CN113117523B - 正渗透提取材料、其制备方法及使用其的正渗透水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种用于正渗透的提取材料，包括：第一离子化合物、第二离子化合物、以及第三离子化合物，三者具有化学式{K[A+(R1)(R2)(R3)]p}(X‑)c(Y‑)d。第一离子化合物中的X‑与Y‑相同，第二离子化合物中的X‑与Y‑相同，第一离子化合物中的X‑与第二离子化合物中的X‑不同，第三离子化合物中的X‑与Y‑不同，第三离子化合物中的X‑为第一离子化合物中的X‑或第二离子化合物中的X‑，第三离子化合物中的Y‑为第一离子化合物中的Y‑或第二离子化合物中的Y‑。本公开另提供一种提取材料的制备方法，以及使用其的正渗透水淡化系统。
Description
【技术领域】
本公开涉及一种提取材料，特别是涉及一种用于正渗透的混掺型提取材料。
【背景技术】
正渗透(forward osmosis，FO)脱盐技术是藉由薄膜两端的渗透压差为驱动力，将低盐度(低渗透压)进水(feed water)端的水吸引至高盐度(高渗透压)提取液(drawsolution)端，而被过膜水稀释的提取液再藉由各种分离方法进行提取液的回收、浓缩以及产生纯水。
正渗透技术的关键包括适当的薄膜、提取液，以及提取液与纯水的分离方法。近年来，许多业者使用具有温敏特性的材料作为正渗透提取液以利于后续分离，例如具有最高临界溶解温度(upper critical solution temperature，UCST)或最低临界溶解温度(lower critical solution temperature，LCST)特性的提取液材料。此类提取液在正渗透操作中提供渗透压，在正渗透操作后，利用温度调控，可使提取液与水分离。然而，一般分离后的水层溶液仍含有10-15％左右的提取液，此残留量将不利于降低正渗透系统操作成本及影响产水水质。
为让系统操作达到最佳效能与最低能耗，正渗透操作系统需适时调整提取材料特性，如材料的热响应温度、富含水相(water-rich)的溶质残留浓度等。
【发明内容】
根据本公开的一实施方案，提供一种用于正渗透的提取材料，包括：第一离子化合物、第二离子化合物、以及第三离子化合物。上述第一离子化合物、上述第二离子化合物、以及上述第三离子化合物具有下列化学式(I)：
{K[A+(R1)(R2)(R3)]p}(X-)c(Y-)d (I)
在化学式(I)中，R1-R3独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，K包括C1-15烷基，其两端与[A+(R1)(R2)(R3)]连接，p＝2，c+d＝2，以及X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H，其中上述第一离子化合物中的X-与Y-相同，上述第二离子化合物中的X-与Y-相同，且上述第一离子化合物中的X-与上述第二离子化合物中的X-不同。上述第三离子化合物中的X-与Y-不同，且上述第三离子化合物中的X-为上述第一离子化合物中的X-或上述第二离子化合物中的X-，上述第三离子化合物中的Y-为上述第一离子化合物中的Y-或上述第二离子化合物中的Y-。
根据本公开的一实施方案，提供一种正渗透水淡化系统，包括：进料单元，包括进料端与提取液端，以半透膜区分上述进料端与上述提取液端，其中上述进料端包括原水，上述提取液端包括上述提取材料；相分离单元，与上述进料单元连接，上述相分离单元包括水层与离子液体层，其中上述提取材料在上述离子液体层中的浓度大于其在上述水层中的浓度；以及回收单元，与上述相分离单元连接，过滤上述水层，以回收纯水。
根据本公开的一实施方案，提供一种提取材料的制备方法，包括：提供上述第一离子化合物；提供上述第二离子化合物；以及混掺上述第一离子化合物与上述第二离子化合物，以制备提取材料，其中上述第一离子化合物与上述第二离子化合物的摩尔比为0.05:0.95-0.95:0.05。
为让正渗透(FO)系统操作达到最佳效能与最低能耗，本公开以简易混掺温敏离子化合物的方式，快速调整提取材料的特性。因离子化合物中的离子对具有在水中解离、重新成对的特性，使得混掺后的提取材料可重新重组形成新的配方组成，而此新的配方组成将具有调整提取材料相变温度及降低富水相中提取材料残留量的功效。
