CN102802772B - 使碳纳米管并入薄膜复合反渗透膜的方法和系统 - Google Patents
使碳纳米管并入薄膜复合反渗透膜的方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102802772B CN102802772B CN201080027438.9A CN201080027438A CN102802772B CN 102802772 B CN102802772 B CN 102802772B CN 201080027438 A CN201080027438 A CN 201080027438A CN 102802772 B CN102802772 B CN 102802772B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- cnt
- selective membrane
- thin layer
- structural support
- 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.)
- Active
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 79
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 109
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 40
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000012044 organic layer Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 27
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 claims description 25
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 9
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 9
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 7
- 125000002723 alicyclic group Chemical group 0.000 claims description 6
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 claims description 6
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- -1 amine compound Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000012695 Interfacial polymerization Methods 0.000 claims description 3
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 57
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 10
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 8
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 6
- 239000002011 CNT10 Substances 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 4
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 2
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 description 1
- 229920002301 cellulose acetate Polymers 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229920001688 coating polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002328 demineralizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011026 diafiltration Methods 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/02—Inorganic material
- B01D71/021—Carbon
- B01D71/0212—Carbon nanotubes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/02—Inorganic material
- B01D71/021—Carbon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
- B01D61/025—Reverse osmosis; Hyperfiltration
-
- 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
- B01D67/0079—Manufacture of membranes comprising organic and inorganic components
-
- 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
- B01D67/0079—Manufacture of membranes comprising organic and inorganic components
- B01D67/00791—Different components in separate layers
-
- 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
