專利名稱：通過膜的多相選擇性物質(zhì)傳遞的制作方法
通過膜的多相選擇性物質(zhì)傳遞
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
該申請(qǐng)要求2007年1月20日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)序號(hào)60/881,690和2007年5月9日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)序號(hào)60/917,037的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明總的說來涉及通過膜進(jìn)行選擇性物質(zhì)傳遞的領(lǐng)域，并尤其可用于加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)、氣體處理、干燥、蒸餾、脫鹽、流體分離和提純。
相關(guān)領(lǐng)域的描述
從含有特定偶極(例如高偶極)矩材料的材料獲得所述特定偶極矩材料的所需濃度是眾多應(yīng)用中面臨的常見問題。例如，脫鹽是從含有液態(tài)水的材料即鹽水(例如海水)獲取幾乎100%濃度的高偶極矩材料即液態(tài)水。而且，干燥是從含有液態(tài)水的材料(例如潮濕空氣)獲得幾乎0%濃度的高偶極矩材料即液態(tài)水。
類似地，眾多其它應(yīng)用與從含有 一種或多種所選材料的材料獲得所需濃度的所述一種或多種所選材料如溶解的離子、氧化物等有關(guān)。例如，
來自煙道氣的C02提取物是從含有C02的材料(即煙道氣)獲取幾乎
0%濃度的一種或多種所選材料(即C02)。
大部分的熱能和電能被用于獲得所需濃度的特定材料。因此，對(duì)用于得到此類濃度的有效系統(tǒng)和方法存在需求。效率上即使小的改善都可能帶來大的能量節(jié)省。
從鹽水如微咸水、海水等獲得飲用水的現(xiàn)有技術(shù)方法包括通過疏水性多孔膜蒸餾所迷鹽水。這些膜典型地由疏水性材料如PTFE或聚丙烯構(gòu)造，所述疏水性材料已經(jīng)成型為含有高密度極小孔的單獨(dú)的高孔隙度的薄層。以此方式構(gòu)造的膜通常稱為微孔膜。
微孔膜典型地在跨越所述膜由熱產(chǎn)生的濃度差使得該膜笫一側(cè)上的液態(tài)水能夠蒸發(fā)通過所述膜進(jìn)入較冷環(huán)境(該較冷環(huán)境與所迷膜的相對(duì)側(cè)接觸或鄰接地靠近)中時(shí)使用。在所述膜第一側(cè)上的液體界面處圍繞所述孔的膜材料具有低的表面能且不會(huì)允許液體進(jìn)入。相反，水的表面張力在進(jìn)入這些孔的入口上形成彎液面或"橋"。水分子在該彎液面內(nèi)從低熵的液態(tài)過渡到高熵的汽態(tài)。水蒸氣擴(kuò)散進(jìn)入所述膜的本體^運(yùn)輸至該膜的其它面，在此處水蒸氣同較低溫度的液體接觸并再冷凝。在這類膜中，在水中溶解的離子留置在覆蓋液體界面處的孔的水彎液面內(nèi)。
這些膜在使用過程中經(jīng)歷若干失效機(jī)理。在彎液面處出現(xiàn)向水蒸氣的轉(zhuǎn)變，使得溶解的離子濃縮。溶解離子濃度最終提高到溶解的離子沉淀的程度。這些沉淀的離子在孔上形成屏障，降低了液態(tài)水進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵狻?一旦這些沉淀的離子形成屏障，再溶解它們是特別困難的。第二種失效機(jī)理當(dāng)水蒸氣在膜的孔內(nèi)冷凝時(shí)出現(xiàn)。 一旦足夠的液態(tài)水已經(jīng)冷凝進(jìn)入所述孔中以形成連接所述膜的 一個(gè)面到另 一 面的通路，溶解的離子就自由地?cái)U(kuò)散進(jìn)入該膜。這些溶解的離子在內(nèi)部污染所述膜并且即使并非不可能除去那也是難以除去的。
現(xiàn)有的鹽水脫鹽設(shè)備通常使用反滲透膜。這些膜由疏水聚合物構(gòu)造且其具有的孔隙度和孔徑使得僅有水能夠通過所述膜，而留下溶解鹽類
和鹽水中包含的礦物。由于用來構(gòu)造這些膜的材料是疏水的，因此需要壓差來推動(dòng)水通過所述膜。因此，將鹽水加壓以推動(dòng)其通過所述膜。
不幸地，所述壓力也推動(dòng)那些本來過大而不能通過所述膜的污染物進(jìn)入孔隙結(jié)構(gòu)，降低了所述膜的功效。因此，所述膜必須通過定期的反向沖洗、表面沖刷等清潔以除去這些污染物。為了保持所需的脫鹽水生產(chǎn)速率，反滲透設(shè)備必須構(gòu)造為具有至少一些多余容量以允許進(jìn)行膜的清潔。
此類現(xiàn)有技術(shù)反滲透法要求大量能量以推動(dòng)水通過所述膜。而且，此類設(shè)備是昂貴的，這是由于支持帶有必要膜清潔的加壓運(yùn)行所必需的管道的復(fù)雜性。反滲透法還被認(rèn)為是不穩(wěn)定的，這是由于其對(duì)鹽水中的溶解離子、有機(jī)蛋白質(zhì)和生物群的類型和量敏感。
因此，對(duì)于比反滲透法更加成本有效的、更可靠的和/或耗能較少的脫鹽方法仍然存在需求。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的某些實(shí)施方案涉及脫鹽系統(tǒng)，其包含布置在笫 一材料流和第二材料流之間的膜組合件(membrane assembly),所述笫一材誶牛流具有第一溫度并包含高偶極矩液體(a high-dipole moment liquid)和眾多溶解離子，所述第二材料流具有第二溫度，該第二溫度低于所述第一溫度，所述膜組合件包含結(jié)合至支撐體的膜，所述膜與所述第一材料流接觸而所述支撐體與所述第二材料流接觸，所述膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許至少一部分所述高偶極矩第一材料通過該膜組合件進(jìn)入所述第二材料中，其中所述膜組合件包括包含離聚聚合物域(ionomeric polymer domain )的無孔的選擇性傳遞膜，所述膜對(duì)高偶極材料是可滲透的同時(shí)阻止溶解離子通過該膜組合件。
在某些情況中，所述膜組合件的膜包括具有第 一表面和第二表面的選擇性傳遞膜，物質(zhì)交換器(mass exchanger)的第一表面是所述選擇性傳遞膜的第一表面且物質(zhì)交換器的笫二表面是所述選擇性傳遞膜的第二表面。所述選擇性傳遞膜的離聚聚合物域可形成適于供高偶極液體或氣體從該膜的一個(gè)面移動(dòng)到另 一面的鄰接導(dǎo)管(contiguous conduit)。另外，所述離聚聚合物具有基礎(chǔ)樹脂且在所述離聚聚合物離子聚合之前該基礎(chǔ)樹脂選自聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚環(huán)氧乙烷(PEO),聚苯乙烯(PS),聚酯，聚碳酸酯(PC)，聚氯乙烯(PVC),尼龍，自化聚合物或卣化共聚物如全氟化共聚物，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA),丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),聚酰胺(PA)，聚四氟乙烯(？??？6)(如00^-丁6乂@),聚乳酸(PLA),聚偏氯乙烯(PVDC),苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR),苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS);苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯(SEPS),乙烯-苯乙烯互聚物(ESI)，苯乙烯丙烯酸酯，聚醚醚酮(PEEK),聚對(duì)苯二曱酸乙二酯(PET或PETE),聚苯并咪唑(PBI),磷酸基膜，NafioiA磺化的四氟乙烯共聚物)，及其任何組合。
本文公開的選擇性傳遞膜包括對(duì)高偶極矩材料是可滲透的且包含聚合物或聚合物復(fù)合物的阻擋層。在某些情況中，所述膜組合件包含選擇性傳遞膜，該選擇性傳遞膜具有第一表面和第二表面，并進(jìn)一步包含具有第一表面和第二表面的多孔支撐體，所述選擇性傳遞膜的第二表面定位為與所述多孔支撐體的第一表面毗鄰，所述膜組合件的第 一表面是所述選擇性傳遞膜的第一表面且所述膜組合件的第二表面是所述多孔支撐體的第二表面，該多孔支撐體可以是親水性的。
在某些實(shí)施方案中，眾多溶解離子包括鈉離子和/或氯化物(或氯)離子。在某些情況中，本文公開的所述第一材料是微咸水或海水。在其它 情況中，所述第一材料是從發(fā)電廠排放的海水。
在其它實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以將所述第 一材料 流加熱至第一溫度的換熱器，并且當(dāng)所述高偶極矩液體與所述第二材料 結(jié)合時(shí)，所述高偶極矩液體將熱能傳遞至所述第二材料以提高所述第二
溫度，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以將傳遞至所述笫二材料的至少一 部分熱能在所述第一材料流的一部分與所述膜接觸之前傳遞到所述第 一材4牛流的該 一部分。
在某些實(shí)施方案中，當(dāng)所述高偶極矩液體與所述笫二材料結(jié)合時(shí)， 該高偶極矩液體將熱能傳遞至該第二材料以將所述第二溫度提高到第 三溫度，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以將所述第二材料的該第三溫度 降低至所述第二溫度的換熱器。在其它實(shí)施方案中，當(dāng)所述高偶極矩液 體與所述第二材料結(jié)合時(shí)，該高偶極矩液體將熱能傳遞至該第二材料以 將所述第二溫度提高到第三溫度，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含容納處于第四 溫度的所述第二材料的貯器，所述第三溫度大于該笫四溫度；以及換熱 器，該換熱器經(jīng)構(gòu)造以通過所述高偶極矩液體將傳遞至所述第二材料的 至少一部分熱能傳遞至在所述貯器中的一部分所述第二材料，由此將所 述第二材料的所述笫三溫度降低至所述第二溫度。
在某些實(shí)施方案中，與所述膜接觸的笫 一部分第一材料流包含眾多 溶解離子并被禁止通過所述膜組合件通行，還包含熱能，所述系統(tǒng)進(jìn)一 步包含經(jīng)構(gòu)造以將所述第一部分第一材料流的至少一部分熱能在第二 部分第一材料流與所述膜接觸之前傳遞到該第二部分第一材料流的換 熱器。
本文描述的特定實(shí)施方案包括包含外殼(housing)的真空輔助蒸發(fā) 器，該外殼具有由膜組合件分叉為第一腔室和第二腔室的中空部分，所 述第一腔室包含部分真空、冷凝表面和端口 (port),所述第二腔室包 含入口和出口 ，該入口經(jīng)構(gòu)造以允許包含高偶極矩液體和眾多溶解離子 的第一材料流流入該第二腔室，所述膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許至少一部分 所述高偶極矩笫一材料通過該膜組合件通行進(jìn)入所述第一腔室，該膜組 合件包括包含離聚聚合物域的無孔的選擇性傳遞膜，該膜對(duì)高偶極材料 是可滲透的而阻止溶解離子通過該膜組合件通行，所述第二腔室的出口 經(jīng)構(gòu)造以允許所述眾多溶解離子流出該笫二腔室，所述冷凝表面經(jīng)構(gòu)造以在所述第一腔室中冷凝蒸發(fā)的高偶極矩液體，且所述端口經(jīng)構(gòu)造以允 許冷凝的高偶極矩液體離開所述第 一腔室。
在某些情況中，所述膜組合件包括具有第一表面和第二表面的選擇 性傳遞膜，物質(zhì)交換器的第一表面是所述選擇性傳遞膜的第一表面且物 質(zhì)交換器的第二表面是所述選擇性傳遞膜的第二表面。本文公開的膜組 合件包括結(jié)合至支撐體的膜，該膜與在所述第二腔室中的所述第一材料 接觸且所述支撐體與在所述第一腔室中的部分真空接觸。
本文還公開了真空輔助的蒸發(fā)器系統(tǒng)，其包括包括連接至支撐體 的膜的膜組合件，所述膜在第 一腔室中與具有第 一壓力的笫 一材料流接 觸且所述支撐體在第二腔室中與具有第二壓力的部分真空接觸，所述第 一壓力大于所述第二壓力，所述第一材料包括高偶極矩液體，所述膜組 合件經(jīng)構(gòu)造以允許至少一部分所述高偶極矩第一材料通過所述膜組合 件通行進(jìn)入所述第二腔室，所述膜組合件包括包含離聚聚合物域的無孔 的選擇性傳遞膜，所述膜對(duì)高偶極材料是可滲透的而阻止溶解離子通過 該膜組合件通行；以及經(jīng)構(gòu)造以接收和冷凝蒸發(fā)的高偶極矩液體的冷凝 器。在某些情況中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以從第二腔室收集蒸發(fā) 的高偶極矩液體并引導(dǎo)其進(jìn)入冷凝器的壓縮機(jī)。
在其它情況中， 一部分第一材料流沒有通過所述膜組合件蒸發(fā)且所 述第一腔室包括出口 (該部分第一材料流通過該出口離開所述第一腔 室)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以從冷凝的高偶極矩液體將熱能傳遞 至通過所述出口離開所述第一腔室的該部分第一材料流的換熱器。
在其它實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以在所述第二腔室 內(nèi)部保持至少一部分所述部分真空的真空泵。在其它實(shí)施方案中，所述 系統(tǒng)進(jìn)一 步包括經(jīng)構(gòu)造以從第二腔室收集蒸發(fā)的高偶極矩液體并引導(dǎo) 其進(jìn)入冷凝器的壓縮機(jī)；以及連接至所述第二腔室的真空泵，所述壓縮 機(jī)和真空泵經(jīng)構(gòu)造以在所述第二腔室內(nèi)部保持所述部分真空。在其它實(shí) 施方案中，所述冷凝器進(jìn)一步包括其溫度經(jīng)構(gòu)造以冷凝所述蒸發(fā)的高 偶極矩液體的冷凝表面；和經(jīng)構(gòu)造以決定所述冷凝表面溫度的第 一材料
流o
本文公開的所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括多個(gè)串聯(lián)布置的、配置在所述膜 組合件和冷凝器之間的蒸發(fā)腔室，各蒸發(fā)腔室具有兩個(gè)包含壓縮機(jī)元件 的蒸發(fā)子腔室，所述兩個(gè)子腔室通過所述壓縮機(jī)元件連通。本文還公開了真空輔助的脫鹽系統(tǒng)，其包括經(jīng)構(gòu)造以接收鹽水并 從其中提取第 一部分水以產(chǎn)生第 一濃縮鹽水溶液的第 一真空輔助蒸發(fā) 器，該蒸發(fā)器具有包括包含離聚聚合物域的無孔的選擇性傳遞膜的膜組 合件，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的而阻止溶解離子通過該膜組合件通 行；經(jīng)構(gòu)造以接收通過所述第一真空輔助蒸發(fā)器產(chǎn)生的濃縮鹽水溶液并 從其中提取第二部分水以產(chǎn)生第二濃縮鹽水溶液的第二真空輔助蒸發(fā) 器；具有處于一定溫度的冷凝表面的第一冷凝器，該第一冷凝器經(jīng)構(gòu)造 以接收通過所述第一真空輔助蒸發(fā)器提取的第一部分水和所述第二濃 縮鹽水溶液，所述第一冷凝器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以使用所述冷凝表面來冷凝 所述第一部分水并使用所述第二濃縮鹽水溶液來決定所述冷凝表面的 溫度；具有處于一定溫度的冷凝表面的第二冷凝器，該第二冷凝器經(jīng)構(gòu) 造以接收通過所述笫二真空輔助蒸發(fā)器提取的第二部分水和所述第二 濃縮鹽水溶液，所述第二冷凝器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以使用所述冷凝表面來冷 凝所述第二部分水并使用所述第二濃縮鹽水溶液來決定所述冷凝表面 的溫度；經(jīng)構(gòu)造以接收通過所述第一真空輔助蒸發(fā)器提取的第一部分 水、通過所述第二真空輔助蒸發(fā)器提取的第二部分水、和第二濃縮鹽水 溶液，并在所述第二濃縮鹽水溶液被所述第一冷凝器或所述第二冷凝器 接收之前將熱能從所述第一部分水和第二部分水傳遞到所述第二濃縮 鹽水溶液的換熱器；并可進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以收集通過所述第二真空輔 助蒸發(fā)器提取的第二部分水并引導(dǎo)其進(jìn)入所述第二冷凝器的壓縮機(jī)。
本文還公開了氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其包括包括第一腔室、笫二腔室和 膜組合件的干燥器，所述第 一腔室經(jīng)構(gòu)造以接收具有第 一壓力的氣體 流，所述笫二腔室包括具有第二壓力的部分真空，所述膜組合件包括連 接至支撐體的膜，該膜與第一腔室中的氣體流接觸且所述支撐體與第二 腔室中的部分真空接觸，所述第一壓力大于所述第二壓力，所述氣體包 括水蒸氣，所述膜組合件包括包含離聚聚合物域的無孔的選擇性傳遞 膜，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的并適合于將所述氣體流中的至少一部
分水蒸氣通過該膜組合件輸送進(jìn)入所述第二腔室中從而將所述氣體流 的一部分留置在所述笫一腔室中；和經(jīng)構(gòu)造以接收來自所述干燥器的水
蒸氣、將該水蒸氣冷凝為液態(tài)水、并輸出具有第三壓力的作為液態(tài)水流 的冷凝水的冷凝器，和包括第一腔室、第二腔室和膜組合件的蒸發(fā)器， 所述第一腔室經(jīng)構(gòu)造以接收來自所述冷凝器的液態(tài)水，所述第二腔室包括具有第四壓力的部分真空，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，該 膜與第一腔室中的液態(tài)水流接觸且所述支撐體與第二腔室中的部分真 空接觸，所述第三壓力大于所述第四壓力，所述膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許 第一部分液態(tài)水通過所述膜組合件流動(dòng)進(jìn)入所述第二腔室，第二部分液 態(tài)水留置在第一腔室中的液態(tài)水流的一部分中，所述冷凝器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu) 造以接收來自所述蒸發(fā)器的笫二腔室的蒸發(fā)水，將該蒸發(fā)水冷凝為液態(tài)
水，并輸出所述液態(tài)水流中的所述冷凝水；以及經(jīng)構(gòu)造以接收留置在所 述干燥器的笫一腔室中的所述氣體流部分和留置在所述蒸發(fā)器的第一 腔室中的所述液態(tài)水流部分，并將熱能從該氣體流傳遞到所述液態(tài)水流 的換熱器。
其它實(shí)施方案涉及蒸發(fā)器，其包括多個(gè)管狀的料筒，該多個(gè)料筒 各自包括與開口端部分相對(duì)的封閉端部分以及包含阻擋層和支撐體的 膜組合件，該阻擋層圍繞所述料筒的外表面布置并將該支撐體包圍在所 述料筒內(nèi)部；具有多個(gè)孔隙(apertures)的隔板，所述多個(gè)孔隙包含用 于所述多個(gè)管狀料筒的各料筒的孔隙，各孔隙經(jīng)構(gòu)造以接納料筒的所述 開口端部分；通過所述隔板分叉為第一腔室和第二腔室的外殼，所述第
一腔室包含入口(第一材料流可通過該入口進(jìn)入所述第一腔室)和出口 (所述第一材料流可通過該出口離開所述第一腔室)，所述第二腔室包 含端口；以及連接至所述第二腔室端口并經(jīng)構(gòu)造以向所述第二腔室提供 部分真空的壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)通過所述隔板中形成的孔隙延伸并通過所 述料筒的開口端部分進(jìn)入所述多個(gè)管狀料筒的各料筒中，從而將部分真 空引入各料筒中。
其它實(shí)施方案涉及用于乂人包含醇和水的溶液提取水的真空輔助系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包括笫一腔室、第二腔室和膜組合件的第一蒸發(fā)器， 所述第一腔室經(jīng)構(gòu)造以接收具有第一壓力的溶液流，所述第二腔室包括 具有第二壓力的部分真空，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜 與第 一腔室中的溶液流接觸且所述支撐體與第二腔室中的部分真空接 觸，所述第一壓力大于所述第二壓力，所述膜組合件包括包含離聚聚合 物域的無孔的選擇性傳遞膜，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的并適合于將 所述溶液流中的至少一部分醇和第一部分的水通過該膜組合件輸送進(jìn) 入所述第二腔室中，第二部分的水留置在所述笫一腔室中的所述溶液流 的一部分中；經(jīng)構(gòu)造以接收來自所述第一蒸發(fā)器的蒸發(fā)的醇和水，將所述蒸發(fā)的醇和水冷凝為包含醇和水的液體，并將該包含醇和水的液體作
為具有第三壓力的液體醇和水的流輸出的第 一冷凝器；以及包含第 一腔
室、第二腔室和膜組合件的第二蒸發(fā)器，該第一腔室經(jīng)構(gòu)造以接收來自
所述第一冷凝器的液體醇和水的流，該第二腔室包含具有第四壓力的部
分真空，該膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜與笫一腔室中的所述 液體醇和水的流接觸且所述支撐體與所述第二腔室中的所述部分真空
接觸，所述第三壓力大于所述第四壓力，所述膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許將 所述液體醇和水的流中的第一部分液態(tài)水經(jīng)過所述膜組合件輸送進(jìn)入 所述第二腔室，第二部分液體醇和水留置在所述第一腔室中的一部分所 述液體醇和水的流中，所述第一腔室經(jīng)構(gòu)造以輸出留置在該第一腔室中 的所述部分的所述液體醇和水的流。
在某些實(shí)施方案中，所述第二蒸發(fā)器的所述膜組合件的膜包含使得 該膜對(duì)醇來說不可滲透的涂層。在其它實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包 含分子篩，其經(jīng)構(gòu)造以接收留置在所述笫一腔室中并通過所述第二蒸發(fā) 器的第 一腔室輸出的所述部分的所述液體醇和水的流，并從其中除去至 少一部分液態(tài)水。其它實(shí)施方案包括經(jīng)構(gòu)造以在所述第一蒸發(fā)器的第一 腔室內(nèi)部加熱所述溶液流的換熱器，并可進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以使用來自 工業(yè)過程的廢熱在所述第一蒸發(fā)器的第一腔室內(nèi)部加熱所述溶液流的 換熱器。所述系統(tǒng)的其它實(shí)施方案可以包括經(jīng)構(gòu)造以加熱所述第二蒸發(fā) 器的第一腔室內(nèi)部的所述液體醇和水的流的換熱器。在某些情況中，所 述系統(tǒng)包括經(jīng)構(gòu)造以使用來自工業(yè)過程的廢熱加熱在所述第二蒸發(fā)器 的第 一腔室內(nèi)部的所述液體醇和水的流的換熱器。其它實(shí)施方案包括經(jīng) 構(gòu)造以接收通過所述膜組合件輸送進(jìn)入所述第二腔室中的所述第一部 分蒸發(fā)的液態(tài)水并將該第一部分蒸發(fā)的液態(tài)水冷凝為液態(tài)水的笫二冷 凝器。
所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以向所述第一蒸發(fā)器供應(yīng)所述溶液 流的發(fā)酵反應(yīng)器，任選其中該第 一蒸發(fā)器的第 一腔室經(jīng)構(gòu)造以輸出該第 一腔室中的所述部分溶液流，該系統(tǒng)進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以向所述第一 蒸發(fā)器供應(yīng)所述溶液流并接收所述笫一蒸發(fā)器的第一腔室中的所述部 分溶液流的發(fā)酵反應(yīng)器；經(jīng)構(gòu)造以接收通過所述膜組合件輸送進(jìn)入所述 第二蒸發(fā)器的所述第二腔室中的所述第一部分蒸發(fā)的液態(tài)水并將該第 一部分蒸發(fā)的液態(tài)水冷凝為液態(tài)水的第二冷凝器，所述發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以接收來自該第二冷凝器的所述液態(tài)水。
本文還公開了具有包含經(jīng)加熱的空氣的干燥腔室的干燥器，該干燥
器包括經(jīng)構(gòu)造以從經(jīng)加熱的空氣提取水并輸出自其提取水的一部分經(jīng) 加熱的空氣的真空輔助蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器具有包括包含離聚聚合物域的 無孔的選擇性傳遞膜的膜組合件，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的；經(jīng)構(gòu) 造以接收來自所述蒸發(fā)器的提取水并壓縮該提取水以提高其溫度的壓 縮機(jī)；以及經(jīng)構(gòu)造以接收通過所述蒸發(fā)器自其提取了水的所述部分的加 熱的空氣和來自所述壓縮機(jī)的壓縮的提取水、通過從該壓縮的提取水將 熱能傳遞至所述部分的加熱的空氣來加熱所述部分的經(jīng)加熱的空氣，并 將該經(jīng)加熱的空氣返回到所述干燥器的干燥室的換熱器。
