不對稱的ePTFE膜的制作方法
【專利摘要】提供了用于蒸餾液體的膜蒸餾系統(tǒng)。所述膜蒸餾系統(tǒng)包括用于加熱非蒸餾液體的熱量產(chǎn)生裝置。所述膜蒸餾系統(tǒng)還包括不對稱并且蒸氣可滲透的微孔膜。所述微孔膜包括親水層和疏水層。所述膜蒸餾系統(tǒng)還包括用于將已加熱的非蒸餾液體遞送至微孔膜的親水層的供應(yīng)裝置。還提供了收集裝置，用于從微孔膜的疏水層收集蒸餾的液體。還提供了制造用于所述膜蒸餾系統(tǒng)的微孔膜的方法。
【專利說明】不對稱的ePTFE膜
[0001]發(fā)明背景
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明總體涉及液體蒸餾，更具體地，涉及利用不對稱的膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)膜的液體蒸餾。
[0002]現(xiàn)有技術(shù)的討論
蒸氣可滲透、液體不可滲透的微孔膜為已知的，并且用于許多不同的應(yīng)用。這些微孔膜用在例如用于蒸餾液體的膜蒸餾系統(tǒng)中。簡要地說，膜蒸餾系統(tǒng)可結(jié)合廢熱用于加熱非蒸餾液體，于是已加熱的非蒸餾液體被遞送至微孔膜。來自非蒸餾液體的蒸氣通過微孔膜，而蒸氣隨后冷凝成為蒸餾的液體。在過去，完全疏水膜用于這些膜蒸餾系統(tǒng)。類似地，在疏水膜的一個或多個表面上提供邊界層，以提高耐污染性。然而，通過具有邊界層的這些完全疏水膜的擴散相對緩慢，因為蒸氣必須首先通過邊界層，隨后滲透通過完全疏水膜。在膜蒸餾系統(tǒng)中的完全疏水膜呈現(xiàn)小于期望的水蒸氣滲透通量，例如在約5-60 Ι/m2/小時范圍，并且容易通過潤濕內(nèi)孔而污染。因此，有用的是提供一種具有微孔膜的膜蒸餾系統(tǒng)，所述微孔膜具有提高的水蒸氣滲透通量和提高的耐污染性。
[0003]發(fā)明概述
以下呈現(xiàn)本發(fā)明的簡要概述，以提供對本發(fā)明的一些實例方面的基本理解。該概述不是本發(fā)明的詳盡綜述。此外，該概述不旨在指定本發(fā)明的關(guān)鍵要素也不描述本發(fā)明的范圍。該概述的唯一目的是以簡化的形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念，作為隨后呈現(xiàn)的更詳細描述的前序。
[0004]根據(jù)一方面，本發(fā)明提供了一種用于蒸餾液體的膜蒸餾系統(tǒng)。所述膜蒸餾系統(tǒng)包括用于加熱非蒸餾液體的熱量產(chǎn)生裝置。所述膜蒸餾系統(tǒng)還包括不對稱并且蒸氣可滲透的微孔膜，其中所述微孔膜包括親水層和疏水層。所述膜蒸餾系統(tǒng)還包括用于將已加熱的非蒸餾液體遞送至微孔膜的親水層的供應(yīng)裝置和用于從微孔膜的疏水層收集蒸餾的液體的收集裝置。
[0005]根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種用于蒸餾液體的蒸氣可滲透的微孔膜。所述膜包括在微孔膜的第一側(cè)處提供的親水層。所述微孔膜還包括在微孔膜的相對的第二側(cè)處提供的疏水層。所述微孔膜的第一側(cè)相對于微孔膜的第二側(cè)不對稱。
[0006]根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種制造用于膜蒸餾系統(tǒng)的蒸氣可滲透的微孔膜的方法。所述方法包括提供疏水微孔膜的步驟。所述方法還包括以下步驟:使用能量源處理疏水微孔膜的第一側(cè)，和使用親水部分涂布第一側(cè)，使得親水部分與第一側(cè)共價鍵合。如此，疏水微孔膜的第一側(cè)為親水的，而第二側(cè)為疏水的。
[0007]本發(fā)明請求保護:
1.一種用于蒸餾液體的膜蒸餾系統(tǒng)，所述膜蒸餾系統(tǒng)包括:
