[发明专利]结合碳纳米管的薄膜复合膜

说明书

相关申请的交叉引用

对于美国，这是要求2010年9月30日提交的共同待审的美国申请序列号12/895,353和12/895,365的权益的申请，这些申请均通过引用结合到本文中。

背景

反渗透(RO)脱盐利用膜技术将海水和微咸水(brackish water)转化为淡水，用于饮用、灌溉和工业应用。比起热脱盐过程，反渗透脱盐过程需要实质上较少的能量。结果是，大多数近来的工业方案使用更为成本高效的反渗透膜以便由海水或微咸水生产淡水。在过去的数年间，膜技术和能量回收装置的进展使得反渗透更加负担得起和有效。虽然具有以高达99.8%的盐截留率(rejection)来有效除去离子物类的能力，但是仍需要具有改进的通量(flux)特性同时保持有用的截留特性的反渗透膜。

反渗透为通过施加超过渗透压的压力，迫使溶剂从高溶质浓度区域通过膜到低溶质浓度区域的过程。这是正常的渗透过程的反转，正常的渗透过程为在不施加外部压力时，溶剂从低溶质浓度区域通过膜到高溶质浓度区域的自然移动。此处膜为半渗透的，是指其允许溶剂通过但是不允许溶质通过。用于反渗透的膜具有致密的阻挡层，在此发生大部分分离。在大多数情况下，设计膜以仅允许水通过该致密层，同时防止溶质(例如盐离子)通过。反渗透过程的实例为纯化微咸水和海水，其中通常在渗透物中发现小于1%的在海水或微咸水中的杂质物类。反渗透过程需要在膜的高浓度侧上施加高压力，通常对于淡水和微咸水为2-17巴(30-250 psi)，而对于具有必须克服的约24巴(350 psi)自然渗透压的海水为40-70巴(600-1000 psi)。

在概念和操作上，纳米过滤与反渗透有很多相同。关键的差别在于除去一价离子(例如氯离子)的程度。反渗透除去约99%的一价离子。纳米过滤膜对一价离子的除去在50%-90%之间变化，这取决于膜的材料和制造。纳米过滤膜和系统用于水软化、食品和药物应用。纳米过滤过程的一个实例为使糖溶液脱盐，其中80%的盐通过膜，而水和95%的糖被膜保留。

众所周知，对于给定的聚合物，存在通量-截留率折衷曲线，限定了通量-截留率关系的上限。采用盐截留率方面的折衷，人们可得到高膜通量。另一方面，采用膜水渗透性方面的折衷，人们可得到高膜盐截留率。高度期望得到具有超出折衷曲线的性能的膜材料，即，实现高通量和高盐截留率二者的膜材料。

纳米管例如碳和硼纳米管为根本上新的纳米多孔材料，具有用于膜应用的巨大潜力。合成CNT膜的当前的方法(Hinds等人Science，2004；Holt等人Science，2006；Fornasiero等人，PNAS，2008)涉及多个步骤，并且局限于制备具有极小面积的膜样品。它们不可升级为实际应用的工业膜制造所需的大表面积。已公开含有碳纳米管的膜用于纯化水。例如，转让给National University of Singapore(新加坡国立大学)的WO 2006/060721描述了通过界面聚合制备的在活性层中含有多壁碳纳米管(MWNT)的薄膜复合(TFC)膜。该MWNT的特征为外径为30-50 nm。然而，对于反渗透应用，期望进一步改进TFC膜的性能。

概述

已意外地发现，通过界面聚合过程，在薄膜复合膜中结合外径小于约30 nm的多壁碳纳米管可得到膜性质的改进。

详述

在第一方面，本发明涉及用于制造包含多壁碳纳米管的薄膜复合膜的方法。所述方法包括在界面聚合条件下，使包含多元酸卤化物(polyacid halide)的有机溶液与包含聚胺的水性溶液接触，以在多孔基础膜的表面上形成薄膜复合膜；所述有机溶液和所述水性溶液中的至少一种还包括外径小于约30 nm的多壁碳纳米管。