CN103203185B - 具有包含经加热空气的干燥腔室的干燥器 - Google Patents
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Abstract
具有包含经加热空气的干燥腔室的干燥器,该干燥器包括:经构造以从所述经加热空气提取水并输出自其提取了水的经加热空气的一部分的真空辅助蒸发器,经构造以接收来自所述蒸发器的提取水并压缩该提取水以提高其温度的压缩机;和换热器。
Description
本申请是于2009年9月21日进入中国的、发明名称为“通过膜的多相选择性物质传递”的PCT申请(国际申请日:2008年1月22日、国际申请号:PCT/US2008/051684;国家申请号:200880009211.4)的分案申请。
相关申请的交叉引用
该申请要求2007年1月20日提交的美国临时申请序号60/881,690和2007年5月9日提交的美国临时申请序号60/917,037的优先权。
发明背景
技术领域
本发明总的说来涉及通过膜进行选择性物质传递的领域,并尤其可用于加热、通风和空调(HVAC)、气体处理、干燥、蒸馏、脱盐、流体分离和提纯。
背景技术
从含有特定偶极(例如高偶极)矩材料的材料获得所述特定偶极矩材料的所需浓度是众多应用中面临的常见间题。例如,脱盐是从含有液态水的材料即盐水(例如海水)获取几乎100%浓度的高偶极矩材料即液态水。而且,干燥是从含有液态水的材料(例如潮湿空气)获得几乎0%浓度的高偶极矩材料即液态水。
类似地,众多其它应用与从含有一种或多种所选材料的材料获得所需浓度的所述一种或多种所选材料如溶解的离子、氧化物等有关。例如,来自烟道气的CO2提取物是从含有CO2的材料(即烟道气)获取几乎0%浓度的一种或多种所选材料(即CO2)。
大部分的热能和电能被用于获得所需浓度的特定材料。因此,对用于得到此类浓度的有效系统和方法存在需求。效率上即使小的改善都可能带来大的能量节省。
从盐水如微咸水、海水等获得饮用水的现有技术方法包括通过疏水性多孔膜蒸馏所述盐水。这些膜典型地由疏水性材料如PTFE或聚丙烯构造,所述疏水性材料已经成型为含有高密度极小孔的单独的高孔隙度的薄层。以此方式构造的膜通常称为微孔膜。
微孔膜典型地在跨越所述膜由热产生的浓度差使得该膜第一侧上的液态水能够蒸发通过所述膜进入较冷环境(该较冷环境与所述膜的相对侧接触或邻接地靠近)中时使用。在所述膜第一侧上的液体界面处围绕所述孔的膜材料具有低的表面能且不会允许液体进入。相反,水的表面张力在进入这些孔的入口上形成弯液面或“桥”。水分子在该弯液面内从低熵的液态过渡到高熵的汽态。水蒸气扩散进入所述膜的本体并运输至该膜的其它面,在此处水蒸气同较低温度的液体接触并再冷凝。在这类膜中,在水中溶解的离子留置在覆盖液体界面处的孔的水弯液面内。
这些膜在使用过程中经历若干失效机理。在弯液面处出现向水蒸气的转变,使得溶解的离子浓缩。溶解离子浓度最终提高到溶解的离子沉淀的程度。这些沉淀的离子在孔上形成屏障,降低了液态水进一步转变为蒸气。一旦这些沉淀的离子形成屏障,再溶解它们是特别困难的。第二种失效机理当水蒸气在膜的孔内冷凝时出现。一旦足够的液态水已经冷凝进入所述孔中以形成连接所述膜的一个面到另一面的通路,溶解的离子就自由地扩散进入该膜。这些溶解的离子在内部污染所述膜并且即使并非不可能除去那也是难以除去的。
现有的盐水脱盐设备通常使用反渗透膜。这些膜由疏水聚合物构造且其具有的孔隙度和孔径使得仅有水能够通过所述膜,而留下溶解盐类和盐水中包含的矿物。由于用来构造这些膜的材料是疏水的,因此需要压差来推动水通过所述膜。因此,将盐水加压以推动其通过所述膜。
不幸地,所述压力也推动那些本来过大而不能通过所述膜的污染物进入孔隙结构,降低了所述膜的功效。因此,所述膜必须通过定期的反向冲洗、表面冲刷等清洁以除去这些污染物。为了保持所需的脱盐水生产速率,反渗透设备必须构造为具有至少一些多余容量以允许进行膜的清洁。
此类现有技术反渗透法要求大量能量以推动水通过所述膜。而且,此类设备是昂贵的,这是由于支持带有必要膜清洁的加压运行所必需的管道的复杂性。反渗透法还被认为是不稳定的,这是由于其对盐水中的溶解离子、有机蛋白质和生物群的类型和量敏感。
因此,对于比反渗透法更加成本有效的、更可靠的和/或耗能较少的脱盐方法仍然存在需求。
发明内容
本公开的某些实施方案涉及脱盐系统,其包含布置在第一材料流和第二材料流之间的膜组合件(membrane assembly),所述第一材料流具有第一温度并包含高偶极矩液体(a high-dipole moment liquid)和众多溶解离子,所述第二材料流具有第二温度,该第二温度低于所述第一温度,所述膜组合件包含结合至支撑体的膜,所述膜与所述第一材料流接触而所述支撑体与所述第二材料流接触,所述膜组合件经构造以允许至少一部分所述高偶极矩第一材料通过该膜组合件进入所述第二材料中,其中所述膜组合件包括包含离聚聚合物域(ionomeric polymer domain)的无孔的选择性传递膜,所述膜对高偶极材料是可渗透的同时阻止溶解离子通过该膜组合件。
在某些情况中,所述膜组合件的膜包括具有第一表面和第二表面的选择性传递膜,物质交换器(mass exchanger)的第一表面是所述选择性传递膜的第一表面且物质交换器的第二表面是所述选择性传递膜的第二表面。所述选择性传递膜的离聚聚合物域可形成适于供高偶极液体或气体从该膜的一个面移动到另一面的邻接导管(contiguous conduit)。另外,所述离聚聚合物具有基础树脂且在所述离聚聚合物离子聚合之前该基础树脂选自:聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚环氧乙烷(PEO),聚苯乙烯(PS),聚酯,聚碳酸酯(PC),聚氯乙烯(PVC),尼龙,卤化聚合物或卤化共聚物如全氟化共聚物,聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA),丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),聚酰胺(PA),聚四氟乙烯(PTFE)(如),聚乳酸(PLA),聚偏氯乙烯(PVDC),苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR),苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS);苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯(SEPS),乙烯-苯乙烯互聚物(ESI),苯乙烯丙烯酸酯,聚醚醚酮(PEEK),聚对苯二甲酸乙二酯(PET或PETE),聚苯并咪唑(PBI),磷酸基膜,(磺化的四氟乙烯共聚物),及其任何组合。
本文公开的选择性传递膜包括对高偶极矩材料是可渗透的且包含聚合物或聚合物复合物的阻挡层。在某些情况中,所述膜组合件包含选择性传递膜,该选择性传递膜具有第一表面和第二表面,并进一步包含具有第一表面和第二表面的多孔支撑体,所述选择性传递膜的第二表面定位为与所述多孔支撑体的第一表面毗邻,所述膜组合件的第一表面是所述选择性传递膜的第一表面且所述膜组合件的第二表面是所述多孔支撑体的第二表面,该多孔支撑体可以是亲水性的。
在某些实施方案中,众多溶解离子包括钠离子和/或氯化物(或氯)离子。在某些情况中,本文公开的所述第一材料是微咸水或海水。在其它情况中,所述第一材料是从发电厂排放的海水。
在其它实施方案中,所述系统进一步包含经构造以将所述第一材料流加热至第一温度的换热器,并且当所述高偶极矩液体与所述第二材料结合时,所述高偶极矩液体将热能传递至所述第二材料以提高所述第二温度,所述系统进一步包含:经构造以将传递至所述第二材料的至少一部分热能在所述第一材料流的一部分与所述膜接触之前传递到所述第一材料流的该一部分。
在某些实施方案中,当所述高偶极矩液体与所述第二材料结合时,该高偶极矩液体将热能传递至该第二材料以将所述第二温度提高到第三温度,所述系统进一步包含:经构造以将所述第二材料的该第三温度降低至所述第二温度的换热器。在其它实施方案中,当所述高偶极矩液体与所述第二材料结合时,该高偶极矩液体将热能传递至该第二材料以将所述第二温度提高到第三温度,所述系统进一步包含:容纳处于第四温度的所述第二材料的贮器,所述第三温度大于该第四温度;以及换热器,该换热器经构造以通过所述高偶极矩液体将传递至所述第二材料的至少一部分热能传递至在所述贮器中的一部分所述第二材料,由此将所述第二材料的所述第三温度降低至所述第二温度。
在某些实施方案中,与所述膜接触的第一部分第一材料流包含众多溶解离子并被禁止通过所述膜组合件通行,还包含热能,所述系统进一步包含经构造以将所述第一部分第一材料流的至少一部分热能在第二部分第一材料流与所述膜接触之前传递到该第二部分第一材料流的换热器。
