专利名称：具有可转换的离子强度的水的制作方法
技术领域：
技术领域是溶剂，具体而言，是可以在低离子强度和更高离子强度之间可逆地转化的水性溶剂组合物。
背景技术：
常规溶剂具有固定的物理性质，所述性质会导致它们作为反应和分离的介质的用途的重要限制。许多化学生产过程包含多个反应和分离步骤，对于任一个步骤而言最佳的溶剂类型经常不同于对于下一个步骤而言最佳的溶剂类型。因而，经常在每个步骤以后去除溶剂，并在制品中加入新的溶剂以进行下一个步骤。该去除和替换极大地增加了总过程的经济成本和环境影响。因此，需要可以改变它的物理性质的溶剂。在生产、清洁、染色、提取和其它过程中，经常使用溶剂来溶解物质。为了使溶剂快速地、选择性地溶解足够量的物质，溶剂经常必须具有特定物理性质。这样的性质的实例包括离子强度、疏水性、亲水性、介电常数、可极化性、酸度、碱度、粘度、挥发度、氢键给予能力、氢键接受能力和极性。在这样的过程的某个时点，在溶解以后，可能需要从溶剂中分离物质。这样的分离的实现代价高昂，特别是当通过蒸馏来去除溶剂时，所述蒸馏需要使用挥发性的溶剂，这可以导致大量蒸汽散发损失，并导致环境损害，例如，通过烟雾形成。此外，蒸馏需要输入大量能量。因此，希望发现从产物中去除溶剂的非蒸馏途径。水是一种特别合乎需要的溶剂，因为它的廉价、无毒、不可燃性和对环境没有不利影响，但是，因为水的高热容和水的高汽化热，通过蒸馏使水与产物或其它物质分离是特别费能量的。因此，特别需要使水与产物或其它物质分离的非蒸馏途径。使水与中度疏水的、仍然水溶性的物质分离的一种常见方法是“盐析”，在该方法中，将足够量的盐加入包含溶解的中度疏水的化合物的水溶液中，以极大地增加水性部分的离子强度。高离子强度会极大地降低某些化合物在水中的溶解度；因而，大多数选择的化合物或物质被迫离开水相。所述化合物或物质沉淀出来(形成新的固相)、乳剂化(形成新的液相)或分配进预先存在的疏水液相中(如果存在的话)。该“盐析”方法不需要蒸馏，但不是优选的，因为使用非常大量的盐的费用，更重要的是，因为以后从水中回收盐的费用。
发明内容
本发明的一个目的是，提供具有可转换的离子强度的水。在一个方面，提供了一种用于转换水或水溶液的离子强度的系统，所述系统包括用于提供添加剂的装置，所述添加剂包含至少一个具有足以被碳酸质子化的碱性的氮；用于将所述添加剂加入水或水溶液中以形成具有可转换的离子强度的水性混合物的装置；用于将所述具有可转换的离子强度的混合物暴露于离子化触发因素(诸如co2、cos、cs2或其组合)以升高所述混合物的离子强度的装置；和用于将所述具有升高的离子强度的混合物暴露于i)热、(ii)冲洗气体、(iii)真空或部分真空、(iv)搅拌或(V)它们的任意组合以重新形成具有可转换的离子强度的水性混合物的装置。在具体实施方案中，该系统被用于从疏水的液体或溶剂中去除水或用于脱盐工艺中。在另一个方面，提供了一种用于控制溶解的盐在水性混合物中的量或存在与否的系统，所述系统包括在有水存在下在接触离子化触发因素时可逆地转化成盐的化合物，所述化合物具有通式(I)
权利要求
1.一种用于控制溶解的盐在水性混合物中的量的系统，所述系统包括在有水存在下在接触离子化触发因素时可逆地转化成盐的化合物，所述化合物具有通式(I)
2.一种系统，所述系统包括 用于提供可转换水的装置，所述可转换水是包含添加剂的水性液体，所述添加剂具有可转换的离子强度； 用于在有水存在下将所述可转换水暴露于离子化触发因素的装置，所述暴露会质子化所述添加剂，以形成水可混溶的或水溶性的质子化的添加剂，使得所述可转换水的离子强度增加； 用于将增加了离子强度的可转换水暴露于i)热、(ii)冲洗气体、(iii)真空或部分真空、(iv)搅拌或(V)它们的任意组合的装置，所述暴露会驱除离子化触发因素，导致质子化的添加剂的去质子化，并降低所述可转换水的离子强度；和 任选地，用于在驱除离子化触发因素之前从增加了离子强度的可转换水中分离出一种或多种选择的化合物的装置。