用于加熱非蒸餾液體的熱量產(chǎn)生裝置；
不對稱并且蒸氣可滲透的微孔膜，所述微孔膜包括親水層和疏水層；
用于將已加熱的所述非蒸餾液體遞送至所述微孔膜的親水層的供應(yīng)裝置；和 用于從所述微孔膜的疏水層收集蒸餾的液體的收集裝置。
[0008]2.項目I的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水層在所述微孔膜的第一側(cè)處提供，而所述疏水層在所述微孔膜的相對的第二側(cè)處提供，所述微孔膜的第一側(cè)相對于所述微孔膜的第二側(cè)不對稱。
[0009]3.項目2的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水層包括在比所述疏水層的孔尺寸小約5%-10%范圍的孔尺寸。
[0010]4.項目2的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述微孔膜的第一側(cè)設(shè)置為使用能量源處理。
[0011]5.項目4的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述能量源包括射頻輝光放電等離子體和微波放電中的至少一種。
[0012]6.項目2的膜蒸餾系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括涂敷在所述微孔膜的第一側(cè)的親水部分涂層。
[0013]7.項目6的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水部分涂層包括縮水甘油基官能團、丙烯酸官能團、丙烯酸酯官能團和丙烯酰胺官能團中的至少一種。
[0014]8.項目I的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述微孔膜選自膨脹聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和聚丙烯。
[0015]9.項目I的膜蒸餾系統(tǒng)，其中來自所述非蒸餾液體并通過所述疏水層的蒸氣的擴散路徑長度小于所述微孔膜的厚度。
[0016]10.項目I的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水層在所述微孔膜的第一側(cè)處提供，而所述疏水層在所述微孔膜的相對的第二側(cè)處提供，另外，其中跨所述微孔膜的溫差設(shè)置為致使所述非蒸餾液體從所述第一側(cè)蒸發(fā)，通過所述親水層和疏水層，并在所述第二側(cè)處冷凝。
[0017]11.項目10的膜蒸餾系統(tǒng)，其中在所述親水層處的非蒸餾液體的溫度高于在所述疏水層處的蒸餾的液體的溫度。
[0018]12.一種用于蒸餾液體的蒸氣可滲透的微孔膜，所述微孔膜包括:
在所述微孔膜的第一側(cè)處提供的親水層；和
在所述微孔膜的相對的第二側(cè)處提供的疏水層，其中所述微孔膜的第一側(cè)相對于所述微孔膜的第二側(cè)不對稱。
[0019]13.項目12的微孔膜，其中所述微孔膜的第一側(cè)設(shè)置為使用能量源處理。
[0020]14.項目13的微孔膜，其中所述能量源包括射頻輝光放電等離子體和微波放電中的至少一種。
[0021]15.項目12的微孔膜，所述微孔膜還包括涂敷在所述微孔膜的第一側(cè)的親水部分涂層。
[0022]16.項目15的微孔膜，其中所述親水部分涂層包括縮水甘油基官能團、丙烯酸官能團、丙烯酸酯官能團和丙烯酰胺官能團中的至少一種。
[0023]17.一種制造用于膜蒸餾系統(tǒng)的蒸氣可滲透的微孔膜的方法，所述方法包括以下步驟:
提供疏水微孔I吳；和
