CN102781558A - 膜及膜分离系统 - Google Patents

膜及膜分离系统 Download PDF

Info

Publication number
CN102781558A
CN102781558A CN2010800623680A CN201080062368A CN102781558A CN 102781558 A CN102781558 A CN 102781558A CN 2010800623680 A CN2010800623680 A CN 2010800623680A CN 201080062368 A CN201080062368 A CN 201080062368A CN 102781558 A CN102781558 A CN 102781558A
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
gathers
dielectric material
piezoelectric
electric field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800623680A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102781558B (zh
Inventor
汉斯·杰勒德·伦纳德·科斯特
塔赫里·达雷斯塔尼·法拉哈尼
特里·卡尔文·奇尔科特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CMS innovation Private Ltd.
Hans Coster
Maria Darestani
Original Assignee
University of Sydney
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AU2009905768A external-priority patent/AU2009905768A0/en
Application filed by University of Sydney filed Critical University of Sydney
Publication of CN102781558A publication Critical patent/CN102781558A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102781558B publication Critical patent/CN102781558B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0081—After-treatment of organic or inorganic membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0081—After-treatment of organic or inorganic membranes
    • B01D67/0083—Thermal after-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/02—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor characterised by their properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/08—Hollow fibre membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10—Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/22—Electrical effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/26—Electrical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Abstract

此处描述一种用于改变包含介电材料的膜的特性的方法。该方法包括加热所述膜并在膜平面外的方向将电场应用到至少部分的介电材料上。至少部分的介电材料与所应用的电场是对齐的。在一些实施例中，所述膜是压电体，并且将电信号应用在膜上引起膜平面外的运动。还公开了所述膜和系统以及包括所述膜的设备。

