用于正向滲透應用的通過相反轉形成的聚苯胺膜的制作方法
【專利說明】用于正向滲透應用的通過相反轉形成的聚苯胺膜
[0001] 相關申請
[0002] 本申請要求2013年5月15日提交的美國臨時專利申請序列號61/823,739的優先權 權益。
[000；3]背景
[0004]據估計世界的整個供水中有小于1%是容易取得的淡水，其正變得日益緊迫。已提 出一種稱為低能脫鹽的方法來加強運個耗竭性淡水供給，其中無需如由通過反向滲透(RO) 進行的當前脫鹽所需的大量能量。當通過半透膜分離時，通過正向滲透(FO)進行的低能脫 鹽利用自然滲透過程來從海水汲取淡水進入極其濃縮溶液中。濃縮溶液中的溶質可通過各 種手段，如低級熱量W及變換溶液溫度或酸度加W收回。開發運個方法的主要障礙是缺乏 適合膜。
[0005] 存在對能夠通過正向滲透來純化水的化學W及熱穩定材料的需要。
[0006] 概述
[0007]在某些實施方案中，本發明設及一種正向滲透膜，其中所述膜基本上由多孔載體 材料和聚合物層組成;并且所述聚合物層包含聚苯胺。
[000引在某些實施方案中，本發明設及形成膜的方法，其包括W下步驟：
[0009] a.提供包含聚苯胺和聚苯胺溶劑的第一組合物；
[0010] b.將所述第一組合物涂布于多孔載體材料上；W及
[0011]C.使所述涂布有所述第一組合物的多孔載體材料與聚苯胺非溶劑接觸，由此形成 所述膜。
[0012] 在某些實施方案中，本發明設及一種方法，其包括使液體組合物穿過本文所述的 膜，其中所述液體組合物包含溶質和溶劑;并且所述膜基本上不可為所述溶質所滲透。
[0013] 附圖簡述
[0014] 圖1描繪各種無涂層膜的隊Ii/s化計的水滲透率(A)(左側棒條)和Wiig/s計的鹽 通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲取溶液=32g/L化Cl;進料溶液=DI水;20 °C;流速=0.Igpm)。所用PA化是來自Sigma-Al化ich的65kDaPA化。
[001引圖2描繪各種無涂層膜的隊ii/S化計的水滲透率(AK左側棒條)和Wiig/s計的鹽 通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲取溶液=32g/L化Cl;進料溶液=DI水;20 °C;流速=0.Igpm)。所用PA化是來自SantaFeScienceandTechnologies的65kDaPA化。
[0016]圖3描繪進行或不進行后處理的各種膜的Wm/S化計的水滲透率(A)(左側棒條） 和Wyg/s計的鹽通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲取溶液=32g/L化Cl;進料 溶液=DI水；20°C;流速=0.Igpm)。后處理：濕式固化二在35°C下水浴2分鐘；精腦橫酸 (CSA)處理= 20g/LCSA，pH~1.3，1小時;NaOH處理=抑 12，13小時。
[0017] 圖4描繪W不同誘注葉片高度制備的進行或不進行后處理的各種膜的Wm/S化計 的水滲透率(A)(左側棒條)和Wiig/s計的鹽通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲 取溶液=32g/L化Cl;進料溶液=DI水;20°C;流速=0.Igpm)。后處理:濕式固化=在指定 溫度下水浴2分鐘。
[0018]圖5描繪進行或不進行后處理的各種膜的Wm/s化計的水滲透率(A)(左側棒條） 和Wyg/s計的鹽通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲取溶液=32g/L化Cl;進料 溶液=DI水；20°C;流速=0.1gpm)。后處理：CSA處理=1OOmMCSA，pH~1.3，1小時；化OH處 理二抑12，13小時。
[0019]圖6描繪W不同誘注葉片高度制備的進行或不進行后處理的各種膜的Wm/S化計 的水滲透率(A)(左側棒條)和Wiig/s計的鹽通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲 取溶液=32g/LNaCl;進料溶液=DI水；20°C;流速=0.Igpm)。后處理：CSA處理=IOOmM CSA，pH~1.3，1小時；肥1處理=10-SfflM肥1，抑~3，1小時;HC1處理=1OOmM肥1，pH~1，1小 時。
[0020] 圖7描繪使用不同織物制備的各種膜的Wm/S化計的水滲透率(A)(左側棒條)和 Wyg/s計的鹽通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲取溶液= 32g/L化Cl;進料溶 液=DI水;20°C;流速= 0.1gpm)。
[0021] 圖8和圖9描繪使用不同誘注葉片高度制備的各種膜的Wm/SPa計的水滲透率(A) (左側棒條)和Wyg/s計的鹽通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作(汲取溶液= 32g/L NaCl;進料溶液=DI水;室溫）。
[0022] 圖10描繪使用不同誘注葉片高度制備的各種膜的橫截面的SBl圖像(左側圖像= 152WI1誘注高度;右側圖像=102WI1葉片高度）。(a)比例尺=1Own;(b)比例尺=Iwii。