使用能量源處理所述疏水微孔膜的第一側(cè)，和使用親水部分涂布所述第一側(cè)，使得所述親水部分與所述第一側(cè)共價鍵合，使得所述疏水微孔膜的第一側(cè)為親水的，而第二側(cè)為疏水的。[0024]18.項目17的方法，其中所述疏水微孔膜選自膨脹聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚
偏二氟乙烯和聚丙烯。
[0025]19.項目17的方法，其中所述能量源包括射頻放電等離子體和微波放電中的至少一種。
[0026]20.項目17的方法，其中所述親水部分包括縮水甘油基官能團、丙烯酸官能團、丙烯酸酯官能團和丙烯酰胺官能團中的至少一種。
[0027]附圖概述
當參考附圖閱讀以下描述后，本發(fā)明的前述和其它方面對于本發(fā)明涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將變得顯而易見，其中:
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一方面的實例膜蒸餾系統(tǒng)的示意性說明；
圖2為用于圖1的膜蒸餾系統(tǒng)的實例微孔膜的示意圖，所述微孔膜具有與相對的疏水層不對稱的親水層；
圖3為圖1的膜蒸餾系統(tǒng)內(nèi)的微孔膜的一部分的放大示意圖，并且顯示通過在結(jié)節(jié)處連接的小纖維限定的敞開的微觀多孔性；且
圖4為圖3的一部分的進一步放大圖，并且顯示微孔膜的組成成分，包括基底，其中親水部分涂層與基底粘附，其不堵塞微孔膜的孔。
[0028]發(fā)明詳述
在附圖中描述和說明結(jié)合了本發(fā)明的一個或多個方面的實例實施方案。這些說明的實例不旨在是對本發(fā)明限制。例如，本發(fā)明的一個或多個方面可用于其它實施方案和甚至其它類型的裝置。此外，本文使用的某些術(shù)語僅為了方便，并且不應(yīng)視作對本發(fā)明的限制。另夕卜，在附圖中，相同的附圖標記用于指示相同的要素。
[0029]圖1說明根據(jù)本發(fā)明的一方面的實例膜蒸餾系統(tǒng)10的示意圖。概要地說，膜蒸餾系統(tǒng)10包括將非蒸餾液體14過濾成為蒸餾的液體26的微孔膜20。微孔膜20可包括具有親水層30的第一側(cè)21 (圖2)和具有疏水層32的相對的第二側(cè)22。將非蒸餾液體14遞送至微孔膜20的第一側(cè)21，于是來自非蒸餾液體14的蒸氣通過親水層，并通過疏水層到達第二側(cè)22。蒸氣隨后冷凝成為蒸餾的液體26。如以下將詳細描述的，微孔膜20不對稱，在一側(cè)上具有親水層30，而在相對側(cè)上具有疏水層32。通過不對稱，微孔膜20呈現(xiàn)提高的水滲透通量和耐污染性。
[0030]應(yīng)理解的是，圖1的膜蒸餾系統(tǒng)10 —定程度上為一般性/示意性描述，用于說明性目的。膜蒸餾系統(tǒng)10可用于多種工業(yè)應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用可包括但不限于將污染物與一種或多種液體分離，例如用于水純化。在另一個實例中，膜蒸餾系統(tǒng)10可用于具有來自工業(yè)過程的過量廢熱的多種場合，包括但不限于工廠、溫泉、太陽能場合等。應(yīng)理解的是，膜蒸餾系統(tǒng)10同樣可在其它場所實施，例如在電廠、核反應(yīng)器等。
[0031]膜蒸餾系統(tǒng)10包括熱量產(chǎn)生裝置12。熱量產(chǎn)生裝置12示意性描述于圖1，同時熱量產(chǎn)生裝置12可包括多種不同的結(jié)構(gòu)。熱量產(chǎn)生裝置12使非蒸餾液體14保持在相對高的溫度下。熱量產(chǎn)生裝置12可包括，例如，由上述工業(yè)過程產(chǎn)生的廢熱、低級熱等。在一個實例中，熱量產(chǎn)生裝置12可包括來自電廠、太陽能、地熱能等的廢熱。當然，應(yīng)理解的是，熱量產(chǎn)生裝置12不局限于前述實例，并且可包括產(chǎn)生熱量以使非蒸餾液體14溫熱的任何幾乎任何類型的結(jié)構(gòu)或過程。在其它實例中，熱量產(chǎn)生裝置12不局限于廢熱，并且還可包括多種產(chǎn)生熱量的結(jié)構(gòu)，例如燃燒器、鍋爐、換熱器等。