本文還公開了用于從煙道氣提取所選材料的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包 括第一腔室、笫二腔室和膜組合件的真空輔助蒸發(fā)器，所述第一腔室經(jīng) 構(gòu)造以接收具有第一壓力的煙道氣流，所述第二腔室包括具有笫二壓力 的部分真空，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜與第一腔室中 的煙道氣流接觸且所述支撐體與笫二腔室中的部分真空接觸，所述第一 壓力大于所述第二壓力，所述膜組合件包括包含離聚聚合物域的無孔的 選擇性傳遞膜，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的并適合于允許所述所選材 料通過該膜組合件通行并進(jìn)入所述第二腔室中，所述第一腔室經(jīng)構(gòu)造以 輸出自其提取所述所選材料的一部分煙道氣；以及經(jīng)構(gòu)造以接收來自所 述蒸發(fā)器的第二腔室的所選材料并濃縮該所選材料的壓縮機(jī)。
如才艮據(jù)本申請(qǐng)的綜述所理解地，本文所述的任何系統(tǒng)均可包括無孔
的選擇性傳遞膜，其中該選擇性傳遞膜的離聚聚合物域形成適合于提供 來自該膜一個(gè)面的高偶極液體或氣體移動(dòng)到另一面的鄰接導(dǎo)管。
如本文公開的，所述無孔的選擇性傳遞膜包括離聚聚合物，其中該 離聚聚合物具有基礎(chǔ)樹脂且在該離聚聚合物離子聚合之前該基礎(chǔ)樹脂 選自聚乙烯(PE),聚丙烯(PP)，聚環(huán)氧乙烷(PEO),聚苯乙烯(PS),聚 酯，聚碳酸酯(PC),聚氯乙烯(PVC),尼龍，卣化聚合物或卣化共聚物 如全氟化共聚物，聚(曱基丙烯酸曱酯)(PMMA),丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)，聚酰胺(PA),聚四氟乙烯(PTFE)(如Gore-Tex⑧)，聚乳酸(PLA), 聚偏氯乙烯(PVDC),苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR),苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙 烯(SEBS);苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯(SEPS),乙烯-苯乙烯互聚物(ESI)， 苯乙烯丙烯酸酯，聚醚醚酮(PEEK),聚對(duì)苯二曱酸乙二酯(PET或PETE),烯共聚物)，及其任 何組合。


圖1是本發(fā)明膜基物質(zhì)交換器的顯示第一材料流和第二材料流的第 一種流動(dòng)構(gòu)造的示意圖。
圖2是圖1所示物質(zhì)交換器的顯示第一材料流和第二材料流的第二 種流動(dòng)構(gòu)造的示意圖。
圖3是圖1所示物質(zhì)交換器的以第二材料-向-第一材料交換模式使 用的示意圖。
圖4是圖1所示物質(zhì)交換器的以第一材料-向-笫二材料交換模式使 用的示意圖。
圖5是圖1所示物質(zhì)交換器的僅有膜的實(shí)施方式的示意圖。
圖6是圖1所示物質(zhì)交換器的示意圖，示出了圖1所示物質(zhì)交換器
的雙層形式的第 一材料側(cè)膜實(shí)施方式。
圖7是圖1所示物質(zhì)交換器的示意圖，示出了圖1所示物質(zhì)交換器
的雙層形式的笫二材料側(cè)膜實(shí)施方式。
圖8是使用多個(gè)管狀料筒的歧管式物質(zhì)交換器的透視圖。 圖9是圖8的物質(zhì)交換器的各個(gè)管狀料筒的俯視剖視圖。 圖9A是圖9的分解透視圖。
圖10是板式樣的物質(zhì)交換器的僅有膜實(shí)施方式的分解透視圖。
圖11是圖1所示物質(zhì)交換器的膜的掃描電子顯微照片圖解。
圖12是經(jīng)構(gòu)造以從海水提取蒸餾水的直接接觸物質(zhì)交換器的一個(gè)
實(shí)施方案的分解示意圖。
圖13是引入了經(jīng)構(gòu)造以從海水提取蒸餾水的直接接觸物質(zhì)交換器
的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖14是包括蒸發(fā)器和冷凝表面的真空輔助物質(zhì)交換器的示意圖。 圖15是引入了經(jīng)構(gòu)造以從海水提取蒸餾水的真空輔助物質(zhì)交換器
的系統(tǒng)的第 一實(shí)施方案的示意圖。
圖16是引入了經(jīng)構(gòu)造以從海水提取蒸餾水的具有串聯(lián)布置的一對(duì)
蒸發(fā)器的真空輔助物質(zhì)交換器的系統(tǒng)的第二實(shí)施方案的示意圖。
圖17是引入了經(jīng)構(gòu)造以從海水提取蒸餾水的具有并聯(lián)布置的一對(duì)蒸發(fā)器的真空輔助物質(zhì)交換器的系統(tǒng)的第三實(shí)施方案的示意圖。
圖18是引入了經(jīng)構(gòu)造以從海水提取蒸餾水的真空輔助物質(zhì)交換器 的系統(tǒng)的第四實(shí)施方案的示意圖。
圖19是引入了經(jīng)構(gòu)造以從海水提取蒸餾水的真空輔助物質(zhì)交換器 的系統(tǒng)的第五實(shí)施方案的示意圖。
圖20是從經(jīng)構(gòu)造以包括三個(gè)堆疊板和兩個(gè)膜/支撐體組合件并用來 從海水提取蒸餾水的圖10的板式物質(zhì)交換器的一個(gè)實(shí)施方案得到的通 量率(flux rate )對(duì)溫度的曲線圖。
圖21是引入了經(jīng)構(gòu)造以從氣體如空氣提取水并冷卻該氣體的具有 串聯(lián)布置的干燥器和蒸發(fā)器的真空輔助物質(zhì)交換器的系統(tǒng)的示意圖。
圖22是使用多個(gè)管狀料筒的真空輔助蒸發(fā)器裝置的分解透視圖。
圖23是引入了圖22的蒸發(fā)器裝置的物質(zhì)交換器的部分分解透視圖。
圖24是引入了串聯(lián)布置的一對(duì)物質(zhì)交換器的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案 的示意圖，第一物質(zhì)交換器經(jīng)構(gòu)造以接收乙醇和水溶液、從該溶液提取 乙醇和第一部分水、并將提取的乙醇和第一部分所述水輸出到第二物質(zhì)
交換器，且該第二物質(zhì)交換器經(jīng)構(gòu)造以接收所述第一物質(zhì)交換器的輸出 物、從所述第一物質(zhì)交換器的輸出物提取第二部分水、并輸出減去了該 提取的第二部分水的所述第 一物質(zhì)交換器的輸出物。
圖25是用于圖24所述系統(tǒng)的蒸發(fā)器的一個(gè)示例性實(shí)施方案的示意圖。
圖26是圖24系統(tǒng)的一個(gè)替代性實(shí)施方案的示意圖，該系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造 以直接從發(fā)酵反應(yīng)器接收乙醇和水溶液，并將減去了通過所述第一物質(zhì) 交換器提取的乙醇和笫一部分水以及通過所述第二物質(zhì)交換器提取的 第二部分水的所述乙醇和水溶液送回到所述發(fā)酵反應(yīng)器。
圖27是干燥器的示意圖，該干燥器具有轉(zhuǎn)鼓并引入了經(jīng)構(gòu)造以從 該轉(zhuǎn)鼓接收空氣、從該接收的空氣提取水、加熱該空氣并將經(jīng)加熱空氣 送回到所述轉(zhuǎn)鼓的.真空輔助物質(zhì)交換器的一個(gè)實(shí)施方案。
圖28是煙道氣處理裝置的示意圖，該裝置引入了經(jīng)構(gòu)造以從煙道 氣提取一種或多種所選氣體的真空輔助物質(zhì)交換器的一個(gè)實(shí)施方案。
發(fā)明的詳細(xì)it明本發(fā)明的多個(gè)方面涉及物質(zhì)交換器100以及使用該物質(zhì)交換器100
的系統(tǒng)和方法。
物質(zhì)交換器100
示例性的物質(zhì)交換器100顯示在圖1中，其具有第一表面100a和 與該第一表面相對(duì)的第二表面100b。該物質(zhì)交換器100被描述為暴露于 通過流動(dòng)結(jié)構(gòu)101如通道、管道、壓力通風(fēng)系統(tǒng)(plenum)等引導(dǎo)的逆 向流，其中所述第一表面100a暴露于第一材料流102,所述第二表面 100b暴露于方向基本上與該笫一材料流相反的第二材料流104。所述第 一材料流102和所述笫二材料流104可各自包括液體、氣體及其組合等。
所述物質(zhì)交換器100在圖2中描繪為暴露于通過流動(dòng)結(jié)構(gòu)101引導(dǎo) 的共向流(common-directional flow), 其中第一表面100a暴露于第一 材料流102和第二表面100b暴露于方向基本上與所述第一材料流相同 的第二材料流104。
物質(zhì)交換器100在圖3中描繪為處于第二材料向第一材料交換模 式，其中來自所述第二材料流104的第二材料通過所述物質(zhì)交換器通行 (作為氣體106)以與所述第一材料流102結(jié)合。
物質(zhì)交換器100在圖4中描繪為處于笫一材料向第二材料交換模 式，其中來自所述第一材料流102的笫一材料通過所述物質(zhì)交換器通行 (作為氣體108)以與所述第二材料流104結(jié)合。
物質(zhì)交換器100在圖5中描繪為處于具有選擇性輸送膜110的物質(zhì) 交換器的僅有膜實(shí)施方式，其中所述膜的第一表面110a是所述物質(zhì)交 換器的第一表面100a且所述膜的第二表面110b是所述物質(zhì)交換器的第 二表面100b。所述第一表面100a顯示為暴露于所述第一材料流102且 所述第二表面100b顯示為暴露于所述第二材料流104,其中所述第一材 料流和所述第二材料流顯示為逆向或共向流。
物質(zhì)交換器IOO在圖6中描繪為處于雙層型式的物質(zhì)交換器的第一 材料側(cè)膜實(shí)施方式，其中選擇性輸送膜110與支撐體112連接(例如通 過氣密密封連接)。在這種實(shí)施方案中，所述膜110可以稱為阻擋層110。 所述膜110的第一表面110a為物質(zhì)交換器的第一表面100a且所述支撐 體112的第一表面112a為所述物質(zhì)交換器的第二表面100b。所述第一 表面100a顯示為暴露于所述第一材料流102且所述第二表面100b顯示為暴露于所述第二材料流104,其中所述笫一材料流和所述笫二材料流 顯示為逆向或共向 流。
物質(zhì)交換器IOO在圖7中描繪為處于雙層型式的物質(zhì)交換器的第二 材料側(cè)膜實(shí)施方式，其中選擇性輸送膜110與支撐體112連接(例如通 過氣密密封連接)。所述支撐體112的第一表面112a為物質(zhì)交換器的 第一表面100a且所述膜110的第一表面110a為所述物質(zhì)交換器的第二 表面100b。所述第一表面100a顯示為暴露于所述第一材料流102且所 述第二表面100b顯示為暴露于所述第二材料流104,其中所述第一材料 流和所述第二材4牛流顯示為逆向或共向流。
參照?qǐng)D8，提供了歧管式樣的物質(zhì)交換器120。所述物質(zhì)交換器120 引入了多個(gè)第一材料側(cè)膜雙層物質(zhì)交換器100。所述多個(gè)物質(zhì)交換器100 與輸入流體歧管122和出口歧管124結(jié)合。各物質(zhì)交換器IOO具有其自 己的分離膜110。如圖9和9A所示，所述膜110位于外部，其中其第 一表面110a朝向外面?？梢园ㄓ芯W(wǎng)格125以在需要時(shí)提供剛性。通 道126接收來自所述輸入歧管122的各個(gè)部分的第二材料流104,將所 述第二材料流輸送到出口歧管124。所述物質(zhì)交換器IOO充分地隔開以 允許所述第一材料流102在所述物質(zhì)交換器之間通行?？梢源嬖谌芜x的 隔板127,以及用于各物質(zhì)交換器100的任選連接器128，其可連接該 物質(zhì)交換器IOO和輸入流體歧管122?？梢栽谒鋈芜x的連接器128和 輸入流體歧管122之間布置一個(gè)或多個(gè)墊圏、0形環(huán)129等?？墒褂昧?一任選連接器128來連接所述物質(zhì)交換器100和出口歧管124?？梢栽?所述任選的連接器128和出口歧管124之間布置一個(gè)或多個(gè)墊圏、O形 環(huán)129等。
包括物質(zhì)交換器IOO的僅有膜實(shí)施方式的板式樣物質(zhì)交換器130顯 示在圖10中，其具有第一材料板132、第二材料板134、和所述第一材 料板和第二材料板之間的膜110。物質(zhì)交換器100的所述板式樣能夠?qū)?多個(gè)此類物質(zhì)交換器堆疊在一起，使得在一個(gè)替代性方式中，所述第一 材料板132的例子(instance)定位于與所述第二材料板134的例子并置 (juxtaposition)(膜110的例子位于它們之間)，該笫二材料板與所述第 一材料板132的另一例子并置定位(膜的另一例子位于它們之間)等等。
所述笫一材料板132具有通道136以允許所述第一材料流102移動(dòng) 經(jīng)過位于所述第一材料板任一側(cè)上的所述膜110的兩個(gè)例子的第一表面110a并從此離開。所述第一材料板132進(jìn)一步包括輸入壓力通風(fēng)孔隙 138a和出口壓力通風(fēng)孔隙138b,其使得第二材料流104經(jīng)其通過以實(shí) 現(xiàn)多個(gè)所述板式樣物質(zhì)交換器100的堆疊。所述膜110還包括輸入壓力 通風(fēng)孔隙139a和出口壓力通風(fēng)孔隙139b,其使得第二材料流104經(jīng)其 通過以實(shí)現(xiàn)多個(gè)所述板式樣物質(zhì)交換器100的堆疊。
堆疊的所述板式樣物質(zhì)交換器100中的各第二材料板134具有通道 140以允許所述第二材料流104移動(dòng)通過與該第二材料板毗鄰的兩個(gè)膜 110的第二表面100b。堆疊的所述板式樣物質(zhì)交換器100中的各第二材 料板134具有輸入壓力通風(fēng)孔隙142a和出口壓力通風(fēng)孔隙142b。該輸 入壓力通風(fēng)孔隙142a接收來自與該第二材料板毗鄰的膜110的一個(gè)或 兩個(gè)輸入壓力通風(fēng)孔隙139a的笫二材料流104。該出口壓力通風(fēng)孔隙 142b將所述第二材料流104輸送至與該第二材料板毗鄰的膜110的一個(gè) 或兩個(gè)出口壓力通風(fēng)孔隙139b。所述第二材料板134的輸入壓力通風(fēng)孔 隙142a將所述第二材料流104輸送至通道140,該通道進(jìn)而將所述第二 材料流104輸送至該第二材料板的另一出口壓力通風(fēng)孔隙142b。任選的 墊圈145可密封所述板。
膜110
本文公開的某些實(shí)施方案涉及基于膜的選擇性物質(zhì)傳遞。本文公開 的無孔的選擇性傳遞膜110優(yōu)選包括形成阻擋層110的聚合物電解質(zhì) 層。該阻擋層IIO對(duì)低偶極矩氣體和液體(包括氧、氮和環(huán)己烷)基本 上是不可滲透的。該阻擋層110對(duì)高偶極矩液體或氣體如水和/或醇是可 滲透的，使得該膜供高偶極液體或氣體從該膜的 一個(gè)面移動(dòng)到另 一面。
如本領(lǐng)域已知的，高偶極矩材料具有在分子水平不均勻分布的電 荷。這種不均勻分布的電荷可在才及性或相同才及性時(shí)電荷量方面加以區(qū) 別。不均勻的電荷極性和分布為這些材料帶來高的介電常數(shù)(并因此是極 性材料)。高的介電常數(shù)使得物質(zhì)能夠相對(duì)于在真空中所發(fā)生的來說集中 靜電通量線。高偶極矩材料在所述阻擋層110內(nèi)與其它高偶極矩材料如 聚合物電解質(zhì)電荷相容。因此，高偶極矩材料可滲透通過其它高偶極材 料，但高偶極材料排斥低偶極材料。
不希望受到任何特定作用機(jī)理約束，所述阻擋層IIO可包括帶電部 分區(qū)域和非帶電部分區(qū)域。在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，所述膜110包括高偶極矩材料或域。在某些方面，由帶電聚合物部分制成的所述域形成鄰 接導(dǎo)管或選擇性傳遞路徑，其中高偶極液體和氣體如水可從所述阻擋層 110的一個(gè)面移動(dòng)到另一面。這些導(dǎo)管或選擇性傳遞路徑大大降低了移 動(dòng)所述材料在不損失材料的情況下跨過所述阻擋層所需的能量。在特定
組合物中，所述域可以為大約l納米，大約2納米，大約3納米，大約 4納米，大約5納米，大約10納米，大約15納米，大約20納米，大約 30納米，大約40納米，大約50納米，大約60納米，大約70納米，大 約80納米，大約90納米，大約100納米，或這些值之間的任何值或更高。
在某些實(shí)施方案中，所述膜110對(duì)氣體是不可滲透的而對(duì)液體(如水) 是可滲透的。在特定實(shí)施方案中，至少一個(gè)膜110包括改性的(例如^t化 的、氫化的、脫氫的、還原的、亞酰胺化的和/或酰胺化的)大分子。包 括在所述至少一個(gè)膜110中的所述分子(包括大分子)包括，但不限于核 酸(核苷酸)、氨基酸、肽、多肽、蛋白質(zhì)、糖蛋白、生物聚合物、含有 例如烯烴和/或芳烴部分的低聚物和/或聚合物和/或共聚物。
本文使用的大分子通常是指具有高的相對(duì)分子量的分子，其結(jié)構(gòu)中 典型地包含來源于其它分子的多個(gè)重復(fù)片段，例如對(duì)于某些低聚物、聚 合物或共聚物。至少一個(gè)膜110中采用的所述分子可以是天然存在的、 人造的或其任何組合。7>開的所述分子可以是孤立的或者處于混合物或 溶液中和/或可以化學(xué)合成。
尤其如所述，本文公開的至少一個(gè)膜110中采用的所述分子可包括， 但不限于生物聚合物、低聚物和/或聚合物，例如多相大分子鏈聚合物和 /或共聚物。特定實(shí)施方案包括，但不限于(a)包括含離子聚合物的低聚 物和/或聚合物和/或共聚物，(b)生物聚合物，或(c)嵌段共聚物。在某些 實(shí)施方案中，本文所述的至少一個(gè)膜110中采用的分子包括含離子低聚 片段或共低聚片段(離聚物)。典型的，本發(fā)明中采用的離聚物涉及聚合 電解質(zhì)聚合物或共聚物，其既含有非離子重復(fù)單元又含有至少少量的含 離子的重復(fù)單元。
本文公開的所述膜110中還包括不同聚合度的聚合物。如本領(lǐng)域技 術(shù)人員將輕易理解地，所述聚合度通常是指在聚合反應(yīng)中的特定時(shí)間， 平均聚合物鏈中重復(fù)單元或片段的數(shù)目，其中長度通過單體片段或單元 測(cè)量。優(yōu)選的長度包括，但不限于大約500個(gè)單體單元、1000個(gè)單體單元、5000個(gè)單體單元、10,000個(gè)單體單元、25,000個(gè)單體單元、50,000 個(gè)單體單元、100,000個(gè)單體單元、200,000個(gè)單體單元、300,000個(gè)單 體單元、500,000個(gè)單體單元、700,000個(gè)單體單元或更高或這些值之間 的任何值。
聚合度還可以是聚合物分子量的量度。因此，所述聚合度等于聚合 物的總分子量除以重復(fù)單元或片段的總分子量。具有不同總分子量但組 成相同的聚合物可顯示出不同物理性能?？偟恼f來，較高的聚合度與較 高熔融溫度和較高機(jī)械強(qiáng)度相互關(guān)聯(lián)。
在某些實(shí)施方案中，所述低聚物和/或聚合物和/或共聚物包括多相 大分子鏈分子。在一些實(shí)施方案中，所述多相大分子鏈低聚物和/或聚合 物和/或共聚物包括一個(gè)或多個(gè)含芳烴的直鏈側(cè)鏈、不含芳烴的直鏈側(cè) 鏈、飽和直鏈側(cè)鏈、不飽和直鏈側(cè)鏈或柔性的烴直鏈側(cè)鏈。
對(duì)于本發(fā)明目的，"烯烴部分"表示含有至少一個(gè)碳-碳雙鍵的烴鏈。 "芳烴部分"表示一價(jià)或二價(jià)的芳基或雜芳基。芳基表示包含氫、6-18個(gè) 碳原子和至少一個(gè)芳族環(huán)的烴環(huán)體系。對(duì)于本發(fā)明目的，所述芳基可以 是單環(huán)、雙環(huán)、三環(huán)或四環(huán)的體系，其可以包括稠合的或橋接的環(huán)體系。 芳基包括，但不限于如下來源的芳基醋蒽烯，苊，醋亞菲 (acephenanthrylene)，蒽，甘菊環(huán)，苯，葸，熒蒽，茴，不對(duì)稱引達(dá) 省(as-indacene)，對(duì)稱引達(dá)省(s-indacene) , 1，2-二氬化茚,茚，萘， 葩，菲，芘，和苯并菲。優(yōu)選地，芳基源自于苯。雜芳基表示5-14元環(huán) 體系，其包含氫原子、1至13個(gè)碳原子、l至6個(gè)選自氮、氧和硫的雜 原子以及至少一個(gè)芳族環(huán)。對(duì)于本發(fā)明目的，所述雜芳基可以是單環(huán)、 雙環(huán)、三環(huán)或四環(huán)體系，其可包括稠合的或橋接的環(huán)體系；且所述雜芳 基中的氮、碳或硫原子可以任選被氧化；所述氮原子可以任選被季銨化。 實(shí)例包括、但不限于氮雜萆基、吖啶基、苯并咪唑基、苯并吲哚基、1,3-苯并間二氧雜環(huán)戊烯基、苯并呋喃基、苯并嚅唑基、苯并噻唑基、苯并 噻二唑基、苯并[b][l,4]二氧雜環(huán)庚烯基(dioxepinyl)、苯并[b][l,4f惡嗪 基、1,4-苯并二嗜烷基、苯并萘并呋喃基、苯并噹唑基、苯并間二氧雜 環(huán)戊烯基、苯并二氧雜環(huán)己烯基、苯并吡喃基、苯并吡喃酮基、苯并呋 喃基、苯并呋喃酮基、苯并噻吩基(苯并苯硫基)、苯并噻吩并[3,2-d]嘧 啶基、苯并三唑基、苯并[4,6]咪唑并[l,2-a]吡啶基、咔唑基、肉啉基、 環(huán)戊[d]嘧啶基、6,7-二氫-5H-環(huán)戊[4,5]噻吩并[2，3-d]嘧啶基、5,6-二氫苯并[H]喹唑啉基、5,6-二氫苯并[h]肉啉基、6,7-二氫-5H-苯并[6,7]環(huán)庚[l，2-c] 噠嗪基、二苯并呋喃基、二苯并苯硫基、呋喃基、呋喃酮基、吹喃并[3,2-c] 吡啶基、5,6,7,8,9,10-六氬環(huán)辛[d]嘧啶基、5,6,7，8,9，10-六氬環(huán)辛[d]。達(dá)溱 基、5,6,7,8，9,10-六氫環(huán)辛[d]吡啶基、異噻唑基、咪唑基、吲唑基、吲哚 基、吲唑基、異吲哚基、二氫吲哚基、異二氫吲哚基、異喹啉基、中氮 茚基、異嗜唑基、5,8-曱撐5,6,7,8-四氫喹唑啉基、萘基、萘啶基、1，6-萘啶酮基、嚅二唑基、2-氧代氮雜蕈基、-惡唑基、環(huán)氧乙烷基、 5,6,6a,7，8,9,10,10a-八氫苯并[h]喹唑啉基、l-苯基-lH-吡咯基、吩嗪基、 吩噻嗪基、吩嚅嗪基、2,3-二氮雜萘基、喋啶基、嘌呤基、吡咯基、他 唑基、吡唑并[3,4-d]嘧啶基、p比咬基、吡啶并[3,2-d]嘧啶基、p比咬并[3,4-d] 嘧吱基、p比口秦基、嘧p定基、p達(dá)口秦基、p比咯基、唾嗤啉基、會(huì)鬼淋基、唾 啉基、奎寧環(huán)基、異喹啉基、四氫喹啉基、5,6,7,8-四氫喹唑啉基、5,6，7，8-四氫苯并[4,5]噻吩并[2,3-d]嘧啶基、6,7,8,9-四氫-5H-環(huán)庚[4,5]噻吩并 [2,3-d]嘧啶基、5,6,7,8-四氫吡啶并[4,5-c]噠嗪基、噻唑基、遂二唑基、 三唑基、四唑基、三漆基、噻吩并[2,3-d]嘧啶基、噻吩并[3,2-d]嘧啶基、 噻吩并[2,3-c]吡咬基(pridinyl)、和苯硫基(即噻吩基)。
對(duì)于本發(fā)明目的，"含芳烴的直鏈側(cè)鏈"表示僅由氫或碳組成的無支 鏈的烴鏈，其中該鏈中的至少一個(gè)碳被替換為如以上所定義的芳基或雜 芳基。對(duì)于本發(fā)明目的，"不含芳烴的直鏈側(cè)鏈"表示僅由氫或碳組成且 在該鏈內(nèi)不包含芳基或雜芳基的無支鏈的烴鏈。對(duì)于本發(fā)明目的，"飽 和直鏈側(cè)鏈"表示僅由氫或碳組成，并包含至少一個(gè)碳-碳雙鍵或至少一 個(gè)碳-碳三鍵的無支鏈的烴鏈。本文使用的"不飽和直鏈側(cè)鏈"一般指僅由 氬或碳組成、不包含碳-碳雙鍵且不包含碳-碳三鍵的無支鏈的烴鏈。
對(duì)于本發(fā)明目的，"柔性的烴直鏈側(cè)鏈"表示如美國專利Nos. 5,468,574和5,679,482所教導(dǎo)的柔性連接組分，這二者的公開以它們的 整體以引用的方式并入。
所公開的膜110中采用的分子量優(yōu)選至少大約10,000道爾頓、 15,000道爾頓、20,000道爾頓、25,000道爾頓、30,000道爾頓、40,000 道爾頓、50,000道爾頓、60,000道爾頓、70,000道爾頓、80，000道爾頓、 90,000道爾頓、l千道爾頓(KiloDalton) 、 2千道爾頓、3千道爾頓、4 千道爾頓、5千道爾頓、或更高或在這些值之間的任何值。優(yōu)選地，所 述分子量至少為大約20,000道爾頓、50,000道爾頓、75,000道爾頓、1千道爾頓、2千道爾頓或在這些值之間的任何值。
在其它實(shí)施方案中，分子量的測(cè)量可能是重要的。本文所公開分子
的分子量(Mw)的平均范圍包括大約20,000克/摩爾至大約l,OOO，OOO克/ 摩爾，并優(yōu)選大約50,000克/摩爾至900,000克/摩爾。
通常，所述膜110中采用的離聚物同時(shí)包含極性和非極性部分。離 聚物的非極性部分群聚(grouped)在一起，而極性離子部分傾向于叢生 (cluster)在一起并與所述非極性聚合物骨架部分分開。該離子部分叢 生使得能夠?qū)崿F(xiàn)所述離聚物的熱塑性。通常，當(dāng)離聚物被加熱時(shí)，所述 離子部分將失去它們彼此間的吸引力，且所述部分將自由移動(dòng)，由此實(shí) 現(xiàn)離子型聚合物或共聚物的熱塑性彈性品質(zhì)。
