CN103204788B - 正渗透驱动溶质、正渗透水处理设备和水处理正渗透方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及正渗透驱动溶质、正渗透水处理设备和水处理正渗透方法。正渗透用驱动溶质可包括温度敏感的低聚物化合物，其包含包括温度敏感部分的结构单元。所述温度敏感的低聚物化合物可进一步包括在主链的末端的亲水性官能团。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2012年1月17日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0005383的优先权，其全部内容引入本文作为参考。
技术领域
示例性实施方式涉及正渗透用驱动溶质(draw solute)、使用其的正渗透水处理设备、和用于水处理的正渗透方法。
背景技术
一般，通过反渗透的脱盐是水处理领域中通常已知的。渗透(即正渗透)是指其中处于较低浓度的部分中的水向较高浓度的溶液移动的现象。另一方面，反渗透脱盐是人工添加相对高的压力以使水以相反方向移动，由此产生淡水(fresh water)的方法。由于反渗透需要相对高的压力，其具有较高的能耗。近来，为了提高能量效率，已经提出利用渗透压原理的正渗透，且已经使用包括碳酸氢铵、二氧化硫、脂族醇、硫酸铝、葡萄糖、果糖、硝酸钾等的用于渗透驱动溶液的溶质。其中，碳酸氢铵驱动溶液是最通常已知的，且可在正渗透后在约60℃的温度下分解为氨和二氧化碳并分离。此外，新提出的驱动溶液材料包括其上连接有亲水性肽的磁性纳米颗粒(通过磁场分离)、聚合物电解质例如树枝状大分子(通过UF或NF膜分离)等。
在碳酸氢铵的情况下，应将其加热至约60℃或更高以使其蒸发，从而需要较高的能耗，且由于氨的完全除去实际上是困难的，因此由于氨的气味，使用其作为饮用水是不可能的。在磁性纳米颗粒的情况下，使通过磁场分离和附聚的磁性颗粒再分散是困难的。完全除去所述纳米颗粒也是困难的，并且因此应该考虑所述纳米颗粒的毒性。聚合物离子(树枝状大分子、蛋白质等)技术由于该聚合物的几到几十纳米的RH尺寸而需要纳滤或超滤膜过滤，且在过滤之后使附聚聚合物再分散也是困难的。
发明内容
各种实施方式涉及正渗透用驱动溶质，其对于分离和回收具有相对低的能量需求。
各种实施方式涉及正渗透水处理设备，其使用包括所述正渗透用驱动溶质的渗透驱动溶液。
各种实施方式涉及使用所述正渗透用驱动溶质的用于水处理的正渗透方法。
根据非限制性实施方式，正渗透用驱动溶质可包括温度敏感的低聚物化合物，其包含包括温度敏感部分的结构单元。所述温度敏感的低聚物化合物进一步包含在主链的末端处的亲水性官能团，其中所述温度敏感部分为由以下化学式1表示的一价取代基、由以下化学式2表示的一价取代基、或者由以下化学式3表示的二价取代基。
[化学式1]
*-C(=O)N(R1)(R2)
其中，在以上化学式1中，
R1和R2各自独立地为氢、或线型(直链，linear)或支化的C3-C5烷基，条件是R1和R2的至少一个不为氢，
[化学式2]
其中，在以上化学式2中，
R3为C3-C5亚烷基，和
[化学式3]
其中，在以上化学式3中，
R4为线型或支化的C3-C5烷基。
所述亲水性官能团可包括孤对电子。
所述驱动溶质可进一步包括与所述亲水性官能团的孤对电子结合的盐化合物。
所述亲水性官能团可为-COOH、-NH2、-SO3H、或-PO3H2。
所述温度敏感的低聚物化合物可具有约300-约3000的数均分子量。
所述温度敏感的低聚物化合物可包括选自如下的一种：由以下化学式4表示的结构单元、由以下化学式5表示的结构单元、由以下化学式6表示的结构单元、及其组合。
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
在化学式4-6中，
R5和R6各自独立地为线型或支化的C3-C5烷基，和
R7为C3-C5亚烷基。
所述温度敏感的低聚物化合物可包括n个由以上化学式4表示的结构单元、由以上化学式5表示的结构单元、由以上化学式6表示的结构单元、或其组合，其中n可为2-30的整数。
所述温度敏感的低聚物化合物可包括得自选自如下的单体的结构单元：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAam)、N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAAM)、N-乙烯基己内酰胺(VCL)、以及其组合。