- B01D69/12—Composite membranes; Ultra-thin membranes
-
- 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
- B01D69/12—Composite membranes; Ultra-thin membranes
- B01D69/1216—Three or more layers
-
- 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
- B01D69/12—Composite membranes; Ultra-thin membranes
- B01D69/125—In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction
-
- 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
- B01D69/12—Composite membranes; Ultra-thin membranes
- B01D69/125—In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction
- B01D69/1251—In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction by interfacial polymerisation
-
- 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
- B01D69/14—Dynamic membranes
- B01D69/141—Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
- B01D69/148—Organic/inorganic mixed matrix membranes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/06—Organic material
- B01D71/56—Polyamides, e.g. polyester-amides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明描述一种制造反渗透膜的方法。该方法包括在两种液体的分界面对齐多个碳纳米管，第一液体是水层，并且第二层是不可混溶到水层的有机层，在两种液体分界面对齐的碳纳米管周围形成薄层选择性膜，并使薄层选择性膜/碳纳米管复合物联结到结构支撑层上。
Description
技术领域
本公开的领域一般涉及反渗透技术，并更特定涉及使碳纳米管并入薄膜复合反渗透膜的方法和系统。
背景技术
反渗透的概念，或对选择性膜向溶液施压同时在压力下从溶质分离溶剂的行为存在多年。通过制造基于醋酸纤维素的不对称膜首先使该技术可能并实用。从此时起，反渗透膜发展从而容忍宽范围的pH、温度和暴露于粗糙的化学药品。
到目前为止反渗透的大多数普通应用在于水的脱盐和净化，特别是海水和源自微咸水源的水。包括在普通反渗透系统中的组分是直截了当的，并包括进料源、预处理过滤器、生成静水压的泵送系统，以及反渗透分离膜单元自身。尽管通常的反渗透膜可为许多离子种类表明超过99％的截流率，但该高选择性付出代价。需要跨膜的高压，并且这样压力的生成需要巨大能量输入反渗透系统。
普通反渗透膜通过制造非常致密的薄聚合物膜来生产，该聚合物膜充当进料源中溶质的选择性屏障。这些膜的制造技术由两个主要策略构成。两个策略都包括不对称膜结构的形成，其中薄致密选择性层邻近向整个膜提供结构完整性的更厚、更多孔的膜。
有时称为不对称反渗透膜的第一类膜使用单聚合物系，并依赖沉淀或涂覆溶解在溶剂中的聚合物膜，并随后使聚合物膜暴露于非溶剂层的倒相技术。最靠近界面的膜区迅速沉淀材料的薄层，同时下伏层产生更开放的多孔网络。
第二方法依赖共同称为薄膜复合膜的两个分离的聚合物系。该第二方法利用膜的薄选择部分和下结构层的分离产生以及机制，使该膜的薄选择部分和下结构层结合为多层复合物。尽管这是比单组分不对称膜更复杂的途径，但其通过选择最优适合整个膜中需要的选择性渗透和结构性作用的系统，在设计整个膜性能中供应更大灵活性。
在反渗透膜中选择性的机制源自水分子渗滤通过聚合物链之间空隙空间。当前的反渗透膜完全由聚合物材料组成，并且没有可辨别的毛孔结构，并且结果是能够排斥通过水进料承载的离子和其它溶剂。通过强制水分子通过聚合物链之间的孔隙空间，产生水从溶质和杂质分离。然而，毛孔微结构的缺乏需要跨膜的巨大机械压力克服摩擦阻力，从而流动并产生适当流速。该高压需要巨大能量输入并且一般是反渗透膜的特性。减少压力和能量需求，并改善跨膜流速而维持选择性的机制直接影响应用反渗透膜到更宽范围应用的成本和经济可行性。
对齐碳纳米管(alignedcarbonnanotubes)并入聚合物膜通过对齐膜的化学气相淀积(CVD)生长执行。通过旋涂聚合物溶液到碳纳米管阵列上，这些对齐碳纳米管由聚合物基体围绕。然而，这些技术包括昂贵、耗时并且不容易可扩展的工艺。使用CVD使对齐碳纳米管的膜生长到衬底上包括用离子的薄层涂覆衬底例如硅或阳极氧化铝。紧接着加热，离子分离进入为碳纳米管声场充当成核点的岛状物的均匀阵列。碳源例如乙烷然后引入腔室，并且碳纳米管从表面向上生长，创造稠密的对齐阵列。该阵列可然后通过旋涂技术和从衬底去除的整个复合膜包入聚合物膜。尽管这些技术能够使碳纳米管的稠密层嵌入聚合物膜，但围绕的膜材料不必需如同传统反渗透膜一样对水选择性。
同时，使非对齐碳纳米管并入膜描述为提供超过不合并碳纳米管的膜的改善性能。不幸地，含有非对齐碳纳米管的膜的厚度和多孔性使其不适合应用，例如海水脱盐。
近来报道在有机/水界面装配碳纳米管的技术的描述。简要地，碳纳米管首先在乙醇中分散。该溶液然后用水稀释，继之以添加己烷，从而创造有机液体/水界面。以受控制速率向该混合物添加乙醇引导碳纳米管在有机液体/水界面装配进入薄膜。
发明内容
在一个方面中，提供制造反渗透膜的方法。该方法包括使多个碳纳米管在两种液体的界面对齐，第一液体是水层，并且第二层是不可混溶到水层的有机层，在两种液体分界面的对齐碳纳米管周围形成薄层选择性膜，并使薄层选择性膜/碳纳米管复合物联结到结构支撑层上。
在另一方面中，向反渗透膜提供包括多个对齐碳纳米管、在对齐碳纳米管周围形成的薄层选择性膜，以及与所述薄层选择性膜联结的微孔支撑结构。
