信號響應性溶質(zhì)的制作方法
【專利說明】信號響應性溶質(zhì)
[0001]相關申請
[0002]本專利申請要求2012年12月4日提交的名為“信號響應性溶質(zhì)”的美國臨時專利申請第61/733，115號的優(yōu)先權益，所述美國臨時專利申請的全部內(nèi)容特此以引用的方式并入。
技術領域
[0003]本發(fā)明大體上涉及使用對溶液的信號輸入以控制在所述溶液中的溶質(zhì)的溶解度，并且更確切地說涉及在脫鹽工藝中再循環(huán)并且再濃縮提取溶液。
【背景技術】
[0004]膜分離技術，例如滲透驅(qū)動膜工藝(osmotically drive membrane process,0DMP)近年來進展迅速用于各種脫鹽系統(tǒng)。
[0005]在一些類型的ODMP (例如正向滲透(forward osmosis, FO)和直接滲透濃縮(direct osmotic concentrat1n，DOC))中，在進料溶液與含有可再循環(huán)溶質(zhì)的溶液(即提取溶液)之間的半透膜產(chǎn)生用于分離進料溶液中的溶劑與溶質(zhì)的滲透壓。接著將膜系統(tǒng)耦合到提取溶液溶質(zhì)回收和再濃縮構件上以產(chǎn)生實質(zhì)上不含進料溶質(zhì)的水。以這種方式，溶質(zhì)濃度的變化被轉(zhuǎn)化成用于水處理(在FO系統(tǒng)中)或進料溶質(zhì)濃縮(在DOC系統(tǒng)中)的分離功。在另一類型的ODMP，即壓力延遲滲透(pressure retarded osmosis, PRO)中，將低鹽度、不加壓的進料溶液穿過半透膜提取到加壓的高鹽度提取溶液中，從而擴展提取溶液的體積。電力可以通過由渦輪機釋放提取溶液中的壓力而產(chǎn)生。以這種方式，溶質(zhì)濃度的變化被轉(zhuǎn)化成功，并且從而轉(zhuǎn)化成電能。另一膜分離工藝是反向電滲析(reverseelectrodialysis, RED)，其中允許溶質(zhì)跨過離子選擇性膜從濃縮溶液流動到稀釋溶液。離子流以在系統(tǒng)中的陰極與陽極之間的電流形式被捕獲以產(chǎn)生電。以這種方式，RED系統(tǒng)將溶質(zhì)濃度變化轉(zhuǎn)化成電能。
[0006]在包括ODMP和RED的各種膜分離系統(tǒng)中，提取溶液可以包括能夠被例如反滲透(reverse osmosis, R0)的系統(tǒng)再濃縮的溶質(zhì)，以及可以從溶液熱汽提、可以通過施加磁場分離、可以通過添加酸或堿分離或通過生物手段再循環(huán)的溶質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]各種實施例提供在膜分離工藝中控制溶質(zhì)溶解度的方法，包括將信號輸入引入到至少一種用于膜分離工藝的溶液中，其中信號輸入改變在至少一種溶液中的至少一種溶質(zhì)的溶解度，其中引入信號輸入是選自以下各者的群組:向至少一種溶液施加電磁輻射、向至少一種溶液施加機械輸入、向至少一種溶液施加振動輸入、改變至少一種溶液的磁場、向至少一種溶液引入次要溶質(zhì)以及從至少一種溶液去除物質(zhì)。
[0008]各種實施例還提供使用滲透驅(qū)動膜工藝(ODMP)來分離進料溶液中的溶劑與溶質(zhì)的方法，其包括在半透膜的第一側上以流的形式提供進料溶液、在半透膜的相對側上提供包括凝膠的提取溶液流，其中來自提取溶液流的滲透壓梯度導致進料溶液中的溶劑穿過半透膜并且稀釋提取溶液流，以及向所述稀釋的提取溶液流引入信號輸入，其中所述信號輸入使得能夠再使用提取溶液流中的凝膠。
【附圖說明】
[0009]并入本文中并且構成本說明書一部分的隨附圖式說明本發(fā)明的示例性實施例，并且連同上文給出的一般描述和下文給出的詳細描述一起用以解釋本發(fā)明的特征。
