专利名称：自组装表面活性剂结构的制作方法
自组装表面活性剂结构相关申请的交叉引用本申请要求2010年5月21日提交的题为“经由物理限制的分等级和/或多尺度材料自组装(Self Assembly of Hierarchical and/or MultiscaleMaterials Via PhysicalConfinement) ”的美国临时专利申请系列号61/347，317和2010年11月19日提交的题为“独立式分等级自组装膜(FreeStanding Heirarchically SelfAssembled Films) ”的美国临时专利申请系列号61/415，761的优先权和申请的权益。它们的说明书和权利要求通过引用结合在此。
背景技术：
发明领域(技术领域) 本发明的实施方案采用仿生多尺度自组装体和材料，如从其制造的膜，其使用批次和自动化制造以不同构造制造，以能够进行水性分离和溶质的浓缩。本发明的实施方案还涉及多尺度自组装的方法和从其制成的材料，其中表面活性剂介观结构优选同时自组装并且通过两个以上不连续表面之间的物理限制和/或通过在两个以上侧上的物理限制结合有一种或多种材料。
背景技术：
描述应注意以下讨论可以参考一个或多个作者的多个出版物和公开的年份，并且归因于较近的
公开日期，某些出版物不被认为是相对于本发明的现有技术。本文给出这些出版物的讨论用于使发明背景更完善，而不解释为承认这种出版物是用于可专利性判断目的的现有技术。膜用于分离离子、分子和胶体。例如，超滤膜可以用于从2k道尔顿以上的胶体分离水和分子；离子交换膜可以用于分离阳离子和阴离子；并且薄膜复合膜可以用于从水分离盐。这些膜都使用相同的分离物理学。膜对特定一类或多类离子、分子、胶体和/或粒子的渗透率比另一类或多类的离子、分子、胶体和/或粒子小得多。例如，超滤膜具有防止特定尺寸的分子和粒子的跨越的特定尺寸的孔。该技术被认为是尺寸排阻。反向渗透膜使用溶解度差别分离分子。在典型的薄膜复合膜中，水比氯化钠溶解度大三个数量级。结果是水分子相对盐离子的优选性> 100 I的材料。实际上，该材料通过阻止99. 7%的氯化钠而过滤水。对于大部分分离膜，膜的渗透率定义为给定的时间段内通过膜的溶剂通量与膜的面积和施加于膜的压力的比例。下面是控制通过膜的通量的公式通量=Ρ·( Δ P- Δ Ji)其中Λ P是跨越膜的压力，Λ 是越过膜的渗透压力并且P是膜渗透率。膜的渗透率是膜结构参数的函数。结构参数是
· *1
tV·
I (I (I I O It mmm.............................................1 V/V/ I Ol, I1.......................
