TW201338853A - 隔膜、水處理系統及製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之一個態樣包括一種隔膜。該隔膜包括多孔擔體及配置於該多孔擔體上之聚合層。該隔膜進一步包括複數個配置於該聚合層內之實質上疏水性介孔(mesoporous)奈米粒子。亦提出一種水處理系統及一種製造隔膜之方法。

Description

隔膜、水處理系統及製造方法
本發明主要關於一種隔膜、一種包括該隔膜之水處理系統及一種製造該隔膜之方法。更特定言之，本發明係關於一種包括實質上疏水性介孔奈米粒子之薄膜複合隔膜。
逆滲透(RO)或奈米過濾(NF)除鹽製程使用隔膜技術以將海水及微咸水轉換成用於飲用、灌溉及工業應用之淡水。RO及NF除鹽製程比熱除鹽需要實質上更少之能量。
複合RO及NF隔膜典型地包括配置於纖維支撐之超過濾隔膜上之薄緻密隔膜(約100-500 nm厚)。負責擋阻水合離子之此薄緻密膜典型地藉由親電單體與親核單體，諸如單體多元胺與聚(醯基鹵)之界面聚合來製備。通常選擇用於特定RO或NF應用之單體以便獲得拒鹽率與液壓滲透性之最佳平衡。NF隔膜典型地藉由95%-97%拒鹽率之拒鹽率來表徵，而RO隔膜典型地藉由99.0-99.75%拒鹽率來表徵。儘管其拒鹽率較高，但RO及NF隔膜受低液壓滲透性限制。提高液壓滲透性可降低與操作RO及NF除鹽製程有關之能量成本。
因此，需要維持高拒鹽率同時具有提高的液壓滲透性之RO及NF隔膜。另外，需要製造具有提高的液壓滲透性而不降低其拒鹽率之隔膜的改良方法。
提供本發明之實施例以滿足此等及其他需要。一個實施 例為隔膜。隔膜包括多孔擔體及配置於多孔擔體上之聚合層。隔膜進一步包括複數個配置於聚合層內之實質上疏水性介孔奈米粒子。
一個實施例為水處理系統。水處理系統包括含隔膜之過濾單元。隔膜包括多孔擔體及配置於多孔擔體上之聚合層。隔膜進一步包括複數個配置於聚合層內之實質上疏水性介孔奈米粒子。水處理系統進一步包括流動誘導機構，其經組態以提供包括化學物質之水溶液流向隔膜，且其中隔膜經組態以自水溶液分離一部分化學物質。
一個實施例為一種製造隔膜之方法。該方法包括使包括第一單體之有機溶液與包括第二單體之水溶液接觸以形成配置於多孔擔體上之聚合層，其中有機溶液或水溶液中之至少一種進一步包括實質上疏水性介孔奈米粒子。
當參考隨附圖式閱讀以下實施方式時，本發明之此等及其他特徵、態樣及優勢將變得更好理解。
如下詳細論述，本發明之一些實施例包括一種隔膜、一種包括隔膜之水處理系統及一種製造隔膜之方法。更特定言之，本發明係關於一種包括實質上疏水性介孔奈米粒子之薄膜複合隔膜。
可應用如本文中貫穿本說明書及申請專利範圍所使用之近似語言來修飾任何定量表示，該定量表示可在許可情況下變化而不會導致與其有關之基本功能之改變。因此，由諸如「約」之一或多個術語修飾之值並不限於所規定之精 確值。在某些情況下，近似語言可對應於用於量測該值之器具的精確度。
在以下說明書及申請專利範圍中，除非上下文另外清楚地指示，否則單數形式「一(a/an)」及「該」包括複數個指示物。除非上下文另外清楚地指示，否則如本文所用之術語「或」不意謂獨佔式的，且係指至少一種所提及之組分存在，且包括可能存在所提及之組分組合的情況。
一個實施例包括隔膜。如圖1所表明，隔膜100包括多孔擔體110及配置於多孔擔體110上之聚合層120。隔膜100進一步包括複數個配置於聚合層120內之實質上疏水性介孔奈米粒子。
在一些實施例中，多孔擔體110為隔膜100提供機械或結構支撐且聚合層120充當選擇性可滲透隔膜。如本文所用之術語「選擇性可滲透隔膜」意謂允許選擇性通過某些分子或離子且不允許通過其他分子或離子之層。通過速率可能部分取決於隔膜任何一側上分子或離子的壓力、濃度及溫度以及隔膜對各分子或離子之滲透性。選擇性可滲透隔膜之滲透性可能部分取決於存在於溶液中之分子或離子之大小、溶解度或化學性質中之一或多者。
