TWI586681B - 用於正滲透程序的離子液體與正滲透程序 - Google Patents
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Description
本揭露關於正滲透所用之提取液溶質(離子液體)。
正滲透(forward osmosis,FO)脫鹽程序的技術原理是利用半透膜兩端溶液或溶質間的滲透壓差作為驅動力，即是使低滲透壓之進水(feed water)端的水，滲透穿過半透膜至高滲透壓之提取液(draw solution)端。而穿過半透膜的水與提取液之混合溶液，可藉由各種分離濃縮的方式，使水與提取液產生分離，達到提取液的回收和產生純水。正滲透技術應用於水處理上之優點在於低耗能與低薄膜阻塞率，可大幅提升功能穩定性與成本效益。
提取液需具(1)高滲透壓(2)親水性佳和(3)易於分離等特點，其中又以提取液與過膜水的分離，以及提取液的回收是決定正滲透技術能耗的關鍵因素。目前有一些技術採用離子液體作為提取溶質(draw solute)，但其與水混合後的分離方式需加熱至35℃至50℃之間，使提取液中的離子液體與水分層。明顯地，上述方式存有加熱耗能的問題。
綜上所述，目前仍需新的提取溶質克服上述問題。
本揭露一實施例提供之用於正滲透程序的離子液
體，包括：、、或，其
中R1係C4-6之烷基；R2係C4-14之烷基；R3係C3-16之烷基；R4係
C1-8之烷基；係、CF3COO-、、
Br-、、、、
、或上述之組合，係HSO4 -、NO3 -、Cl-、或上述之組合。
本揭露一實施例提供之正滲透程序，以半透膜分隔提取液端與進水端；將離子液體置入提取液端；將鹽水置入進水端，且鹽水之滲透壓低於離子液體之滲透壓，鹽水中的純水滲透穿過半透膜，並進入提取液端與離子液體混合成提取液；自提取液端取出提取液；以及於室溫下靜置提取液，使提取液分層成水層與離子液體層。離子液體包括、
、或。R1係C4-6之烷基，R2係C4-14
之烷基，R3係C3-16之烷基，R4係C1-8之烷基。係、
CF3COO-、、Br-、
、或上述之組合。係HSO4 -、NO3 -、Cl-、或上述之組合。
11‧‧‧半透膜
13‧‧‧進水端
15‧‧‧提取液端
17‧‧‧鹽水
19‧‧‧離子液體
21‧‧‧純水
第1圖係本揭露一實施例中，正滲透程序的示意圖。
第2圖係本揭露一實施例中，混合液其離子液體濃度與滲透壓的關係圖。
第3圖係本揭露一實施例中，混合液其離子液體濃度與導電度的關係圖。
第4圖係本揭露一實施例中，進水端與提取液端之重量變化(水通量)與提取液端之導電度與時間的關係圖。
第5圖係本揭露一實施例中，採用不同離子液體之混合液其分層溫度與濃度的關係圖。
本揭露一實施例提供之正滲透程序，包括：以半透膜11分隔進水端13與提取液端15，如第1圖所示。接著將鹽水17置入進水端13，並將離子液體19置入提取液端15。由於鹽水17之滲透壓低於離子液體19之滲透壓，使鹽水中的純水21滲透穿過半透膜11，進入提取液端15與離子液體19混合成提取液。在一實施例中，可進一步攪拌提取液，使提取液端15中的提取液不致分層形成水層與離子液體層，以避免影響提取液端15的滲透壓，進而降低水通量。當提取液的含水量到達一定濃度後，再將提取液自提取液端15取出，並於室溫下靜置。在一實施例中，可採用管線將提取液導入另一槽中靜置。由於提取液端15的離子液體陰/陽離子經調控設計後的結構組成，會因離子液體本身的陰離子或兩種離子液體相互混合後的高吸水能力(透過氫鍵)，使陰離子於某一濃度範圍時，產生內部結構變化(conformational change)，如自身分子氫鍵(intramolecular hydrogen bonding)或其他方式而降低親水性，增加與疏水性陽離子間的聯聚(aggregation)能力，進而使其在特定的濃度範圍內產生聚集。如此一來，靜置後的提取液將分層形成水層與離子液體層，不需額外供給能量而即達到與水分離純化離子液體19的目的。
在一實施例中，在提取液分層形成水層與離子液體層後，可將離子液體層再置入提取液端15進行回用。舉例來說，可採用管線將另一槽中的離子液體層導回提取液端15，以達重複使用離子液體的效果。在一實施例中，將鹽水置入進水端之步驟可為連續地導入海水，以維持進水端13中的鹽水滲透壓濃度維持恆定。如此一來，自鹽水提取的純水21滲透至提取液端15不會導致進水端13中鹽水17的濃度與滲透壓增加，避免降低純水21滲透至提取液端15的通量。在其他實施例中，鹽水可為廢水，其來源可為工廠、住家、或實驗室。