[0032]膜蒸餾系統(tǒng)10還包括非蒸餾液體14。通過熱量產(chǎn)生裝置12加熱非蒸餾液體14。非蒸懼液體14可包括任何數(shù)量的不同液體。例如，非蒸懼液體14可包括非蒸懼的和/或不純的液體，例如海水、微咸水、淡水或幾乎任何其它類型的污染的/非過濾的水。在其它實例中，非蒸餾液體14不局限于流體(例如，水)，但是可包括液體和固體的組合，例如半固體液體等。實際上，非蒸餾液體14可包括多種不同的可能含有不期望的物質(zhì)的液體或半固體液體，所述不期望的物質(zhì)包括但不限于溶質(zhì)、溶解的氣體、鹽、顆粒等。非蒸餾液體14可位于工業(yè)過程附近。例如，非蒸餾液體14可見于水體附近，例如海洋、湖、池塘、沼澤等。如普遍已知，非蒸餾液體14可包含在儲存裝置中，例如槽、儲器等。
[0033]膜蒸餾系統(tǒng)10還包括用于將非蒸餾液體14供應(yīng)至微孔膜20的供應(yīng)裝置16。供應(yīng)裝置16在一定程度上一般性描述于圖1，同時供應(yīng)裝置16可包括多種不同的作用于將非蒸餾液體14遞送至微孔膜20的結(jié)構(gòu)。例如，供應(yīng)裝置16可包括任何數(shù)量的不同的管道、管、泵和/或可用于將液體從一個位置輸送至另一個位置的其它設(shè)備。在其它實例中，供應(yīng)裝置16還可包括閥、流量計等，用于控制非蒸餾液體14到微孔膜20的流速?？商峁┡c供應(yīng)裝置16流體連通的存儲槽或容器(未顯示)，使得非蒸餾液體14在到達微孔膜20之前可從管道、管或其它設(shè)備流入存儲槽中。當然，應(yīng)理解的是，供應(yīng)裝置16可包括用于將非蒸餾液體14供應(yīng)至微孔膜20的上述項目的任何組合。
[0034]膜蒸餾系統(tǒng)10還包括微孔膜20?？偟膩碚f，微孔膜20可包括蒸氣可滲透-液體不可滲透的膜，其將液體的兩個主體分離，其中每一個主體保持在不同的溫度(例如，溫度梯度)?？缥⒖啄?0的該溫度梯度在第一側(cè)21 (例如，與非蒸餾液體14相鄰)和相對的第二側(cè)22之間產(chǎn)生蒸氣壓差。在微孔膜20的第一側(cè)21和第二側(cè)22之間的溫差可傳達壓差，其允許第一側(cè)21處的蒸氣滲透通過微孔膜20，并且在較冷的第二側(cè)22處冷凝。因此，蒸氣可通過微孔膜20，并且產(chǎn)生從微孔膜20的較暖的第一側(cè)21到較冷的第二側(cè)22的凈的純液體通量?？缥⒖啄?0的膜蒸餾過程可分三個基本步驟來描述。第一，非蒸餾液體14保持在較高溫度，使它當其到達微孔膜20的第一側(cè)21時蒸發(fā)。第二，蒸氣滲透通過微孔膜20。最后，當蒸氣離開微孔膜20的第二側(cè)22時，可發(fā)生冷凝。
[0035]膜蒸餾系統(tǒng)10還可包括收集裝置24，用于從微孔膜20的第二側(cè)22收集蒸餾的液體26。收集裝置22，一般性/示意性地示于圖1，可包括與供應(yīng)裝置16類似和/或相同的結(jié)構(gòu)和設(shè)備。例如，收集裝置22可包括管道、管、泵和/或可用于將蒸餾的液體26從一個位置(例如，微孔膜20的第二側(cè)22)收集和/或輸送到另一個位置的其它設(shè)備。類似地，收集裝置22還可包括閥、流量計等，用于控制來自微孔膜20的蒸餾的液體26的流速。在一個實例中，收集裝置22包括存儲槽或容器(未顯示)，在用管、管道等輸送離開之前，蒸餾的液體26流入所述存儲槽或容器中。當然，應(yīng)理解的是，收集裝置22可包括用于收集蒸餾的液體26的上述項目的任何組合。