Description

膜及膜分离系统
技术领域
本发明涉及膜的制造方法和膜分离系统。
背景技术
膜是在两相之间作为选择性屏障的材料层，当受到驱动力作用的时候，至少保持对某些粒子，分子或物质的部分不渗透性。一些物质能穿过膜，进入到一个渗透物流中，而其他的则不能通过，并积聚在滞留物流中。
许多类型的膜是多孔的(如微孔，纳米多孔及超滤膜)。在多孔膜中，孔径及分布影响到膜对特定粒子，分子及物质的渗透性。其他类型的膜是非多孔的(如反渗透膜)正是这种膜的理化性质影响到它们对特定粒子，分子及物质的渗透性。已经使用了多种方法制备具有需要的理化性质，孔径及分布以为特定应用提供需要的渗透性的膜。
在膜分离系统中使用膜，所述膜分离系统用于多种期望移除或减少流体中特定物质浓度的过程。例如，膜分离系统已被应用于净化工业及家庭的废水废液。膜分离系统也越来越多地用于从海水，半咸水及盐水供料中通过去除盐和其他杂质来生产淡水。
在操作过程中，膜表面会被出现在供料流中的物质所覆盖，膜对这些物质是高度不渗透的。即，膜滤除这些物质，而不是悬浮或溶解这些物质的流体。渗透过膜的流体通量之后会很大程度上缺乏这些物质。被膜滤除的物质(称作滞留物)通常通过维持平行于膜表面的流体流动(通常称为横向流)从膜表面扫除。所述滞留物(也称作污泥)在其被丢弃的膜相反的另一端被收集起来。
在某些情况下，出现在污泥中的一些物质由于高浓度，在某些情况下，永久性地附着在膜表面。这个过程被称为“淤塞”，淤塞导致渗透通量减少，也会降低膜的滤除性能。例如，在所谓的“反渗透”膜从海水或含盐供料水中移除盐时，后者十分重要。在这种膜上的淤塞会导致截盐率降低并且降低渗透通量质量(更高的盐度)。
对淤塞的膜进行替换或处理在膜分离系统操作中的成本巨大。于是，需要减少膜分离系统中淤塞的发生率。
发明内容
本发明人发现了一种新方法，通过这种方法，可以改良一些膜的特性，因而提供了一种用于制备具有想要的性能(如，不同的渗透及分离性能)的膜的替代方法。特别是，发明人已经发现，在膜平面外的方向将电场应用于包括介电材料的膜上能改良膜的性能。如果介电材料是一种压电材料，则最终的膜也具有压电性能，并且发明人进一步发现，压电性能能用在膜分离系统中以减少淤塞。
在第一方面，本发明提供了一种用于改变包括介电材料的膜的特性的方法。所述方法包括对膜进行加热和在膜平面外的方向将电场应用到至少一部分的压电材料上，由此至少一部分的介电材料与所应用的电场对齐。
在第二方面，本发明提供了一种用于制造包括介电材料的膜的方法。所述方法包括制造膜的过程中对膜进行加热和在膜平面外的方向将电场应用在至少一部分的介电材料上。
在第三方面，本发明提供了一种用于制造包括极化的压电材料的膜的方法。所述方法包括在膜平面外的方向极化至少一部分的压电材料。
在第四方面，本发明提供一种包括介电材料的膜，其中至少一部分的介电材料在膜平面外的方向是对齐的。
在第五方面，本发明提供一种包括介电材料的膜，其中至少一部分的介电材料在大体垂直于膜平面的方向上是对齐的。
此处使用的表述“介电材料”是指一种材料，在电场被应用到所述材料上的时候，能够支撑不均匀电荷分布。介电材料可具有永久性的电偶极子(此处在该材料中的电荷分布是永久性非均匀的，例如，在极性分子的情况下)或诱生电偶极子(此处由于该材料被曝露于，例如电场的情况，电偶极子在该材料中形成)。
当应用电场于介电材料上时，由于在介电材料中(持久的或诱生)不均匀电荷分布，介电材料被极化导致介电材料具有电偶极矩。当应用电场时，所述电偶极矩(以及介电材料中的化学物质)会趋向于与电场对齐，受其他因素影响限制着介电材料的活动。例如，当介电材料是一种介电聚合物时，聚合物链会趋向于与所应用的电场对齐，但这样做可能受到限制，因为它们与其他聚合物链机械地交织在一起的。当在仅低于所述材料熔点的温度应用电场时，限制介电材料中物质活动的至少一部分因素会被克服，并且介电材料有更多自由去与电场对齐。通过冷却，介电材料可以保持对齐，即便在移除电场之后。
如此处所使用的，表述“至少部分的介电材料在一个方向是对齐的”意在说明很大部分的介电材料是在特定的方向是对齐的“即，多于未曝露于强电场的样本中介电材料在所述方向统计学上被预期为对齐的比例)。
通过应用电场，介电材料能被极化的程度可以用材料的介电常数来量化。一般而言，材料的介电常数越大，材料就越容易被极化。带有永久偶极子的材料会比非极性材料具有更大的介电常数。发明人认为，具有介电常数大于1的介电材料(例如，大约从2至4)可在本发明中应用。
介电材料可能是一种压电材料。此处所使用的，表述“压电材料“是指可以被极化以产生压电性能的材料”(即，生成一种压电活性材料(piezoelectrically-active material))。类似的，表述“压电聚合物”，“压电无机材料”以及“压电陶瓷材料”，分别是指聚合物，无机材料或陶瓷材料，其可以被极化以产生具有压电性能的材料。压电材料包括压电聚合物和压电陶瓷材料，包括偶极子。“极化”是一种过程，包括将电场应用于在压电材料上使材料里的偶极子对齐以生成压电活性材料。通常而言，在仅低于所述材料熔点的温度应用电场，然后材料在曝露于电场时冷却下来。通过冷却，材料里的电偶极子可以保持对齐，即便在移除了电场之后。
如上所述，膜是在两相之间起到选择性屏障的作用的材料层。如此处所使用的，提到的“膜平面”是指被材料层所设定的平面，不考虑膜最终被提供或使用的形式(如，螺旋卷式，圆柱式或中空纤维膜组件等)。
在本发明中，在膜平面外的方向应用电场(例如，至少部分的膜在膜平面外的方向被极化)。也就是说，如果膜是平铺的，应用电场的方向应是由膜所设定的平面之外。还应当认识到，在使用中，膜可能不是平铺的，也可能，例如是卷曲的或其它的形状。
发明人已经发现，在膜的制备过程中或在膜形成之后，在包含介电材料的膜平面外的方向应用电场(例如，在膜平面外的方向极化包含压电材料的膜)可以改变膜的内部结构。不希望被理论束缚，发明人认为，这是应用电场时膜中介电材料的电偶极子对齐的结果。这个过程能改良膜的初始内部结构(即便在所应用的电场中介电材料不能完全地对齐或在移除电场后介电材料在膜中保持对齐)，因此提供了一种附加方法，通过这种方法能控制膜的性能，包括孔径分布及膜的孔隙率。发明人认为，在膜上平面外的方向介电材料的对齐导致了材料微观结构在所述方向上的改变，在这个方向上可进行穿过膜的过滤。
发明人还发现，本发明的膜的特性，与用类似材料制成的没有暴露于电场下的膜的特性不同，至少在它们的截留分子量(MWCO)，表面形貌，微观结构和淤塞行为上不同。
在第一方面和第二方面的方法某些实施例中，膜中至少部分的介电材料在移除电场之后在膜平面外的方向是保持对齐的。
在第一至第三方面的方法某些实施例中，所述电场被应用于大体垂直于膜平面的方向。
在一些实施例中，所述介电材料是一种介电聚合物。所述聚合物，例如，可从下列材料中选出，例如：聚偏氟乙烯(PVDF)，聚砜，聚醚砜(PES)，尼龙，聚丙烯(PP)，聚酯，醋酸纤维素(CA)，聚碳酸酯(PC)，聚四氟乙烯，聚酰胺(PA)，薄膜聚酰胺，复合聚酰胺及其组合。
在一些实施例中，所述介电材料是一种压电材料(如，一种压电聚合物或一种压电陶瓷材料)。或者，所述膜可既包括一种压电无机(如陶瓷)材料，又包括一种压电聚合物。
压电聚合物，例如，可从下列材料中选出：聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物如聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，聚酰胺如尼龙-7，尼龙-11和尼龙-6，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)及其共聚物如，聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，具有诸如苯甲酸乙烯酯和甲基丙烯酸甲酯的单体的双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，腈取代的聚酰亚胺如聚(双环丁腈)，聚(α-羟基酸)如聚乳酸及其共聚物，聚(乙交酯)及其共聚物，胶原蛋白，多肽如聚谷氨酸甲酯和聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质，壳聚糖及其组合。
压电无机(如陶瓷)材料，例如，选自如下材质：石英晶体和人造陶瓷如压电陶瓷，锆钛酸铅(通常被称为PZT)，无铅压电陶瓷如铁酸铋(BiFeO3)，铌酸钠(NaNbO3)及其组合。
在介电材料是一种压电材料的实施例中，作为极化过程的结果(如，在大体上垂直于膜的方向)，最终的膜会表现出压电性能。由于横穿(across)所述膜应用电势，膜会因而进行横向(即，在膜平面外)的机械变形。发明人已经发现，这种性能可用在膜分离系统中以减少膜淤塞和增加渗透通量。
第六方面，本发明提供了一种膜，至少部分膜是具有极化方向的压电体，从而将电信号运用到膜上，引起在膜平面之外的运动。
第七方面，本发明提供了一种膜，至少部分膜是压电体，有着大体垂直于膜平面的极化方向。
在一些实施例中，部分膜是压电体的而其他部分膜不是压电体的。
第八方面，本发明提供了一种用于将一种或多种成分从流体中分离出来的膜分离系统。所述系统包括膜，将流体流入区域和流体流出区域分开。至少部分的膜包括介电材料，至少部分的介电材料在膜平面外的方向是对齐的(如，在大体上垂直于膜平面的方向)。
第九方面，本发明提供了一种用于将一种或多种成分从流体中分离出来的装置。该装置包括：
(a)膜，将流入区域和流出区域分开，其中至少部分膜包含介电材料，并且至少部分的该介电材料在膜平面外的方向(如，在大体上垂直于膜平面的方向)是对齐的；
(b)液体入口，用于把流体引入流至流入区域。
(c)滞留物出口，用于移除来自流入区域的滞留物；以及
(d)渗透液的出口，用于移除来自流出区域的渗透液。
在第八和第九方面的一些实施例中，介电材料是一种具有极化方向的压电材料，在此将电信号应用于膜上，引起膜平面之外的活动。
通常情况下，膜分离系统和装置进一步包括了电极，所述电极适于将电信号提供给至少部分膜的压电部分。由电极所提供的交变电信号引起膜的压电部分交替地扩张和收缩。
一般来说，膜分离系统和装置进一步包括电源，为电极提供交变电信号。
在一些实施例中，可以调整流体入口以将流体引入到流入区域使得流体横着流过膜的表面(如，横向地)。其在现有技术里被称作横向流。