在一實施例中，提取液分層成該水層與該離子液體層之步驟中，該離子液體層與該水層之重量比介於10：90至50：50之間。若提取液中的離子液體的重量比例過低或過高，則提取液無法在室溫分層成離子液體層與水層。在一實施例中，上述室溫介於15℃至30℃之間。若具相變分離特性的提取液(含離子液體)分層所需的溫度過高(比如高於室溫)，則需額外加熱提取液使其分層，額外加熱步驟即是能耗損失的主要缺點。
上述離子液體包括、、
或。上述R1係C4-6之烷基，R2係C4-14之烷基，
R3係C3-16之烷基，且R4係C1-8之烷基。係、
CF3COO-、、Br-、、
、、或上述之組合。係
HSO4 -、NO3 -、Cl-、或上述之組合。在一實施例中，係
、與中兩者之組合，且兩
種陰離子之一者與另一者之莫耳比例介於1：0.2至1：1之間。
在一實施例中，離子液體係
。在此實施例中，提取液分層成水
層與離子液體層之步驟中，離子液體層與水層之重量比介於30：70至50：50之間。
在另一實施例中，離子液體係。在
此實施例中，提取液分層成水層與離子液體層之步驟中，離子液體層與水層之重量比介於10：90至40：60之間。
由上述可知，本揭露採用特定結構的離子液體作為正滲透之提取溶質，其可自鹽水提取純水，且離子液體與純水之混合液(在特定比例下)靜置於室溫下即可自動分層而不需加熱，可有效降低現有正滲透程序在分離提取溶質與水的耗能。
為了讓本揭露之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
實施例
實施例1
取1莫耳份之四丁基氫氧化磷與1莫耳份之馬來酸混合後，於常溫下攪拌24小時。接著以二氯甲烷萃取有機層，濃縮後再以減壓蒸餾法去除殘留水份，即得離子液體[P4444][Mal]。上述反應如下式所示：
取不同重量比之離子液體[P4444][Mal]與水混合後，靜置於室溫下一段時間，觀察是否產生相分離，如第1表所示。離子液體[P4444][Mal]與水具備濃度敏化相分離之特性。
離子液體[P4444][Mal]濃度介於60-70wt%時屬於均相溶液，隨水含量增加而濃度逐漸稀釋至30-50%時產生相分離，屬於自發性相變行為，不需額外供給熱能。若離子液體濃度降低至20wt%(或更低)時，離子液體與水將混合而非相分離。
使用滲透壓儀器(OSMOMAT 030,GONOTEC)量測離子液體[P4444][Mal]之滲透壓，採用冰點下降法進行分析，原理為使用急速降溫冷凍法測定凝固點溫度。當1莫耳溶質(如離子液體)可使1公斤水之凝固點下降1.86℃，則此溶質之滲透壓定義為1Osmol/kg。
實驗結果顯示離子液體[P4444][Mal]濃度範圍在5-25wt%時，水與離子液體[P4444][Mal]之混合液的滲透壓呈線性關係，如第2圖所示。當混合液中的離子液體[P4444][Mal]濃度為25wt%時，滲透壓為1.0Osmol/kg，與海水之滲透壓(1.2Osmol/kg)相近。
此外，含有高濃度之離子液體[P4444][Mal]的混合液其滲透壓已超出儀器可偵測範圍，因此以含有5-25wt%之離子液體[P4444][Mal]之混合液的滲透壓之實測值所得關係式，進一步推估含有30-70wt%之離子液體[P4444][Mal]的混合液其滲透壓，如第2表所示。實驗結果顯示含有30-70wt%離子液體[P4444][Mal]之混合液的滲透壓為海水之滲透壓的2-5倍，具高滲透壓之特性。
含有不同濃度之離子液體[P4444][Mal]的混合液，其離子液體濃度與導電度之關係如第3圖所示。含高濃度離子液體之混合液其初始導電度約為4mS/cm，然而隨著水含量增加而導電度上升。這是因為離子液體富集相(ionic liquid-rich)屬於離子對(ion pair)型式存在，隨著水含量增加會降低自身聚集現象，形成獨立存在的陰/陽離子。藉由離子液體這樣的特性，可穩定操作並有效提昇正滲透的水通量，其優於無機鹽類作為正滲透提取溶質的表現。
使用自組裝式實驗室級設備，正滲透模組為平板式，流道設計為雙通道內循環式，使用Dow-filmtec公司生產之薄膜(TW30-1812)，薄膜有效面積為64cm2，使用泵浦輸送進水端及提取液端溶液，掃流速率為25cm/s，記錄不同時間點的進水端與提取液端重量，再藉由重量變化、薄膜面積與實驗時間求出水通量，如第4圖所示。將離子液體[P4444][Mal]輸送至提取液端，將純水(DI water)輸送至進水端。在實驗初期，導電度與水通量隨時間增加。穩定操作8小時後，水通量與導電度仍維持一定，證明離子液體[P4444][Mal]作為正滲透之提取溶質具穩定操作之優勢。