为让本公开的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举优选实施方案，并配合所附的图式，作详细说明如下。
【附图说明】
图1为根据本公开一实施方案的一种正渗透水淡化系统的示意图。
【符号说明】
10:正渗透水淡化系统
12:进料单元
14:相分离单元
15:提取液槽
16:回收单元
18:进料端
19:原水
20:提取液端
21:离子液体
22:半透膜
23:渗透方式
24:提取材料
26:水层
28:离子液体层
30:纯水
32:薄膜
33:过滤步骤
【具体实施方式】
根据本公开的一实施方案，提供一种用于正渗透的提取材料，包括：第一离子化合物、第二离子化合物、以及第三离子化合物。上述第一离子化合物、上述第二离子化合物、以及上述第三离子化合物具有下列化学式(I)。
{K[A+(R1)(R2)(R3)]p}(X-)c(Y-)d(I)
在化学式(I)中，R1-R3独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，K包括C1-15烷基，其两端与[A+(R1)(R2)(R3)]连接，p＝2，c+d＝2，以及X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。上述第一离子化合物中的X-与Y-相同，上述第二离子化合物中的X-与Y-相同，且上述第一离子化合物中的X-与上述第二离子化合物中的X-不同。上述第三离子化合物中的X-与Y-不同，且上述第三离子化合物中的X-为上述第一离子化合物中的X-或上述第二离子化合物中的X-，上述第三离子化合物中的Y-为上述第一离子化合物中的Y-或上述第二离子化合物中的Y-。
在部分实施方案中，上述第一离子化合物与上述第二离子化合物可包括
在部分实施方案中，上述第三离子化合物可包括
在部分实施方案中，本公开用于正渗透的提取材料还包括第四离子化合物，具有下列化学式(II)。
[A+(R1)(R2)(R3)(R4)]n(X-)a (II)
在化学式(II)中，R1-R4独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，n＝1，a＝1，以及X-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
在部分实施方案中，上述第四离子化合物可包括
在部分实施方案中，本公开用于正渗透的提取材料还包括第五离子化合物，具有下列化学式(III)。
在化学式(III)中，R1-R5独立地包括直链或支链的C1-12烷基，X-、Y-独立地包括有机或无机的阴离子，以及e+f＝1。在部分实施方案中，X-与Y-可包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
在部分实施方案中，本公开提取材料的相变温度大约为20-50℃。
请参阅图1，根据本公开的一实施方案，提供一种正渗透水淡化系统10。图1为正渗透水淡化系统10的示意图。
如图1所示，正渗透水淡化系统10包括进料单元12、相分离单元14、提取液槽15、以及回收单元16。进料单元12与相分离单元14连接，相分离单元14与提取液槽15以及回收单元16连接，提取液槽15与进料单元12连接，以及回收单元16与提取液槽15连接。进料单元12包括进料端18与提取液端20，以半透膜22区分进料端18与提取液端20。进料端18包括原水19，提取液端20包括提取材料24。相分离单元14包括水层26与离子液体层28。提取材料24在离子液体层28中的浓度大于提取材料24在水层26中的浓度。回收单元16过滤水层26，以回收纯水30。在部分实施方案中，原水19可包括盐水、海水、废水或药物/食品浓缩物。
在部分实施方案中，提取材料24包括第一离子化合物、第二离子化合物、以及第三离子化合物。上述第一离子化合物、上述第二离子化合物、以及上述第三离子化合物具有下列化学式(I)：
{K[A+(R1)(R2)(R3)]p}(X-)c(Y-)d (I)
在化学式(I)中，R1-R3独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，K包括C1-15烷基，其两端与[A+(R1)(R2)(R3)]连接，p＝2，c+d＝2，以及X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。上述第一离子化合物中的X-与Y-相同，上述第二离子化合物中的X-与Y-相同，且上述第一离子化合物中的X-与上述第二离子化合物中的X-不同。上述第三离子化合物中的X-与Y-不同，且上述第三离子化合物中的X-为上述第一离子化合物中的X-或上述第二离子化合物中的X-，上述第三离子化合物中的Y-为上述第一离子化合物中的Y-或上述第二离子化合物中的Y-。
