[发明专利]一种CO2响应性超支化聚合物及其制备方法与应用

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种CO₂响应性超支化聚合物，及其制备方法，以及作为正渗透汲取溶质的应用。

(二)背景技术

随着人口增长和工业化进程的加速，世界淡水资源匮乏的问题显得愈加严重，这在一定程度上威胁到人类的生存与发展。淡水资源的日益紧张使得越来越多的国家和地区大力发展海水淡化技术，将海水脱盐获取淡水。正渗透是一种不需外加压力做驱动力，而仅依靠渗透压驱动的膜分离过程，而且膜污染情况相对较轻，能够持续长时间的运行而不需要清洗，在海水淡化、污水净化等领域有很好的应用前景。然而，汲取溶质的逆向扩散以及后续过程中汲取溶质与水的分离过程繁琐且需要能耗等缺点限制了正渗透技术的应用与发展。

汲取液需要提供足够高的渗透压，同时不对膜的结构、性能和纯水质量造成影响，此外，还应能采用较简单的方法从中分离出纯水，以获得淡水。汲取液中的溶质叫做汲取溶质，理想的汲取溶质应该具备以下条件：①能产生较高的渗透压，即在水中应该具有较高的溶解度，因而应该具有较小的分子质量；②无毒性，在产水中能够安全存在；③能稳定存在，即不能与膜发生化学反应；④在制备纯水的过程中，应该能方便且经济地将汲取液与纯水进行分离并且能够重复使用。选择合适的汲取液一直是正渗透研究过程中的重要课题。

报道过的汲取溶质包括：盐类如NaCl、MgCl₂、Al₂(SO₄)₃、NH₄HCO₃；糖类如葡萄糖、果糖等。Jeffrey R.McCutcheon等(J.Membr.Sci.,2006,278,114–123.)报道以NH₄HCO₃溶液为汲取液，应用于正渗透海水淡化。汲取溶质与水的分离通过加热分解NH₄HCO₃达到分离目的，汲取溶质不能重复利用。

CN 203668144U公开了以水凝胶为汲取液的正渗透系统，采用的水凝胶为温敏水凝胶，利用太阳能等能源加热水凝胶使其脱水至净水容器。太阳能需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，装置地面积大，用料多，成本增加；大气影响较大，太阳能具有一定的局限性。

Yufeng Cai等(Chem.Commun.,2013,49,8377)提出用具有CO₂和温度双响应的线型聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)作为汲取溶质用于海水淡化。线型PDMAEMA作汲取溶质，应用于正渗透海水淡化。分子量高的PDMAEMA作汲取液渗透压高，但高分子量的PDMAEMA在水中的溶解度低且汲取溶质会逆向扩散到原料液侧，导致汲取溶质损失。

(三)发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明通过ATRP或RAFT的方法，设计并制备了一种具有CO₂响应性的超支化聚合物，并将其作为正渗透汲取溶质应用于正渗透海水淡化。聚合物超支化结构具有高溶解性、低粘度等特性，且支化结构可以有效地减少聚合物的逆向扩散。向汲取液中通入CO₂，聚合物溶于水形成高渗透压的汲取液，水通量大，逆向扩散小。停止扩散后，向汲取液中通入N₂，聚合物会沉淀析出，通过过滤回收聚合物，用于下次正渗透。汲取溶质的回收操作简便、能耗低且可以重复使用。

因此，本发明的目的是提供一种CO₂响应性超支化聚合物及其制备方法以及作为正渗透汲取溶质的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种CO₂响应性超支化聚合物，其制备方法有两种：

第一种制备方法：

以具有CO₂响应性的单体、催化剂、配体、引发剂型单体、溶剂为原料，采用ATRP (原子转移自由基聚合)法，制得所述的CO₂响应性超支化聚合物。

所述的第一种制备方法中，

所述具有CO₂响应性的单体与引发剂型单体、催化剂、配体的物质的量之比为1： 0.01～0.5：0.01～0.1：0.01～0.1；所述溶剂的物质的量与所述具有CO₂响应性的单体和引发剂型单体的物质的量之和的比例为1～10：1；