本文描述的特定实施方案包括包含外壳(housing)的真空辅助蒸发器,该外壳具有由膜组合件分叉为第一腔室和第二腔室的中空部分,所述第一腔室包含部分真空、冷凝表面和端口(port),所述第二腔室包含入口和出口,该入口经构造以允许包含高偶极矩液体和众多溶解离子的第一材料流流入该第二腔室,所述膜组合件经构造以允许至少一部分所述高偶极矩第一材料通过该膜组合件通行进入所述第一腔室,该膜组合件包括包含离聚聚合物域的无孔的选择性传递膜,该膜对高偶极材料是可渗透的而阻止溶解离子通过该膜组合件通行,所述第二腔室的出口经构造以允许所述众多溶解离子流出该第二腔室,所述冷凝表面经构造以在所述第一腔室中冷凝蒸发的高偶极矩液体,且所述端口经构造以允许冷凝的高偶极矩液体离开所述第一腔室。
在某些情况中,所述膜组合件包括具有第一表面和第二表面的选择性传递膜,物质交换器的第一表面是所述选择性传递膜的第一表面且物质交换器的第二表面是所述选择性传递膜的第二表面。本文公开的膜组合件包括结合至支撑体的膜,该膜与在所述第二腔室中的所述第一材料接触且所述支撑体与在所述第一腔室中的部分真空接触。
本文还公开了真空辅助的蒸发器系统,其包括:包括连接至支撑体的膜的膜组合件,所述膜在第一腔室中与具有第一压力的第一材料流接触且所述支撑体在第二腔室中与具有第二压力的部分真空接触,所述第一压力大于所述第二压力,所述第一材料包括高偶极矩液体,所述膜组合件经构造以允许至少一部分所述高偶极矩第一材料通过所述膜组合件通行进入所述第二腔室,所述膜组合件包括包含离聚聚合物域的无孔的选择性传递膜,所述膜对高偶极材料是可渗透的而阻止溶解离子通过该膜组合件通行;以及经构造以接收和冷凝蒸发的高偶极矩液体的冷凝器。在某些情况中,所述系统进一步包括经构造以从第二腔室收集蒸发的高偶极矩液体并引导其进入冷凝器的压缩机。
在其它情况中,一部分第一材料流没有通过所述膜组合件蒸发且所述第一腔室包括出口(该部分第一材料流通过该出口离开所述第一腔室),所述系统进一步包括经构造以从冷凝的高偶极矩液体将热能传递至通过所述出口离开所述第一腔室的该部分第一材料流的换热器。
在其它实施方案中,所述系统进一步包括经构造以在所述第二腔室内部保持至少一部分所述部分真空的真空泵。在其它实施方案中,所述系统进一步包括:经构造以从第二腔室收集蒸发的高偶极矩液体并引导其进入冷凝器的压缩机;以及连接至所述第二腔室的真空泵,所述压缩机和真空泵经构造以在所述第二腔室内部保持所述部分真空。在其它实施方案中,所述冷凝器进一步包括:其温度经构造以冷凝所述蒸发的高偶极矩液体的冷凝表面;和经构造以决定所述冷凝表面温度的第一材料流。
本文公开的所述系统可进一步包括多个串联布置的、配置在所述膜组合件和冷凝器之间的蒸发腔室,各蒸发腔室具有两个包含压缩机元件的蒸发子腔室,所述两个子腔室通过所述压缩机元件连通。
本文还公开了真空辅助的脱盐系统,其包括:经构造以接收盐水并从其中提取第一部分水以产生第一浓缩盐水溶液的第一真空辅助蒸发器,该蒸发器具有包括包含离聚聚合物域的无孔的选择性传递膜的膜组合件,该膜对高偶极材料是可渗透的而阻止溶解离子通过该膜组合件通行;经构造以接收通过所述第一真空辅助蒸发器产生的浓缩盐水溶液并从其中提取第二部分水以产生第二浓缩盐水溶液的第二真空辅助蒸发器;具有处于一定温度的冷凝表面的第一冷凝器,该第一冷凝器经构造以接收通过所述第一真空辅助蒸发器提取的第一部分水和所述第二浓缩盐水溶液,所述第一冷凝器进一步经构造以使用所述冷凝表面来冷凝所述第一部分水并使用所述第二浓缩盐水溶液来决定所述冷凝表面的温度;具有处于一定温度的冷凝表面的第二冷凝器,该第二冷凝器经构造以接收通过所述第二真空辅助蒸发器提取的第二部分水和所述第二浓缩盐水溶液,所述第二冷凝器进一步经构造以使用所述冷凝表面来冷凝所述第二部分水并使用所述第二浓缩盐水溶液来决定所述冷凝表面的温度;经构造以接收通过所述第一真空辅助蒸发器提取的第一部分水、通过所述第二真空辅助蒸发器提取的第二部分水、和第二浓缩盐水溶液,并在所述第二浓缩盐水溶液被所述第一冷凝器或所述第二冷凝器接收之前将热能从所述第一部分水和第二部分水传递到所述第二浓缩盐水溶液的换热器;并可进一步包括经构造以收集通过所述第二真空辅助蒸发器提取的第二部分水并引导其进入所述第二冷凝器的压缩机。
本文还公开了气体调节系统,其包括:包括第一腔室、第二腔室和膜组合件的干燥器,所述第一腔室经构造以接收具有第一压力的气体流,所述第二腔室包括具有第二压力的部分真空,所述膜组合件包括连接至支撑体的膜,该膜与第一腔室中的气体流接触且所述支撑体与第二腔室中的部分真空接触,所述第一压力大于所述第二压力,所述气体包括水蒸气,所述膜组合件包括包含离聚聚合物域的无孔的选择性传递膜,该膜对高偶极材料是可渗透的并适合于将所述气体流中的至少一部分水蒸气通过该膜组合件输送进入所述第二腔室中从而将所述气体流的一部分留置在所述第一腔室中;和经构造以接收来自所述干燥器的水蒸气、将该水蒸气冷凝为液态水、并输出具有第三压力的作为液态水流的冷凝水的冷凝器,和包括第一腔室、第二腔室和膜组合件的蒸发器,所述第一腔室经构造以接收来自所述冷凝器的液态水,所述第二腔室包括具有第四压力的部分真空,所述膜组合件包括连接至支撑体的膜,该膜与第一腔室中的液态水流接触且所述支撑体与第二腔室中的部分真空接触,所述第三压力大于所述第四压力,所述膜组合件经构造以允许第一部分液态水通过所述膜组合件流动进入所述第二腔室,第二部分液态水留置在第一腔室中的液态水流的一部分中,所述冷凝器进一步经构造以接收来自所述蒸发器的第二腔室的蒸发水,将该蒸发水冷凝为液态水,并输出所述液态水流中的所述冷凝水;以及经构造以接收留置在所述干燥器的第一腔室中的所述气体流部分和留置在所述蒸发器的第一腔室中的所述液态水流部分,并将热能从该气体流传递到所述液态水流的换热器。
其它实施方案涉及蒸发器,其包括:多个管状的料筒,该多个料筒各自包括与开口端部分相对的封闭端部分以及包含阻挡层和支撑体的膜组合件,该阻挡层围绕所述料筒的外表面布置并将该支撑体包围在所述料筒内部;具有多个孔隙(apertures)的隔板,所述多个孔隙包含用于所述多个管状料筒的各料筒的孔隙,各孔隙经构造以接纳料筒的所述开口端部分;通过所述隔板分叉为第一腔室和第二腔室的外壳,所述第一腔室包含入口(第一材料流可通过该入口进入所述第一腔室)和出口(所述第一材料流可通过该出口离开所述第一腔室),所述第二腔室包含端口;以及连接至所述第二腔室端口并经构造以向所述第二腔室提供部分真空的压缩机,该压缩机通过所述隔板中形成的孔隙延伸并通过所述料筒的开口端部分进入所述多个管状料筒的各料筒中,从而将部分真空引入各料筒中。
其它实施方案涉及用于从包含醇和水的溶液提取水的真空辅助系统,该系统包括:包括第一腔室、第二腔室和膜组合件的第一蒸发器,所述第一腔室经构造以接收具有第一压力的溶液流,所述第二腔室包括具有第二压力的部分真空,所述膜组合件包括连接至支撑体的膜,该膜与第一腔室中的溶液流接触且所述支撑体与第二腔室中的部分真空接触,所述第一压力大于所述第二压力,所述膜组合件包括包含离聚聚合物域的无孔的选择性传递膜,该膜对高偶极材料是可渗透的并适合于将所述溶液流中的至少一部分醇和第一部分的水通过该膜组合件输送进入所述第二腔室中,第二部分的水留置在所述第一腔室中的所述溶液流的一部分中;经构造以接收来自所述第一蒸发器的蒸发的醇和水,将所述蒸发的醇和水冷凝为包含醇和水的液体,并将该包含醇和水的液体作为具有第三压力的液体醇和水的流输出的第一冷凝器;以及包含第一腔室、第二腔室和膜组合件的第二蒸发器,该第一腔室经构造以接收来自所述第一冷凝器的液体醇和水的流,该第二腔室包含具有第四压力的部分真空,该膜组合件包括连接至支撑体的膜,该膜与第一腔室中的所述液体醇和水的流接触且所述支撑体与所述第二腔室中的所述部分真空接触,所述第三压力大于所述第四压力,所述膜组合件经构造以允许将所述液体醇和水的流中的第一部分液态水经过所述膜组合件输送进入所述第二腔室,第二部分液体醇和水留置在所述第一腔室中的一部分所述液体醇和水的流中,所述第一腔室经构造以输出留置在该第一腔室中的所述部分的所述液体醇和水的流。
在某些实施方案中,所述第二蒸发器的所述膜组合件的膜包含使得该膜对醇来说不可渗透的涂层。在其它实施方案中,所述系统进一步包含分子筛,其经构造以接收留置在所述第一腔室中并通过所述第二蒸发器的第一腔室输出的所述部分的所述液体醇和水的流,并从其中除去至少一部分液态水。其它实施方案包括经构造以在所述第一蒸发器的第一腔室内部加热所述溶液流的换热器,并可进一步包括经构造以使用来自工业过程的废热在所述第一蒸发器的第一腔室内部加热所述溶液流的换热器。所述系统的其它实施方案可以包括经构造以加热所述第二蒸发器的第一腔室内部的所述液体醇和水的流的换热器。在某些情况中,所述系统包括经构造以使用来自工业过程的废热加热在所述第二蒸发器的第一腔室内部的所述液体醇和水的流的换热器。其它实施方案包括经构造以接收通过所述膜组合件输送进入所述第二腔室中的所述第一部分蒸发的液态水并将该第一部分蒸发的液态水冷凝为液态水的第二冷凝器。