在一些实施例中，该装置包括多层膜，每层膜通过设定了流入与流出区域的沟槽分开。
在一些实施例中，该装置包括一层或多层膜，缠绕在中心轴上以设定螺旋卷式膜组件，在此每一层膜通过设定了流入和流出区域的沟槽分开。
在所述装置包括沟槽的实施例中，可在这些沟槽中提供电极，所述电极适于提供横穿至少部分的膜的压电部分的电信号。
第十方面，本发明提供了一种装置，包括根据第四至第七方面的任一方面所述的膜，或通过根据第一至第三方面的任一方面所述方法所形成的膜。
附图说明
本发明的具体实施例现在将仅参考附图以实施例的方式予以描述：
图1是依据本发明的一个实施例，用于将电场应用在包含着介电材料的膜上的装置的示意图。
图2是显示现有技术“螺旋卷式”膜组件基本结构的示意图(在图中，部分组件被显示出是“未卷绕的”以显示出膜是如何配置的)；
图3是显示本发明的螺旋卷式膜分离组件一个具体实施例的膜和电极衬垫的剖面示意图。
图4是显示本发明膜分离组件另一个实施例的剖面示意图。
图5A是显示本发明膜分离组件另一个实施例的剖面示意图。
图5B是显示本发明膜分离组件另一个实施例的剖面示意图。
图6显示了本发明膜分离组件另一个实施例的剖面示意图，显示出膜分离组件中的电衬垫与波形发生器相连；并且
图7显示出将流过极化的聚偏氟乙烯膜的(a)初始流量，(b)平均流量和(c)稳态流量制成的图表，在膜上应用了频率为0Hz，5Hz，322Hz或3kHz的电信号，横向流为30gr/min或7gr/min。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及一种用于改变包含介电材料的膜的特性的方法，通过加热所述膜并在膜平面外的方向(在膜的制备过程中或膜形成之后)将电场应用到膜中至少部分的介电材料上。通过将电场应用到膜中的介电材料上，至少部分的介电材料变得与所应用的电场对齐(即，在膜平面外的方向对齐)，至少在电场被应用时。
在一些实施例中，本发明涉及一种用于改变包含压电材料的膜的特性的方法，通过在膜平面外的方向上极化(在膜的制备过程中，或在膜形成后)至少部分的膜中的压电材料。
膜被用于将一种或多种成分(通常是气体或液体，更常见的是液体)从流体中分离开来，来减少流体中一种或多种成分的比例。为了从流体中分离出一种或多种成分，选择膜，使得膜对于流体中的一种或多种成分相比于其他成分，渗透性更差，或者，渗透性更强。例如，为了将一个分子或多个分子或物质从水溶液中分离出来，可能会选用对于一个或多个分子或物质比水的渗透性更差的膜。
对于特定的应用，选用具有理想的渗透性特性的膜。如上所述，膜可能由多种不同的材料制成，而且本领域中已知多种用于制造膜和改良膜渗透特性的技术(如，通过改良膜的孔径和分布或通过改良膜的理化性质)。膜的表面也已经被处理或化学改良以改变膜的特性。本发明的方法提供了一种可选择的(或附加的)用于改良包含介电材料的膜的特性的方法。
发明人已经发现，包含介电材料的膜的微观结构能被极大地改变，通过在膜平面外的方向将电场应用于膜上。因此本发明提供了另一种方法，通过这种方法，可控制膜的结构和渗透性(以及分离特性)。实际上，发明人的实验已经证明，他们能够改变膜的截留分子量，微观结构，表面形貌及淤塞行为的特性。发明人预计本发明还能应用于改变包含介电材料的膜的其他性质，诸如其易于淤塞及其液体渗透性。
介电材料
任何能被加入或使用的用于形成膜的介电材料都能在本发明中使用。介电材料可以，例如，有一个永久偶极子(如，一种压电材料)或一个感应偶极子。一个感应偶极子，例如，能够通过在介电材料上应用电极而在介电材料中形成。通过应用电场，膜中至少部分的介电材料在膜平面外的方向是对齐的。也就是说，膜中至少部分介电材料的化学物质的电偶极矩是与电场对齐的。
所述介电材料，例如，可以是介电聚合物如，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚砜(PSU)，聚醚砜(PES)，尼龙，聚丙烯(PP)，聚酯，醋酸纤维素(CA)，聚碳酸酯(PC)，聚四氟乙烯，聚酰胺(PA)，薄膜聚酰胺，复合聚酰胺或上述聚合物两种或多种的组合。
可选择地，所述介电材料，例如，可以是一种无机(如，陶瓷)介电材料如碳化硅或铝。
所述介电材料，例如，可以是一种压电材料(如一种压电聚合物或一种压电陶瓷材料)。可选择地，所述膜可以既包括一种压电无机材料，又包括一种压电聚合物。合适的压电材料将在下面更加详细地讨论。
包含介电材料的膜的例子在下表中列出。
Figure BDA00001931772200081
Figure BDA00001931772200091
Figure BDA00001931772200101
在本发明的一些实施例中，膜由介电材料组成。然而，在其他实施例中，膜除了介电材料还包含其他成分。
在一些实施例中，介电材料是均匀地，或大体上均匀地分布在整个膜上。在其他实施例中，介电材料非均匀地分布在整个膜上。例如，在一些实施例中，膜可以包括多层或多个区域并且介电材料仅出现在这些层或区域中的一些，或以不同比例出现在不同层或区域。
在一些实施例中，只有部分膜是介电的。这种膜是由介电材料位于膜的特定区域或特定层的膜形成。
在一些实施例中，电场可应用在仅部分的膜中的介电材料上，例如，位于膜的特定区域的介电材料部分上。在一些实施例中，当应用电场时只有部分膜被加热。
应用电场
在本发明中，为了改变包含介电材料的膜的特性，有必要在膜平面外的方向将电场应用于至少部分的介电材料上。
通过在膜两侧之间运用大量级的电势差将强电场应用到介电材料上。在实施例中，膜被压缩在两个电极之间，用于应用所述电场，所述电场在大体上垂直于膜平面的方向上应用。如前所述，在大体上垂直于膜平面的方向应用电场导致至少一些介电材料(如，介电聚合物链)在膜平面外的方向在膜中变得对齐。膜的微观结构因此在该方向上改变，该方向将进行穿过膜的过滤。
也可使用电晕放电将电场应用于介电材料上。这种技术不需要直接接触并且减少了电弧的危险，还提供了在两个电极间压缩膜的备选方案。使用电晕放电在一些情况下具有优势，因为它不需要将金属电极置于膜相反的两表面上。
应用在膜中的介电材料上的电场量级取决于介电材料的性质，可以由本发明领域具有适当技能的技术人员来确定。在介电材料是一种介电聚合物的实施例中，需要使用相对较强的电场来实现非晶态聚合物的偶极子的对齐。
所述电场，例如，可以通过横穿所述膜应用大约500伏到2500伏的电势差，应用在所述介电材料上。在一些实施例中，电场可以通过应用大约1000伏至大约2000伏的电势差，例如大约500，700，1000，1500，1700或2000伏，应用在介电材料上。这种电压导致了一个强电场被应用到介电材料上。电场的量级取决于所应用的电压和膜的厚度。例如，将大约2000伏的电势差应用到100μm厚的膜上，导致一个大约20MV/m的电场被应用。
应用在电极上并横穿过膜的电压，通常以不变的速度逐渐从0增长到最终电压。例如，20伏/分，50伏/分或100伏/分。类似地，电压通常以不变的速度减小到0伏。
当应用电场时，包含介电材料的膜被加热。通常地，膜在应用电场之前被加热。例如，极化压电材料的过程包括在应用电场前加热压电材料。
当介电材料是一种聚合物时，膜通常从室温被加热到比它的玻璃化温度(Tg)高却比它的熔点(又称居里温度)低的温度。之后，在加热的膜上应用电场需要的时间段，随后，将膜冷却至室温。通常，只有在膜冷却到室温之后才关闭电场。
通常，在移除电场之前，通过冷却聚合物到其玻璃化温度之下，使介电聚合物中的极化被固定。如果所述膜不易受到外界影响，非晶相支持着晶体取向，所述极化在高至居里温度下可以是多年恒定的。
包含介电材料的膜被加热的温度取决于介电材料和膜的性质，可由本发明领域有适当技能的人员确定。在一些实施例中，当应用电场的时候，包含介电材料的膜从大约80℃被加热到大约150℃(例如，从大约80℃至大约100℃，从大约100℃至大约150℃或从大约120℃至大约150℃)。
将电场应用于包含介电材料的膜上的时间长度也取决于介电材料和膜的性质，可由本发明领域具有适当技能的人员确定。在一些实施例中，电场应用在介电材料上从大约30分钟至大约8小时(例如，大约1-4小时或大约1-2小时)。
优选的，通过控制温度优化弛豫时间，而且，电场对于实现最佳偶极子对齐是很重要的。操作温度应低于玻璃化温度以维持永久的极化。时间，压力和温度也能对在这些聚合物中被固定的偶极子的松弛有贡献。
在一些情况下，在应用电场的过程中，采取一定手段来防止电击穿膜可能是必要的。当强电场被应用于不均匀或异质结构的材料上，如多孔膜，相比于同质膜上，电击穿(例如，电弧)更容易发生。例如，膜上的孔，通过该结构可发生电弧。发明人已经发现，为了将强电场应用在膜上，调整用于极化膜的技术是很必要的。
发明人已经发现了一种在应用电场过程中防止电弧发生的方法，包括使用比膜本身还小，也比底部电极小的顶部金属板加紧所述膜。例如，如果要处理一个90*90毫米的矩形膜块，它会被夹在两个矩形电极之间，光滑的一面朝上。为了防止电弧，与平滑的一面相接触的顶部电极可以是60*60毫米的矩形，而底部电极尺寸可以是100*100毫米。发明人发现，这种构造防止了电弧在膜的边缘发生。然而，这个步骤仅使得在两个金属电极之间位于较小的顶部电极下的膜的部分曝露于电场。在两个金属板电极之间重叠区域的膜被曝露于强电场，因此包含对齐的介电材料，可被切掉将来使用，或保留整张膜(由对齐的部分和非对齐的部分组成)以便将来使用。
发明人预期别的技术也能用来防止在这个过程中发生电弧。例如，膜可以被浸泡在流体中，使得流体渗透膜孔，该膜孔通常预期会发生电弧。合适的流体包括具有强介电能力的介电流体或气体，例如，六氟化硫。
将参考图1描述一种改变包含介电材料的膜的特性的示例性的方法。包含介电材料的膜10被夹在电极12和电极14之间。为了防止电弧，顶部电极12大于底部电极14。之后，使用加热元件16将膜10从室温加热至90℃左右，同时使用高压电源18，以大约每分钟50伏的速度从0伏增加至2千伏在电极上应用电压。然后将膜保持在85-100℃，应用2千伏电压约两个小时，之后将其在电场中冷却至室温。然后关闭高压电源18，切掉两个电极之间的重叠区域的膜做后续使用。
具体条件(最大电压，膜曝露于最大电压下的温度和时间)可以用来改变下表中列出的膜的多种特性。
Figure BDA00001931772200121
表中为每种介电材料所列出的温度都高于它的玻璃化温度并且低于熔点。