ε其中S是结构参数，τ是曲率，t是厚度，并且ε是膜的孔隙率。曲率定义为通过该材料的两个点之间的距离与两个点之间的最小距离的比例。因为结构参数正比于膜的渗透率，曲率正比于渗透率。在很多构造中使用用于分离的膜。对于反向渗透(RO)和正向渗透(FO)应用，它们通常配置为螺旋缠绕构造，其中将膜卷绕在空心芯周围。水从芯流入膜封套中并且之后流回芯中。对于压力延缓渗透(PR0)，膜也可以是螺旋缠绕构造。在PRO中，水在压力下流入膜封套中，并且越过膜的渗透梯度将更多的水拉入膜封套中。也可以将用于R0、F0和PRO的膜构造为中空纤维。在中空纤维中，制造了空心多孔圆柱膜。水切向流至膜表面并且纤维中的孔使得能够分离。膜也可以制造为典型地用于蛋白质，病毒，细菌，糖和其他生物材料的浓缩的滤筒。这些膜可以放入使得能够容易地浓缩溶质的盒中。对于氯碱工艺、蓄电池和燃料电池，阳极和阴极由电解质分隔。该电解质传导阳离子或阴离子并且阻挡电子、阳极液和/或阴极电解液。在一些器件中，电解质是离子交换膜。典型地，离子交换膜将允许阳离子或者阴离子但不是两者通过。离子交换膜可以配置为允许单价和二价离子两者通过或者仅单价离子通过。不希望的溶质跨电解质液的输送被认为是膜交换(Membrane Crossover)。膜交换在阳极和/或阴极建立过电势,并且降低电池的电流效率。膜交换是很多器件如直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、钒氧化还原蓄电池、铁铬蓄电池、流蓄电池等中的限制因素。在生物学中，水驱动称为脂质的一类表面活性剂在水中自组装，产生充当向细胞中扩散的扩散阻档物的脂质双分子层。测量了模型电池膜对水和多种低分子量溶质的渗透率。脂质双分子层的选择性的典型测量在水悬浮液中利用渗透(又称正向渗透)进行。同样，这些实验的结果显示脂质双分子层具有比商业渗透(又称正向渗透)膜更大的渗透率。模型电池膜是通过水自组装为称为泡囊的结构的磷脂。磷脂具有亲水头基团和疏水的两个脂肪酸尾。泡囊是直径在30nm至20，OOOnm之间的球形、空心脂质双分子层。脂质双分子层对泡囊内含有的水的体积建立物理阻挡物。典型的渗透率实验由两个步骤组成。第一步是改变含有泡囊的水溶液中溶质的渗透强度。第二步是测量溶质和/或溶剂越过脂质双分子层进入或离开泡囊的扩散。该实验类似于其中通过使用高度浓缩的盐水溶液的膜萃取水的正向渗透工业过程。这些实验的结果显示双分子层的疏水芯分离不同的低分子量化合物。一个机制是由双分子层中的脂质与双分子层的疏水芯之间的间隙建立的亚纳米多孔性，使得能够具有对于水、质子、不带电荷的低于100分子量的有机物和离子按以上顺序的优先选择性。同样，双分子层的分子结构中的起伏使得能够比预期更快地输送水和质子。此外，这些实验表明通过所使用的脂质的化学结构对选择性的控制。尤其是，脂质双分子层的分离特性依赖于脂质的脂肪酸尾的长度。发明概述本发明的一个实施方案包括一种膜，所述膜包含结合于多孔支持体的表面的稳定化的表面活性剂介观结构。所述稳定化的表面活性剂介观结构优选用保持表面活性剂分子的排列的材料稳定化。所述材料任选地是多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含与包含所述多孔材料的薄片交替的薄片。备选地，所述材料任选地是非多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含六角堆积柱，所述六角堆积柱包含成圆形排列的表面活性剂分子，所述柱的每一个基本上被所述非多孔材料环绕。所述膜优选还包含设置在所述稳定化的表面活性剂介观结构与所述表面之间的用于保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络的材料。所述材料优选包括选自由以下各项组成的组的材料硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅。在所述稳定化的表面活性剂介观结构结合到所述表面之前优选将所述表面氧化、熔化和再凝固；在这种情况下所述再凝固表面处的平均孔径优选小于所述多孔支持体的主体中的平均孔径。