3.一种从固体物质去除至少一种选择的化合物的系统，所述系统包括 用于使固体物质和至少一种选择的化合物的混合物接触可转换水的装置，其中所述可转换水包含水和处于它的未质子化形式的可转换的添加剂的混合物，所述接触使得所述至少一种选择的化合物的至少一部分变得与可转换水结合，以形成水溶液； 任选地，用于使溶液与残余的固体物质分离的装置； 用于使水溶液接触离子化触发因素的装置，所述接触会将大量可转换的添加剂从它的未质子化形式转化成它的质子化形式，从而增加所述可转换水的离子强度，并形成两相液体混合物，所述两相液体混合物具有包含至少一种选择的化合物的第一液相，和包含增加了离子强度的可转换水的第二液相；和 用于从所述第一液相分离出至少一种选择的化合物的装置。
4.根据权利要求3所述的系统，其用于清洁被至少一种选择的化合物污染的固体颗粒， 其中所述至少一种选择的化合物的全部或部分在含有未质子化的添加剂的可转换水中是可溶性的或可混溶的，且在增加了离子强度的可转换水中是不溶性的或不混溶的，且其中所述固体颗粒在含有未质子化的添加剂的可转换水中是不溶性的，且其中所述系统包括用于从其中分离出所述固体颗粒的装置；且 任选地包括用于从所述第一液相中收集至少一种选择的化合物的装置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中分离的固体颗粒基本上不含有至少一种选择的化合物。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其中从基本上纯的第一液相收集所述至少一种选择的化合物。
7.根据权利要求3所述的系统，其用于分离化学反应的一种或多种组分，且另外包括 用于将所述化学反应的试剂加入所述系统中的装置，其中所述化学反应的至少一组分在含有未质子化的添加剂的可转换水中是可溶性的或可混溶的；和用于从第一液相中收集所述化学反应的一种或多种组分的装置。
8.一种用于调节跨膜渗透梯度的系统，所述系统包括 半透性膜； 在所述半透性膜的一侧的可转换水，其包含具有可转换的离子强度的添加剂； 用于使所述半透性膜接触进料流的装置；和 用于使所述可转换水接触离子化触发因素的装置，所述接触会离子化所述添加剂，并从而增加可转换水中的溶质浓度和调节渗透梯度。
9.根据权利要求8所述的系统，其用于脱盐工艺或废水治理工艺中。
10.一种脱盐系统，该系统包括半透性膜，其可选择性地透过水； 吸取溶液，其包含具有可转换的离子强度的添加剂和水； 用于将离子化触发因素导入吸取溶液中以离子化所述添加剂的装置； 用于使所述半透性膜接触盐水溶液的进料流的装置，所述接触允许来自盐水溶液的水穿过所述半透性膜流入包含离子化的添加剂的吸取溶液中；和任选地，用于从所述水中分离出所述添加剂的装置。
11.一种用于浓缩稀水溶液的系统，所述系统包括 半透性膜，其可选择性地透过水； 吸取溶液，其包含具有可转换的离子强度的添加剂； 用于将离子化触发因素导入吸取溶液中以离子化所述添加剂的装置； 用于使所述半透性膜接触稀水溶液的进料流的装置，所述接触允许来自稀水溶液的水穿过所述半透性膜流入所述包含离子化的添加剂的吸取溶液中；和任选地，用于从所述水中分离出所述添加剂的装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述稀水溶液是废水。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的系统，其中用于从所述水中去除所述添加剂的装置包括反渗透系统。
14.根据权利要求10-12中任一项所述的系统，其中用于从所述水中去除所述添加剂的装置包括 用于从吸取溶液和水的混合物中驱除离子化触发因素以将添加剂去质子化的装置；和 用于从所述混合物中分离出去质子化的添加剂的装置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述用于从所述混合物中分离出去质子化的添加剂的装置包括 如果所述去质子化的添加剂与水不混溶，用于通过倾析来分离去质子化的添加剂的装置；或 如果所述去质子化的添加剂不溶于水中，用于过滤去质子化的添加剂的装置。