压电材料
通过将膜加热至低于膜材料的居里温度或熔点的温度，并横穿所述膜应用电场使包含压电材料的膜中的压电效应能被激发出来。对于特殊的压电材料，极化条件(如电压，电流，时间，温度)需要被优化，以防止因分子在强电场中重新定位而在膜中形成结构性缺陷，以及防止在极化过程中产生电弧。
在介电材料是一种压电材料的实施例中，作为极化过程(如，在大体上垂直于膜的方向)的结果，最终的膜将表现出压电的性质。通过横穿所述膜应用电势，膜因此进行横向的机械变形(即，在膜平面之外)。发明人已经发现，这种特性可在膜分离系统中使用以减少膜的淤塞。具有固有的压电能力的膜的构造和特性潜在地克服了膜技术发展过程中最实质和最昂贵的障碍-淤塞。
压电材料的压电特性通常只有在压电材料的电偶极子被对齐之后才展现出来。这种对齐可以通过在材料上应用强电场，通过对材料进行拉长/挤压或电晕极化来实现。在电极化的情况下，对齐的程度及由此压电灵敏度取决于电场的强度及所用温度(温度通常仅低于材料的熔点)。通过冷却，电偶极子保持对齐，即便在移除电场之后。这个过程被称作“极化”。
任何适合用在膜里的压电材料(即，任何能被极化生成压电活性物质的材料)可在本发明中使用。通常，压电材料是一种压电聚合物，然而，膜也能由压电无机材料形成(如，压电陶瓷材料)，如上述所列举的，或由聚合物和无机材料的复合材料形成。
适合在本发明中使用的压电聚合物的例子包括：聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物如聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，聚酰胺如尼龙-7，尼龙-11和尼龙-6，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)及其共聚物如聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，具有诸如苯甲酸乙烯酯和甲基丙烯酸甲酯的单体的双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，腈取代的聚酰亚胺，如聚(双环丁腈)，聚(α-羟基酸)如聚乳酸及其共聚物，聚(乙交酯)及其共聚物，胶原蛋白，多肽诸如聚谷氨酸甲酯和聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质和壳聚糖。这些压电聚合物的组合也能用于本发明中。
偏二氟乙烯已经与碳氟化合物和非碳氟单体共聚合。最常见的共聚单体是三氟乙烯(TrFE)，三氯氟乙烯(CTFE)，四氟乙烯(TFE)，六氟丙烯(HFP)，全氟丙酮和五氟丙烷。聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)和聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)比较常见，因为它们的压电特性比聚偏氟乙烯更强。聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)和聚(偏氟乙烯-四氟丙烯)已经表现出强烈的压电性能，热电性能和铁电性能。聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)，聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)能在市场上买到，并且作为比聚偏氟乙烯更耐化学腐蚀，更加柔韧替代物在诸如管道及涂层中应用。
压电聚合物如聚偏氟乙烯(PVDF)和聚酰胺(尼龙)和其他物质，能被极化以生成压电活性材料。压电活性材料在传感器，麦克风，扩音器和制动器中使用。聚偏氟乙烯由于其压电性能在电器中应用(如，在制造传感器和别的机电元件中)。用在这些电器中的聚偏氟乙烯膜通常是通过诸如挤压的方法生产出来，不适合当作膜使用。
聚偏氟乙烯由于其优良的耐化学腐蚀及耐热性能，也被用于膜分离过程中。但是，使用诸如溶剂浇铸的传统方法制备的聚偏氟乙烯膜没有压电活性。为了使制得的聚偏氟乙烯薄膜或膜具有压电活性，半晶态聚合物的晶体结构需要由非电活性的构造转变(阿尔法，伽马和德尔塔)为压电活性的全反式(贝塔)结构，而这由于热力学限制在正常情况下是不能实现的。
极化了的膜的压电性质通过测量它们的压电系数(D33)动态力学分析(DMA)和电阻抗图谱来检测。使用压电响应力显微镜(PFM)进行的实验和使用激光多普勒测量的表面位移确定了膜的压电活性。在空气和水中进行的振动测试显示出水并没有大幅地抑制压电振动，并且振动随着交流或直流信号振幅的增大急剧地增强。
为了调查膜的压电活性对它们的过滤性能影响，使用包括两个多孔钢电极的横向流的膜组件，并且在过滤过程中将不同频率的交流信号应用在膜上。这些实验显示了激发组合成的压电膜增大了平均通量，还显著地延迟了淤塞。并且，增强的横向流速度增强了压电振动抗淤塞的效果(见例6和例7)。
用于将一种或多种成分从流体中分开的膜分离系统和装置
本发明也涉及利用本发明的膜将一种或多种成分从流体中分开的膜分离系统和装置。该系统和装置包括将流体流入区域和流体流出区域分开的膜，至少部分的膜包含介电材料，而至少部分的介电材料在膜平面之外的方向对齐(如，大体上垂直于膜平面)。选择膜使得所述膜对流体中的一种或多种成分相比于其他成分渗透性更强，或更常见的，渗透性更差。通常，选择膜使得所述膜对于流体中溶解或悬浮的一种或多种成分的渗透性更差。
在一些实施例中，介电材料是一种有着极化方向的压电材料，从而将电信号应用在膜上引起膜平面外的运动。如上所述，当电势被应用在材料上时，例如被应用在材料相反的两表面或穿过材料应用，具有压电活性的材料被机械变形。
本发明的膜的压电特性使得其能被机械变形，通过在膜平面外的方向(如，垂直于膜，如果压电材料是在大体上垂直于膜平面的方向被极化)应用一个能引起振动的交变电势。也就是说，引起膜在厚度上交替地收缩和扩展，其将有以下的至少两个主要影响。
第一，垂直于膜表面的振动会引发别的未受搅动的边界层在流体膜接口处的微搅动，那里的滞留物积聚并淤塞了膜。在这个边界层的扩散极化效应加剧了积聚并且，并且是对维持规定的通量输出所需要的能量做出了主要贡献。因此微搅动能预防或减少膜的淤塞。在横向流供料系统中，积聚在膜表面附近的淤塞物被扫除，预期运用微搅动来增强横向流的有效性，借此淤塞的趋势会进一步降低。
第二，膜振动应会有助于穿过膜的渗透通道，通过减少在渗透液和膜材料之间的阻力。
在本发明的系统或装置的操作过程中，供料流体在膜的一侧受到压力的驱使，同时透过液在另一端被收集起来。该系统或装置可能进一步包括用于将电信号应用到膜上的电极。电极可能，例如，被嵌入地安装在膜组件上(系统或装置的一部分包含膜)并且电性连接到环绕着膜组件的压力容器外部的电极端子上，进而膜的机械变形可以通过在这些电极端子上运用的交流电势，从外部激活。当电极提供了一个电信号时，膜的压电变形(即，压电材料的收缩和扩张)发生了。
电极应由导电材料制成。优选的是，电极和可从组件的外部可以够到的电极引线，两者应用同一材质制成，以防止当它们浸泡在流体中，不同成分之间可能会发生电化学反应这类复杂情况的发生。
将电极连接到组件外部的引线应最好覆盖或涂有电气绝缘材料使得只有电极本身曝露在流体中。
用于应用激励信号的电极通常会扩展到整个膜的长度，为了通过应用电信号，使膜上全部的压电材料都被激活。
应用在电极上的电信号通常是周期性的，例如，正弦波，三角波，方波(或这几种波形的结合)，并且充分的振幅和合适的频率可以引发膜上压电部分的机械变形。
膜的整体操作能力随着表面面积的增长而增长。相应地，膜一般以可替换组件的形式提供，此处的膜或多层膜被配置得能够提供合适的表面面积。本发明的膜分离系统和装置也可以，或者包括，含有膜的可替换组件的形式提供。在最常见的组件配置中，膜面积相对于所述组件的体积的比率被最大化，通过把膜裹成一个围绕在中央渗透集合管上的螺旋。在这些所谓的“螺旋盘绕”组件中，膜表面被一个通常由聚合物链制成的垫片分开。垫片在膜的每一侧都设定了沟渠，通过这些沟渠，流入的流体，滞留物和渗透物能够流动。一个螺卷式膜组件的内部结构如图2中所示，进行了说明。
在螺旋卷式膜组件中，渗透液径向沿着在相邻的膜之间的垫片向中央渗透集合管的中心移动。供料流体纵向沿着所述组件在相邻的膜之间流动。这也提供了一个所谓的“横向流”有助于预防膜淤塞。垫片通常是由厚的(毫米)聚合物细丝制成的一种纤维。
在本发明的一些实施例中，膜分离系统和装置能以螺旋卷式组件的形式，或包含螺旋卷式组件的形式提供。可以设想，垫片能由一种导电材料制成(如一种金属)并被用作电极，由其交流电或其他电压形式能被应用在膜上以进行压电振动或使膜变形，如上所述。这些具体实施例中的电极配置如图3至5所描述。
图3显示了螺旋卷式膜分离组件的膜(1)和电极垫片(2)剖面图。此处显示的剖面的膜和电极衬垫是展开的，以便于显示元件的内部构成。图显示了一个系统，其中电极垫片(2)位于同一张膜(1)的两面。
图4显示了四张膜(1)在膜的一侧(3)有一个供料流体沟槽，并且在另一侧(4)有渗透液流体沟槽。显示出电极(2)位于同一张膜的两侧，在供料流体沟槽有一个，另一个在另一侧渗透液流体沟槽。
也能够在这样的系统和装置中安装电极，以至于激励信号或驱动信号被串联应用在两膜上。这可能会涉及到把电极放置在由两张膜和一个渗透液沟槽分隔开的两个供料侧边沟槽的其中一个上，还是把电极对放置在由两张膜和一个供料侧边沟槽分隔开的两个渗透液侧边沟槽的其中一个上。将两个膜串联(同时)有效地引起了压电变形。这种配置在图4A和图4B中显示出来。
特别是，图5A展示了位于两个供料流体沟槽(3)的两个电极(2)并被两张膜和一个渗透液流体沟槽(4)分隔开来。
图5B显示了位于两个渗透液流体沟槽(4)里的两个电极(2)并被两张膜和一个供料流体沟槽(3)所分开。
通常，镶嵌在膜组件中的电极是电性连接到围绕着膜组件的压力容器外面的电极端子上的。通过把交流电势应用到这些电极端子上，使得膜从外部被激活。当电信号被应用在镶嵌在组件里的电极上，会发生膜的压电振动/变形。这在图6中有说明，它描述了应用到电极上的电信号是如何引起了膜的振动或者进行了其他内部变形，如上所讨论。