所述多孔支持体的孔径优选足够小以防止所述稳定化的表面活性剂介观结构的前体溶液在稳定化的表面活性剂介观结构的形成之前完全渗入所述支持体。所述膜任选地还包含设置在所述多孔支持体与所述表面相反的一侧上的另外的多孔结构，用于机械或化学稳定化所述多孔支持体。所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含输送体。所述膜任选地包含第二多孔支持体，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。所述膜优选具有小于大约1. 09的曲率。所述稳定化的表面活性剂介观结构优选具有大约O. 3埃至大约4nm的孔径。所述膜优选具有大于大约I %的孔隙率。所述多孔支持体优选包含塑料和/或纤维素。所述多孔支持体优选机械稳定化所述稳定化的表面活性剂介观结构。所述膜任选地还包含结合于所述多孔支持体与所述表面相反一侧的第二稳定化的表面活性剂介观结构。所述膜任选地与其他相同的膜层叠，从而形成多层膜。所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面被任选地改性。所述膜任选地包含离子交换膜和/或气体扩散层，所述膜包含膜电极组件或电解质。本发明的另一个实施方案是一种用于制备膜的方法，所述方法包括将多孔支持体的表面改性；用第一溶剂湿润所述改性表面；将溶液放置在所述湿润的表面上，所述溶液包含至少一种表面活性剂和至少一种第二溶剂，其中所述至少一种表面活性剂在所述溶液中的分散相中；将所述溶液限制在两个以上限制表面之间；和将所述一种或多种表面活性剂稳定化以在所述多孔支持体的表面上形成稳定化的表面活性剂介观结构。所述第一溶剂和/或所述第二溶剂优选包含水。所述溶液任选地还包含前体溶质和/或输送体。放置所述溶液和限制所述溶液任选地基本上同时进行。限制所述溶液优选包括将所述溶液限制在所述多孔支持体的表面与至少一个第二表面之间。所述至少一个第二表面优选选自由以下各项组成的组槽侧壁、辊和刀片边缘。改性所述表面优选包括选自由以下各项组成的组的操作表面官能化；表面接枝；共价表面改性；表面吸附；表面氧化；表面消蚀；表面漂洗；在所述表面上沉积材料，所述材料选自由以下各项组成的组硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅；保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络；以及氧化、熔化和再凝固所述表面，以及它们的组合。所述方法优选作为批量生产涂布处理的一部分进行。所述方法优选还包括控制所述稳定化的表面活性剂介观结构的厚度。所述溶液任选地不包含酸、碱或亲水化合物。在将所述溶液放置在所述表面上之后优选不将所述至少一种表面活性剂从所述溶液移除。所述方法任选地在所述多孔支持体的两侧上进行。所述方法任选地还包括将所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面改性，优选采用表面官能化、改变所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面的疏水性和/或甲基化所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面。所述方法可以被重复以形成多层膜。所述多孔支持体优选包含塑料和/或纤维素。所述方法任选地还包括将第二多孔支持体放置在所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面上，从而将所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。本发明的另一实施方案是一种正向渗透膜，所述正向渗透膜对于20°C的10重量％ NaCl的抽取溶液浓度具有大于大约15111- -1的渗透率。