如本上下文中所用之術語「配置於......上」意謂聚合層係配置於多孔擔體110之第一表面111上(如圖1所表明)或部分浸漬於多孔擔體110之孔內部。在如稍後描述之一些實施例中，聚合層120係在多孔擔體之第一表面111上或部分在多孔擔體110之孔內由界面聚合形成。因此，在一些實 施例中，如圖1所表明，聚合層120之第一表面121與多孔擔體110之第一表面111鄰近配置。在一些其它實施例中，一部分聚合層浸漬於多孔擔體110之孔內部(未圖示)。
在一些實施例中，聚合層120包括由第一單體與第二單體之界面聚合形成的材料。如本文所用之術語「界面聚合」係指發生在兩種不可混溶溶液之界面邊界處或附近的聚合反應。在如稍後描述之一些實施例中，第一單體存在於有機溶液中且第二單體存在於水溶液中，且聚合層係由水溶液與有機溶液界面處之界面聚合形成。
在一些實施例中，聚合層120包括能夠由界面聚合反應形成之聚合材料。在一些實施例中，聚合物層包括非交聯聚合材料。在替代實施例中，聚合物層包括交聯聚合材料。在一些實施例中，聚合層120包括聚醯胺、聚磺醯胺、聚胺基甲酸酯、聚脲、聚酯醯胺、聚碳酸酯、聚(醯胺-碳酸酯)或其組合。在特定實施例中，聚合層120包括聚醯胺、聚脲或其組合。在特定實施例中，聚合層120包括交聯聚醯胺、交聯聚脲或其組合。
如前面所指出，在某些實施例中，聚合層120包括衍生自第一單體及第二單體之結構單元。在一些實施例中，第一單體包括酸鹵化物、異氰酸酯或其組合。如本文所用之術語「酸鹵化物」係指酸部分之羥基經鹵化物基團置換之酸衍生物。在一些實施例中，術語「酸鹵化物」包括羧酸衍生物、磺酸衍生物、膦酸衍生物或其組合。在某些實施例中，酸鹵化物包括醯基鹵、磺醯基鹵、氯甲酸酯、羧酸 氯化物或其組合。
在一些實施例中，第一單體之適合實例包括(但不限於)酸鹵化物封端的聚醯胺寡聚物(例如哌嗪與過量異酞醯氯之共聚物)、苯二甲酸鹵化物(例如異酞醯氯或對酞醯氯)、苯三甲酸鹵化物(例如均苯三甲醯氯或偏苯三甲酸三氯化物)、環己烷二甲酸鹵化物(例如1,3-環己烷二甲酸氯化物或1,4-環己烷二甲酸氯化物)、環己烷三甲酸鹵化物(例如順-1,3,5-環己烷三甲酸三氯化物)、吡啶二甲酸鹵化物(例如喹啉酸二氯化物或二吡啶甲酸二氯化物)、偏苯三酸酐酸鹵化物、苯四甲酸鹵化物(例如苯均四酸四氯化物)、苯均四酸二酐、吡啶三甲酸鹵化物、癸二酸鹵化物、壬二酸鹵化物、己二酸鹵化物、十二烷二酸鹵化物、二異氰酸甲苯酯、亞甲基雙(異氰酸苯酯)、二異氰酸萘酯、二異氰酸二甲苯酯、二異氰酸六亞甲酯、二異氰酸伸苯酯、異氰酸酯基苯二甲酸鹵化物(例如5-異氰酸酯基異酞醯氯)、鹵甲醯氧基苯二甲酸鹵化物(例如5-氯甲醯氧基異酞醯氯)、二鹵磺醯基苯(例如1,3-苯二磺酸氯化物)、鹵磺醯基苯二甲酸鹵化物(例如3-氯磺醯基異酞醯氯)、1,3,6-三(氯磺醯基)萘、1,3,7-三(氯磺醯基)萘、三鹵磺醯基苯(例如1,3,5-三氯磺醯基苯)及環戊烷四甲酸鹵化物或其組合。
在某些實施例中，第一單體之適合實例包括(但不限於)對酞醯氯、異酞醯氯、5-異氰酸酯基異酞醯氯、5-氯甲醯氧基異酞醯氯、5-氯磺醯基異酞醯氯、1,3,6-(三氯磺醯基)萘、1,3,7-(三氯磺醯基)萘、1,3,5-三氯磺醯基苯或其組 合。在特定實施例中，第一單體包括均苯三甲醯氯。
在一些實施例中，第二單體包括胺。在一些實施例中，第二單體之適合實例包括(但不限於)含有胺之單體，諸如聚伸乙基亞胺、環己二胺、1,2-二胺基環己烷、1,4-二胺基環己烷、哌嗪、甲基哌嗪、二甲基哌嗪(例如2,5-二甲基哌嗪)、高哌嗪、1,3-雙(哌啶基)丙烷、4-胺甲基哌嗪、環己三胺(例如1,3,5-三胺基環己烷)、二甲苯二胺(鄰二甲苯二胺、間二甲苯二胺、對二甲苯二胺)、苯二胺(例如間苯二胺及對苯二胺)、3,5-二胺基苯甲酸、3,5-二胺基磺酸)、氯苯二胺(例如4-氯-間苯二胺或5-氯-間苯二胺)、苯三胺(例如1,3,5-苯三胺、1,2,4-三胺基苯)、雙(胺基苯甲基)苯胺、四胺基苯、二胺基聯苯(例如4,4'-二胺基聯苯)、肆(胺甲基)甲烷、二胺基二苯基甲烷、N,N'-二苯基乙二胺、胺基苯甲醯苯胺(例如4-胺基苯甲醯苯胺、3,3'-二胺基苯甲醯苯胺、3,5-二胺基苯甲醯苯胺、3,5-二胺基苯甲醯苯胺、3,3',5,5'-四胺基苯甲醯苯胺)或其組合。