存在可以被所述膜110使用的多種類型的共聚物，包括嵌段共聚物。 例如，交替共聚物包括規(guī)則交替的A和B化學(xué)或結(jié)構(gòu)單元；周期共聚物 包含以重復(fù)序列(例如(A-B-A-B-B-A-A-A-B-B)n)排列的A和B單元；無 規(guī)共聚物包括單體A和B單元的隨機(jī)序列；統(tǒng)計(jì)共聚物(statistical copolymer)包括不同單體在聚合物序列內(nèi)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)則的排序；嵌段共 聚物包括兩個(gè)或更多個(gè)通過共價(jià)鍵連接的均聚物亞單位并可以是二嵌 段、三嵌段、四嵌段或多嵌段共聚物。(IUPAC, Pure Appl. Chem., 68: 2287-2311 (1996))。
另外，所述的任何共聚物可以是直鏈的(包含單個(gè)主鏈)或支鏈的(包
含具有一個(gè)或多個(gè)聚合側(cè)鏈的單個(gè)主鏈)。具有結(jié)構(gòu)上不同于主鏈的側(cè)鏈 的支鏈共聚物被稱為接枝共聚物。接枝共聚物的各個(gè)鏈可以是均聚物或 共聚物，且不同的共聚物序列足以限定出結(jié)構(gòu)差異。例如，具有A-B交 替共聚物側(cè)鏈的A-B 二嵌段共聚物被認(rèn)為是接枝共聚物。其它類型的支 鏈共聚物包括星形、刷形和梳狀共聚物。本文公開的特定實(shí)施方案可以 采用這些共聚物中的任何一種或其任何混合物。
在本文公開的某些實(shí)施方案中，本文公開的所述膜110中采用的一 種或多種分子包括含有至少一個(gè)嵌段的聚合物。在某些實(shí)施方案中，所 述分子是熱塑性嵌段共聚物。在其它實(shí)施方案中，所述分子是包含可區(qū) 分的單體單元的嵌段共聚物。優(yōu)選地，所述嵌段共聚物的至少一個(gè)單體
單元包括含芳烴部分的單元。在其它優(yōu)選實(shí)施方案中，至少一個(gè)嵌段包 括不含芳烴部分的單元。在某些實(shí)施方案中，所述嵌段共聚物包括至少 兩種以統(tǒng)計(jì)上的隨機(jī)順序排列的單體單元。在其它實(shí)施方案中，所述嵌段共聚物包括至少兩種以有序序列排列的單體單元。在某些實(shí)施方案
而且包括具有其它烯屬二飽和單體(例如丙烯腈、S二烯:、;基丙、i酸甲 酯等等)的共聚物。
在本文公開的某些實(shí)施方案中，嵌段共聚物表示至少第一嵌段和第 二嵌段的嵌段共聚物，所述第一嵌段是一個(gè)或多個(gè)單烯烴-芳烴部分(如
苯乙烯、環(huán)取代的苯乙烯、a-取代的苯乙烯和其任何組合)的，所述笫
二嵌段是二烯部分與單烯烴-芳烴部分的受控分布共聚物的。所述嵌段共
聚物可為"A"與"B"嵌段的任何構(gòu)造，且此類嵌段共聚物可通過本領(lǐng)域公 知的方法產(chǎn)生。
對(duì)于本發(fā)明目的，"單烯烴-芳烴部分"表示如以上所定義的一個(gè)或多 個(gè)烯烴部分共價(jià)鍵接至如以上所定義的芳烴部分。"單烯烴-芳烴部分" 的實(shí)例是苯乙烯。"聚烯烴-芳烴部分"表示如以上所定義的兩個(gè)或更多個(gè) 單烯烴-芳烴部分彼此共價(jià)鍵接以形成包含兩個(gè)或更多個(gè)單烯烴-芳烴部 分的鏈。"聚烯烴-芳烴部分"的實(shí)例是聚苯乙烯。"二烯部分"表示含有兩 個(gè)碳-碳雙鍵的烴鏈。在某些實(shí)施方案中，所述二烯部分可以是共軛的、 非共輒的或累積的。
嵌段共聚物的一些具體實(shí)例包括如下美國專利號(hào)中描述的那些 4，248,821; 5,239，010; 6,699,941; 7，186，779; 7,169,850; 7,169,848; 7,067,589; 7,001,950和6，699,941和美國專利申請(qǐng)公開號(hào)20070021569; 20050154144; 20070004830; 20070020473; 20070026251; 20070037927; 和20070055015，所有文獻(xiàn)以它們的整體以引用的方式并入。
在某些實(shí)施方案中，所述分子包括統(tǒng)計(jì)共聚物。統(tǒng)計(jì)共聚物在本文 中按照本領(lǐng)域中通常理解的用法使用(參見，例如G. Odian， Principles of Polymerization, 1991)。統(tǒng)計(jì)共聚物源自于兩種單體的同時(shí)聚合并具有該 兩種單體單元沿共聚物鏈的一定分布，該分布遵循Bernoullian(零級(jí) Markov)，或者一級(jí)或二級(jí)Markov統(tǒng)計(jì)學(xué)。所述聚合可以由自由基、陰 離子、陽離子或配位不飽和(例如齊格勒-納塔催化劑)物類引發(fā)。根據(jù) Ring等(Pure Appl. Chem.， 57, 1427, 1985),統(tǒng)計(jì)共聚物是導(dǎo)致單體單元 的統(tǒng)計(jì)序列形成的單元過程(其未必以相等概率進(jìn)行)的結(jié)果。
統(tǒng)計(jì)共聚物通常顯示出單一的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。嵌段和接枝共聚物 由于多個(gè)相的存在典型地顯示出多重玻璃化轉(zhuǎn)變。因此，統(tǒng)計(jì)共聚物可以此為基礎(chǔ)與嵌段和接枝共聚物區(qū)別開。單一的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度典型反 映了分子水平的均勻性。這種均勻性的額外后果是統(tǒng)計(jì)共聚物如苯乙烯 和丁二烯的統(tǒng)計(jì)共聚物在通過電子顯微鏡術(shù)觀察時(shí)，顯示出沒有微相分 離的單相形態(tài)。相反，例如，苯乙烯/丁二烯的嵌段和接枝共聚物的特征
在于兩個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并分離為苯乙烯富集域和丁二烯富集域，特別 是在未改性時(shí)。應(yīng)該注意到由原本具有單 一 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和單相形 態(tài)的統(tǒng)計(jì)共聚物制造的膜1 10在磺化或其它改性后未必顯示出單相形態(tài) 或單 一 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
偽無規(guī)共聚物(pseudo-random copolymer)是統(tǒng)計(jì)共聚物的一個(gè)子 類，其源自于單體引入時(shí)的權(quán)重變化，所述權(quán)重變化使得分布偏離定義 為統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)排列(即BemouUian)。在本文中已經(jīng)描述了直鏈排列， 但單體的支鏈或接枝排列包括星形排列也是可能的。另外，可以采用苯 乙烯和氫化丁二烯、異戊二烯或等同烯烴的嵌段共聚物。所述嵌段體系 結(jié)構(gòu)可以是包括二嵌段、三嵌段、接枝嵌段、多臂星形嵌段、多嵌段、 片段的、遞變嵌段或其任何組合的單體單元。
由特定實(shí)施方案提供的一個(gè)特別優(yōu)點(diǎn)包括將所公開的方法應(yīng)用于 非苯乙烯的(styrenic)高分子量聚合物的能力。因此，在本文公開的某 些實(shí)施方案中，所公開的膜110中采用的所述分子不包括單烯烴-芳烴部 分或片段，如苯乙烯片段。在本文公開的某些其它實(shí)施方案中，所公開 的方法中采用的聚合物不包含聚烯烴-芳烴部分或片段，如聚苯乙烯。在 某些此類實(shí)施方案中，所述聚合物包括包含不飽和碳-碳雙鍵的部分或片 段，所述部分或片段能夠被磺化。此類聚合物的一些實(shí)例包括，但不限 于聚丁二烯或聚異戊二烯。
特別地，本文公開的某些實(shí)施方案中的所述膜110包括已經(jīng)改性(例 如通過磺化、酰胺化、或其它改性)的分子，所述分子包含一個(gè)或多個(gè)以 下部分烷烴、烯烴、炔和芳烴，其中每個(gè)可以任選地由一個(gè)或多個(gè)下 列官能團(tuán)取代羧酸、尿素、酯、氨基甲酸乙酯(氨基甲酸酯)、烯烴、 酰胺、苯、吡咬、。引哚、碳酸酯、硫酯、丙烯酸酯(arcylate) /丙烯酸 類、醚、脒、乙基、包含烯烴、烷烴或炔的酸型式脂族化合物、咪唑、 哺、唾、及包含對(duì)失水和/或分解敏感的基團(tuán)的雜原子的其他可能組合。上 列的各術(shù)語具有其為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的標(biāo)準(zhǔn)定義。
在某些實(shí)施方案中，所述分子被均勻地改性(優(yōu)選地磺化)大約10%、20%、 30%、 40o/。、 50%、 60%、 70%、 80%、 85%、 90%、 91%、 92%、 93%、 94%、 95%、 96%、 97%、 98%、 99%重量、或更高或在這些值之 間的4壬何值。
在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，所述膜110不帶凈電荷，但保留高的電荷 密度，包括共價(jià)鍵接的正電荷和游離負(fù)離子(例如在磺化的情況下)的平 衡，或共價(jià)鍵接的負(fù)電荷和游離正離子(例如在酰胺化的情況下)的平衡。 在某些優(yōu)選實(shí)施方案中、所述膜110包括的離聚聚合物所具有的當(dāng)量酸 重量為大約2500、大約2000、大約1500、大約1200、大約1000、大約 800、大約500、大約300、大約200、大約100、或更低，或這些值之 間的任何值。在某些實(shí)施方案中，所述離聚聚合物膜顯示出對(duì)水的高選 擇性，并形成可獨(dú)立存在或?qū)訅褐了鲋误w112的均勻薄結(jié)構(gòu)。在某 些實(shí)施方案中，所述離聚物聚合物能夠輻射或化學(xué)交聯(lián)以固定所述膜 110內(nèi)的分子并帶來特殊的機(jī)械和/或滲透性質(zhì)。
在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，所述離聚物膜可排除多種空氣傳播的有機(jī) 和/或無機(jī)微粒和/或氣體如氧、氮、氬、氦、二氧化碳等，同時(shí)選擇性 地傳遞水和/或其它液體(例如包括高偶才及材料)。
不希望受到任何特別的機(jī)理理論約束，在某些實(shí)施方案中，所述膜 110實(shí)現(xiàn)基于尺寸的區(qū)別作用，因此例如在脫鹽的情況下，所述膜110 允許分子水通行但阻止離子(如鹽)及其他雜質(zhì)通行。在其它實(shí)施方案中， 所述膜110用以基于靜電不平衡辨別離子/極性，使得極性分子(如水)能 夠通過。在其它實(shí)施方案中，所述膜IIO基于擴(kuò)散濃度梯度允許所選材 料通行，且在一些實(shí)施方案中，所述膜IIO基于介電區(qū)分允許所選材料 通行。
本文公開的膜110可以采用的分子或分子部分或片段的一些具體實(shí) 例包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚苯乙 烯(PS)、聚酯、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、尼龍、卣化聚合物或 共聚物如全氟化共聚物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈丁二烯 苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)(如Gore-Tex )、聚乳酸 (PLA)、聚偏氯乙烯(PVDC)、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)、苯乙烯-乙烯/ 丁烯-苯乙烯(SEBS);苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯(SEPS)、乙烯-苯乙烯互 聚物(ESI)、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 (PET或PETE)、聚苯并咪唑(PBI)、磷酸基膜、Nafioi^(磺化四氟乙烯共聚物)、以及這些或其它的任何組合。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述膜
110包括磺化的聚苯乙烯共聚物。在具體的優(yōu)選實(shí)施方案中，所述膜110 包括統(tǒng)計(jì)上的無規(guī)乙烯聚苯乙烯共聚物，磺化至至少10摩爾％、至少 20摩爾％、至少30摩爾°/。、至少35摩爾％、至少40摩爾％、至少50 摩爾％、至少60摩爾％、或更高或這些值之間的任何值。
本文描述的膜110可以采用的材料的其它實(shí)例描述于以下發(fā)布的美 國專利和未決專利申請(qǐng)中，所有文獻(xiàn)以它們的整體以引用的方式并入 美國專利Nos.5,794,82; 5,468,574; 6,110,616; 6,413,294; 6,383,391; 6,413,298; 6,841,601; 7,179,860;以及PCT/US04/30936。
在某些實(shí)施方案中，所述膜110包括聚合物電解質(zhì)并且是離子傳導(dǎo) 性的以及對(duì)高偶極矩液體或氣體是可滲透的。還考慮到聚合物和/或其它 材料的共混物，如陰離子交換材料。
根據(jù)特定方面，所述阻擋層110通過任何合適的方法產(chǎn)生，包括但 不限于溶劑澆鑄或熔體擠出，其中具有不同化學(xué)性質(zhì)的兩個(gè)類型的域在 所述層內(nèi)形成。 一種化學(xué)域包含帶電聚合物部分而另一種域包含不帶電 聚合物部分。所述域形成或多或少依賴于聚合物鏈上電荷部分的排列。 其中帶電化學(xué)部分沿主鏈隔離的嵌段共聚物形成明顯不同的連接良好 的域，而統(tǒng)計(jì)的或隨機(jī)分布的帶電化學(xué)部分共聚物形成更小且連接良好 性較弱的但仍然能發(fā)揮功能的域。所述不帶電域起所述阻擋層110的機(jī) 械支架的作用并使得該阻擋層110不溶解在高偶極矩液體或氣體中。所
述帶電域形成高偶極矩材料導(dǎo)管或選擇性的傳遞路徑。高偶極矩材料如
水通過電荷溶劑化的能量被拉進(jìn)這些域中。這種電荷溶劑化(charge solvation )是放熱的；即吸收將在高偶極矩材料如水存在時(shí)自發(fā)地發(fā)生。 阻擋層110的掃描電子顯微照片的圖解顯示在圖11中。
所述阻擋層110的聚合物主要是如上所述的類型。但是，存在采用 多于一種類型共聚物的結(jié)構(gòu)方面的雜化物(hybrid);即具有無規(guī)化學(xué) 排列的嵌段。還可以采用具有體系結(jié)構(gòu)如支鏈、星形、克內(nèi)德爾(knedel) 或枝狀體(dendomer)的非直鏈的主鏈較少(backbone-less)聚合物。 在某些實(shí)施方案中，根據(jù)形成所述阻擋層110的聚合物，必要的是所述 膜110采用的聚合物必須在所述層內(nèi)的帶電化學(xué)部分的聚集體內(nèi)包括帶 電和不帶電的化學(xué)部分。優(yōu)選地，所用方法、溶劑、干燥條件、熔化條 件和擠出壓力可影響所述層的性質(zhì)。如果不正確地實(shí)施，則所述阻擋層110將具有非常差的高偶極矩材料傳遞特性。
各種離子交換構(gòu)造也適合作為阻擋層110。這些包括無機(jī)-有機(jī)(雜
化的)離子交換膜、兩性離子交換、鑲嵌離子交換膜(mosaic ion exchange membrane )(同時(shí)包含陽離子和陰離子電荷基團(tuán))、雙極性膜(陽離子交換 層和陰離子交換層的組合物)。所述無機(jī)-有機(jī)復(fù)合層已經(jīng)顯示出在機(jī)械、 熱、電和磁性能方面大的變化性，這對(duì)于某些實(shí)施方案能是合意的。這 些無機(jī)-有機(jī)雜化膜可通過若干路線制造，包括溶膠-凝膠、插層、共混、 原位聚合、分子自組裝。
例如，磺化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SSBS)三嵌段共聚物使用偶聯(lián)劑 (羰二咪唑或另 一適當(dāng)試劑)通過磺酸基與雙(4-氨基苯基)砜的縮合以形 成氨磺酰鍵而交聯(lián)，這通過氫鍵實(shí)現(xiàn)了硅烷醇和磺酸的相互作用，如下 所示。在其它實(shí)例中，交聯(lián)可以利用二乙烯基苯進(jìn)行。
帶有電荷的化學(xué)部分典型地為兩個(gè)類型陽離子和陰離子。共價(jià)鍵 接至聚合物鏈的陽離子帶電部分的實(shí)例是-S03(-) 、 -P03(2-)、 -P03H(-)-COO(-)、和-C6H40(-)。共價(jià)鍵接至聚合物鏈的陰離子帶電部分 的實(shí)例是誦NH3(+)、 -NRH2(+)、 -NR2H(+)、 -NR3(+)-PR3(+)、 -SR2(+)。將 這些帶電部分共價(jià)鍵接至聚合物和形成復(fù)合膜的方法的實(shí)例包括磺化 和氯-曱基化。
所述阻擋層110典型具有薄截面；優(yōu)選地大約50納米、大約100 納米、大約500納米、大約1微米、大約2微米、大約5微米、大約8 微米、大約10微米、大約15微米、大約20微米、大約30微米、大約 40微米、大約50微米、大約60微米、大約70微米、大約80微米、大約90微米、大約100微米、大約120微米，或這些值之間的任何值或更低。薄截面阻擋層IIO具有較高的滲透性。但是，典型地所述截面越薄，所述膜IIO(或阻擋層IIO)的機(jī)械穩(wěn)定性越低，因此當(dāng)簡單的阻擋層110顯示出高偶極矩傳遞特性時(shí)，其性能將受到限制。在某些實(shí)施方案中，將更多材料和/或化學(xué)物質(zhì)加入至所述阻擋層110以產(chǎn)生完全的長效膜110。該附加的材料和化學(xué)物質(zhì)典型地采取一個(gè)或多個(gè)支撐體層112和交聯(lián)化學(xué)物質(zhì)的形式。在某些實(shí)施方案中，該阻擋層110被制造得更厚，導(dǎo)致更好的機(jī)械穩(wěn)定性。
向該阻擋層110提供機(jī)械穩(wěn)定性的另 一方式是用 一種或多種添加劑對(duì)該阻擋層化學(xué)改性。在某些實(shí)施方案中，所述添加劑共價(jià)交聯(lián)阻擋層110內(nèi)的各個(gè)聚合物分子，形成納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。在特定實(shí)施方案中，所述阻擋層IIO可被稱作納米結(jié)構(gòu)復(fù)合物。如果所述添加劑包含無機(jī)要素(inorganic element),則所述阻擋層110可凈皮稱作納米結(jié)構(gòu)的無才幾/有機(jī)復(fù)合物。對(duì)于包括多孔支撐體的實(shí)施方案，最優(yōu)選的是所述化學(xué)交聯(lián)包括多孔支撐體112以形成具有優(yōu)越機(jī)械性能的連續(xù)膜。
一種或多種交聯(lián)添加劑可通過選擇性使所述阻擋層對(duì)中等偶極矩材料是或多或少可滲透的而對(duì)改變傳遞性質(zhì)。通常，液體或氣體物質(zhì)的偶極矩越低，所述膜110對(duì)該特定材料的滲透性越低。所述交聯(lián)可與附加的聚合物化學(xué)物質(zhì)結(jié)合以改變所述阻擋層的選擇性。存在可加以應(yīng)用的交聯(lián)和化學(xué)物質(zhì)的多種不同結(jié)合。
支撐體112
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一個(gè)膜110包括任選連接到至少一個(gè)疏水和/或親水支撐體112的離聚的有機(jī)-無機(jī)雜化聚合物的層，所述支撐體對(duì)所述膜提供物理和/或化學(xué)增強(qiáng)。在某些實(shí)施方案中，不存在所述支撐體112。在某些實(shí)施方案中，至少一個(gè)支撐體112物理和/或化學(xué)連接到至少一個(gè)膜110。在某些實(shí)施方案中，所述支撐體112可以是疏水和/或親水的，或這些的任何組合，取決于應(yīng)用的具體要求和所需的目標(biāo)。
在某些實(shí)施方案中，優(yōu)選加入一個(gè)或多個(gè)支撐體層形式的一個(gè)或多個(gè)支撐體112,該支撐體優(yōu)選是多孔的。這些多孔支撐體112可是各種物質(zhì)的，包括例如烴烯烴、碳氟化合物烯烴、Si02(或其它化學(xué)類似的無定形物質(zhì))纖維、烴烯烴纖維和金屬氧化物陶瓷。所述多孔支撐體112 結(jié)構(gòu)可以包括但不限于織造的、非織造的、纖維性的、或通過除去液體 或組分從固體到氣體形式的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的纖維性空隙。如果存在多于 一 個(gè)
支撐體112,則典型地這些支撐體將隨著離所述阻擋層110越遠(yuǎn)而具有 提高的孔徑和不同的孔隙度。這些多孔支撐體112可以是疏水或親水的， 取決于層中所用的材料。所述支撐體112可以機(jī)械連接至所述阻擋層 110和在多個(gè)支撐體層的情況下彼此機(jī)械連接。其它連接技術(shù)如熔體連 接和化學(xué)交聯(lián)也是可用的。支撐體層形式的所述支撐體112可以設(shè)置于 所述阻擋層110的兩側(cè)，完全包封所述電解質(zhì)材料。包封的電解質(zhì)體系 結(jié)構(gòu)在氣體-至-氣體應(yīng)用中特別有用。
在某些實(shí)施方案中，所述多孔支撐體112允許一種或多種氣體跨過 該支撐體傳遞。支撐體112的孔隙度可以為大約5%、大約10%、大約 20%、大約30%、大約40%、大約50%、大約60%、大約70%、大約 80%、大約90%、大約91%、大約92%、大約93%、大約94%、大約 95%、大約96%、大約97%、大約98%、大約99%,或更高或這些值之 間的任何值。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述支撐體112包括二氧化硅，在另 一實(shí)施方案中，該支撐體112包括聚乙烯二氧化硅。這些類型的多孔材 料可從多個(gè)公司獲得，如W丄.Gore(例如微過濾介質(zhì)膜)、Daramic Corporation(聚丙烯和聚乙烯分隔物)和Sepro Membranes(微過濾膜 PVDF-MFB)。
納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜厚度可根據(jù)是否采用支撐體112以及采用的支撐 體和/或膜110的數(shù)目變化。通常，所述納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜的厚度為大約1 微米、大約5微米、大約10微米、大約20微米、大約30微米、大約 40微米、大約50微米、大約60微米、大約70微米、大約80微米、大 約90微米、大約100微米、大約120微米、大約130微米、大約140 微米、大約150微米、大約160微米、大約170微米、大約180微米、 大約190微米、大約200微米、大約210微米、大約220微米、大約230 微米、大約240微米、大約250微米、大約260微米、大約270微米、 大約280微米、大約290微米、大約300微米、大約350微米、大約400 微米、大約500微米、大約600微米、大約700微米、大約800微米、 大約900微米、大約1000微米，或這些值之間的任何值或更高。
所有交聯(lián)方案通常應(yīng)用于形成所述阻擋層的磺化聚合物。另外，某些交聯(lián)方案如三曱氧基硅烷還將與支撐體連接，將所述膜轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏?共價(jià)連接分子。與所迷支撐體的連接還強(qiáng)化了所述膜。
在一個(gè)特別的實(shí)施方案中，所述膜110的組成如下
11%硅烷(交聯(lián)劑)
0.25%TV123
0.25% Doverphos 613
0.25% BNX 1010
0.25%Benefos 1680
0.1% Amical 48
所述納米結(jié)構(gòu)膜的余量為磺化苯乙烯-乙烯聚合物。 本文提供的交聯(lián)方案通常應(yīng)用至形成所述阻擋層110的磺化聚合 物。但是，某些交聯(lián)方案如三曱氧基硅烷還將與所述支撐體112連接以 形成單一的共價(jià)連接分子，其包括所述膜110和所述支撐體112 二者。 使所述阻擋層110與所述支撐體112連接可強(qiáng)化所述膜110。
這種特別的膜由來自Dammic的基底制造并在使用之前紫外線固化 和熱固4匕。
相變材料
在本文公開的選擇性物質(zhì)傳遞體系中可以采用4壬何氣體和/或液體。 例如，對(duì)某些實(shí)施方案，相變材料可包括下列水、乙醇、甲醇、氨等的 液體和/或氣體形式。這些相變材料中的某些可在加熱和/或冷卻過程中 釋放可能對(duì)動(dòng)物包括人有害的液體和/或氣體。因此，這些相變材料中的 某些將用于加熱和/或冷卻非棲息地空域(例如用于冷卻包含電子設(shè)備的 空域)。
有或者沒有一個(gè)或多個(gè)支撐體112的所述膜110既可用于直接接觸 體系也可用于真空輔助體系。有或者沒有一個(gè)或多個(gè)支撐體112的所述 膜110在下文中稱作膜110/支撐體112組合件。
直接接觸