[0036]膜蒸餾系統(tǒng)10還可包括用于使蒸餾的液體26保持在低于非蒸餾液體14的溫度下的冷卻裝置28。通過使蒸餾的液體26保持在較低的溫度下，形成跨微孔膜20的溫度梯度。該溫度梯度可驅(qū)動蒸氣輸送通過微孔膜20。在一個實例中，在第二側(cè)22處環(huán)境空氣的溫度低于供應(yīng)至微孔膜20的第一側(cè)21的非蒸餾液體14的溫度，使得冷卻裝置28可包括環(huán)境空氣。在其它實例中，冷卻裝置28包括可降低蒸餾的液體26的溫度的結(jié)構(gòu)和/或裝置。例如，冷卻裝置28可包括冷凝器、制冷劑、換熱器等。在其它實例中，即使環(huán)境溫度低于非蒸餾液體14的溫度，仍然可提供冷卻裝置28，以產(chǎn)生足以引起跨微孔膜20的蒸餾的液體26的凈通量的溫度梯度。
[0037]參考圖2，現(xiàn)在可以更詳細地描述微孔膜20。應(yīng)理解的是，示于圖2的微孔膜20在一定程度上為一般性描述，用于說明性目的。實際上，在其它實例中，微孔膜20可具有比顯示的更大或更小的橫截面寬度。因此，描述于圖2的微孔膜20包括僅一個可能的實例，同時微孔膜20可包括多種不同的尺寸。
[0038]微孔膜20可包括任何數(shù)量的蒸氣可滲透的并且液體不可滲透的不同疏水材料。在一個實例中，微孔膜20可包括膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)。然而，在其它實例中，微孔膜20可包括排斥液體同時允許蒸氣通過其中的其它微孔材料。微孔膜20還可包括聚四氟乙烯(eTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)等。如此，應(yīng)理解微孔膜20不局限于本文列舉的實例，而是可包括其它疏水材料。
[0039]微孔膜20在第一側(cè)21和相對的第二側(cè)22之間延伸。第一側(cè)21位于與膜蒸餾系統(tǒng)10的非蒸餾液體側(cè)相鄰，而第二側(cè)22位于與蒸餾的液體側(cè)相鄰。第一側(cè)21可接受非蒸餾液體14 (在圖2中一般性顯示作為匯集的液體形式)。類似地，蒸餾的液體26可從第二側(cè)22收集(在圖2中一般性顯示作為液體微滴)。當然，應(yīng)理解的是，圖2中的非蒸餾液體14和蒸餾的液體26為一般性描述，用于說明性目的，并且在其它實例中，可各自包括比所示更多的液體或更少的液體。
[0040]微孔膜20可經(jīng)處理，使得微孔膜20的一部分親水。在一個實例中，處理微孔膜20的第一側(cè)21并且可使親水，而微孔膜20的第二側(cè)22保持疏水。如此，微孔膜20的一部分親水，而微孔膜20的其余部分疏水。如以下將描述的，微孔膜20可按任何數(shù)量的方式來處理，以使得第一側(cè)21親水。
[0041]現(xiàn)在可描述處理微孔膜20的第一方法。處理微孔膜20的第一方法可包括使用能量源預(yù)處理微孔膜20的第一步驟，接著使用親水部分涂布微孔膜20的第二步驟。開始時，微孔膜20可基本上或完全疏水。在第一步驟中，開始可使用能量源預(yù)處理微孔膜20的第一側(cè)21。這些能量源包括但不限于射頻輝光放電等離子體、低壓微波放電、臭氧等。在另一實例中，微孔膜20的第一側(cè)21可暴露于在約50瓦-約150瓦范圍的H2等離子體。使用這些能量源處理微孔膜20可切斷微孔膜20中相對強的碳-氟鍵，從而產(chǎn)生自由基。
[0042]在使用能量源預(yù)處理微孔膜20的第一步驟之后，還可在第二步中使用親水部分處理微孔膜20。特別是，在使用能量源預(yù)處理微孔膜20的第一側(cè)21之后，隨后用親水部分處理第一側(cè)21。親水部分可接枝到微孔膜20的自由基，以形成共價鍵。在一個實例中，親水部分可包括縮水甘油基側(cè)基，包括但不限于聚甲基丙烯酸乙二醇酯(5%_25%在水溶液中)。縮水甘油基側(cè)基可在約50°C -約70°C下與經(jīng)等離子體處理的基底反應(yīng)約4小時-約7小時。在這種使用親水部分的處理之后，使得微孔膜20的第一側(cè)21親水并且形成親水層30。微孔膜20的第二側(cè)21保持疏水并且包括疏水層32。
