[发明专利]包含纤维素或纤维素衍生物层的高通量流体分离膜

说明书

政府权利 

本发明是在授权编号为N000140310932的海军研究局(Office of NavalResearch)的政府资助下完成的。政府享有本发明的某些权利。 

相关申请的交叉引用 

本申请要求在2007年5月26日提交的美国临时专利申请60/931,765和在2007年6月29日提交的美国临时专利申请60/947,045的权益，所述美国临时专利申请的全部内容为了所有的目的以全文形式结合在此。 

发明领域

本发明涉及一种用于制备具有提高的渗透通量性质的纤维素和纤维素衍生物复合膜的简单方法。本发明的膜可用作流体分离膜如超滤膜、纳滤膜、反渗透膜和正向渗透膜。 

发明背景 

纤维素是充裕的、可再生的、低成本的生物材料。然而，纤维素在普通有机溶剂中的差的溶解性由于加工困难而显著限制它在许多应用中的使用。然而，最近几项研究已经报道了溶解在离子溶剂的溶液中的纤维素的化学改性(例如，酰化、异氰酸苯酯化等)。 

纤维素衍生物例如乙酸纤维素、二乙酸纤维素和三乙酸纤维素已经用于通过相反转法制备商业反渗透膜。然而，这种膜具有可归因于膜结构的各种问题。例如，为了提供商业上有用的过滤速率，必须使用高的操作压力(高达1MPa)，这增加了能量成本并且导致分离性能损失，以及在过滤过程中由膜的压实和致密化引起的膜的机械破裂。为了增加通量率，已经制备了具有较薄致密层的膜，但是这种膜即使在低的压力也容易破裂。 

与纤维素衍生物如乙酸纤维素相比，纤维素膜由于它们的优异的化学 稳定性、生物相容性和环境友好性而提供了提高的性质。例如通过在强碱性溶液如氢氧化钠水溶液中水解常规相反转乙酸纤维素膜，已经制备了纤维素超滤(UF)膜。此方法相对复杂和昂贵，并且用于制备相反转膜的有机溶剂(例如，NMP)和腐蚀性碱溶液对环境不友好并且有毒和/或使用有害。 

大多数当前用于脱盐的商业反渗透(RO)膜是通过界面聚合方法制备的复合膜。典型地，首先将微孔膜(例如，聚砜UF膜)浸渍在胺溶液中。然后将芳胺润湿的UF膜载体与溶解在一种或多种不能混溶的有机溶剂(例如，在己烷中的均苯三甲酰氯)中的一种或多种交联剂接触。在两种不能混溶的液体的界面处，形成致密的、交联的和带电的聚合物网络。这种界面聚合的上涂层典型具有～0.002至～0.3μm的厚度。当前的商业RO膜在800psi的进料压力下具有99+％的氯化钠截留率和大于35L/m²的水通量。 

大部分的商购纳米过滤(NF)膜也通过界面聚合制备，例如包含在微孔基底上的哌嗪酰胺。例如，Cadotte等(U.S.4,259,183，为了所有的目的而通过引用以全文形式结合在此)已经成功地证明了使用均苯三甲酰氯通过哌嗪的界面聚合制备NF膜。这些复合纳滤膜表现出非常高的MgSO₄截留率(99％)，但是NaCl保留率低(＜60％)。还已经制备了多组分(哌嗪和聚乙烯醇，JP 61 93,806；为了所有的目的而通过引用以全文形式结合在此)和多层涂覆(磺化聚砜和哌嗪酰胺)复合膜。对于典型的纳滤膜，分子量截取值(cutoff)范围为100至5000道尔顿，二价离子的截留率高(＞99％)而一价离子的截留率低(～50％以下)。 

还已经通过界面聚合制备了复合UF膜。Wrasidlo等(U.S.4,902,424，为了所有的目的而通过引用以全文形式结合在此)通过聚乙烯亚胺浸渍的微孔膜与在己烷中的间苯二甲酰氯和甲苯二异氰酸酯的界面聚合制备了复合UF膜。聚合的上涂层具有在0.0012至0.15μm范围内的厚度，以及在500至1,000,000道尔顿范围内的分子量截取值。Stengaard等(J.Membr.Sci.，53(1990)189-202；为了所有的目的而通过引用以全文形式结合在此)报道了在聚醚砜UF膜(MWCO：20k～50k道尔顿)上将未公开的水性单体组合物与二异氰酸酯反应。进行乳清/脱脂乳混合物的分离，并且在30～60psi的渗透通量在40～75L/m²h范围内。