申请日2013.01.17
公开(公告)日2016.09.14
IPC分类号C07C323/52; C07C319/18; C02F1/44; B01D61/00; B01D61/58
摘要
本发明涉及正渗透驱动溶质、正渗透水处理设备和水处理正渗透方法。正渗透用驱动溶质可包括温度敏感的低聚物化合物，其包含包括温度敏感部分的结构单元。所述温度敏感的低聚物化合物可进一步包括在主链的末端的亲水性官能团。
权利要求书
1.正渗透用驱动溶质，所述驱动溶质包括：
具有拥有末端的主链的温度敏感的低聚物化合物，所述温度敏感的低聚物化合物包含包括温度敏感部分的结构单元，所述温度敏感的低聚物化合物进一步包含在主链的末端处的亲水性官能团，所述温度敏感部分为由以下化学式1表示的第一一价取代基、由以下化学式2表示的第二一价取代基、或者由以下化学式3表示的二价取代基，
[化学式1]
*-C(=O)N(R1)(R2)
R1和R2各自独立地为氢、或线型或支化的C3-C5烷基，条件是R1和R2的至少一个不为氢，
[化学式2]
R3为C3-C5亚烷基，和
[化学式3]
R4为线型或支化的C3-C5烷基，
其中所述亲水性官能团包括孤对电子，和
其中所述正渗透用驱动溶质进一步包括与所述亲水性官能团的孤对电子结合的盐化合物，通过所述亲水性官能团和所述盐化合物的结合，所述温度敏感的低聚物化合物和所述盐化合物形成复合物，
其中所述温度敏感的低聚物化合物的结构单元选自以下化学式4、化学式5、化学式6、及其组合：
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
其中，在化学式4-6中，
R5和R6各自独立地为线型或支化的C3-C5烷基，和
R7为C3-C5亚烷基，
所述温度敏感的低聚物化合物包括n个由以上化学式4、化学式5、化学式6、或其组合表示的结构单元，其中n为2-30的整数。
2.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述亲水性官能团为-COOH、-NH2、-SO3H、或-PO3H2。
3.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物具有300-3000的数均分子量。
4.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物的结构单元得自选自如下的单体：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAam)、N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAAM)、N-乙烯基己内酰胺(VCL)、或其组合。
5.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物具有在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下大于或等于100g/L的在水中的第一溶解度，和在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下小于或等于1g/L的在水中的第二溶解度。
6.权利要求5的正渗透用驱动溶质，其中所述最低临界溶解温度(LCST)为10-50℃。
7.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中所述温度敏感的低聚物化合物包括侧链，其配置为在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下与水形成第一氢键，和配置为在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下在所述侧链之间形成第二氢键以可逆地自附聚。
8.权利要求1的正渗透用驱动溶质，其中在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物具有100nm-10000nm的水力半径。
9.用于水处理的正渗透方法，该方法包括：
将原料液和渗透驱动溶液经由位于其间的半透膜接触，使得所述原料液中的原料水通过渗透压穿过所述半透膜并且移动至具有比所述原料液高的渗摩浓度的所述渗透驱动溶液，所述原料液包括待分离以用于纯化的杂质，所述渗透驱动溶液包括权利要求1-8中任一项的正渗透用驱动溶质;
将包括所述原料水的所述渗透驱动溶液加热至大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度，使得所述渗透驱动溶液中的所述驱动溶质可逆地自附聚;
从包括所述原料水的所述渗透驱动溶液分离和回收可逆地自附聚的驱动溶质;和
由已经从其分离所述可逆地自附聚的驱动溶质的包括所述原料水的渗透驱动溶液产生经处理的水。
10.权利要求9的用于水处理的正渗透方法，进一步包括：
将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度，以使自附聚的驱动溶质分解并且将所分解的驱动溶质再引入到存在于第二腔中的渗透驱动溶液中。
说明书
正渗透驱动溶质、正渗透水处理设备和水处理正渗透方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2012年1月17日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0005383的优先权，其全部内容引入本文作为参考。
技术领域
示例性实施方式涉及正渗透用驱动溶质(draw solute)、使用其的正渗透水处理设备、和用于水处理的正渗透方法。
背景技术
一般，通过反渗透的脱盐是水处理领域中通常已知的。渗透(即正渗透)是指其中处于较低浓度的部分中的水向较高浓度的溶液移动的现象。另一方面，反渗透脱盐是人工添加相对高的压力以使水以相反方向移动，由此产生淡水(fresh water)的方法。由于反渗透需要相对高的压力，其具有较高的能耗。近来，为了提高能量效率，已经提出利用渗透压原理的正渗透，且已经使用包括碳酸氢铵、二氧化硫、脂族醇、硫酸铝、葡萄糖、果糖、硝酸钾等的用于渗透驱动溶液的溶质。其中，碳酸氢铵驱动溶液是最通常已知的，且可在正渗透后在约60℃的温度下分解为氨和二氧化碳并分离。此外，新提出的驱动溶液材料包括其上连接有亲水性肽的磁性纳米颗粒(通过磁场分离)、聚合物电解质例如树枝状大分子(通过UF或NF膜分离)等。