實施例2
取1莫耳份之N-辛基吡咯烷酮(NOP)與1莫耳份之硫酸混合後置入冰浴中，反應24小時後即得離子液體[HNOP][HSO4]。
取不同重量比之離子液體[HNOP][HSO4]與水混合後，靜置於室溫下一段時間，觀察是否產生相分離，如第3表所示。離子液體[HNOP][HSO4]與水具備濃度敏化相分離之特性。離子液體[HNOP][HSO4]濃度介於50-70wt%時屬於均相溶液，隨水含量增加而濃度逐漸稀釋至40%以下時產生相分離，屬於自發性相變行為，不需額外供給熱能。
比較例1
取實施例1之離子液體[P4444][Mal]與水於低溫(接近10℃)下分別混合成10wt%、30wt%、50wt%、與70wt%之均相溶液後，慢慢升溫並觀查不同濃度之均相溶液分層的溫度，如第5圖所示。
接著取市售之離子液體[P4444][TSO](86933，購自ALDRICH)與水於低溫(接近10℃)下分別混合成10wt%、30wt%、與50wt%之均相溶液後，慢慢升溫並觀查不同濃度之均相溶液分層的溫度，如第5圖所示。
由第5圖可知，離子液體[P4444][Mal]與水之混合溶液(30wt%至50wt%)在室溫下即可分層，而市售離子液體[P4444][TSO]與水之混合溶液的分層溫度均高於室溫。與離子液體[P4444][TSO]相較，離子液體[P4444][Mal]與水的混合液在正滲透程序中不需加熱即可產生分層，可進一步節省正滲透程序中分離提取溶質與水的熱能損失。
雖然本揭露已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
11‧‧‧半透膜
13‧‧‧進水端
15‧‧‧提取液端
17‧‧‧鹽水
19‧‧‧離子液體
21‧‧‧純水
Claims (15)
- 一種用於正滲透程序的離子液體，包括：
- 如申請專利範圍第1項所述之用於正滲透程序的離子 液體，係。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於正滲透程序的離子 液體，係。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於正滲透程序的離子 液體，其中係、、
- 一種正滲透程序，包括：以一半透膜分隔一提取液端與一進水端；將一離子液體置入該提取液端；將一鹽水置入一進水端，且該鹽水之滲透壓低於該離子液體之滲透壓，該鹽水中的純水滲透穿過該半透膜，並進入該提取液端與該離子液體混合成一提取液；自該提取液端取出該提取液；以及於室溫下靜置該提取液，使該提取液分層成一水層與一 離子液體層，其中該離子液體包括、、
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，其中該提取液分層成該水層與該離子液體層之步驟中，該離子液體層與該 水層之重量比介於10：90至50：50之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，其中室溫介於15℃至30℃之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，其中該離子液體係。
- 如申請專利範圍第8項所述之正滲透程序，其中該提取液分層成該水層與該離子液體層之步驟中，該離子液體層與該水層之重量比介於30：70至50：50之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，其中該離子液體係。
- 如申請專利範圍第10項所述之正滲透程序，其中該提取液分層成該水層與該離子液體層之步驟中，該離子液體層與該水層之重量比介於10：90至40：60之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，其中 中兩者之組合，且兩種陰離子之一者與另一者之莫耳比例介於1：0.2至1：1之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，更包括在該提取液分層成一水層與一離子液體層後，將該離子液體層置入該提取液端。
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，其中將該鹽水置入該進水端之步驟係連續地導入海水。
- 如申請專利範圍第5項所述之正滲透程序，更包括攪拌該提取液端中的純水與該離子液體，使其混合該提取液。
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