所述系统可进一步包括经构造以向所述第一蒸发器供应所述溶液流的发酵反应器,任选其中该第一蒸发器的第一腔室经构造以输出该第一腔室中的所述部分溶液流,该系统进一步包含:经构造以向所述第一蒸发器供应所述溶液流并接收所述第一蒸发器的第一腔室中的所述部分溶液流的发酵反应器;经构造以接收通过所述膜组合件输送进入所述第二蒸发器的所述第二腔室中的所述第一部分蒸发的液态水并将该第一部分蒸发的液态水冷凝为液态水的第二冷凝器,所述发酵反应器进一步经构造以接收来自该第二冷凝器的所述液态水。
本文还公开了具有包含经加热的空气的干燥腔室的干燥器,该干燥器包括:经构造以从经加热的空气提取水并输出自其提取水的一部分经加热的空气的真空辅助蒸发器,该蒸发器具有包括包含离聚聚合物域的无孔的选择性传递膜的膜组合件,该膜对高偶极材料是可渗透的;经构造以接收来自所述蒸发器的提取水并压缩该提取水以提高其温度的压缩机;以及经构造以接收通过所述蒸发器自其提取了水的所述部分的加热的空气和来自所述压缩机的压缩的提取水、通过从该压缩的提取水将热能传递至所述部分的加热的空气来加热所述部分的经加热的空气,并将该经加热的空气返回到所述干燥器的干燥室的换热器。
本文还公开了用于从烟道气提取所选材料的系统,该系统包括:包括第一腔室、第二腔室和膜组合件的真空辅助蒸发器,所述第一腔室经构造以接收具有第一压力的烟道气流,所述第二腔室包括具有第二压力的部分真空,所述膜组合件包括连接至支撑体的膜,该膜与第一腔室中的烟道气流接触且所述支撑体与第二腔室中的部分真空接触,所述第一压力大于所述第二压力,所述膜组合件包括包含离聚聚合物域的无孔的选择性传递膜,该膜对高偶极材料是可渗透的并适合于允许所述所选材料通过该膜组合件通行并进入所述第二腔室中,所述第一腔室经构造以输出自其提取所述所选材料的一部分烟道气;以及经构造以接收来自所述蒸发器的第二腔室的所选材料并浓缩该所选材料的压缩机。
如根据本申请的综述所理解地,本文所述的任何系统均可包括无孔的选择性传递膜,其中该选择性传递膜的离聚聚合物域形成适合于提供来自该膜一个面的高偶极液体或气体移动到另一面的邻接导管。
如本文公开的,所述无孔的选择性传递膜包括离聚聚合物,其中该离聚聚合物具有基础树脂且在该离聚聚合物离子聚合之前该基础树脂选自:聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚环氧乙烷(PEO),聚苯乙烯(PS),聚酯,聚碳酸酯(PC),聚氯乙烯(PVC),尼龙,卤化聚合物或卤化共聚物如全氟化共聚物,聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA),丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),聚酰胺(PA),聚四氟乙烯(PTFE)(如),聚乳酸(PLA),聚偏氯乙烯(PVDC),苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR),苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS);苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯(SEPS),乙烯-苯乙烯互聚物(ESI),苯乙烯丙烯酸酯,聚醚醚酮(PEEK),聚对苯二甲酸乙二酯(PET或PETE),聚苯并咪唑(PBI),磷酸基膜,(磺化的四氟乙烯共聚物),及其任何组合。
附图说明
图1是本发明膜基物质交换器的显示第一材料流和第二材料流的第一种流动构造的示意图。
图2是图1所示物质交换器的显示第一材料流和第二材料流的第二种流动构造的示意图。
图3是图1所示物质交换器的以第二材料-向-第一材料交换模式使用的示意图。
图4是图1所示物质交换器的以第一材料-向-第二材料交换模式使用的示意图。
图5是图1所示物质交换器的仅有膜的实施方式的示意图。
图6是图1所示物质交换器的示意图,示出了图1所示物质交换器的双层形式的第一材料侧膜实施方式。
图7是图1所示物质交换器的示意图,示出了图1所示物质交换器的双层形式的第二材料侧膜实施方式。
图8是使用多个管状料筒的歧管式物质交换器的透视图。
图9是图8的物质交换器的各个管状料筒的俯视剖视图。
图9A是图9的分解透视图。
图10是板式样的物质交换器的仅有膜实施方式的分解透视图。
图11是图1所示物质交换器的膜的扫描电子显微照片图解。
图12是经构造以从海水提取蒸馏水的直接接触物质交换器的一个实施方案的分解示意图。
图13是引入了经构造以从海水提取蒸馏水的直接接触物质交换器的系统的一个实施方案的示意图。
图14是包括蒸发器和冷凝表面的真空辅助物质交换器的示意图。
图15是引入了经构造以从海水提取蒸馏水的真空辅助物质交换器的系统的第一实施方案的示意图。
图16是引入了经构造以从海水提取蒸馏水的具有串联布置的一对蒸发器的真空辅助物质交换器的系统的第二实施方案的示意图。
图17是引入了经构造以从海水提取蒸馏水的具有并联布置的一对蒸发器的真空辅助物质交换器的系统的第三实施方案的示意图。
图18是引入了经构造以从海水提取蒸馏水的真空辅助物质交换器的系统的第四实施方案的示意图。
图19是引入了经构造以从海水提取蒸馏水的真空辅助物质交换器的系统的第五实施方案的示意图。
图20是从经构造以包括三个堆叠板和两个膜/支撑体组合件并用来从海水提取蒸馏水的图10的板式物质交换器的一个实施方案得到的通量率(flux rate)对温度的曲线图。
图21是引入了经构造以从气体如空气提取水并冷却该气体的具有串联布置的干燥器和蒸发器的真空辅助物质交换器的系统的示意图。
图22是使用多个管状料筒的真空辅助蒸发器装置的分解透视图。
图23是引入了图22的蒸发器装置的物质交换器的部分分解透视图。
图24是引入了串联布置的一对物质交换器的系统的一个实施方案的示意图,第一物质交换器经构造以接收乙醇和水溶液、从该溶液提取乙醇和第一部分水、并将提取的乙醇和第一部分所述水输出到第二物质交换器,且该第二物质交换器经构造以接收所述第一物质交换器的输出物、从所述第一物质交换器的输出物提取第二部分水、并输出减去了该提取的第二部分水的所述第一物质交换器的输出物。
图25是用于图24所述系统的蒸发器的一个示例性实施方案的示意图。
图26是图24系统的一个替代性实施方案的示意图,该系统经构造以直接从发酵反应器接收乙醇和水溶液,并将减去了通过所述第一物质交换器提取的乙醇和第一部分水以及通过所述第二物质交换器提取的第二部分水的所述乙醇和水溶液送回到所述发酵反应器。
图27是干燥器的示意图,该干燥器具有转鼓并引入了经构造以从该转鼓接收空气、从该接收的空气提取水、加热该空气并将经加热空气送回到所述转鼓的真空辅助物质交换器的一个实施方案。
图28是烟道气处理装置的示意图,该装置引入了经构造以从烟道气提取一种或多种所选气体的真空辅助物质交换器的一个实施方案。
具体实施方式
本发明的多个方面涉及物质交换器100以及使用该物质交换器100的系统和方法。
物质交换器100
示例性的物质交换器100显示在图1中,其具有第一表面100a和与该第一表面相对的第二表面100b。该物质交换器100被描述为暴露于通过流动结构101如通道、管道、压力通风系统(plenum)等引导的逆向流,其中所述第一表面100a暴露于第一材料流102,所述第二表面100b暴露于方向基本上与该第一材料流相反的第二材料流104。所述第一材料流102和所述第二材料流104可各自包括液体、气体及其组合等。
所述物质交换器100在图2中描绘为暴露于通过流动结构101引导的共向流(common-directional flow),其中第一表面100a暴露于第一材料流102和第二表面100b暴露于方向基本上与所述第一材料流相同的第二材料流104。
物质交换器100在图3中描绘为处于第二材料向第一材料交换模式,其中来自所述第二材料流104的第二材料通过所述物质交换器通行(作为气体106)以与所述第一材料流102结合。
物质交换器100在图4中描绘为处于第一材料向第二材料交换模式,其中来自所述第一材料流102的第一材料通过所述物质交换器通行(作为气体108)以与所述第二材料流104结合。
物质交换器100在图5中描绘为处于具有选择性输送膜110的物质交换器的仅有膜实施方式,其中所述膜的第一表面110a是所述物质交换器的第一表面100a且所述膜的第二表面110b是所述物质交换器的第二表面100b。所述第一表面100a显示为暴露于所述第一材料流102且所述第二表面100b显示为暴露于所述第二材料流104,其中所述第一材料流和所述第二材料流显示为逆向或共向流。