在某些實施例中，第二單體之適合實例包括(但不限於)間苯二胺、對苯二胺、1,3,5-三胺基苯、哌嗪、4-胺甲基哌啶或其組合。在特定實施例中，第二單體包括間苯二胺。
如前面所指出，聚合層120可能形成於多孔擔體110之第一表面111上或可能部分浸漬於多孔擔體110之孔內部。在一些實施例中，聚合層120之厚度(包括配置於多孔擔體孔內部時之厚度)在約10奈米至約1000奈米範圍內。在一些 實施例中，聚合層120之厚度在約10奈米至約500奈米範圍內。
如前面所指出，隔膜100進一步包括複數個配置於聚合層120內之實質上疏水性介孔奈米粒子。如本文所用之術語「奈米粒子」係指平均尺寸(例如直徑或長度)在約1奈米至1000奈米範圍內之粒子。如本文所用之「奈米粒子」可係指單個奈米粒子、複數個奈米粒子或複數個彼此締合之奈米粒子。「締合」係指奈米粒子與至少一個其他奈米粒子接觸。在一個實施例中，締合係指奈米粒子與超過一個其他粒子接觸。
複數個粒子可藉由中值粒徑、粒徑分佈、中值粒子表面積、粒子形狀、粒子橫截面幾何形狀或粒子孔徑中之一或多者來表徵。在一些實施例中，複數個奈米粒子之平均粒徑可在約1奈米至約1000奈米範圍內。在一些實施例中，複數個奈米粒子之平均粒徑可在約1奈米至約500奈米範圍內。在一些實施例中，複數個奈米粒子之平均粒徑可在約10奈米至約200奈米範圍內。在一些實施例中，奈米粒子可包括複數個具有選自由常態分佈、單峰式分佈及雙峰式分佈組成之群之粒徑分佈的粒子。
奈米粒子可具有各種形狀及橫截面幾何形狀。在一些實施例中，奈米粒子之形狀可為球體、薄片、平板、立方體或鬚狀。奈米粒子可包括具有兩種或兩種以上前述形狀之粒子。在一些實施例中，粒子之橫截面幾何形狀可為圓形、橢圓形、三角形、矩形或多角形中之一或多者。在一 些實施例中，奈米粒子可呈不規則形狀。在一些實施例中，奈米粒子可包括球形粒子。
複數個奈米粒子可進一步藉由孔徑表徵。如本文所用之術語「介孔」意謂複數個奈米粒子包括中值孔徑在約2奈米至約50奈米範圍內之孔。在一些實施例中，複數個奈米粒子包括中值孔徑在約2奈米至約20奈米範圍內之複數個孔。
複數個奈米粒子可進一步藉由其對水之物理反應來表徵。如前面所指出，隔膜100包括複數個實質上疏水性介孔奈米粒子。如本文所用之術語「實質上疏水性」意謂實質上包含複數個實質上疏水性奈米粒子之膜的水接觸角大於約35°。在一些實施例中，實質上包含複數個實質上疏水性奈米粒子之膜的水接觸角大於約90°。在一些實施例中，奈米粒子之一個或兩個表面及奈米粒子中之孔表面可為實質上疏水性。在一些實施例中，實質上疏水性奈米粒子可包括一或多個使得奈米粒子實質上疏水性之適合官能基。在一些實施例中，一或多個適合的實質上疏水性官能基可能存在於複數個奈米粒子之表面上。在一些實施例中，一或多個適合的實質上疏水性官能基可能存在於複數個奈米粒子中之孔表面上。
在一些實施例中，實質上疏水性介孔奈米粒子包括實質上疏水性碳奈米粒子。在特定實施例中，實質上疏水性碳奈米粒子包括實質上疏水性碳黑奈米粒子。在一些實施例中，聚合層120實質上不含碳奈米管、碳奈米纖維或巴克 球(buckyball)。如此上下文所用之術語「實質上不含」意謂在聚合層120中，碳奈米管、碳奈米纖維或巴克球之量小於約0.1重量%。適合的實質上疏水性介孔碳奈米粒子可市售或可使用已知程序合成。
在某些實施例中，實質上疏水性介孔奈米粒子包括用疏水性官能基官能化之碳奈米粒子。在一些實施例中，實質上疏水性碳奈米粒子包括苯官能基、石墨官能基或其組合。在一些實施例中，實質上疏水性碳奈米粒子包括烴官能基。在特定實施例中，實質上疏水性碳奈米粒子包括石墨化碳黑奈米粒子。
在某些實施例中，實質上疏水性介孔奈米粒子可進一步藉由奈米粒子之碳對氧之比來表徵。如本文所用之術語「碳對氧(carbon to oxygen)」之比係指在奈米粒子之一個或兩個表面及奈米粒子之孔表面上，元素碳對元素氧之比。在一些實施例中，複數個奈米粒子之碳對氧之比大於約3。在一些實施例中，複數個奈米粒子之碳對氧之比大於約6。在一些實施例中，複數個奈米粒子之碳對氧之比大於約8。在一些實施例中，複數個奈米粒子表面上之碳對氧之比大於約3。在一些實施例中，複數個奈米粒子之孔表面上之碳對氧之比大於約3。