在部分实施方案中，上述第一离子化合物与上述第二离子化合物可包括
在部分实施方案中，上述第三离子化合物可包括
在部分实施方案中，提取材料24还包括第四离子化合物，具有下列化学式(II)。
[A+(R1)(R2)(R3)(R4)]n(X-)a (II)
在化学式(II)中，R1-R4独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，n＝1，a＝1，以及X-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
在部分实施方案中，上述第四离子化合物可包括
在部分实施方案中，提取材料24还包括第五离子化合物，具有下列化学式(III)。
在化学式(III)中，R1-R5独立地包括直链或支链的C1-12烷基，X-、Y-独立地包括有机或无机的阴离子，以及e+f＝1。在部分实施方案中，X-与Y-可包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
在部分实施方案中，提取材料24的相变温度大约为20-50℃。
在部分实施方案中，在相分离单元14中，提取材料24在水层26中的浓度大约小于10％。在部分实施方案中，在相分离单元14中，提取材料24在离子液体层28中的浓度大约为10-70％。在部分实施方案中，相分离单元14的操作温度大约为20-50℃。在部分实施方案中，回收单元16还包括薄膜32，以过滤自相分离单元14中导入的水层26，获得纯水30。在部分实施方案中，薄膜32可包括超过滤(ultrafiltration，UF)薄膜、纳米过滤(nanofiltration，NF)薄膜、或逆渗透(reverse osmosis，RO)薄膜。
请参阅图1，进一步说明正渗透水淡化系统10的运作流程。将原水19导入进料单元12中的进料端18，以及将包含提取材料24的离子液体21导入进料单元12中的提取液端20。此时，原水19中的水分子因渗透压差以渗透方式23穿过半透膜22进入提取液端20，与离子液体21混合形成提取液。提取液续进入相分离单元14，在特定温度例如20-50℃下，提取液分离为水层26与离子液体层28。此时，提取材料24在离子液体层28中的浓度大于提取材料24在水层26中的浓度。相分离单元14中的水层26与离子液体层28续流向不同单元。水层26进入回收单元16，含高浓度提取材料24的离子液体层28则进入提取液槽15，再回流至进料单元12中的提取液端20。回收单元16藉由薄膜32对导入的水层26进行过滤步骤33，以获得纯水30。水层26中的提取材料24则进入提取液槽15，再回流至进料单元12中的提取液端20。
根据本公开的一实施方案，提供一种提取材料的制备方法，包括：提供第一离子化合物；提供第二离子化合物；以及混掺上述第一离子化合物与上述第二离子化合物，以制备提取材料。上述第一离子化合物与上述第二离子化合物的摩尔比为0.05:0.95-0.95:0.05。例如可为约0.15:0.85-0.85:0.15、约0.25:0.75-0.75:0.25、约0.33:0.67-0.67:0.33、约0.15:0.85、0.20:0.80、约0.3:0.7、约0.4:0.6、约0.5:0.5、约0.6:0.4、约0.7:0.3、约0.85:0.15等，但不限于此。上述第一离子化合物以及上述第二离子化合物具有下列化学式(I)。
{K[A+(R1)(R2)(R3)]p}(X-)c(Y-)d(I)
在化学式(I)中，R1-R3独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，K包括C1-15烷基，其两端与[A+(R1)(R2)(R3)]连接，p＝2，c+d＝2，以及X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
在部分实施方案中，上述第一离子化合物与上述第二离子化合物可包括
