[发明专利]薄膜复合中空纤维膜

说明书

本文提供了一种薄膜复合(TFC)中空纤维膜，其包括由聚合物形成的多孔中空纤维支撑层和由交联聚酰胺形成的选择性层，所述选择性层在所述中空纤维支撑层的内圆周表面上，其中TFC中空纤维膜在30bar的压力下具有25‑50W/m²的功率密度。本文还提供了一种形成TFC中空纤维膜的方法。

技术领域

本发明涉及一种薄膜复合中空纤维膜及其形成方法。

背景技术

基于化石燃料的人口增长和工业化的不断增加产生了极高的CO₂排放和全球变暖，导致了对可再生和清洁能源的积极探索。渗透能是有希望的候选物。已经开发了几种技术来获得渗透能，包括压力延滞渗透(PRO)、反向电渗析(RED)、电容混合和水凝胶溶胀。PRO因为具有较高的效率和较高的功率密度而成为研究最广泛的技术。PRO利用了在来自低盐度进料液的水自发流过半渗透膜并与加压的高盐度汲取液(draw solution)混合时所释放的自由渗透能。当通过能量回收装置或水轮机排放具有增加的流速的加压汲取液时，渗透能转化为有用功。

PRO的最广泛研究的应用是在河流与海洋相汇的地方收获渗透能。然而，由于进料对(feed pair)的广泛预处理需要低盐度梯度和高能量消耗，这产生的可提取能量低并且净能量输出甚至更稀少。因此，具有较高盐度的汲取液有利于产生较高的能量输出。全世界的海水淡化能力已经达到86,800,000M³/天。这产生了大量的废浓缩盐水，其可以是PRO的理想汲取液来源。利用浓海盐水不仅可以提高能量输出，而且可以降低汲取液预处理的能耗。

膜是PRO技术的核心。由于反向盐通量和浓度极化的影响，理论最高功率密度发生在大约一半或甚至更高的渗透压差处，因此使用高盐汲取液需要PRO膜不仅可以承受更高的操作压力，而且可以在高压力条件下产生更高的功率密度。通过界面聚合制备的薄膜复合(TFC)膜在工程化渗透工艺中显示出有希望的结果。TFC膜分别提供了优化以下的优点：基材的稳健性和孔结构；以及薄的聚酰胺选择性层的渗透率和选择透过性。

海水的渗透压平均为约27bar。因此，在PRO中利用海盐水必须要开发出能够承受至少27bar并产生更高的能量/膜面积的膜。US2016/0121533公开了一种内部选择性TFC中空纤维膜，其在20bar下具有约24.0W/m²的峰值功率密度。然而，该膜具有约21bar的爆破压力，因此不能成为使用海盐水作为汲取液的PRO应用的理想候选物。

因此，需要一种改进的TFC中空纤维膜。

发明概述

本发明试图解决这些问题，并/或提供一种改进的薄膜复合(TFC)中空纤维膜。

概括地说，本发明涉及TFC中空纤维膜，其具有高的操作压力，从而适用于若干应用，包括以海盐水作为汲取液的PRO应用。在较高的操作压力下，膜可以在最佳压力下操作，并且实现峰值功率密度以完全收获渗透能。此外，本发明的TFC中空纤维膜也可具有高的功率密度。这样，可使实现相同总能量输出所需的膜面积更少，从而导致资金成本和膜更换成本降低。本发明的TFC中空纤维膜可以是内部选择性TFC膜。因此，TFC中空纤维膜可以更易于制造和放大。

根据第一方面，本发明提供一种薄膜复合(TFC)中空纤维膜，其包括：

-多孔中空纤维支撑层，其由聚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚偏二氟乙烯、乙酸纤维素、三乙酸纤维素、聚醚酮、聚醚醚酮、或其组合形成，所述中空纤维支撑层具有100-500μm的厚度；以及

-在所述中空纤维支撑层的内圆周表面上的选择性层，所述选择性层由交联聚酰胺形成并且具有100nm至500nm的厚度，

其中所述TFC中空纤维膜在30bar的压力下具有25-50W/m²的功率密度。