正向滲透膜的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年8月24日、發(fā)明名稱為"正向滲透膜"的申請(qǐng)?zhí)枮?201080048101. 6的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003] 本申請(qǐng)根據(jù)Section 119要求2009年8月24日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) No. 61/236, 44U2009年10月21日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/253, 786和2009年12月 31日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/291，430的優(yōu)先權(quán)，其各自的整個(gè)公開內(nèi)容為了所有目的 由此通過引入以其整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 一個(gè)或多個(gè)方面大體涉及滲透分離。更具體地，一個(gè)或多個(gè)方面涉及在設(shè)計(jì)的滲 透分離過程中使用的膜。
【背景技術(shù)】
[0005] 半透膜基于它們的選擇性屏障性質(zhì)，對(duì)液體基本可滲透而對(duì)溶質(zhì)基本不可滲透。 滲透驅(qū)動(dòng)的膜分離通常依賴于驅(qū)動(dòng)力，該驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)（draw solute)通過在分離過 程中使用的膜的一個(gè)或多個(gè)支持層相關(guān)。
[0006] 液體分離中使用的聚合物膜通常為薄膜復(fù)合（TFC)膜，該薄膜復(fù)合膜通常包括多 孔支持結(jié)構(gòu)上的選擇性屏障。高選擇性膜的近期發(fā)展主要集中在反向滲透（RO)過程。反 向滲透為壓力驅(qū)動(dòng)的過程，在該過程中，一旦過度的水壓超過溶液的滲透壓，水通量（water flux)通過膜的主要阻力便為流體力學(xué)的。與之相反，正向滲透（FO)為擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的過程。 RO和FO過程中影響水通量的因素是不同的，因此需要不同的膜結(jié)構(gòu)以達(dá)到最佳性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的方面大體涉及正向滲透膜和制備正向滲透膜的方法。
[0008] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方式，制備正向滲透膜的方法可包括：提供包括至少第一層 和第二層的支持結(jié)構(gòu)；向該支持結(jié)構(gòu)的第一層施加材料以形成膜支持層；向該膜支持層施 加屏障材料以形成正向滲透膜；以及通過從該支持結(jié)構(gòu)的第二層分離該支持結(jié)構(gòu)的第一層 釋放該正向滲透膜。
[0009] 在一些實(shí)施方式中，該支持結(jié)構(gòu)可包括雙層結(jié)構(gòu)。該支持結(jié)構(gòu)的第一層可具有大 于約50cfm/ft 2分鐘的Frazier透氣性。施加至該支持結(jié)構(gòu)的第一層的材料可以約5-20g/m2 的涂層施加。所述正向滲透膜可具有小于約125微米的總厚度。該屏障材料可包括半滲透 材料。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，該屏障材料可包括聚合物。在一些非限制性實(shí)施方式中，該 屏障材料可包括聚酰胺脲、聚哌嗪或嵌段共聚物。該支持結(jié)構(gòu)可包括聚合物紙（polymeric paper)。該支持結(jié)構(gòu)可包括PET或聚丙烯。
[0010] 在一些實(shí)施方式中，該方法可進(jìn)一步包括將該正向滲透膜進(jìn)行再潤(rùn)濕。該方法也 可進(jìn)一步包括將添加劑添加至該膜的一層或多層。在至少一些實(shí)施方式中，通過分離支持 結(jié)構(gòu)的第一層和第二層釋放正向滲透膜的步驟可包括在該正向滲透膜的至少一部分中修 飾（modifying)孔結(jié)構(gòu)。該方法可進(jìn)一步包括將該支持結(jié)構(gòu)的第二層進(jìn)行再使用。