在部分实施方案中，上述第一离子化合物与上述第二离子化合物的摩尔比大约为0.15:0.85-0.85:0.15。例如可为约0.25:0.75-0.75:0.25、约0.33:0.67-0.67:0.33、约0.3:0.7、约0.4:0.6、约0.5:0.5、约0.6:0.4、约0.7:0.3等，但不限于此。
在部分实施方案中，本公开提取材料的制备方法还包括混掺具有下列化学式(II)的第四离子化合物。
[A+(R1)(R2)(R3)(R4)]n(X-)a (II)
在化学式(II)中，R1-R4独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，n＝1，a＝1，以及X-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
在部分实施方案中，上述第四离子化合物可包括
在部分实施方案中，上述第一离子化合物、上述第二离子化合物与上述第四离子化合物的摩尔比大约为0.05-0.90:0.05-0.90:0.05-0.90。例如可为约0.10-0.80:0.10-0.80:0.10-0.80、约0.15-0.70:0.15-0.70:0.15-0.70、约0.20-0.60:0.20-0.60:0.20-0.60、约0.10:0.10:0.80、约0.10:0.15:0.75、约0.15:0.15:0.70、约0.20:0.10:0.70、约0.20:0.20:0.60、约0.30:0.20:0.50、约0.30:0.30:0.4、约0.40:0.30:0.30、约0.50:0.30:0.20、约0.60:0.20:0.20、约0.70:0.10:0.20、约0.75:0.15:0.10、约0.80:0.10:0.10等，但不限于此。在部分实施方案中，上述第一离子化合物、上述第二离子化合物与上述第四离子化合物的摩尔比大约为0.10-0.80:0.10-0.80:0.10-0.80。例如可为约0.15-0.70:0.15-0.70:0.15-0.70、约0.20-0.60:0.20-0.60:0.20-0.60、约0.30-0.40:0.30-0.40:0.30-0.40、约0.15:0.15:0.70、约0.20:0.20:0.60、约0.30:0.20:0.50、约0.30:0.30:0.4、约0.40:0.30:0.30、约0.50:0.30:0.20、约0.60:0.20:0.20等，但不限于此。
在部分实施方案中，本公开提取材料的制备方法还包括混掺具有下列化学式(III)的第五离子化合物。
在化学式(III)中，R1-R5独立地包括直链或支链的C1-12烷基，X-、Y-独立地包括有机或无机的阴离子，以及e+f＝1。在部分实施方案中，X-与Y-可包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
在部分实施方案中，上述第一离子化合物、上述第二离子化合物与上述第五离子化合物的摩尔比大约为0.05-0.90:0.05-0.90:0.05-0.90。例如可为约0.10-0.80:0.10-0.80:0.10-0.80、约0.15-0.70:0.15-0.70:0.15-0.70、约0.20-0.60:0.20-0.60:0.20-0.60、约0.10:0.10:0.80、约0.10:0.15:0.75、约0.15:0.15:0.70、约0.20:0.10:0.70、约0.20:0.20:0.60、约0.30:0.20:0.50、约0.30:0.30:0.4、约0.40:0.30:0.30、约0.50:0.30:0.20、约0.60:0.20:0.20、约0.70:0.10:0.20、约0.75:0.15:0.10、约0.80:0.10:0.10等，但不限于此。在部分实施方案中，上述第一离子化合物、上述第二离子化合物与上述第五离子化合物的摩尔比大约为0.10-0.80:0.10-0.80:0.10-0.80。例如可为约0.15-0.70:0.15-0.70:0.15-0.70、约0.20-0.60:0.20-0.60:0.20-0.60、约0.30-0.40:0.30-0.40:0.30-0.40、约0.15:0.15:0.70、约0.20:0.20:0.60、约0.30:0.20:0.50、约0.30:0.30:0.4、约0.40:0.30:0.30、约0.50:0.30:0.20、约0.60:0.20:0.20等，但不限于此。
在部分实施方案中，上述提取材料的相变温度大约为20-50℃。