所述温度敏感的低聚物化合物可具有在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下大于或等于约100g/L的在水中的溶解度，和在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下小于或等于约1g/L的在水中的溶解度。
所述最低临界溶解温度(LCST)可为约10-约50℃。
在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物的侧链可与水形成氢键，和在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物的侧链可在其间形成氢键以附聚。
在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物可具有约100nm-约10000nm的颗粒水力半径。
根据另一非限制性实施方式，正渗透水处理设备可包括：用于接收原料液(feed solution)的第一腔，所述原料液包括待分离以用于纯化的对象材料(subject material)；用于接收渗透驱动溶液的第二腔，所述渗透驱动溶液包括正渗透用驱动溶质；半透膜，其设置在所述第一腔和所述第二腔之间并且在一侧接触所述原料液和在另一侧接触所述渗透驱动溶液；回收系统，其配置成分离和回收所述渗透驱动溶液的所述驱动溶质；和连接器，其配置成将通过所述回收系统回收的所述渗透驱动溶液的驱动溶质再引入回到存在于所述第二腔中的渗透驱动溶液中。
所述正渗透水处理设备可进一步包括出口，其配置成在通过所述回收系统分离所述驱动溶质之后由所述渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水，所述渗透驱动溶液的其余部分包括已经通过渗透压从所述原料液穿过所述半透膜的水。
所述回收系统可包括将所述驱动溶质加热至大于或等于最低临界溶解温度(LCST)以使所述驱动溶质附聚的温度控制器。
所述连接器可包括将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)以使所回收的驱动溶质的附聚分解(disassemble)的温度控制器。
所述回收系统可包括微滤(MF)膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜、或者离心机。
根据又一非限制性实施方式，用于水处理的正渗透方法可包括：将包括待分离以用于纯化的杂质的原料液以及包括所述正渗透用驱动溶质的渗透驱动溶液与位于其间的半透膜接触，使得所述原料液中的原料水(feed water)通过渗透压穿过所述半透膜并且移动至具有比所述原料液高的渗摩浓度的所述渗透驱动溶液；将包括从所述原料液移动的原料水的所述渗透驱动溶液加热至大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度，使得所述渗透驱动溶液中的驱动溶质可逆地自附聚；从包括从所述原料液移动的原料水的所述渗透驱动溶液分离和回收所述可逆地自附聚的驱动溶质；和由已经从其除去所述可逆地自附聚的驱动溶质的包括从所述原料液移动的原料水的渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水。
所述用于水处理的正渗透方法可进一步包括将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度，以使附聚的驱动溶质分解并且将所分解的驱动溶质再引入回到存在于所述第二腔中的渗透驱动溶液中。
所述最低临界溶解温度(LCST)可范围为约10-约50℃。
附图说明
图1是显示根据非限制性实施方式的包括N-异丙基丙烯酰胺(NIPAam)低聚物的正渗透用驱动溶质的温度敏感性的示意图。
图2是根据非限制性实施方式的正渗透水处理设备的示意图。
图3显示在实施例1中合成的NIPAam低聚物的NMR分析谱图。
具体实施方式
在下文中在其中描述本公开内容的各示例性实施方式的以下详细描述中将更充分地描述本公开内容。本公开内容可以许多不同的形式体现并且不应解释为限于本文中阐述的实施方式。
将理解，当一个元件或层被称为“在”另一元件或层“上”、与另一元件或层“连接”、“结合”、或“覆盖”另一元件或层时，其可直接在所述另一元件或层上、与所述另一元件或层直接连接、结合、或者直接覆盖所述另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在”另一元件或层“上”、与另一元件或层“直接连接”或“直接结合”时，则不存在中间元件或层。在整个说明书中，相同的标记始终是指相同的元件。如本文中所使用的术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任何和全部组合。