[0043]應(yīng)理解的是，微孔膜20不局限于上述第一處理方法。特別是，微孔膜20不局限于使得微孔膜20的一部分親水的上述第一方法。而現(xiàn)在可描述處理微孔膜20的第二方法。
[0044]在第二方法中，使得微孔膜20親水的上述步驟(例如，首先使用能量源預(yù)處理，接著接枝親水部分)可反轉(zhuǎn)。例如，可開始時用親水部分涂布微孔膜20。特別是，可用親水部分涂布和/或沉積微孔膜20的第一側(cè)21。在該實例中，提供包括水和醇(例如異丙醇)的溶劑。水與醇的體積比可使得目標溶液表面張力在約30達因/厘米-約50達因/厘米范圍。親水部分可在溶劑中提供。溶劑中的親水部分可包括但不限于與甲基丙烯酸酯側(cè)鏈偶聯(lián)的聚乙烯醇。
[0045]在使用親水部分涂布微孔膜20的第一側(cè)21的第一步驟之后，第一側(cè)21可隨后暴露于能量處理源。在一個實例中，第一側(cè)21暴露于能量處理源，以誘導自由基形成以及親水部分與微孔膜20骨架的共價連接。在一個實例中，能量處理源包括劑量為約5千格雷(kGy)_約15 kGy范圍的電子束。當然，應(yīng)理解的是，任何數(shù)量的不同的能量處理源都預(yù)想至IJ。例如，所述能量處理源可與上述能量處理源類似或相同。特別是，能量處理源可包括但不限于射頻輝光放電等離子體、低壓微波放電、臭氧等。在另一實例中，微孔膜20的第一側(cè)21可暴露于在約50瓦-約150瓦范圍的H2等離子體。
[0046]在已使用第一方法或第二方法處理微孔膜20后(例如，使用能量源處理微孔膜20，和使用親水部分涂布微孔膜20，以任一種順序)，使得微孔膜20的第一側(cè)21親水，而微孔膜20的第二側(cè)22保持疏水。如此，親水層30在微孔膜20的第一側(cè)21上布置，而疏水層32在微孔膜20的第二側(cè)22上布置。
[0047]應(yīng)理解的是，本發(fā)明不局限于使得微孔膜20的一部分親水的前述方法。而是，幾乎任何類型的方法可用于在微孔膜20的第一側(cè)21處形成親水層30，其中的一些可能是普遍已知的。
[0048]示于圖2的親水層30和疏水層32不局限于所示的尺寸。在其它實例中，親水層30和/或疏水層32可各自比示于圖2的更寬或更窄。在一個可能的實例中，親水層30可占微孔膜20的整個厚度(即，親水層30的厚度加上疏水層32的厚度)的約10%，使得親水層30占微孔膜20厚度的約10%，而疏水層32占微孔膜20厚度的剩余的90%。在另一個實例中，親水層30的厚度可為約0.025毫米(0.001英寸)，而微孔膜20的厚度可在約0.20毫米(0.008英寸)-約0.23毫米(0.009英寸)范圍。當然，預(yù)期到親水層30和疏水層32各自的其它相對厚度。特別是，可改變前述方法，以改變親水層30和疏水層32的相對尺寸。
[0049]如圖2所示，微孔膜20為蒸氣可滲透的。該蒸氣滲透性特征一定程度上示意性地描述為擴散路徑27。通過提供微孔膜20作為在第一側(cè)21處具有親水層30和在第二側(cè)22處具有疏水層32的不對稱膜，通過微孔膜20的水蒸氣透過速率(MVTR)提高。特別是，沿著擴散路徑27的蒸氣擴散速率提高，使得從微孔膜20的第一側(cè)21到第二側(cè)22的MVTR提高。這至少部分是由于將微孔膜20的表面能從疏水材料的低表面能變?yōu)橛H水層30處相對高的表面能。如此，當將非蒸餾液體14供應(yīng)至微孔膜20的親水層30時，第一側(cè)21可被非蒸餾液體14至少部分地潤濕，例如潤濕第一側(cè)21的表面。非蒸餾液體14可隨后在親水層30內(nèi)蒸發(fā)并通過微孔膜20。