在另一方面中，提供制造反渗透膜的方法。该方法包括在第一溶液内悬浮碳纳米管，以受控制速率添加组分到第一溶液以使碳纳米管在第一溶液和第二溶液之间的界面对齐，并添加至少一种组分到第一溶液以及添加至少一种组分到第二溶液，由此导致薄层选择性膜在第一溶液和第二溶液之间的界面并在对齐碳纳米管附近形成。芳香族、脂肪族或脂环族多官能胺可添加进入稀释的醇基溶液，并且芳香族、脂肪族或脂环族多官能化合物可添加到第二溶液。该方法可进一步包括联结微孔支撑结构到薄层选择性膜。
讨论的特征、功能和优点在各种实施例中独立实现，或可在其它实施例中结合实现，该实施例的进一步详情参考下面描述和附图可见。
附图说明
图1是单碳纳米管的图示。
图2是图解合并碳纳米管的复合反渗透膜制造工艺的流程图。
图3示出碳纳米管在乙醇溶液内悬浮。
图4图解图3的乙醇溶液通过添加水稀释从而形成水和乙醇混合物。
图5图解布置在背衬构件上并放置在稀释的乙醇溶液中的微孔支撑膜。
图6图解与水不混溶的有机溶剂层添加到稀释的乙醇和水溶液从而形成液体-液体界面。
图7图解另外的乙醇受控制添加到稀释的乙醇溶液，导致碳纳米管在液体-液体界面对齐。
图8图解装配的碳纳米管层。
图9图解多官能胺组分添加到稀释的乙醇溶液和多官能胺反应组分添加到有机层。
图10图解在液体-液体界面自发聚合从而形成包裹先前装配的碳纳米管180的薄膜。
图11图解薄层膜/碳纳米管复合物传递到经配置为该复合物提供结构支撑的微孔支撑膜上。
图12示出薄层膜/碳纳米管复合物层压到微孔支撑膜。
图13是在反渗透膜内悬浮的对齐碳纳米管的图示。
具体实施方式
公开的实施例涉及使碳纳米管并入传统反渗透膜。碳纳米管通过膜产生为水分子提供低阻力路径，同时也禁止离子组分和杂质经过的通道。该流动的阻力减少导致跨膜需要的更低压力，该更低压力直接涉及使用这些膜净化水必需的能量需求。
更特定地，碳纳米管棒在具有相似于传统反渗透膜的成分的聚合物膜中悬浮，确保围绕的聚合物材料保持在当前使用的反渗透膜中发现的分离和选择性。如在此进一步描述，用来使碳纳米管集中和对齐的制造工艺基于碳纳米管在液体-液体界面的装配。结果，生成的复合膜能够在较少时间中产生，更可扩展，并相比当前化学汽相淀积法更便宜。描述的实施例顾及以通过反渗透膜技术水净化的有效经济解决方案商业化需要的提高规模生产巨大膜。
现在参考附图，图1是单碳纳米管10的图示。碳纳米管10具有延长的管状结构，该管状结构包括延伸纳米管10长度的开孔12。碳纳米管10实际上非常小。在碳纳米管10内的开孔12具有其允许水分子经过而堵塞更大分子和离子，例如可在海水或另一含盐水源内悬浮的更大分子和离子经过的尺寸。
图2是描述合并碳纳米管的复合反渗透膜制造的流程图50。如在此进一步描述，膜结构包括碳纳米管从而减少流阻并减少能量输入，同时制造技术使碳纳米管有效纳入膜。在一个实施例中，复合反渗透膜包括半透薄膜和微孔结构支撑，其中半透薄膜或膜拥有碳纳米管。
参考图2，工艺包括在液体-液体界面装配52多个对齐碳纳米管，然后在液体-液体界面的碳纳米管周围原位形成54薄层选择性膜。通过从液体-液体界面转移薄层膜/碳纳米管复合物，并层压或联结58薄层膜/碳纳米管复合物到下伏结构支撑层，该工艺结束。
在可替换方法中，薄层选择性膜可使用界面技术形成。在该工艺中，多孔结构支撑层通常通过浸涂技术首先用多官能胺涂覆。多官能胺可在分离步骤中引入水层。涂覆的支撑层然后从水/乙醇层穿过含有对齐碳纳米管的液体-液体界面，并进入不可混溶的有机层。该有机层包括多官能胺反应组分，以便形成薄层膜从而封装碳纳米管并使其联结到下伏支撑。
在图2中描述的各种步骤在下面段落和伴随这些段落的附图中更完全描述。例如，为在液体-液体界面装配碳纳米管，碳纳米管在包含有机层和含水的(水)层的液体-液体界面初始装配。该溶液和液体-液体界面通过使碳纳米管悬浮进入乙醇溶液100来制备，如在图3中示出。应注意其它醇也可利用，例如甲醇、异丙醇或可取代乙醇的其它醇。图4图解乙醇溶液100通过添加水110稀释从而形成水和乙醇混合物120。稀释的醇溶液例如水和乙醇混合物120可有时在此称为水层。
现在参考图5，微孔支撑膜130(在一个实施例中的聚砜)布置在背衬材料140例如多单元泡沫上，并放置在水和乙醇混合物120内。水和乙醇混合物120可称为含水的碳纳米管悬浮，或水层。有机溶剂或有机层150添加到含水的碳纳米管悬浮120上在图6中图解，该添加形成液体-液体界面154。在一个实施例中，液体-液体界面称为有机-水界面。液体-液体界面154形成为不可关于水和乙醇溶液混溶的有机层150。
图7图解另外的乙醇160受控制添加到水和乙醇混合物120，该添加导致碳纳米管10在液体-液体界面154对齐，由此形成装配的碳纳米管层180，如在图8中图解。
如上面描述，接下来的步骤关于在液体-液体界面154的对齐碳纳米管180周围原位形成薄层选择性膜。在一个实施例中，在图9和10中图解的薄膜制造确保装配的碳纳米管层180利用界面技术执行。特定参考图9，水层(水和乙醇混合物120)用多官能胺组分200注射，并且有机层150用多官能胺反应组分210注射。胺组分200拥有至少两个主氨基，并可从芳香族、脂肪族和脂环族多官能胺构成的集合中选择。氨基反应组分210拥有至少两个氨基反应基。优选的氨基反应官能团包括酸性卤化物，以及从芳香族、脂肪族和脂环族多官能化合物构成的集合中选择的至少一种胺反应化合物。
选择的反应组分在液体-液体界面154自发聚合从而形成包裹先前装配的碳纳米管180的薄膜230，如在图10中示出。薄膜230在此也称为薄层膜/碳纳米管复合物230。图11和12图解薄层膜/碳纳米管复合物230转移和联结到微孔支撑膜130的下伏结构支撑层上。
特定地，薄层膜/碳纳米管复合物230在液体-液体界面154形成之后，必需转移薄层膜/碳纳米管复合物230到微孔支撑层130。在一个实施例中，该转移使用界面聚合方案实现，从而使薄层膜/碳纳米管复合物23层压或联结到微孔支撑层130。
如上面描述，在引入水层(水和乙醇混合物120)之后但在添加多官能胺组分200之前，通过背衬材料140支撑的微孔支撑130降低进入稀释的乙醇溶液120。薄层膜/碳纳米管复合物230在液体-液体界面154原位形成之后，微孔支撑130缓慢升高从而获得在液体-液体界面154与薄层膜/碳纳米管复合物230接触，如在图11中示出。现在参考图12，结合的微孔支撑130和薄层膜/碳纳米管复合物230然后升高进入有机层150，并保持在那里直到充足时间过去，从而通过酸性卤化物种类与残留二胺化合物的反应使两个层(130和230)界面联结在一起。该装配然后从有机层150转移，清洗并从多单元泡沫的固体背衬140去除。