为让正渗透(FO)系统操作达到最佳效能与最低能耗，本公开以简易混掺温敏离子化合物的方式，快速调整提取材料的特性。因离子化合物中的离子对具有在水中解离、重新成对的特性，使得混掺后的提取材料可重新重组形成新的配方组成，而此新的配方组成将具有调整提取材料相变温度及降低富水相中提取材料残留量的功效。
实施例1
混掺型提取材料的制备
(1)1,8-辛烷二基-双(三正丁基磷)二(对甲苯磺酸盐)(P2-TOS)的制备
首先，依下列步骤合成1,8-辛烷二基-双(三正丁基磷)二溴化物(1,8-octanediyl-bis(tri-n-butylphosphonium)dibromide)(简称P2-Br)：
取500mL圆底反应瓶，置入80g的三丁基膦(tributylphosphine)(0.4mol)与48.9g的1,8-二溴辛烷(1,8-dibromooctane)(0.18mol)，再加入150mL丙酮，于40℃下以磁石搅拌48小时。反应结束后，将上述溶液慢慢滴入1.5L乙醚内。过滤得到白色粉末固体，再以乙醚清洗数次。将清洗后的白色固体于真空下干燥，得到117g的产物P2-Br。
接着，进行下列步骤以合成1,8-辛烷二基-双(三正丁基磷)二(对甲苯磺酸盐)(1,8-octanediyl-bis(tri-n-butylphosphonium)di(p-toluenesulfonate))(简称P2-TOS)：
先将P2-Br用离子交换树脂转换成P2-OH(1,8-octanediyl-bis(tri-n-butylphosphonium)dihydroxide)，取266.87g浓度30.9％的P2-OH(0.15mol)与57.07g的对甲苯磺酸一水合物(p-Toluenesulfonic acid monohydrate)(0.3mol)溶于300g的去离子水中，于室温下搅拌12小时。反应结束后，加入300mL乙酸乙酯进行萃取且重复二次。将清洗后的有机层于30℃下进行真空浓缩，得到约116g的产物P2-TOS。产物P2-TOS经由NMR测定(1H-NMR,500MHz in D2O):0.81(t,18H,CH3CH2-),1.09(m,4H,-CH2-),1.1-1.5(m,32H,-CH2-),1.9-2.1(t,16H,PCH2-),2.25(s,6H,Ar-CH3),7.21(d,4H,ArH),7.58(d,4H,ArH)。
(2)1,8-辛烷二基-双(三正丁基磷)二(2,4,6-三甲基-苯磺酸盐)(P2-TMBS)的制备
依下列步骤合成1,8-辛烷二基-双(三正丁基磷)二(2,4,6-三甲基-苯磺酸盐)(1,8-octanediyl-bis(tri-n-butylphosphonium)di(2,4,6-trimethyl-benzenesulfonate))(简称P2-TMBS)：
先将P2-Br用离子交换树脂转换成P2-OH(1,8-octanediyl-bis(tri-n-butylphosphonium)dihydroxide)，取498.20g浓度30.9％的P2-OH(0.28mol)与132.32g的2,4,6-三甲基-苯磺酸(2-Mesitylenesulfonic acid dihydrate)(0.56mol)溶于700g的去离子水中，于室温下搅拌12小时。反应结束后，加入500mL乙酸乙酯进行萃取一次，收集上层乙酸乙酯层。将有机层于30℃下进行真空浓缩，得到约244g的产物P2-TMBS。产物P2-TMBS经由NMR测定(1H-NMR,500MHz in D2O):0.8(t,18H,CH3CH2-),1.09(m,4H,-CH2-),1.1-1.5(m,32H,-CH2-),1.9-2.0(t,16H,PCH2-),2.12(s,6H,Ar-CH3),2.25(s,12H,Ar-CH3),6.88(s,4H,ArH)。
(3)P2-TOS与P2-TMBS混掺
选择P2-TOS与P2-TMBS两种不同结构的离子化合物进行混掺，混掺比例(摩尔比)分别为1:0.67、1:1以及1:2，如表1所示。
表1
实施例2
混掺型提取材料的特性验证