将理解，尽管术语第一、第二、第三等可用在本文中描述各元件、组分、区域、层和/或部分，但这些元件、组分、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅用来使一个元件、组分、区域、层或部分区别于另一元件、组分、区域、层或部分。因此，以下讨论的第一元件、组分、区域、层或部分可称为第二元件、组分、区域、层或部分，而不背离示例性实施方式的教导。
为了便于说明，在本文中可使用空间相对术语如“在……之下”、“在……下面”、“下部”、“在……之上”、“上部”等来说明如图所示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。将理解，除图中所示的方位以外，空间相对术语还意图包括在使用或操作中的设备的不同方位。例如，如果翻转图中的设备，则被描述为“在”其它元件或特征“下面”或“之下”的元件将被定向“在”其它元件或特征的“之上”。因此，术语“在……下面”可包括在……之上和在……下面两种方位。设备可以其它方式定向(旋转90度或在其它方向上)，并且相应地解释本文中使用的空间相对描述词。
本文中所用的术语仅出于描述各实施方式的目的，而非意图限制示例性实施方式。除非上下文清楚地另作说明，如本文中所使用的单数形式的“一个(种)”和“该”也意图包括复数形式。还将理解，如果在本文中使用，则术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“含”规定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组分，但不排除存在或添加一种或多种其它的特征、整体、步骤、操作、元件、组分和/或它们的集合。
在本文中参考横截面图描述示例性实施方式，所述横截面图为示例性实施方式的理想化的实施方式(以及中间结构)的示意图。如此，预期有由于例如制造技术和/或公差引起的与这些图的形状的偏离。因而，示例性实施方式不应解释为限于在本文中所图示的区域的形状，而是包括由例如制造所造成的形状上的偏差。
除非另外定义，在本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，术语，包括在常用字典中定义的那些，应被解释为其含义与它们在相关领域背景中的含义一致，并且除非在本文中清楚地如此定义，否则将不对所述术语进行理想化或过于形式化的解释。
当未另外提供定义时，如本文中使用的术语“取代”可指被如下取代：羟基、硝基、氰基、亚氨基(=NH或=NR′，其中R′为C1-C10烷基)、氨基(-NH2、-NH(R”)或-N(R”)(R’’’)，其中R”-R’’’各自独立地为C1-C10烷基)、脒基、肼基、腙基、羧基、C1-C30烷基、C1-C10烷基甲硅烷基、C3-C30环烷基、C6-C30芳基、C2-C30杂芳基、C1-C10烷氧基、卤素、C1-C10氟烷基(例如三氟甲基)等。
当未另外提供定义时，如本文中使用的前缀“杂”可指在化合物或取代基中包括1-3个选自N、O、S和P的杂原子和剩余的碳。
当未另外提供定义时，如本文中使用的术语“其组合”指通过连接体彼此结合的至少两个取代基、或者彼此稠合的至少两个取代基。
如本文中使用的“＊”可指与相同或不同原子或化学式的连接点。
当未另外提供定义时，如本文中使用的术语“烷基”可指在相邻的两个碳原子之间不包括双键或三键的“饱和烃基”。“烯基”可指其中至少两个碳原子以至少一个碳-碳双键结合的取代基，和术语“炔基”指其中至少两个碳原子以至少一个碳-碳三键结合的取代基。
所述烷基可为C1-C30线型或支化的烷基，并且更特别地C1-C6烷基、C7-C10烷基、或者C11-C20烷基。
例如，C1-C4烷基可具有1-4个碳原子，并且可选自甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基和叔丁基。
所述烷基的实例包括甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、己基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。
术语“芳族基团”可指包括其中所有环成员具有形成共轭的p-轨道的环状结构的取代基。可例举芳基和杂芳基。
术语“芳基”可指单环的或含稠环的多环(即，共享相邻的碳原子对的环)基团。
“杂芳基”可指在芳基中包括1-3个选自N、O、S或P的杂原子和剩余的碳的基团。当所述杂芳基为稠环时，各个环可包括1-3个杂原子。
根据一个非限制性实施方式的正渗透用驱动溶质可包括温度敏感的低聚物化合物，其包含包括温度敏感部分的结构单元。所述温度敏感的低聚物化合物进一步包含在主链的末端处的亲水性官能团。