图6描述了组件(7)的一个具体实施方式，其中电极垫片(2)位于相邻的供料沟槽中(只显示了两对这样的电极)。交替的电极垫片(2)彼此电性连接在一起，并通过电导体(6)被连接到一个波形发生器上(5)，生成带有适合频率和幅度的交变电压来引起膜(1)的压电激励(即，扩展和收缩)。将电极连接到组件(7)中对于上述其他配置是相似的。
在可选择的实施例中，独立的电极可镶嵌在位于膜的每一侧完全不导电的垫片上。或者，电极能以溅射的方式在膜相反的表面形成超薄涂层，或以导电聚合物层的形式在制造过程合并在膜结构中。
在两个电极都在相同的溶液里的配置中，也就是两个电极都被放置在供料溶液或渗透物溶液里，将交流电压应用于压电激活膜会有一些优势。这是因为当这些电极处于被安在膜任一侧的溶液中时，在电极和溶液交界的电化过程可能生成干扰分离过程的电势或生成不需要的电解效果。
应注意的是，当前使用的膜组件的其他配置也适于实施本发明。
这样的一个已知配置是所谓的“平板膜组件”(未显示)。使用上述描述的多种配置，在膜的两侧安置电极对于这样的系统也是可行的，并且从制造的角度看，会比螺旋卷式膜组件更简便。
在一些膜组件中，膜本身是圆柱形的并且电极能被容易地放置在位于这些膜的相反两面的这些组件上。
可以预期上面所述的电极配置能容易地被合并到“平板”或“圆柱形”的膜组件中。这样的电极可使这些膜以上述相同的方式进行介电激励。
另一种形式的膜组件使用了所谓的“中空纤维”膜。这些“中空纤维”膜由细纤维组成，通常直径大约是1mm，中空的内部由本身是膜的材料所环绕。很多束这样的中空纤维通常被并入在一个完整的组件中。在中空纤维外部合并电极可以相对容易地制造出来。然而在这样的中空纤维中插入电极而不阻碍液体沿着它轴线的流动在技术上有些困难，但是一旦合适的电极就位，仍预期发生如上所述的膜的压电激活。
例子
例1-在包含介电材料的膜的平面外方向应用电场
现在将描述通过在强电场(～163MV/m)里极化一种传统的聚偏氟乙烯膜来生产一种极化的聚偏氟乙烯膜。本研究所使用的聚偏氟乙烯膜是颇尔氟代(Pall Fluoro)
Figure BDA00001931772200191
W，由颇尔生命科学(PALL Life Sciences)(澳大利亚)提供。这种膜的厚度和指定的孔径分别是123微米和0.22微米。
将膜夹在两个电极之间。为了防止电弧发生，顶部电极比底部电极大。之后将膜从室温加热到90℃，同时电压从0伏以每分钟50伏的速度逐渐增加到2千伏。膜被保持在85-100℃用2千伏的电压应用两个小时，之后在电场中冷却至室温。一旦膜冷却至室温，电极之间的电压(从而电场应用在膜上)就逐渐减小到零。然后切掉位于两个电极之间并曝露于高压电场的膜的部分，用作下列实验中极化的膜。
许多不同的技术能用于检测和测量压电陶瓷和聚合物的压电反映，包括使用一个d 33测试仪。使Berlincourt D33测试仪测定如上所述制备的聚偏氟乙烯膜和未被极化的聚偏氟乙烯膜的压电反映分别为18±4pC/N和1.5±0.5pC/N。极化的和非极化的膜的显著差别表明极化的过程是成功的，而且极化的样本是压电活化的。
D33测试仪不能测量极化的膜的压电部分的分布，因此使用压电响应力显微镜(PFM)来研究极化的聚偏氟乙烯膜的压电性能。运用一种带有铂/红外涂层悬臂的多模式原子力显微镜(AFM)(通常的尖端半径为7nm，力常数为0.2N/m，共振频率为13kHz)以0.8Hz的扫描速率使域结构可视化。振幅在3和5伏之间且频率为7kHz的交流信号被用在样本的尖端(可移动的顶部电极的)和底部电极之间以获取垂直的脉冲频率调制(VPFM)和横向脉冲频率调制(LPFM)图像。
通过对比非极化的和极化的聚偏氟乙烯膜平面之外的图像，可以看出，非极化的聚偏氟乙烯膜相对于测量刻度8μm2对比十分微弱，而极化的聚偏氟乙烯膜有着一系列的对比，显示了不同的d33值。这些脉冲频率调制(PMF)图像显示出，发生在极化过程中的极化是在膜所有部分的相同方向，并确认未极化的样本不是压电活性的，而极化的样本能够将所用的电能转化成机械振动。
扫描式电子显微镜(SEM)图片显示出，在强电场中的极化极大地改变了膜的微观结构(见例2，下面)。
如上所述制备的极化的聚偏氟乙烯膜能取代现有技术的非压电活性的聚偏氟乙烯膜用在传统的膜分离系统中。使用带有不同分子量的海藻酸钠水溶液和牛血清白蛋白溶液研究这些膜的分离性能。发现膜能够分离这些物质。
使用一种类似的技术被来应用电场，从而对齐了由聚醚砜(PES)制造的微滤膜里至少部分的聚合物链。聚醚砜(PES)不是一种压电聚合物，而是一种介电聚合物。简而言之(In sort)，将聚醚砜(PES)加热至大约90℃，同时将应用在膜任一侧电极上的电压以每分钟50伏的速度逐渐从0伏增加至1000伏。将膜保持在80-100℃，应用1000伏的电压两个小时，之后在电场中冷却至室温。
使用一种类似的技术来应用电场，从而对齐了由聚酰胺制成的反渗透膜中至少部分的聚合物。简而言之，将聚酰胺膜(简称PA膜)加热至140℃左右，同时将应用在膜任一侧电极上的电压以每分钟50伏的速度逐渐从0伏增加至1500伏。将膜保持在140-150℃，应用1000伏的电压1-2小时，之后在电场中冷却至室温。
例2-极化的和非极化的聚偏氟乙烯膜特性的差异
平均孔径大约0.2微米的聚偏氟乙烯微滤膜的微观结构(在横截面及表面)用场发射扫描电子显微镜(Zeiss，ULTRA plus)检查，如在例1中所述在电场极化前后，和在下列所述的过滤测试之后都配备肖特基场发射枪(Schottky field emission gun)(10千伏)。
膜微观结构的横截面扫描电镜图像显示，两个小时的极化极大地改变了膜的微观结构；从本质上的各向同性变成强烈的各向异性。极化之前的图像与具有均匀分布并相互连接的开孔的膜是一致的。但是，极化之后的图像显示，极化的膜包括许多重复的用于区分电子密度的三个不同的层，显示出非晶，晶态及多孔的特性。多层结构显示出，大规模电场使聚偏氟乙烯聚合物链在90℃的极化温度时延展，而90℃是这种聚合物的玻璃化温度(35℃)和它的熔点(177℃)之间的中间温度。发明人认为，聚偏氟乙烯链的氟基团转动和强电场对齐，这与传统的用于将其他类型的聚偏氟乙烯晶体转换成β(压电)形式的方法是一致的。横截面图像显示了包含孔的非晶态的和晶态的层。
这些结果显示出，电场极化技术可用作其他更加复杂的技术的可选性的或附加的技术以制造具有改变特性的多层膜。
聚偏氟乙烯微滤膜的表面形貌由纳米显微镜III多模式原子力显微镜(维易科，圣芭芭拉，加利福尼亚)来进行表征，在接触模式下以1.05HZ的扫描速率运行。使用纳米显微镜(版本530r3sr3)软件分析图形的各个部分和描绘膜表面的粗糙特征。
与上面讨论的横截面的扫描电子显微镜图像相比，聚偏氟乙烯膜表层的扫描电子显微镜图像在电场极化前后显示出微小差别。然而，表层图像的柱形统计图和高倍放大地观看表层图像显示出在极化的膜表面的孔径形状更加规则，大部分垂直于膜表面对齐。相反的，未极化的膜表面上的孔径更小，形状更不规则并且更多相互连接。
然后调查了电场极化对聚偏氟乙烯膜分离性能上的影响。聚偏氟乙烯微滤膜的过滤性能，在电场极化的前后都用一个死端过滤组件来比较。在这个仪器的室(chamber)中，膜有19.6cm2的区域曝露于水或每升含10克的海藻酸钠溶液。使用压缩空气应用压力(55千帕)并使用压力调节器使之保持在恒定的值。使用磁力搅拌器来防止溶质分子在膜表面积聚并减小了浓差极化的效果。
将滤液收集在放置在电子天平(日本岛津公司)上的容器中，电子天平能测量渗透液质量。极化和非极化的聚偏氟乙烯膜的渗透通量因此通过记录作为时间函数的质量能被计算出来。从极化的和非极化的膜出来的渗透液中的海藻酸浓度能通过干燥渗透溶液并称量溶液中的干燥成分来计算。
当过滤纯水时，极化的膜的渗透通量被发现普遍少于非极化的膜，这可能是由于如上所讨论的极化所引起的急剧的微观结构的变化。在第一个2分钟内两种膜通量减少大约20％，但是随后随着水通量趋于稳态，稳定地处于大约5％，这显示通过极化膜的孔隙率可能只是略微降低。
然而，当海藻酸钠以每升10克的浓度被引入到供料溶液中，极化的和非极化的膜都产生了渗透通量上的实质性的下降。表现相似初始通量的两种膜都降低至上述过滤水过程中的水平，但在含有海藻酸钠的供料溶液中极化和非极化的膜的通量没有收敛到接近稳态的单独的值。实际上，适用于两组过滤数据的指数显示，极化和非极化的膜的通量会在过滤35分钟之后收敛。发明人假定这暗示了由极化所引起的微观结构的改变已经改变了膜的孔径尺寸，和/或极化和非极化的膜不同程度淤塞的。
然后计算对于极化和非极化的膜在渗透溶液中的海藻酸钠浓度并与供料溶液中的海藻酸钠溶度相比较(即，每升10克)。海藻酸钠在未极化的聚偏氟乙烯膜渗透液中的浓度大约是每升9.5克，而海藻酸钠在极化的聚偏氟乙烯膜的渗透液中的浓度大约是每升5克。这表明极化过程导致膜具有实质上更为狭窄的分子量分布，也减少了它的截留分子量。
极化和未极化的膜的微观结构(在横截面和表面上)，在它们被用于过滤海藻酸钠之后，使用扫描电子显微镜照相术来研究。这些图像表明，在极化和非极化的膜上可能发生着不同的过滤机制。
总之，这个例子证明了将强电场应用到微滤的聚偏氟乙烯膜上两个小时极大地改变了其微观结构，从各向异性互联的形态变成多层的结构。极化也显著地改变了膜的过滤性能，尤其是，极化的膜的截留分子量性能比未极化的膜要更好。
例3-应用或不应用电场微滤膜在截留分子量特性上的差别。
为了研究强电场对于微滤膜的过滤性能的影响，使两张平均孔径为0.2微米的膜经受强电场并同时加热，检查它们的过滤性能并与使用相同材料制成却没经受强电场的膜相比较。选用的膜由聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚砜(PES)制成。
在本研究中使用高压死端过滤组件。过滤装置是一种不锈钢死端搅拌池(HP4750搅拌池，美国Sterlitech公司，肯特，华盛顿州)，放在一个磁力搅拌盘上。膜的有效区域是13.85cm2。供料室使用氮气加压至200千帕。一种聚乙二醇(PEG)的水溶液(1wt％)，平均分子量为100KD被用作供料溶液，而且渗透通量由位于电子天平上的容器所收集的渗透液质量估算出来。
聚偏氟乙烯膜
大约一个小时的过滤之后，使用未极化的聚偏氟乙烯膜的渗透液质量几乎100％地大于极化的聚偏氟乙烯膜。极化的膜的通量显著小于未极化的膜的通量。穿过极化的膜的水通量稍稍大于未极化的膜。过滤测试完成之后，聚乙二醇在干燥的供料和渗透溶液中的分子量用凝胶渗透色谱法(GPC)测量，并相互比较以确定使用聚乙二醇溶液的膜的截留分子量。