图13是图解在其中悬浮的多个对齐碳纳米管10的薄层膜/碳纳米管复合物230的图示。复合物230的膜结构可操作从而减少流阻和能量输入，同时在上面描述的制造技术使碳纳米管材料有效并入反渗透膜。
可替换并且如上面描述，合并对齐碳纳米管(复合物230)的薄层选择性膜可使用修改的界面技术形成。该技术包括通过浸涂进入胺溶液首先用多官能胺涂覆多孔支撑130，并然后干燥支撑130。导致的胺涂覆的多孔支撑可然后放置在水/乙醇层120内，穿过含有对齐碳纳米管180的液体-液体界面154，并进入包括多官能胺反应化合物的有机层150。在一个实施例中该胺反应化合物是多官能酸性卤化物种类。多孔支撑层130通过液体-液体界面154并进入反应有机层150的转移使在支撑表面的薄层选择性膜聚合，该膜有效合并在液体-液体界面154对齐的多个碳纳米管10。
碳纳米管并入传统反渗透膜产生通过膜的通道，该通道允许水分子的低阻路径，但禁止水源内的离子组分和其它杂质经过。流动的阻力减少导致跨膜需要的更低压力，并因此减少导致流动通过膜需要的能量的量。这样的配置向碳纳米管的有效组织和固结提供路线以便并入薄选择性反渗透水净化膜。
总之，实施例描述在界面使碳纳米管对齐，并产生在液体-液体界面原位包裹碳纳米管的薄半透聚合膜的结合。在此描述的结合向水净化的可渗透选择性膜提供路线，该膜由能够净化水的聚合物基体围绕的碳纳米管组成。由于实施例能够用更低能耗净化海水和其它原料，因此实施例是可区别的。更低能耗由与当前膜技术相比需要的更低摩擦损失和机械压需求引起。通过在液体-液体界面使碳纳米管有效集中和对齐，描述的实施例能够相比相似的装载碳纳米管膜以更大规模和更低成本容易生产。通过碳纳米管在液体-液体界面固结，可渗透且选择性的聚合物膜然后能够通过界面聚合在碳纳米管周围原位形成。这样的薄膜复合选择性膜主要在海水和含盐水转化为可饮用形式中有用。
如可从本公开了解，描述实施例的一个主要目的是海水和其它含盐水净化为可饮用水。用于水净化的这些新选择性膜超过当前技术的性能改善包括1)膜和围绕的水净化单元提高的能量效率，以及2)降低的制造成本和关于膜生产的可扩展性。
本书面描述使用例子公开各种实施例，从而使本领域技术人员能够实践这些实施例，包括制作和使用任何器件或系统以及执行任何合并的方法。专利范畴通过权利要求定义，并可包括发生到本领域技术人员的其它例子。
Claims (12)
1.一种制造反渗透膜的方法，所述方法包含：
使多个碳纳米管(10)在两种液体的界面(154)对齐，第一层是水层(120)，并且第二层是不可混溶到所述水层(120)的有机层(150)；
在对齐的碳纳米管(180)周围形成薄层选择性膜；以及
使薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)联结到结构支撑层(130)上，其中在两种液体的界面对齐多个碳纳米管包含：
使所述碳纳米管(10)在醇基溶液内悬浮；
用水稀释所述醇基溶液从而形成水层(120)；
添加不可混溶进入所述水层(120)的有机层(150)，从而形成液体-液体界面(154)；以及
以受控制速率添加另外的醇到所述水层(120)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中联结所述薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)包含在添加所述有机层(150)之前放置结构支撑层(130)到所述水层(120)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中放置结构支撑层(130)到所述水层(120)中包含布置所述结构支撑层(130)到背衬材料(140)上。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述两种液体的所述界面的所述对齐的碳纳米管周围形成薄层选择性膜包含：
注射多官能胺组分(200)进入所述水层(120)；以及
注射多官能胺反应组分(210)进入所述有机层(150)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中注射多官能胺组分(200)进入所述水层(120)包含注射至少一种芳香族、脂肪族或脂环族多官能胺进入所述水层(120)；以及
其中用多官能胺反应组分(210)注射所述有机层(150)包含注射至少一种多官能胺反应化合物进入所述有机层(150)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述两种液体的所述界面(154)的所述对齐的纳米碳管(180)周围形成薄层选择性膜包含利用界面技术制造包裹所述对齐的碳纳米管(180)的薄膜。
7.根据权利要求1所述的方法，其中使所述薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)联结到结构支撑层(130)上包含利用界面聚合方案，从而使所述薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)层压到所述结构支撑层(130)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中使所述薄层选择性膜/碳纳米管复合物联结到结构支撑层上包含：
在添加所述有机层(150)之前降低结构支撑层(130)进入所述水层(120)；
从所述水层(120)升高所述结构支撑层并与所述薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)接触；
升高结合的结构支撑层(130)和薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)进入所述有机层(150)；以及
保持所述结合的结构支撑层(130)和薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)在所述有机层(150)内直到充足时间过去，从而在界面联结所述结构支撑层(130)和薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在对齐的碳纳米管周围形成薄层选择性膜包含：
用多官能胺涂覆所述结构支撑层(130)；以及
在所述有机层(150)内使其上具有对齐纳米管(180)的涂覆的结构支撑层(130)暴露于多官能胺反应化合物。
10.一种根据权利要求1-9的任一项所述的方法制造的反渗透膜，包含：