对于20°C的10重量％ NaCl的抽取溶液浓度，渗透率优选大于大约并且对于20°C的10重量％ NaCl的抽取溶液浓度，渗透率再更优选大于大约GOIiT2H'所述正向渗透膜优选具有大于大约96%的NaCl阻止率。所述正向渗透膜优选包含一种或多种表面活性剂。本发明的另一实施方案是一种用于进行分离的器件，所述器件包含活性层，所述活性层包含一种或多种表面活性剂。所述活性层优选包含一种或多种输送体。所述器件优选选自由以下各项组成的组正向渗透膜或模块、反向渗透膜或模块、压力延缓渗透膜或模块、中空纤维膜、螺旋缠绕膜或模块、筒、切向流过滤器(TFF)筒、板和框架模块、管状膜和袋。所述器件优选包含在两侧涂布有所述一种或多种表面活性剂的多孔支持体。所述一种或多种表面活性剂优选在一个或多个多孔支持体上形成机械稳定化的膜。本发明的目标、益处和新特征以及更多应用范围将在下面的详述中结合附图部分地给出，并且部分地在细查以下内容之后对本领域技术人员将是显见的，或者可以通过本 发明的实践学习。本发明的目标和益处可以通过在所附权利要求书中特别指出的手段和组合的方式实现并获得。附图简述结合于说明书中并形成说明书的一部分的附图描述了本发明的数个实施方案，并且与说明书一起，用于说明本发明的原理。附图仅用于示例本发明的一个或多个实施方案的目的，并且不被解释为限制本发明。在附图中
图1示例层状相中的表面活性剂分子之间的间隙如何可以用于分离。图2示例六角相中的表面活性剂分子之间的间隙如何可以用于分离。图3示例反六角相中的表面活性剂分子之间的间隙如何可以用于分离。图4示例将表面活性剂介晶相薄膜自组装局域化至多孔材料的表面的过程。结果是附着于多孔材料的独立式表面活性剂介晶相材料。图5显示稳定化的表面活性剂介观结构薄膜的实施方案，其中组装局域化至多孔材料的表面。图6示例用于建立所示的独立式表面活性剂模板化膜的物理限制方法。图7是经由物理限制的仿生表面活性剂纳米结构组装的示意。图8示例根据本发明的实施方案的二维多尺度自组装的多种构造。图9示例膜材料表面化学制备对所得到的材料的通量和阻止水平的影响。图10显示甲醇的浓差极化对通过仿生表面活性剂纳米结构的通量的影响。图11显示经由自组装溶液溶质浓度的膜厚度控制及其对渗透率的影响。图12显示经由物理限制的膜厚度控制及其对于渗透率的影响。图13是用于制造膜的自动辊对辊式处理的实施方案的示意。图14显示退火对膜渗透率的影响。图15显示对称和不对称膜之间的区别。图16是比较对称和不对称独立式仿生表面活性剂纳米结构的盐的反向扩散的曲线图。图17显示表面官能化化学对膜疏水性的影响。图18显示对使用分离和浓缩用平膜的滤筒的实施方案的设计。
图19显示对溶质浓缩用螺旋滤筒的实施方案的设计。
图20显示对水净化用螺旋滤筒的实施方案的设计。
图21示例压力对根据本发明的膜的实施方案的阻止水平的影响。
图22示例机械背衬对膜的实施方案的长期稳定性的影响。
图23示例膜的实施方案用于浓缩甲醇的用途。
图24测量醇对不同的支持体的影响。
图25示例下方支持体对乙醇分离的影响。
图26示例膜的实施方案用于浓缩甲醇的用途。
图27示例通过膜的实施方案的NaCl阻止。
图28示例通过膜的实施方案的MgS04阻止。
图29显示多层膜的实施方案的截面。
图30显示3BSNS层膜的实施方案的乙醇阻止。
图31显示4BSNS层膜的实施方案的丁醇阻止。
图32显示下承板穿透电导率、甲醇渗透率和仿生表面活性剂纳米结构的稳定性。
图33是电化学电池中使用的多尺度自组装膜的示意。
发明详述