在一些實施例中，實質上疏水性介孔奈米粒子包括實質上疏水性矽石奈米粒子。在一些實施例中，實質上疏水性介孔奈米粒子包括用疏水性官能基官能化之矽石奈米粒子。在一些實施例中，實質上疏水性矽石奈米粒子包括烷 基官能基、聚二甲基矽氧烷官能基或其組合。在一些實施例中，實質上疏水性矽石奈米粒子實質上不含倍半氧矽烷。如此上下文所用之術語「實質上不含」意謂在聚合層120中，倍半氧矽烷之量小於約0.1重量%。
在一些實施例中，實質上疏水性介孔奈米粒子係以約1重量%至約50重量%範圍內之濃度存在於聚合層中。在一些實施例中，實質上疏水性介孔奈米粒子係以約2重量%至約40重量%範圍內之濃度存在於聚合層中。
如前面所指出，在一些實施例中，多孔擔體110為隔膜100提供機械或結構支撐。在一些實施例中，多孔擔體110可進一步藉由多孔擔體之支撐材料、孔徑或厚度中之一或多者來表徵。
在一些實施例中，多孔擔體110包括諸如聚合物、陶瓷、玻璃或金屬之多孔材料。在一些實施例中，多孔擔體110包括纖維材料。在一些實施例中，多孔擔體110包括聚合材料。在一些實施例中，形成多孔擔體110之聚合材料之非限制性實例包括聚碸、聚醚碸、聚丙烯腈、纖維素酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯及聚(芳基醚)酮。在一些實施例中，多孔擔體110包括聚碸、聚醚碸或其組合。
在一些實施例中，多孔擔體110包括複數個具有足夠大小及密度之孔以便第一單體與第二單體在110表面上之界面聚合使緻密膜跨越多孔擔體110之表面配置。在一些其他實施例中，多孔擔體110包括中值孔徑在某一範圍內之 複數個孔，該範圍使得聚合層120能夠藉由跨越多孔擔體110之孔表面形成橋鍵來形成，且聚合層120之聚合材料不填充多孔擔體110之孔。在一些實施例中，多孔擔體110包括中值孔徑在約50埃至約5000埃範圍內之多孔材料。
在一些實施例中，多孔擔體110之厚度在50微米至約5厘米範圍內。在一些實施例中，多孔擔體110之厚度在75微米至約2.5厘米範圍內。在一些實施例中，多孔擔體110之厚度在500微米至約1厘米範圍內。在一些實施例中，較厚多孔擔體110可允許通過隔膜100之流體通量較高。在一些實施例中，多孔擔體110可如圖1所表明，藉由使用織品或非織造網材料之襯底層130加強。襯底材料之非限制性實例包括膜、薄片及網，諸如非織造聚酯織布。
一個實施例包括製造隔膜之方法。在一個實施例中，該方法包括使包括第一單體之有機溶液與包括第二單體之水溶液接觸以形成配置於多孔擔體110上之聚合層120，如圖1所表明。在某些實施例中，該方法包括在多孔擔體110之表面111上或部分在多孔擔體110之孔內，藉由界面聚合反應形成聚合層120。
在一些實施例中，該方法包括使至少一部分多孔擔體110與有機溶液或水溶液接觸以使得一部分多孔擔體110經有機溶液或水溶液處理。在一些實施例中，該方法進一步包括視較早處理多孔擔體之溶液而定，使經處理之多孔擔體與水溶液或有機溶液接觸。因此，舉例而言，在一些實施例中，多孔擔體110可首先與包括第一單體之有機溶液 接觸，且經處理之多孔擔體可隨後與包括第二單體之水溶液接觸以實現第一單體與第二單體之間的界面聚合並形成聚合層120。
在特定實施例中，該方法包括使一部分多孔擔體110與包括第二單體之水溶液接觸以形成經處理之多孔擔體。在一些實施例中，該方法進一步包括使包括第一單體之有機溶液與經處理之多孔擔體接觸以實現第一單體與第二單體之間的界面聚合，並形成聚合層120。在一些實施例中，可使用塗佈法、澆注法、浸泡法或其組合使水溶液或有機溶液與多孔擔體110或經處理之多孔擔體接觸。在一些實施例中，適合的塗佈法包括浸漬塗佈、噴霧塗佈、槽模塗佈或其組合。
在一些實施例中，有機溶液包括有機溶劑及第一單體。在一些實施例中，適合有機溶劑包括脂族烴、醇、酮、酯、醚、醯胺及其混合物。在特定實施例中，可使用諸如十氫萘、異石蠟烴及其混合物之脂族烴。
在一些實施例中，有機溶劑包括亞碸或碸，諸如二甲亞碸、四亞甲基亞碸、四亞甲基碸、丁基亞碸或丁基碸。在一些實施例中，有機溶劑包括腈，諸如丙腈或乙腈。在一些實施例中，有機溶劑包括醯胺或脲衍生物，諸如N,N-二甲基乙醯胺、丁內醯胺、N-甲基吡咯啶酮或1,3-二甲基-2-甲基咪唑啶酮。