所述温度敏感部分可为由以下化学式1表示的一价取代基、由以下化学式2表示的一价取代基、或者由以下化学式3表示的二价取代基。
[化学式1]
*-C(=O)N(R1)(R2)
在以上化学式中，
R1和R2各自独立地为氢、或线型或支化的C3-C5烷基，条件是R1和R2的至少一个不为氢。
[化学式2]
在以上化学式中，
R3为C3-C5亚烷基。
[化学式3]
在以上化学式中，
R4为线型或支化的C3-C5烷基。
所述正渗透用驱动溶质可应用于用于水处理的正渗透方法。
所述正渗透水处理方法通过使用具有比原料液高的渗摩浓度的渗透驱动溶液而容许水分子从所述原料液移动至所述渗透驱动溶液，然后从所述渗透驱动溶液分离驱动溶质，将其再利用，和产生淡水。
所述正渗透驱动溶质使正渗透方法期间所述驱动溶液的分离和回收中需要的能量成本降低。在一个非限制性实施方式中，所述正渗透用驱动溶质包括其亲水性通过温度控制的所述温度敏感的低聚物化合物，以容易地分离和回收所述驱动溶质。
由于所述温度敏感的低聚物化合物在高温下显著降低亲水性，其可逆地自附聚且降低在水中的溶解度，并变为不溶的。在高温下可逆地自附聚的所述温度敏感的低聚物化合物增加颗粒的尺寸，因此其可容易地从渗透驱动溶液分离。例如，所述温度敏感的低聚物化合物容易地从水分离，因为所述温度敏感的低聚物化合物在高于或等于预定或所需温度的温度下自附聚，以产生沉淀物。
形成为具有增加的尺寸的不溶的颗粒的所述温度敏感的低聚物化合物通过微滤(MF)膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜或者离心机容易地分离，而不消耗过多的能量。
所述温度敏感的低聚物化合物在低温下由于高的亲水性而可以高浓度溶解在水中以提供具有高浓度的渗透驱动溶液，从而增加渗透压。
术语“温度敏感的”指由于在高温和低温之间在水中的溶解度的差异巨大，因此随着温度升高而可逆地自附聚的特性。
术语“最低临界溶解温度(LCST)”指可将所述温度敏感的低聚物化合物从溶液分离的最低温度(在水中充分溶解的最高温度)，且所述温度敏感的低聚物化合物的最低临界溶解温度可范围为约10-约50℃，例如约25-约45℃，且特别是约30-约40℃。
所述温度敏感的低聚物化合物的侧链可在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下与水形成氢键以溶解在水中。另一方面，所述温度敏感的低聚物化合物的侧链可在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下与所述温度敏感的低聚物化合物的另一侧链(而不是水)形成氢键，使得所述温度敏感的低聚物化合物作为可逆地自附聚的颗粒沉淀。
所述温度敏感的低聚物化合物可具有在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下大于或等于约100g/L的在水中的溶解度，和在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下小于或等于约1g/L的在水中的溶解度。例如，所述温度敏感的低聚物化合物可具有在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下约200g/L-约800g/L的在水中的溶解度，和在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下约0.1g/L-约1g/L的在水中的溶解度。特别地，所述温度敏感的低聚物化合物可具有在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下约500g/L-约800g/L的在水中的溶解度，和在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下约0.1g/L-约1g/L的在水中的溶解度。
所述正渗透用驱动溶质可进一步包括与所述温度敏感的低聚物化合物连接的盐化合物。所述盐化合物可引起更高的渗透压。由于所述温度敏感的低聚物化合物在主链包括亲水性官能团，因此所述盐化合物和所述温度敏感的低聚物化合物的复合物可通过所述亲水性官能团和所述盐化合物结合而形成。
所述亲水性官能团可包括孤对电子。所述孤对电子可通过所述盐化合物结合(与所述盐化合物结合)。所述亲水性官能团可包括例如-COOH、-NH2、-SO3H、-PO3H2等。
