申请日2012.02.20
公开(公告)日2012.08.22
IPC分类号B01D61/00; C02F1/44
摘要
本发明涉及驱动溶质、驱动溶液、水处理设备和水处理的正渗透方法。正渗透用驱动溶质可包括包含第一结构单元和第二结构单元的共聚物，所述第一结构单元中接枝聚合有温度敏感侧链，所述第二结构单元包括亲水官能团。所述温度敏感侧链可包括包含温度敏感部分的用于侧链的结构单元。
权利要求书
1.正渗透用驱动溶质，所述驱动溶质包括：
包含第一结构单元和第二结构单元的共聚物，所述第一结构单元包括第 一主链和第一侧链，所述第一侧链为接枝聚合至所述第一主链的温度敏感侧 链，所述温度敏感侧链包括至少一种侧链结构单元，所述至少一种侧链结构 单元包括温度敏感部分，所述第二结构单元包括亲水官能团，所述温度敏感 部分为由以下化学式1表示的一价取代基、由以下化学式2表示的一价取代 基、或者由以下化学式3表示的二价取代基：
[化学式1]
*-C(=O)N(R1)(R2)
其中，在以上化学式1中，
R1和R2各自独立地为氢或线型或支化的C3-C5烷基，条件是R1和R2的至少一个不为氢，
[化学式2]
其中，在以上化学式2中，
R3为C3-C5亚烷基，和
[化学式3]
其中，在以上化学式3中，
R4为线型或支化的C3-C5烷基。
2.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述第一主链和所述第二结构 单元的至少一种得自基于乙烯基的化合物、其中R为C2-C6亚烷基的表示 为(RCO)2NH的环状酰亚胺、以及其组合。
3.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述至少一种侧链结构单元由 以下化学式4、化学式5、化学式6、或者其组合表示：
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
其中，在化学式4-6中，
R5和R6各自独立地为线型或支化的C3-C5烷基，和
R7为C3-C5亚烷基。
4.权利要求3的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感侧链包括n个化 学式4、化学式5、或化学式6，n为2-30的整数。
5.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述至少一种侧链结构单元得 自选自如下的一种：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N，N-二乙基丙烯酰胺 (DEAAM)、N-乙烯基己内酰胺(VCL)、以及其组合。
6.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述亲水官能团包括选自如下 的一种：氢、羟基、酰胺基团、以及其组合。
7.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述第二结构单元包括第二主 链和第二侧链，且所述亲水官能团为所述第二结构单元的第二主链或第二侧 链中的取代基。
8.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述共聚物以1∶99-99∶1的摩 尔比包括所述第一结构单元和所述第二结构单元。
9.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述共聚物具有5000-100,000 的数均分子量。
10.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述共聚物具有在低于最低 临界溶解温度(LCST)的第一温度下大于或等于100g/L的在水中的第一溶解 度、和在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的第二温度下小于或等于 1g/L的在水中的第二溶解度。
11.权利要求10的正渗透用驱动溶质，其中所述最低临界溶解温度 (LCST)为10-50℃。
12.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述共聚物的温度敏感侧链 在低于最低临界溶解温度(LCST)的第一温度下与水形成氢键，并且所述温度 敏感侧链包括在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的第二温度下在 其间形成氢键以可逆地附聚的多个温度敏感侧链。
13.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述共聚物的大于或等于50 重量%在低于最低临界溶解温度(LCST)的第一温度下具有第一粒度和在高 于所述最低临界溶解温度(LCST)的第二温度下具有第二粒度，所述第二粒度 为所述第一粒度的10-10,000倍。
14.正渗透水处理设备，包括：
包括对象材料和原料水的原料液;
包括权利要求1-13任一项的正渗透用驱动溶质和驱动水的渗透驱动溶 液;
