信号响应性溶质的制作方法
【专利说明】信号响应性溶质
[0001]相关申请
[0002]本专利申请要求2012年12月4日提交的名为“信号响应性溶质”的美国临时专利申请第61/733，115号的优先权益，所述美国临时专利申请的全部内容特此以引用的方式并入。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及使用对溶液的信号输入以控制在所述溶液中的溶质的溶解度，并且更确切地说涉及在脱盐工艺中再循环并且再浓缩提取溶液。
【背景技术】
[0004]膜分离技术，例如渗透驱动膜工艺(osmotically drive membrane process,0DMP)近年来进展迅速用于各种脱盐系统。
[0005]在一些类型的ODMP (例如正向渗透(forward osmosis, FO)和直接渗透浓缩(direct osmotic concentrat1n，DOC))中，在进料溶液与含有可再循环溶质的溶液(即提取溶液)之间的半透膜产生用于分离进料溶液中的溶剂与溶质的渗透压。接着将膜系统耦合到提取溶液溶质回收和再浓缩构件上以产生实质上不含进料溶质的水。以这种方式，溶质浓度的变化被转化成用于水处理(在FO系统中)或进料溶质浓缩(在DOC系统中)的分离功。在另一类型的ODMP，即压力延迟渗透(pressure retarded osmosis, PRO)中，将低盐度、不加压的进料溶液穿过半透膜提取到加压的高盐度提取溶液中，从而扩展提取溶液的体积。电力可以通过由涡轮机释放提取溶液中的压力而产生。以这种方式，溶质浓度的变化被转化成功，并且从而转化成电能。另一膜分离工艺是反向电渗析(reverseelectrodialysis, RED)，其中允许溶质跨过离子选择性膜从浓缩溶液流动到稀释溶液。离子流以在系统中的阴极与阳极之间的电流形式被捕获以产生电。以这种方式，RED系统将溶质浓度变化转化成电能。
[0006]在包括ODMP和RED的各种膜分离系统中，提取溶液可以包括能够被例如反渗透(reverse osmosis, R0)的系统再浓缩的溶质，以及可以从溶液热汽提、可以通过施加磁场分离、可以通过添加酸或碱分离或通过生物手段再循环的溶质。
【发明内容】
[0007]各种实施例提供在膜分离工艺中控制溶质溶解度的方法，包括将信号输入引入到至少一种用于膜分离工艺的溶液中，其中信号输入改变在至少一种溶液中的至少一种溶质的溶解度，其中引入信号输入是选自以下各者的群组:向至少一种溶液施加电磁辐射、向至少一种溶液施加机械输入、向至少一种溶液施加振动输入、改变至少一种溶液的磁场、向至少一种溶液引入次要溶质以及从至少一种溶液去除物质。
[0008]各种实施例还提供使用渗透驱动膜工艺(ODMP)来分离进料溶液中的溶剂与溶质的方法，其包括在半透膜的第一侧上以流的形式提供进料溶液、在半透膜的相对侧上提供包括凝胶的提取溶液流，其中来自提取溶液流的渗透压梯度导致进料溶液中的溶剂穿过半透膜并且稀释提取溶液流，以及向所述稀释的提取溶液流引入信号输入，其中所述信号输入使得能够再使用提取溶液流中的凝胶。
【附图说明】
[0009]并入本文中并且构成本说明书一部分的随附图式说明本发明的示例性实施例，并且连同上文给出的一般描述和下文给出的详细描述一起用以解释本发明的特征。
[0010]图1是实施渗透驱动膜工艺的膜分离系统的示意图。
[0011]图2是图解，其表示通过输入紫外线辐射将不溶形式螺吡喃转化成可溶形式。
[0012]图3是表不f定蓝到隐色f定蓝的还原的图解。
[0013]图4是表示由信号响应性溶质驱动的输入效应的图解，其是根据一实施例。
[0014]图5A是根据一实施例的ODMP系统的示意图，其使用信号响应性水凝胶提取溶质以产生跨膜渗透压。
[0015]图5B是根据另一实施例的ODMP系统的示意图，在所述ODMP系统中信号响应性聚合物系统在溶胶与凝胶态之间转化以产生跨膜渗透压。
[0016]图6是表示由信号响应性组合物驱动的输入效应的图解，所述信号响应性组合物可以包括于图5B中示出的聚合物系统的聚合物中，其是根据另一实施例。
[0017]图7是表示由信号响应性溶质驱动的输入效应的图解，其是根据另一实施例。
[0018]图8是表示由信号响应性溶质驱动的输入效应的图解，其是根据另一实施例。
[0019]图9是表示由信号响应性溶质驱动的输入效应的图解，其是根据另一实施例。
[0020]图10是表示由信号响应性溶质驱动的输入效应的图解，其是根据另一实施例。
【具体实施方式】
[0021]术语“膜分离工艺”用于指通过膜分离系统中的半透屏障分离气态或液态流的工