[0010]圖1是實施滲透驅(qū)動膜工藝的膜分離系統(tǒng)的示意圖。
[0011]圖2是圖解，其表示通過輸入紫外線輻射將不溶形式螺吡喃轉(zhuǎn)化成可溶形式。
[0012]圖3是表不f定藍到隱色f定藍的還原的圖解。
[0013]圖4是表示由信號響應性溶質(zhì)驅(qū)動的輸入效應的圖解，其是根據(jù)一實施例。
[0014]圖5A是根據(jù)一實施例的ODMP系統(tǒng)的示意圖，其使用信號響應性水凝膠提取溶質(zhì)以產(chǎn)生跨膜滲透壓。
[0015]圖5B是根據(jù)另一實施例的ODMP系統(tǒng)的示意圖，在所述ODMP系統(tǒng)中信號響應性聚合物系統(tǒng)在溶膠與凝膠態(tài)之間轉(zhuǎn)化以產(chǎn)生跨膜滲透壓。
[0016]圖6是表示由信號響應性組合物驅(qū)動的輸入效應的圖解，所述信號響應性組合物可以包括于圖5B中示出的聚合物系統(tǒng)的聚合物中，其是根據(jù)另一實施例。
[0017]圖7是表示由信號響應性溶質(zhì)驅(qū)動的輸入效應的圖解，其是根據(jù)另一實施例。
[0018]圖8是表示由信號響應性溶質(zhì)驅(qū)動的輸入效應的圖解，其是根據(jù)另一實施例。
[0019]圖9是表示由信號響應性溶質(zhì)驅(qū)動的輸入效應的圖解，其是根據(jù)另一實施例。
[0020]圖10是表示由信號響應性溶質(zhì)驅(qū)動的輸入效應的圖解，其是根據(jù)另一實施例。
【具體實施方式】
[0021]術語“膜分離工藝”用于指通過膜分離系統(tǒng)中的半透屏障分離氣態(tài)或液態(tài)流的工
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[0022]術語“滲透驅(qū)動膜工藝”、“ODMP”以及“ODMP系統(tǒng)”在本文中可互換地使用以通常指使用半透膜來實現(xiàn)流體溶劑(例如水)與溶解溶質(zhì)的滲透分離的工藝/系統(tǒng)，其在下文中更詳細地論述。這些術語也可以在本文中與術語“膜分離工藝”可互換地使用，但其僅僅作為膜分離的一個實例類型提供。
[0023]如本文所用，術語“信號響應性”、“光反應性”、“電反應性”以及“熱反應性”通常是指可測量的改變響應于能量輸入而發(fā)生的材料?？梢允褂枚喾N描繪輸入和其可測量效應的所述名稱，其可以一般地稱為“輸入效應”。
[0024]如本文所用，術語“光致變色”是指暴露于紫外線或可見電磁輻射導致光學性質(zhì)變化的材料。
[0025]提取溶液溶質(zhì)的回收和再濃縮可以通過改性溶質(zhì)以使得溶解度可以通過低值能量輸入可逆地受控制而大大地增強。
[0026]各種實施例發(fā)明提供對發(fā)信號的使用，其是通過以與溶質(zhì)以特定方式相互作用為目標的特定能量輸入，來誘發(fā)在溶液內(nèi)的溶質(zhì)的溶解度變化。發(fā)信號可以采用例如紫外線輻射；可見光；在UV/可見光譜之外的電磁輻射，例如紅外線或微波輻射；熱；電流；磁場變化；聲波或其它機械能；或引入或去除次要溶質(zhì)的形式。溶解度可以響應于輸入發(fā)信號變化的機制可以包括例如:以減小溶解度的方式在分子或聚合物內(nèi)或在其之間的交聯(lián)或非交聯(lián)；分子或聚合物構象的變化，其改變?nèi)芙舛忍卣?；電荷分布變化，例如形成兩性離子；不帶電物質(zhì)解離為帶電物質(zhì)；以及其它用于改變物質(zhì)數(shù)量和/或其與溶劑的相互作用的機制。溶質(zhì)溶解度的變化理想的是可逆的，但對于每一轉(zhuǎn)化方向都可以使用不同的發(fā)信號方法。所述溶質(zhì)的使用涵蓋于ODMP和電化學工藝(例如RED)中，但另外也涵蓋于受益于溶質(zhì)溶解度的可控變化的其它工藝中。