物质交换器100在图6中描绘为处于双层型式的物质交换器的第一材料侧膜实施方式,其中选择性输送膜110与支撑体112连接(例如通过气密密封连接)。在这种实施方案中,所述膜110可以称为阻挡层110。所述膜110的第一表面110a为物质交换器的第一表面100a且所述支撑体112的第一表面112a为所述物质交换器的第二表面100b。所述第一表面100a显示为暴露于所述第一材料流102且所述第二表面100b显示为暴露于所述第二材料流104,其中所述第一材料流和所述第二材料流显示为逆向或共向流。
物质交换器100在图7中描绘为处于双层型式的物质交换器的第二材料侧膜实施方式,其中选择性输送膜110与支撑体112连接(例如通过气密密封连接)。所述支撑体112的第一表面112a为物质交换器的第一表面100a且所述膜110的第一表面110a为所述物质交换器的第二表面100b。所述第一表面100a显示为暴露于所述第一材料流102且所述第二表面100b显示为暴露于所述第二材料流104,其中所述第一材料流和所述第二材料流显示为逆向或共向流。
参照图8,提供了歧管式样的物质交换器120。所述物质交换器120引入了多个第一材料侧膜双层物质交换器100。所述多个物质交换器100与输入流体歧管122和出口歧管124结合。各物质交换器100具有其自己的分离膜110。如图9和9A所示,所述膜110位于外部,其中其第一表面110a朝向外面。可以包括有网格125以在需要时提供刚性。通道126接收来自所述输入歧管122的各个部分的第二材料流104,将所述第二材料流输送到出口歧管124。所述物质交换器100充分地隔开以允许所述第一材料流102在所述物质交换器之间通行。可以存在任选的隔板127,以及用于各物质交换器100的任选连接器128,其可连接该物质交换器100和输入流体歧管122。可以在所述任选的连接器128和输入流体歧管122之间布置一个或多个垫圈、O形环129等。可使用另一任选连接器128来连接所述物质交换器100和出口歧管124。可以在所述任选的连接器128和出口歧管124之间布置一个或多个垫圈、O形环129等。
包括物质交换器100的仅有膜实施方式的板式样物质交换器130显示在图10中,其具有第一材料板132、第二材料板134、和所述第一材料板和第二材料板之间的膜110。物质交换器100的所述板式样能够将多个此类物质交换器堆叠在一起,使得在一个替代性方式中,所述第一材料板132的例子(instance)定位于与所述第二材料板134的例子并置(juxtaposition)(膜110的例子位于它们之间),该第二材料板与所述第一材料板132的另一例子并置定位(膜的另一例子位于它们之间)等等。
所述第一材料板132具有通道136以允许所述第一材料流102移动经过位于所述第一材料板任一侧上的所述膜110的两个例子的第一表面110a并从此离开。所述第一材料板132进一步包括输入压力通风孔隙138a和出口压力通风孔隙138b,其使得第二材料流104经其通过以实现多个所述板式样物质交换器100的堆叠。所述膜110还包括输入压力通风孔隙139a和出口压力通风孔隙139b,其使得第二材料流104经其通过以实现多个所述板式样物质交换器100的堆叠。
堆叠的所述板式样物质交换器100中的各第二材料板134具有通道140以允许所述第二材料流104移动通过与该第二材料板毗邻的两个膜110的第二表面100b。堆叠的所述板式样物质交换器100中的各第二材料板134具有输入压力通风孔隙142a和出口压力通风孔隙142b。该输入压力通风孔隙142a接收来自与该第二材料板毗邻的膜110的一个或两个输入压力通风孔隙139a的第二材料流104。该出口压力通风孔隙142b将所述第二材料流104输送至与该第二材料板毗邻的膜110的一个或两个出口压力通风孔隙139b。所述第二材料板134的输入压力通风孔隙142a将所述第二材料流104输送至通道140,该通道进而将所述第二材料流104输送至该第二材料板的另一出口压力通风孔隙142b。任选的垫圈145可密封所述板。
膜110
本文公开的某些实施方案涉及基于膜的选择性物质传递。本文公开的无孔的选择性传递膜110优选包括形成阻挡层110的聚合物电解质层。该阻挡层110对低偶极矩气体和液体(包括氧、氮和环己烷)基本上是不可渗透的。该阻挡层110对高偶极矩液体或气体如水和/或醇是可渗透的,使得该膜供高偶极液体或气体从该膜的一个面移动到另一面。
如本领域已知的,高偶极矩材料具有在分子水平不均匀分布的电荷。这种不均匀分布的电荷可在极性或相同极性时电荷量方面加以区别。不均匀的电荷极性和分布为这些材料带来高的介电常数(并因此是极性材料)。高的介电常数使得物质能够相对于在真空中所发生的来说集中静电通量线。高偶极矩材料在所述阻挡层110内与其它高偶极矩材料如聚合物电解质电荷相容。因此,高偶极矩材料可渗透通过其它高偶极材料,但高偶极材料排斥低偶极材料。
不希望受到任何特定作用机理约束,所述阻挡层110可包括带电部分区域和非带电部分区域。在某些优选实施方案中,所述膜110包括高偶极矩材料或域。在某些方面,由带电聚合物部分制成的所述域形成邻接导管或选择性传递路径,其中高偶极液体和气体如水可从所述阻挡层110的一个面移动到另一面。这些导管或选择性传递路径大大降低了移动所述材料在不损失材料的情况下跨过所述阻挡层所需的能量。在特定组合物中,所述域可以为大约1纳米,大约2纳米,大约3纳米,大约4纳米,大约5纳米,大约10纳米,大约15纳米,大约20纳米,大约30纳米,大约40纳米,大约50纳米,大约60纳米,大约70纳米,大约80纳米,大约90纳米,大约100纳米,或这些值之间的任何值或更高。
在某些实施方案中,所述膜110对气体是不可渗透的而对液体(如水)是可渗透的。在特定实施方案中,至少一个膜110包括改性的(例如磺化的、氢化的、脱氢的、还原的、亚酰胺化的和/或酰胺化的)大分子。包括在所述至少一个膜110中的所述分子(包括大分子)包括,但不限于核酸(核苷酸)、氨基酸、肽、多肽、蛋白质、糖蛋白、生物聚合物、含有例如烯烃和/或芳烃部分的低聚物和/或聚合物和/或共聚物。
本文使用的大分子通常是指具有高的相对分子量的分子,其结构中典型地包含来源于其它分子的多个重复片段,例如对于某些低聚物、聚合物或共聚物。至少一个膜110中采用的所述分子可以是天然存在的、人造的或其任何组合。公开的所述分子可以是孤立的或者处于混合物或溶液中和/或可以化学合成。
尤其如所述,本文公开的至少一个膜110中采用的所述分子可包括,但不限于生物聚合物、低聚物和/或聚合物,例如多相大分子链聚合物和/或共聚物。特定实施方案包括,但不限于(a)包括含离子聚合物的低聚物和/或聚合物和/或共聚物,(b)生物聚合物,或(c)嵌段共聚物。在某些实施方案中,本文所述的至少一个膜110中采用的分子包括含离子低聚片段或共低聚片段(离聚物)。典型的,本发明中采用的离聚物涉及聚合电解质聚合物或共聚物,其既含有非离子重复单元又含有至少少量的含离子的重复单元。
本文公开的所述膜110中还包括不同聚合度的聚合物。如本领域技术人员将轻易理解地,所述聚合度通常是指在聚合反应中的特定时间,平均聚合物链中重复单元或片段的数目,其中长度通过单体片段或单元测量。优选的长度包括,但不限于大约500个单体单元、1000个单体单元、5000个单体单元、10,000个单体单元、25,000个单体单元、50,000个单体单元、100,000个单体单元、200,000个单体单元、300,000个单体单元、500,000个单体单元、700,000个单体单元或更高或这些值之间的任何值。
聚合度还可以是聚合物分子量的量度。因此,所述聚合度等于聚合物的总分子量除以重复单元或片段的总分子量。具有不同总分子量但组成相同的聚合物可显示出不同物理性能。总的说来,较高的聚合度与较高熔融温度和较高机械强度相互关联。
在某些实施方案中,所述低聚物和/或聚合物和/或共聚物包括多相大分子链分子。在一些实施方案中,所述多相大分子链低聚物和/或聚合物和/或共聚物包括一个或多个含芳烃的直链侧链、不含芳烃的直链侧链、饱和直链侧链、不饱和直链侧链或柔性的烃直链侧链。