所述温度敏感的低聚物化合物可具有约300-约3000的数均分子量。所述低聚物化合物可具有约300-约1000的数均分子量，且特别地所述低聚物化合物可具有约300-约800的数均分子量。当所述低聚物化合物具有在以上范围内的分子量时，所述正渗透用驱动溶质在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下可提供高度浓缩的渗透驱动溶液。
在一个非限制性实施方式中，所述温度敏感的低聚物化合物可包括选自如下的一种：由以下化学式4表示的结构单元、由以下化学式5表示的结构单元、由以下化学式6表示的结构单元、及其组合。
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
在化学式4-6中，
R5和R6各自独立地为线型或支化的C3-C5烷基，和
R7为C3-C5亚烷基。
例如，所述温度敏感的低聚物化合物可包括n个由以上化学式4表示的结构单元、由以上化学式5表示的结构单元、由以上化学式6表示的结构单元、或其组合，其中n可为约2-约30的整数。
n可为约2-约8，且特别是约4-约6的整数。
所述温度敏感的低聚物化合物可包括得自选自如下的单体的结构单元：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAam)、N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAAM)、N-乙烯基己内酰胺(VCL)、以及其组合。
图1是显示驱动溶质的非限制性实施方式的示意图，其中所述温度敏感的低聚物化合物为聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAam)。图1显示，在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下由于在低聚物侧链和水分子之间形成氢键而不产生附聚；在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下通过在低聚物侧链之间形成氢键而产生附聚；所述附聚可以可逆地产生和分解。根据所述可逆的自附聚，所述温度敏感的低聚物化合物在最低临界溶解温度(LCST)附近突然改变在水中的溶解度。
由于所述温度敏感的低聚物化合物在低于最低临界溶解温度(LCST)时为亲水的，因此其具有相对高的在水中的溶解度，这适于具有相对高浓度的渗透驱动溶液。但是，由于其在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下为疏水的，因此其可逆地自附聚以沉淀，使得其容易地从所述渗透驱动溶液分离，且其通过将所分离的温度敏感的低聚物化合物冷却至低于最低临界溶解温度(LCST)的温度而变得亲水，因此其还容易地可再用作渗透驱动溶质。
由于所述温度敏感的低聚物化合物在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下可逆地自附聚，因此相对于低于最低临界溶解温度(LCST)的温度，所述温度敏感的低聚物化合物的颗粒尺寸在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下迅速增加。
在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下具有增加的颗粒尺寸的所述温度敏感的低聚物化合物(其为所述温度敏感的低聚物化合物的颗粒)具有例如约100nm-约10000nm的水力半径。
根据另一非限制性实施方式，提供使用所述正渗透驱动溶质的正渗透水处理设备。
所述正渗透水处理设备可包括：用于接收原料液的第一腔，所述原料液包括待分离以用于纯化的对象材料；用于接收渗透驱动溶液的第二腔，所述渗透驱动溶液包括所述正渗透用驱动溶质；半透膜，其设置在所述第一腔和所述第二腔之间并且在一侧接触所述原料液和在另一侧接触所述渗透驱动溶液；回收系统，其用于分离和回收所述渗透驱动溶液的所述驱动溶质；和连接器，其配置成将通过所述回收系统回收的所述渗透驱动溶液的驱动溶质再引入到存在于所述第二腔中的渗透驱动溶液中。
所述半透膜为用于正渗透的半渗透的隔离层，其能透过水并且不能透过所述待分离的对象材料。
所述正渗透用驱动溶质的详细描述与以上相同。
可控制所述渗透驱动溶液的浓度以提供比经处理的水高的渗透压。根据一个非限制性实施方式，包括约10重量%浓度的所述驱动溶质的渗透驱动溶液可提供约13atm的渗透压。根据另一非限制性实施方式，包括约50重量%浓度的所述驱动溶质的渗透驱动溶液可提供约30atm的渗透压。
所述正渗透水处理设备可进一步包括出口，其配置为在通过所述回收系统分离所述驱动溶质之后由所述渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水，所述渗透驱动溶液的其余部分包括已经通过渗透压从所述原料液穿过所述半透膜的水。