[0011] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方式，制備正向滲透膜的方法可包括將無紙支持結(jié)構(gòu)澆注在 制備帶（belt)或滾筒（drum)上；將屏障材料沉積在該無紙支持結(jié)構(gòu)上；以及將該無紙支 持結(jié)構(gòu)與制備帶脫層（delaminating)以形成正向滲透膜。
[0012] 在一些實(shí)施方式中，構(gòu)建和設(shè)置該帶或滾筒以提供保留一部分所述支持結(jié)構(gòu)的表 面。可在所述帶或滾筒完全旋轉(zhuǎn)之前移除所述保留的支持結(jié)構(gòu)。
[0013] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方式，促進(jìn)正向滲透分離操作的方法可包括：提供支持結(jié)構(gòu)； 向該支持結(jié)構(gòu)施加材料以形成膜支持層；向該膜支持層施加屏障層以形成正向滲透膜；以 及將該正向滲透膜配置在正向滲透膜組件（module)中，以使在正向滲透分離操作過程中， 該支持結(jié)構(gòu)可為供應(yīng)至所述組件的驅(qū)動(dòng)溶液或進(jìn)料溶液提供間隔物或流道。
[0014] 在一些實(shí)施方式中，提供該支持結(jié)構(gòu)可包括提供雙層結(jié)構(gòu)。該方法可進(jìn)一步包括 提供驅(qū)動(dòng)溶液源。
[0015] 根據(jù)一種或多種非限制性的實(shí)施方式，正向滲透膜可包括小于約75微米的織物 層、施加在該織物層上的小于約50微米的支持層以及施加在該支持層上的屏障層。該正向 滲透膜可具有小于約125微米的總厚度。
[0016] 在一些實(shí)施方式中，所述屏障層可包括聚酰胺。所述支持層可包括PET。該支持層 可總共包含小于約30g/m 2的材料。支持材料可以約8-17. 5g/m2的涂層施加。所述支持層、 支持材料和屏障層的組合重量總共可為約20-40g/m2。該支持層可以濕法制備。
[0017] 在一些實(shí)施方式中，一個(gè)方法可包括通過浸漬在包含增強(qiáng)潤(rùn)濕的溶質(zhì)的水中，將 正向滲透膜進(jìn)行再潤(rùn)濕。所述溶質(zhì)可為表面活性劑。在其它實(shí)施方式中，該方法可進(jìn)一步 包括通過浸漬在包含低表面張力溶劑的水中，將該膜進(jìn)行再潤(rùn)濕。所述溶劑可包括醇。在 一些實(shí)施方式中，所述溶劑可包括異丙醇、乙醇或甲醇。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，將所述支 持結(jié)構(gòu)嵌入親水性材料中。在一些實(shí)施方式中，所述屏障材料包括聚酰胺。
[0018] 以下詳細(xì)討論這些示例性方面和實(shí)施方式的其它方面、實(shí)施方式和優(yōu)點(diǎn)。此外，應(yīng) 理解上述信息和以下詳細(xì)描述都僅為各個(gè)方面和實(shí)施方式的解釋性實(shí)例，旨在提供用于理 解要求保護(hù)的方面和實(shí)施方式的性質(zhì)和特征的概述或框架。包括附圖以提供各個(gè)方面和實(shí) 施方式的闡述和進(jìn)一步理解，將其并入并構(gòu)成該申請(qǐng)文件的一部分。附圖以及該申請(qǐng)文件 的剩余部分用來解釋所描述和要求保護(hù)的方面和實(shí)施方式的原理和操作。
【附圖說明】
[0019] 以下參考附圖討論至少一個(gè)實(shí)施方式的多個(gè)方面。提供附圖以闡述和解釋本發(fā) 明，并非用于限制本發(fā)明。在附圖中：
[0020] 圖1-圖6表示所附實(shí)施例中涉及的數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 滲透分離過程通常涉及基于滲透壓差而產(chǎn)生通過半透膜的水通量。對(duì)于該膜的 選擇性屏障，因?yàn)樗臐B透性比溶質(zhì)更大，溶質(zhì)可能被膜截留（rejected)并保留在其中一 偵k溶質(zhì)可能是不需要的，因此通過膜分離從生產(chǎn)液流移除溶質(zhì)用以純化；或溶質(zhì)可能是需 要的，在此情況下，它們可通過膜分離過程被濃縮和收集。
[0022] 膜可用于多種滲透驅(qū)動(dòng)的分離過程，例如但不限于脫鹽、廢水純化和再使用、FO或 壓力延緩滲透（PRO)生物反應(yīng)器、各種液體流的濃縮或脫水、藥物和食品級(jí)應(yīng)用中的濃縮、 PRO能量產(chǎn)生和通過滲透熱機(jī)的能量產(chǎn)生。
