Matsuura，2011）。疏水性/亲水性薄膜通过反相法在单独一个浇注步骤中制备。将亲水性基质聚合物与疏水性表面改性大分子（SMM）掺混。在浇注步骤中，SMM迁移到空气/聚合物界面，因为其具有较低的表面能量（Qtaishat，Khayet&Matsuura，2011）。因此，薄膜顶层变成疏水性，而底层保持亲水性。仍然需要高渗透通量且耐久性的薄膜用于DCMD中。提供这些背景信息是为了提供对所揭示内容的更好理解。不应理解为承认任何上述讨论的信息构成与本专利技术相对的现有技术。专利技术概述本专利技术的一个目的是提供能克服阻碍MD商业化用于大规模工厂的缺点的用于薄膜蒸馏的复合物混合基质薄膜和相关制造方法。本专利技术第一方面提供了一种薄膜蒸馏系统，该系统包括平板复合物混合基质亲水性/疏水性薄膜，该薄膜具有至少一个亲水性层和一个疏水性层。亲水性层还包含亲水性聚合物和高导热性的无机纳米颗粒。疏水性聚合物层还包含氟化的表面改性大分子（SMM）。优选亲水性聚合物是热塑性聚合物，还优选其选自下组：聚砜、聚醚砜、聚醚酰亚胺和乙酸纤维素。优选无机纳米颗粒选自下组：氧化铜、氮化硼、氮化铝、铝、铁和碳化硅。优选疏水性聚合物层由氟化的表面改性大分子（SMM）制成，这些大分子采用聚氨酯化学合成，并定制具有氟化的端基。优选将氟化的SMM与亲水性聚合物-无机纳米颗粒分散体掺混。SMM选自下组：聚（氨基甲酸酯丙二醇）和聚（脲二甲基硅氧烷氨基甲酸酯）。优选复合物混合基质薄膜具有高蒸汽渗透通量。优选复合物混合基质薄膜具有高机械性质。优选复合物混合基质薄膜具有较小的润湿倾向，因此具有高耐久性。本专利技术另一方面提供用于制造薄膜蒸馏复合物混合基质亲水性/疏水性薄膜的反相法，所述方法包括将基质亲水性聚合物和预定量的不溶性无机纳米颗粒和非溶剂添加剂分散到溶剂中形成聚合物-无机溶液。向聚合物-无机溶液中加入氟化的表面改性大分子（SMM），形成聚合物-无机纳米颗粒SMM掺混物。对聚合物-无机纳米颗粒掺混物进行浇注，使所述溶剂在室温下蒸发预定时间以形成浇注膜。系统性地改变蒸发时间以研究并改进蒸发时间对于无机纳米颗粒在底层中的沉降以及对于疏水性SMM迁移到顶层的影响。用具有特定排量（displacement）的盖子覆盖浇注膜，以控制溶剂蒸发，使得无机纳米颗粒有更多时间能在底层中沉降，并使得疏水性SMM有更多时间能迁移到空气/聚合物界面。将制得的浇注膜浸入水中使其胶凝。优选制造复合物混合基质薄膜的方法还包括尽可能增大复合物薄膜的疏水性聚合物层的孔隙率和尽可能减小复合物薄膜的疏水性聚合物层的厚度，从而增大复合物薄膜的MD渗透通量。优选制造复合物混合基质薄膜的方法还包括尽可能增大亲水性聚合物层的厚度、孔隙率和热导率。优选基质亲水性聚合物包括以下聚合物中的至少一种：聚砜、聚醚砜、聚醚酰亚胺和乙酸纤维素。优选无机纳米颗粒选自下组：氧化铜、氮化硼、氮化铝、铝、铁和碳化硅。优选SMM选自下组：聚（氨基甲酸酯丙二醇）和聚（脲二甲基硅氧烷氨基甲酸酯）。优选非溶剂添加剂选自下组：γ-丁内酯和乙醇。优选溶剂选自下组：N,N-二甲基乙酰胺和1-甲基-2-吡咯烷酮。附图简要描述通过以下详细说明并结合附图，本专利技术的其他特点和优点将是显而易见的，附图中：图1是传输通过多孔复合物混合基质疏水性/亲水性薄膜的DCMD机理的示意图；图2显示SMM、nSMM1和SMM2的化学结构的例子；图3是实验性DCMS配置的示意图；图4显示复合物混合基质和聚合物薄膜的横截面的SEM照片：（a）MC3；（b）MC4；（c）MC5；（d）MC6；（e）MC8；（f）MC9；（g）MC10；（h）MC14；（i）MC16；（j）MC21；（k）MC22；图5显示复合物混合基质薄膜MC17的顶表面和底表面的SEM照片；图6显示复合物混合基质和聚合物薄膜的抗张应力-应变曲线。图7图示表示氧化铜添加对于DCMD中12重量%PS薄膜性能的影响：（a）平均温度对蒸馏水料液的DCMD渗透通量的影响；（b）0.5M的NaCl料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.01.24 CA PCT/CA2011/0000931.一种薄膜蒸馏系统，其包括：平板复合物混合基质亲水性/疏水性薄膜，其具有至少一个亲水性层和一个疏水性层；该亲水性层进一步包含亲水性聚合物和具有高热导率的无机纳米颗粒，和该疏水性层进一步包含氟化的表面改性大分子(SMM)。2.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述亲水性聚合物是热塑性聚合物。3.如权利要求2所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述热塑性聚合物选自下组：聚砜、聚醚砜、聚醚酰亚胺和乙酸纤维素。4.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述纳米颗粒是具有高热导率的无机纳米颗粒。5.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述无机纳米颗粒选自下组：氧化铜、氮化硼、氮化铝、铝、铁和碳化硅。6.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述氟化的表面改性大分子(SMM)是利用聚氨酯化学合成的低聚的含氟聚合物，该表面改性大分子包含氟化的端基。7.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，将所述氟化的SMM掺混在所述亲水性层中。8.如权利要求7所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述SMM选自下组：聚(氨基甲酸酯丙二醇)和聚(脲二甲基硅氧烷氨基甲酸酯)。9.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述混合基质薄膜具有一种形态结构，认为该结构能尽可能增大渗透通量和渗透率。10.如权利要求9所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述形态结构包含代表所述疏水性层的厚度和孔隙率的参数，以及代表所述亲水性层的厚度、孔隙率和热导率的参数，以及代表平板薄膜的内部结构的参数。11.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述复合物混合基质薄膜具有比复合物聚合物薄膜更高的蒸汽渗透通量。12.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述复合物混合基质薄膜具有比复合物聚合物薄膜更高的机械强度。13.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述复合物混合基质薄膜具有比疏水性单层的商用薄膜更低的润湿倾向。14.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述的薄膜蒸馏系统为直接接触薄膜蒸馏系统、真空薄膜蒸馏系统、吹扫气体薄膜蒸馏系统或空气隙薄膜蒸馏系统。15.如权利要求1所述的薄膜蒸馏系统，其特征在于，所述的薄膜蒸馏系统为直接接触薄膜蒸馏系统。16.一种用于制造薄膜蒸馏复合物混合基质亲水性/疏水性薄膜的反相法，所述反相法包括：(a)将基质亲水性聚合物以及预定量的不溶性无机纳米颗粒和非溶剂添加剂分散到溶剂中形成聚合物-无机溶液；(b)向聚合物无机溶液中加入氟化的表面改性大分子(SMM)以形成聚合物-无机纳米颗粒S...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·R·克塔伊沙特，M·卡耶特，T·玛苏拉，S·阿尔穆特里，
申请(专利权)人：薄膜蒸馏淡化有限公司，
类型：
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