根据所述正渗透水处理设备的运行机理，待处理的原料液中的水通过渗透压穿过所述半透膜并且移动至较高渗摩浓度的渗透驱动溶液，包括来自所述原料液的水的渗透驱动溶液移动至所述回收系统，分离所述正渗透用驱动溶质，和在通过所述回收系统分离所述驱动溶质之后的所述渗透驱动溶液的其余部分输出并且作为经处理的水获得。所分离的正渗透用驱动溶质可通过如下进行再利用：将其再引入到接触待处理的原料液并且在其间具有所述半透膜的渗透驱动溶液中。
在所述回收系统中，可通过利用如上描述的温度敏感的低聚物化合物的温度敏感特性而分离和回收所述正渗透用驱动溶质。换而言之，所述回收系统包括温度控制器，因此所述温度敏感的低聚物化合物可通过被加热至大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度而可逆地自附聚以使所述驱动溶质的颗粒尺寸增加，并过滤以进行分离。
所述过滤可使用微滤(MF)膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜、离心机等。由于特别地，微米尺寸的自附聚颗粒可使用微滤膜过滤和分离，因此所述回收系统可减少运行能量使用。
为了将所分离和回收的所述温度敏感的低聚物化合物驱动溶质加入接触所述原料液的渗透驱动溶液中并将其再利用，将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度，以使所述渗透驱动溶液的溶解度再次增加。因此，所述连接器可包括用于冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度的温度控制器。通过使用所述温度控制器，可将其中通过将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度而使附聚分解的驱动溶质再引入到接触所述半透膜的渗透驱动溶液中。
当将所述温度敏感的低聚物化合物用于正渗透用驱动溶质时，所述正渗透方法在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下进行，并且通过在所述回收系统中控制温度为大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)，容易地分离和回收所述驱动溶质。此外，所述温度敏感的低聚物化合物可具有相对低的约10-约50℃的最低临界溶解温度(LCST)，因此当回收所述驱动溶质时不需要高温条件，这由运行能量降低看来是优选的。
所述正渗透水处理设备具有如上的再利用通过控制温度而简单地回收的驱动溶质的优点。
所述原料液可为海水、半咸水(brackish water)、地下水、废水等。例如，可使用所述正渗透水处理设备纯化海水以获得饮用水。
根据又一非限制性实施方式，用于水处理的正渗透方法可包括：将包括待分离以用于纯化的杂质的原料液以及包括所述正渗透用驱动溶质的渗透驱动溶液与位于其间的半透膜接触，使得所述原料液中的水通过渗透压穿过所述半透膜并且移动至具有比所述原料液高的渗摩浓度的所述渗透驱动溶液；将包括从所述原料液移动的水的所述渗透驱动溶液加热至大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度，使得所述渗透驱动溶液中的驱动溶质可逆地自附聚；从包括从所述原料液移动的水的所述渗透驱动溶液分离和回收所述可逆地自附聚的驱动溶质；和由已经从其除去所述可逆地自附聚的驱动溶质的包括从所述原料液移动的水的渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水。
所述正渗透用驱动溶质的详细描述与以上相同。
所述用于水处理的正渗透方法可进一步包括将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度，以使附聚的驱动溶质分解和将其再引入到接触所述半透膜的渗透驱动溶液中。
所述最低临界溶解温度(LCST)可范围为约10-约50℃，如上所述。
图2为可根据所述用于水处理的正渗透方法运行的正渗透水处理设备的示意图。
所述正渗透水处理设备可包括：原料液，其包括待分离以用于纯化的对象材料；渗透驱动溶液，其包括所述正渗透用驱动溶质；半透膜，其在一侧接触所述原料液和在另一侧接触所述渗透驱动溶液；回收系统，其用于分离和回收所述渗透驱动溶液的所述驱动溶质；和连接器，其配置成将通过所述回收系统回收的所述渗透驱动溶液的所述驱动溶质再引入回到接触所述半透膜的所述渗透驱动溶液中。