定义在整个说明书和权利要求书中使用的以下术语定义如下“两亲”意指具有溶剂优选和溶剂排斥区域两者的分子。“亲水”意指水优选的。亲水化合物和表面具有高表面张力。“疏水”意指水排斥的。疏水化合物和表面具有低表面张力。“表面活性剂”意指具有至少一个亲水区域和至少一个疏水区域的两亲物的类型。设计为用表面活性剂工作的系统很可能可以用所有两亲物工作。“磷脂”意指细胞膜的主要成分。这些分子在水中自组装为泡囊并且在低表面张力溶剂中以分散相存在。“层状”意指包含多个层或双分子层。“介晶相”意指通过一种或多种溶剂与一种或多种表面活性剂之间的相互作用形成的表面活性剂液晶结构。“胶束相”意指表面活性剂的球形相，其中使表面活性剂的疏水区域位于胶束内而隐藏于主体溶液。“临界胶束浓度”意指高于该浓度时表面活性剂排序为胶束的浓度。“六角相”意指表面活性剂圆柱体的二维六角排列，其中表面活性剂的疏水区域在圆柱体内侧。“反”意指其中亲水区域在结构的内侧的表面活性剂结构。例如，油中的表面活性剂形成其中亲水头在胶束内而隐藏于主体溶液的反胶束。“稳定化的表面活性剂介观结构”意指在移除溶剂之后保持其结构的介晶相。“自组装表面活性剂薄膜”意指厚度典型地小于或等于十微米的膜，其中膜的一个组分是介晶相。“仿生膜”意指包含输送体的单个磷脂质双分子层。
“仿生表面活性剂纳米结构(“BSNS”) ”意指组装在多孔支持体上的层状稳定化的表面活性剂介观结构，其可以包含也可以不包含输送体。“输送体”意指调节特定种类的离子、分子、分子的复合物、生物结构体和/或胶体粒子的输送速率的分子、分子的复合物、结构、蛋白质、沸石、离子通道、膜蛋白质、碳纳米管、环糊精，或者任意其他结构。“独立式”意指表面活性剂模板化薄膜，其中膜的两侧可达到溶液并且膜不必须由物理阻挡物限制。“支持”意指组装在第二材料上以使得第二材料对第一材料赋予机械稳定性而不消除其所有的功能的材料。“中空纤维膜”意指空心多孔圆柱结构体。除了该材料是多孔的以外，它类似于麦杆。该材料典型地用于水性分离。“膜/半透膜”意指用于将离子、分子、蛋白质、酶、病毒、细胞、胶体和/或粒子中的特定类型与其他类型分离的材料。“机械背衬”意指用于增加第二材料的机械稳定性的固体或多孔支持体。“浓差极化”意指在过滤过程中，膜的表面处的化合物的局部浓度与该化合物的主体浓度不同。“反向渗透”意指使用压力分离盐和水的过程。“正向渗透”意指使用渗透梯度建立水通量的过程。“压力延缓渗透”意指使用渗透梯度和压力由正向渗透获得能量的过程。“膜交换”意指不希望的分子或离子物种的越过电解质的输送。“过电势”意指半电化学电池的电势从理论预期值的减少。膜交换可以是半电化学电池的过电势的一个原因。材料制备方法的定义以下方法用于制备用于表面活性剂模板化溶胶-凝胶薄膜的组装的表面。在另外的进一步制备之前，将每个材料在水、乙醇中漂洗，之后干燥。在使用之前将所有的材料储存在水中。UV光源为来自UVP的臭氧生成笔灯(ozone producing pen lamp)。“仅漂洗”-在漂洗之后不进一步处理该材料。“UV清洁将材料暴露于来自笔灯的臭氧生成UV光超过I分钟。在处理之后，将材料储存在水中。“UV清洁网将材料暴露于来自笔灯的臭氧生成UV光超过I分钟。在处理之后，将材料储存在水中。在自组装溶液沉积之前，将微孔性筛放置在物理限制单元中的固体表面与膜之间。iiH2O2沸腾”-将材料在热(> 20°C )过氧化氢中漂洗一小时。"H2O2沸腾TE0S”-将材料在热(> 20°C )过氧化氢中漂洗一小时。之后，使该材料吸入二氧化硅储液，将其空气干燥至少三小时，并且最终在> 80°C固化大于三小时。“UV TEOS"-将材料暴露于来自笔灯的臭氧生成UV光超过I分钟。之后，使该材料吸入二氧化硅储液，将其空气干燥至少三小时，并且最终在> 80°C固化大于三小时。表面活性剂介观结构表面活性剂介观结构可用于根据本发明的实施方案的分离。存在至少三种独立的用于使用表面活性剂介观结构分离的机制。第一种包含使用介观结构中表面活性剂之间的间隙。间隙用于分离具有多个益处，包括但是不限于低曲率、可调孔径、可调表面电荷以及或者是非极性的或者是极性的孔。此外，容易控制介观结构中表面活性剂的厚度。第二种机制是通过缺陷的分子输送，使得薄膜具有选择性。这些缺陷可以是分子水平的(例如缺失分子或差匹配的分子)和/或宏观水平的(例如来自沉积过程中的湿润不稳定性)。第三机制是表面活性剂介观结构自身可以经由形成过程中夹带溶剂而形成孔。在形成之后，可以将溶剂移除以使得能够输送或者可以类似于生物学中的水线保持以使得能够输送。虽然本发明的这个实施方案由生物(例如细胞)膜得到灵感，它优选不包含仿生膜，因为本发明需要材料纳米科学以稳定化自组装表面活性剂薄膜并且将它们与器件整合在一起。