对于本发明目的,“烯烃部分”表示含有至少一个碳-碳双键的烃链。“芳烃部分”表示一价或二价的芳基或杂芳基。芳基表示包含氢、6-18个碳原子和至少一个芳族环的烃环体系。对于本发明目的,所述芳基可以是单环、双环、三环或四环的体系,其可以包括稠合的或桥接的环体系。芳基包括,但不限于如下来源的芳基:醋蒽烯,苊,醋亚菲(acephenanthrylene),蒽,甘菊环,苯,荧蒽,芴,不对称引达省(as-indacene),对称引达省(s-indacene),1,2-二氢化茚,茚,萘,葩,菲,芘,和苯并菲。优选地,芳基源自于苯。杂芳基表示5-14元环体系,其包含氢原子、1至13个碳原子、1至6个选自氮、氧和硫的杂原子以及至少一个芳族环。对于本发明目的,所述杂芳基可以是单环、双环、三环或四环体系,其可包括稠合的或桥接的环体系;且所述杂芳基中的氮、碳或硫原子可以任选被氧化;所述氮原子可以任选被季铵化。实例包括、但不限于氮杂基、吖啶基、苯并咪唑基、苯并吲哚基、1,3-苯并间二氧杂环戊烯基、苯并呋喃基、苯并唑基、苯并噻唑基、苯并噻二唑基、苯并[b][1,4]二氧杂环庚烯基(dioxepinyl)、苯并[b][1,4]嗪基、1,4-苯并二烷基、苯并萘并呋喃基、苯并唑基、苯并间二氧杂环戊烯基、苯并二氧杂环己烯基、苯并吡喃基、苯并吡喃酮基、苯并呋喃基、苯并呋喃酮基、苯并噻吩基(苯并苯硫基)、苯并噻吩并[3,2-d]嘧啶基、苯并三唑基、苯并[4,6]咪唑并[1,2-a]吡啶基、咔唑基、肉啉基、环戊[d]嘧啶基、6,7-二氢-5H-环戊[4,5]噻吩并[2,3-d]嘧啶基、5,6-二氢苯并[H]喹唑啉基、5,6-二氢苯并[h]肉啉基、6,7-二氢-5H-苯并[6,7]环庚[1,2-c]哒嗪基、二苯并呋喃基、二苯并苯硫基、呋喃基、呋喃酮基、呋喃并[3,2-c]吡啶基、5,6,7,8,9,10-六氢环辛[d]嘧啶基、5,6,7,8,9,10-六氢环辛[d]哒嗪基、5,6,7,8,9,10-六氢环辛[d]吡啶基、异噻唑基、咪唑基、吲唑基、吲哚基、吲唑基、异吲哚基、二氢吲哚基、异二氢吲哚基、异喹啉基、中氮茚基、异唑基、5,8-甲撑5,6,7,8-四氢喹唑啉基、萘基、萘啶基、1,6-萘啶酮基、二唑基、2-氧代氮杂基、唑基、环氧乙烷基、5,6,6a,7,8,9,10,10a-八氢苯并[h]喹唑啉基、1-苯基-1H-吡咯基、吩嗪基、吩噻嗪基、吩嗪基、2,3-二氮杂萘基、喋啶基、嘌呤基、吡咯基、吡唑基、吡唑并[3,4-d]嘧啶基、吡啶基、吡啶并[3,2-d]嘧啶基、吡啶并[3,4-d]嘧啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、吡咯基、喹唑啉基、喹喔啉基、喹啉基、奎宁环基、异喹啉基、四氢喹啉基、5,6,7,8-四氢喹唑啉基、5,6,7,8-四氢苯并[4,5]噻吩并[2,3-d]嘧啶基、6,7,8,9-四氢-5H-环庚[4,5]噻吩并[2,3-d]嘧啶基、5,6,7,8-四氢吡啶并[4,5-c]哒嗪基、噻唑基、噻二唑基、三唑基、四唑基、三嗪基、噻吩并[2,3-d]嘧啶基、噻吩并[3,2-d]嘧啶基、噻吩并[2,3-c]吡啶基(pridinyl)、和苯硫基(即噻吩基)。
对于本发明目的,“含芳烃的直链侧链”表示仅由氢或碳组成的无支链的烃链,其中该链中的至少一个碳被替换为如以上所定义的芳基或杂芳基。对于本发明目的,“不含芳烃的直链侧链”表示仅由氢或碳组成且在该链内不包含芳基或杂芳基的无支链的烃链。对于本发明目的,“饱和直链侧链”表示仅由氢或碳组成,并包含至少一个碳-碳双键或至少一个碳-碳三键的无支链的烃链。本文使用的“不饱和直链侧链”一般指仅由氢或碳组成、不包含碳-碳双键且不包含碳-碳三键的无支链的烃链。
对于本发明目的,“柔性的烃直链侧链”表示如美国专利Nos.5,468,574和5,679,482所教导的柔性连接组分,这二者的公开以它们的整体以引用的方式并入。
所公开的膜110中采用的分子量优选至少大约10,000道尔顿、15,000道尔顿、20,000道尔顿、25,000道尔顿、30,000道尔顿、40,000道尔顿、50,000道尔顿、60,000道尔顿、70,000道尔顿、80,000道尔顿、90,000道尔顿、1千道尔顿(KiloDalton)、2千道尔顿、3千道尔顿、4千道尔顿、5千道尔顿、或更高或在这些值之间的任何值。优选地,所述分子量至少为大约20,000道尔顿、50,000道尔顿、75,000道尔顿、1千道尔顿、2千道尔顿或在这些值之间的任何值。
在其它实施方案中,分子量的测量可能是重要的。本文所公开分子的分子量(Mw)的平均范围包括大约20,000克/摩尔至大约1,000,000克/摩尔,并优选大约50,000克/摩尔至900,000克/摩尔。
通常,所述膜110中采用的离聚物同时包含极性和非极性部分。离聚物的非极性部分群聚(grouped)在一起,而极性离子部分倾向于丛生(cluster)在一起并与所述非极性聚合物骨架部分分开。该离子部分丛生使得能够实现所述离聚物的热塑性。通常,当离聚物被加热时,所述离子部分将失去它们彼此间的吸引力,且所述部分将自由移动,由此实现离子型聚合物或共聚物的热塑性弹性品质。
存在可以被所述膜110使用的多种类型的共聚物,包括嵌段共聚物。例如,交替共聚物包括规则交替的A和B化学或结构单元;周期共聚物包含以重复序列(例如(A-B-A-B-B-A-A-A-B-B)n)排列的A和B单元;无规共聚物包括单体A和B单元的随机序列;统计共聚物(statisticalcopolymer)包括不同单体在聚合物序列内服从统计规则的排序;嵌段共聚物包括两个或更多个通过共价键连接的均聚物亚单位并可以是二嵌段、三嵌段、四嵌段或多嵌段共聚物。(IUPAC,Pure Appl.Chem.,68:2287-2311(1996))。
另外,所述的任何共聚物可以是直链的(包含单个主链)或支链的(包含具有一个或多个聚合侧链的单个主链)。具有结构上不同于主链的侧链的支链共聚物被称为接枝共聚物。接枝共聚物的各个链可以是均聚物或共聚物,且不同的共聚物序列足以限定出结构差异。例如,具有A-B交替共聚物侧链的A-B二嵌段共聚物被认为是接枝共聚物。其它类型的支链共聚物包括星形、刷形和梳状共聚物。本文公开的特定实施方案可以采用这些共聚物中的任何一种或其任何混合物。
在本文公开的某些实施方案中,本文公开的所述膜110中采用的一种或多种分子包括含有至少一个嵌段的聚合物。在某些实施方案中,所述分子是热塑性嵌段共聚物。在其它实施方案中,所述分子是包含可区分的单体单元的嵌段共聚物。优选地,所述嵌段共聚物的至少一个单体单元包括含芳烃部分的单元。在其它优选实施方案中,至少一个嵌段包括不含芳烃部分的单元。在某些实施方案中,所述嵌段共聚物包括至少两种以统计上的随机顺序排列的单体单元。在其它实施方案中,所述嵌段共聚物包括至少两种以有序序列排列的单体单元。在某些实施方案中,本文公开的方法中采用的所述分子不仅包括聚合物或嵌段共聚物,而且包括具有其它烯属不饱和单体(例如丙烯腈、丁二烯、甲基丙烯酸甲酯等等)的共聚物。
在本文公开的某些实施方案中,嵌段共聚物表示至少第一嵌段和第二嵌段的嵌段共聚物,所述第一嵌段是一个或多个单烯烃-芳烃部分(如苯乙烯、环取代的苯乙烯、α-取代的苯乙烯和其任何组合)的,所述第二嵌段是二烯部分与单烯烃-芳烃部分的受控分布共聚物的。所述嵌段共聚物可为“A”与“B”嵌段的任何构造,且此类嵌段共聚物可通过本领域公知的方法产生。
对于本发明目的,“单烯烃-芳烃部分”表示如以上所定义的一个或多个烯烃部分共价键接至如以上所定义的芳烃部分。“单烯烃-芳烃部分”的实例是苯乙烯。“聚烯烃-芳烃部分”表示如以上所定义的两个或更多个单烯烃-芳烃部分彼此共价键接以形成包含两个或更多个单烯烃-芳烃部分的链。“聚烯烃-芳烃部分”的实例是聚苯乙烯。“二烯部分”表示含有两个碳-碳双键的烃链。在某些实施方案中,所述二烯部分可以是共轭的、非共轭的或累积的。
嵌段共聚物的一些具体实例包括如下美国专利号中描述的那些:4,248,821;5,239,010;6,699,941;7,186,779;7,169,850;7,169,848;7,067,589;7,001,950和6,699,941和美国专利申请公开号:20070021569;20050154144;20070004830;20070020473;20070026251;20070037927;和20070055015,所有文献以它们的整体以引用的方式并入。
在某些实施方案中,所述分子包括统计共聚物。统计共聚物在本文中按照本领域中通常理解的用法使用(参见,例如G.Odian,Principles ofPolymerization,1991)。统计共聚物源自于两种单体的同时聚合并具有该两种单体单元沿共聚物链的一定分布,该分布遵循Bernoullian(零级Markov),或者一级或二级Markov统计学。所述聚合可以由自由基、阴离子、阳离子或配位不饱和(例如齐格勒-纳塔催化剂)物类引发。根据Ring等(Pure Appl.Chem.,57,1427,1985),统计共聚物是导致单体单元的统计序列形成的单元过程(其未必以相等概率进行)的结果。