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[0022]术语“渗透驱动膜工艺”、“ODMP”以及“ODMP系统”在本文中可互换地使用以通常指使用半透膜来实现流体溶剂(例如水)与溶解溶质的渗透分离的工艺/系统，其在下文中更详细地论述。这些术语也可以在本文中与术语“膜分离工艺”可互换地使用，但其仅仅作为膜分离的一个实例类型提供。
[0023]如本文所用，术语“信号响应性”、“光反应性”、“电反应性”以及“热反应性”通常是指可测量的改变响应于能量输入而发生的材料。可以使用多种描绘输入和其可测量效应的所述名称，其可以一般地称为“输入效应”。
[0024]如本文所用，术语“光致变色”是指暴露于紫外线或可见电磁辐射导致光学性质变化的材料。
[0025]提取溶液溶质的回收和再浓缩可以通过改性溶质以使得溶解度可以通过低值能量输入可逆地受控制而大大地增强。
[0026]各种实施例发明提供对发信号的使用，其是通过以与溶质以特定方式相互作用为目标的特定能量输入，来诱发在溶液内的溶质的溶解度变化。发信号可以采用例如紫外线辐射；可见光；在UV/可见光谱之外的电磁辐射，例如红外线或微波辐射；热；电流；磁场变化；声波或其它机械能；或引入或去除次要溶质的形式。溶解度可以响应于输入发信号变化的机制可以包括例如:以减小溶解度的方式在分子或聚合物内或在其之间的交联或非交联；分子或聚合物构象的变化，其改变溶解度特征；电荷分布变化，例如形成两性离子；不带电物质解离为带电物质；以及其它用于改变物质数量和/或其与溶剂的相互作用的机制。溶质溶解度的变化理想的是可逆的，但对于每一转化方向都可以使用不同的发信号方法。所述溶质的使用涵盖于ODMP和电化学工艺(例如RED)中，但另外也涵盖于受益于溶质溶解度的可控变化的其它工艺中。
[0027]除了上文所描述的溶质、材料、分子、化合物、聚合物等之外，可以使用在其结构内包括多个发色团或其它信号反应性组分的替代形式，而不是所论述的单一信号响应性组分的实例。信号响应性溶质的各种形式的混合物或所述溶质与非信号响应性溶质的混合物可以一起使用。在一些情况下，所述混合可以涉及级联效应，例如当一种溶质中的信号诱发变化导致对于其它溶质的发信号或溶质溶解度变化以其它方式不响应于信号时。
[0028]各种实施例可以用于在多种渗透驱动膜工艺(ODMP)中的任一者中回收提取溶质。所述ODMP的实例可以包括正向渗透(FO)和/或压力增强渗透(pressure enhancedosmosis,PE0)脱盐或水处理、压力延迟渗透(PRO)发电以及所需进料流组分的直接渗透浓缩(DOC)。在可以使用实施例回收系统的一些ODMP中，第一溶液(即工艺溶液或进料溶液)可以是海水、半咸水、废水、污染水、工艺流或其它水溶液可以暴露于膜的第一表面。第二溶液(即提取溶液)可以以相对于进料溶液的各种溶质浓度的增加的各种溶质浓度制备，可以暴露于膜的第二相对表面。
[0029]在各种实施例中，进料溶液可以是任何含有溶剂和一或多种溶质的溶液，所述溶液需要分离、纯化或其它处理。所述处理的实例施加可以包括回收纯化水用于下游使用、从水去除不合需要的溶质、浓缩并且回收所需溶质等。
[0030]在一些纯化工艺实施例中，进料溶液可以在渗透分离之前根据已知技术经过滤和预处理以便去除固体和化学废物、生物污染物并且以其它方式防止膜积垢。进料溶液可以从提供先前存储的进料溶液的源模块、从上游单元操作(例如工业设施)或从多种其它来源(包括海或海洋)中的任一者被递送到正向渗透膜处理系统中。可以用于各种实施例的实例进料溶液包括(但不限于)水溶液，例如海水、卤水以及其它盐水溶液；半咸水；矿化水；工业废水以及与高纯度应用相关的产物流，例如与食品和药物工业有关的应用。
[0031]提取溶液可以总体上能够在渗透驱动膜系统内产生渗透压。渗透压可以用于多种目的，包括脱盐、水处理、溶质浓缩、发电以及其它应用。广泛多种可去除的提取溶液溶质可以用于各种实施例，其可以是信号响应性的和/或可以与信号响应性材料偶合。
[0032]图1说明实施例ODMP系统100，其可以包括任何类型的半透膜10，其中水通量是由于跨膜10的渗透压差异而被从进料流12驱动到提取溶液流14 (例如FO、PRO、PEO、D0C)。举例来说，在FO膜系统中，进料流12被脱盐，因为穿过膜10到提取溶液14中的水通量有效地将进料水与其溶质分离，其现在在进料流12侧上经浓缩。在DOC膜系统中，水通量类似地从进料流12流出，也留下浓缩的产物溶质流，其可以作为目标化合物经回收。在PRO膜系统中，正如FO和DOC膜系统，来自进料流12的水通量留下浓缩的产物溶质流。在PRO系统中，可以将初始进料流进一步实质上不加压并且稀释。在所有这些实例ODMP中，通过穿过膜系统10的水通量浓缩进料溶液流12并且稀释提取溶液流14。在PRO的情况下，流14将另外被加压并且随后被引导到压力交换器。虽然来自每一流的溶质实质上被拒绝穿过半透膜，但一定量的来自进料流的溶质可以进入提取溶液流，并且来自提