本发明的这个实施方案还优选不是表面活性剂模板化的溶胶-凝胶材料，因为它优选利用表面活性剂介观结构的物理性质分离化合物，而不是利用表面活性剂建立适宜的溶胶-凝胶结构。换言之，本发明的实施方案优选采用表面活性剂，而不是无机溶胶-凝胶结构如二氧化硅或二氧化钛，以形成稳定化的表面活性剂介观结构体的结构。本发明的实施方案包括稳定化的表面活性剂介观结构，其包括但是不限于脂质双 分子层，用于分离，包括但是不限于渗透。稳定化的表面活性剂介观结构的适宜的渗透率和分离能力与本发明的实施方案的最简单的类型相关以层状相组装的表面活性剂的一维结晶。这类中的一个特定的实施方案是脂质双分子层的Z维度薄片。脂质双分子层使用由脂质尾组成的油相中分子的能量损失建立溶解度屏障，限制越过膜的输送。该机制可以通过溶解度扩散模型模拟。水和质子通过膜中形成的自发孔穿越膜，如图1中所示。图1A是层状双分子层表面活性剂结构的侧截面图。表面活性剂的亲水区域由黑圈表示。表面活性剂的疏水区域由两条灰线表示。箭头显示表面活性剂之间分子的路径。图1B是层状双分子层表面活性剂结构的顶视图。灰色圈表示表面活性剂。黑色点表示使得能够通过该结构输送的表面活性剂之间的间隙。该实施方案不同于在表面活性剂内包含离子通道和/或另外的输送体的传统的仿生膜。在那些系统中，跨膜输送是通道或输送体的功能。本发明的这个实施方案是不包含输送体或离子通道的膜。备选地，本发明的其他实施方案可以包含一种或多种输送体，但优选为多层并且因此不是仿生膜。X射线衍射测量确定脂质的直径为:M89 Λ,:假设平面中的脂质局部密堆积并且可以表示为圆圈，则标记在脂质之间的圆圈的直径为1.112 A。用于参照，键长度典型地为约1.O A至约2.5 A。这使得表面活性剂能够在原子水平进行尺寸排阻分离。在该类型的实施方案中，X射线实验显示单个双分子层的两侧之间的距离为大约42.00 JL通过单个双分子层的分子的最大/最小路径长度为大约45.59 A/42.00 I11最大路径长度当一层脂质落在另一个脂质层的间隙上时出现。因此，单个双分子层的曲率为约1.09至1. 00。在用于自组装介晶相的最小的情况下，材料的曲率为1.00，通过定义最小曲率是可能的。本发明的膜的曲率优选大约接近于单个脂质双分子层的曲率。这使得本发明的膜能够具有优选小于O. 5mm,并且更优选小于约O.1mm的结构参数。材料科学技术优选将所要形成的z_维度薄片的数目控制为一至一千。溶胶-凝胶层的水输送效果可忽略，因为孔隙率高，厚度为数个分子，并且曲率接近一。
在层状类型的实施方案中，可以通过使用不同的尺寸和形状的表面活性剂和表面活性剂的混合物控制薄片的孔隙率。例如，当将表面活性剂模型化为圆圈的平面时，表面活性剂之间的空隙孔的直径为表面活性剂的直径的15. 5%。例如，单链表面活性剂具有比脂质更小的面内面积。结果是膜包含更小的孔。在一个实施方案中，使用本发明中包括的多种方法将脂质双分子层的薄片组装在微孔性支持体上。如所预期的，当与目前的正向渗透膜比较时，稳定化的表面活性剂介观结构具有更高的对水的渗透率。在该实施方案中，表面活性剂为层状相。后面将详细描述该实施方案。该实验的结果总结在表I中。如可以看出的，本实施方案的稳定化的表面活性剂介观结构的渗透率为典型的商业FO膜的大约五倍。因此本发明对于10重量％ NaCl的抽取溶液浓度在20°C可以具有大于ISIif2F1,更优选大于201^ '并且再更优选大于SOIiT2F1的渗透率。此外，对于这些膜，NaCl的阻止为大于大约96%。
权利要求
1.一种膜，所述膜包含结合于多孔支持体的表面的稳定化的表面活性剂介观结构。
2.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构用保持表面活性剂分子的排列的材料稳定化。
3.权利要求2所述的膜，其中所述材料是多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构包含与包含所述多孔材料的薄片交替的薄片。