多个对齐的碳纳米管(180)；
在所述对齐的碳纳米管(180)周围形成的薄层选择性膜；以及
与所述薄层选择性膜/碳纳米管复合物(230)联结的结构支撑层(130)；
其中利用两种不混溶液体层之间的界面(154)使所述多个对齐的纳米管(180)对齐，所述第一层是稀释的水层(120)，所述第二层是有机层(150)。
11.根据权利要求10所述的反渗透膜，其中所述薄层选择性膜的制造包含：
注射多官能胺组分(200)进入所述稀释的水层(120)；以及
用多官能胺反应组分(210)注射所述有机层，由此导致所述选择性膜在两个不混溶层之间的所述界面(154)形成。
12.根据权利要求11所述的反渗透膜，其中所述多官能胺反应组分(210)包含至少一种芳香族、脂肪族或脂环族多官能化合物。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US12/487,531 | 2009-06-18 | ||
| US12/487,531 US8286803B2 (en) | 2009-06-18 | 2009-06-18 | Methods and systems for incorporating carbon nanotubes into thin film composite reverse osmosis membranes |
| PCT/US2010/036360 WO2010147743A1 (en) | 2009-06-18 | 2010-05-27 | Methods and systems for incorporation carbon nanotubes into thin film composite reverse osmosis membranes |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102802772A CN102802772A (zh) | 2012-11-28 |
| CN102802772B true CN102802772B (zh) | 2016-01-20 |
Family
ID=42635344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201080027438.9A Active CN102802772B (zh) | 2009-06-18 | 2010-05-27 | 使碳纳米管并入薄膜复合反渗透膜的方法和系统 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8286803B2 (zh) |
| EP (1) | EP2442897B1 (zh) |
| JP (1) | JP5615915B2 (zh) |
| CN (1) | CN102802772B (zh) |
| AU (1) | AU2010260438B2 (zh) |
| CA (1) | CA2759653C (zh) |
| WO (1) | WO2010147743A1 (zh) |
Families Citing this family (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5205672B2 (ja) * | 2007-08-29 | 2013-06-05 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | フラーレン細線付き基盤とその製造方法 |
| US9039900B2 (en) * | 2008-05-09 | 2015-05-26 | New Jersey Institute Of Technology | Membrane distillation apparatus and methods |
| WO2009148959A2 (en) | 2008-05-29 | 2009-12-10 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Membranes with functionalized carbon nanotube pores for selective transport |
| WO2012047282A2 (en) | 2010-09-30 | 2012-04-12 | Porifera Inc. | Thin film composite membranes for forward osmosis, and their preparation methods |
| US9095821B1 (en) * | 2010-10-26 | 2015-08-04 | Nagare Membranes, Llc | Non-reactive process for fixing nanotubes in a membrane in through-passage orientation |
| WO2012135065A2 (en) | 2011-03-25 | 2012-10-04 | Porifera, Inc. | Membranes having aligned 1-d nanoparticles in a matrix layer for improved fluid separation |
| WO2013059314A1 (en) | 2011-10-17 | 2013-04-25 | Porifera, Inc. | Preparation of aligned nanotube membranes for water and gas separation applications |
| KR101339731B1 (ko) | 2012-01-20 | 2014-01-10 | 서강대학교산학협력단 | 표면증강라만분광 활성 입자를 이용한 액상-액상계면에서의 분석물 검출 방법 |
| CA3011833C (en) | 2012-12-21 | 2021-01-05 | Porifera, Inc. | Separation systems, elements, and methods for separation utilizing stacked membranes and spacers |