在一些實施例中，有機溶液可進一步包括環狀C5-C20醇、多元醇或其醚衍生物。在一些實施例中，C5-C20醇、 多元醇或醚衍生物包括2-甲氧基乙醇、2-乙氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、二(乙二醇)、第三丁基甲醚、二乙二醇己醚、丙二醇丁醚、丙二醇丙醚、1,3-庚二醇丁醚、1,3-庚二醇丙醚。
在一些實施例中，有機溶液可進一步包括環狀C5-C20酮溶劑。在一些實施例中，有機溶液進一步包括環狀酮，諸如環辛酮、環庚酮、2-甲基環己酮、環己酮、環己烯-3-酮、環戊酮、環丁酮、3-四氫呋喃-3-酮、3-四氫噻吩-3-酮或氧雜環丁-3-酮。
在其他實施例中，有機溶液可進一步包括C3-C8環狀酯，例如2-甲基己內酯、己內酯、戊內酯、丁內酯、二乙烯酮、丙內酯。在一些實施例中，有機溶液可進一步包括C3-C8環狀碳酸酯，例如碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、1,2-丁二醇碳酸酯、1,2-戊二醇碳酸酯、1,2-己二醇碳酸酯或1,2-庚二醇碳酸酯。在特定實施例中，有機溶液進一步包括環己酮。
如前面所指出，在一些實施例中，第一單體包括酸鹵化物、異氰酸酯或其組合。第一單體之適合實例如前所述。在某些實施例中，第一單體包括酸鹵化物，諸如均苯三甲醯氯。
在一些實施例中，水溶液包括水或極性溶劑及第二單體。在一些實施例中，水溶液可進一步包括分散助劑，諸如聚乙烯吡咯啶酮；或界面活性劑，諸如非離子界面活性劑。如前面所指出，在一些實施例中，第二單體包括胺。 第二單體之適合實例如前所述。在某些實施例中，第二單體包括苯二胺。在一些實施例中，水溶液或有機溶液中之一或兩者可進一步包括添加劑，諸如交聯劑、聚合催化劑或其組合。
在本發明之某些方法中，有機溶液及水溶液中之一或兩者進一步包括分散於其中之實質上疏水性介孔奈米粒子。在一些實施例中，實質上烴類介孔奈米粒子係以溶液之約0.05重量%至約10重量%範圍內之濃度存在於有機溶液或水溶液中。在一些實施例中，實質上烴類介孔奈米粒子係以溶液之約0.1重量%至約5重量%範圍內之濃度存在於有機溶液或水溶液中。在一些實施例中，該方法進一步包括將實質上疏水性介孔奈米粒子分散於水溶液或有機溶液中之步驟。在一些實施例中，將奈米粒子分散於水溶液或有機溶液中之適合方法包括超音波處理、機械攪拌、溶膠-凝膠法或其組合。
在特定實施例中，有機溶液包括實質上疏水性介孔奈米粒子，且水溶液實質上不含實質上疏水性介孔奈米粒子。如此上下文所用之術語「實質上不含」意謂在水溶液中，實質上疏水性介孔奈米粒子之量小於約0.1重量%。在一些實施例中，介孔烴類奈米粒子係以有機溶液之約0.05重量%至約5重量%範圍內之濃度存在於有機溶液中。實質上疏水性介孔奈米粒子之適合實例如前所述。
在一些實施例中，該方法進一步包括在界面聚合反應之前或在此期間，加熱多孔擔體、水溶液、有機溶液及經處 理之多孔擔體中之一或多者。在一些實施例中，界面聚合反應可在約5℃至約60℃範圍內之溫度下進行。在一些實施例中，該方法包括藉由將聚合層120配置於多孔擔體110上來形成隔膜100。在一些實施例中，該方法可進一步包括使聚合層120中之聚合物交聯之步驟。
在一些實施例中，隔膜100可進一步經受一個或大部分後處理步驟，諸如移除未反應之單體、交聯、氧化或其組合。在一些實施例中，為改良隔膜100之滲透性或拒鹽率或兩者，隔膜100可用諸如次氯酸鈉溶液之氧化溶液後處理。在一些實施例中，次氯酸鈉在溶液中之濃度可在約50 ppm至約4000 ppm範圍內。
在一些實施例中，本發明之隔膜100包括薄膜複合隔膜。如本文所用之術語「薄膜複合隔膜」係指包括支撐於多孔基板上之薄障壁層之隔膜。如本文所用之術語「薄」意謂障壁層之厚度小於約500奈米。在一些實施例中，聚合層120充當薄膜複合隔膜100中之障壁層且多孔擔體110充當多孔基板。