在直接接觸體系中，第一材料流102和笫二材料流104被設(shè)置為與 物質(zhì)交換器IOO的相對(duì)表面100a和100b直接接觸。所述第一材料和第 二材料可包括高偶極矩液體或氣體。所述笫 一材料可以與所述第二材料相同或不同。
在特定方面中，所述第一材料和第二材料之一具有比另 一個(gè)更高的 溫度。例如，所述第一材料和第二材料之一可以使用本領(lǐng)域公知的任何 加熱方法加熱至比另 一材料更高的溫度。所述較高溫度材料可以設(shè)置為
與所述膜110(或阻擋層110)的第一表面110a直接接觸。作為非限制性 實(shí)例，可以使用圖6和7中描繪的物質(zhì)交換器100排列。如果使用圖6 中描繪的排列，則所述第一材料流102被加熱至比第二材料流104更高 的溫度。如果使用圖7中描繪的排列，則所述第二材料流104被加熱至 比第一材料流102更高的溫度。
所述較高溫度材料具有比較低溫度材料更高的壓力，吸收到所述阻 擋層IIO(膜IIO)中去，滲透過所述阻擋層，通過一個(gè)或多個(gè)支撐體112 (如果存在支撐體112的話)，并離開所述物質(zhì)交換器100的第二表面 100b進(jìn)入另一較低溫度材料。該過程將熱能從所述較高溫度材料傳遞到 較低溫度材料(即，高溫材料冷卻而較低溫度材料升溫)。
不受理論限制，如果所述較高溫度材料為液體，則相信較高溫度的 液體在阻擋層界面經(jīng)歷相變成為蒸氣進(jìn)入微孔支撐體112。所述支撐體 112內(nèi)的蒸氣經(jīng)其擴(kuò)散并與所述較低溫度材料接觸。較高溫度液體和較 低溫度材料之間蒸氣壓的差異構(gòu)成跨越所述膜的濃度差。 一旦與所述較 低溫度材料接觸，所述蒸氣可能冷凝。
當(dāng)所述第一材料和所述第二材料都是高偶極矩液體時(shí)，直接接觸體 系可能是有用的。例如，當(dāng)所述第一材料和所述第二材料都是基于水時(shí)， 直接接觸體系可能是有用的。該方法當(dāng)較高溫度材料是微咸水、海水等 時(shí)尤其有用。
直接接觸脫鹽
微咸水、海水等包含溶解的固體，該溶解的固體包括正負(fù)離子。這 些離子的主要部分可包括鈉和氯離子。如上所述，所述膜110可以經(jīng)構(gòu) 造以允許分子水通行但可防止或阻滯離子(例如鹽)及其他雜質(zhì)通行。不 受理論限制，相信所述離子與水一起被吸收進(jìn)入阻擋層110,但沒有在 所述阻擋層和支撐體112之間的界面處轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵?。結(jié)果是溶解的所有 固體(包括離子如鹽)被留置(即，沒有跨過所述支撐體112輸送)且僅 有水?dāng)U散穿過所述支撐體112并離開所述物質(zhì)交換器100的第二表面100b。
使用膜110/支撐體112組合件來使某材料(如液體、氣體等)通過而 同時(shí)阻滯材料中所包含的離子通行的預(yù)料不到的結(jié)果是所述膜110還基 本上防止了在所述膜110和支撐體112之間的界面處形成沉淀的溶解離 子屏障。不受理論限制，據(jù)信所述膜110限制了被允許進(jìn)入所述膜110 的溶解離子的量，由此基本上防止了離子在所述膜110和支撐體112之 間的界面處集中。以此方式，避免了沉淀的離子屏障形成。
第一實(shí)施方案
為了便于說明，所述笫一材料流102是微咸水、海水等之一的流， 而所述第二材料流104是蒸餾水、去離子水等之一的流。在特定方面中， 所述第一材料流102被加熱至超過所述第二材料流104的溫度，該第二 材料流可以是未加熱的(例如，所述第二材料流102可以處于環(huán)境溫度)。
經(jīng)構(gòu)造以對(duì)第 一材料脫鹽的直接接觸逆流物質(zhì)交換器150的第 一實(shí) 施方案描繪在圖12中。作為非限制性實(shí)例，所述第一材料和/或第二材 料在其流過所述物質(zhì)交換器150時(shí)的溫度可以為大約95。C-大約l(TC。 在多種實(shí)施方案中，所述第一材料和/或第二材料在其流過所述物質(zhì)交換 器150時(shí)的溫度為大約60。C-大約3CTC。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的 是，進(jìn)入、離開所述物質(zhì)交換器150和在所述物質(zhì)交換器150內(nèi)的流速 可以是用來構(gòu)造該物質(zhì)交換器150的設(shè)計(jì)的函數(shù)。由于在多個(gè)實(shí)施方案 中，所述方法的熱效率和電效率是與規(guī)模無關(guān)的，在多個(gè)(如果不是全 部的話)實(shí)施方案中，進(jìn)入、離開所述物質(zhì)交換器150和在所述物質(zhì)交 換器150內(nèi)的流速可以從幾升每小時(shí)許多立方米每小時(shí)變化。
所述物質(zhì)交換器150包括膜110/支撐體112組合件。所述第一材料 流102(例如加熱的海水)設(shè)置為與所述膜110的第一表面110a直接接觸。 所述膜110/支撐體112組合件包括根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)構(gòu)造的納米復(fù)合物半 透膜。所述膜110/支撐體112組合件可包括單一的微孔支撐體112。在 該實(shí)施方案中，所述膜IIO與自身和支撐體112共價(jià)交聯(lián)。
所述物質(zhì)交換器150包括與所述支撐體112的笫一表面112a毗鄰 設(shè)置的第一開槽Plexiglas板152和與所述膜110的第一表面110a毗鄰 設(shè)置的第二開槽Plexiglas板154。使用 一個(gè)或多個(gè)墊圈156、封條(seal )、 O型密封環(huán)等來相對(duì)于所述膜110/支撐體112組合件密封所述板152的周邊部分158,從而允許所述笫二材料流過在所述板152中形成的槽，，G，， 并與所述支撐體112的第一表面112a接觸。使用一個(gè)或多個(gè)墊圈156、 封條(seal) 、 O型密封環(huán)等來相對(duì)于所述膜110/支撐體112組合件密 封所述板154的周邊部分159，從而允許所述第一材料流過在所述板154 中形成的槽"G"并與所述膜112的第一表面110a接觸。在圖12描繪的 實(shí)施方案中，使用雙O形環(huán)來相對(duì)于所述膜110/支撐體112組合件密封 所述板152的周邊部分158和所述板154的周邊部分159兩者。作為非 限制性實(shí)例，所述膜110的第一表面110a可具有大約0.035m2的面積。 所述墊圈156可幫助所述第一材料和第二材料分別在所述表面110a和 112a上均勻地分布。
可使用加熱器(未顯示)、附加換熱器(未顯示)、其組合等來使所述 第一材料和/或第二材料保持預(yù)定溫度。
各板152和154可以加工為具有任何數(shù)目的槽"G"(例如24個(gè)槽)(其 起到分布和收集壓力通風(fēng)的作用)，并配備有軟管接頭(未顯示)。各槽 可以為大約0.184英寸寬，大約0.150英寸深，并具有大約0.028平方英 寸的橫截面積。
較高溫度第一材料被輸送至所述板154而較低溫度第二材料被輸送 至逆流排列的所述板152。作為非限制性實(shí)例，所述第一材料可以大約 0.117米/秒的速度并在大約75。C的溫度下流入所述板154，且該第一材 料可以大約3.0升/分鐘的速度并在大約67。C的溫度下流出該板154。作 為非限制性實(shí)例，所述第二材料可以大約0.076米/秒的速度并在大約 38.4。C的溫度下流入所述板152,且該第一材料可以大約2.0升/分鐘的 速度并在大約43.rC的溫度下流出該板152。在這種實(shí)施方案中，蒸氣 通過所述膜110/支撐體112組合件與跨越該膜110/支撐體112組合件的 壓差成比例地傳遞。如果在較高溫度第一材料和較低溫度第二材料之間 存在32。C平均溫差且所述較高溫度第一材料具有大約3重量％ (其也可 以表達(dá)為份/百萬份("ppm"))的鹽度水平，則可以達(dá)到大約9.2千克 H20/m"小時(shí)的通量率。如果所述較高溫度第一材料具有大約11重量％ 的鹽度水平，則在相同的熱條件下可以達(dá)到大約6.2千克H20/mV小時(shí) 的通量率(flux rate)。
使用下列方法，對(duì)通過所述物質(zhì)交換器150處理的第二材料樣品測(cè) 定所述物質(zhì)交換器150區(qū)分水分子和鹽或其它污染物分子的能力。起初稱重干燥樣品盤以得到基重。將通過所述物質(zhì)交換器150處理過的一定 量第二材料加入至所述樣品盤并稱重該樣品盤和處理過的笫二材料。然
后將所述樣品盤放置在熱板上以使所述處理過的第二材料蒸發(fā)。在該處 理過的第二材料蒸發(fā)以后，再次稱重所述樣品盤。如果所述盤中的第二 材料包含溶解的固體，則它們?cè)谡舭l(fā)過程中留置下來。使用該方法，確 定所述樣品盤在第二材料樣品加入前后得到相同的稱重。在測(cè)量過程中
用來稱重所述樣品盤的天平精確到0.0001克或10ppm。由于樣品盤的重 量沒有改變，所述第二材料不含含量等于或大于1 Oppm的溶解的固體(例 如鹽)如其它低分子量有機(jī)材料、無機(jī)材料等。
所述膜110/支撐體112組合件的掃描電子顯微術(shù)圖像揭示，在所述 疏水微孔膜支撐體112內(nèi)沒有鹽沉積。所述膜110上所選點(diǎn)的 SEM/EDAX分析顯示了在所述納米結(jié)構(gòu)阻擋層內(nèi)低含量Na和Cl的存 在。所述膜IIO(例如磺化的離聚物、電解質(zhì))可至少有限程度地吸收離 子。該吸收將所述膜IIO(例如陽離子交換聚合物)轉(zhuǎn)化為構(gòu)成所吸收離 子大部分的任何離子形式。所述離子形式可以與所吸收的離子類型相 稱。在該實(shí)施方案中，所述阻擋層110電解質(zhì)由于與海水接觸而為鈉離 子形式。支撐體112上所選點(diǎn)的SEM/EDAX分析顯示了在所述支撐體 112內(nèi)鈉和CUM氐的殘留存在。事實(shí)上，這些材料的存在含量處于用來 構(gòu)造所述支撐體112的微孔材料的背景含量范圍內(nèi)。
第二實(shí)施方案
直接接觸脫鹽可以使用圖10中描繪的板式樣物質(zhì)交換器130進(jìn)行。 作為非限制性實(shí)例，所述第 一材料和/或第二材料在其流過所述物質(zhì)交換 器130時(shí)的溫度可以為大約95。C-大約10°C。在多種實(shí)施方案中，所述 第一材料和/或第二材料在其流過所述物質(zhì)交換器130時(shí)的溫度為大約 60。C-大約30°C。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，進(jìn)入、離開所述物 質(zhì)交換器130和在所述物質(zhì)交換器130內(nèi)的流速可以是用來構(gòu)造該物質(zhì) 交換器130的設(shè)計(jì)的函數(shù)。由于在多個(gè)實(shí)施方案中，所述方法的熱效率 和電效率是與規(guī)模無關(guān)的，在多個(gè)(如果不是全部的話)實(shí)施方案中， 進(jìn)入、離開所述物質(zhì)交換器130和在所述物質(zhì)交換器130內(nèi)的流速可以 從幾升每小時(shí)至許多立方米每小時(shí)變化。
所述板132和134可以通過加工ABS塑料片材以形成稱為流場(chǎng)的壓力通風(fēng)和膜液體分配(disbursement)區(qū)域來構(gòu)造。所述ABS流場(chǎng)使用 構(gòu)建在該流場(chǎng)中的壓縮表面相對(duì)所述膜110/支撐體112組合件密封。存 在兩個(gè)板類型一個(gè)對(duì)應(yīng)于所述膜110/支撐體112組合件的鹽水溶液側(cè) (第 一材料)且一個(gè)對(duì)應(yīng)于'蒸餾的，溶液(第二材料)側(cè)，其可以稱為鹽水板 和餾出物板(或清水板)。所述物質(zhì)交換器130的設(shè)計(jì)在所述板132和 134之間密封所述膜110/支撐體112組合件。所述板132和134可以栓 接在一起。所述板132和134之間的隔離物將所述板的內(nèi)表面定位為預(yù) 定的彼此接近(proximity)。所述物質(zhì)交換器130可以拆卸以便清潔、 以更換所述膜110/支撐體112組合件等。
當(dāng)溫?zé)岷Ｋ洼^冷餾出流被引導(dǎo)以逆流排列跨過所述膜110/支撐 體112組合件表面時(shí)，跨越該膜110/支撐體112組合件存在水分交換。 水流從連通各層之間的水的壓力通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)料而不會(huì)使海水和蒸餾水 混合。在蒸餾水流中形成冷凝物，引起其流速和溫度升高。
作為非限制性實(shí)例，大約十個(gè)板和九個(gè)膜110/支撐體112組合件可
以通過將多個(gè)物質(zhì)交換器130堆疊在一起組合為單一的堆疊物質(zhì)交換器
(未顯示)，以致在一個(gè)替代性款式中，所述第一材料板132的一個(gè)例子
定位于與所述第二材料板134的一個(gè)例子并置(膜110/支撐體112組合件 的一個(gè)例子位于它們之間)，該第二材料板與所述第一材料板B2另一例
子并置定位(膜的另一例子位于它們之間)等等。如果使用這種堆疊的物 質(zhì)交換器，則其可以任何所需速率從鹽水制造蒸鎦水。在特定實(shí)施方案 中，所述速率可以為大約1.728升/小時(shí)。
通過所述膜110/支撐體112組合件的通量是所述物質(zhì)交換器130內(nèi) 膜110的面積與每單位面積的平均水分通量的乘積。每單位面積的水分 通量是所述膜110/支撐體112組合件的第一表面110a與笫一表面112a 之間的蒸氣壓差異(密度差)的函數(shù)。蒸氣壓差異可以通過在所述膜110/ 支撐體112組合件的相對(duì)側(cè)上的第一材料與第二材料之間的溫度差確 定。
第三實(shí)施方案
現(xiàn)在將根據(jù)圖6描述直接接觸脫鹽方法。為了便于說明，所述第一 材料流102是微咸水、海水等之一的流，而所述第二材料流104是蒸餾 水、去離子水等之一的流。所述第一材料流102被加熱至超過所述第二材料流104的溫度，該第二材庫牛流可以是未加熱的(例如，所述第二材料 流102可以處于環(huán)境溫度)。
所述第一材料流102(例如加熱的海水)設(shè)置為與所述膜110的第一 表面110a(即所述膜110的第一表面110a)直接接觸。圖6中描繪的物質(zhì) 交換器100包括單一的支撐體112;但是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見 的是，可以使用膜IIO和支撐體112的其它構(gòu)造，包括額外的一個(gè)或多 個(gè)附加支撐體，并且屬于本發(fā)明教導(dǎo)的范圍之內(nèi)。所述第二材料流 104(例如，未加熱的蒸餾水)設(shè)置為與所述物質(zhì)交換器100的第二表面 100b(即，所述支撐體112的第一表面112a)接觸。氣體(例如水蒸氣)形 式的一部分第一材料跨過所述膜IIO和支撐體112傳遞以與較冷的第二 材料(例如蒸餾水)結(jié)合。
所述膜110可以布置在外殼(未顯示)內(nèi)。所述膜IIO可以以任何適 合實(shí)現(xiàn)第一材料與所述物質(zhì)交換器100的第一表面100a之間接觸以及 第二材料和所述物質(zhì)交換器100的第二表面100b之間接觸的方式布置 在所述外殼內(nèi)部。如圖10中描繪的，在所述外殼內(nèi)棱柱形地布置所述 膜使得大面積的所述第一表面100a與所述較高溫度第一材料(例如海水) 接觸以及所述第二表面100b與所述較低溫度第二材料(例如蒸餾水)接 觸。
參照?qǐng)D13,現(xiàn)在將描述經(jīng)構(gòu)造以實(shí)施直接接觸脫鹽的示例性系統(tǒng) 200。作為非限制性實(shí)例，所述第一材料和/或第二材料在其流過所述系 統(tǒng)200時(shí)的溫度可以為大約95。C-大約l(TC。在多種實(shí)施方案中，所述 第一材料和/或第二材料在其流過所述系統(tǒng)200時(shí)的溫度可以為大約60 。C畫大約3(TC。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，進(jìn)入、離開所述系統(tǒng) 200和在所述系統(tǒng)200內(nèi)的流速可以是用來構(gòu)造該系統(tǒng)200的設(shè)計(jì)的函 數(shù)。由于在多個(gè)實(shí)施方案中，所述方法的熱效率和電效率是與規(guī)模無關(guān) 的，在多個(gè)(如果不是全部的話)實(shí)施方案中，進(jìn)入、離開所述系統(tǒng)200 和在所述系統(tǒng)200內(nèi)的流速可以/人幾升每小時(shí)至許多立方米每小時(shí)變 化。
所述系統(tǒng)200包括物質(zhì)交換器100,其用來處理第一材料流102和 第二材料流104。所述第一材料流102和第二材料流104都被引導(dǎo)通過 一系列導(dǎo)管，所述導(dǎo)管用來描述不同于所述膜的選擇性傳遞路徑的結(jié)構(gòu) 的，包括將所述系統(tǒng)200的不同部件連接在一起的通道、管、管道等。進(jìn)一步地，^L需要地，可以引入泵和閥以保持和調(diào)節(jié)通過所述系統(tǒng)200 的導(dǎo)管及其他部件的流動(dòng)。
通過貯器202提供用來產(chǎn)生所述第一材料流102的第一材料。為了 說明目的，假定所述第一材料是在貯器202內(nèi)部的溫度為大約15。C的海 水。所述第一材料自所述貯器202流動(dòng)經(jīng)過導(dǎo)管204,到達(dá)第一換熱器 210。
至少一部分經(jīng)加熱的第一材料流102沒有通過所述支撐體112通行 從而與所述第二材料流104結(jié)合。該部分可包括比所述貯器202中的第 一材料更大濃度的溶解的固體(如離子)。沒有通過所述支撐體112通行 從而與所述第二材料流104結(jié)合的該部分流經(jīng)導(dǎo)管212進(jìn)入所述第一換 熱器210。流經(jīng)導(dǎo)管212的該部分的溫度可以超過導(dǎo)管204中所述第一 材料的溫度。因此，所述第一換熱器210可使用所述導(dǎo)管212中的所述 部分笫一材料的過量熱能以加熱所述導(dǎo)管204中的第一材料流102。在 所述導(dǎo)管212中的所述部分第一材料通過所述第一換熱器210通行并進(jìn) 入導(dǎo)管214,該導(dǎo)管214將所述第一材料送回所述貯器202。
作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管212中的第一材料溫度可以為大約23 。C。使用所述導(dǎo)管212中的所述第一材料的熱能，所述第一換熱器210 可以將所迷導(dǎo)管204中的第一材料流102加熱至大約22°C。
所述第一換熱器210可包括本領(lǐng)域公知的任何適當(dāng)換熱器，包括但 不限于管殼式換熱器、管管間換熱器、平板式換熱器、圓柱式換熱器、 板翅式換熱器等。
替代性地，可以省略所述第一換熱器210和導(dǎo)管214,且所述導(dǎo)管 212可以將離開所述物質(zhì)交換器100的所述第一材料送回至所述貯器 202,在此處被送回的笫一材料簡單地將其熱能傳遞至主體第一材料， 由此提高所述貯器202內(nèi)的所述第一材料的溫度。但是，如果所述貯器 202足夠大，則該溫度升高可能是可忽略不計(jì)的。
在導(dǎo)管204中的所述部分的第一材料通過該第一換熱器210通行并 進(jìn)入導(dǎo)管216。任選地，所述系統(tǒng)200包括笫二換熱器220。如上解釋 的，當(dāng)經(jīng)加熱的第一材料流102流經(jīng)所述物質(zhì)交換器100時(shí)，熱能被傳 遞至所述第二材料流104。在有些情況中，在所述第二材料流104經(jīng)過 導(dǎo)管224離開所述物質(zhì)交換器IOO后，該導(dǎo)管224中的所述第二材料流 104的溫度將高于所述導(dǎo)管216中的所述第一材料(或者如果省略所述第一換熱器210的話，則是在所述貯器202中的所述笫一材料)的溫度。因此，所述笫二換熱器220可使用所述導(dǎo)管224中的所述第二材料流104的熱能以加熱所述導(dǎo)管216中的第一材料或經(jīng)由所述導(dǎo)管204離開所述貯器202的第一材料。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管216中的第一材料溫度可以為大約22。C。使用所述導(dǎo)管224中的所述第二材料的熱能，所述第二換熱器220可以將所述導(dǎo)管216中的第一材料流102加熱至大約48°C。
在所述導(dǎo)管224中的所述部分第二材料通過所述第二換熱器220通行并進(jìn)入導(dǎo)管228,該導(dǎo)管228將所述第二材料引導(dǎo)至閥230。該閥230引導(dǎo)第一部分的第二材料進(jìn)入導(dǎo)管234和第二部分進(jìn)入導(dǎo)管236。將導(dǎo)管234中的該笫一部分引導(dǎo)出所述系統(tǒng)200。作為非限制性實(shí)例，該第一部分可以被引導(dǎo)進(jìn)入貯器(未顯示)、市政用水系統(tǒng)、辦公樓、家庭等。
任選地，在所述導(dǎo)管236中的第二部分第二材料被引導(dǎo)至第三換熱器240。在所述導(dǎo)管236中的第二材料可具有高于所述貯器202中的主體第一材料溫度的溫度。因此，所述導(dǎo)管236中的第二材料可以將其部分熱能傳遞至所述貯器202中的主體第一材料，由此在所述導(dǎo)管236中的第二材料經(jīng)過導(dǎo)管242進(jìn)入所述物質(zhì)交換器100之前冷卻所述導(dǎo)管236中的所述第二材料。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管236中的第二材料的溫度可以為大約27°C。通過將所述導(dǎo)管236中第二材料的部分熱能傳遞至所述貯器202中的笫一材料，所述第一換熱器240可以在所述導(dǎo)管236中的第二材料流104經(jīng)過導(dǎo)管242進(jìn)入所述物質(zhì)交換器100之前冷卻在所述導(dǎo)管236中的該第二材料流104。
作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管224中的第二材料的溫度可以為大約53 。C 。使用所述導(dǎo)管224中的所述第二材料的熱能，所述第二換熱器220可以將所述導(dǎo)管216中的第 一材料流102加熱至大約48。C并將所述導(dǎo)管224中的第二材料流104冷卻至大約27°C。
所述第二換熱器220可包括本領(lǐng)域公知的任何適當(dāng)換熱器，包括但不限于管殼式換熱器、管管間換熱器、平板式換熱器、圓柱式換熱器、板翅式換熱器等。
在所述導(dǎo)管216中的所述部分第一材料通過所述第二換熱器220通行并進(jìn)入導(dǎo)管248,該導(dǎo)管248將所述第二材料引導(dǎo)至與熱源260連接的第四換熱器250。作為非限制性實(shí)例，所述第四換熱器250可以在所述導(dǎo)管248中的第一材料流102通過從該第四換熱器250引出的導(dǎo)管262進(jìn)入所述換熱器100之前將該第一材料流102加熱至大約59°C。所述第四換熱器250可包括本領(lǐng)域公知的任何適當(dāng)換熱器，包括但不限于管殼式換熱器、管管間換熱器、平板式換熱器、圓柱式換熱器、板翅式換熱器等。
所述熱源260可以將經(jīng)加熱材料(例如液體、氣體等等)供應(yīng)至所述第四^t奐熱器250。所述熱源260可以通過導(dǎo)管274和276分別連接至所述第四換熱器250的入口 270和出口 272。所述經(jīng)加熱材泮+自熱源260流動(dòng)經(jīng)過所述導(dǎo)管274進(jìn)入所述第四換熱器250的入口 270，通過該第四換熱器250通行，經(jīng)過所述出口 272離開所述笫四換熱器250,進(jìn)入導(dǎo)管276，并回到所述熱源260。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管248中的第一材料溫度可以為大約48°C。使用經(jīng)過所述導(dǎo)管274進(jìn)入所述第四換熱器250的經(jīng)加熱材料的熱能，所述第四換熱器250可以在所述導(dǎo)管248中的第一材料流102經(jīng)過導(dǎo)管262進(jìn)入所述物質(zhì)交換器100之前加熱該第一材料流102至大約59°C。所述熱源260可包括本領(lǐng)域公知的任何適當(dāng)熱源，包括經(jīng)加熱的水，例如用來/人發(fā)電過程除去余熱的水、從焚燒爐或其它工業(yè)過程出來的熱氣體等。所述熱源260可包括高級(jí)熱量的新來源、低級(jí)廢熱源(該廢熱否則將流失至環(huán)境)、其組合等。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以將附加的換熱器加入至所述系統(tǒng)200以控制所述導(dǎo)管內(nèi)的第一材料和第二材料的溫度。此外，可以視需要加入附加的換熱器以跨越所述物質(zhì)交換器100的膜IIO在所述第一材料和第二材料之間保持基本上恒定的溫差。正如以上的討論，所述第 一材料和第二材料之間足夠的溫差將引起所述第 一材料滲透穿過所述阻擋層IIO和支撐體112以與所述第二材料結(jié)合。
真空輔助