具有第一侧和第二侧的半透膜，所述第一侧接触所述原料液，所述第二 侧接触所述渗透驱动溶液，所述半透膜配置成容许所述原料液的所述原料水 穿过加入所述渗透驱动溶液中以形成组合溶液，同时排除所述原料液的所述 对象材料;
回收系统，其配置成从所述组合溶液分离和回收所述驱动溶质以产生经 处理的水;和
连接器，其配置成将通过所述回收系统回收的驱动溶质再引入到接触所 述半透膜的第二侧的渗透驱动溶液中。
15.权利要求14的正渗透水处理设备，进一步包括：
出口，其配置成将所述回收系统中来自所述组合溶液的经处理的水输 出。
16.权利要求14的正渗透水处理设备，其中所述回收系统包括回收温度 控制器，其配置成将所述组合溶液加热至大于或等于最低临界溶解温度 (LCST)以使所述驱动溶质可逆地附聚为所述组合溶液中的沉淀物。
17.权利要求14的正渗透水处理设备，其中所述连接器包括连接器温度 控制器，其配置成将所回收的驱动溶质冷却至低于最低临界溶解温度(LCST) 以使该回收的驱动溶质溶解在所述渗透驱动溶液中。
18.权利要求14的正渗透水处理设备，其中所述回收系统包括微滤(MF) 膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜、或离心机。
19.用于水处理的正渗透方法，包括：
使原料液以及渗透驱动溶液与半透膜接触，所述原料液包括对象材料和 原料水，所述渗透驱动溶液包括权利要求1-13任一项的正渗透用驱动溶质 和驱动水;
通过渗透压驱动所述原料液中的所述原料水通过所述半透膜并且进入 到所述渗透驱动溶液中以形成组合溶液，同时排除所述原料液中的所述对象 材料;
将所述组合溶液加热至高于最低临界溶解温度(LCST)的温度以使所述 驱动溶质可逆地附聚为所述组合溶液中的沉淀物;和
从所述组合溶液分离和回收所述沉淀物以产生回收的驱动溶质和经处 理的水。
20.权利要求19的方法，进一步包括：
将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度 以将所述驱动溶质溶解在接触所述半透膜的渗透驱动溶液中。
说明书
驱动溶质、驱动溶液、水处理设备和水处理的正渗透方法
技术领域
本文中公开了正渗透用驱动(汲取，draw)溶质、包括所述驱动溶质的驱 动溶液、使用其的正渗透水处理设备、和使用其的用于水处理的正渗透方法。
背景技术
渗透(或正渗透)是指其中处于较低溶质浓度的部分中的水向较高溶质浓 度的溶液运动的现象。另一方面，反渗透是人工加压以使水以相反方向运动 的方法。
通过反渗透脱盐是水处理领域中的已知技术。通常，反渗透脱盐包括人 工加入相对高的压力以使水以相反方向运动穿过膜，从而产生淡水。由于反 渗透要求相对高的压力，其也具有较高的能量消耗。为了提高能量效率，已 经提出利用渗透压原理的正渗透。作为用于渗透驱动溶液的溶质，已经使用 碳酸氢铵、二氧化硫、脂族醇、硫酸铝、葡萄糖、果糖、硝酸钾等。其中， 碳酸氢铵驱动溶液是最常见的，其可在正渗透之后在约60℃的温度下分解 为氨和二氧化碳并且分离。此外，新近提出的驱动溶液材料包括：连接有亲 水性肽的磁性纳米颗粒(通过磁场分离)、聚合物电解质例如树枝状化合物(通 过UF或NF膜分离)等。
在碳酸氢铵的情况下，应将其加热至约60℃或更高以使其蒸发，从而 需要较高的能量消耗。而且，由于氨的完全除去实际上是困难的，因此由于 氨的气味，使用其作为饮用水是不够理想的。在磁性纳米颗粒的情况下，使 通过磁场分离和附聚的磁性颗粒再分散是相对困难的。完全除去所述纳米颗 粒也是相对困难的，并且因此应该考虑所述纳米颗粒的毒性。在聚合物电解 质的情况下，聚合物离子(树枝状化合物、蛋白质等)技术由于该聚合物几纳 米到数百纳米的RH尺寸而需要纳滤或超滤膜过滤。使过滤之后的附聚聚合 物再分散也是相对困难的。
发明内容
各实施方式涉及正渗透用驱动溶质，其对于分离和回收具有较低的能量 需求。
各实施方式涉及正渗透水处理设备，其使用包括所述正渗透用驱动溶质 的渗透驱动溶液。
各实施方式涉及使用所述正渗透用驱动溶质的用于水处理的正渗透方 法。
根据非限制性实施方式，正渗透用驱动溶质可包括包含第一结构单元和 第二结构单元的共聚物。所述第一结构单元可包括第一主链和第一侧链。所 述第一侧链可为接枝聚合至所述第一主链的温度敏感侧链。所述温度敏感侧 链可包括至少一种包括温度敏感部分(moiety)的用于侧链的结构单元(侧链 结构单元)。所述第二结构单元可包括亲水官能团。
所述温度敏感部分可为由以下化学式1表示的一价取代基、由以下化学 式2表示的一价取代基、或者由以下化学式3表示的二价取代基：
[化学式1]
*-C(=O)N(R1)(R2)
其中，在以上化学式1中，
R1和R2各自独立地为氢或线型或支化的C3-C5烷基，条件是R1和R2的至少一个不为氢，
[化学式2]
其中，在以上化学式2中，
R3为C3-C5亚烷基，和
[化学式3]
其中，在以上化学式3中，
R4为线型或支化的C3-C5烷基。
所述共聚物的第一主链和第二结构单元主链的至少一个可包括得自如 下的结构单元：基于乙烯基的化合物、表示为(RCO)2NH的环状酰亚胺(其中 R为C2-C6亚烷基)、以及其组合。