16.根据权利要求15所述的系统，所述系统另外包括 用于去除在倾析或过滤以后剩下的残余的可转换水添加剂的装置。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述用于去除残余的可转换水添加剂的装置包括反渗透或纳米过滤系统。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的系统，其中所述离子化触发因素是C02。
19.一种将盐水溶液脱盐的方法，所述方法包括下述步骤 (a)提供半透性膜，所述半透性膜可选择性地透过水，且在一侧具有吸取溶液，所述吸取溶液包含具有可转换的离子强度的添加剂； (b)在结合所述半透性膜之前或之后，使所述吸取溶液接触离子化触发因素，以离子化所述添加剂，从而增加所述吸取溶液的离子强度； (c)使所述半透性膜接触所述盐水溶液的进料流，以允许水从盐水溶液穿过半透性膜流入增加了离子强度的吸取溶液中；和 (d)从得到的稀释的吸取溶液中去除添加剂。
20.一种浓缩稀水溶液的方法，所述方法包括下述步骤(a)提供半透性膜，所述半透性膜可选择性地透过水，且在一侧具有吸取溶液，所述吸取溶液包含具有可转换的离子强度的添加剂； (b)在结合所述半透性膜之前或之后，使所述吸取溶液接触离子化触发因素，以离子化所述添加剂，从而增加所述吸取溶液的离子强度； (c)使所述半透性膜接触所述稀水溶液的进料流，以允许水从稀水溶液穿过半透性膜流入增加了离子强度的吸取溶液中；和 (d)任选地，从得到的稀释的吸取溶液中去除添加剂。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中步骤(d)包括反渗透。
22.根据权利要求19或20所述的方法，其中当在去除离子化触发因素以后所述添加剂与水不混溶时，步骤(d)包括从所述溶液中倾析出所述添加剂。
23.根据权利要求19或20所述的方法，其中当在去除离子化触发因素以后所述添加剂不溶于水时，步骤(d)包括从所述溶液中过滤出未离子化的添加剂。
24.一种从水溶液中分离出溶质的方法，所述方法包括 以任意次序混合水；溶质；C02、COS、CS2或其组合；和添加剂，所述添加剂包含至少一个具有足以被碳酸质子化的碱性的氮原子；和 使得两组分分离第一组分，其包含离子化形式的添加剂和任选的水，其中所述氮原子被质子化；和第二组分，其包含所述溶质； 其中所述溶质不会与添加剂、CO2、COS、CS2或其组合反应。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述添加剂是式(I)化合物，
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述以任意次序混合包括 通过将所述添加剂加入包含所述溶质的水溶液中，形成混合物；和 使所述混合物接触CO2、COS、CS2或其组合。
27.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述以任意次序混合包括 通过将所述溶质加入水或水溶液中，形成混合物； 使所述混合物接触co2、COS、CS2或其组合；和 加入所述添加剂。
28.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述以任意次序混合包括 通过将所述溶质加入包含所述添加剂的水溶液中，形成混合物；和 使所述混合物接触CO2、COS、CS2或其组合。
29.根据权利要求24-28中任一项所述的方法，其中所述至少一个具有足以被碳酸质子化的碱性的氮，是具有约6至约14的pKa范围的共轭酸的至少一个氮。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述？1^范围是约8至约10。