| US10500544B2 (en) | 2013-03-15 | 2019-12-10 | Porifera, Inc. | Advancements in osmotically driven membrane systems including multi-stage purification |
| US9786853B2 (en) | 2014-02-11 | 2017-10-10 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Floating evaporative assembly of aligned carbon nanotubes |
| US10177264B2 (en) * | 2014-04-29 | 2019-01-08 | Sol Voltaics Ab | Methods of capturing and aligning an assembly of nanowires |
| US10315155B2 (en) * | 2014-06-04 | 2019-06-11 | The Research Foundation For The State University Of New York | Highly porous fibrous network materials for gas filtration |
| KR101803604B1 (ko) * | 2014-09-02 | 2017-12-01 | 현대건설주식회사 | 하이브리드 cnt-ro막 압력용기 |
| US11439708B2 (en) | 2014-10-06 | 2022-09-13 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Nanotube trans-membrane channels mimicking biological porins |
| WO2016070103A1 (en) | 2014-10-31 | 2016-05-06 | Porifera, Inc. | Supported carbon nanotube membranes and their preparation methods |
| WO2016210337A2 (en) | 2015-06-24 | 2016-12-29 | Porifera, Inc. | Methods of dewatering of alcoholic solutions via forward osmosis and related systems |
| JP6687736B2 (ja) * | 2015-12-17 | 2020-04-28 | エシロール アンテルナショナルＥｓｓｉｌｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ | ハードマルチコート付き光学物品 |
| US11541352B2 (en) | 2016-12-23 | 2023-01-03 | Porifera, Inc. | Removing components of alcoholic solutions via forward osmosis and related systems |
| US10873026B2 (en) * | 2017-03-10 | 2020-12-22 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Alignment of carbon nanotubes in confined channels |
| CN108786483B (zh) * | 2018-06-05 | 2021-01-22 | 四川大学 | 通过微孔界面对流聚合制备复合薄膜的方法及其制备的复合薄膜 |
| CN110970587A (zh) * | 2018-09-28 | 2020-04-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种锂硫电池用复合隔膜及其制备与应用 |
| CN111214965A (zh) * | 2018-11-26 | 2020-06-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 反渗透膜及其制备方法与应用 |
| US11631814B2 (en) | 2021-07-15 | 2023-04-18 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Two-dimensional carbon nanotube liquid crystal films for wafer-scale electronics |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004046031A1 (en) * | 2002-11-18 | 2004-06-03 | Rensselaer Polytechnic Institute | Nanotube polymer composite and methods of making same |
| WO2008028155A2 (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-06 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Method for making oriented carbon nanotube/polymer nano-composite membranes |
| WO2009035415A1 (en) * | 2007-09-10 | 2009-03-19 | National University Of Singapore | Polymeric membranes incorporating nanotubes |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4277344A (en) | 1979-02-22 | 1981-07-07 | Filmtec Corporation | Interfacially synthesized reverse osmosis membrane |
| US6162358A (en) * | 1998-06-05 | 2000-12-19 | Nl Chemicals Technologies, Inc. | High flux reverse osmosis membrane |