所述正渗透水处理设备可进一步包括出口，其配置成由在通过所述回收系统分离所述驱动溶质之后所述渗透驱动溶液的剩余部分产生经处理的水，其包括已经通过渗透压从所述原料液穿过所述半透膜的水。
在所述回收系统中，所述正渗透用驱动溶质可利用如上所述的温度敏感低聚物化合物的温度敏感特性的优势分离和回收。换言之，所述回收系统包括温度控制器，因此所述温度敏感的低聚物化合物可通过被加热至大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度而可逆地自附聚以使所述驱动溶质的颗粒尺寸增加，并过滤以进行分离。
现在将通过以下实施例更详细地描述本发明。应强调，以下实施例仅被选择用于说明性目的，而不应解释为限制本发明的范围。
(实施例)
实施例1：温度敏感的低聚物化合物的合成
根据自由基聚合合成由以下化学式7表示的NIPAam(N-异丙基丙烯酰胺)低聚物。将6g(0.053mol)经纯化的NIPAam单体、0.1897g(0.0016mol)链转移剂氨基乙硫醇盐酸盐(AET-HCl)、0.087g(0.001mol)偶氮二异丁腈(AIBN)、和31.34mL二甲基甲酰胺(DMF)在3颈圆底烧瓶中在75℃在氮气条件下反应15小时。将聚合的NIPAam低聚物使用二乙醚通过沉淀法纯化并且在真空烘箱中在20℃干燥1天。
图3显示在实施例1中合成的NIPAam低聚物的FT-NMR(300MHz)分析谱图。该FT-NMR分析是通过使用AVANCE DIGITAL 300(BrukerCorporation,Germany),Larmor Frequency 300Hz进行的。
[化学式7]
在以上化学式7中，n是指聚合度。
实施例2：温度敏感的低聚物化合物的合成
根据与实施例1中相同的程序，以不同的批次合成具有稍微不同的分子量的化合物。所述分子量的差异是由单体的精细的(微妙的，subtle)量的差异所引起的不同聚合度所导致的。这指定为实施例2。
实施例3：温度敏感的低聚物化合物的合成
根据与实施例1中相同的程序，合成具有不同分子量的化合物。分子量与实施例1和实施例2稍微不同，因为聚合度由于单体的精细的量的差异而不同。这指定为实施例3。
实施例4：温度敏感的低聚物化合物的合成
根据与实施例1中相同的程序合成NIPAam低聚物，然后向其添加所述NIPAam低聚物的摩尔量的量的两倍的三乙胺并反应24小时以除去HCl，用二乙醚通过沉淀法纯化，且在真空烘箱中在20℃干燥一晚。
实施例5：温度敏感的低聚物化合物
使用由Sigma-Aldrich销售的可商购的试剂(NIPAam，COOH封端的)，其具有COOH代替在实施例4中的低聚物末端的NH2。
比较例1
准备N-异丙基丙烯酰胺单分子化合物。
实验实施例1：分子量
通过H1-NMR分析，计算聚合度以提供各实施例的数均分子量。
实验实施例2：渗透驱动溶液的制备和渗透压的分析
制备具有下表1中所示的各种浓度的渗透驱动溶液，并使用渗透压测量仪根据冰点降低分析包括由实施例1-5制备的NIPAam低聚物的渗透驱动溶液的渗透压。
比较在实施例1和实施例2中根据分子量的渗透压的结果，具有较低分子量的实施例1在10重量%的溶液中显示出5.31atm的较高渗透压。显示出渗透压与溶液的浓度成线性比例，且在实施例1中，30重量%的溶液具有17atm的渗透压。在实施例1中合成的NIPAam低聚物在25℃水中的溶解度为500g/L或更高，这使得能够产生具有50重量%或更高浓度的驱动溶液。在这种情况下，预期渗透压增加至接近30atm。
由实施例1和实施例4的结果，根据在低聚物末端是否存在HCl盐，可观察到渗透压的变化。包括HCl盐的实施例1具有31atm的每摩尔的渗透压；不包括HCl盐的实施例4具有25atm的每摩尔的渗透压。这些结果是由表1中所述的渗透压和数均分子量计算的。由此，理解包括HCl盐的情况使渗透压增加大于或等于20%。
(表1)
实验实施例3：根据温度的正渗透水处理的评估
将包括10重量%浓度的实施例1-5及比较例1的化合物的各渗透驱动溶液从室温缓慢加热，并根据温度观察溶液的溶解度变化。术语“最低临界溶解温度(LCST)”表示溶液开始突然转变为不透明的温度，和术语“分离温度”表示溶液开始沉淀的温度。结果示于下表2中。
(表2)
如表2中所述，根据实施例1-5的低聚物和根据比较例1的单体在25℃显示出“可逆性(○)”，这意味着当将温度降低至低于最低临界溶解温度(LCST)时，所述低聚物和单体分解(disassemble)。
虽然已经结合了当前认为是各示例性实施方式的内容描述了本公开内容，但是将理解，本公开内容不限于所公开的实施方式，而是相反，意图涵盖所附权利要求的精神和范围内包括的各种改进和等同布置。
Claims (10)
1.正渗透用驱动溶质，所述驱动溶质包括：
