CN109070013A - 反渗透膜及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本文中描述了反渗透膜(100)及其加工方法。该反渗透膜(100)包括聚合物材料(102)、非织造织物材料(106)、和在该聚合物材料(102)与该非织造织物材料(106)之间的纳米纤维材料(104)。该方法包括在非织造织物材料(106)上形成纳米纤维材料(104)，并在该纳米纤维材料(104)上形成聚合物材料(102)。
Description
技术领域
本公开涉及反渗透膜及其加工方法。
发明背景
反渗透是一种水净化（例如过滤）过程，其中压力用于迫使水穿过半透膜，所述半透膜从水中除去粒子。反渗透例如可用于通过从水中除去盐和其它流出物材料将咸水（例如海水）和/或半咸水转化为清洁的饮用水。作为附加实例，反渗透可用于从水中除去可能有害的污染物，如重金属和/或农药残留物。
但是，现有的反渗透膜在相对高的压力下运行。也就是说，可能需要相对高的压力迫使水穿过目前用于反渗透过程的膜。结果，现有的反渗透过程（例如采用现有的反渗透膜的反渗透过程）可能具有高能量消耗和/或高成本。
此外，使用现有反渗透膜的反渗透过程可能产生大量和/或高浓度的废水，和/或可能具有相对低的水回收率。例如，现有的反渗透膜可能具有相对低的水通量，因此使用现有反渗透膜的反渗透过程相对于穿过该膜的初始水量可能产生相对较低量的净化水。
附图概述
图1显示了根据本公开的一个或多个实施方案的反渗透膜的示意性结构的成角度透视图。
图2显示了根据本公开的一个或多个实施方案的反渗透膜的纳米纤维材料的图像。
图3显示了根据本公开的一个或多个实施方案的反渗透膜的聚合物材料和纳米纤维材料的图像。
发明详述
在本文中描述了反渗透膜及其加工方法。例如，一个或多个实施方案包括聚合物材料、非织造织物材料、和在该聚合物材料与该非织造织物材料之间的纳米纤维材料。作为附加实例，一个或多个实施方案包括在非织造织物材料上形成纳米纤维材料，并在该纳米纤维材料上形成聚合物材料。
使用本公开的反渗透膜的反渗透过程可以比使用先前的反渗透膜的反渗透过程更便宜和/或使用更少能量。此外，使用本公开的反渗透膜的反渗透过程可能产生比使用先前的反渗透膜的反渗透过程更少的废水，并可以具有比使用先前的反渗透膜的反渗透过程更高的水回收率。例如，本公开的反渗透膜可以具有比先前的反渗透膜更高的水通量，因此，使用本公开的反渗透膜的反渗透过程能够产生比使用先前的反渗透膜的反渗透过程更大量的净化（例如过滤）水。
在以下详述中，参照构成其一部分的附图。附图通过图示说明的方式显示了如何实施本公开的一个或多个实施方案。
足够详细地描述了这些实施方案，以使本领域普通技术人员能够实施本公开的一个或多个实施方案。要理解的是，可以采用其它实施方案，并且在不背离本公开的范围的情况下可以进行机械、电子和/或工艺改变。
要理解的是，可以增加、交换、结合和/或消除本文中各种实施方案中显示的要素以提供许多本公开的附加实施方案。附图中提供的要素的比例和相对标度意在例示本公开的实施方案，不应视为具有限制意义。
本文中的附图遵循编号惯例，其中第一个数字或多个数字对应于附图编号，而其余数字标识该附图中的要素或组件。可以通过使用类似的数字来标识不同附图之间的类似要素或组件。例如，104可以参考图1中的要素“04”，并且类似的要素在图2中可以标记为204。
本文中所用的“一个”或“多个”某物可以是指一个或多个此类事物。例如，“多根纤维”可以是指一根或多根纤维。
图1显示了根据本公开的一个或多个实施方案的反渗透膜100的示意性结构的成角度透视图。反渗透膜100可以是反渗透水净化（例如过滤）系统的一部分（例如在其中使用）。例如，如本领域技术人员理解的那样，压力可用于迫使水穿过膜100，并且膜100可以在水流经该膜时从水中除去粒子。
例如，反渗透膜100可用于从水中除去可能有害的污染物，如重金属（例如砷、汞、铅、镉等等）和/或农药残留物。此外，膜100可以是使用点水净化系统的一部分，如用于过滤住宅的自来水和/或饮用水的住宅（例如家用）水净化系统。但是，本公开的实施方案不限于膜100的特定类型的用途或应用。