[0050]由于已使得微孔膜20的第一側(cè)21親水并且包括親水層30，通過微孔膜20的蒸氣擴散路徑長度降低。特別是，蒸氣擴散路徑長度可定義為來自非蒸餾液體14的蒸氣行進通過微孔膜20的距離。此外，疏水層32的厚度小于微孔膜20的總厚度(例如，從第一側(cè)21到第二側(cè)22的距離)。如此，由于非蒸餾液體14至少部分地潤濕第一側(cè)21的表面并且可至少部分地滲透入親水層30內(nèi)，通過疏水層32的蒸氣擴散路徑長度小于微孔膜20的總厚度。因此，該減小的蒸氣擴散路徑長度導致提高的MVTR，因為與完全疏水并且不包括親水層的膜相比，蒸氣通過微孔膜20行進較短的距離。
[0051]此外，通過使得微孔膜20的第一側(cè)21親水，微孔膜20可呈現(xiàn)提高的對污染和/或顆粒累積的抗性。例如，在第一側(cè)21處親水層30的表面被非蒸餾液體14至少部分地潤濕。由于非蒸餾液體14潤濕第一側(cè)21 (例如，參見在圖2中非蒸餾液體14的累積)，非蒸餾液體14可至少部分地保護第一側(cè)21免于暴露于顆粒、細菌和其它通?？晌蹞p第一側(cè)21的材料。
[0052]現(xiàn)在參考圖3，可更清楚地看到圖2中的微孔膜20的結(jié)構(gòu)和多孔性。在該實例中，微孔膜20可包括ePTFE膜。微孔膜20包括產(chǎn)生多個孔40的小纖維42和結(jié)節(jié)44的網(wǎng)絡(luò)。多個孔40完全延伸貫穿第一側(cè)21和第二側(cè)22之間的微孔膜20?？?0的尺寸不局限于所示的實例，并且可基于使用的微孔膜20的類型而變化。在其它實例中，親水層30的孔尺寸可稍小于疏水層32的孔尺寸。在這樣的實例中，親水層30的孔尺寸可比疏水層32的孔尺寸小約5%-10%。
[0053]微孔膜20可用作液體的屏障，同時為蒸氣提供相對高的擴散速率。因此，孔40可足夠大以允許蒸氣過微孔膜20，但是足夠小以阻斷液體微滴和/或顆粒通過微孔膜20的流動。因此，如果液體與微孔膜20及其孔40直接接觸，由于液體不能通過孔40，則水將“污染”或阻塞其接觸的孔40。然而，由于微孔膜20包括疏水層32，其用作蒸氣可滲透-液體不可滲透的屏障，限制和/或防止非蒸餾液體14保留在微孔膜20上和進入孔40，因此，保持孔40敞開，用于跨微孔膜20傳遞蒸氣。
[0054]現(xiàn)在參考圖4，顯示圖3的微孔膜20的親水層30的進一步放大的視圖。在該實例中，親水層30包括處在小纖維42和結(jié)節(jié)44水平上的親水部分涂層46。特別是，親水部分涂層46粘附于小纖維42和結(jié)節(jié)44兩者。親水部分涂層46可覆蓋和/或完全包圍小纖維42和結(jié)節(jié)44，包括形成限定孔40的壁的小纖維42和結(jié)節(jié)44的部分。在一個實例中，親水部分涂層46可具有特定厚度，使得孔40對于氣體和/或蒸氣滲透性仍是敞開的。因此，將相對薄和均勻的親水部分涂層46涂敷于微孔膜20的第一側(cè)21。應(yīng)理解的是，當涂敷時，親水部分涂層46可至少部分地穿透小纖維42和結(jié)節(jié)44的材料，同時一些親水部分涂層46可保留在小纖維42和結(jié)節(jié)44的表面上。如此，涂敷于微孔膜20的親水部分涂層46的厚度可變化，但是，在一個實例中，可能不超過小纖維42和結(jié)節(jié)44本身的厚度。
[0055]現(xiàn)在可詳細描述使用微孔膜20操作膜蒸懼系統(tǒng)10的一種實例方法。開始時，熱量產(chǎn)生裝置12可加熱非蒸餾液體14和/或使其保持在相對高溫下。熱量產(chǎn)生裝置12可包括廢熱、低級熱等。膜蒸餾系統(tǒng)10還可包括冷卻裝置28，用于使蒸餾的液體26保持在比非蒸餾液體14更低的溫度下。接著，供應(yīng)裝置16可將已加熱的非蒸餾液體14供應(yīng)至微孔膜20。特別是，供應(yīng)裝置16將非蒸餾液體14供應(yīng)至微孔膜20的第一側(cè)21。非蒸餾液體14可至少部分地潤濕第一側(cè)21處的親水層30并且蒸發(fā)。由于在微孔膜20的第一側(cè)21和第二側(cè)22之間的溫度梯度，來自非蒸餾液體14的蒸氣被驅(qū)動，滲透通過疏水層32并且朝向第二側(cè)22。通過提供具有親水層30和疏水層的不對稱的微孔膜20，提高MVTR，從而通過允許更多液體以較快的速率蒸餾，提高膜蒸餾系統(tǒng)10的效率。蒸氣可沿著擴散路徑27行進，并且將在第二側(cè)22處冷凝成為蒸餾的液體26。蒸餾的液體26可隨后通過收集裝置24收集。