聚乙二醇在未极化膜的渗透溶液中的分子量分布窄于供料溶液中的聚乙二醇的分子量分布。聚乙二醇在极化膜的渗透液中的分子量分布显著窄于在未极化的膜渗透液中的分子量分布。这显示出，电场极化能显著地减小聚偏氟乙烯微滤膜的截留分子量。
聚醚砜膜
同样的实验在聚醚砜微滤膜上执行，其中一个曝露于如例1所述的电场。大约一个小时的过滤之后，从标准膜出来的渗透液的质量几乎300％地大于从曝露于电场的聚醚砜膜渗透出来的渗透液的质量。被曝露于电场的膜的通量显著小于标准膜的通量，而水通量略高一些。
这些结果显示出，将聚醚砜膜曝露于电场具有与对聚偏氟乙烯微滤膜所观察到的有着相似的效果。即便应用于聚醚砜膜的电场小于应用在聚偏氟乙烯膜上的电场，孔径的变形和对齐在聚醚砜膜上出现得更多。这可能是因为聚醚砜比聚偏氟乙烯有着更低的机械模数。
总之，基于这个例子所讨论的实验结果，可以得出这样的结论，强电场能改变包含着介电材料的不同类型膜的微观结构。也能推出，微滤膜的这种处理能用于提高微滤膜的截留分子量(MWCO)。
例4-极化和非极化的超滤膜在特性上的差别
聚偏氟乙烯超滤膜以上述聚偏氟乙烯微滤膜的相同条件被极化。极化和非极化的膜的特性随后在过滤测试中进行比较。5wt％35KD聚乙二醇溶液用极化和非极化的聚偏氟乙烯超滤膜在30psi(约207千帕)的压力下过滤，使用的技术类似于例2和例3中所描述的技术。
测量积聚的渗透液重量和极化及未极化的聚偏氟乙烯超滤膜的通量。大约一个小时的过滤之后，使用非极化膜的渗透液质量几乎50％地大于极化的聚偏氟乙烯膜的渗透液质量。极化膜的通量显著低于未极化的膜的通量，同时穿过极化的膜的水通量略高于未极化的膜。
这些结果与聚偏氟乙烯微滤膜所获取的结果是一致的，并且表明，应用电场也能改变超滤膜的微观结构，并且改变它们的截留分子量特性。
例5-应用了和未应用电场的反渗透膜的特性差别
两个低压(1000千帕)的反渗透膜被选用，来研究应用电场在反渗透膜过滤性能上的影响。选用的膜70UB聚酰胺反渗透膜(“RO-3”)和70B聚酰胺反渗透膜(“RO-4”)，从日本东丽株式会社获得。
本例子中使用了两张RO-3膜和三张RO-4膜。其中一张RO-3膜通过应用大约1500伏穿过膜的电压而应用电场，同时膜被加热至大约150℃持续，持续大约两个小时，如例1所述。另一张RO-3膜(“标准膜”)由制造者提供而被使用。其中一张RO-4膜通过运用大约1500伏穿过膜的电压而应用电场，同时膜被加热至大约150℃，持续大约一个小时。另一张RO-4膜通过运用大约1500伏穿过膜的电压而经受着电场，同时膜被加热至大约150℃，持续大约两个小时。最后一张RO-4膜(“标准膜”)由制造者提供而被使用。
膜的脱盐率特性被比较，因为这是反渗透膜的一个十分重要的特性。分子量不同的两种盐(氯化钠，MW＝58.443g/mol和氯化镁(MgCl2.6H2O)，MW＝203.31g/mol)被用于研究应用电场对反渗透膜滤除性能的影响。过滤测试使用蒸馏水，100mM氯化钠溶液；50mM氯化镁溶液进行。
RO-3反渗透膜
应用了电场的RO-3膜，通过该膜的稳态水通量被发现几乎低于标准RO-3膜的10倍。使用标准膜过滤了大约19个小时之后，渗透液质量比应用了电场的膜至少高出两倍。在过滤的初期阶段，应用了电场的膜的通量大约低于标准膜八倍，但在实验末尾，两张膜的通量接近相同水平，由于标准膜通量下降得快一些。大约1.5小时之后，标准膜被淤塞，而应用了电场的膜的通量几乎是最大初始通量的一半。淤塞延迟是应用了电场的膜所具有的极大优势。
使用氯化镁作为典型盐产生了稍许不同的结果。标准膜的渗透液质量被发现在过滤初期是相当大的，但是应用了电场的膜，其渗透液质量不久就达到了与标准膜相同的水平。在实验的末尾，从应用了电场的膜那里所获得的渗透液质量更大一些。
标准膜的通量被发现几乎比在测试开始时高出三倍，但在实验末尾，却下降到应用了电场的膜的一半左右。标准的通量数据显示，标准膜在过滤测试开始6小时后几乎堵塞，而应用了电场的膜维持着其初始通量的至少30％。
应用了电场的膜对氯化镁的脱盐率大约高于标准膜60％。这显示出极化在延迟淤塞上的积极影响。如果更大的分子或盐被使用，脱盐率将更加明显。
RO-4反渗透膜
通过应用了电场的RO-4反渗透膜的稳态水通量小于标准的RO-4反渗透膜的稳态水通量。在开始的时候，将电场应用了2小时的膜显示出略高的水通量，可能是因为它的压缩模量更低，并且对于这种膜水的压缩效果更大。通常这三种膜的水通量是接近的，并且就RO-3膜所观察到的最大差别是不显著的。
这三种膜的过滤性能通过使用100Mm的氯化钠作为供料溶液而进行比较。应用电场2小时的膜的渗透质量是大于标准膜的。应用电场1小时的膜的渗透质量在过滤初期略低，但在实验末尾它已达到了略高于标准膜的水平。
标准膜的通量和应用电场1小时的膜的通量是相似的，而应用电场2小时的膜其通量几乎高出实验初期的三倍。然而，在实验末尾，这已经接近了和别的膜相同的水平。应用了电场的膜，其氯化钠脱盐率是低于标准膜的，这显示出作为电场的结果非结构性缺陷在膜上产生。应用电场1小时的膜比起应用了2小时的膜有着100％改善了的脱盐率。
三种膜的过滤性能也可以使用50Mm的氯化镁作为供料溶液进行比较。以上述的类似的方案观察了含有氯化钠的供料溶液，唯一明显的差别在于应用电场1小时的膜在过滤17个小时之后维持着其初始通量的几乎80％，而标准膜和应用电场2小时的膜仅维持着其初始通量的30％。延迟淤塞，其在先前对RO-3膜所进行的实验已观察到，可被看做是电场极化的一个优势。
应用电场2小时的膜对氯化镁的脱盐率低于标准膜大约30％，而应用电场1小时的膜的脱盐率仅低于标准膜17％。这显示出，大部分在应用电场的过程中所产生的纳米缺陷都小于氯化镁的尺寸，因为在当使用这些膜过滤氯化钠的时候脱盐率的差别更大一些。
这些实验说明，RO-4膜的微观结构对于电场产生的内力更加敏感。这种膜比起RO-3膜有着更低的模量可能是导致这种差别的原因。
总之，在强电场中处理包括介电材料的反渗透膜能够改变膜的特性，但是需要控制极化时间以带来诸如高的脱盐率和延迟淤塞的效果。
例6-极化的聚偏氟乙烯膜的抗淤塞特性
这个例子证明如例1所述的极化的聚偏氟乙烯膜抵抗淤塞的能力。
使用一个有效膜区域为36.08cm2的横向流膜测试组件，来研究压电活性对膜过滤的影响。将镶嵌在位于横向流组件中膜的两侧的两个15x120mm多孔钢电极用作电极。这些电极消除将膜用诸如金的导电材料进行涂层的需要，并且底部电极也用作膜的支撑物。在横向流组件的两侧，用压力为175千帕的压缩空气将供料溶液抽到组件中。
将渗透液收集在安装在电子天平上(日本岛津株式会社)的一个容器中，并且记录它的重量。使用一个阀门来调整横向流，并使用一个正容积式泵来保持横向流恒定。横向流质量使用一个数字天平监控。膜在乙醇中预湿1小时接着在蒸馏水中预湿1小时。平均分子量为100KD的聚乙二醇(PEG)被用作典型供料(model feed)，并且1wt％的聚乙二醇溶于蒸馏水的溶液在过滤测试中使用。在三个不同的频率(5,322和3000Hz)带有9.5伏交流电振幅和17伏直流偏移的正弦形信号在过滤和分离的过程中被应用于膜上。
首先，研究将电信号应用到未极化的聚偏氟乙烯膜上对膜过滤性能的影响。可以发现，应用电信号并未显著改变渗透液的累计重量和通量。电信号既未影响未极化的膜的淤塞行为，也未改变标准的通量。最后，在实验的末尾测量滤液的干燥成分含量也显示出应用电流并未影响未极化的膜的滤除性能。这些实验确定了应用电信号并不影响未极化的膜的过滤特性。因此，可以推断，膜极化之后其在过滤特性上的任何改变都与它的压电特性相关。
对应用和未应用电信号(以0Hz，5Hz，322Hz和3kHz的频率)，通过极化的膜的滤液的标准通量进行了比较。在所有实验中穿过膜的横向流为大约7gr/min或大约30gr/min。这些实验的结果示于图7。
经受了电信号的膜其标准通量被发现是大于未经受电信号的膜的，这显示出电信号引起压电的膜的振动并延迟了膜淤塞的发生。压电的膜在1％聚乙二醇溶液以175千帕的压力和30gr/min左右的横向流过滤过程的标准通量和，发现振动的膜比非振动的膜要高出大约十倍。图7(a)显示出应用电信号减少了初始滤液通量，而图7(b)和(c)显示出，当压的电膜被振动的时候，平均通量和稳态通量都增加。这些改变在使用更大的横向流时表现更加明显。
压电振动对通过膜的稳态通量上影响很大。当压电的膜仅随着大约7gr/min横向流振动时，稳态通量增加了38％被记录下来。将横向流增加至大约30gr/min这种增长提高至大约300％。稳态通量相对于初始通量的比率，代表着淤塞程度，也受到横向流很大影响。随着大约30gr/min的横向流振动的膜所保留的通量几乎高于相同条件下非振动的膜4倍。当使用7gr/min的横向流速度时，在保留通量中提高了大约60％被记录。使用大横向流的振动膜进行过滤加快了达到初始通量10％的时间大约1.5至16分钟。
从上述讨论的实验结果，可以推断出使用压电的膜可以延迟和控制淤塞。结果也显示出，通过提供可以被输送到供料溶液中并持续使用的横向流，可以大大避免膜的淤塞。
例7一极化的聚偏氟乙烯膜在空气过滤应用中的抗淤塞特性
在先前的例子中所使用的包含聚偏氟乙烯的膜的抗淤塞特性可以用于更广泛的抗沉积应用中。将两张同样被极化的，覆盖了100nm金/钯混合物的聚偏氟乙烯膜用作电极。两张膜的距离被安置得像碳酸钙细粉一样近。使用一个中等速度的风扇用于刺激湍流来产生灰尘。其中一张膜以5Hz的频率使用带有9.5伏的交流振幅和17伏直流偏移的正弦波来激活，而另一张膜并不经受任何电信号。实验进行48小时，然后样本的表面用光学显微镜进行研究。
振动膜的表面被发现是没有灰尘的，而在非振动的膜的表面能看见
白色的灰尘颗粒。这些结果显示，本发明的压电的膜也能用在其他应用中，如气体分离系统和灰尘过滤系统。
本申请要求申请号为2009905768，于2009年11月15日提交的澳大利亚临时专利申请的优先权，该申请内容通过引用的方式在这里引入。
本发明领域的技术人员应明白，在不背离本发明的精神和范围的情况下能做出许多修改。
在随附的权利要求书中和本发明的前述描写中，除了语境需要，否则由于语言表述或必要的暗示，单词“包括”及其变体诸如“包括的”或“包括了”表达的是包含的意思，即，用于说明陈述特征的存在而不是排除本发明的多个实施例里进一步特征的存在或附加。