统计共聚物通常显示出单一的玻璃化转变温度。嵌段和接枝共聚物由于多个相的存在典型地显示出多重玻璃化转变。因此,统计共聚物可以此为基础与嵌段和接枝共聚物区别开。单一的玻璃化转变温度典型反映了分子水平的均匀性。这种均匀性的额外后果是统计共聚物如苯乙烯和丁二烯的统计共聚物在通过电子显微镜术观察时,显示出没有微相分离的单相形态。相反,例如,苯乙烯/丁二烯的嵌段和接枝共聚物的特征在于两个玻璃化转变温度并分离为苯乙烯富集域和丁二烯富集域,特别是在未改性时。应该注意到由原本具有单一的玻璃化转变温度和单相形态的统计共聚物制造的膜110在磺化或其它改性后未必显示出单相形态或单一的玻璃化转变温度。
伪无规共聚物(pseudo-random copolymer)是统计共聚物的一个子类,其源自于单体引入时的权重变化,所述权重变化使得分布偏离定义为统计的随机排列(即Bernoullian)。在本文中已经描述了直链排列,但单体的支链或接枝排列包括星形排列也是可能的。另外,可以采用苯乙烯和氢化丁二烯、异戊二烯或等同烯烃的嵌段共聚物。所述嵌段体系结构可以是包括二嵌段、三嵌段、接枝嵌段、多臂星形嵌段、多嵌段、片段的、递变嵌段或其任何组合的单体单元。
由特定实施方案提供的一个特别优点包括将所公开的方法应用于非苯乙烯的(styrenic)高分子量聚合物的能力。因此,在本文公开的某些实施方案中,所公开的膜110中采用的所述分子不包括单烯烃-芳烃部分或片段,如苯乙烯片段。在本文公开的某些其它实施方案中,所公开的方法中采用的聚合物不包含聚烯烃-芳烃部分或片段,如聚苯乙烯。在某些此类实施方案中,所述聚合物包括包含不饱和碳-碳双键的部分或片段,所述部分或片段能够被磺化。此类聚合物的一些实例包括,但不限于聚丁二烯或聚异戊二烯。
特别地,本文公开的某些实施方案中的所述膜110包括已经改性(例如通过磺化、酰胺化、或其它改性)的分子,所述分子包含一个或多个以下部分:烷烃、烯烃、炔和芳烃,其中每个可以任选地由一个或多个下列官能团取代:羧酸、尿素、酯、氨基甲酸乙酯(氨基甲酸酯)、烯烃、酰胺、苯、吡啶、吲哚、碳酸酯、硫酯、丙烯酸酯(arcylate)/丙烯酸类、醚、脒、乙基、包含烯烃、烷烃或炔的酸型式脂族化合物、咪唑、唑、及包含对失水和/或分解敏感的基团的杂原子的其他可能组合。上列的各术语具有其为本领域技术人员公知的标准定义。
在某些实施方案中,所述分子被均匀地改性(优选地磺化)大约10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%重量、或更高或在这些值之间的任何值。
在某些优选实施方案中,所述膜110不带净电荷,但保留高的电荷密度,包括共价键接的正电荷和游离负离子(例如在磺化的情况下)的平衡,或共价键接的负电荷和游离正离子(例如在酰胺化的情况下)的平衡。在某些优选实施方案中、所述膜110包括的离聚聚合物所具有的当量酸重量为大约2500、大约2000、大约1500、大约1200、大约1000、大约800、大约500、大约300、大约200、大约100、或更低,或这些值之间的任何值。在某些实施方案中,所述离聚聚合物膜显示出对水的高选择性,并形成可独立存在或层压至所述支撑体112的均匀薄结构。在某些实施方案中,所述离聚物聚合物能够辐射或化学交联以固定所述膜110内的分子并带来特殊的机械和/或渗透性质。
在某些优选实施方案中,所述离聚物膜可排除多种空气传播的有机和/或无机微粒和/或气体如氧、氮、氩、氦、二氧化碳等,同时选择性地传递水和/或其它液体(例如包括高偶极材料)。
不希望受到任何特别的机理理论约束,在某些实施方案中,所述膜110实现基于尺寸的区别作用,因此例如在脱盐的情况下,所述膜110允许分子水通行但阻止离子(如盐)及其他杂质通行。在其它实施方案中,所述膜110用以基于静电不平衡辨别离子/极性,使得极性分子(如水)能够通过。在其它实施方案中,所述膜110基于扩散浓度梯度允许所选材料通行,且在一些实施方案中,所述膜110基于介电区分允许所选材料通行。
本文公开的膜110可以采用的分子或分子部分或片段的一些具体实例包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚环氧乙烷(PEO)、聚苯乙烯(PS)、聚酯、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙、卤化聚合物或共聚物如全氟化共聚物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)(如)、聚乳酸(PLA)、聚偏氯乙烯(PVDC)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS);苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯(SEPS)、乙烯-苯乙烯互聚物(ESI)、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET或PETE)、聚苯并咪唑(PBI)、磷酸基膜、(磺化四氟乙烯共聚物)、以及这些或其它的任何组合。在优选的实施方案中,所述膜110包括磺化的聚苯乙烯共聚物。在具体的优选实施方案中,所述膜110包括统计上的无规乙烯聚苯乙烯共聚物,磺化至至少10摩尔%、至少20摩尔%、至少30摩尔%、至少35摩尔%、至少40摩尔%、至少50摩尔%、至少60摩尔%、或更高或这些值之间的任何值。
本文描述的膜110可以采用的材料的其它实例描述于以下发布的美国专利和未决专利申请中,所有文献以它们的整体以引用的方式并入:美国专利Nos.5,794,82;5,468,574;6,110,616;6,413,294;6,383,391;6,413,298;6,841,601;7,179,860;以及PCT/US04/30936。
在某些实施方案中,所述膜110包括聚合物电解质并且是离子传导性的以及对高偶极矩液体或气体是可渗透的。还考虑到聚合物和/或其它材料的共混物,如阴离子交换材料。
根据特定方面,所述阻挡层110通过任何合适的方法产生,包括但不限于溶剂浇铸或熔体挤出,其中具有不同化学性质的两个类型的域在所述层内形成。一种化学域包含带电聚合物部分而另一种域包含不带电聚合物部分。所述域形成或多或少依赖于聚合物链上电荷部分的排列。其中带电化学部分沿主链隔离的嵌段共聚物形成明显不同的连接良好的域,而统计的或随机分布的带电化学部分共聚物形成更小且连接良好性较弱的但仍然能发挥功能的域。所述不带电域起所述阻挡层110的机械支架的作用并使得该阻挡层110不溶解在高偶极矩液体或气体中。所述带电域形成高偶极矩材料导管或选择性的传递路径。高偶极矩材料如水通过电荷溶剂化的能量被拉进这些域中。这种电荷溶剂化(chargesolvation)是放热的;即吸收将在高偶极矩材料如水存在时自发地发生。阻挡层110的扫描电子显微照片的图解显示在图11中。
所述阻挡层110的聚合物主要是如上所述的类型。但是,存在采用多于一种类型共聚物的结构方面的杂化物(hybrid);即具有无规化学排列的嵌段。还可以采用具有体系结构如支链、星形、克内德尔(knedel)或枝状体(dendomer)的非直链的主链较少(backbone-less)聚合物。在某些实施方案中,根据形成所述阻挡层110的聚合物,必要的是所述膜110采用的聚合物必须在所述层内的带电化学部分的聚集体内包括带电和不带电的化学部分。优选地,所用方法、溶剂、干燥条件、熔化条件和挤出压力可影响所述层的性质。如果不正确地实施,则所述阻挡层110将具有非常差的高偶极矩材料传递特性。
各种离子交换构造也适合作为阻挡层110。这些包括无机-有机(杂化的)离子交换膜、两性离子交换、镶嵌离子交换膜(mosaic ion exchangemembrane)(同时包含阳离子和阴离子电荷基团)、双极性膜(阳离子交换层和阴离子交换层的组合物)。所述无机-有机复合层已经显示出在机械、热、电和磁性能方面大的变化性,这对于某些实施方案能是合意的。这些无机-有机杂化膜可通过若干路线制造,包括溶胶-凝胶、插层、共混、原位聚合、分子自组装。
例如,磺化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SSBS)三嵌段共聚物使用偶联剂(羰二咪唑或另一适当试剂)通过磺酸基与双(4-氨基苯基)砜的缩合以形成氨磺酰键而交联,这通过氢键实现了硅烷醇和磺酸的相互作用,如下所示。在其它实例中,交联可以利用二乙烯基苯进行。
带有电荷的化学部分典型地为两个类型:阳离子和阴离子。共价键接至聚合物链的阳离子带电部分的实例是-SO3(-)、-PO3(2-)、-PO3H(-)-COO(-)、和-C6H4O(-)。共价键接至聚合物链的阴离子带电部分的实例是-NH3(+)、-NRH2(+)、-NR2H(+)、-NR3(+)-PR3(+)、-SR2(+)。将这些带电部分共价键接至聚合物和形成复合膜的方法的实例包括磺化和氯-甲基化。