如图1中所示，反渗透膜100可以包括聚合物材料102、非织造织物材料106、和在聚合物材料102与非织造织物材料106之间的纳米纤维材料104。例如，如图1中所示，纳米纤维材料104可以在非织造织物材料106上形成，聚合物材料102可以在纳米纤维材料104上形成。
在使用反渗透膜100的反渗透水净化过程中（例如在此过程中使用压力迫使水穿过膜100），聚合物材料102可以从水中选择性分离污染物，如重金属和/或农药残留物。纳米纤维材料104和非织造织物材料106可以为聚合物材料102提供机械支承。
聚合物材料102可以是交联的聚合物材料。例如，聚合物材料102可以是交联的聚酰胺材料。此外，聚合物材料102可以是薄材料，如本文中进一步描述的那样。
纳米纤维材料104可以是纳米纤维支架。例如，纳米纤维材料104可以是聚砜材料、聚醚砜材料、聚丙烯腈材料、聚酰胺材料、聚偏二氟乙烯材料或其混合物。如本文中进一步描述的那样（例如结合图2和3），纳米纤维材料104可以包括多根单独的纳米纤维。此外，如本文中进一步描述的那样，纳米纤维材料104可以是高度多孔的材料（例如具有高孔隙互连性）。
纳米纤维材料104可以通过例如在非织造织物材料106上静电纺丝该纳米纤维材料104而在非织造织物材料106上形成。例如，纳米纤维材料104可以采用以下静电纺丝条件在非织造织物材料106上形成：20千伏的施加电压，8重量%的聚砜/N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液，30微升/分钟的流量，和非织造织物材料106与喷丝头之间15厘米的距离。但是，本公开的实施方案不限于特定静电纺丝条件。
聚合物材料102可以采用例如界面聚合法在纳米纤维材料104上形成。界面聚合法可以包括例如通过在纳米纤维材料104的表面上喷洒胺单体溶液和酰基氯单体溶液而使多官能胺与多官能酰基氯在纳米纤维材料104的表面上反应。但是，本公开的实施方案不限于特定界面聚合法。
与本公开的反渗透膜（如图1中显示的膜100）不同，先前的反渗透膜可以包括在聚合物材料与非织造织物材料之间的聚合物材料（例如代替纳米纤维材料）。例如，先前的反渗透膜可以包括非织造织物材料、在非织造织物材料上的聚合物材料（例如代替纳米纤维材料）、和在该聚合物材料（例如由其支承的）上的聚合物材料。
但是，此类先前的反渗透膜的聚合物材料可能比纳米纤维材料（例如纳米纤维材料104）更致密和/或孔隙更少。例如，此类先前的反渗透膜的聚合物材料可以具有40-70微米（µm）的厚度，和小于50%的孔隙率。相反，反渗透膜100的纳米纤维材料104可以具有10-50µm的厚度，和60-80%的孔隙率。此外，纳米纤维材料104的每根单独的纳米纤维可以具有50-200纳米（nm）的直径。
由于反渗透膜100的纳米纤维材料104与先前的反渗透膜的聚合物材料相比不那么致密（例如更薄）和/或更多孔，膜100的聚合物材料102和非织造织物材料106可以比先前的反渗透膜的聚合物材料和非织造织物材料更薄和/或更多孔。例如，此类先前的反渗透膜的聚合物材料可以具有100-300 nm的厚度，而膜100的聚合物材料102可以具有40-100 nm的厚度。例如，在一些实施方案中，聚合物材料102可具有小于50 nm的厚度。此外，此类先前的反渗透膜的非织造织物材料可具有100 μm的厚度和20-30%的孔隙率，而非织造织物材料106可具有30-100 μm的厚度和30-50%的孔隙率。
由于反渗透膜100的聚合物材料102、纳米纤维材料104和非织造织物材料106分别与先前的反渗透膜的聚合物材料、聚合物材料和非织造织物材料相比不那么致密（例如更薄）和/或更多孔，反渗透膜100可以具有比先前的反渗透膜更高的水通量。例如，反渗透膜100的水通量可以是先前的反渗透膜的水通量的超过两倍。
由于反渗透膜100的水通量可以高于先前的反渗透膜的水通量，反渗透膜100可以比先前的反渗透膜产生更大量的净化（例如过滤）水。例如，膜100可以比先前的反渗透膜产生更少的废水和/或具有更高的水回收率。
此外，由于反渗透膜100的聚合物材料102、纳米纤维材料104和非织造织物材料106分别与先前的反渗透膜的聚合物材料、聚合物材料和非织造织物材料相比不那么致密和/或更多孔（例如由于膜100可以具有比先前的反渗透膜更高的水通量），膜100可以在比先前的反渗透膜更低的压力下运行。例如，迫使水穿过膜100所需的压力量可以小于迫使水穿过先前的反渗透膜所需的压力量。因此，膜100的运行（例如在反渗透水净化过程中）可以比先前的反渗透膜的运行更便宜和/或使用更少能量。