Claims (57)

1.一种用于改变包含介电材料的膜的特性的方法，该方法包括加热所述膜并在膜平面外的方向将电场应用到至少部分的介电材料上，从而至少部分介电材料变得与所应用的电场对齐。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在应用所述电场后膜中至少部分的介电材料在膜平面外的方向保持对齐。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在大体上垂直于膜平面的方向上应用所述电场。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述介电材料是介电聚合物。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述介电聚合物选自聚偏氟乙烯，聚砜，聚醚砜，尼龙，聚丙烯，聚酯，醋酸纤维素，聚碳酸酯，聚四氟乙烯，聚酰胺，薄膜聚酰胺，复合聚酰胺及其组合。
6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述介电材料是压电材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述压电材料是压电聚合物。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯(PVDF)，聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，尼龙-7，尼龙-6，尼龙-11，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)，聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，聚(双环丁腈)，聚乳酸，聚(乙交酯)，胶原蛋白，聚谷氨酸甲酯，聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质，壳聚糖及其组合。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述压电材料是压电陶瓷材料。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中，通过穿过所述膜应用大约500伏至大约2500伏的电势差将电场应用在所述介电材料上。
11.根据权利要求1-10任一项所述的方法，其中，在所述介电材料上应用电场大约30分钟至大约8小时之间。
12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其中，当应用电场时，将包含介电材料的膜加热至大约80℃至大约150℃的温度。
13.一种用于制备包含介电材料的膜的方法，该方法包括在制造膜的过程中，加热所述膜并在膜平面外的方向将电场应用到至少部分的介电材料上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在应用电场后，膜中至少部分的介电材料在膜平面外的方向保持对齐。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中在大体上垂直于膜平面的方向应用电场。
16.根据权利要求13-15任一项所述的方法，其中所述介电材料是介电聚合物。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述介电材料选自聚偏氟乙烯，聚砜，聚醚砜，尼龙，聚丙烯，聚酯，醋酸纤维素，聚碳酸酯，聚四氟乙烯，聚酰胺，薄膜聚酰胺，复合聚酰胺及其组合。
18.根据权利要求13-15任一项所述的方法，其中所述介电材料是压电材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述压电材料是压电聚合物。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯(PVDF)，聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，尼龙-7，尼龙-6，尼龙-11，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)，聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，聚(双环丁腈)，聚乳酸，聚(乙交酯)，胶原蛋白，聚谷氨酸甲酯，聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质，壳聚糖及其组合。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述压电材料是压电陶瓷材料。
22.根据权利要求13-21任一项所述的方法，其中通过穿过所述膜应用大约500伏至大约2500伏的电势差，在制造所述膜的过程中将电场应用在介电材料上。
23.根据权利要求13-22任一项所述的方法，其中在膜的制造过程中，在介电材料上应用电场大约30分钟至大约8小时之间。
24.根据权利要求13-23任一项所述的方法，其中当在制备所述膜的过程中应用电场时，将包含介电材料的膜加热至大约80℃至大约150℃的温度。
25.一种用于制备包含极化压电材料的膜的方法，该方法包括在膜平面外的方向极化膜中至少部分的压电材料。
26.根据权利要求25所述的方法，其中膜中至少部分的压电材料在大体上垂直于膜平面的方向被极化。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述膜包括压电聚合物。
28.根据权利要求25-27任一项所述的方法，其中所述压电材料是压电聚合物，所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯(PVDF)，聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，尼龙-7，尼龙-6，尼龙-11，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)，聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，聚(双环丁腈)，聚乳酸，聚(乙交酯)，胶原蛋白，聚谷氨酸甲酯，聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质，壳聚糖及其组合。
29.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述膜包括压电陶瓷材料。
30.一种包含介电材料的膜，其中至少部分的介电材料在膜平面外的方向是对齐的。
31.一种包含介电材料的膜，其中至少部分的介电材料在大体上垂直于膜平面的方向是对齐的。
32.一种膜，其中至少部分膜是具有极化方向的压电体，从而将电信号应用到该膜上引起膜平面外的运动。
33.一种膜，其中至少部分膜是具有大体上垂直于膜平面的极化方向的压电体。
34.根据权利要求30-33任一项所述的膜，其中所述膜包含压电聚合物。
35.根据权利要求34所述的膜，其中所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯(PVDF)，聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，尼龙-7，尼龙-6，尼龙-11，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)，聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，聚(双环丁腈)，聚乳酸，聚(乙交酯)，胶原蛋白，聚谷氨酸甲酯，聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质，壳聚糖及其组合。
36.根据权利要求30-33任一项所述的膜，其中所述膜包含压电陶瓷材料。
37.根据权利要求30-36任一项所述的膜，其中至少部分膜是压电体并且其他部分膜不是压电体。
38.一种用于从流体中分离一种或多种成分的膜分离系统，该系统包括：
将流体流入区域和流体流出区域分开的膜，其中至少部分膜包含介电材料，并且其中，至少部分介电材料在膜平面外的方向是对齐的。
39.根据权利要求38所述的膜分离系统，其中所述介电材料在大体上垂直于膜平面的方向上对齐。
40.根据权利要求38或39所述的膜分离系统，其中所述介电材料是具有极化方向的压电材料，从而电信号被应用在该膜上引起膜平面外的运动。
41.根据权利要求40所述的膜分离系统，其中所述压电材料包含压电聚合物。
42.根据权利要求41所述的膜分离系统，其中所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯(PVDF)，聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，尼龙-7，尼龙-6，尼龙-11，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)，聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，聚(双环丁腈)，聚乳酸，聚(乙交酯)，胶原蛋白，聚谷氨酸甲酯，聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质，壳聚糖及其组合。
43.根据权利要求40所述的膜分离系统，其中所述压电材料包含压电陶瓷材料。
44.根据权利要求40-43任一项所述的膜分离系统，进一步包括电极，该电极适于为至少部分的膜的压电部分提供电信号，从而由所述电极提供的交变电信号引起膜的压电部分交替地扩张和收缩。
45.一种用于将一种或多种成分从流体中分离出来的装置，包括：
(a)将流入区域和流出区域分开的膜，其中，至少部分的膜包括介电材料，并且其中至少部分的介电材料在膜平面外的方向是对齐的；
(b)流体入口，用于将流体引入至流入区域。
(c)滞留物出口，用于移除从流入区域出来的滞留物；和
(d)渗透液出口，用于移除从流出区域出来的渗透液。
46.根据权利要求45所述的装置，其中所述介电材料在大体上垂直于膜平面的方向是对齐的。
47.根据权利要求45或46所述的装置，其中所述介电材料是具有极化方向的压电材料，从而将电信号应用到该膜上引起膜平面外的运动。
48.根据权利要求47所述的装置，其中所述压电材料包含压电聚合物。
49.根据权利要求48所述的装置，其中所述压电聚合物选自聚偏氟乙烯(PVDF)，聚(亚乙烯基-三氟乙烯)，尼龙-7，尼龙-6，尼龙-11，聚(氯乙烯)，聚(丙烯腈)，聚(醋酸乙烯酯)，聚(双氰亚乙烯-醋酸乙烯酯)，双氰亚乙烯共聚物，聚(芳醚腈)，聚(双环丁腈)，聚乳酸，聚(乙交酯)，胶原蛋白，聚谷氨酸甲酯，聚谷氨酸苄酯，脱氧核糖核酸，几丁质，壳聚糖及其组合。
50.根据权利要求47所述的装置，其中所述压电材料包含压电陶瓷材料。
51.根据权利要求47-50任一项所述的装置，进一步包括电极，所述电极适于为至少部分的膜的压电部分提供电信号，从而由所述电极所提供的交变电信号引起膜的压电部分交替地扩张和收缩。
52.根据权利要求51所述的装置，进一步包括电源，为所述电极提供交变电信号。
53.根据权利要求45-52任一项所述的装置，其中所述流体入口适于将流体引入到流入区域，使得流体横向流过膜的表面。
54.根据权利要求45-53任一项所述的装置，包括多层膜，每层膜通过设定了流入和流出区域的沟槽分开。
55.根据权利要求45-53任一项所述的装置，包括一个或多个膜，缠绕在中心轴上以设定螺旋卷式膜组件，每层膜通过设定了流入和流出区域的沟槽分开。
56.根据权利要求54或55所述的装置，其中在沟槽内提供电极，所述电极适于提供穿过至少部分的膜的压电部分的电信号。
57.一种装置，包括根据权利要求30-37任一项所述的膜或通过权利要求1-29任一项所述方法形成的膜。
CN201080062368.0A 2009-11-25 2010-11-25 膜及膜分离系统 Expired - Fee Related CN102781558B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2009905768A AU2009905768A0 (en) 2009-11-25 Membrane and Membrane Separation System
AU2009905768 2009-11-25
PCT/AU2010/001582 WO2011063458A1 (en) 2009-11-25 2010-11-25 Membrane and membrane separation system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102781558A true CN102781558A (zh) 2012-11-14
CN102781558B CN102781558B (zh) 2015-06-24