所述阻挡层110典型具有薄截面;优选地大约50纳米、大约100纳米、大约500纳米、大约1微米、大约2微米、大约5微米、大约8微米、大约10微米、大约15微米、大约20微米、大约30微米、大约40微米、大约50微米、大约60微米、大约70微米、大约80微米、大约90微米、大约100微米、大约120微米,或这些值之间的任何值或更低。薄截面阻挡层110具有较高的渗透性。但是,典型地所述截面越薄,所述膜110(或阻挡层110)的机械稳定性越低,因此当简单的阻挡层110显示出高偶极矩传递特性时,其性能将受到限制。在某些实施方案中,将更多材料和/或化学物质加入至所述阻挡层110以产生完全的长效膜110。该附加的材料和化学物质典型地采取一个或多个支撑体层112和交联化学物质的形式。在某些实施方案中,该阻挡层110被制造得更厚,导致更好的机械稳定性。
向该阻挡层110提供机械稳定性的另一方式是用一种或多种添加剂对该阻挡层化学改性。在某些实施方案中,所述添加剂共价交联阻挡层110内的各个聚合物分子,形成纳米结构的复合膜。在特定实施方案中,所述阻挡层110可被称作纳米结构复合物。如果所述添加剂包含无机要素(inorganic element),则所述阻挡层110可被称作纳米结构的无机/有机复合物。对于包括多孔支撑体的实施方案,最优选的是所述化学交联包括多孔支撑体112以形成具有优越机械性能的连续膜。
一种或多种交联添加剂可通过选择性使所述阻挡层对中等偶极矩材料是或多或少可渗透的而对改变传递性质。通常,液体或气体物质的偶极矩越低,所述膜110对该特定材料的渗透性越低。所述交联可与附加的聚合物化学物质结合以改变所述阻挡层的选择性。存在可加以应用的交联和化学物质的多种不同结合。
支撑体112
在一个特别优选的实施方案中,至少一个膜110包括任选连接到至少一个疏水和/或亲水支撑体112的离聚的有机-无机杂化聚合物的层,所述支撑体对所述膜提供物理和/或化学增强。在某些实施方案中,不存在所述支撑体112。在某些实施方案中,至少一个支撑体112物理和/或化学连接到至少一个膜110。在某些实施方案中,所述支撑体112可以是疏水和/或亲水的,或这些的任何组合,取决于应用的具体要求和所需的目标。
在某些实施方案中,优选加入一个或多个支撑体层形式的一个或多个支撑体112,该支撑体优选是多孔的。这些多孔支撑体112可是各种物质的,包括例如烃烯烃、碳氟化合物烯烃、SiO2(或其它化学类似的无定形物质)纤维、烃烯烃纤维和金属氧化物陶瓷。所述多孔支撑体112结构可以包括但不限于织造的、非织造的、纤维性的、或通过除去液体或组分从固体到气体形式的转变产生的纤维性空隙。如果存在多于一个支撑体112,则典型地这些支撑体将随着离所述阻挡层110越远而具有提高的孔径和不同的孔隙度。这些多孔支撑体112可以是疏水或亲水的,取决于层中所用的材料。所述支撑体112可以机械连接至所述阻挡层110和在多个支撑体层的情况下彼此机械连接。其它连接技术如熔体连接和化学交联也是可用的。支撑体层形式的所述支撑体112可以设置于所述阻挡层110的两侧,完全包封所述电解质材料。包封的电解质体系结构在气体-至-气体应用中特别有用。
在某些实施方案中,所述多孔支撑体112允许一种或多种气体跨过该支撑体传递。支撑体112的孔隙度可以为大约5%、大约10%、大约20%、大约30%、大约40%、大约50%、大约60%、大约70%、大约80%、大约90%、大约91%、大约92%、大约93%、大约94%、大约95%、大约96%、大约97%、大约98%、大约99%,或更高或这些值之间的任何值。在一个实施方案中,所述支撑体112包括二氧化硅,在另一实施方案中,该支撑体112包括聚乙烯二氧化硅。这些类型的多孔材料可从多个公司获得,如W.L.Gore(例如微过滤介质膜)、DaramicCorporation(聚丙烯和聚乙烯分隔物)和Sepro Membranes(微过滤膜PVDF-MFB)。
纳米结构的复合膜厚度可根据是否采用支撑体112以及采用的支撑体和/或膜110的数目变化。通常,所述纳米结构复合膜的厚度为大约1微米、大约5微米、大约10微米、大约20微米、大约30微米、大约40微米、大约50微米、大约60微米、大约70微米、大约80微米、大约90微米、大约100微米、大约120微米、大约130微米、大约140微米、大约150微米、大约160微米、大约170微米、大约180微米、大约190微米、大约200微米、大约210微米、大约220微米、大约230微米、大约240微米、大约250微米、大约260微米、大约270微米、大约280微米、大约290微米、大约300微米、大约350微米、大约400微米、大约500微米、大约600微米、大约700微米、大约800微米、大约900微米、大约1000微米,或这些值之间的任何值或更高。
所有交联方案通常应用于形成所述阻挡层的磺化聚合物。另外,某些交联方案如三甲氧基硅烷还将与支撑体连接,将所述膜转变为单一的共价连接分子。与所述支撑体的连接还强化了所述膜。
在一个特别的实施方案中,所述膜110的组成如下:
11%硅烷(交联剂)
0.25%TV123
0.25%Doverphos 613
0.25%BNX 1010
0.25%Benefos 1680
0.1%Amical 48
所述纳米结构膜的余量为磺化苯乙烯-乙烯聚合物。
本文提供的交联方案通常应用至形成所述阻挡层110的磺化聚合物。但是,某些交联方案如三甲氧基硅烷还将与所述支撑体112连接以形成单一的共价连接分子,其包括所述膜110和所述支撑体112二者。使所述阻挡层110与所述支撑体112连接可强化所述膜110。
这种特别的膜由来自Daramic的基底制造并在使用之前紫外线固化和热固化。
相变材料
在本文公开的选择性物质传递体系中可以采用任何气体和/或液体。例如,对某些实施方案,相变材料可包括下列水、乙醇、甲醇、氨等的液体和/或气体形式。这些相变材料中的某些可在加热和/或冷却过程中释放可能对动物包括人有害的液体和/或气体。因此,这些相变材料中的某些将用于加热和/或冷却非栖息地空域(例如用于冷却包含电子设备的空域)。
有或者没有一个或多个支撑体112的所述膜110既可用于直接接触体系也可用于真空辅助体系。有或者没有一个或多个支撑体112的所述膜110在下文中称作膜110/支撑体112组合件。
直接接触
在直接接触体系中,第一材料流102和第二材料流104被设置为与物质交换器100的相对表面100a和100b直接接触。所述第一材料和第二材料可包括高偶极矩液体或气体。所述第一材料可以与所述第二材料相同或不同。
在特定方面中,所述第一材料和第二材料之一具有比另一个更高的温度。例如,所述第一材料和第二材料之一可以使用本领域公知的任何加热方法加热至比另一材料更高的温度。所述较高温度材料可以设置为与所述膜110(或阻挡层110)的第一表面110a直接接触。作为非限制性实例,可以使用图6和7中描绘的物质交换器100排列。如果使用图6中描绘的排列,则所述第一材料流102被加热至比第二材料流104更高的温度。如果使用图7中描绘的排列,则所述第二材料流104被加热至比第一材料流102更高的温度。
所述较高温度材料具有比较低温度材料更高的压力,吸收到所述阻挡层110(膜110)中去,渗透过所述阻挡层,通过一个或多个支撑体112(如果存在支撑体112的话),并离开所述物质交换器100的第二表面100b进入另一较低温度材料。该过程将热能从所述较高温度材料传递到较低温度材料(即,高温材料冷却而较低温度材料升温)。
不受理论限制,如果所述较高温度材料为液体,则相信较高温度的液体在阻挡层界面经历相变成为蒸气进入微孔支撑体112。所述支撑体112内的蒸气经其扩散并与所述较低温度材料接触。较高温度液体和较低温度材料之间蒸气压的差异构成跨越所述膜的浓度差。一旦与所述较低温度材料接触,所述蒸气可能冷凝。
当所述第一材料和所述第二材料都是高偶极矩液体时,直接接触体系可能是有用的。例如,当所述第一材料和所述第二材料都是基于水时,直接接触体系可能是有用的。该方法当较高温度材料是微成水、海水等时尤其有用。
直接接触脱盐
微成水、海水等包含溶解的固体,该溶解的固体包括正负离子。这些离子的主要部分可包括钠和氯离子。如上所述,所述膜110可以经构造以允许分子水通行但可防止或阻滞离子(例如盐)及其他杂质通行。不受理论限制,相信所述离子与水一起被吸收进入阻挡层110,但没有在所述阻挡层和支撑体112之间的界面处转变为蒸气。结果是溶解的所有固体(包括离子如盐)被留置(即,没有跨过所述支撑体112输送)且仅有水扩散穿过所述支撑体112并离开所述物质交换器100的第二表面100b。