在碳酸氢铵的情况下，应将其加热至约60℃或更高以使其蒸发，从而需要较高的能耗，且由于氨的完全除去实际上是困难的，因此由于氨的气味，使用其作为饮用水是不可能的。在磁性纳米颗粒的情况下，使通过磁场分离和附聚的磁性颗粒再分散是困难的。完全除去所述纳米颗粒也是困难的，并且因此应该考虑所述纳米颗粒的毒性。聚合物离子(树枝状大分子、蛋白质等)技术由于该聚合物的几到几十纳米的RH尺寸而需要纳滤或超滤膜过滤，且在过滤之后使附聚聚合物再分散也是困难的。
发明内容
各种实施方式涉及正渗透用驱动溶质，其对于分离和回收具有相对低的能量需求。
各种实施方式涉及正渗透水处理设备，其使用包括所述正渗透用驱动溶质的渗透驱动溶液。
各种实施方式涉及使用所述正渗透用驱动溶质的用于水处理的正渗透方法。
根据非限制性实施方式，正渗透用驱动溶质可包括温度敏感的低聚物化合物，其包含包括温度敏感部分的结构单元。所述温度敏感的低聚物化合物进一步包含在主链的末端处的亲水性官能团，其中所述温度敏感部分为由以下化学式1表示的一价取代基、由以下化学式2表示的一价取代基、或者由以下化学式3表示的二价取代基。
[化学式1]
*-C(=O)N(R1)(R2)
其中，在以上化学式1中，
R1和R2各自独立地为氢、或线型(直链，linear)或支化的C3-C5烷基，条件是R1和R2的至少一个不为氢，
[化学式2]
其中，在以上化学式2中，
R3为C3-C5亚烷基，和
[化学式3]
其中，在以上化学式3中，
R4为线型或支化的C3-C5烷基。
所述亲水性官能团可包括孤对电子。
所述驱动溶质可进一步包括与所述亲水性官能团的孤对电子结合的盐化合物。
所述亲水性官能团可为-COOH、-NH2、-SO3H、或-PO3H2。
所述温度敏感的低聚物化合物可具有约300-约3000的数均分子量。
所述温度敏感的低聚物化合物可包括选自如下的一种：由以下化学式4表示的结构单元、由以下化学式5表示的结构单元、由以下化学式6表示的结构单元、及其组合。
[化学式4]
[化学式5]
[化学式6]
在化学式4-6中，
R5和R6各自独立地为线型或支化的C3-C5烷基，和
R7为C3-C5亚烷基。
所述温度敏感的低聚物化合物可包括n个由以上化学式4表示的结构单元、由以上化学式5表示的结构单元、由以上化学式6表示的结构单元、或其组合，其中n可为2-30的整数。
所述温度敏感的低聚物化合物可包括得自选自如下的单体的结构单元：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAam)、N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAAM)、N-乙烯基己内酰胺(VCL)、以及其组合。
所述温度敏感的低聚物化合物可具有在低于最低临界溶解温度(LCST)的温度下大于或等于约100g/L的在水中的溶解度，和在大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度下小于或等于约1g/L的在水中的溶解度。
所述最低临界溶解温度(LCST)可为约10-约50℃。
在低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物的侧链可与水形成氢键，和在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物的侧链可在其间形成氢键以附聚。
在大于或等于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度下，所述温度敏感的低聚物化合物可具有约100nm-约10000nm的颗粒水力半径。
根据另一非限制性实施方式，正渗透水处理设备可包括：用于接收原料液(feed solution)的第一腔，所述原料液包括待分离以用于纯化的对象材料(subject material);用于接收渗透驱动溶液的第二腔，所述渗透驱动溶液包括正渗透用驱动溶质;半透膜，其设置在所述第一腔和所述第二腔之间并且在一侧接触所述原料液和在另一侧接触所述渗透驱动溶液;回收系统，其配置成分离和回收所述渗透驱动溶液的所述驱动溶质;和连接器，其配置成将通过所述回收系统回收的所述渗透驱动溶液的驱动溶质再引入回到存在于所述第二腔中的渗透驱动溶液中。
所述正渗透水处理设备可进一步包括出口，其配置成在通过所述回收系统分离所述驱动溶质之后由所述渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水，所述渗透驱动溶液的其余部分包括已经通过渗透压从所述原料液穿过所述半透膜的水。
所述回收系统可包括将所述驱动溶质加热至大于或等于最低临界溶解温度(LCST)以使所述驱动溶质附聚的温度控制器。
所述连接器可包括将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)以使所回收的驱动溶质的附聚分解(disassemble)的温度控制器。
所述回收系统可包括微滤(MF)膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜、或者离心机。
根据又一非限制性实施方式，用于水处理的正渗透方法可包括：将包括待分离以用于纯化的杂质的原料液以及包括所述正渗透用驱动溶质的渗透驱动溶液与位于其间的半透膜接触，使得所述原料液中的原料水(feed water)通过渗透压穿过所述半透膜并且移动至具有比所述原料液高的渗摩浓度的所述渗透驱动溶液;将包括从所述原料液移动的原料水的所述渗透驱动溶液加热至大于或等于最低临界溶解温度(LCST)的温度，使得所述渗透驱动溶液中的驱动溶质可逆地自附聚;从包括从所述原料液移动的原料水的所述渗透驱动溶液分离和回收所述可逆地自附聚的驱动溶质;和由已经从其除去所述可逆地自附聚的驱动溶质的包括从所述原料液移动的原料水的渗透驱动溶液的其余部分产生经处理的水。
所述用于水处理的正渗透方法可进一步包括将所回收的驱动溶质冷却至低于所述最低临界溶解温度(LCST)的温度，以使附聚的驱动溶质分解并且将所分解的驱动溶质再引入回到存在于所述第二腔中的渗透驱动溶液中。
所述最低临界溶解温度(LCST)可范围为约10-约50℃。