Family

ID=44065737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080062368.0A Expired - Fee Related CN102781558B (zh) 2009-11-25 2010-11-25 膜及膜分离系统

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9901881B2 (zh)
EP (1) EP2504082A4 (zh)
CN (1) CN102781558B (zh)
AU (1) AU2010324532B2 (zh)
WO (1) WO2011063458A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016019880A1 (zh) * 2014-08-06 2016-02-11 艾欧史密斯（南京）水处理产品有限公司 一种膜元件、使用该膜元件的装置及水处理方法
CN105504077A (zh) * 2015-12-11 2016-04-20 苏州泽达兴邦医药科技有限公司 烟草多糖的集成化制备方法
CN106040005A (zh) * 2016-07-13 2016-10-26 四川民生管业有限责任公司 长效卷式膜组件
CN106422778A (zh) * 2016-06-28 2017-02-22 川源(中国)机械有限公司 压电薄膜过滤装置
CN109260966A (zh) * 2018-10-11 2019-01-25 上海舆成新材料科技有限公司 一种铸膜液及利用其制备聚偏氟乙烯超滤膜的方法

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9475709B2 (en) 2010-08-25 2016-10-25 Lockheed Martin Corporation Perforated graphene deionization or desalination
FR2980982B1 (fr) 2011-10-07 2014-10-24 Commissariat Energie Atomique Dispositif comprenant un materiau composite presentant des nanotubes soumis a un champ electrique et ses utilisations
US9028663B2 (en) 2012-03-21 2015-05-12 Lockheed Martin Corporation Molecular separation device
US9095823B2 (en) * 2012-03-29 2015-08-04 Lockheed Martin Corporation Tunable layered membrane configuration for filtration and selective isolation and recovery devices
US9463421B2 (en) * 2012-03-29 2016-10-11 Lockheed Martin Corporation Planar filtration and selective isolation and recovery device
KR102065745B1 (ko) 2012-05-07 2020-01-14 유니버시티 오브 오타와 고체상 나노포어의 크기를 조절하는 방법
US9870895B2 (en) 2014-01-31 2018-01-16 Lockheed Martin Corporation Methods for perforating two-dimensional materials using a broad ion field
US9834809B2 (en) 2014-02-28 2017-12-05 Lockheed Martin Corporation Syringe for obtaining nano-sized materials for selective assays and related methods of use
US9744617B2 (en) 2014-01-31 2017-08-29 Lockheed Martin Corporation Methods for perforating multi-layer graphene through ion bombardment
US10653824B2 (en) 2012-05-25 2020-05-19 Lockheed Martin Corporation Two-dimensional materials and uses thereof
US9610546B2 (en) 2014-03-12 2017-04-04 Lockheed Martin Corporation Separation membranes formed from perforated graphene and methods for use thereof
US20150251141A1 (en) * 2012-11-05 2015-09-10 University Of Washington Through Its Center For Commercialization Apparatuses and Methods for Preventing Fouling and Scaling Using Ultrasonic Vibrations
US9885031B2 (en) 2013-02-05 2018-02-06 Ohio State Innovation Foundation Galvanotaxis assay for quantitative assessment of the metastatic potential of cancer cells
WO2014123949A1 (en) 2013-02-05 2014-08-14 Ohio State Innovation Foundation A non-contact method for accelerating wound healing
US9809810B2 (en) 2013-02-05 2017-11-07 Ohio State Innovation Foundation Galvanotaxis assay for quantitative assessment of the metastatic potential of cancer cells
TW201504140A (zh) 2013-03-12 2015-02-01 Lockheed Corp 形成具有均勻孔尺寸之多孔石墨烯之方法
US9572918B2 (en) 2013-06-21 2017-02-21 Lockheed Martin Corporation Graphene-based filter for isolating a substance from blood
WO2015116857A2 (en) 2014-01-31 2015-08-06 Lockheed Martin Corporation Processes for forming composite structures with a two-dimensional material using a porous, non-sacrificial supporting layer
CN106232205A (zh) 2014-03-12 2016-12-14 洛克希德马丁公司 由有孔石墨烯形成的分离膜
MX2017002738A (es) 2014-09-02 2017-08-02 Lockheed Corp Membranas de hemodialisis y hemofiltracion basadas en un material de membrana bidimensional y metodos que emplean las mismas.
CA2994549A1 (en) 2015-08-05 2017-02-09 Lockheed Martin Corporation Perforatable sheets of graphene-based material
WO2017023377A1 (en) 2015-08-06 2017-02-09 Lockheed Martin Corporation Nanoparticle modification and perforation of graphene
KR20190019907A (ko) 2016-04-14 2019-02-27 록히드 마틴 코포레이션 자유-플로팅 방법을 사용한 대규모 이송을 위한 그래핀 시트 취급 방법
JP2019521055A (ja) 2016-04-14 2019-07-25 ロッキード・マーチン・コーポレーション グラフェン欠陥の選択的界面緩和
WO2017180134A1 (en) 2016-04-14 2017-10-19 Lockheed Martin Corporation Methods for in vivo and in vitro use of graphene and other two-dimensional materials
WO2017180135A1 (en) 2016-04-14 2017-10-19 Lockheed Martin Corporation Membranes with tunable selectivity
WO2017180133A1 (en) 2016-04-14 2017-10-19 Lockheed Martin Corporation Methods for in situ monitoring and control of defect formation or healing
CA3020874A1 (en) 2016-04-14 2017-10-19 Lockheed Martin Corporation Two-dimensional membrane structures having flow passages
JP2020520804A (ja) * 2017-05-11 2020-07-16 シーエムエス インタレスツ プロプライアタリー リミテッド 膜モジュールの監視
KR102064074B1 (ko) 2018-05-23 2020-01-09 한국과학기술연구원 수처리용 분리막과 이의 제조방법
US11617816B2 (en) 2018-07-05 2023-04-04 New Jersey Institute Of Technology System and method for a piezoelectric collagen scaffold
US11845041B2 (en) 2018-10-31 2023-12-19 Research Triangle Institute Electrically conductive membrane assembly and related systems and methods
KR102344099B1 (ko) * 2021-01-12 2021-12-29 울산과학기술원 고분자 필름 및 이의 제조 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479007B1 (en) * 1999-09-16 2002-11-12 University Technology Corporation Apparatus and method for controlling pore size in polymeric membranes and thin films
US20030075044A1 (en) * 2000-06-02 2003-04-24 Nissan Chemical Industries, Ltd. Method for controlling membrane permeability by microwave and method for producing organic separation membrane
US20080176965A1 (en) * 2007-01-23 2008-07-24 Gm Global Technology Operations, Inc. Enhancing proton conductivity of proton exchange membranes

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4241128A (en) * 1979-03-20 1980-12-23 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Production of piezoelectric PVDF films
GB8514899D0 (en) * 1985-06-12 1985-07-17 Health Lab Service Board Filters
DE3524799A1 (de) * 1985-07-11 1987-01-22 Siemens Ag Verfahren zur herstellung einer vergueteten oberflaechenschicht und nach diesem verfahren hergestellte molekularsiebmembrane
US4867881A (en) * 1987-09-14 1989-09-19 Minnesota Minning And Manufacturing Company Orientied microporous film
GB8828949D0 (en) * 1988-12-12 1989-01-25 Health Lab Service Board Filtering apparatus
JPH04104821A (ja) * 1990-08-24 1992-04-07 Nitto Denko Corp 配向された高性能耐汚染性膜
JPH07498A (ja) 1993-06-02 1995-01-06 Uchida Yasunari 骨誘導材
US5552656A (en) 1995-08-07 1996-09-03 Ocean Power Technologies, Inc. Self-powered anti-fouling device for watercraft
JPH107832A (ja) * 1996-04-26 1998-01-13 Mitsui Petrochem Ind Ltd 高強度ポリプロピレン多孔フィルム及びその製造方法
JP2000229226A (ja) * 1999-02-08 2000-08-22 Japan Organo Co Ltd 液体用膜分離装置
US6676993B2 (en) * 1999-02-12 2004-01-13 Bha Technologies, Inc. Porous membrane structure and method
US6878294B2 (en) * 2000-07-06 2005-04-12 Nitto Denko Corporation Running method and treatment system for spiral wound membrane element and spiral wound membrane module
KR100841141B1 (ko) * 2000-09-21 2008-06-24 캠브리지 세미컨덕터 리미티드 반도체 장치 및 반도체 장치의 형성 방법
KR20040092332A (ko) * 2003-04-23 2004-11-03 박권필 폴링에 의한 고분자전해질연료전지용 고분자막의이온전도도 향상
US7338692B2 (en) * 2003-09-12 2008-03-04 3M Innovative Properties Company Microporous PVDF films
JP4297831B2 (ja) 2004-04-28 2009-07-15 独立行政法人科学技術振興機構 配向の制御されたミクロ相分離構造膜の製法
US20060102467A1 (en) * 2004-11-15 2006-05-18 Harald Herchen Current collimation for thin seed and direct plating
TWI305966B (en) 2004-11-30 2009-02-01 Univ Yuan Ze Using electric field to control the microstructure of perfluorosulfonic acid membrane and reduce the methanol crossover
US8079574B2 (en) * 2007-05-16 2011-12-20 ZenPure Corp. Membrane based contactor module for mass and heat transfer
US10092881B2 (en) * 2008-01-25 2018-10-09 Bha Altair, Llc Permanent hydrophilic porous coatings and methods of making them

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479007B1 (en) * 1999-09-16 2002-11-12 University Technology Corporation Apparatus and method for controlling pore size in polymeric membranes and thin films
US20030075044A1 (en) * 2000-06-02 2003-04-24 Nissan Chemical Industries, Ltd. Method for controlling membrane permeability by microwave and method for producing organic separation membrane
US20080176965A1 (en) * 2007-01-23 2008-07-24 Gm Global Technology Operations, Inc. Enhancing proton conductivity of proton exchange membranes

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016019880A1 (zh) * 2014-08-06 2016-02-11 艾欧史密斯（南京）水处理产品有限公司 一种膜元件、使用该膜元件的装置及水处理方法
CN105504077A (zh) * 2015-12-11 2016-04-20 苏州泽达兴邦医药科技有限公司 烟草多糖的集成化制备方法
CN106422778A (zh) * 2016-06-28 2017-02-22 川源(中国)机械有限公司 压电薄膜过滤装置
CN106040005A (zh) * 2016-07-13 2016-10-26 四川民生管业有限责任公司 长效卷式膜组件
CN109260966A (zh) * 2018-10-11 2019-01-25 上海舆成新材料科技有限公司 一种铸膜液及利用其制备聚偏氟乙烯超滤膜的方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2504082A1 (en) 2012-10-03
EP2504082A4 (en) 2016-11-09
US20130026088A1 (en) 2013-01-31
US9901881B2 (en) 2018-02-27
CN102781558B (zh) 2015-06-24
WO2011063458A1 (en) 2011-06-03
AU2010324532B2 (en) 2015-02-26
AU2010324532A1 (en) 2012-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102781558B (zh) 膜及膜分离系统
Bae et al. Efficacy of piezoelectric electrospun nanofiber membrane for water treatment
US9745569B2 (en) System for generating high concentration factors for low cell density suspensions
CN112044720B (zh) 非平面和非对称压电晶体及反射器
CN108093625B (zh) 对驻波场中颗粒的声学操控
EP0225906B1 (en) Improvements in filters
Coster et al. Production and characterization of piezo-electric membranes
Krinks et al. Piezoceramic membrane with built-in ultrasonic defouling
JP2017515669A (ja) 圧電要素変換器アレイを伴う音響泳動デバイス
Chen et al. A self-cleaning piezoelectric PVDF membrane system for filtration of kaolin suspension
CN105358238A (zh) 多通道膜
KR20150005624A (ko) 적혈구로부터의 지지 파티클의 음향영동 분리
Gao et al. One-step sintering for anti-fouling piezoelectric α-quartz and thin layer of alumina membrane
KR20170042560A (ko) 역침투막 장치 및 그 운전 방법
Darestani et al. Effect of poling time on filtration properties of PVDF membranes treated in intense electric fields
Tan et al. Antifouling BaTiO3/PVDF piezoelectric membrane for ultrafiltration of oily bilge water
KR102312961B1 (ko) 막오염 저감용 압전성 멤브레인 및 이의 제조방법
JPS58159811A (ja) 液体分離における膜付着物質の除去方法
JP6149489B2 (ja) 逆浸透膜装置の運転方法
KR20160053087A (ko) 압전 에너지를 이용한 세포 용해 방법 및 장치
JP2000229226A (ja) 液体用膜分離装置
RU86888U1 (ru) Асимметричная мембрана
Su Development of Anti-fouling Piezoelectric Polyvinylidene Fluoride Membrane
Stillwell et al. Low pressure microfilter design aspects and filtration performance
KR20170135800A (ko) 압전 에너지를 이용한 세포 용해 방법 및 장치

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20170405

Address after: New South Wales Australia

Patentee after: CMS innovation Private Ltd.

Address before: New South Wales Australia

Patentee before: Hans Coster

Patentee before: Maria Darestani

Effective date of registration: 20170405

Address after: New South Wales Australia

Patentee after: Hans Coster

Patentee after: Maria Darestani

Address before: New South Wales Australia

Patentee before: THE University OF SYDNEY

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150624

Termination date: 20191125