具有拥有末端的主链的温度敏感的低聚物化合物，所述温度敏感的低聚物化合物包含包括温度敏感部分的结构单元，所述温度敏感的低聚物化合物进一步包含在主链的末端处的亲水性官能团，所述温度敏感部分为由以下化学式1表示的第一一价取代基、由以下化学式2表示的第二一价取代基、或者由以下化学式3表示的二价取代基，
[化学式1]
*-C(＝O)N(R1)(R2)
R1和R2各自独立地为氢、或线型或支化的C3-C5烷基，条件是R1和R2的至少一个不为氢，
[化学式2]
R3为C3-C5亚烷基，和
[化学式3]
R4为线型或支化的C3-C5烷基，
其中所述亲水性官能团包括孤对电子，和
其中所述正渗透用驱动溶质进一步包括与所述亲水性官能团的孤对电子结合的盐化合物，通过所述亲水性官能团和所述盐化合物的结合，所述温度敏感的低聚物化合物和所述盐化合物形成复合物，
其中所述温度敏感的低聚物化合物的结构单元选自以下化学式4、化学式5、化学式6、及其组合：
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
其中，在化学式4-6中，
R5和R6各自独立地为线型或支化的C3-C5烷基，和
R7为C3-C5亚烷基，
所述温度敏感的低聚物化合物包括n个由以上化学式4、化学式5、化学式6、或其组合表示的结构单元，其中n为2-30的整数。
2.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述亲水性官能团为-COOH、-NH2、-SO3H、或-PO3H2。
3.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物具有300-3000的数均分子量。
4.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物的结构单元得自选自如下的单体：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAam)、N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAAM)、N-乙烯基己内酰胺(VCL)、或其组合。
5.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物具有在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下大于或等于100g/L的在水中的第一溶解度，和在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下小于或等于1g/L的在水中的第二溶解度。
6.权利要求5的正渗透用驱动溶质，其中所述最低临界溶解温度(LCST)为10-50℃。
7.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物包括侧链，其配置为在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下与水形成第一氢键，和配置为在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下在所述侧链之间形成第二氢键以可逆地自附聚。
8.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物具有100nm-10000nm的水力半径。
9.用于水处理的正渗透方法，该方法包括：
将原料液和渗透驱动溶液经由位于其间的半透膜接触，使得所述原料液中的原料水通过渗透压穿过所述半透膜并且移动至具有比所述原料液高的渗摩浓度的所述渗透驱动溶液，所述原料液包括待分离以用于纯化的杂质，所述渗透驱动溶液包括权利要求1-8中任一项的正渗透用驱动溶质；
将包括所述原料水的所述渗透驱动溶液加热至大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度，使得所述渗透驱动溶液中的所述驱动溶质可逆地自附聚；
从包括所述原料水的所述渗透驱动溶液分离和回收可逆地自附聚的驱动溶质；和
由已经从其分离所述可逆地自附聚的驱动溶质的包括所述原料水的渗透驱动溶液产生经处理的水。
10.权利要求9的用于水处理的正渗透方法，进一步包括：
将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度，以使自附聚的驱动溶质分解并且将所分解的驱动溶质再引入到存在于第二腔中的渗透驱动溶液中。
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