[发明专利]用于膜蒸馏应用的三层疏水-亲水膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种三层复合纳米纤维膜。更特别地，本发明涉及一种用于膜蒸馏(MD)应用的三层复合纳米纤维膜。更特别地，本发明涉及一种用于MD应用的具有极具疏水性的纳米纤维层、疏水性微孔中间层和亲水性背衬层的三层膜。

背景技术

膜蒸馏(MD)是一种热驱动过程，其中仅使蒸气分子输送通过膜层。因此，MD中的核心要素是对蒸气可渗透但是对液体不可渗透的疏水性膜。用于被蒸馏物的液料(liquid feed)位于膜的一侧上，而用于馏出物或从蒸气分子冷凝收集的液体的收集区位于膜的另一侧上。通常加热被蒸馏物，并且馏出物通常处于比被蒸馏物更冷的温度下。在膜的加热的被蒸馏物侧发生蒸发，而在膜的更冷的馏出物侧发生冷凝。因为被蒸馏物侧具有比馏出物侧高得多的温度，所以被蒸馏物侧具有比馏出物侧更高的蒸气压。因为膜将被蒸馏物与馏出物隔开，所以在膜的两侧之间存在蒸气压梯度。该蒸气压梯度是促使蒸发的液体从被蒸馏物侧通过该膜输送至馏出物区的驱动力，在馏出物区中，蒸气随后冷凝成期望的液体。膜的疏水性防止被蒸馏物由于表面张力而润湿膜。结果，在膜的孔入口处形成液/气界面。只有当施加高于该膜的液体进入压力(LEP)的跨膜压力时，液体被蒸馏物才会渗入膜的干燥的孔。当被蒸馏物渗入膜的孔中时，这些孔将变得饱和并且堵塞。这使得蒸发/冷凝过程所需的液/气界面失效。

MD系统比反渗透系统和纯蒸馏系统更有利，因为MD系统在低得多的压力和低得多的温度下操作。自20世纪60年代末期以来，MD系统已经存在，但尚未广泛地在商业上用作水脱盐工艺，这部分地因为目前没有合适的用于该工艺的膜。最近，由于正在对用于MD系统的膜实施的集中研究，MD系统被视为用于处理海水的潜在可行的解决方案。集中研究MD系统的一个原因是，MD系统可利用可再生热源(例如，太阳能)或从发电厂产生的过量热以加热被蒸馏物。

目前有四大类膜蒸馏系统，这些系统包括：空气隙膜蒸馏(AGMD)、直接接触膜蒸馏(DCMD)、真空膜蒸馏(VMD)和吹扫气膜蒸馏(SGMD)。无论膜蒸馏系统为哪种，MD膜必须具有良好的热绝缘；膜结构必须具有高的液体进入压力，并且必须是微孔的。MD膜必须具有良好的热绝缘以确保维持横跨膜结构的温度梯度。当温度梯度更陡时，水蒸气的渗透速率将更高。需要膜结构的高疏水性和高液体进入压力，以防止被蒸馏物进入膜的微孔结构并且润湿孔。膜孔的润湿是一个主要问题，其极大地限制了MD膜的使用寿命和性能。

通常用于MD系统中的膜一般包括由疏水性材料(例如，聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE))制造的多孔膜。然而，这些膜疏水性和液体进入压力的水平仍然不足以用于商用MD系统。

一些提出的用于提高MD膜疏水性的方法包括：用疏水性材料或化学物质(例如，PDMS、聚苯乙烯、硅橡胶、聚(1-三甲基甲硅烷基-1-丙炔)(PTMS)和聚酮)来涂覆、或等离子体接枝、或自由基聚合微孔膜。然而，这些提出的方法是有害的，因为它们通过堵塞孔进一步减小了微孔膜的孔径，这进而导致膜蒸馏系统通量降低。

于2011年2月10日出版的Moh’d Rasool Qtaishat名下的美国专利申请No.2011/0031100A1中描述了一种用于膜蒸馏系统的复合膜，该膜蒸馏系统包含具有亲水性聚合物层和疏水性聚合物层的复合亲水性/疏水性膜。在该文献中，使用相转化法(phase inversion method)将合成的表面改性大分子(SMM)与亲水性主体聚合物(host polymer)共混，以形成多孔疏水性/亲水性膜。在该文献中公开的相转化法可为一种干-湿相转化技术或温度诱导的相分离方法。对于在该文献中公开的复合膜，SMM表面迁移在该膜的制备中至关重要，并且相转化法是由本作者选择的方法。

于1983年12月6日出版的Dah Y. Cheng名下的美国专利申请No.4,419,242中描述了一种用于热膜蒸馏的复合膜，该膜包含夹在两个亲水性层之间的疏水性层。该文献公开了一种复合膜，其包含在一个表面上具有第一亲水性层而在另一个表面上具有第二亲水性层的微孔疏水性层。该疏水性微孔层由疏水性材料例如聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)制成。在被蒸馏物侧上的亲水性层的孔通过毛细管作用填充有水。在被蒸馏物/蒸气界面处发生蒸发，在馏出物/蒸气界面处发生冷凝。这样的复合膜是不利的，因为复合膜的疏水性受到用于制造膜的材料限制，并且，层的布置没有提高复合膜的疏水性。因此，本领域技术人员一直在寻找提高MD膜的疏水性和液体进入压力同时确保该膜具有高渗透通量的方法。

发明内容