| CN1243600C (zh) | 1998-12-21 | 2006-03-01 | 日东电工株式会社 | 高透过性复合反渗透膜及其制造方法 |
| US6783746B1 (en) * | 2000-12-12 | 2004-08-31 | Ashland, Inc. | Preparation of stable nanotube dispersions in liquids |
| WO2004072159A1 (en) * | 2003-02-13 | 2004-08-26 | Stichting Dutch Polymer Institute | Reinforced polymer |
| ATE474658T1 (de) * | 2003-03-07 | 2010-08-15 | Seldon Technologies Llc | Reinigung von flüssigkeiten mit nanomaterialien |
| JP4500002B2 (ja) * | 2003-05-06 | 2010-07-14 | 日東電工株式会社 | 複合半透膜及びその製造方法 |
| US7459121B2 (en) * | 2004-07-21 | 2008-12-02 | Florida State University Research Foundation | Method for continuous fabrication of carbon nanotube networks or membrane materials |
| JP2008535648A (ja) * | 2005-03-09 | 2008-09-04 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | ナノ複合膜ならびにそれを作製および使用する方法 |
| AU2007317516B2 (en) | 2006-10-27 | 2013-04-04 | The Regents Of The University Of California | Micro-and nanocomposite support structures for reverse osmosis thin film membranes |
| JP2008201965A (ja) * | 2007-02-21 | 2008-09-04 | Hokkaido Univ | 微小カーボン強化プラスチック組成物及び微小カーボン強化プラスチック成形体 |
| JP4872800B2 (ja) * | 2007-05-25 | 2012-02-08 | 東レ株式会社 | 複合半透膜の処理方法及び塩処理済み複合半透膜の製造方法 |
| ES2639212T3 (es) * | 2008-04-15 | 2017-10-25 | Nanoh2O, Inc. | Membranas de ósmosis inversa de poliamida y su preparación |
| WO2009148959A2 (en) | 2008-05-29 | 2009-12-10 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Membranes with functionalized carbon nanotube pores for selective transport |
| US7993524B2 (en) | 2008-06-30 | 2011-08-09 | Nanoasis Technologies, Inc. | Membranes with embedded nanotubes for selective permeability |
-
2009
- 2009-06-18 US US12/487,531 patent/US8286803B2/en active Active
-
2010
- 2010-05-27 CA CA2759653A patent/CA2759653C/en active Active
- 2010-05-27 WO PCT/US2010/036360 patent/WO2010147743A1/en active Application Filing
- 2010-05-27 AU AU2010260438A patent/AU2010260438B2/en active Active
- 2010-05-27 CN CN201080027438.9A patent/CN102802772B/zh active Active
- 2010-05-27 EP EP10728947.2A patent/EP2442897B1/en active Active
- 2010-05-27 JP JP2012516101A patent/JP5615915B2/ja active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004046031A1 (en) * | 2002-11-18 | 2004-06-03 | Rensselaer Polytechnic Institute | Nanotube polymer composite and methods of making same |
| WO2008028155A2 (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-06 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Method for making oriented carbon nanotube/polymer nano-composite membranes |
| WO2009035415A1 (en) * | 2007-09-10 | 2009-03-19 | National University Of Singapore | Polymeric membranes incorporating nanotubes |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5615915B2 (ja) | 2014-10-29 |
| CN102802772A (zh) | 2012-11-28 |
| WO2010147743A1 (en) | 2010-12-23 |
