[发明专利]用于渗透驱动过程的可再生汲取剂

说明书

本文公开的是无机盐的用于形成和再生正渗透用汲取剂的用途，其中所述无机盐从选自以下组中的一种或多种中选择：硫酸钠、乳酸钙、磷酸氢二钠、焦磷酸四钠、和其水合物。本文还公开了使用所述无机盐的正渗透方法。

技术领域

本发明涉及正渗透用汲取剂(draw solutes)和使用其的方法。

背景技术

在本说明书中列出或讨论明显地在先公开的文献不应必然地理解为所述文献是现有技术的部分，或是公知常识。

脱盐技术目前正获得普及，因为已广泛认为淡水稀缺是全球危机[1]。在成熟和发达的脱盐技术中，电渗析(ED)最适宜于处理浓度比海水低得多的进料流[2]。虽然反渗透(reverse osmosis,RO)被认为是用于海水脱盐的成熟技术，但是由于其操作接近于有关能耗的理论最优值[3]，不能用于使具有高盐度(salinity)的进料流如海水RO盐水(brine)和由石油和天然气工业产生的某些废水脱盐[4]。这是因为这样的进料流的高液压要求。包括多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、蒸汽压缩(VC)或膜蒸馏(MD)的热蒸馏技术消耗大量的能源，尽管它们可以用于使盐水脱盐。因此，期望的是开发能够有效地处理高浓度的盐水的可选脱盐技术。

正渗透(forward osmosis,FO)关于这点已经显示出希望[5]。水通过膜的渗透是由渗透压差、更确切地说化学势梯度驱动的自动过程。另外，因为FO在更低的液压下操作，FO中的污染与RO相比明显更少和更容易清洁[6]。然而，FO过程单独的产物是稀释的汲取液(draw solution)，其实际上具有比进料液高的渗透压。因此，FO作为可行的脱盐技术的成功之处需要可以有效地再生且成本有效的更适宜的汲取剂的发现和开发。尽管已经研究了许多无机盐[7]和有机化合物[5]作为针对具有等于或甚至高于海水的盐度的进料显示充分高的汲取能力的汲取剂，它们的再生实际上消耗了比RO更多的电能[8]。因此整个过程在经济上不可行。事实上，所有非响应性或非可再生汲取剂，包括聚合电解质、两性离子化合物、量子点(quantum dot)、有机盐和不含氧酸配合物(hydroacid complex)在内[9-13]，都面临上述同样棘手的挑战。因此，探索可以经由特定刺激或反应而大幅降低FO过程之后的稀释汲取剂的渗透压的‘智能’且可再生的汲取剂近来已变成FO技术相关的重点研究课题。已研究了磁性纳米颗粒[14]和可以通过复分解(metathesis)回收的无机盐(CuSO₄或MgSO₄)[15]。磁性纳米颗粒的问题是渗透压不足且附聚严重[16]，而CuSO₄或MgSO₄的复分解再生是冗长的并且需要使用大量的化学品。

另一类智能汲取剂是包括具有低临界溶解温度(LCST)的大分子的分子。在低于LCST的温度下，汲取剂溶解于水中制成均相的汲取液；而在高于LCST的温度下，汲取剂之间的疏水相互作用主导，产生相分离。改性聚乙烯亚胺[17]、乙二醇醚[18]和热响应性离子液体[19]已证明能够以实验室规模进行海水脱盐。值得注意的是，这些LCST型可再生汲取剂源于亲水性与疏水性之间微妙的平衡。虽然较高的疏水性导致较低的LCST(例如，60℃)，有利于汲取剂回收的容易性，但期望较高的亲水性来产生较高的汲取能力。

近来报道的CO₂响应性有机胺化合物[20]和双重响应性聚合物也是有前途的汲取剂。这些化合物/聚合物在通过CO₂的质子化作用之后变成带电的电解质或聚合电解质并且在FO过程中产生高渗透压。有利地，该化合物/聚合物经由CO₂的脱除返回到未带电的天然或热响应性状态，从而促进再生过程。双重响应性聚合物作为汲取剂的使用[21]进一步降低汲取剂的反扩散并且缓和由基于低分子有机胺类的汲取剂带来的膜破坏的问题。

其他有效的热分解的可再生汲取剂是以氨水-二氧化碳体系为基础的[22-24]。包括碳酸氢铵、碳酸铵和氨基甲酸铵等的热分解盐是高度可溶的，可生成相当高的渗透压并且可热分解为CO₂和NH₃气体，然后它们可以在再生过程中重组而形成原来的汲取剂。