在一些實施例中，本發明之隔膜可用於分離或過濾系統。在一些實施例中，當液體通過隔膜時，隔膜100可用於藉由移除溶解、懸浮或分散在液體內之雜質來純化液體。在一些其他實施例中，當液體通過隔膜時，隔膜100可用於藉由保留溶解、懸浮或分散在液體內之雜質來濃縮雜質。
在一些實施例中，隔膜100可適用於海水除鹽、微咸水 除鹽、地表水及地下水純化、冷卻塔水硬度移除、飲用水軟化及超純水製備中之一或多者。在一些實施例中，隔膜100可適用於分離或純化除水以外之液體。舉例而言，在一些實施例中，隔膜100可用於移除來自醇之雜質，該等醇包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇或丁醇。
在一些實施例中，本發明之隔膜100可能適於逆滲透隔膜應用或奈米過濾隔膜應用中。一個實施例包括含隔膜100之逆滲透過濾單元200，如圖2所表明。一個實施例包括含隔膜100之奈米過濾單元200，如圖2所表明。
一個實施例包括水處理系統。如圖2所表明，在一些實施例中，水處理系統10包括過濾單元200。過濾單元200包括如前所述之包括多孔擔體110及配置於多孔擔體110上之聚合層120之隔膜100。聚合物層120進一步包括複數個配置其中之實質上疏水性介孔奈米粒子。水處理系統10進一步包括流動誘導機構300。如前面所指出，在一些實施例中，過濾單元200包括逆滲透過濾單元。在一些實施例中，過濾單元200包括奈米過濾單元。
流動誘導機構300經組態以提供包括化學物質之水溶液12流向隔膜100，其中隔膜100經組態以自水溶液12分離一部分化學物質，如圖2所表明。在一些實施例中，流動誘導機構包括泵。在一些實施例中，流動誘導機構包括經組態以在大於約1 MPa壓力下操作之泵。在一個實施例中，流動誘導機構300包括正排量泵。適合作為流動誘導機構之正排量泵的非限制性實例包括旋轉型正排量泵、往復型 正排量泵及直線型正排量泵。另外，正排量泵之適合實例包括(但不限於)旋轉凸輪泵、推進腔式泵(progressive cavity pump)、旋轉齒輪泵、活塞泵、隔膜泵、螺桿泵、齒輪泵、液壓泵、葉輪泵、再生(旋渦)泵、蠕動泵及繩泵。在一個實施例中，流動誘導機構300包括離心泵。適合作為流動誘導機構之正排量泵的實例包括徑流泵及軸流泵及混合流泵。
在一些實施例中，隔膜100進一步經組態以允許通過經處理之水溶液14，其中經處理之水溶液14中化學物質之濃度小於處理前水溶液12中化學物質之濃度。
在一些實施例中，隔膜100經組態以分離水溶液12中之至少約95%之化學物質。在一些實施例中，隔膜100經組態以分離水溶液12中之至少約99%之化學物質。在一些實施例中，隔膜100經組態以分離水溶液12中之至少約99.7%之化學物質。
實例 實例1 隔膜製造及測試之一般程序
使用擔架式塗佈裝置製造隔膜：使用包括一配對框架的擔架式塗佈裝置製備複合隔膜，多孔基底擔體可固定於該等框架中且隨後用塗佈溶液塗佈。多孔基底擔體首先在去離子水中浸泡至少30分鐘。將濕潤多孔基底擔體固定於兩個8吋×11吋不鏽鋼框架之間且保持用水覆蓋直至進一步加工。自多孔基底擔體移除過量水且用200公克包括間苯二胺(2.6重量%)、樟腦磺酸之三乙胺鹽(TEACSA)(6.6重量%) 之水溶液處理多孔基底擔體之一個表面，框架上部將水溶液限制於多孔基底擔體之表面。30秒後，自多孔基底擔體表面移除水溶液。經處理表面隨後暴露於溫和的空氣流中以移除分離之水溶液液滴。多孔基底擔體之經處理表面隨後與100公克在ISOPARTM G溶劑中含有均苯三甲醯氯(0.16重量%)及奈米粒子(奈米粒子之類型及濃度提供於下文中)之有機溶液接觸。在施加有機溶液之前，含有奈米粒子之有機溶液首先使用浴音波處理器音波處理60分鐘且接著使其靜置20分鐘。隨後移除過量有機溶液。框架隨後返回至水平位置且允許多孔基底擔體經處理表面上之剩餘的有機溶液膜靜置約1分鐘。剩餘的有機溶液藉助於溫和空氣流自多孔基底擔體經處理表面排出。隨後將經處理總成置放在乾燥烘箱中且在90℃之溫度下維持約6分鐘，其後複合隔膜準備測試。