參照?qǐng)D14,在真空輔助系統(tǒng)中，所述膜110/支撐體112組合件被并入物質(zhì)交換器100的部件中，稱為蒸發(fā)器280。類似于如上所述的直接接觸系統(tǒng)，在真空輔助系統(tǒng)中，較高溫度材料流經(jīng)腔室282并與所述膜IIO的第一表面110a接觸；但是，較低溫度材料沒有設(shè)置為與所述支撐體112的第一表面112a接觸。相反，在所述支撐體112的第一表面112a附近產(chǎn)生部分真空290。所述較高溫度材料的壓力比所述部分真空290更高，該部分真空290是與所述支撐體112的第一表面112a毗鄰的較低壓力區(qū)域。
所述部分真空290在所述第一表面112a附近提供比通過上述直接接觸系統(tǒng)的較低溫度材料提供的蒸氣壓更低的蒸氣壓。在直接接觸法中，所述較高溫度液體和較低溫度材料之間的蒸氣壓差異構(gòu)成跨越所述膜IIO和支撐體112的濃度差。相對(duì)于如上所述的直接接觸法，在所述真空輔助方法中使用的所述膜110的第一表面110a和所述支撐體112的第一表面112a之間的濃度差大得多。該更大的濃度差可引起所述第一材料(例如高偶極矩液體或氣體)的某些組分跨過所述膜110和支撐體112顯著更高的傳輸速率。換句話說，由于所述部分真空較低的蒸氣壓提供對(duì)于從所述支撐體112離開的較高溫度材料較低的阻力，通量率可以更高，并可實(shí)現(xiàn)跨越所述膜IIO和支撐體112更高的傳遞速率。
所述部分真空290在限定于所述支撐體112的第一表面112a和腔室292的側(cè)壁295之間的該腔室292內(nèi)形成。通過所述膜IIO和支撐體112通行的蒸氣在與所述支撐體112的第一表面112a隔開的冷凝表面294上冷凝。在圖14描繪的實(shí)施方案中，所述冷凝表面294是所述腔室292的側(cè)壁295的內(nèi)表面。所述腔室292的側(cè)壁295還可以用作腔室297的側(cè)壁，較低溫度材料經(jīng)過該腔室297流動(dòng)。所述腔室297中的較低溫度材料與所述側(cè)壁295的外表面296直接接觸。所述腔室297內(nèi)的較低溫度材料的流動(dòng)使所述側(cè)壁295及其內(nèi)部的冷凝表面294冷卻，引起跨過所述膜110和支撐體112輸送的較高溫度蒸氣在所述冷凝表面294上冷凝成液體298。
代替使用較低溫度材料的流動(dòng)來冷卻所述冷凝表面294,可以使用替代性冷卻方法如輻射冷卻、熱電冷卻等。作為另一實(shí)例，所述較高溫度蒸氣可以輸送至在所述蒸發(fā)器280外的冷凝腔室，所述蒸氣在此處冷凝。作為又一實(shí)例，所述側(cè)壁295可以省略，且部分真空290在所述第一表面112a和較低溫度材料的表面之間形成。在這種實(shí)施方案中，跨過所述膜IIO和支撐體112輸送的所述較高溫度蒸氣在所述較低溫度材料的表面上冷凝。
真空輔助的脫鹽
真空輔助脫鹽方法和系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案如下提供。為了便于說明，在這些實(shí)施方案中，所述第一材料是微咸水、海水等之一，而所述第二材料是脫鹽水、蒸餾水、去離子水等之一。所述第一材料是較高溫度材料并可以#皮加熱至高于其初始溫度的溫度，該初始溫度可以是環(huán)境溫度。當(dāng)所述第一材料是海水時(shí)，經(jīng)加熱的海水可以來源于上述環(huán)境溫度海水的來源，例如來自發(fā)電廠的水蒸氣冷凝器。所述海水的環(huán)境溫度
可以為大約28°C。發(fā)電廠的水蒸氣冷凝器加熱海水并排放大約45。C的經(jīng)加熱海水。所述第一材料可以通過泵170(參見例如圖15)，例如鹽水泵而泵送入脫鹽系統(tǒng)。
各示例性實(shí)施方案包括至少一個(gè)蒸發(fā)器。所述蒸發(fā)器包括膜110和/或支撐體112并可以根據(jù)如上所述的蒸發(fā)器280(參見圖14)構(gòu)造。所述蒸發(fā)器可包括單一的支撐體112;但是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以使用膜IIO和支撐體112的其它構(gòu)造，包括多于一個(gè)支撐體，并且屬于本發(fā)明教導(dǎo)的范圍之內(nèi)。
在所述蒸發(fā)器內(nèi)，所述笫一材料流102(例如加熱的海水)設(shè)置為與所述膜110的第一表面110a直接接觸。氣體或蒸氣(例如水蒸氣)形式的一部分第一材料跨過所述膜110/支撐體112組合件傳遞以產(chǎn)生第二材料(例如脫鹽水)。任選地，所述氣體或蒸氣可在所述冷凝表面294上冷凝成液體298(例如蒸餾水)。
所述蒸發(fā)器的各部件可以以適合于實(shí)現(xiàn)所述第 一材料與所述膜110的第一表面110a之間接觸以及所述支撐體112的第一表面112a與所述側(cè)壁295之間形成部分真空290的任何方式布置在外殼內(nèi)部。作為非限制性實(shí)例，所述蒸發(fā)器可包括外殼且所述膜110/支撐體112組合件可以棱柱形地(參見圖IO)布置在該外殼內(nèi)。
作為非限制性實(shí)例，所述第 一材料和/或第二材料在其流經(jīng)示例性實(shí)施方案時(shí)的溫度可以為大約95。C-大約l(TC。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述第一材料和/或第二材料的溫度可以為大約60。C-大約30°C。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，進(jìn)入、離開所述示例性實(shí)施方案和在所述示例性實(shí)施方案內(nèi)的流速可以是用來構(gòu)造該實(shí)施方案的設(shè)計(jì)的函數(shù)。由于在多個(gè)實(shí)施方案中，所述方法的熱效率和電效率是與規(guī)一莫無關(guān)的，在多個(gè)(如果不是全部的話)實(shí)施方案中，進(jìn)入、離開所述實(shí)施方案和在所述實(shí)施方案內(nèi)的流速可以從幾升每小時(shí)至許多立方米每小時(shí)變化。第一實(shí)施方案
現(xiàn)在將根據(jù)圖15描述真空輔助脫鹽系統(tǒng)300和相關(guān)方法。該系統(tǒng)300包括物質(zhì)交換器100,該物質(zhì)交換器100包括蒸發(fā)器310。導(dǎo)管302將較高溫度第一材料輸送至所述物質(zhì)交換器100的蒸發(fā)器310。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管302中的第一材料溫度可以為大約45。C。作為另外的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管302中的第一材料流速可以為大約5m3/小時(shí)。所述較高溫度第一材料經(jīng)過導(dǎo)管308離開所述蒸發(fā)器310。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管308中的第一材料溫度可以為大約2(TC。如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，通過所述蒸發(fā)器310通行的所述較高溫度第一材料的溫度通過在所述蒸發(fā)器310內(nèi)部發(fā)生的蒸發(fā)過程降低。
可使用導(dǎo)管閉環(huán)來往返于所述物質(zhì)交換器100輸送較低溫度材料。例如，導(dǎo)管304將較低溫度第一材料輸送至所述物質(zhì)交換器100且導(dǎo)管306輸送該較低溫度第一材料離開所述物質(zhì)交換器100。所述較低溫度材料可以在基本上類似于貯器202(參見圖13)的貯器(未顯示)內(nèi)，該貯器將第一材料供應(yīng)至導(dǎo)管304并從導(dǎo)管306接收排放的第一材料。作為非限制性實(shí)例，在所述導(dǎo)管304中的第一材料的溫度可以為大約28。C且在所述導(dǎo)管306中的第 一材料的溫度可以為大約31 。C 。作為另外的非限制性實(shí)例，在所述導(dǎo)管304中的第一材料的流速可以為大約15mV小時(shí)且在所述導(dǎo)管306中的第一材料的流速可以為大約19.63mV小時(shí)。
盡管在圖15描繪的實(shí)施方案中，所述笫一材料(例如海水)被用作較低溫度材料，但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，通過對(duì)本文提供的教導(dǎo)應(yīng)用常規(guī)技術(shù)，所述系統(tǒng)300可以被改變?yōu)槭褂玫诙牧匣虿煌谒龅?一材料和第二材料二者的第三材料作為較低溫度材料。
除了所述蒸發(fā)器310之外，所述物質(zhì)交換器IOO還包括蒸氣壓縮機(jī)320、真空泵330和冷凝器340。所述蒸氣壓縮機(jī)320連接在所述蒸發(fā)器310和冷凝器340之間并可操作為將從來自所述蒸發(fā)器310的第一材料提取的第二材料傳遞至所述冷凝器340。
所述蒸氣壓縮機(jī)320和真空泵330 —起在所述蒸發(fā)器310內(nèi)產(chǎn)生并保持部分真空290(參見圖14)。所述壓縮機(jī)320捕集或聚集通過所述膜110和支撐體112通行的蒸氣或氣體(例如低溫水蒸氣)，并將所述氣體的飽和溫度改變或均化至進(jìn)入所述部分真空290的蒸氣的平均溫度。換句話說，所述壓縮機(jī)320混合提取自所述第一材料(例如經(jīng)加熱的鹽水或海水)的第二材料(例如水蒸氣)。該混合為所述第二材料產(chǎn)生平均溫度。
當(dāng)所述第一材料經(jīng)過所述蒸發(fā)器310通行時(shí)，該第一材料冷卻。因此， 與從較靠近所述導(dǎo)管308的一部分笫一材料提取的第二材料相比較，從 位于較靠近所述導(dǎo)管302的一部分第一材料提取的第二材料的量更高。 所述平均溫度為所述較高溫度第 一材料貢獻(xiàn)出的第二材料質(zhì)量比所述 較冷第一材料更高的結(jié)果，其中假定對(duì)于各個(gè)水溫度，具有共同的部分 真空水平和基本上相等的膜面積。
作為非限制性實(shí)例，所述蒸發(fā)器310內(nèi)的所述平均溫度可以為大約 32.5°C。以此方式，所述蒸氣壓縮機(jī)320改變所捕集蒸氣的飽和溫度， 使得該蒸氣靠著所述冷凝器340內(nèi)部的冷凝表面294(參見圖14)冷凝。
在圖15描繪的實(shí)施方式中，冷凝器340容納在與所述蒸發(fā)器310 分開的外殼內(nèi)，但是這并不要求?；蛘撸隼淠?40可以并入所述 蒸發(fā)器310內(nèi)部。例如，所述冷凝器340可以位于所述蒸發(fā)器310的某 腔室(未顯示)內(nèi)。
所述冷凝器340接收來自所述導(dǎo)管304的較低溫度第一材料(例如 海水)。在描繪的該實(shí)施方案中，所述導(dǎo)管304可以連接至閥342，該閥 342調(diào)節(jié)所述較低溫度第一材料流動(dòng)進(jìn)入與所述冷凝器340連接的導(dǎo)管 346。任選地，該冷凝器340可以接收通過所述導(dǎo)管308離開所述蒸發(fā) 器310的較低溫度第一材料(例如海水)。所述導(dǎo)管308可以連接至所述 閥342 ，這可使來源于所述蒸發(fā)器310的第 一材料與來源于所述導(dǎo)管304 的第一材料混合。作為非限制性實(shí)例，當(dāng)所述導(dǎo)管308中的離開所述蒸 發(fā)器310的笫一材料溫度為大約20°C,且所述導(dǎo)管302中的來源于所述 貯器202的第一材料溫度為大約28。C時(shí)；所述導(dǎo)管346中的混合物可具 有大約26。C的溫度。
可使用所述較低溫度第一材料來吸收來自所述冷凝器340的熱能， 從而使冷凝表面294(參見圖14)保持在足夠冷以冷凝所述蒸氣的適當(dāng)溫 度。所述冷凝器340的冷凝表面294的溫度等于或低于所述蒸氣的飽和 溫度。在所述冷凝器340內(nèi)部冷凝的所述第二材料經(jīng)過導(dǎo)管344離開所 述冷凝器340。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管344中的第二材料的流速 可以為大約0.184mV小時(shí)。任選地，所述導(dǎo)管344可以連接至泵345， 該泵345可調(diào)節(jié)所述導(dǎo)管344中的流速。所述泵345還可操作以在調(diào)節(jié) 所述冷凝器340內(nèi)部的壓力方面輔助所述真空泵330。所述冷凝器340內(nèi)的壓力可以低于所述蒸發(fā)器310內(nèi)的壓力，使得 所述壓縮機(jī)320能夠幾乎不做實(shí)際功并耗費(fèi)較低的電能。換句話說，所 述蒸發(fā)器310和所述冷凝器340之間的壓差可引起所述蒸發(fā)器310中的 蒸氣流入所述冷凝器340而無需來自所述壓縮機(jī)320的大(即使有的話) 協(xié)助。因此，所述壓縮機(jī)320可簡單地均化蒸氣溫度并引導(dǎo)蒸氣進(jìn)入所 述冷凝器340。
所述真空泵330可以通過導(dǎo)管350連接至所述蒸發(fā)器310,該泵通 過所述導(dǎo)管350向所述蒸發(fā)器310提供至少一部分的部分真空290。該 真空泵330還可以通過導(dǎo)管352連接至所述冷凝器340。所述真空泵330 可操作以保持所述冷凝器340內(nèi)部的合意壓力，這可包括比所述蒸發(fā)器 310內(nèi)部的壓力更4氐的壓力。如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，所述系 統(tǒng)300內(nèi)的所述導(dǎo)管350、導(dǎo)管352和其它導(dǎo)管可包括經(jīng)構(gòu)造以調(diào)節(jié)經(jīng) 過其的流動(dòng)的閥。盡管在附圖所描繪的系統(tǒng)300的實(shí)施方案中，使用單 一的真空泵330來向所述蒸發(fā)器310和冷凝器340 二者提供真空壓力， 但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，通過對(duì)本文提供的教導(dǎo)應(yīng)用常規(guī)技術(shù)，可以使 用多于一個(gè)泵。所述真空泵330可包括放氣至環(huán)境中的放氣口 。
由于所述系統(tǒng)300可在低于環(huán)境(例如28。C)溫度下排放來自所述蒸 發(fā)器310的笫一材料(例如顯示為2CTC),所以可以捕集超過100%的所 述較高溫度第一材料的能量(例如可以捕集145%)。如果適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行構(gòu) 造，則所述系統(tǒng)300可捕集高達(dá)大約145%或更多的通過發(fā)電廠冷凝器 加入至海水的熱能，這可以一見作電和熱均有效的。
第二實(shí)施方案
現(xiàn)在將根據(jù)圖16描述真空輔助脫鹽系統(tǒng)400和相關(guān)方法。所述系 統(tǒng)400包括物質(zhì)交換器100，該物質(zhì)交換器100包括串聯(lián)布置的蒸發(fā)器 410和420。導(dǎo)管402將較高溫度第一材料輸送至所述物質(zhì)交換器100 的第一蒸發(fā)器410。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管402中的第一材料溫 度可以為大約45。C。作為另外的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管402中的第一 材^l"流速可以為大約5mV小時(shí)。
所述較高溫度第一材料離開所述第一蒸發(fā)器410并通過導(dǎo)管404進(jìn) 入所述第二蒸發(fā)器420。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管404中的第一材 料溫度可以為大約32°C。如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，經(jīng)過所述蒸發(fā)器410通行的所述較高溫度第一材料的溫度通過在所述第一蒸發(fā)器 410內(nèi)部發(fā)生的蒸發(fā)過程降低。
所述較高溫度第一材料經(jīng)過導(dǎo)管406離開所述第二蒸發(fā)器420。作 為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管406中的第一材料溫度可以為大約30°C。如 對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，經(jīng)過所述第二蒸發(fā)器420通行的所述較 高溫度第一材料的溫度通過在所述蒸發(fā)器420內(nèi)部發(fā)生的蒸發(fā)過程降 低。
所述蒸發(fā)器410使用本文公開的任何適當(dāng)蒸發(fā)器構(gòu)造，包括但不限 于所述蒸發(fā)器280和蒸發(fā)器310。在所描繪的實(shí)施方案中，所述蒸發(fā)器 410包括通過側(cè)面與冷凝器414和膜110/支撐體112組合件連接的真空 壓力通風(fēng)系統(tǒng)412。所述真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)412包括部分真空290,這 通過經(jīng)由導(dǎo)管413與所述蒸發(fā)器410連接的真空泵411產(chǎn)生和保持。所 述真空泵411可包括放氣至環(huán)境中的放氣口 。
經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行的蒸氣橫跨所述真空壓力通 風(fēng)系統(tǒng)412并進(jìn)入所述冷凝器414,所述蒸氣在此處冷凝成第二材料。 該第二材料通過導(dǎo)管416離開所述冷凝器414,該導(dǎo)管416可任選地連 接至泵418。
所述蒸發(fā)器420使用本文公開的任何適當(dāng)蒸發(fā)器構(gòu)造，包括但不限 于所述蒸發(fā)器280、蒸發(fā)器310和蒸發(fā)器410。在所描繪的實(shí)施方案中， 所述蒸發(fā)器420基本上類似于所述蒸發(fā)器310。真空泵411經(jīng)由導(dǎo)管422 連接至所述蒸發(fā)器420。所述真空泵411可操作以保持所述蒸發(fā)器420 以及蒸發(fā)器410內(nèi)部的部分真空290。或者，可使用分別的真空泵來保 持所述蒸發(fā)器420和蒸發(fā)器410內(nèi)部的部分真空290。
所述蒸發(fā)器420連接至基本上類似于所述壓縮機(jī)320(參見圖15)的 壓縮機(jī)440，該壓縮機(jī)440引導(dǎo)第二材料經(jīng)過所述蒸發(fā)器420的膜110/ 支撐體112組合件(以蒸氣相)通行到達(dá)外冷凝器450。在所述冷凝器450 內(nèi)部，所述笫二材料冷凝成液體，該液體經(jīng)過導(dǎo)管452離開所述冷凝器 450。所述導(dǎo)管452可以連接至閥419和所述泵418。導(dǎo)管421可以連接 至所述閥419。所述閥419可以調(diào)節(jié)笫一量的第二材料離開所述冷凝器 450流入所述泵418和笫二量的第二材料離開所述冷凝器450流入所述 導(dǎo)管421。所述導(dǎo)管421將所述第二材料傳遞到所述體系400的物質(zhì)交 換器100以外。所述泵418可以泵送所述第一量的第二材料經(jīng)過導(dǎo)管456。
所述真空泵411通過導(dǎo)管460連接至所述冷凝器450。所述真空泵 411可用來保持所述冷凝器450內(nèi)部的預(yù)定壓力。例如，所述泵411可 用來將所述冷凝器450內(nèi)部的壓力保持為低于所述蒸發(fā)器420內(nèi)部的壓 力。
所述導(dǎo)管456連接至換熱器470。所述導(dǎo)管456中的笫二材料通過 所述泵418泵送進(jìn)入所述換熱器470。所述導(dǎo)管406中的較高溫度第一 材料流入所述換熱器470,在此處來自所述導(dǎo)管456中的第二材料的熱 能被傳遞至所述導(dǎo)管406中的第一材料。
所述第二材料經(jīng)過導(dǎo)管474離開所述換熱器470。泵476可以連接 至所述導(dǎo)管474并用來泵送來自所述換熱器470的第二材料。作為另外 的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管474中的第一材料的流速可以為大約 0.183mV小時(shí)。
所述第一材料經(jīng)過導(dǎo)管472離開所述換熱器470。作為非限制性實(shí) 例，所述導(dǎo)管472中的較高溫度第一材料可具有大約3rC的溫度。在所 述導(dǎo)管472中的第一材料比導(dǎo)管402中的第一材料更冷，可以用作所述 蒸發(fā)器410的冷凝器414中的較低溫度材料。另外，所述導(dǎo)管472中的 第一材料可以用作所述冷凝器450中的較低溫度材料。所述導(dǎo)管472引 導(dǎo)所述第一材料進(jìn)入所述冷凝器414。在經(jīng)過所述冷凝器414通行以后， 所述第一材料經(jīng)過導(dǎo)管480離開所述冷凝器414，該導(dǎo)管480引導(dǎo)所述 笫一材料進(jìn)入所述冷凝器450。所述第一材料經(jīng)過導(dǎo)管482離開所述冷 凝器450,該導(dǎo)管482將所述第一材料引導(dǎo)到所述物質(zhì)交換器100之外。 在所述第一材料穿過所述冷凝器414和450時(shí)，其溫度可能升高。作為 非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管482中的第一材料可具有大約45。C的溫度。作 為另外的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管482中的第一材料的流速可以為大約 4.88mV小時(shí)。
如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，所述第一材料以基本上相同的溫 度和僅僅略微降低的流速進(jìn)入和離開所述物質(zhì)交換器100;因此，可以 串聯(lián)連接多于一個(gè)此類物質(zhì)交換器并用來處理所述笫一材料。所述體系 300可消耗適度量的電能并可以是熱有效的。經(jīng)處理的第一材料失去所 產(chǎn)生的第二材料的質(zhì)量并由于包括蒸發(fā)的傳遞機(jī)理冷卻下來。所述蒸發(fā) 使用了經(jīng)處理的笫 一材料的熱能以將所述第二材料從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。熱能作為蒸發(fā)所述氣體的熱量消耗。作為非限制性實(shí)例，所述系統(tǒng)300 可消耗大約6.3千瓦-小時(shí)/m3的所產(chǎn)生的第二材料。
第三實(shí)施方案
參照?qǐng)D17,現(xiàn)在將描述真空輔助系統(tǒng)500。如同系統(tǒng)400，第一材 料以基本上相同的溫度進(jìn)入和離開所述系統(tǒng)500的物質(zhì)交換器100。但 是，所迷系統(tǒng)400的物質(zhì)交換器100包括串聯(lián)排列的兩個(gè)蒸發(fā)器410和 420而所述系統(tǒng)500的物質(zhì)交換器100包括并聯(lián)排列的兩個(gè)蒸發(fā)器510 和560。
導(dǎo)管502將較高溫度第一材料輸送至所述物質(zhì)交換器100。作為非 限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管502中的第一材料的溫度可以為大約45°C。作為 另外的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管502中的第一材料的流速可以為大約 5.65m3/小時(shí)。
所述蒸發(fā)器510可以是使用本文公開的任何適當(dāng)蒸發(fā)器構(gòu)造的，包 括而不限于所述蒸發(fā)器280、蒸發(fā)器310、蒸發(fā)器410和蒸發(fā)器420。描 繪的所述蒸發(fā)器510基本上類似于所述蒸發(fā)器410。在所描繪的實(shí)施方 案中，所述蒸發(fā)器510包括通過側(cè)面與冷凝器514和膜110/支撐體112 組合件連接的真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)512。所述真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)512包括 部分真空290,這通過經(jīng)由導(dǎo)管513與所述蒸發(fā)器510連接的壓縮機(jī)或 真空泵511產(chǎn)生和保持。
經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行的蒸氣橫跨所述真空壓力通 風(fēng)系統(tǒng)512并進(jìn)入所述冷凝器514,所述蒸氣在此處冷凝成第二材料。 該第二材料通過導(dǎo)管516離開所述冷凝器514,該導(dǎo)管516可任選地連 接至泵518,并將所述第二材料傳遞到所述物質(zhì)交換器IOO之外。作為 非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管516中的第二材料的流速可以為大約0.124m3/ 小時(shí)。