针对P2-TOS、P2-TMBS以及P2-TOS与P2-TMBS不同混掺比例的提取材料分别进行相分离温度测试、渗透压测定。相分离温度测试结果如表2所示。表2为P2-TOS、P2-TMBS以及P2-TOS与P2-TMBS不同混掺比例的提取材料，在不同浓度下的相变温度比较。上述材料于室温下(25℃)为均一相，升高温度后开始产生相分离现象。材料P2-TOS亲水性大于P2-TMBS，需要在较高温度下才能产生相分离，对于P2-TOS与P2-TMBS不同混掺比例的提取材料，其呈现的相分离温度为P2-TOS与P2-TMBS之间，且随着P2-TOS混掺比例的减少，相分离温度也略为下降。由表2的结果可验证本公开混掺型提取材料在低温时即可产生相分离。
表2
注意:×表示无测量
此外，以冰点下降法分析P2-TOS、P2-TMBS以及P2-TOS与P2-TMBS不同混掺比例的提取材料在不同浓度下的渗透压，如表3所示。当P2-TOS与P2-TMBS以1:1(摩尔比)的比例混掺时，50％浓度时的渗透压值为3.534osmol/kg，约为海水的3倍；当P2-TOS与P2-TMBS以1:2(摩尔比)的比例混掺时，50％浓度时的渗透压值为2.775osmol/kg，约为海水的2.3倍。P2-TOS混掺P2-TMBS后，以混掺比例1:2为例，在50％浓度条件下，混掺材料的渗透压仍能达到单纯P2-TOS的0.76倍左右，显示本公开混掺型提取材料有相当对水的提取能力。
表3
实施例3
混掺型提取材料的水通量验证
使用DOW FILMTEC公司生产的薄膜(TW30-1812-100HR)。薄膜有效面积为64cm2，使用RO帮浦输送进水端及提取液端溶液，扫流速率为25cm/s，记录进水端与提取液端的重量及导电度变化。
本实施例分别对P2-TOS以及P2-TOS与P2-TMBS混掺型提取材料(混掺比例为1:2)进行正渗透水通量验证。实验显示P2-TOS的平均水通量约为2.0LMH，本公开混掺型材料的水通量约在1.3-1.7LMH之间，平均约为1.4LMH，显示已接近P2-TOS的通量值。
实施例4
相分离后(富水层)提取材料残留浓度分析
提取液于升温形成相分离后，绝大部分的提取材料存留在富离子液体层中，仅少部分提取材料残留在富水层中。本实施例进行P2-TOS、P2-TMBS以及P2-TOS与P2-TMBS不同混掺比例的提取材料，在50％浓度下，分别于25℃、30℃、35℃、40℃、45℃形成相分离后富水层中提取材料的残留浓度分析，结果载于表4。表4显示若P2-TOS与P2-TMBS以1:1(摩尔)混掺，于35℃(△T＝7℃)环境下，提取材料于富水层中的残留浓度可降至9.3％；而若P2-TOS与P2-TMBS以1:2(摩尔)混掺，于30℃(△T＝5℃)环境下，提取材料于富水层中的残留浓度可进一步降至8.6％。
表4
残留量计算:使用NMR内订浓度分析*:无相分离×:未进行实验分析
由上述特性分析可知，P2-TOS提取材料的渗透压及水通量均较高，虽本公开混掺型提取材料的渗透压约是P2-TOS的0.76倍，水通量约是P2-TOS的0.7倍左右；然而，就提取材料在富水层中的残留量而言，当浓度50％、40℃环境下，两者提取材料的残留量分别为16.1％与6.2％，以后续纳米薄膜分离操作而言，相较于6.2％提取材料的残留量，对于残留浓度达16.1％的水层进行分离取水的操作压力至少需增加10kg/cm2左右。
就整体能耗而言，本公开混掺型提取材料虽在前端水通量表现上略低，但在后端提取液相分离温度以及纳米薄膜产水操作程序的能耗上更具优势，两相权衡下，P2-TOS与P2-TMBS混掺型提取材料在正渗透提取应用上确实可降低整体操作能耗与成本。
实施例5
TOS-P2-TMBS特性验证并与混掺型提取材料的比较
表5是TOS-P2-TMBS(合成型)以及P2-TOS与P2-TMBS混掺(1:1)提取材料，在不同浓度下相变温度的比较。结果显示，两者相变温度相近。
表6是TOS-P2-TMBS(合成型)以及P2-TOS与P2-TMBS混掺(1:1)提取材料，在50％浓度下，于30℃、35℃、40℃、45℃形成相分离后富水层中提取材料的残留浓度分析。结果显示两者残留浓度相当接近，此即表示通过简单混掺方式所形成的提取材料，其在调整相变温度及有效降低提取材料于富水层中残留量方面有其优势与竞争力。
表5
表6
实施例6
混掺型提取材料的特性验证