所述包括温度敏感部分的用于侧链的结构单元可为由以下化学式4表 示的结构单元、由以下化学式5表示的结构单元、或者由以下化学式6表示 的结构单元：
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
其中，在化学式4-6中，
R5和R6各自独立地为线型或支化的C3-C5烷基，和
R7为C3-C5亚烷基。
所述温度敏感侧链可包括选自如下的一种：由化学式4表示的结构单 元、由化学式5表示的结构单元、由化学式6表示的结构单元、以及其组合。
所述温度敏感侧链可包括n个由化学式4表示的结构单元、由化学式5 表示的结构单元、或者由化学式6表示的结构单元，其中n可为2-30的整 数。
所述包括温度敏感部分的用于侧链的结构单元可得自选自如下的一种： N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N，N-二乙基丙烯酰胺(DEAAM)、N-乙烯基己 内酰胺(VCL)、以及其组合。
所述亲水官能团可包括选自如下的一种：氢、羟基、酰胺基团、以及其 组合。
所述第二结构单元可包括第二主链和第二侧链，且所述亲水官能团可为 在所述第二结构单元的第二主链或第二侧链中的取代基。
所述共聚物可以约1∶99-约99∶1的摩尔比包括所述第一结构单元和所述 第二结构单元。
所述共聚物可具有约5000-约100,000的数均分子量。
在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述共聚物可具有大于或等 于约100g/L的在水中的溶解度。相反，在大于或等于最低临界溶解温度 (LCST)的温度下，所述共聚物可具有小于或等于约1g/L的在水中的溶解度。
所述最低临界溶解温度(LCST)可为约10-约50℃。
在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述共聚物的温度敏感 侧链可与水形成氢键。另一方面，在大于或等于所述最低临界溶解温度 (LCST)的温度下，所述温度敏感侧链可在其间形成氢键以可逆地自附聚。
从低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度到高于所述最低临界溶解 温度(LCST)的温度，总驱动溶质的大于或等于50重量%的共聚物的粒度可 提高到约10-约10,000倍。
根据另一非限制性实施方式，正渗透水处理设备可包括：用于纯化的原 料液，其包括待分离的对象材料(subject material);渗透驱动溶液，其包括所 述正渗透用驱动溶质;半透膜，其在一侧接触所述原料液和在另一侧接触所 述渗透驱动溶液;回收系统，其配置成分离和回收所述渗透驱动溶液的所述 驱动溶质;和连接器，其配置成将通过所述回收系统回收的所述渗透驱动溶 液的驱动溶质再引入到接触所述半透膜的渗透驱动溶液中。
所述正渗透水处理设备可进一步包括出口，其配置成在通过所述回收系 统分离所述驱动溶质之后由所述渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水， 其包括已经通过渗透压从所述原料液穿过所述半透膜的水。
所述回收系统可包括将所述驱动溶质加热至大于或等于最低临界溶解 温度(LCST)以使所述驱动溶质可逆地附聚的温度控制器。
所述连接器可包括将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解 温度(LCST)以使所回收的驱动溶质的附聚分解(解开，disassemble)的温度控 制器。
所述回收系统可包括微滤(MF)膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜、或者离心 机。
根据又一非限制性实施方式，用于水处理的正渗透方法可包括：将用于 纯化的包括待分离的对象材料的原料液以及包括所述正渗透用驱动溶质的 渗透驱动溶液与位于其间的半透膜接触，使得所述原料液中的水通过渗透压 穿过所述半透膜并且运动至具有比原料液低的渗透压浓度的所述渗透驱动 溶液;将所述渗透驱动溶液(其包括已经穿过所述半透膜并且已经运动至所 述渗透驱动溶液的水)加热至高于最低临界溶解温度(LCST)的温度，使得所 述渗透驱动溶液中的驱动溶质可逆地自附聚;从所述渗透驱动溶液(其包括 已经穿过所述半透膜并且已经运动至所述渗透驱动溶液的水)分离和回收所 述可逆地自附聚的驱动溶质;和由包括已经穿过所述半透膜并且已经运动至 所述渗透驱动溶液的水并且已经从其除去所述可逆地自附聚的驱动溶质的 渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水。
所述用于水处理的正渗透方法可进一步包括将所回收的驱动溶质冷却 至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度，以使附聚的驱动溶质分解并且 将其再引入到接触所述半透膜的渗透驱动溶液中。