| JP2012530591A (ja) | 2012-12-06 |
| AU2010260438B2 (en) | 2015-12-03 |
| US20100320140A1 (en) | 2010-12-23 |
| EP2442897B1 (en) | 2018-03-21 |
| AU2010260438A1 (en) | 2011-11-24 |
| CA2759653A1 (en) | 2010-12-23 |
| EP2442897A1 (en) | 2012-04-25 |
| CA2759653C (en) | 2015-11-24 |
| US8286803B2 (en) | 2012-10-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102802772B (zh) | 使碳纳米管并入薄膜复合反渗透膜的方法和系统 | |
| He et al. | Engineering covalent organic framework membranes | |
| Guo et al. | ZIF-8 coated polyvinylidenefluoride (PVDF) hollow fiber for highly efficient separation of small dye molecules | |
| Zhang et al. | Effect of substrate on formation and nanofiltration performance of graphene oxide membranes | |
| Zhang et al. | Zeolitic imidazolate framework-enabled membranes: challenges and opportunities | |
| Zhang et al. | New membrane architecture with high performance: ZIF-8 membrane supported on vertically aligned ZnO nanorods for gas permeation and separation | |
| Das et al. | Covalent organic frameworks in separation | |
| Liu et al. | Pervaporation membranes for biobutanol production | |
| Lonsdale | Reverse Osmosis Membrane Research: Based on the Symposium on “Polymers for Desalination” Held at the 162nd National Meeting of the American Chemical Society in Washington, DC, September 1971 | |
| Ahmed et al. | Recent advances in MXene‐based separation membranes | |
| CN109012224B (zh) | 一种纳米限域原位生长制备zif-8@氧化石墨烯杂化膜的方法 | |
| Cheng et al. | Two‐dimensional membranes: new paradigms for high‐performance separation membranes | |
| Castelletto et al. | Advantages, limitations, and future suggestions in studying graphene-based desalination membranes | |
| Lu et al. | Organic fouling and regeneration of zeolite membrane in wastewater treatment | |
| Algieri et al. | Catalytic membrane reactors: The industrial applications perspective | |
| US20160030893A1 (en) | Nanocomposite Membranes | |
| Gopalakrishnan et al. | A hybrid processing method for high performance hydrogen-selective silica membranes | |
| JP2020032325A (ja) | 金属有機構造体層を有する選択性複合ガス透過膜およびその作製方法 | |
| Izák et al. | Stability and selectivity of a multiphase membrane, consisting of dimethylpolysiloxane on an ionic liquid, used in the separation of solutes from aqueous mixtures by pervaporation | |
| Zou et al. | Microporous Materials for Separation Membranes | |
| Duan et al. | Engineering metal-organic-framework (MOF)-based membranes for gas and liquid separation | |
| Trinh et al. | Pervaporative separation of butanol using a composite PDMS/PEI hollow fiber membrane | |
| Ban et al. | Multidimensional building blocks for molecular sieve membranes | |
| CN109173731B (zh) | 一种冷冻干燥技术制备金属有机骨架@氧化石墨烯杂化膜的方法 | |
| McCutcheon et al. | Forward osmosis |
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 |