較高溫度第一材料經(jīng)由導(dǎo)管520離開所述蒸發(fā)器510,該導(dǎo)管520 將所述較高溫度第一材料引導(dǎo)進(jìn)入換熱器530。作為非限制性實(shí)例，所 述導(dǎo)管520中的較高溫度笫一材料可具有大約31.5。C的溫度。所述換熱 器530可以使用本領(lǐng)域公知的任何適當(dāng)換熱器530構(gòu)造。作為非限制性 實(shí)例，所述換熱器530可消耗62千瓦-小時(shí)/m3。所述換熱器530使所述 導(dǎo)管520中的第一材料溫度降低。所述換熱器530可包括風(fēng)扇532或其它冷卻機(jī)構(gòu)，其將所述第一材料中的部分熱能驅(qū)散至周圍環(huán)境中。所述
第一材料經(jīng)過導(dǎo)管534離開所述換熱器530。作為非限制性實(shí)例，所述 導(dǎo)管534中的第一材料可具有大約3(TC的溫度。所述導(dǎo)管534引導(dǎo)所述 第一材料進(jìn)入所述蒸發(fā)器510的冷凝器514。
在所述導(dǎo)管534中的第一材料比導(dǎo)管502中的第一材料更冷，可以 用作所述蒸發(fā)器510的冷凝器514中的較低溫度材料。所述導(dǎo)管534引 導(dǎo)所述第一材料進(jìn)入所述冷凝器514。在經(jīng)過所述冷凝器514通行以后， 所述第一材料經(jīng)過導(dǎo)管540離開所述冷凝器514,該導(dǎo)管540引導(dǎo)所述 第一材料進(jìn)入冷凝器550。
所述冷凝器550連接至蒸發(fā)器560,該蒸發(fā)器560經(jīng)過連接至導(dǎo)管 502的導(dǎo)管562接收所述較高溫度笫一材料。所述蒸發(fā)器560內(nèi)部的部 分真空290通過經(jīng)由導(dǎo)管564與所述蒸發(fā)器560連接的泵511產(chǎn)生和保 持。通過所述蒸發(fā)器560從所述第一材料提取的第二材料利用所述泵 511經(jīng)過導(dǎo)管565被引導(dǎo)進(jìn)入所述冷凝器550。作為非限制性實(shí)例，所 述導(dǎo)管565中的第 一材料可具有大約46 。C的溫度。作為另外的非限制性 實(shí)例，所述導(dǎo)管565中的第二材料的流速可以為大約0.018mV小時(shí)。
該冷凝的第二材料經(jīng)由導(dǎo)管570離開所述冷凝器550,該導(dǎo)管570 可任選地連接至泵572，并將所述第二材料傳遞到所述物質(zhì)交換器100 之外。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管572中的第二材料的流速可以為大 約0.018m3/小時(shí)。
所述第一材料經(jīng)過導(dǎo)管576離開所述蒸發(fā)器560,該導(dǎo)管576將所 述第一材料引導(dǎo)到所述物質(zhì)交換器IOO之外。作為非限制性實(shí)例，所述 導(dǎo)管576中的第 一材料可具有大約30°C的溫度。作為另外的非限制性實(shí) 例，所述導(dǎo)管576中的第一材料的流速可以為大約0.63mV小時(shí)。
所述第一材料經(jīng)過導(dǎo)管552離開所述冷凝器550,該導(dǎo)管552將所 述第一材料引導(dǎo)到所述物質(zhì)交換器100之外。在所述第一材料穿過所述 冷凝器514和550時(shí)，其溫度可能升高。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管 552中的第一材料可具有大約45。C的溫度。作為另外的非限制性實(shí)例， 所述導(dǎo)管552中的第二材料的流速可以為大約4.88mV小時(shí)。
如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，所述第一材料以基本上相同的溫 度進(jìn)入和離開所述物質(zhì)交換器100;因此，可以串聯(lián)連接多于一個(gè)此類 物質(zhì)交換器并用來處理所述第一材料。如有關(guān)圖15中描繪的系統(tǒng)300時(shí)所述的，通過所述系統(tǒng)500處理 的較高溫度第 一材料的來源可包括上述環(huán)境溫度海水的任何來源，例如 發(fā)電廠的水蒸氣冷凝器。所述體系500可消耗適度量的電能并可以是熱 有效的。另外，所述系統(tǒng)500可排出熱能進(jìn)入環(huán)境中以最小化電消耗。
第四實(shí)施方案
參照?qǐng)D18,現(xiàn)在將描述真空輔助系統(tǒng)600和相關(guān)的方法。如同系統(tǒng) 400,第一材料以基本上相同的溫度進(jìn)入和離開所述系統(tǒng)600的物質(zhì)交 換器100。導(dǎo)管602將較高溫度第一材料輸送至所述物質(zhì)交換器100。 作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管602中的第一材料的溫度可以為大約45 。C。作為另外的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管602中的第一材料的流速可以 為大約5mV小時(shí)。
所述系統(tǒng)600的物質(zhì)交換器100包括外殼612,其既容納分開的蒸 發(fā)器610也容納分開的冷凝器620。所述分開的蒸發(fā)器610與分開的冷 凝器620通過壓縮機(jī)區(qū)域640隔開，該壓縮機(jī)區(qū)域640在一側(cè)與真空壓 力通風(fēng)系統(tǒng)642側(cè)面相接而另 一側(cè)與真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)644側(cè)面相接。 術(shù)語"分開的"表示所述蒸發(fā)器610和冷凝器620各自具有不同的操作溫 度和不同的操作壓力。 一個(gè)或多個(gè)物理障礙形成分開所述蒸發(fā)器610和 冷凝器620的腔室。但是，所述較高溫度第一材料的不間斷流流經(jīng)所述 蒸發(fā)器610。類似地，較低溫度材料(在該情況下，經(jīng)冷卻的第一材料) 的不間斷流流經(jīng)所述冷凝器620。
所述壓縮機(jī)區(qū)域640、真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)642和真空壓力通風(fēng)系統(tǒng) 644通過隔板616 ^L分成隔開的蒸發(fā)片段或腔室614。各蒸發(fā)腔室614 在所述蒸發(fā)器610和冷凝器620之間延伸并包括壓縮機(jī)區(qū)域640、真空 壓力通風(fēng)系統(tǒng)642和真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)644的一部分。
在蒸發(fā)腔室614內(nèi)，所述壓縮才幾區(qū)域640包括壓縮機(jī)成員618，其 用作將從所述蒸發(fā)腔室614中的真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)642部分提取的第二 材料輸送到所述蒸發(fā)腔室614中的真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)644部分的單向 閥。所述壓縮機(jī)成員618還在超過所述蒸發(fā)腔室614中的真空壓力通風(fēng) 系統(tǒng)642部分內(nèi)的提取的第二材料壓力的壓力下壓縮所述蒸發(fā)腔室614 中的真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)644部分內(nèi)的提取的第二材料。所述提取的第二 材料的壓力可以略微提高以改變其飽和溫度。所述蒸發(fā)腔室614彼此不交換物質(zhì)且基本上是等溫的。所述隔板616可以由充分絕熱的材料構(gòu)造 以使得所述蒸發(fā)腔室614足夠等溫。
各蒸發(fā)腔室614內(nèi)的所述壓縮機(jī)成員618可以是增壓壓縮機(jī)并可包 括本領(lǐng)域公知的任何類型鼓風(fēng)機(jī)元件，包括輪、葉片、翼面等。在圖18 所描繪的實(shí)施方案中，各蒸發(fā)腔室614內(nèi)的所述壓縮機(jī)成員618連接至 壓縮才幾630的共用傳動(dòng)軸619。所述壓縮才幾630可不同地調(diào)節(jié)各片l爻中 的蒸氣(笫二材料)壓力。所述增壓壓縮機(jī)的各片段內(nèi)的壓縮比可以是小 的。
經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行的蒸氣橫跨所述真空壓力通 風(fēng)系統(tǒng)642、橫跨所述通道640、橫跨所述真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)644,并進(jìn) 入所述冷凝器620,所述蒸氣在此處冷凝成笫二材料。所述第二材料經(jīng) 過導(dǎo)管650離開所述冷凝器620。真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)642內(nèi)部的部分真 空290和所述真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)644內(nèi)部的部分真空290由通過導(dǎo)管 648連接至所述蒸發(fā)器610的真空泵646產(chǎn)生并保持。所述真空泵646 可以基本上類似于所述真空泵411(參見圖16)。
較高溫度第一材料經(jīng)由導(dǎo)管654離開所述蒸發(fā)器610,該導(dǎo)管654 將所述較高溫度第一材料引導(dǎo)進(jìn)入換熱器660。作為非限制性實(shí)例，所 述導(dǎo)管654中的較高溫度第一材料可具有大約3CTC的溫度。所述換熱器 660可以使用本領(lǐng)域公知的任何適當(dāng)換熱器構(gòu)造。所述換熱器660使所 述導(dǎo)管654中的第一材料溫度升高。所述導(dǎo)管650將所述第二材料引導(dǎo) 進(jìn)入所述換熱器660,在此處所述第二材料的部分熱能被傳遞至所述第 一材料，使所述第一材料的溫度升高。所述笫一材料經(jīng)過導(dǎo)管664離開 所述換熱器660。所述導(dǎo)管664引導(dǎo)所述第一材料進(jìn)入所述冷凝器620。 作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管664中的第一材料可具有大約31。C的溫 度。該第二材料通過導(dǎo)管665離開所述換熱器660，該導(dǎo)管665連接至 泵667并將所述第二材料引導(dǎo)到所述物質(zhì)交換器100之外。作為非限制 性實(shí)例，離開所述泵667的第二材料的流速可以為大約0.138mV小時(shí)。
在所述導(dǎo)管664中的第一材料比導(dǎo)管602中的第一材料更冷，可以 用作所述冷凝器620中的較低溫度材料。所迷導(dǎo)管664引導(dǎo)所述笫一材 料進(jìn)入所述冷凝器620。當(dāng)所述第一材料經(jīng)過所述冷凝器620通行時(shí)， 所述冷凝器620的各片段將所述第一材料溫?zé)嶂帘仍谇捌胃叩臏囟?直至排放，所述笫一材料具有與導(dǎo)管602中的進(jìn)來的較高溫度第一材料基本上相同的溫度。在經(jīng)過所述冷凝器620通行以后，所述第一材^F經(jīng) 過導(dǎo)管668離開所述冷凝器620,該導(dǎo)管668將所述笫一材料引導(dǎo)至所 述物質(zhì)交換器100之外。作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管668中的第一材 料可具有大約45。C的溫度。作為另外的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管668中 的笫一材料的流速可以為大約4.88mV小時(shí)。
如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，所述第一材料以基本上相同的溫 度進(jìn)入和離開所述物質(zhì)交換器100;因此，可以串聯(lián)連接多于一個(gè)此類 物質(zhì)交換器并用來處理所述第一材料。所述體系600可消耗適度量的電 能并可以是熱有效的。作為非限制性實(shí)例，所述系統(tǒng)600可消耗6.3千 瓦-小時(shí)/m3。
第五實(shí)施方案
參照?qǐng)D19,現(xiàn)在將描述真空輔助脫鹽系統(tǒng)700和相關(guān)的方法。所述 系統(tǒng)700包括物質(zhì)交換器100,該物質(zhì)交換器100包括蒸發(fā)器710。導(dǎo) 管702將較高溫度笫一材料輸送至所述物質(zhì)交換器100的蒸發(fā)器710。 作為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管702中的第一材料的溫度可以為大約45 。C。作為另外的非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管702中的第一材料的流速可以 為大約5mV小時(shí)。所述較高溫度第一材料經(jīng)過導(dǎo)管708離開所述蒸發(fā)器 710,該導(dǎo)管708將所述第一材料引導(dǎo)到所述物質(zhì)交換器100之外。作 為非限制性實(shí)例，所述導(dǎo)管708中的第一材料的溫度可以為大約20°C。 如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，經(jīng)過所述蒸發(fā)器710通行的所述較高 溫度第一材料的溫度通過所述蒸發(fā)器710內(nèi)部發(fā)生的蒸發(fā)過程得到降 低。
所迷蒸發(fā)器710可包括本文論述的任何蒸發(fā)器構(gòu)造。作為非限制性 實(shí)例，所述蒸發(fā)器710可以基本上類似于所述蒸發(fā)器310(參見圖15)。
如在所述系統(tǒng)300中的，可使用導(dǎo)管閉環(huán)來往返于所述物質(zhì)交換器 IOO輸送該較低溫度材料。例如，導(dǎo)管704將較低溫度第一材料輸送至 所述物質(zhì)交換器100而導(dǎo)管706輸送該較低溫度材料離開所述物質(zhì)交換 器100。所述較低溫度材料可以在基本上類似于貯器202(參見圖13)的 貯器(未顯示)內(nèi)，該貯器將所述較低溫度材料供應(yīng)至導(dǎo)管704并任選從 導(dǎo)管706接收該排放的低溫材料。作為非限制性實(shí)例，在所述導(dǎo)管704 中的較低溫度材料的溫度可以為大約28。C且在所述導(dǎo)管706中的較低溫度材料的溫度可以為大約55°C。作為另外的非限制性實(shí)例，在所述導(dǎo) 管704中的較低溫度材料的流速可以為大約4.5mV小時(shí)且在所述導(dǎo)管 706中的較低溫度材料的流速可以為大約5mV小時(shí)。所述較低溫度材料 可以通過連接至所述導(dǎo)管704的泵707泵送入導(dǎo)管704。
在所述系統(tǒng)700中，第三材料用作所述較低溫度材料。該第三材料 可以不同于所述較高溫度第 一材料和從所述第 一材料提取的第二材料 之一或二者；但是，對(duì)此并無要求。
除了所述蒸發(fā)器710之外，所述物質(zhì)交換器IOO還包括蒸氣壓縮機(jī) 720、真空泵730和冷凝器740。所述蒸氣壓縮機(jī)720可以基本上類似于 所述蒸氣壓縮機(jī)320(參見圖15),該蒸氣壓縮機(jī)720連接在所述蒸發(fā)器 710和冷凝器740之間。所述蒸氣壓縮機(jī)720可操作以將從來自所述蒸 發(fā)器710的第一材料提取的第二材料傳遞至所述冷凝器740。
所述蒸氣壓縮機(jī)720和真空泵730 —起在所述蒸發(fā)器710內(nèi)產(chǎn)生并 保持部分真空290(參見圖14)。所述壓縮機(jī)720捕集或聚集通過所述膜 110和支撐體112通行的蒸氣或氣體(例如低溫水蒸氣)，并改變所捕集 蒸氣的飽和溫度以使所述蒸氣將靠在所述冷凝器740內(nèi)部的冷凝表面 294(參見圖14)冷凝。
在圖19描繪的實(shí)施方案中，冷凝器740容納在與所述蒸發(fā)器710 分開的外殼內(nèi)，但是，對(duì)此并無要求。所述冷凝器740可以并入所述蒸 發(fā)器700內(nèi)部。例如，所述冷凝器740可位于所述蒸發(fā)器700的某腔室 (未顯示)內(nèi)。所述冷凝器740可以基本上類似于所述冷凝器340。
該冷凝器740接收來自所述導(dǎo)管704的較低溫度第三材料。在描繪 的該實(shí)施方案中，所述導(dǎo)管704連接至泵707，該泵707調(diào)節(jié)所述較J氐 溫度第三材料流動(dòng)進(jìn)入與所述冷凝器740連接的導(dǎo)管704?？墒褂盟?較低溫度第三材料來吸收來自所述冷凝器740的熱能，從而使冷凝表面 294保持在足夠冷以冷凝所述蒸氣的適當(dāng)溫度。所述冷凝器740的冷凝 表面的溫度等于或低于所述蒸氣的飽和溫度。
如上所述，所述較低溫度第三材料經(jīng)過導(dǎo)管706離開所述冷凝器 740。在所述導(dǎo)管706中的第三材料的溫度可以通過改變由壓縮機(jī)"0 提供的壓縮量、調(diào)節(jié)經(jīng)過所述冷凝器740的所述第三材料的流速、及其 組合等來調(diào)節(jié)。通過所述蒸發(fā)器710從所述第一材料提取的第二材料可 經(jīng)過導(dǎo)管752離開所述冷凝器740。所述導(dǎo)管752可以連接至泵754并將所述笫二材料引導(dǎo)到所述物質(zhì)交換器IOO之外。作為非限制性實(shí)例， 所述導(dǎo)管752中的第二材料流的流速可以為大約0.184mV小時(shí)。
所述冷凝器740內(nèi)部的壓力可以低于所述蒸發(fā)器710內(nèi)部，使得所 述壓縮機(jī)720幾乎不做實(shí)際功并消耗越少的電能。換句話說，所述蒸發(fā) 器710和冷凝器740之間的壓差將引起蒸氣流入所述冷凝器740而無需 來自所述壓縮機(jī)720的大(如果有的話)協(xié)助。因此，所述壓縮機(jī)720 可簡單地均化蒸氣溫度并引導(dǎo)所述蒸氣進(jìn)入所述冷凝器740。
所述真空泵730可以通過導(dǎo)管760連接至所述蒸發(fā)器710,該泵通 過所述導(dǎo)管760向所述蒸發(fā)器710提供至少一部分的部分真空290。所 述真空泵730還可以通過導(dǎo)管762連接至所述冷凝器740。所述真空泵 730可操作以保持所述冷凝器740內(nèi)部的合意壓力，這可包括比所述蒸 發(fā)器710內(nèi)部的壓力更低的壓力?？墒褂萌魏芜m當(dāng)?shù)恼婵毡脕順?gòu)造所述 真空泵730,包括基本上類似于所述泵330(參見圖15)的泵。如對(duì)本領(lǐng) 域技術(shù)人員顯而易見的，所述導(dǎo)管760、導(dǎo)管762和所述系統(tǒng)700內(nèi)部 的其它導(dǎo)管可包括經(jīng)構(gòu)造以調(diào)節(jié)經(jīng)過其的流動(dòng)的閥。盡管在附圖所描繪 的系統(tǒng)700的實(shí)施方案中，使用單一的真空泵730來向所述蒸發(fā)器710 和冷凝器740 二者提供真空壓力，但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，通過對(duì)本文 提供的教導(dǎo)應(yīng)用常規(guī)技術(shù)，可以使用多于一個(gè)泵。
第六實(shí)施方案
根據(jù)板式物質(zhì)交換器130(參見圖IO)可以構(gòu)造堆疊的板式膜蒸發(fā)器 (未顯示)。該堆疊的板式膜蒸發(fā)器可包括被加工以相對(duì)于所述板式物質(zhì) 交換器130夾持如上討論以堆疊排列的兩個(gè)膜110/支撐體112組合件(例 如納米復(fù)合物半透膜)的三個(gè)丙烯酸類板。該堆跺可以被壓縮以相對(duì)與其 相鄰的板邊緣密封所述膜110/支撐體112組合件的邊緣。
兩個(gè)較外丙烯酸類板被加工為具有壓力通風(fēng)系統(tǒng)和用于液體分配 到所述膜110的笫一表面110a上的流場(chǎng)。在堆疊組裝的過程中，所述 膜110的第一表面110a靠著所述液體分配流場(chǎng)設(shè)置。
第三中間丙烯酸類板被加工為真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)。所述堆跺如下堆 疊外液體板、具有朝向所述外液體板的笫一表面110a的第一膜110/ 支撐體112組合件、內(nèi)真空壓力通風(fēng)系統(tǒng)、具有遠(yuǎn)離所述真空壓力通風(fēng) 系統(tǒng)的第一表面110a的第二膜110/支撐體112組合件和外液體板。該形成真空和水密封。水和真空接頭分別連接至所述外液體板和內(nèi)真空壓 力通風(fēng)系統(tǒng)?？墒褂貌ＡЮ淠鱽韽乃龆询B組合件的真空壓力通風(fēng)系
統(tǒng)捕集蒸氣?？墒褂谜婵毡?例如Air Squared泵)來設(shè)置所述冷凝器和堆 疊組合件內(nèi)部的壓力。
圖20提供了通量率對(duì)溫度的圖解。所述圖解顯示了以升液態(tài)水/單 位面積膜110表達(dá)的多少質(zhì)量通過所述物質(zhì)交換器從加熱的水流除去。 所述圖解表達(dá)了水溫和在所述膜110/支撐體112組合件相對(duì)側(cè)上的第一 表面112a上的恒定部分真空290之間的關(guān)系，所述水溫與所述膜110/ 支撐體112組合件的第一表面110a上的水蒸氣壓力成比例。所述圖解 上線條的基本上線性性質(zhì)顯示所述膜110/支撐體112組合件對(duì)經(jīng)過其的 水分流動(dòng)具有基本上恒定的阻力。另外，在該方法所關(guān)心的溫度范圍中 可探測(cè)到從幾乎沒有到?jīng)]有限制的通量。
由于至少部分真空290與所述支撐體112的第一表面112a接觸， 所以從幾乎沒有到不可感覺的熱量從所述較高溫度材料(水)傳遞通過所 述膜110/支撐體112組合件。因此，跨越所述膜110/支撐體112組合件 的能量交換包括在水蒸氣中隱藏的熱能。圖20顯示的不同溫度下的通 量率可比在直接接觸脫鹽系統(tǒng)中所觀察到的顯著更大。使用32kppm鹽 水作為較高溫度材料沒有觀察到所述膜110/支撐體112組合件的污染。
真空輔助的氣體調(diào)節(jié)器
現(xiàn)在將相對(duì)于圖21描述真空輔助氣體(例如空氣)調(diào)節(jié)系統(tǒng)800和相 關(guān)方法。在該情況下的較高溫度第 一材料包括較高溫度氣體802的物流， 所述氣體例如在住宅或商業(yè)建筑物810中的空氣。所述較高溫度氣體 802由風(fēng)扇或其它氣體引導(dǎo)裝置引導(dǎo)進(jìn)入干燥器820。所述干燥器820 可以以類似于所述蒸發(fā)器310(參見圖15)的方式構(gòu)造。所述干燥器820 包括膜110/支撐體112組合件。所述較高溫度氣體802設(shè)置為與所述干 燥器820內(nèi)部的膜110的第一表面110a接觸。所述第二材料穿過所述 干燥器820的膜110/支撐體112組合件并經(jīng)過連接至壓縮機(jī)830的導(dǎo)管 822作為蒸氣(例如水蒸氣)從其離開。
所述壓縮機(jī)830連接在所述干燥器820和冷凝器840之間，并可操 作以將來自所述干燥器820的從第一材料提取的第二材料經(jīng)過所述導(dǎo)管822傳遞到所述冷凝器840?？伞嚼粲蔑L(fēng)扇844來冷卻所述冷凝器840內(nèi) 部的冷凝表面294(參見圖14)。所述風(fēng)扇844還可以將所述第二材^T牛的 部分熱能傳遞進(jìn)入環(huán)境，使所述第二材料冷卻。在圖21所描繪的實(shí)施 方案中，所述冷凝器840位于所述建筑物810外部。
冷凝的第二材料(例如液態(tài)水)經(jīng)過導(dǎo)管846離開所述冷凝器840。 所述導(dǎo)管846可以連接至任選的泵847,該泵847可用來確定來自所述 冷凝器840的第二材料的流速和/或所述冷凝器840內(nèi)部的壓力。
所述導(dǎo)管846中的第二材料流經(jīng)閥848進(jìn)入連接至蒸發(fā)器860的換 熱器850。干燥的氣體802經(jīng)過導(dǎo)管842離開所述干燥器820,所述導(dǎo) 管842引導(dǎo)氣體進(jìn)入所迷換熱器860。所述換熱器860可包括本領(lǐng)域公 知的任何換熱器，包括液體-到-空氣換熱器。所述換熱器860將來自干 燥氣體802的至少一部分熱能傳遞到第二材料(水)，由此冷卻該干燥氣 體802。經(jīng)冷卻和干燥的氣體802然后被引導(dǎo)到所述換熱器860之外。 例如，如果所述系統(tǒng)800作為空調(diào)器運(yùn)行，則所述氣體802是經(jīng)冷卻的 干燥空氣，其可以釋放進(jìn)入建筑物810。
穿過所述換熱器860的所述第二材料通過導(dǎo)管862引導(dǎo)進(jìn)入所述蒸 發(fā)器860。所述蒸發(fā)器860連接至壓縮機(jī)830,該壓縮機(jī)830捕集或收 集經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行的蒸氣或氣體(例如低溫水蒸 氣)，并可改變所捕集蒸氣的飽和溫度以使所述蒸氣將靠著所述冷凝器 840內(nèi)部的冷凝表面294冷凝。所述壓縮機(jī)830還保持跨越所述蒸發(fā)器 860內(nèi)部的膜110/支撐體112組合件的壓力濃度梯度。所述壓縮機(jī)830 可以使用任何適當(dāng)?shù)膲嚎s機(jī)構(gòu)造，包括基本上類似于所述壓縮機(jī)330(參 見圖15)的壓縮^/U。