31.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述以任意次序混合包括 将包含所述溶质和所述添加剂的混合物，加入包含co2、cos、cs2或其组合的水溶液中。
32.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述以任意次序混合包括 通过将所述溶质加入包含co2、cos、cs2或其组合的水溶液中，并加入所述添加剂，形成混合物。
33.根据权利要求24-32中任一项所述的方法，其中水、溶质和添加剂的混合物是均质液体。
34.根据权利要求24-32中任一项所述的方法，其中水和所述离子化形式的添加剂的混合物是均质液体。
35.根据权利要求24-32中任一项所述的方法，其中水和所述离子形式的添加剂的混合物是悬浮液。
36.根据权利要求24-32中任一项所述的方法，其中水和所述离子形式的添加剂的混合物是固体。
37.根据权利要求24-36中任一项所述的方法，其中所述溶质在低离子强度的水溶液中是可溶性的或可混溶的，且在更高离子强度的水溶液中是不溶性的或不混溶的。
38.根据权利要求24-37中任一项所述的方法，所述方法另外包括分离所述第一组分，并使它经受非离子化触发因素，以形成包含去质子化的添加剂的水溶液，其中所述非离子化触发因素是(i)热、(ii)冲洗气体、(iii)真空或部分真空、(iv)搅拌、(V)或它们的任意组合。
39.根据权利要求38所述的方法，其中分离包括离心、倾析、过滤或其组合。
40.根据权利要求24-39中任一项所述的方法，其中所述添加剂是水溶性的或水可混溶的。
41.根据权利要求24-39中任一项所述的方法，其中所述添加剂是水不溶性的或水不混溶的。
42.根据权利要求41所述的方法，所述方法另外包括分离所述第一组分，并使它经受非离子化触发因素，以形成具有两相的混合物，其中所述添加剂主要分配在第一相内，所述水主要分配在第二相内，且其中所述非离子化触发因素是(i)热、(ii)冲洗气体、(iii)真空或部分真空、Qv)搅拌、(V)或它们的任意组合。
43.根据权利要求42所述的方法，其中通过离心、倾析、过滤或其组合，使所述第一相与所述第二相分离。
44.根据权利要求43所述的方法，所述方法另外包括通过使用纳米过滤或反渗透与水分离，从第二相中去除残余的添加剂。
45.根据权利要求24-39中任一项所述的方法，其中所述离子化形式的添加剂是水溶性的或水可混溶的。
46.根据权利要求24-45中任一项所述的方法，其中所述水溶液中的水的摩尔数和所述水溶液中的添加剂的碱性氮的摩尔数是大约相同的。
47.根据权利要求24-45中任一项所述的方法，其中所述水溶液中的水的摩尔数远远超过所述水溶液中的添加剂的碱性氮的摩尔数。
48.一种用于调节离子强度的方法，所述方法包括 提供具有第一离子强度的水溶液，所述水溶液包含水和添加剂，所述添加剂包含至少一个具有足以被碳酸质子化的碱性的氮； 使所述水溶液接触C02、C0S、CS2或其组合，以质子化所述添加剂，并使所述水溶液的离子强度升高至第二离子强度； 使所述具有第二离子强度的溶液经受(i)热、(ii)冲洗气体、(iii)真空或部分真空、(iv)搅拌、(V)或它们的任意组合；和 重新形成具有第一离子强度的水溶液。
49.一种去稳定化分散体或防止分散体形成的方法,所述方法包括 以任意次序混合下述物质以形成混合物水；水不混溶的或水不溶性的成分；添加剂，其包含至少一个具有足以被碳酸质子化的碱性的氮；和C02、COS、CS2或其组合；和 使所述混合物分离成2个组分，即包含水不混溶的成分的第一组分和包含水和离子形式的添加剂的第二组分。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述分散体是乳状液，且所述水不混溶的成分是液体或超临界流体。
51.根据权利要求49所述的方法，其中所述分散体是反相乳状液，且所述水不混溶的成分是液体或超临界流体。
52.根据权利要求49所述的方法，其中所述分散体是泡沫，且所述水不混溶的成分是气体。