[0023] 聚合物膜通常包括多孔支持結(jié)構(gòu)，該多孔支持結(jié)構(gòu)為選擇性層提供機(jī)械和結(jié)構(gòu)支 持。膜可根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用成形為多種形狀，包括螺旋纏繞、中空纖維、管板和平板（tubular and flat sheet)。膜特征應(yīng)被定制以達(dá)到理想性能，且可在具體應(yīng)用之間改變。例如，在 FO和PRO應(yīng)用中，分離過程的有效性可通過減小膜厚度和曲折度（tortuosity)并增加其孔 隙度和親水性而提高，且不犧牲強(qiáng)度、鹽截留和透水性性質(zhì)。
[0024] 迄今為止，RO膜工業(yè)已在具有聚砜活性涂層的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET)支持層 上標(biāo)準(zhǔn)化。該P(yáng)ET支持層通常為約4mil厚，基重（basis weight)為約80g/m2，F(xiàn)razier透 氣性為約4cfm/ft7分鐘。盡管很堅(jiān)固，但PET材料通常代表了膜最貴的原料，且對(duì)RO膜 的性能提供的益處很少甚至沒有益處。當(dāng)PET被用作其它滲透分離膜（如用于FO過程和 壓力延緩滲透（PRO)過程的滲透分離膜）的支持結(jié)構(gòu)時(shí)，膜性能被顯著妨礙。
[0025] 因此，可能需要減小支持結(jié)構(gòu)的厚度。然而，減小支持材料的厚度或重量的嘗試可 能與膜加工問題相關(guān)，如無法使所述支持材料通過膜生產(chǎn)線而不產(chǎn)生皺裙（creasing)或 皺紋（wrinkling)。在一些情況中，可發(fā)生膜網(wǎng)斷裂（membrane web breakage)，其可使制 造商產(chǎn)生大量費(fèi)用。
[0026] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方式，可促進(jìn)用于多種設(shè)計(jì)的滲透分離過程的具有減小厚度 的膜的制備。在至少一些實(shí)施方式中，可減小所述膜支持結(jié)構(gòu)的厚度。較薄的支持結(jié)構(gòu)可與 以下相關(guān)：降低的成本、膜中增強(qiáng)的傳質(zhì)和更高的通量（通過減小流體流和溶質(zhì)擴(kuò)散通過 膜支持物的阻力）以及活性膜區(qū)域的量的增加，該活性膜區(qū)域可在分離組件中提供。此外， 因?yàn)樗畼?biāo)準(zhǔn)持續(xù)變得更為嚴(yán)格，減小支持結(jié)構(gòu)的厚度可減小膜中所關(guān)注的多種殘余化學(xué)品 (如二甲基甲酰胺和間苯二胺）的水平。
[0027] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方式，可提供雙層基底以促進(jìn)膜制備。雙層基底可包括膜支 持層，該膜支持層作為最終膜產(chǎn)品的膜支持層。相比常規(guī)的膜支持層，該雙層基底的膜支持 層可具有減小的厚度，同時(shí)提供膜制備（包括在該支持層上施加和處理選擇性層）必需的 總厚度。在一些實(shí)施方式中，該雙層支持物除了膜支持層之外，還可包括可移除的襯墊層以 提供額外厚度。該可移除的襯墊層可預(yù)期在膜制備之后從所述支持層分離。在其它實(shí)施方 式中，該雙層基底可包括預(yù)期在膜制備之后保持完整的襯墊層。在至少一些實(shí)施方式中，該 襯墊層可保持連接至所述支持層且并入膜組件中。
[0028] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方式，雙層基底可包括通常緊密連接（affixed)至可移除的 襯墊層的膜支持層。該膜支持層可為所得膜的支持層，而該可移除的襯墊層可為大部分犧 牲的（largely sacrificial)、暫時(shí)向該支持層提供增加的厚度以促進(jìn)膜加工。相比常規(guī) 的膜支持層，該雙層基底的膜支持層可通常為厚度減小、基重輕的層。在至少一個(gè)實(shí)施方式 中，該支持層可為PET。在一些實(shí)施方式中，該支持層和襯墊層可由相同材料制備。在其它 實(shí)施方式中，它們可由不同材料制備。該雙層基底的特征可為以下特性：使得該兩層一起 的表現(xiàn)與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)PET支持層的表現(xiàn)在膜制備過程中的強(qiáng)度、耐皺褶及一般加工方面類 似。
[0029] 在一些非限制性實(shí)施方式中，該襯墊層的厚度可通常為約2-約4mil，F(xiàn)razier透 氣性為小于約6cfm/ft 2分鐘。頂層（可最終成為本文所述的膜支持結(jié)構(gòu)）的厚度可通常為 小于約2mil，F(xiàn)razier透氣性大于約100cfm/ft 2分鐘。所述正向滲透膜可具有小于約125 微米的總