當(dāng)冷凝的第二材料(例如液態(tài)水)穿過所述蒸發(fā)器860時(shí)，所述蒸發(fā) 器內(nèi)部的蒸發(fā)過程使冷凝的笫二材料溫度降低。經(jīng)冷卻的冷凝的第二材 料經(jīng)過導(dǎo)管864離開所述蒸發(fā)器860并通過所述閥848輸送進(jìn)入換熱器 850。以此方式，冷凝的第二材料可經(jīng)過所述換熱器850和蒸發(fā)器860 反復(fù)循環(huán)?？墒褂萌芜x的泵868將來自所述導(dǎo)管846和864的冷凝的第 二材料經(jīng)過所述閥848泵送進(jìn)入所述換熱器850。
由于進(jìn)入所述換熱器850的所述氣體802通過所述干燥器820干燥， 所述換熱器850將幾乎沒有到?jīng)]有內(nèi)部冷凝。由于蒸發(fā)的笫二材料和冷 凝的第二材料被包圍在所述導(dǎo)管內(nèi)，該系統(tǒng)800與常規(guī)氣體(例如空氣)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比可需要較少維護(hù)。例如，該系統(tǒng)800可以不需要抗真菌化^ 學(xué)制品、抗微生物化學(xué)制品等。另夕卜，該系統(tǒng)800與常規(guī)氣體(例如空氣) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比可較不容易變得阻塞。
盡管該系統(tǒng)800描述為具有單一的換熱器850,但本領(lǐng)域技術(shù)人員 理解可以加入附加換熱器，且此類實(shí)施方案屬于本發(fā)明教導(dǎo)的范圍之 內(nèi)。所述導(dǎo)管846中的液態(tài)水可以使用一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管輸送至各換熱器 850,且無需安置氣體(例如空氣)管道(ducting)。如果適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行構(gòu)造， 所述系統(tǒng)800可以將能量用量(usage)降低至低于常規(guī)氣體(例如空氣)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的用量。作為非限制性實(shí)例，所述系統(tǒng)800可將能量用量降低大 約60%至大約80%。另外，所述系統(tǒng)800不需要使用致冷劑。
構(gòu)造陰離子膜的方法
現(xiàn)在將描述構(gòu)造陰離子膜(也稱為"陰離子交換膜")的示例性方法。 具有不同重量％苯乙烯接觸的三種共聚物用作原材料(l)從Dow Chemical獲得的統(tǒng)計(jì)的苯乙烯-乙烯共聚物；(2)從Shell獲得的嵌段苯乙 烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物；和(3)從Kaneka Corporation獲得的嵌段苯 乙烯-異丁烯-苯乙烯共聚物。
將所述統(tǒng)計(jì)的苯乙烯-乙烯共聚物(1.25g, 76wty。苯乙烯含量，Dow Chemical)溶于氯仿(200毫升)。在攪拌下將三嚅烷(^g, O,l摩爾)和氯三 曱基硅烷(38毫升，0.3摩爾)加入至上述聚合物溶液。在反應(yīng)混合物冷 卻至0。C后，加入氯化錫(IV)(3毫升，0.025摩爾)。將反應(yīng)混合物在0。C 攪拌30分鐘并隨后在室溫下攪拌過夜。通過添加至含曱醇水將反應(yīng)淬 滅。所述聚合物在玻璃過濾器上相繼用甲醇、THF/水洗滌，并隨后在真 空下干燥。表示為氯曱基化的苯乙烯-乙烯共聚物的最終樣品通過 FT-IR(KBr: Vc—c尸1265cm-l)和iHNMR(^4.49ppm,對(duì)應(yīng)于-CH2Cl中的 質(zhì)子)表征。
典型地，首先將基于苯乙烯單元具有26.3Mol%-CH2Cl含量的0.5 克氯曱基化的苯乙烯-乙烯共聚物溶于50毫升THF。然后，用所述氯曱 基化的聚合物溶液浸漬膜支撐材料(微孔支撐體)。在40。C將經(jīng)浸漬的膜 浸沒至1摩爾/升三曱胺曱醇溶液中24小時(shí)以提供季銨鹽類型。由此， 得到陰離子交換膜。
使用上述方法產(chǎn)生的陰離子膜吸收并傳遞水。具有多個(gè)料筒(cartridges)的蒸發(fā)器 包括一個(gè)或多個(gè)料筒880的蒸發(fā)器870的實(shí)施方案提供于圖22和 23中。各料筒880可具有通?？招墓苄螤?，其具有與開口端部分882相 對(duì)的封閉端部分881。膜110/支撐體112組合件;故并入各料筒880中， 所述膜110的第一表面110a沿所述料筒的外表面設(shè)置。各料筒的內(nèi)部 部件可以基本上類似于圖8和9中描繪的料筒的內(nèi)部部件。對(duì)本領(lǐng)域技 術(shù)人員顯而易見的是，所述膜110/支撐體112組合件的支撐體112部分 可以布置在所述料筒880內(nèi)部。所述料筒880的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了對(duì)所述 膜110/支撐體112組合件對(duì)抗較高溫度材料和部分真空290之間的壓差 的結(jié)構(gòu)性支撐。
在特定實(shí)施方案中，所述膜110/支撐體112組合件可包括多孔塑料 如聚丙烯的固體塊，其表面浸漬有聚合物阻擋層110。多孔塑料的所述 固體塊可以擠出為任何形狀以及圖8和9中顯示的內(nèi)部支撐體，用來提 供結(jié)構(gòu)性支撐。
外殼886可包括第一部分886A和笫二部分886B,其連接在一起以 限定出具有入口 887和出口 888的中空內(nèi)部部分。所述料筒880可以排 列在所述中空內(nèi)部部分內(nèi)。較高溫度材料l(例如第一材料)經(jīng)過形成于 所述第一部分886A中的入口 887 ^L引入所述外殼886內(nèi)部。經(jīng)處理的 較高溫度材料2經(jīng)過形成于所述第一部分886A中的出口 888從所述外 殼886內(nèi)部離開。
各料筒880的開口端部分882可以容納在形成于隔板887中的孔隙 885內(nèi)部，所述隔板887使所述外殼886的中空內(nèi)部部分分為兩部分。 所述隔板887可以與所述外殼886的第 一部分886A和第二部分886B側(cè) 面連接?？梢栽谒龈舭?87和所述笫一部分886A之間提供墊圈876A, 并可以在所述隔板887和所述第二部分886B之間提供墊圏876B。所述 隔板887將所述外殼的中空內(nèi)部部分劃分為形成于外殼的第一部分 886A中的第 一腔室872 (其將容納較高溫度材料)和形成于所述外殼的 第二部分886B中的第二腔室874 (其將容納部分真空2卯)。所述墊圈 876A和876B可分別將所述較高溫度材料密封在所述第一腔室872內(nèi)和 將所述部分真空290密封在所述第二腔室874中。
所述外殼886的第二部分886B包括端口 891,其提供進(jìn)入所述部分真空290的入口 ，使得從所述較高溫度材料提取的蒸氣得以離開所述 部分真空290和所述蒸發(fā)器870。任選地，可以在所述外殼886的第二 部分886B中包含放排泄配件(drain fitting) 892并用來排泄所述第二腔 室874中存在的任何材料8。
參照?qǐng)D23,壓縮機(jī)893可以連接至所述蒸發(fā)器870的端口 891并用 來收集從來自所述第二腔室874的第一材料提取的第二材料。來自所述 壓縮機(jī)893的第二材料5(例如蒸氣)可以被引導(dǎo)至冷凝器895,例如殼管 式真空冷凝器。在所述冷凝器895內(nèi)部，所述第二材料5冷凝成液體7， 其為經(jīng)過端口 898從該冷凝器895得到的輸出物。在所述冷凝器895中 的任何氣體6不會(huì)冷凝成液體，其可以經(jīng)過端口 899輸出。在所述第二 腔室874內(nèi)部收集的任何液體或其它材料8可經(jīng)過端口 889 /人其離開。
較低溫度冷卻材料3如環(huán)境海水可用來冷卻所述冷凝器895。所述 冷卻材料3可經(jīng)由端口 896進(jìn)入所述冷凝器895。在穿過冷凝器895后， 所述冷卻材料多少:故加熱。經(jīng)加熱的冷卻材料4可經(jīng)由端口 897進(jìn)入所 述冷凝器895。
乙醇提取
第一實(shí)施方案
所述膜110/支撐體112組合件可經(jīng)構(gòu)造以對(duì)高介電氣體和液體如低 級(jí)醇(例如乙醇、曱醇等)是可滲透的。因此，所述膜110/支撐體112 組合件可用來從其它氣體和液體除去多種揮發(fā)性化合物。
通常，在發(fā)酵反應(yīng)器中產(chǎn)生的乙醇需要從乙醇和水溶液("乙醇/水溶 液")中分離或提取出來?，F(xiàn)在將相對(duì)于圖24描述乙醇提取系統(tǒng)900和相 關(guān)的方法。為了便于舉例說明，從圖24中省略掉了各種壓縮機(jī)和真空 泵。但是，經(jīng)過對(duì)本文提供的教導(dǎo)應(yīng)用本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，可以視需要將 壓縮機(jī)和/或真空泵加入至所述系統(tǒng)900。作為非限制性實(shí)例，所述系統(tǒng) 900的各蒸發(fā)器和冷凝器對(duì)(即，蒸發(fā)器920和冷凝器930;蒸發(fā)器950 和冷凝器970)可以根據(jù)圖19的物質(zhì)交換器100構(gòu)造。各壓縮機(jī)(未顯示) 可以經(jīng)構(gòu)造以最低限度地壓縮，因此各冷凝器可能使用環(huán)境空氣作為冷 卻劑、使用空氣溫度的水作為冷卻劑等來冷凝來源于所述蒸發(fā)器的蒸 氣。用這些冷卻劑中的任何一種，可以在金屬敏感的換熱器中進(jìn)行冷凝。
在所述系統(tǒng)900中，較高溫度第一材料為通過發(fā)酵反應(yīng)器(未顯示)產(chǎn)生并通過導(dǎo)管902引導(dǎo)至該系統(tǒng)900的乙醇/水溶液。作為非限制性實(shí) 例，所述乙醇/水溶液可包含10重量％乙醇。所述導(dǎo)管902引導(dǎo)所述乙 醇/水溶液進(jìn)入第一蒸發(fā)器920。
所述乙醇/水溶液可以通過第一換熱器910使用來自于本領(lǐng)域公知 的任何來源(包括來自工業(yè)過程的廢熱)的熱能加熱。作為非限制性實(shí) 例，所述乙醇/水溶液可以加熱至大約30°C。使用通過所述第一換熱器 910加入的熱量使所述乙醇/水溶液隨著乙醇除去保持在基本上恒定的 溫度(例如30。C)。在該溫度，乙醇優(yōu)先將以相對(duì)于所述水的預(yù)定比率蒸 發(fā)。作為非限制性實(shí)例，所述乙醇和水可分別以3對(duì)1的比率蒸發(fā)。
在圖24所描繪的實(shí)施方案中，所述乙醇/水溶液在所述第一蒸發(fā)器 920內(nèi)部加熱。所述第一蒸發(fā)器920可以根據(jù)本文公開的任何蒸發(fā)器， 包括所述蒸發(fā)器870,進(jìn)行構(gòu)造。
所述第一蒸發(fā)器920的膜110/支撐體112組合件可以經(jīng)構(gòu)造以以預(yù) 定比率(例如大約3:1)使醇(例如乙醇)和水通行。例如，如果所述預(yù)定比 率為3:1,則對(duì)于跨越所述膜110/支撐體112組合件傳遞的每一份水， 將傳遞三份醇。在這種實(shí)施方案中，所述第一蒸發(fā)器920將從所述乙醇 /水溶液分離出超過大約90%的水，，￡定所述乙醇/水溶液包括10重量％ 乙醇。作為非限制性實(shí)例，所述第一蒸發(fā)器920可以經(jīng)構(gòu)造以以大約3:1 的預(yù)定比率使醇(例如乙醇)和水通行。
在所述第一蒸發(fā)器920內(nèi)部，所述乙醇/水溶液中的所述乙醇和第一 部分水經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行并通過導(dǎo)管922引導(dǎo)至冷 凝器930。第二部分水不會(huì)經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行，其 經(jīng)過導(dǎo)管932離開所述蒸發(fā)器920,所述導(dǎo)管932將該第二部分水引導(dǎo) 到所述系統(tǒng)900之外。
所述冷凝器930將所述乙醇/水蒸氣冷凝為液體，該液體經(jīng)過導(dǎo)管 934離開所述冷凝器。作為非限制性實(shí)例，在所述導(dǎo)管934中的液態(tài)乙 醇/水可包括70重量％乙醇和30重量％水。所述冷凝器930內(nèi)部的冷凝 表面294可以通過第二換熱器940冷卻。所述第二換熱器940可將熱能 耗散為本領(lǐng)域公知的任何低級(jí)熱能源，包括將熱量排出至環(huán)境中。
所述液態(tài)乙醇/水通過所述導(dǎo)管934引導(dǎo)進(jìn)入第二蒸發(fā)器950。所述 第二蒸發(fā)器950可以基本上類似于所述第一蒸發(fā)器920;但是，膜110/ 支撐體112組合件可以經(jīng)構(gòu)造以對(duì)乙醇不可滲透。這可以使用本領(lǐng)域公知的任何方法實(shí)現(xiàn)，包括將乙烯-乙酸乙烯酯層施加至所述膜110的笫一
表面110a,如美國專利No.4,670,146中所述。該乙烯-乙酸乙烯酯層有 效地阻滯醇(例如乙醇)的傳遞但允許水滲透。
所述液態(tài)乙醇/水可以通過第三換熱器960加熱，該笫三換熱器960 接收來自于本領(lǐng)域公知的任何來源(包括來自工業(yè)過程的廢熱)的熱能。 作為非限制性實(shí)例，所述液態(tài)乙醇/水可以加熱至大約40°C。加入的熱 量使液態(tài)乙醇/水中的至少一部分水蒸發(fā)并引起水蒸氣流經(jīng)所述膜110/ 支撐體112組合件。在圖24所描繪的實(shí)施方案中，所述液態(tài)乙醇/水在 所述第二蒸發(fā)器950內(nèi)部加熱。
在所述第二蒸發(fā)器950內(nèi)部，所述液態(tài)乙醇/水中的第一部分水經(jīng)過 所述膜110/支撐體112組合件通行并通過導(dǎo)管962引導(dǎo)至冷凝器970。 乙醇和笫二部分水不會(huì)經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行，反而經(jīng) 過導(dǎo)管972離開所述蒸發(fā)器950。作為非限制性實(shí)例，在所述導(dǎo)管972 中的液態(tài)乙醇/水可包括至少90%乙醇。例如，在所迷導(dǎo)管972中的液態(tài) 乙醇/水可包括95重量％乙醇和5重量％水。
所述冷凝器970將水蒸氣冷凝為液體，該液體經(jīng)過導(dǎo)管974離開所 述冷凝器，所述導(dǎo)管974將所述液態(tài)水引導(dǎo)到所述系統(tǒng)900之外。所述 冷凝器970內(nèi)部的冷凝表面294可以通過第四換熱器980冷卻。所述第 四換熱器980可將熱能耗散至本領(lǐng)域公知的任何較冷源，包括將熱量排 出至環(huán)境中。
所述導(dǎo)管972中的乙醇和第二部分水通過所述導(dǎo)管972引導(dǎo)進(jìn)入分 子篩990,該分子篩990從該第二部分水中過濾至少一部分乙醇。經(jīng)過 濾的乙醇/水溶液經(jīng)過導(dǎo)管992離開所述篩990。作為非限制性實(shí)例，在 所述導(dǎo)管992中的液態(tài)乙醇/水可包括99.5重量％乙醇和0.5重量％水。
參照?qǐng)D25,提供了經(jīng)構(gòu)造以加熱所述乙醇/水溶液的笫 一蒸發(fā)器920 的示例性實(shí)施方案。如本文所描述蒸發(fā)器的多個(gè)其它實(shí)施方案所述，較 高溫度第一材料流經(jīng)所述第一蒸發(fā)器920中的第一腔室923。所述第一 腔室923可以分成交替的加熱區(qū)域924和蒸發(fā)區(qū)域925 。當(dāng)所述乙醇/水 溶液穿過所述第一腔室923時(shí)，所述加熱區(qū)域924將第一材料加熱至預(yù) 定溫度(例如30。C)而所述蒸發(fā)區(qū)域925冷卻所述第一材料。通過所述加 熱區(qū)域924和蒸發(fā)區(qū)域925交替出現(xiàn)，在所述乙醇/水溶液經(jīng)過蒸發(fā)區(qū)域 925通行后，各加熱區(qū)域924使所述乙醇/水溶液恢復(fù)至預(yù)定溫度(例如30°C)。如上所迷，壓縮機(jī)926可用來引導(dǎo)從所述笫一材料提取的蒸氣進(jìn) 入所述冷凝器930。所述第二蒸發(fā)器950可以基本上類似于所述第一蒸 發(fā)器920。在替代性實(shí)施方案中，可以在所述第一蒸發(fā)器920中提供足 夠多的交替加熱區(qū)域924和蒸發(fā)區(qū)域925以從乙醇/水溶液提取為95% 的乙醇溶液，并可以省略第二蒸發(fā)器950。
第二實(shí)施方案
現(xiàn)在將相對(duì)于圖26描述乙醇提取系統(tǒng)1000和相關(guān)的方法。該系統(tǒng) 1000包括在所述系統(tǒng)900中使用的多個(gè)部件。因此，將僅僅描述與系統(tǒng) 900的部件不同的系統(tǒng)1000的部件。在圖24、 25和26中已經(jīng)使用了同 樣的附圖標(biāo)記來識(shí)別所述系統(tǒng)900和1000的相同部件。如同系統(tǒng)900 地，為了便于說明，已經(jīng)省略了系統(tǒng)1000的各個(gè)壓縮機(jī)和真空泵。但— 是，經(jīng)過對(duì)本文提供的教導(dǎo)應(yīng)用本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，可以視需要將壓縮機(jī) 和/或真空泵加入至所述系統(tǒng)1000。
所述系統(tǒng)1000包括連接至導(dǎo)管902并可操作以向第一蒸發(fā)器920 供應(yīng)乙醇/水溶液的發(fā)酵反應(yīng)器1010。作為非限制性實(shí)例，所述乙醇/水 溶液可包括預(yù)定量的乙醇(例如，4.5重量％乙醇)。在所述系統(tǒng)1000中， 省略了第一換熱器910。相反，所述乙醇/水溶液在適當(dāng)溫度通過所述發(fā) 酵反應(yīng)器1010輸送用于由第 一蒸發(fā)器920處理。
在所述第 一蒸發(fā)器920內(nèi)部，所述乙醇/水溶液中的所述乙醇和第一 部分所述水經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件通行并通過所述導(dǎo)管922 引導(dǎo)至冷凝器930。第二部分水不會(huì)經(jīng)過所述膜110/支撐體112組合件 通行，其經(jīng)過導(dǎo)管932離開所述蒸發(fā)器920,所述導(dǎo)管932引導(dǎo)該第二 部分水回到所述發(fā)酵反應(yīng)器1010。以此方式，所述水可以:帔所迷發(fā)酵反 應(yīng)器1010再利用。所述導(dǎo)管974中的液態(tài)水可以被輸送到所述系統(tǒng)1000 之外。替代性地，所述導(dǎo)管974中的液態(tài)水可以被輸送回到所述發(fā)酵反 應(yīng)器1010。
用于電干燥器的真空輔助水分捕集 假定電費(fèi)為大約$0.12/千瓦-小時(shí)且典型的家用電干衣機(jī)平均消耗 大約4千瓦-小時(shí)至大約5千瓦-小時(shí)電能/負(fù)載，所述干燥器可能花費(fèi)大 約$0.40至大約$0.52/負(fù)載以運(yùn)行。假定所述干燥器的估測(cè)有用運(yùn)行壽命為大約12年至大約14年，則該典型干燥器的總壽命運(yùn)行支出為大約 $1，700。
在多種常規(guī)的干衣機(jī)設(shè)計(jì)中，空氣被加熱，經(jīng)過所述干燥器通行一 次，并隨后排出。參照?qǐng)D27,提供了將所述蒸發(fā)器870并入的干燥器 1100的實(shí)施方案。如同常規(guī)的干燥器，所迷干燥器1100包括轉(zhuǎn)鼓1110， 該轉(zhuǎn)鼓1110中放置衣物并在經(jīng)加熱空氣中旋轉(zhuǎn)。來自所述轉(zhuǎn)鼓1110內(nèi) 的空氣通過導(dǎo)管1114被輸送進(jìn)入蒸發(fā)器870。通過該蒸發(fā)器870提取空 氣中的水。
通過壓縮機(jī)1120提供在該蒸發(fā)器870內(nèi)部的部分真空290(參見圖 22),所述壓縮機(jī)1120通過導(dǎo)管1122連接至所述蒸發(fā)器870的端口 891。 所述壓縮機(jī)1120從第二腔室874除去水蒸氣，壓縮水蒸氣以提高其溫 度，并經(jīng)過導(dǎo)管1124引導(dǎo)較高溫度水蒸氣進(jìn)入換熱器1130。所述壓縮 機(jī)1120可包括本領(lǐng)域公知的和本文描述的任何適當(dāng)壓縮機(jī)。
離開所述蒸發(fā)器870的干燥器空氣通過導(dǎo)管1132被輸送進(jìn)入所述 換熱器1130。所述換熱器1130將經(jīng)過所述導(dǎo)管1124離開所述壓縮機(jī) 1120的水蒸氣的至少一部分熱能傳遞給干燥器空氣。水蒸氣損失的熱能 可能引起其冷凝成液態(tài)水。水蒸氣和/或液態(tài)水經(jīng)過導(dǎo)管1134離開所述 換熱器1130。加熱的干燥器空氣通過導(dǎo)管1136被送回所述轉(zhuǎn)鼓1110。
所述干燥器1100可以不需要電加熱器、氣體加熱器等，因?yàn)閺乃?述導(dǎo)管124中的受壓水蒸氣傳遞來的熱能可提供充分的熱量以干燥衣 物。所述干燥器1100可能能夠?yàn)榧矣糜脩艄?jié)省超過四分之三的典型干 燥器運(yùn)行費(fèi)用。
來自燃燒煙道氣體的所選氣體的吸收器 所述膜110/支撐體112組合件可以經(jīng)構(gòu)造以對(duì)高介電常數(shù)氣體是可 滲透的，但對(duì)氧、氮和氬氣(其是空氣的常見組分)是相對(duì)不可滲透的。
當(dāng)燃燒化石燃料時(shí)，產(chǎn)生的煙道氣可包含碳的氧化物(C02)、硫的氧化
物(SO。、氮的氧化物(N02)等。硫通常存在于燃料如煤炭和柴油燃料中。 用來構(gòu)造膜110/支撐體112組合件的材料可以調(diào)整以選擇性地傳遞 一種或多種所選氣體。例如，如上討論的陰離子膜可以經(jīng)構(gòu)造以選擇性 傳遞一種或多種所選氣體。不受理論限制，相信所述陰離子膜實(shí)施被稱 為"易化運(yùn)輸(facilitated transport)，，的方法，其多少與呼吸過程中人肺除去C02的方式相當(dāng)。肺利用與濃度驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散過程結(jié)合的可逆化學(xué)反 應(yīng)來輸送和釋放C02。
一旦合成并流延，所述陰離子膜就經(jīng)歷干燥和后處理以促進(jìn)交聯(lián)。 域中的叔胺基團(tuán)與聚合物骨架共價(jià)連接?？梢岳玫?一種陰離子是與所
述叔胺靜電連接的氯。所述陰離子作為當(dāng)與水分結(jié)合時(shí)將co2轉(zhuǎn)變?yōu)榛?學(xué)碳酸氫鹽的試劑，所述化學(xué)碳酸氫鹽經(jīng)過所述陰離子膜擴(kuò)散并在變回
C02后從其中離開。該機(jī)制還可以阻滯其它氣體的輸送，使得所述膜對(duì)
此類氣體不可滲透。
若干其它類型膜可以設(shè)計(jì)成以此方式起作用；聚合物膜，擴(kuò)散輸送 膜，固定位點(diǎn)的載體類型膜，醋酸纖維素或聚酰胺，離聚高壓電改性的 材料和碳分子篩膜，以及陶瓷膜。本發(fā)明膜和方法的獨(dú)特性在于離子域 的相分離能力被用來將叔胺基團(tuán)濃縮并連接為膜內(nèi)的鄰接輸送網(wǎng)絡(luò)。該 輸送網(wǎng)絡(luò)提高氣體的分離系數(shù)和滲透性氣體的通量水平。
所述蒸發(fā)器870包括使用陰離子膜構(gòu)造的料筒880。此類蒸發(fā)器870 可充當(dāng)C02、 S02、 NOx等的吸收器。參照?qǐng)D28,提供了用于從煙道氣 吸收或捕集一種或多種所選氣體的系統(tǒng)1200。煙道氣通過導(dǎo)管1202引 入所述蒸發(fā)器870。在所述蒸發(fā)器870內(nèi)部，所選的一種或多種氣體經(jīng) 過所述陰離子膜通行進(jìn)入部分真空290。所選的一種或多種氣體通過壓 縮才幾1210如回?zé)峁娘L(fēng)才幾從所述部分真空除去，并通過所述壓縮機(jī)濃縮 用于進(jìn)一步處理。所述煙道氣的其余部分經(jīng)過導(dǎo)管1216離開所述蒸發(fā) 器870。
所選的一種或多種氣體的捕集可能是能量有效的，因?yàn)榭梢杂煤唵?的回?zé)峁娘L(fēng)機(jī)(regenerative blower)產(chǎn)生跨越所述陰離子膜的濃度差并 保持。捕集的并壓縮的氣體可以進(jìn)一步壓縮并液化用于地質(zhì)埋存 (geological s叫uestration)、化學(xué)吸收形成鎂或鈣的氧化物、溶于深海 中等。
在本說明書提及的和/或列于申請(qǐng)數(shù)據(jù)單(Application Data Sheet) 中的上述所有美國專利、美國專利申請(qǐng)出版物、美國專利申請(qǐng)、外國專 利、外國專利申請(qǐng)和非專利出版物以引用的方式將其整體并入。