隔膜效能測試：在有效隔膜面積為35.68 cm2之交叉流測試室裝置(Sterlitech Corp.,Kent WA)(型號CF042)中對經組態呈平板狀之複合隔膜進行隔膜測試。在6排平行測試之每一排中，垂直串聯兩個測試室。各排之室配備有閥門以打開/關閉進料流且調節濃縮物流速，在所有測試中，濃縮物流速皆設置為1加倉/分鐘(gpm)。測試裝置配備有溫度控制系統，其包括溫度量測探針、經組態以移除由抽汲造成之過量熱的熱交換器及經組態以降低循環通過熱交換器之冷卻劑之溫度的氣冷式冷卻器。
首先用螢光紅色染料(來自Cole-Parmer之若丹明 (rhodamine))測試複合隔膜以偵測缺陷。將包括1%若丹明紅色染料之染料溶液噴塗於複合隔膜之聚醯胺表面上且使其靜置1分鐘，1分鐘後，沖洗掉紅色染料。因為若丹明紅色染料不會使聚醯胺染色，但使聚碸強烈染色，所以無缺陷隔膜在徹底沖洗之後應顯示無染料染色。另一方面，染料染色圖案(例如紅點或其他不規則染料染色圖案)表明複合隔膜中之缺陷。將隔膜切成2吋×6吋矩形試片，且裝入交叉流測試室中。在相同條件下測試各類型隔膜之三個試片(一式三份)，且對所得結果取平均值以獲得平均效能值及標準差。首先藉由通過測試室中之隔膜的循環水清洗隔膜試片30分鐘，移除任何殘餘化學品及染料。隨後，在115 psi及25℃下，含有500 ppm氯化鈉之合成微咸水循環通過隔膜。控制水之pH值在pH 7.5處。在操作一小時之後，收集滲透樣品10分鐘並分析。
在起始測試週期之後，測試片在25℃下暴露於次氯酸鈉之70 ppm水溶液中持續30分鐘。隨後用去離子水沖洗測試片1小時。
在「氯化」程序之後，針對逆滲透隔膜效能用含有如本文所述之前所用之500 ppm氯化鈉的合成進料溶液再次對測試片進行測試。用CON 11電導率計(Oakton Instruments)量測溶液電導率及溫度。補償電導率至25℃之量測值。用Russell RL060P便攜式pH計(Thermo Electron Corp)量測pH值。在刻度量筒中收集滲透物。在Navigator天秤上稱重滲透物且用Fisher Scientific馬錶記錄時間間隔。在標準溫度 (77℉或25℃)下測定各隔膜之滲透性或「A值」。滲透性係定義為每單位面積每單位壓力通過隔膜之流速。自滲透物重量、收集時間、隔膜面積及跨膜壓力計算A值。本文中所報導之A值的單位為10-5 cm3/s-cm2-atm。自滲透物及進料溶液之電導率所測定之鹽濃度係用於計算拒鹽率值。量測滲透物及進料溶液之電導率，且自電導率值計算鹽濃度，得到拒鹽率值。
比較實例1：不具有奈米粒子之聚醯胺薄膜複合隔膜
聚醯胺薄膜複合隔膜係使用如前所述之擔架式塗佈裝置製造。製備於ISOPARTM G中含有2.6 wt%間苯二胺(mPD)及6.6 wt%樟腦磺酸三乙銨(TEACSA)之水性塗佈溶液(溶液A)以及含有0.16 wt%均苯三甲醯氯(TMC)之有機塗佈溶液(溶液B)。濕潤聚碸多孔擔體膜首先用含有間苯二胺(溶液A)之水溶液塗佈，且接著用包括均苯三甲醯氯(溶液B)之有機溶液塗佈以在聚碸多孔擔體膜之一個表面處實現二胺與三酸氯化物之間的界面聚合反應，從而製造薄膜複合隔膜(比較樣品1)。在施加115磅/平方吋(psi)操作壓力及1.0公克/分鐘(公克/莫耳)操作交叉流速率下，在如早先實例1中所述之pH 7.0處，使用硫酸鎂(500 ppm於NaCl中)溶液一式三份地測試產物隔膜。氯化前及氯化後之滲透性及鹽通過結果顯示於表2中。
比較實例2：包括親水性介孔結構鋁矽酸鹽奈米粒子之聚醯胺薄膜複合隔膜
除了有機塗佈溶液(溶液B)亦含有0.1 wt%購自Sigma Aldrich之親水性介孔結構鋁矽酸鹽粒子之外，與比較實例1一樣製造聚醯胺薄膜複合隔膜(比較樣品2a及比較樣品2b)。奈米粒子之成分及結構詳情提供在表1中。測試產物複合隔膜且量測隔膜A值及鹽通過性質並提供在表2中。
比較實例3：包括親水性介孔氧化鋁奈米粒子之聚醯胺薄膜複合隔膜
除了有機塗佈溶液(溶液B)亦含有0.1 wt%購自Sigma Aldrich之親水性介孔氧化鋁粒子之外，與比較實例1一樣製造聚醯胺薄膜複合隔膜(比較樣品3a及比較樣品3b)。奈米粒子之成分及結構詳情提供在表1中。測試產物複合隔膜且量測隔膜A值及鹽通過性質並提供在表2中。
實例2 包括實質上疏水性介孔碳奈米粒子之聚醯胺薄膜複合隔膜