53.根据权利要求49所述的方法，其中所述分散体是悬浮液，且所述水不混溶的成分是固体。
54.根据权利要求49-53中任一项所述的方法，其中所述混合物另外包括表面活性剂。
55.根据权利要求24-54中任一项所述的方法，其中所述添加剂是 MDEA(N-甲基二乙醇-胺)； TMDAB (N, N，N’，N’ -四甲基-I, 4- 二氨基丁烷)； TEDAB (N, N，N，，N，-四乙基-I, 4- 二氨基丁烷) EPDAB (N，N’ - 二乙基-N，N’ - 二丙基 _1，4-二氨基丁烷) THEED (N, N，N’，N’ -四(2-羟乙基)乙二胺)； DMAPAP (I-[二 [3-( 二甲氨基)]丙基]氨基]-2-丙醇)；或 HMTETA(1, 1,4, 7, 10，10-六甲基三乙四胺)； MeSpe (N1, Nu _ ( 丁烷 _1，4_ 二基)双(N1，N3，N3-三甲基丙烷-1，3-二胺) 甲基化的聚乙烯亚胺 CHTDMA(1, I’，1”_(环己烷 _1，3，5-三基)三(N，N，- 二甲基甲胺)。
56.根据权利要求24-55中任一项所述的方法，其中所述离子形式的添加剂是式(2)化合物
57.根据权利要求56所述的方法用于感测C02、COS或CS2的用途。
58.根据权利要求56所述的方法用于检测C02、COS或CS2的用途。
59.根据权利要求56所述的方法用于化学转换的用途。
60.根据权利要求56所述的方法用于灭活表面活性剂的用途。
61.根据权利要求56所述的方法用于导电的用途。
62.根据权利要求24或48所述的方法用于从疏水液体或溶剂中去除水的用途。
63.根据权利要求24-47中任一项所述的方法的用途，其中所述溶质包括化学反应的产物。
64.根据权利要求24-47或63中任一项所述的方法的用途，其中所述第一组分另外包括水溶性的催化剂。
65.根据权利要求24-47中任一项所述的方法的用途，其中所述溶质包括催化剂。
66.根据权利要求24-47中任一项所述的方法，其中混合另外包括将所述水、所述溶质、所述添加剂和co2、COS、CS2或其组合与疏水液体混合，其中在所述分离步骤以后，所述第二组分包含疏水液体。
67.—种从包含水和疏水液体的混合物中分离出水和疏水液体的方法，所述方法包括 以任意次序混合水；疏水液体；co2、COS、CS2或其组合；和添加剂，所述添加剂包含至少一个具有足以被碳酸质子化的碱性的氮原子；和 使下述2个组分分离包含离子化形式的添加剂和任选的水的第一组分，其中所述氮原子被质子化；和包含所述疏水液体的第二组分， 其中所述疏水液体不与添加剂、CO2、COS、CS2或其组合反应。
68.根据权利要求67所述的方法，其中所述添加剂是式(I)化合物，
全文摘要
本发明描述了用于在最初的离子强度和增加的离子强度之间可逆地转化水的方法和系统，其中使用可转换的添加剂。公开的方法和系统可以用于，例如，从溶剂、溶质或溶液中无蒸馏地去除水。在通过将溶质溶解在水中而从介质中提取溶质以后，然后可以从水溶液中分离出所述溶质，或通过将所述水转化成具有增加的离子强度的溶液进行“盐析”。然后使所述溶质从增加了离子强度的溶液中分离出，成为单独的相。例如倾析出溶质以后，可以将所述增加了离子强度的水溶液转化回具有它的最初离子强度的水，并再使用。使用低能量方法，诸如用CO2、CS2或COS鼓泡，可容易地实现从更低离子强度向更高离子强度的转换。使用低能量方法，诸如用空气鼓泡、加热、搅拌、导入真空或部分真空或它们的任意组合，可容易地实现从更高离子强度向更低离子强度的转换。
文档编号C02F1/26GK102892713SQ201180012690
公开日2013年1月23日 申请日期2011年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者菲利普·G·杰斯奥, 肖恩·M·莫萨, R·斯蒂芬·布劳恩, 托拜尔斯·罗伯特 申请人:金斯顿女王大学