针对P1-Mal、P2-TOS、P2-TMBS以及P2-TOS、P2-TMBS与P1-Mal不同混掺比例的提取材料分别进行相分离温度测试。相分离温度测试结果如表7所示。表7为P1-Mal、P2-TOS、P2-TMBS以及P2-TOS、P2-TMBS与P1-Mal不同混掺比例的提取材料，在不同浓度下的相变温度比较。材料P2-TOS亲水性大于P1-Mal、P2-TMBS，需要在较高温度下才能产生相分离，对于P2-TOS、P2-TMBS与P1-Mal不同混掺比例的提取材料，其呈现的相分离温度为P2-TOS与P2-TMBS之间，且随着P2-TOS混掺比例的减少，相分离温度也略为下降。由表7的结果可验证本公开混掺型提取材料在低温时即可产生相分离。
表7
注意:×表示无测量
实施例7
混掺型提取材料的能耗与成本估算
本实施例进行P2-TOS以及P2-TOS与P2-TMBS不同混掺比例的提取材料，在50％浓度下，于40℃形成相分离后富水层中提取材料的残留浓度分析，以及后端纳米薄膜的分离能耗及其电力成本的估算，结果载于表8。表8显示若P2-TOS与P2-TMBS以1:1(摩尔)混掺，提取材料于富水层中的残留浓度可降至7.7％；而若P2-TOS与P2-TMBS以1:2(摩尔)混掺，提取材料于富水层中的残留浓度可进一步降至6.2％，且后端纳米薄膜的分离能耗及其电力成本均大幅下降。
表8
上述实施例的特征有利于本领域技术人员理解本发明。本领域技术人员应理解可采用本发明作基础，设计并变化其他制程与结构以完成上述实施例的相同目的及/或相同优点。本领域技术人员亦应理解，这些等效置换并未脱离本发明精神与范畴，并可在未脱离本发明的精神与范畴的前提下进行改变、替换、或更动。
Claims (22)
1.一种用于正渗透的提取液的材料，包括：
第一离子化合物；
第二离子化合物；以及
第三离子化合物，其中该第一离子化合物、该第二离子化合物与该第三离子化合物具有下列化学式(I)：
{K[A+(R1)(R2)(R3)]p}(X-)c(Y-)d (I)，
其中R1-R3独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，K包括C1-15烷基，其两端与[A+(R1)(R2)(R3)]连接，p＝2，c+d＝2，以及X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H，
其中该第一离子化合物中的X-与Y-相同，该第二离子化合物中的X-与Y-相同，且该第一离子化合物中的X-与该第二离子化合物中的X-不同，
该第三离子化合物中的X-与Y-不同，且该第三离子化合物中的X-为该第一离子化合物中的X-或该第二离子化合物中的X-，该第三离子化合物中的Y-为该第一离子化合物中的Y-或该第二离子化合物中的Y-。
2.如权利要求1所述的用于正渗透的提取液的材料，其中该第一离子化合物与该第二离子化合物包括
3.如权利要求1所述的用于正渗透的提取液的材料，其中该第三离子化合物包括
4.如权利要求1所述的用于正渗透的提取液的材料，还包括第四离子化合物，具有下列化学式(II)：
[A+(R1)(R2)(R3)(R4)]n(X-)a (II)，
其中R1-R4独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，n＝1，a＝1，以及X-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
5.如权利要求4所述的用于正渗透的提取液的材料，其中该第四离子化合物包括
6.如权利要求1所述的用于正渗透的提取液的材料，还包括第五离子化合物，具有下列化学式(III)：
其中R1-R5独立地包括直链或支链的C1-12烷基，X-、Y-独立地包括有机或无机的阴离子，以及e+f＝1。
7.如权利要求6所述的用于正渗透的提取液的材料，其中化学式(III)中，X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
8.如权利要求1所述的用于正渗透的提取液的材料，其中该用于正渗透的提取液的材料的相变温度为20-50℃。
9.一种正渗透水淡化系统，包括：
进料单元，包括进料端与提取液端，以半透膜区分该进料端与该提取液端，其中该进料端包括原水，该提取液端包括如权利要求1所述的用于正渗透的提取液的材料；
相分离单元，与该进料单元连接，该相分离单元包括水层与离子液体层，其中该用于正渗透的提取液的材料在该离子液体层中的浓度大于其在该水层中的浓度；以及
回收单元，与该相分离单元连接，过滤该水层，以回收纯水。
10.如权利要求9所述的正渗透水淡化系统，其中在该相分离单元中，该用于正渗透的提取液的材料在该水层中的浓度小于10％。