图2显示了本公开的一个或多个实施方案的反渗透膜的纳米纤维材料204的图像。图2中所示图像是纳米纤维材料204的扫描电子显微镜（SEM）图像。
纳米纤维材料204可以是例如先前结合图1描述的反渗透膜100的纳米纤维材料104。例如，图2中所示图像可以是已经在该膜的非织造织物材料上形成纳米纤维材料204之后，但在纳米纤维材料204上形成聚合物材料之前该反渗透膜的顶视图。
如前所述（例如结合图1），纳米纤维材料204可以是纳米纤维支架，如聚砜材料、聚醚砜材料、聚丙烯腈材料、聚酰胺材料、聚偏二氟乙烯材料或其混合物。如图2中所示，纳米纤维材料204可以包括多根单独的纳米纤维。例如，纳米纤维材料204的每根单独的纳米纤维可具有50-200 nm的直径。此外，纳米纤维材料204可以具有10-50 μm的厚度和60-80%的孔隙率。因此，如前所述，纳米纤维材料204可以是具有低密度的高度多孔的材料。
图3显示了本公开的一个或多个实施方案的反渗透膜的聚合物材料302和纳米纤维材料304的图像。图3中所示图像是聚合物材料302和纳米纤维材料304的扫描电子显微镜（SEM）图像。
聚合物材料302和纳米纤维材料304可以分别是先前结合图1所描述的反渗透膜100的聚合物材料102和纳米纤维材料104。例如，图3中所示的图像可以是已经在纳米纤维材料304上形成聚合物材料302之后的反渗透膜的截面图。如前所述，纳米纤维材料304可以是具有低密度的高度多孔的材料。
如前所述（例如结合图1），聚合物材料302可以是交联的聚合物材料，如交联的聚酰胺材料。此外，如前所述，聚合物材料302可以具有40-100 nm的厚度。因此，如前所述，聚合物材料302可以是薄的多孔材料。因此，如前所述，包括聚合物材料302和纳米纤维材料304的反渗透膜可具有高水通量并在低压力下运行。
尽管在本文中已经例示和描述了特定实施方案，但本领域普通技术人员将理解，经计算以实现相同技术的任何布置可以替代所示的特定实施方案。本公开意在覆盖本公开的各种实施方案的任何和所有修改或变化。
要理解的是，上面的描述以说明方式进行，而非限制性方式。在阅读以上描述后，上述实施方案的组合以及未在本文中具体描述的其它实施方案对本领域技术人员而言将是显而易见的。
本公开的各种实施方案的范围包括使用上述结构和方法的任何其它应用。因此，应当参考所附权利要求以及此类权利要求所赋予的等效方案的全部范围来确定本公开的各种实施方案的范围。
在前面的详述中，出于简化本公开的目的，在附图中示出的示例性实施方案中将各种特征组合在一起。本公开的方法不应解释为反映本公开的实施方案需要比各权利要求中明确记载的更多特征的意图。
相反，如以下权利要求所反映的那样，发明主题在于小于单个公开的实施方案的所有特征。因此，下面的权利要求在此并入详述，各权利要求自身作为单独的实施方案。
Claims (10)
1.反渗透膜，包括：
聚合物材料；
非织造织物材料；和
在所述聚合物材料与所述非织造织物材料之间的纳米纤维材料。
2.权利要求1的反渗透膜，其中所述聚合物材料是交联的聚酰胺材料。
3.权利要求1的反渗透膜，其中所述纳米纤维材料是纳米纤维支架。
4.权利要求1的反渗透膜，其中所述纳米纤维材料是聚砜材料。
5.权利要求1的反渗透膜，其中所述纳米纤维材料是聚丙烯腈材料。
6.权利要求1的反渗透膜，其中所述纳米纤维材料是聚醚砜材料。
7.权利要求1的反渗透膜，其中所述纳米纤维材料是聚偏二氟乙烯材料。
8.权利要求1的反渗透膜，其中所述纳米纤维材料是聚酰胺材料。
9.权利要求1的反渗透膜，其中：
所述纳米纤维材料具有10-50微米的厚度和60-80%的孔隙率；并且
所述纳米纤维材料包括多根纳米纤维，其中所述多根纳米纤维各自具有50-200纳米的直径。
10.权利要求1的反渗透膜，其中所述聚合物材料具有40-100纳米的厚度。
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2016
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