[0056]已參考上述實例實施方案描述了本發(fā)明。在閱讀和理解本說明書后，可以想到修改和變化。結(jié)合本發(fā)明的一個或多個方面的實例實施方案旨在包括所有這些修改和變化，只要它們落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于蒸餾液體的膜蒸餾系統(tǒng)，所述膜蒸餾系統(tǒng)包括: 用于加熱非蒸餾液體的熱量產(chǎn)生裝置； 不對稱并且蒸氣可滲透的微孔膜，所述微孔膜包括親水層和疏水層； 用于將已加熱的所述非蒸餾液體遞送至所述微孔膜的親水層的供應(yīng)裝置；和 用于從所述微孔膜的疏水層收集蒸餾的液體的收集裝置。
2.權(quán)利要求1的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水層在所述微孔膜的第一側(cè)處提供，而所述疏水層在所述微孔膜的相對的第二側(cè)處提供，所述微孔膜的第一側(cè)相對于所述微孔膜的第二側(cè)不對稱。
3.權(quán)利要求2的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水層包括在比所述疏水層的孔尺寸小約5%-10%范圍的孔尺寸。
4.權(quán)利要求2的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述微孔膜的第一側(cè)設(shè)置為使用能量源處理。
5.權(quán)利要求4的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述能量源包括射頻輝光放電等離子體和微波放電中的至少一種。
6.權(quán)利要求2的膜蒸餾系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括涂敷在所述微孔膜的第一側(cè)的親水部分涂層。
7.權(quán)利要求6的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水部分涂層包括縮水甘油基官能團、丙烯酸官能團、丙烯酸酯官能團和丙烯酰胺官能團中的至少一種。
8.權(quán)利要求1的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述微孔膜選自膨脹聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和聚丙烯。
9.權(quán)利要求1的膜蒸餾系統(tǒng)，其中來自所述非蒸餾液體并通過所述疏水層的蒸氣的擴散路徑長度小于所述微孔膜的厚度。
10.權(quán)利要求1的膜蒸餾系統(tǒng)，其中所述親水層在所述微孔膜的第一側(cè)處提供，而所述疏水層在所述微孔膜的相對的第二側(cè)處提供，另外，其中跨所述微孔膜的溫差設(shè)置為致使所述非蒸餾液體從所述第一側(cè)蒸發(fā)，通過所述親水層和疏水層，并在所述第二側(cè)處冷凝。
【文檔編號】B01D71/36GK103464007SQ201310220301
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月5日
【發(fā)明者】鄭益鴻, V.班薩爾, C.克勒 申請人:通用電氣公司