從上述內(nèi)容將理解，盡管本發(fā)明的具體實(shí)施方案已經(jīng)為了舉例說明 起見在本文中進(jìn)行了描述，但可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下 進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.脫鹽系統(tǒng)，其包括布置在具有第一溫度并包含高偶極矩液體和眾多溶解離子的第一材料流和具有第二溫度的第二材料流之間的膜組合件，所述第二溫度低于所述第一溫度，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，所述膜與所述第一材料流接觸而所述支撐體與所述第二材料流接觸，所述膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許至少一部分的所述高偶極矩第一材料經(jīng)過所述膜組合件通行進(jìn)入所述第二材料，其中所述膜組合件包括包含離聚聚合物域的無孔選擇性傳遞膜，所述膜對(duì)高偶極材料是可滲透的而阻止溶解離子經(jīng)過該膜組合件通行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述膜組合件的膜包括具有第 一表面和第二表面的選擇性傳遞膜，所述物質(zhì)交換器的第一表面是所述 選擇性傳遞膜的第 一表面且所述物質(zhì)交換器的第二表面是所述選擇性 傳遞膜的第二表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述選擇性傳遞膜的離聚聚合 物域形成適于供高偶極液體或氣體從該膜的 一個(gè)面移動(dòng)到另 一面的鄰 接導(dǎo)管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述離聚聚合物具有基礎(chǔ)樹脂 且該基礎(chǔ)樹脂在所述離聚聚合物離子聚合之前選自聚乙烯(PE)、聚丙 烯(PP)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚苯乙烯(PS)、聚酯、聚碳酸酯(PC)、聚氯 乙烯(PVC)、尼龍、卣化聚合物或共聚物如全氟化共聚物、聚(甲基丙烯 酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙 烯(PTFE)(如Gore-Tex )、聚乳酸(PLA)、聚偏氯乙烯(PVDC)、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS);苯乙烯-乙蹄/丙烯 -苯乙烯(SEPS)、乙烯-苯乙烯互聚物(ESI)、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮 (PEEK)、聚對(duì)苯二曱酸乙二酯(PET或PETE)、聚苯并咪唑(PBI)、磷酸 基膜、Nafioi^(磺化的四氟乙烯共聚物)、及其任何組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述選擇性傳遞膜包括對(duì)高偶 極矩材料是可滲透的且包含聚合物或聚合物復(fù)合物的阻擋層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述膜組合件包含選擇性傳遞 膜，該選擇性傳遞膜具有第一表面和笫二表面，并進(jìn)一步包含具有第一 表面和第二表面的多孔支撐體，所述選擇性傳遞膜的第二表面定位與所 述多孔支撐體的第 一表面毗鄰，所述膜組合件的第 一表面是所述選擇性傳遞膜的第一表面且所述膜組合件的笫二表面是所述多孔支撐體的笫 二表面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述多孔支撐體是親水的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述眾多溶解離子包括鈉離子 和氯離子。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述第一材料是微咸水或海水。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述第一材料是從發(fā)電廠排放 的海水。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以將所述第一材料流 加熱至第一溫度的換熱器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述高偶極矩液體與所述第 二材料結(jié)合時(shí)，所述高偶極矩液體將熱能傳遞至所述第二材料以提高所 述第二溫度，所述系統(tǒng)還包括經(jīng)構(gòu)造以在一部分所述第一材料流與所述膜接觸之前將傳遞至所 述第二材料的至少一部分熱能傳遞給該部分所述第一材料流的換熱器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述高偶極矩液體與所述第 二材料結(jié)合時(shí)，所述高偶極矩液體將熱能傳遞至所述第二材料，使所述 第二溫度升高至第三溫度，所述系統(tǒng)還包括經(jīng)構(gòu)造以將所述第二材料的所述笫三溫度降低至所述第二溫度的 換熱器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述高偶極矩液體與所述第 二材料結(jié)合時(shí)，所述高偶極矩液體將熱能傳遞至所述第二材料，使所述 第二溫度升高至第三溫度，所述系統(tǒng)還包括容納處于第四溫度的第二材料的貯器，所述笫三溫度高于所述笫四 溫度；和換熱器，其經(jīng)構(gòu)造以將通過所述高偶極矩液體傳遞至所述第二材料 的至少一部分熱能傳遞給在所述貯器中的一部分所述第二材料，由此將 該第二材料的所述第三溫度降低至所述第二溫度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中與所述膜接觸并包含被禁止經(jīng) 過所述膜組合件通行的所述眾多溶解離子的笫 一部分第 一材料流還包 含熱能，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以將所述第一部分第一材料流的至 少一部分熱能在第二部分第一材料流與所述膜接觸之前傳遞到該第二部分第一材料流的換熱器。
16. 真空輔助蒸發(fā)器，其包含外殼，所述外殼具有由膜組合件分叉 為第一腔室和第二腔室的中空部分，所述第一腔室包含部分真空、冷凝 表面和端口 ，所述第二腔室包含入口和出口 ，該入口經(jīng)構(gòu)造以允許包含高偶極矩 液體和眾多溶解離子的第 一材料流流入該第二腔室，所述膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許至少一部分所述高偶極矩第一材料經(jīng) 過該膜組合件通行進(jìn)入所述第一腔室，該膜組合件包括包含離聚聚合物域的無孔選擇性傳遞膜，該膜對(duì)高 偶極材料是可滲透的而阻止溶解離子通過該膜組合件通行， 所述第二腔室的出口經(jīng)構(gòu)造以允許所述眾多溶解離子流出該第二 腔室，所述冷凝表面經(jīng)構(gòu)造以在所述第 一腔室中冷凝蒸發(fā)的高偶極矩液 體，且所述端口經(jīng)構(gòu)造以允許冷凝的高偶極矩液體離開所述第 一腔室。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述膜組合件包括具有第一 表面和第二表面的選擇性傳遞膜，所述物質(zhì)交換器的第一表面是所述選擇性傳遞膜的第一表面且所述物質(zhì)交換器的第二表面是所述選擇性傳 遞膜的第二表面。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的真空輔助蒸發(fā)器，其中所述膜組合件包 括連接至支撐體的膜，該膜與在所述第二腔室中的所述第一材料接觸且 所述支撐體與在所述第 一腔室中的所述部分真空接觸。
19. 真空輔助的蒸發(fā)器系統(tǒng)，其包括包括連接至支撐體的膜的膜組合件，所述膜與在第一腔室中的具有 第一壓力的第一材料流接觸且所述支撐體與在笫二腔室中的具有第二 壓力的部分真空接觸，所述第一壓力大于所述第二壓力，所述第一材料 包括高偶極矩液體，所迷膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許至少 一部分所述高偶極 矩第一材料經(jīng)過所述膜組合件通行進(jìn)入所述第二腔室，所述膜組合件包 括包含離聚聚合物域的無孔選擇性傳遞膜，所述膜對(duì)高偶極材料是可滲 透的而阻止溶解離子經(jīng)過該膜組合件通行；以及經(jīng)構(gòu)造以接收和冷凝蒸發(fā)的高偶極矩液體的冷凝器。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以從所述第二腔室收集蒸發(fā)的高偶極矩液體并引導(dǎo)其進(jìn)入所述冷凝器的壓縮機(jī)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中一部分第一材料流沒有通過 所述膜組合件蒸發(fā)且所述第一腔室包括出口 ，其中該部分笫一材料流通 過該出口離開所述第一腔室，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以從冷凝的高 偶極矩液體將熱能傳遞至經(jīng)過所述出口離開所述第一腔室的該部分第 一材料流的換熱器。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以在所述第二腔室 內(nèi)部保持至少一部分所述部分真空的真空泵。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以從所述第二腔室收集蒸發(fā)的高偶極矩液體并引導(dǎo)其進(jìn)入 所述冷凝器的壓縮機(jī)；和連接至所述第二腔室的真空泵，所述壓縮機(jī)和真空泵經(jīng)構(gòu)造以保持 所述第二腔室內(nèi)部的所述部分真空。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述冷凝器還包括 冷凝表面，其溫度經(jīng)構(gòu)造以冷凝所述蒸發(fā)的高偶極矩液體；和 第一材料流，其經(jīng)構(gòu)造以確定所述冷凝表面的溫度。
25. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，包括多個(gè)串聯(lián)排列的、配置在所 述膜組合件和冷凝器之間的蒸發(fā)腔室，各蒸發(fā)腔室具有兩個(gè)包含壓縮機(jī) 元件的蒸發(fā)子腔室，所述兩個(gè)蒸發(fā)子腔室通過所述壓縮機(jī)元件連通。
26. 真空輔助的脫鹽系統(tǒng)，其包括經(jīng)構(gòu)造以接收鹽水并從其中提取第一部分水以產(chǎn)生第一濃縮鹽水 溶液的第一真空輔助蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器具有包括包含離聚聚合物域的無 孔選擇性傳遞膜的膜組合件，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的而阻止溶解 離子經(jīng)過該膜組合件通行；經(jīng)構(gòu)造以接收通過所述第一真空輔助蒸發(fā)器產(chǎn)生的濃縮鹽水溶液 并從其中提取第二部分水以產(chǎn)生第二濃縮鹽水溶液的第二真空輔助蒸發(fā)器；具有處于一定溫度的冷凝表面的第一冷凝器，該第一冷凝器經(jīng)構(gòu)造 以接收通過所述第一真空輔助蒸發(fā)器提取的第一部分水和所述第二濃 縮鹽水溶液，所述第一冷凝器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以使用所述冷凝表面來冷凝 所述第一部分水并使用所述第二濃縮鹽水溶液來決定所述冷凝表面的 溫度；具有處于一定溫度的冷凝表面的第二冷凝器，該第二冷凝器經(jīng)構(gòu)造 以接收通過所述笫二真空輔助蒸發(fā)器提取的第二部分水和所述第二濃 縮鹽水溶液，所述第二冷凝器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以使用所述冷凝表面來冷凝 所述第二部分水并使用所述笫二濃縮鹽水溶液來決定所述冷凝表面的溫度；換熱器，其經(jīng)構(gòu)造以接收通過所述第一真空輔助蒸發(fā)器提取的第一 部分水、通過所述第二真空輔助蒸發(fā)器提取的第二部分水、和第二濃縮 鹽水溶液，并在所述第二濃縮鹽水溶液被所述笫一冷凝器或所述笫二冷 凝器接收之前將熱能從所述第一部分水和笫二部分水傳遞到所述笫二 濃縮鹽水溶液。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以收集通過所述第二真空輔助蒸發(fā)器提取的第二部分水并 引導(dǎo)其進(jìn)入所述第二冷凝器的壓縮機(jī)。
28. 氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其包括包括第一腔室、第二腔室和膜組合件的干燥器，所述第一腔室經(jīng)構(gòu) 造以接收具有笫 一壓力的氣體流，所述笫二腔室包括具有第二壓力的部 分真空，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜與第一腔室中的氣 體流接觸且所述支撐體與第二腔室中的所述部分真空接觸，所述第一壓 力大于所述第二壓力，所述氣體包括水蒸氣，所述膜組合件包括包含離 聚聚合物域的無孔選擇性傳遞膜，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的并適合 于將所述氣體流中的至少一部分水蒸氣經(jīng)過該膜組合件輸送進(jìn)入所述 笫二腔室中，從而將所述氣體流的一部分留置在所述第一腔室中；和經(jīng)構(gòu)造以接收來自所述干燥器的水蒸氣、將該水蒸氣冷凝為液態(tài) 水、并輸出具有第三壓力的作為液態(tài)水流的冷凝水的冷凝器；包括第一腔室、第二腔室和膜組合件的蒸發(fā)器，所述第一腔室經(jīng)構(gòu) 造以接收來自所述冷凝器的液態(tài)水流，所述第二腔室包括具有第四壓力 的部分真空，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜與第一腔室中 的液態(tài)水流接觸且所述支撐體與第二腔室中的所述部分真空接觸，所述 第三壓力大于所述第四壓力，所述膜組合件經(jīng)構(gòu)造以允許第一部分液態(tài) 水經(jīng)過所述膜組合件流動(dòng)進(jìn)入所述笫二腔室，第二部分液態(tài)水留置在第 一腔室中的液態(tài)水流的一部分中，所述冷凝器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以接收來自 所述蒸發(fā)器的第二腔室的蒸發(fā)水，將該蒸發(fā)水冷凝為液態(tài)水，并輸出所述液態(tài)水流中的所述冷凝水；以及換熱器，其經(jīng)構(gòu)造以接收留置在所述干燥器的第一腔室中的所述氣 體流部分和留置在所述蒸發(fā)器的第一腔室中的所述液態(tài)水流部分，并將 熱能從該氣體流傳遞到所述液態(tài)水流。
29. 蒸發(fā)器，其包括多個(gè)管狀的料筒，該多個(gè)料筒各自包括與開口端部分相對(duì)的封閉端 部分以及包含阻擋層和支撐體的膜組合件，該阻擋層圍繞所述料筒的外 表面布置并將該支撐體包圍在所述料筒內(nèi)部；具有多個(gè)孔隙的隔板，所述多個(gè)孔隙包含用于所述多個(gè)管狀料筒的 每一料筒的孔隙，每一孔隙經(jīng)構(gòu)造以接納料筒的所述開口端部分；通過所述隔板分叉為第一腔室和笫二腔室的外殼，所述第一腔室包 含第一材料流可通過其進(jìn)入所述第一腔室的入口 、和所述第一材料流可 通過其離開所述笫一腔室的出口，所述第二腔室包含端口；和連接至所述第二腔室的所述端口并經(jīng)構(gòu)造以向所述第二腔室提供 部分真空的壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)通過所述隔板中形成的孔隙延伸并經(jīng)過所 述料筒的開口端部分進(jìn)入所述多個(gè)管狀料筒的各料筒中，從而將所述部 分真空引入各料筒中。
30. /人包含醇和水的溶液提取水的真空輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)包4舌 包括第一腔室、第二腔室和膜組合件的第一蒸發(fā)器，所述第一腔室經(jīng)構(gòu)造以接收具有第一壓力的溶液流，所述第二腔室包括具有第二壓力 的部分真空，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜與第一腔室中 的溶液流接觸且所述支撐體與第二腔室中的所述部分真空接觸，所述第 一壓力大于所述第二壓力，所述膜組合件包括包含離聚聚合物域的無孔 選擇性傳遞膜，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的并適合于允許所述溶液流 中的至少一部分醇和第一部分的水經(jīng)過該膜組合件輸送進(jìn)入所述第二 腔室中，第二部分的水留置在所述第 一 腔室中的所述溶液流的 一 部分中；第一冷凝器，其經(jīng)構(gòu)造以接收來自所述第一蒸發(fā)器的蒸發(fā)的醇和 水，將所述蒸發(fā)的醇和水冷凝為包含醇和水的液體，并將該包含醇和水 的液體作為具有笫三壓力的液體醇和水的流輸出；和包含第一腔室、第二腔室和膜組合件的第二蒸發(fā)器，該第一腔室經(jīng) 構(gòu)造以接收來自所述第一冷凝器的液體醇和水的流，該第二腔室包含具有第四壓力的部分真空，該膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜與第 一腔室中的所述液體醇和水的流接觸且所述支撐體與所述笫二腔室中 的所述部分真空接觸，所述第三壓力大于所述第四壓力，所述膜組合件 經(jīng)構(gòu)造以允許將所述液體醇和水的流中的第 一 部分液態(tài)水經(jīng)過所述膜 組合件輸送進(jìn)入所述第二腔室，第二部分液體醇和水留置在所述第一腔 室中的 一部分所述液體醇和水的流中，所述第 一腔室經(jīng)構(gòu)造以輸出留置 在該第一腔室中的所述部分的所述液體醇和水的流。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述第二蒸發(fā)器的所迷膜組 合件的膜包含使得該膜對(duì)醇來說不可滲透的涂層。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括分子篩，其經(jīng)構(gòu)造以接收留置在所述第一腔室中并通過所述第二蒸 發(fā)器的第一腔室輸出的所述部分的所述液體醇和水的流，并從其中除去 至少一部分液態(tài)水。
33. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以在所述第一蒸發(fā)器的第一腔室內(nèi)部加熱所述溶液流的換 熱器。
34. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以使用來自工業(yè)過程的廢熱在所述笫一蒸發(fā)器的第一腔室 內(nèi)部加熱所述溶液流的換熱器。
35. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以在所述第二蒸發(fā)器的笫 一腔室內(nèi)部加熱所述液體醇和水 的流的換熱器。
36. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以使用來自工業(yè)過程的廢熱在所述第二蒸發(fā)器的第一腔室 內(nèi)部加熱所述液體醇和水的流的換熱器。
37. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以接收經(jīng)過所述膜組合件輸送進(jìn)入所述第二腔室中的所述 第一部分蒸發(fā)的液態(tài)水并將該第一部分蒸發(fā)的液態(tài)水冷凝為液態(tài)水的 第二冷凝器。
38. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括經(jīng)構(gòu)造以將所述溶液流供 應(yīng)至第一蒸發(fā)器的發(fā)酵反應(yīng)器。
39. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述第一蒸發(fā)器的第一腔室經(jīng)構(gòu)造以輸出所述第 一腔室中的所述部分溶液流，所述系統(tǒng)還包4舌 經(jīng)構(gòu)造以向所述笫一蒸發(fā)器供應(yīng)所述溶液流并接收所述第一蒸發(fā)器的第一腔室中的所述部分溶液流的發(fā)酵反應(yīng)器；和經(jīng)構(gòu)造以接收所述經(jīng)過所述膜組合件輸送進(jìn)入所述第二蒸發(fā)器的所述第二腔室中的所述第一部分蒸發(fā)的液態(tài)水并將該第一部分蒸發(fā)的液態(tài)水冷凝為液態(tài)水的第二冷凝器，所述發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以接收來自該第二冷凝器的所述液態(tài)水。
40. 具有包含經(jīng)加熱空氣的干燥腔室的干燥器，該干燥器包括 經(jīng)構(gòu)造以從所述經(jīng)加熱空氣提取水并輸出自其提取了水的經(jīng)加熱空氣的一部分的真空輔助蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器具有包括包含離聚聚合物域 的無孔選擇性傳遞膜的膜組合件，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的；經(jīng)構(gòu)造以接收來自所述蒸發(fā)器的提取水并壓縮該提取水以提高其 溫度的壓縮才幾；和換熱器，其經(jīng)構(gòu)造以接收通過所述蒸發(fā)器自其提取了水的所述部分 的經(jīng)加熱空氣和來自所述壓縮機(jī)的壓縮的提取水，通過從該壓縮的提取 水將熱能傳遞至所述部分的經(jīng)加熱空氣來加熱所述部分的經(jīng)加熱空氣， 并將該經(jīng)加熱空氣返回到所述干燥器的干燥室。
41. 用于從煙道氣提取所選材料的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 包括第一腔室、第二腔室和膜組合件的真空輔助蒸發(fā)器，所述第一腔室經(jīng)構(gòu)造以接收具有第一壓力的煙道氣流，所述第二腔室包括具有第 二壓力的部分真空，所述膜組合件包括連接至支撐體的膜，該膜與第一 腔室中的煙道氣流接觸且所迷支撐體與第二腔室中的所述部分真空接 觸，所述第一壓力大于所述第二壓力，所述膜組合件包括包含離聚聚合 物域的無孔選擇性傳遞膜，該膜對(duì)高偶極材料是可滲透的并適合于允許 所述所選材料經(jīng)過該膜組合件通行并進(jìn)入所述第二腔室中，所述第一腔 室經(jīng)構(gòu)造以輸出自其提取了所述所選材料的一部分煙道氣；和經(jīng)構(gòu)造以接收來自所述蒸發(fā)器的第二腔室的所選材料并濃縮該所 選材料的壓縮機(jī)。
42. 根據(jù)權(quán)利要求16、 19、 26、 28、 29、 30、 40或41中的^壬一項(xiàng) 的系統(tǒng)，其中所述選擇性傳遞膜的離聚聚合物域形成適合于供來自該膜 一個(gè)面的高偶極液體或氣體移動(dòng)到另 一面的鄰接導(dǎo)管。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述離聚聚合物具有基礎(chǔ)樹脂且所述離聚聚合物離子聚合之前的該基礎(chǔ)樹脂選自聚乙烯(PE),聚 丙烯(PP)，聚環(huán)氧乙烷(PEO),聚苯乙烯(PS),聚酯，聚石友酸酯(PC),聚 氯乙烯(PVC),尼龍，卣化聚合物或共聚物如全氟化共聚物，聚(甲基丙 烯酸甲酯)(PMMA),丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),聚酰胺(PA),聚四氟 乙烯(PTFE)(如Gore-Tex ),聚乳酸(PLA),聚偏氯乙烯(PVDC),苯乙烯 -丁二烯橡膠(SBR),苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS);苯乙烯-乙烯/丙 烯-苯乙烯(SEPS)，乙烯-苯乙烯互聚物(ESI)，苯乙烯丙烯酸酯，聚醚醚 酮(PEEK)，聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET或PETE),聚苯并咪唑(PBI),磷 酸基膜，Nafioi^(磺化的四氟乙烯共聚物)，及其任何組合。
全文摘要
本文公開了關(guān)于包括可以在材料分離中采用的選擇性傳遞膜的特定系統(tǒng)。在某些實(shí)施方案中，所述膜組合件包括脫鹽、蒸餾、液體提純、和/或加熱和冷卻系統(tǒng)的部件。其它特定實(shí)施方案經(jīng)由利用選擇性傳遞膜的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速熱捕集。某些優(yōu)選實(shí)施方案包括選擇性傳遞膜，其包括對(duì)高偶極材料可滲透的離聚聚合物。
文檔編號(hào)B01D63/08GK101641146SQ200880009211
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月20日
發(fā)明者B·約翰遜, H·會(huì), S·G·艾倫伯格, T·唐雷迪, 曹麗薇 申請(qǐng)人:戴斯分析公司