除了有機塗佈溶液(溶液B)亦含有0.1 wt%購自Sigma Aldrich之實質上疏水性介孔碳奈米粒子之外，與比較實例1一樣製造聚醯胺薄膜複合隔膜(樣品1a至樣品1c)。另外，按體積計使用50：50之Isopar G及十氫萘製備樣品1c。奈米粒子之成分及結構詳情提供在表1中。測試產物複合隔膜且量測隔膜A值及鹽通過性質並提供在表2中。
實例3 包括實質上疏水性介孔矽石奈米粒子之聚醯胺薄膜複合隔膜
除了有機塗佈溶液(溶液B)亦含有0.1 wt%購自Claytec Inc.之實質上疏水性介孔矽石粒子之外，與比較實例1一樣製造聚醯胺薄膜複合隔膜(樣品2a至樣品2e)。奈米粒子之 成分及結構詳情提供在表1中。測試產物複合隔膜且量測隔膜A值及鹽通過性質並提供在表2中。
表2中之數據顯示，含有實質上疏水性介孔奈米粒子之樣品(樣品1a至樣品1c及樣品2a至樣品2e)相對於不具有奈米粒子之樣品(比較樣品1)、具有親水性鋁矽酸鹽粒子之樣品(比較樣品2a至比較樣品2b)以及具有親水性氧化鋁粒子之樣品(比較樣品3a至比較樣品3b)顯示效能顯著提高。
隨附申請專利範圍意欲如所構想般廣泛來主張本發明且本文中所呈現之實例說明選自多種形式之所有可能實施例之實施例。因此，申請者意欲隨附申請專利範圍並不受用以說明本發明特徵之實例選擇之限制。如申請專利範圍中所用，詞「包括」及其文法變化形式邏輯上亦對向且包括變化及不同程度之片語，諸如(但不限於)「基本上由......組成」及「由......組成」。必要時，已提供範圍，彼等範圍包含在其間之所有子範圍。預期此等範圍之變化將為一般熟習此項技術之實踐者所瞭解且其並非已呈予公眾，彼等變化若可能則應視為由隨附申請專利範圍所涵蓋。亦期望科技進步將使得由於語言不嚴密而目前未涵蓋之等效物 及替代物成為可能且此等變化亦應在可能情況下解釋為由所附之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧水處理系統
12‧‧‧水溶液
13‧‧‧化學物質
14‧‧‧經處理之水溶液
100‧‧‧隔膜
110‧‧‧多孔擔體
111‧‧‧多孔擔體第一表面
120‧‧‧聚合層
121‧‧‧聚合層第一表面
130‧‧‧襯底層
200‧‧‧過濾單元
300‧‧‧流動誘導機構
圖1說明根據本發明一個實施例之隔膜的示意圖。
圖2說明根據本發明一個實施例之水處理系統的示意圖。
100‧‧‧隔膜
111‧‧‧多孔擔體第一表面
110‧‧‧多孔擔體
120‧‧‧聚合層
130‧‧‧襯底層

Claims (10)

  1. 一種隔膜，其包含：多孔擔體；配置於該多孔擔體上之聚合層；及複數個配置在該聚合層內之實質上疏水性介孔奈米粒子。
  2. 如請求項1之隔膜，其中該等實質上疏水性介孔奈米粒子包含實質上疏水性碳、實質上疏水性矽石或其組合。
  3. 如請求項1之隔膜，其中該聚合層包含聚醯胺、聚脲或其組合。
  4. 如請求項3之隔膜，其中該聚合層包含含有衍生自第一單體及第二單體之結構單元的聚合物，且其中該第一單體包含酸鹵化物、異氰酸酯或其組合，且該第二單體包含胺。
  5. 如請求項1之隔膜，其中該等實質上疏水性介孔奈米粒子包含實質上疏水性碳，且其中在該等介孔奈米粒子表面上之碳對氧之比大於約3。
  6. 一種逆滲透過濾單元，其包含如請求項1之隔膜。
  7. 一種奈米過濾單元，其包含如請求項1之隔膜。
  8. 一種水處理系統，其包含：包含隔膜之過濾單元，該隔膜包含：多孔擔體；配置於該多孔擔體上之聚合層；及複數個配置在該聚合層內之實質上疏水性介孔奈米 粒子；以及流動誘導機構，其經組態以提供包含化學物質之水溶液流向該隔膜，且其中該隔膜經組態以自該水溶液分離一部分化學物質。
  9. 一種製造隔膜之方法，其包含：使包含第一單體之有機溶液與包含第二單體之水溶液接觸以形成配置於多孔擔體上之聚合層，其中該有機溶液或該水溶液中之至少一種進一步包含實質上疏水性介孔奈米粒子。
  10. 如請求項9之方法，其中該等疏水性介孔奈米粒子包含實質上疏水性碳、實質上疏水性矽石或其組合。
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