4.权利要求2所述的膜，其中所述材料是非多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构包含六角堆积柱，所述六角堆积柱包含成圆形排列的表面活性剂分子，所述柱的每一个基本上被所述非多孔材料环绕。
5.权利要求1所述的膜，所述膜还包含设置在所述稳定化的表面活性剂介观结构与所述表面之间的、用于保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络的材料。
6.权利要求5所述的膜，其中所述材料包括选自由以下各项组成的组的材料硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅。
7.权利要求1所述的膜，其中在所述稳定化的表面活性剂介观结构结合在所述表面之前，所述表面已经被氧化、熔化和再凝固。
8.权利要求7所述的膜，其中所述再凝固表面处的平均孔径小于所述多孔支持体的主体中的平均孔径。
9.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体的孔径足够小以防止所述稳定化的表面活性剂介观结构的前体溶液在稳定化的表面活性剂介观结构的形成之前完全渗入所述支持体。
10.权利要求1所述的膜，所述膜还包含设置在所述多孔支持体的所述表面相反的一侧上的另外的多孔结构，用于机械或化学稳定化所述多孔支持体。
11.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构包含输送体。
12.权利要求1所述的膜，所述膜还包含第二多孔支持体，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。
13.权利要求1所述的膜，所述膜具有小于大约1.09的曲率。
14.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构具有大约O.3埃至大约4nm的孔径。
15.权利要求1所述的膜，所述膜具有大于大约I%的孔隙率。
16.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体包含塑料和/或纤维素。
17.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体机械地稳定化所述稳定化的表面活性剂介观结构。
18.权利要求1所述的膜，所述膜还包含结合于所述多孔支持体的所述表面相反一侧的第二稳定化的表面活性剂介观结构。
19.权利要求1所述的膜，所述膜与其他权利要求1所述的膜层叠，从而形成多层膜。
20.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面被改性。
21.权利要求1所述的膜，所述膜包含离子交换膜和/或气体扩散层，所述膜包含膜电极组件或电解质。
22.一种用于制备膜的方法，所述方法包括将多孔支持体的表面改性；用第一溶剂湿润所改性的表面；将溶液放置在所湿润的表面上，所述溶液包含至少一种表面活性剂和至少一种第二溶齐U，其中所述至少一种表面活性剂在所述溶液中的分散相中；将所述溶液限制在两个以上限制表面之间；和将所述一种或多种表面活性剂稳定化以在所述多孔支持体的表面上形成稳定化的表面活性剂介观结构。
23.权利要求22所述的方法，其中所述第一溶剂和/或所述第二溶剂包括水。
24.权利要求22所述的方法，其中所述溶液还包含前体溶质和/或输送体。
25.权利要求22所述的方法，其中放置所述溶液和限制所述溶液基本上同时进行。
26.权利要求22所述的方法，其中限制所述溶液包括将所述溶液限制在所述多孔支持体的表面与至少一个第二表面之间。
27.权利要求26所述的方法，其中所述至少一个第二表面选自由以下各项组成的组 槽侧壁、辊和刀片边缘。
