[发明专利]含有磺化聚苯砜的复合膜及其在正向渗透方法中的用途

说明书

本发明涉及含有基于磺化聚苯砜的基底层(S)和聚酰胺膜层(F)的薄膜复合膜(TFC膜)，并且涉及其制备方法。此外，本发明涉及使用所述膜的渗透方法，特别是正向渗透(FO)方法。

膜技术(例如透析、膜过滤(如纳米过滤、超滤和微滤)和渗透方法)的开发和应用是化学、环境和生物加工工程近来最重大的进步之一。

鉴于全球水匮乏，特别是在易于干旱和环境污染的地区，使用半透性渗透膜的渗透方法的一个最重要的应用是废水或海水的纯化。为提供以较低支出和较少能耗纯化废水或海水的新方法已做出很多努力。在本文中，基于膜的纯化和分离方法相对于蒸馏方法变得更有吸引力。

通常，术语渗透描述了一种扩散过程，其中溶剂分子移动穿过将至少两种不同溶质浓度的溶液隔开的选择性渗透膜(即对溶剂可渗透但是溶质不可渗透)至具有更高溶质浓度的溶液。该扩散过程旨在平衡溶质浓度。用于渗透方法的选择性渗透膜也称为“半透”膜或渗透膜。

通常，渗透膜的截留分子量(MWCO)范围为10至500Da。截留分子量(MWCO)是指至少80％、优选至少90％的溶质分子被膜保留的最低分子量(以道尔顿计)。

一般而言，存在两种用于技术应用的渗透方法模式，即反向渗透(RO)和正向渗透(FO)，其中两种渗透方法均使用选择性渗透膜以从溶解的溶质分子或离子分离水。

在反向渗透(RO)的情况下，使用液压作为分离的驱动力，其中溶质保留在膜的受压侧并且溶剂通过膜至另一侧。正向渗透(FO)使用由高浓度溶液(所谓的“驱动液(draw solution)”)产生的渗透压作为驱动力以使水由具有相对较低盐浓度的所谓的“原料液”(例如微咸水或海水)扩散通过半透膜。

正向渗透(FO)相对于反向渗透(RO)和热分离方法而言提供了一些优点。例如，正向渗透(FO)可以在没有高的液压和高的温度下进行，所述高的液压是反向渗透方法所需要的，所述高的温度是蒸馏需要的并且可能对原料液不利。与其他分离方法相比，FO方法需要较少的能量。正向渗透与常规反向渗透方法相比还提供以下优势，即对宽范围的污染物高度截留和膜结垢(membrane fouling)较少。

已知FO膜可以用于例如水再利用、海水淡化和制药溶液的浓缩。目前使用正向渗透的主要问题在于例如市售可得的FO膜数量有限、已知FO膜的水渗透和分离性能不足、以及缺少取决于预期用途的所需驱动液。

设计用于反向渗透方法的膜由于其支撑层厚且致密而通常不能用于正向渗透方法，所述支撑层为在反向渗透方法中承受高压所必需并且会在FO方法中引起水通量降低和高的盐渗漏。关于此，用于FO膜的有效的支撑层(基底层)应该尽可能薄、高度多孔，并且提供由驱动液至膜活性表面的直接路径。

在文献中，记载了一些适于正向渗透的基于三乙酸纤维素(CTA)的片状膜。其用于海水纯化而用于军事、紧急救援和休闲目的(参见，T.Y.Ccth,A.E.Childress,M.Elimelech,“Forward osmosisi:priciples,applications,and recent developments”.J.Membr.Sci.281(2006)70)。这些三乙酸纤维素膜示出低的纯水渗透性和盐截留。

出版物Yip et al.(M.Elimelech,“High perfromance thin-film composite forward osmosis membrans”,Environ,Sci Technol.44(3812)2010)记载了用于正向渗透应用的含有聚砜支撑层的薄膜复合(TFC)膜。然而，所述支撑层基底由指状大孔隙组成，所述大孔隙在长期用于渗透方法(特别是正向渗透方法)的过程中可以降低膜的完整性。

现有技术记载了聚芳醚和磺化聚芳醚用于制备膜(如透析膜或燃料电池中的膜)的用途。文件WO2009/030620记载了支化聚芳醚和亲水聚合物的共混物用于制备用作透析过滤片的中空纤维膜。文件WO2010/142585记载了芳族聚亚芳醚嵌段共聚物及其制备用于燃料电池或用于水处理的聚电解质膜的用途。