[0023] 圖11描繪進行或不進行后處理，并且具有不同誘注葉片高度的各種膜的Wm/SPa 計的水滲透率(A)(左側棒條)和Wiig/s計的鹽通過率(右側棒條）。實驗WFO模式進行操作 (汲取溶液=32g/L化Cl;進料溶液=DI水;室溫（約23°C))。后處理:CSA處理=1OOmMCSA， 抑~1.3，1小時;NaOH處理=抑12，13小時。
[0024] 圖12表列誘注原樣W及在用HCl處理之后，本發明的PANi膜的結構參數、孔隙度和 沈姻像。
[00巧]詳細描述
[0026]
[0027]在某些實施方案中，本發明設及超級可濕潤材料聚苯胺(PANi)制備允許達成高水 滲透率，同時維持高鹽選擇性的FO膜的用途。在優選實施方案中，聚苯胺膜通過非溶劑誘導 的相分離或相反轉形成。在運個方法中，將溶解于溶劑中的聚合物誘注于織物上，并且浸潰 于非溶劑中。在浸潰后，非溶劑誘導聚合物沉淀W形成膜。
[0028] 在某些實施方案中，本發明的膜顯示良好可濕潤性和可調諧形態。由于本發明的 膜的合乎需要的特征，所W它們除脫鹽之外也可用于許多FO應用中，包括處理填埋浸析液， 產生應急飲料，W及從處理的污水濃縮營養物。
[0029]
[0030] 如本文所用，對包括有機化合物的化合物的命名可使用常用名稱、IUPAC、IUBMB或 CAS命名推薦給出。當存在一種或多種立體化學特征時，Cahn-Ingold-Prelog立體化學規則 可用于指定立體化學優先級、E/Z規范等。如果給出名稱，那么本領域技術人員可通過使用 命名慣例系統性分解化合物結構，或通過可商購獲得的軟件，如CHEMDRAW?(Cambridgesoft Co巧oration,U.S.A.)容易地確定化合物的結構。
[0031] 除非上下文另外明確規定，否則如說明書和權利要求中所用，單數形式"一"和"所 述"包括復數個指示物。
[0032] 如本文所用的術語"包含"將被理解為意指隨后清單是非窮舉性的，并且可或可不 包括任何其它額外適合條目，例如適當時一種或多種其它特征、組分和/或成分。
[0033] 范圍在本文中可表示為從"約"一個特定值和/或至"約"另一特定值。當表示所述 范圍時，另一方面包括從一個特定值和/或至另一特定值。類似地，當值通過使用先行詞 "約"而被表示為近似值時，應了解特定值形成另一方面。應進一步了解各范圍的終點關于 另一終點W及獨立于另一終點均是有意義的。也應了解存在本文公開的許多值，并且各值 除所述值自身之外在本文中也被公開為"約"那個特定值。舉例來說，如果公開值"10"，那么 也公開"約10"。也應了解也公開兩個特定單元之間的各單元。舉例來說，如果公開了 10和 15,那么也公開了 11、12、13和14。
[0034] 在說明書和結論性權利要求中提及特定成分或組分在組合物中的重量份表示所 述組合物或物品中其重量份被表示的所述成分或組分與任何其它成分或組分之間的重量 關系。因此，在含有2重量份的組分X和5重量份組分Y的化合物中，X和YW2:5的重量比存在， 并且無論其它組分是否含于化合物中都W所述比率存在。
[0035] 除非相反地明確陳述，否則組分的重量百分比（wt. % )基于其中包括所述組分的 制劑或組合物的總重量。
[0036] 術語"正向滲透"（FO)表示一種過程，其中跨越半滲透膜的滲透壓差是用于穿過膜 來轉運水的驅動力。FO過程導致進料流濃縮W及高度濃縮流(被稱為汲取溶液)稀釋。
[0037] "不可溶"是指固體在指定液體（即"非溶劑"）中溶解不良W致當組合固體和液體 時，產生異質混合物。應認識到"不可溶"固體在指定液體中的溶解度可能不為零，而是它將 小于在實踐中適用的溶解度。使用術語"可溶"、"不可溶"、"溶解度"等不意圖暗示僅意指固 體/液體混合物。舉例來說，陳述添加劑可溶于水中不意圖暗示添加劑必須是固體;不排除 添加劑可為液體的可能性。
[0038] 如本文所用，術語"分子量"（MW)是指相對于統一原子質量單位U(等于一個碳-12 原子的質量的1/12)，那個物質的一個分子的質量。
[0039] 如本文所用，術語"數均分子量"（Mn)是指個別聚合物的分子量的共同均數平均 值。Mn可通過測量n個聚合物分子的分子量，將重量求和，W及除Wn來確定。通過：
[0041] 計算Mn,其中Ni是具有分子量Mi的分子的數目。可通過凝膠滲透色譜法、粘度測定 法(Mark-Houwink等式）、光散射、分析性超速離屯、、蒸汽壓滲透壓測定法、端基滴定和依數 性質來確定聚合物的數均分子量。
[0042] 如本文所用，術語"重均分子量"(Mw)是指聚合物的分子量的替代性量度。通過：
[0044]計算Mw,其中Ni是具有分子量Mi的分子的數目。直觀地，如果重均分子量是W，并且 選擇隨機單體，那么它屬于的聚合物將平均具有重量W。可通過光散射、小角度中子散射 (SANS)、X線散射和沉降速度來確定重均分子量。
[0045] 如本文所用，術語"多分散性"和"多分散性指數"是指重均值與數均值的比率(Mw/ Mn) O
[0046] 如本文所用，術語"聚合物"是指相對高分子量天然或合成有機化合物，其結構可 由重復小單元（即單體)表示(例如聚乙締、橡膠、纖維素）。合成聚合物通常通過單體的加成 或縮合聚合形成。
[0047] 如本文所用，術語"鹽"是指不是兩性離子的離子化合物。運可包括氯化鋼(傳統食 鹽）、其它無機鹽、或其中陰離子、陽離子或兩者是有機性的鹽。術語"鹽性"意指包含至少一 種鹽。
[0048] "負載的"意指某一材料被裝配在第二材料上W使所述第二材料向第一材料賦予 機械穩定性而不消除