28.权利要求26所述的方法，其中改性所述表面包括选自由以下各项组成的组的操作表面官能化；表面接枝；共价表面改性；表面吸附；表面氧化；表面消蚀；表面漂洗；在所述表面上沉积材料，所述材料选自由以下各项组成的组硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅；保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络；以及氧化、熔化和再凝固所述表面。
29.权利要求22所述的方法，所述方法作为批量生产涂布处理的一部分进行。
30.权利要求22所述的方法，所述方法还包括控制所述稳定化的表面活性剂介观结构的厚度。
31.权利要求22所述的方法，其中所述溶液不包含酸、碱或亲水化合物。
32.权利要求22所述的方法，其中在将所述溶液放置在所述表面上之后不将所述至少一种表面活性剂从所述溶液移除。
33.权利要求22所述的方法，所述方法在所述多孔支持体的两侧上进行。
34.权利要求22所述的方法，所述方法还包括将所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面改性。
35.权利要求34所述的方法，其中改性所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面包括采用表面官能化、改变所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面的疏水性和/或甲基化所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面。
36.权利要求22所述的方法，所述方法被重复以形成多层膜。
37.权利要求22所述的方法，其中所述多孔支持体包含塑料和/或纤维素。
38.权利要求22所述的方法，所述方法还包括将第二多孔支持体放置在所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面上，从而将所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。
39.一种正向渗透膜，所述正向渗透膜对于10重量％ NaCl的抽取溶液浓度在20°C具有大于大约ISIiT2F1的渗透率。
40.权利要求39所述的正向渗透膜，其中对于10重量％NaCl的抽取溶液浓度在20°C的渗透率大于大约20111- '
41.权利要求39所述的正向渗透膜，其中对于10重量％NaCl的抽取溶液浓度在20°C 的渗透率大于大约eoLM^r1。
42.权利要求39所述的正向渗透膜，所述正向渗透膜具有大于大约96%的NaCl阻止率。
43.权利要求39所述的正向渗透膜，所述正向渗透膜包含一种或多种表面活性剂。
44.一种用于进行分离的器件，所述器件包含活性层，所述活性层包含一种或多种表面活性剂。
45.权利要求44所述的器件，其中所述活性层包含一种或多种输送体。
46.权利要求44所述的器件，所述器件选自由以下各项组成的组正向渗透膜或模块、 反向渗透膜或模块、压力延缓渗透膜或模块、中空纤维膜、螺旋缠绕膜或模块、筒、切向流过滤器(TFF)筒、板和框架模块、管状膜和袋。
47.权利要求44所述的器件，所述器件包含在两侧涂布有所述一种或多种表面活性剂的多孔支持体。
48.权利要求44所述的器件，其中所述一种或多种表面活性剂形成在一个或多个多孔支持体上被机械稳定化的膜。
全文摘要
基于稳定化的表面活性剂的膜及其制造方法。包含多孔支持体上的稳定化的表面活性剂介观结构的膜可以用于多种分离，包括反向渗透和正向渗透。这些膜在溶剂蒸发之后稳定化；在一些实施方案中不需要移除表面活性剂。表面活性剂溶液可以包含也可以不包含亲水化合物如酸或碱。优选改性多孔支持体的表面，之后形成稳定化的表面活性剂介观结构。这些膜足够稳定以在商业分离器件如螺旋缠绕模块中采用。
文档编号B01D69/10GK103025411SQ201180035651
公开日2013年4月3日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年5月21日
发明者阿德里安·布罗曾尔 申请人:阿德里安·布罗曾尔