11.如权利要求9所述的正渗透水淡化系统，其中在该相分离单元中，该用于正渗透的提取液的材料在该离子液体层中的浓度为10-70％。
12.如权利要求9所述的正渗透水淡化系统，其中该相分离单元的操作温度为20-50℃。
13.如权利要求9所述的正渗透水淡化系统，其中该回收单元还包括薄膜，以过滤自该相分离单元中导入的该水层。
14.一种用于正渗透的提取液的材料的制备方法，包括：
提供第一离子化合物与第二离子化合物，其中该第一离子化合物与该第二离子化合物具有下列化学式(I)：
{K[A+(R1)(R2)(R3)]p}(X-)c(Y-)d (I)，
其中R1-R3独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，K包括C1-15烷基，其两端与[A+(R1)(R2)(R3)]连接，p＝2，c+d＝2，以及X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H，其中该第一离子化合物中的X-与Y-相同，该第二离子化合物中的X-与Y-相同，且该第一离子化合物中的X-与该第二离子化合物中的X-不同；以及
混掺该第一离子化合物与该第二离子化合物，以制备用于正渗透的提取液的材料，其中该第一离子化合物与该第二离子化合物的摩尔比为0.05:0.95-0.95:0.05。
15.如权利要求14所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，其中该第一离子化合物与该第二离子化合物的摩尔比为0.15:0.85-0.85:0.15。
16.如权利要求14所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，还包括混掺第四离子化合物，具有下列化学式(II)：
[A+(R1)(R2)(R3)(R4)]n(X-)a (II)，
其中R1-R4独立地包括直链或支链的C1-12烷基，A包括磷或氮，n＝1，a＝1，以及X-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3-、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
17.如权利要求14所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，还包括混掺第五离子化合物，具有下列化学式(III)：
其中R1-R5独立地包括直链或支链的C1-12烷基，X-、Y-独立地包括有机或无机的阴离子，以及e+f＝1。
18.如权利要求17所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，其中化学式(III)中，X-与Y-包括CH3SO3 -、I-、CF3COO-、SCN-、BF4 -、CF3SO3 -、PF6 -、FeCl4 -、
其中R4为-CH2COOH或-(CH2)4-NH2，R5与R6为H或CH3，R7为-CH(CH3)2、-(CH2)2-CH(CH3)2、-CH(CH3)-CH2-CH3、或-CH2-C6H5，R8为CH3或H。
19.如权利要求16所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，其中该第一离子化合物、该第二离子化合物与该第四离子化合物的摩尔比为0.05-0.90:0.05-0.90:0.05-0.90。
20.如权利要求16所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，其中该第一离子化合物、该第二离子化合物与该第四离子化合物的摩尔比为0.10-0.80:0.10-0.80:0.10-0.80。
21.如权利要求17所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，其中该第一离子化合物、该第二离子化合物与该第五离子化合物的摩尔比为0.05-0.90:0.05-0.90:0.05-0.90。
22.如权利要求17所述的用于正渗透的提取液的材料的制备方法，其中该第一离子化合物、该第二离子化合物与该第五离子化合物的摩尔比为0.10-0.80:0.10-0.80:0.10-0.80。
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