[發(fā)明專利]具有納米級圖案的濾膜

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380058147.X
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN104918686A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁遺福;薩賈德·馬魯夫;約翰·佩萊格里諾;艾倫·格林伯格
• 申請（專利權(quán)）人: 科羅拉多大學(xué)董事會;法人團(tuán)體
• 主分類號: B01D69/12
• 分類號: B01D69/12;B01D71/76
• 代理公司: 北京同達(dá)信恒知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11291
• 代理人: 黃志華;李欣

背景技術(shù)

聚合物膜在壓力驅(qū)動的分離技術(shù)中已經(jīng)獲得重要地位并且用于廣泛的應(yīng)用。因為它們控制化學(xué)物質(zhì)通過材料的滲透，所以它們在各種技術(shù)工藝中起著重要的作用。盡管具有所有的這些優(yōu)點，然而這些膜的連續(xù)操作受到在膜表面處、孔內(nèi)或孔壁處的污染(fouling)現(xiàn)象(例如，剩留顆粒、膠體、高分子、鹽等的沉積)的阻礙，導(dǎo)致在滲透/通量上從初始速率的減小[1-3]。

污染開始是“濃差極化”的形式，其中，濾除成分的濃縮物積累在膜表面的附近。這可以增大跨膜的有效滲透壓，引起高分子的凝膠層，導(dǎo)致難溶態(tài)鹽的沉降，或者在膜表面附近開始顆粒餅的沉積[4,5]。在其最早階段中，污染是可逆的，這是由于最初的滲透/通量通常可以通過停止過濾或者執(zhí)行光沖洗(例如，施加背壓)而被還原。由于濾除物的濃度增加，故膜變得更粘著地被污染，導(dǎo)致更加難以反轉(zhuǎn)的通量下降(其要求更復(fù)雜的清洗以反轉(zhuǎn))，且實際上可以變成不可逆的。當(dāng)通量下降發(fā)生時，隨著餅/污染層施加稱為“濾餅阻力”的另外的阻力，水阻力增大[6,7]。為了解決污染，不同類型的預(yù)處理和清洗方案已經(jīng)通過特定加工行業(yè)被開發(fā)和使用。通常，由于如前文所提到的不可逆的成分，故通量下降增大了能耗(例如，為了保持定向的流體通量)且限制了膜的使用壽命[1,2]。因此，在膜技術(shù)的領(lǐng)域中已經(jīng)采用很多工作來減少污染。

伴隨污染的膜分離工藝主要是表面現(xiàn)象[3,8]。改性膜的表面已經(jīng)進(jìn)行大量的研究，以減少污染。在這些工作中，許多目的在于改變表面能，例如，增大膜的親水性，這是由于污染物被懷疑有助于疏水表面上的吸附[3]。已經(jīng)利用多種表面活性劑和聚合物的吸附來增大膜的親水性[9-11]。此外，關(guān)于將基于聚乙烯醇(PVA)和聚乙二醇(PEG)的聚合物涂覆到膜表面上已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作[12-14]。基于PEG的聚合物和甲基丙烯酸羥乙酯的表面接枝是修飾膜表面的常用技術(shù)[15-17]。另外，使用CO₂、N₂、O₂和UV的多種等離子體處理已經(jīng)被用來增大膜表面的親水性[18-21]。然而，所有這些工藝的廣泛應(yīng)用已經(jīng)受到限制，這是由于許多工藝在危險條件下完成。另外，接枝和涂覆傾向于暫時的，并且這些技術(shù)中的大部分技術(shù)在工業(yè)規(guī)模上進(jìn)行是昂貴的[3,21]。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決了多個前述挑戰(zhàn)，其提供了用于流體輸送的膜，包括通過納米刻蝕所形成的圖案且具有周期性和振幅的特征，該特征發(fā)揮抵抗污染的作用。本發(fā)明的膜可以是濾膜。濾膜包括適于納米過濾、超濾、微濾和反滲透的膜。

本發(fā)明還提供了一種膜，該膜在膜的表面上包括凸起的部分或凹陷的部分以形成形狀，其中，在這些形狀之間的谷的深度或振幅在50nm和500nm之間。在一些實施方式中，這些形狀被布置成具有在10nm和1500nm之間或者在400nm和1000nm之間的周期性。在另一些實施方式中，這些形狀被布置成具有約834nm的周期性。

在膜的一些實施方式中，振幅在10nm和300nm之間。在另一些實施方式中，振幅是約200nm。在一些實施方式中，在形狀之間的空間或者谷具有在200nm和800nm之間的寬度或者在300nm和600nm之間的寬度。在另一些實施方式中，谷是約400nm的寬度。

在膜的一些實施方式中，膜具有在0.1kDa和1000kDa之間的截留分子量(MWCO)。在另一些實施方式中，膜包括聚醚砜。

本發(fā)明提供了使用本文描述的膜從流體過濾組分的方法。流體可以是液體或氣體。在一些實施方式中，液體是極性溶劑。

在一些實施方式中，本發(fā)明提供了一種從水溶液過濾組分的方法，該方法包括使包括所述組分的水溶液穿過本文描述的膜。在一些實施方式中，所述組分具有在0.1kDa和1000kDa之間的分子量。在另一些實施方式中，過濾在室溫下進(jìn)行。室溫可以是約21℃。

在過濾方法的一些實施方式中，過濾在6psi和51psi的壓力下進(jìn)行。在另一些實施方式中，過濾在亞臨界通量下進(jìn)行。在具體實施方式中，當(dāng)組分按直徑計具有250nm的平均粒徑時，臨界通量是大于40L·m^-2·h^-1或者在40L·m^-2·h^-1和60L·m^-2·h^-1之間。在一些實施方式中，在上述參數(shù)下，膜具有約400nm的谷深度。