[发明专利]通过离子浓度极化的水脱盐/纯化以及生物制剂预富集

说明书

相关申请

本申请要求享有2013年6月19日提交的美国临时申请号为61/836,756的申请的权益。上述申请的全部内容已通过引用并入到本发明中。

政府支持

本发明是根据美国国防部高级研究计划署(DARPA)授予的第6923562号合同以及SMA-II授予的第6898047号合同在政府的支持下做出的。政府对于本发明享有一定的权利。

背景技术

淡水不再被视为大自然的一种“免费”资源。众所周知，现如今世界上的大部分淡水资源是被污染的，因而不能够使人类食用。目前，一瓶干净的、净化水在以比油更高的价格在销售。被污染的饮用水会引起多种形式的与水有关的疾病，例如贫血、地方性砷中毒、霍乱、疟疾和铅中毒。一些先进的国家和公司注意到这种水短缺问题将会变得更为严重，并且需要通过加强与水有关的技术进行处理从而监测、清洁、转移、存储以及处理水资源。独特且重要的技术主题以及谁能量关系的社会利益具有下述进展：

(a)水淡化技术-更加可伸缩(适于饮用的)、廉价、并且高效的装置用于从含盐的/海水/采出水中去除盐

(b)水净化技术-更加可伸缩(适于饮用的)、廉价、并且高效的装置用于去除有害的生物制剂，包括毒素、蛋白质、细菌、以及细胞，

(c)水检测技术-更加可伸缩(适于饮用的)、廉价、并且高效的装置用于预富集/检测有害生物制剂(特别是针对超低的浓度标准，例如大肠杆菌(Escherichia coli))。

在此之前应用在浓度极化从而除去水中的盐分的应用是有困难的，其中电极通过长的微通道到ICP区域导致在过程中产生不必要的能耗。此外，电极直接暴露于脱盐流程中，并且通过法拉第/化学反应使它们影响系统性能和脱盐水的品质。例如，氯离子，其为地下水中最为丰富的离子，可在阳极被氧化和歧化，分别生成有毒的氯气和盐酸(HCl)/次氯酸(HOCl)。针对在水质方面的问题，额外的氢离子(H₊)可是能量损耗恶化从而置换哪些离子。氯氧化的标准电势仅为1.39V，因而甚至在2V以下操作的电容去离子化(CDI)中观察到在水溶液中通过其歧化做用产生的响应的pH变化。需要对这些技术进行改进。

发明内容

本发明已经研发了通过在两个相同离子交换薄膜(IEMs)之间的非线性离子浓差极化(ICP)现象从半咸水中整块脱盐/纯化的方法(同时去除盐离子以及带电生物制剂)。该配置的结果是只有正(或负)离子，但是二者不能同时参与传导。通过可视化和追踪的导电性、染料浓度和粒子运动，我们已经证明了生产新鲜饮用水通过消除盐离子，染料和颗粒。所述脱盐性能是可预测的，不仅通过比例定律电对流(electroconvection)(EC)区域的高度，也可以稳定并保持在电极上的可能的化学反应不受影响。通过标准的ED系统之间的比较，我们揭示和量化第一次ICP脱盐的脱盐量和电流效率的提高。我们还研发了一种直接的策略，用于针对商业化按比例扩大展示平台，通过并行地堆叠单元平台，就像在ED中。

离子交换膜(IEMs)作为一种离子过滤器，仅允许阳离子或阴离子通过。这种选择性离子传递在接近膜处产生一种称为离子浓差极化(ICP)的独特的现象，其特征在于在离子浓度方面显著、动态的扰动(也称为离子耗尽和离子富集)[1，2]。在2010年，S.J.Kim等人通过使用ICP展示了一种微流体脱盐装置。这种技术的两个缺点包括临近电极的化学反应和pH的变化以及在规模化上的困难[3]。此时，在本发明中，我们展示了一种通过利用在两个相同的IEM之间的ICP的强大的脱盐/纯化平台。

在两个并列相似的离子交换膜(AEM或CEM)之间，在电场下产生一种离子耗尽区(d_de)以及一种离子富集区(d_en)(附图1a)。由于阳离子选择性地通过CEM，例如，阴离子被置换从而得到电中性，导致在离子耗尽(富集)区的浓度下降(增加)。所述浓度下降(即盐去除)在相对低的电压或电流下是低的并且在空间上缓慢的(即欧姆体系)。但是，在高电压或高电流(即超限体系)下，强电子对流涡旋使阳离子加速通过CEM，使我们能够“置换”大多数盐离子(附图1b)。平坦耗尽区得起因是显著低的离子浓度，以及在所述区域内对应的强电子场，并且任何带点制剂(例如蛋白质和细菌)都无法通过所述平坦区域。其结果是，我们可以通过在CEM分的末端使通道分叉来从盐水流中分离并手机所述脱盐/纯化流。这种ICP脱盐/纯化也正通过重置阳离子产生两种离子交换膜(AEM)，但是脱盐/盐水流动的位置被转换(附图1)。