[0027]除了上文所描述的溶質(zhì)、材料、分子、化合物、聚合物等之外，可以使用在其結構內(nèi)包括多個發(fā)色團或其它信號反應性組分的替代形式，而不是所論述的單一信號響應性組分的實例。信號響應性溶質(zhì)的各種形式的混合物或所述溶質(zhì)與非信號響應性溶質(zhì)的混合物可以一起使用。在一些情況下，所述混合可以涉及級聯(lián)效應，例如當一種溶質(zhì)中的信號誘發(fā)變化導致對于其它溶質(zhì)的發(fā)信號或溶質(zhì)溶解度變化以其它方式不響應于信號時。
[0028]各種實施例可以用于在多種滲透驅(qū)動膜工藝(ODMP)中的任一者中回收提取溶質(zhì)。所述ODMP的實例可以包括正向滲透(FO)和/或壓力增強滲透(pressure enhancedosmosis,PE0)脫鹽或水處理、壓力延遲滲透(PRO)發(fā)電以及所需進料流組分的直接滲透濃縮(DOC)。在可以使用實施例回收系統(tǒng)的一些ODMP中，第一溶液(即工藝溶液或進料溶液)可以是海水、半咸水、廢水、污染水、工藝流或其它水溶液可以暴露于膜的第一表面。第二溶液(即提取溶液)可以以相對于進料溶液的各種溶質(zhì)濃度的增加的各種溶質(zhì)濃度制備，可以暴露于膜的第二相對表面。
[0029]在各種實施例中，進料溶液可以是任何含有溶劑和一或多種溶質(zhì)的溶液，所述溶液需要分離、純化或其它處理。所述處理的實例施加可以包括回收純化水用于下游使用、從水去除不合需要的溶質(zhì)、濃縮并且回收所需溶質(zhì)等。
[0030]在一些純化工藝實施例中，進料溶液可以在滲透分離之前根據(jù)已知技術經(jīng)過濾和預處理以便去除固體和化學廢物、生物污染物并且以其它方式防止膜積垢。進料溶液可以從提供先前存儲的進料溶液的源模塊、從上游單元操作(例如工業(yè)設施)或從多種其它來源(包括?；蚝Ｑ?中的任一者被遞送到正向滲透膜處理系統(tǒng)中。可以用于各種實施例的實例進料溶液包括(但不限于)水溶液，例如海水、鹵水以及其它鹽水溶液；半咸水；礦化水；工業(yè)廢水以及與高純度應用相關的產(chǎn)物流，例如與食品和藥物工業(yè)有關的應用。
[0031]提取溶液可以總體上能夠在滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生滲透壓。滲透壓可以用于多種目的，包括脫鹽、水處理、溶質(zhì)濃縮、發(fā)電以及其它應用。廣泛多種可去除的提取溶液溶質(zhì)可以用于各種實施例，其可以是信號響應性的和/或可以與信號響應性材料偶合。
[0032]圖1說明實施例ODMP系統(tǒng)100，其可以包括任何類型的半透膜10，其中水通量是由于跨膜10的滲透壓差異而被從進料流12驅(qū)動到提取溶液流14 (例如FO、PRO、PEO、D0C)。舉例來說，在FO膜系統(tǒng)中，進料流12被脫鹽，因為穿過膜10到提取溶液14中的水通量有效地將進料水與其溶質(zhì)分離，其現(xiàn)在在進料流12側上經(jīng)濃縮。在DOC膜系統(tǒng)中，水通量類似地從進料流12流出，也留下濃縮的產(chǎn)物溶質(zhì)流，其可以作為目標化合物經(jīng)回收。在PRO膜系統(tǒng)中，正如FO和DOC膜系統(tǒng)，來自進料流12的水通量留下濃縮的產(chǎn)物溶質(zhì)流。在PRO系統(tǒng)中，可以將初始進料流進一步實質(zhì)上不加壓并且稀釋。在所有這些實例ODMP中，通過穿過膜系統(tǒng)10的水通量濃縮進料溶液流12并且稀釋提取溶液流14。在PRO的情況下，流14將另外被加壓并且隨后被引導到壓力交換器。雖然來自每一流的溶質(zhì)實質(zhì)上被拒絕穿過半透膜，但一定量的來自進料流的溶質(zhì)可以進入提取溶液流，并且來自提