使用膜110/支撑体112组合件来使某材料(如液体、气体等)通过而同时阻滞材料中所包含的离子通行的预料不到的结果是所述膜110还基本上防止了在所述膜110和支撑体112之间的界面处形成沉淀的溶解离子屏障。不受理论限制,据信所述膜110限制了被允许进入所述膜110的溶解离子的量,由此基本上防止了离子在所述膜110和支撑体112之间的界面处集中。以此方式,避免了沉淀的离子屏障形成。
第一实施方案
为了便于说明,所述第一材料流102是微成水、海水等之一的流,而所述第二材料流104是蒸馏水、去离子水等之一的流。在特定方面中,所述第一材料流102被加热至超过所述第二材料流104的温度,该第二材料流可以是未加热的(例如,所述第二材料流102可以处于环境温度)。
经构造以对第一材料脱盐的直接接触逆流物质交换器150的第一实施方案描绘在图12中。作为非限制性实例,所述第一材料和/或第二材料在其流过所述物质交换器150时的温度可以为大约95℃-大约10℃。在多种实施方案中,所述第一材料和/或第二材料在其流过所述物质交换器150时的温度为大约60℃-大约30℃。对本领域技术人员显而易见的是,进入、离开所述物质交换器150和在所述物质交换器150内的流速可以是用来构造该物质交换器150的设计的函数。由于在多个实施方案中,所述方法的热效率和电效率是与规模无关的,在多个(如果不是全部的话)实施方案中,进入、离开所述物质交换器150和在所述物质交换器150内的流速可以从几升每小时许多立方米每小时变化。
所述物质交换器150包括膜110/支撑体112组合件。所述第一材料流102(例如加热的海水)设置为与所述膜110的第一表面110a直接接触。所述膜110/支撑体112组合件包括根据本发明教导构造的纳米复合物半透膜。所述膜110/支撑体112组合件可包括单一的微孔支撑体112。在该实施方案中,所述膜110与自身和支撑体112共价交联。
所述物质交换器150包括与所述支撑体112的第一表面112a毗邻设置的第一开槽Plexiglas板152和与所述膜110的第一表面110a毗邻设置的第二开槽Plexiglas板154。使用一个或多个垫圈156、封条(seal)、O型密封环等来相对于所述膜110/支撑体112组合件密封所述板152的周边部分158,从而允许所述第二材料流过在所述板152中形成的槽”G”并与所述支撑体112的第一表面112a接触。使用一个或多个垫圈156、封条(seal)、O型密封环等来相对于所述膜110/支撑体112组合件密封所述板154的周边部分159,从而允许所述第一材料流过在所述板154中形成的槽”G”并与所述膜112的第一表面110a接触。在图12描绘的实施方案中,使用双O形环来相对于所述膜110/支撑体112组合件密封所述板152的周边部分158和所述板154的周边部分159两者。作为非限制性实例,所述膜110的第一表面110a可具有大约0.035m2的面积。所述垫圈156可帮助所述第一材料和第二材料分别在所述表面110a和112a上均匀地分布。
可使用加热器(未显示)、附加换热器(未显示)、其组合等来使所述第一材料和/或第二材料保持预定温度。
各板152和154可以加工为具有任何数目的槽”G”(例如24个槽)(其起到分布和收集压力通风的作用),并配备有软管接头(未显示)。各槽可以为大约0.184英寸宽,大约0.150英寸深,并具有大约0.028平方英寸的横截面积。
较高温度第一材料被输送至所述板154而较低温度第二材料被输送至逆流排列的所述板152。作为非限制性实例,所述第一材料可以大约0.117米/秒的速度并在大约75℃的温度下流入所述板154,且该第一材料可以大约3.0升/分钟的速度并在大约67℃的温度下流出该板154。作为非限制性实例,所述第二材料可以大约0.076米/秒的速度并在大约38.4℃的温度下流入所述板152,且该第一材料可以大约2.0升/分钟的速度并在大约43.1℃的温度下流出该板152。在这种实施方案中,蒸气通过所述膜110/支撑体112组合件与跨越该膜110/支撑体112组合件的压差成比例地传递。如果在较高温度第一材料和较低温度第二材料之间存在32℃平均温差且所述较高温度第一材料具有大约3重量%(其也可以表达为份/百万份(“ppm”))的盐度水平,则可以达到大约9.2千克H2O/m2/小时的通量率。如果所述较高温度第一材料具有大约11重量%的盐度水平,则在相同的热条件下可以达到大约6.2千克H2O/m2/小时的通量率(flux rate)。
使用下列方法,对通过所述物质交换器150处理的第二材料样品测定所述物质交换器150区分水分子和盐或其它污染物分子的能力。起初称重干燥样品盘以得到基重。将通过所述物质交换器150处理过的一定量第二材料加入至所述样品盘并称重该样品盘和处理过的第二材料。然后将所述样品盘放置在热板上以使所述处理过的第二材料蒸发。在该处理过的第二材料蒸发以后,再次称重所述样品盘。如果所述盘中的第二材料包含溶解的固体,则它们在蒸发过程中留置下来。使用该方法,确定所述样品盘在第二材料样品加入前后得到相同的称重。在测量过程中用来称重所述样品盘的天平精确到0.0001克或10ppm。由于样品盘的重量没有改变,所述第二材料不含含量等于或大于10ppm的溶解的固体(例如盐)如其它低分子量有机材料、无机材料等。
所述膜110/支撑体112组合件的扫描电子显微术图像揭示,在所述疏水微孔膜支撑体112内没有盐沉积。所述膜110上所选点的SEM/EDAX分析显示了在所述纳米结构阻挡层内低含量Na和Cl的存在。所述膜110(例如磺化的离聚物、电解质)可至少有限程度地吸收离子。该吸收将所述膜110(例如阳离子交换聚合物)转化为构成所吸收离子大部分的任何离子形式。所述离子形式可以与所吸收的离子类型相称。在该实施方案中,所述阻挡层110电解质由于与海水接触而为钠离子形式。支撑体112上所选点的SEM/EDAX分析显示了在所述支撑体112内钠和Cl很低的残留存在。事实上,这些材料的存在含量处于用来构造所述支撑体112的微孔材料的背景含量范围内。
第二实施方案
直接接触脱盐可以使用图10中描绘的板式样物质交换器130进行。作为非限制性实例,所述第一材料和/或第二材料在其流过所述物质交换器130时的温度可以为大约95℃-大约10℃。在多种实施方案中,所述第一材料和/或第二材料在其流过所述物质交换器130时的温度为大约60℃-大约30℃。对本领域技术人员显而易见的是,进入、离开所述物质交换器130和在所述物质交换器130内的流速可以是用来构造该物质交换器130的设计的函数。由于在多个实施方案中,所述方法的热效率和电效率是与规模无关的,在多个(如果不是全部的话)实施方案中,进入、离开所述物质交换器130和在所述物质交换器130内的流速可以从几升每小时至许多立方米每小时变化。
所述板132和134可以通过加工ABS塑料片材以形成称为流场的压力通风和膜液体分配(disbursement)区域来构造。所述ABS流场使用构建在该流场中的压缩表面相对所述膜110/支撑体112组合件密封。存在两个板类型一个对应于所述膜110/支撑体112组合件的盐水溶液侧(第一材料)且一个对应于‘蒸馏的’溶液(第二材料)侧,其可以称为盐水板和馏出物板(或清水板)。所述物质交换器130的设计在所述板132和134之间密封所述膜110/支撑体112组合件。所述板132和134可以栓接在一起。所述板132和134之间的隔离物将所述板的内表面定位为预定的彼此接近(proximity)。所述物质交换器130可以拆卸以便清洁、以更换所述膜110/支撑体112组合件等。
当温热海水和较冷馏出流被引导以逆流排列跨过所述膜110/支撑体112组合件表面时,跨越该膜110/支撑体112组合件存在水分交换。水流从连通各层之间的水的压力通风系统进料而不会使海水和蒸馏水混合。在蒸馏水流中形成冷凝物,引起其流速和温度升高。
作为非限制性实例,大约十个板和九个膜110/支撑体112组合件可以通过将多个物质交换器130堆叠在一起组合为单一的堆叠物质交换器(未显示),以致在一个替代性款式中,所述第一材料板132的一个例子定位于与所述第二材料板134的一个例子并置(膜110/支撑体112组合件的一个例子位于它们之间),该第二材料板与所述第一材料板132另一例子并置定位(膜的另一例子位于它们之间)等等。如果使用这种堆叠的物质交换器,则其可以任何所需速率从盐水制造蒸馏水。在特定实施方案中,所述速率可以为大约1.728升/小时。
通过所述膜110/支撑体112组合件的通量是所述物质交换器130内膜110的面积与每单位面积的平均水分通量的乘积。每单位面积的水分通量是所述膜110/支撑体112组合件的第一表面110a与第一表面112a之间的蒸气压差异(密度差)的函数。蒸气压差异可以通过在所述膜110/支撑体112组合件的相对侧上的第一材料与第二材料之间的温度差确定。
第三实施方案
现在将根据图6描述直接接触脱盐方法。为了便于说明,所述第一材料流102是微成水、海水等之一的流,而所述第二材料流104是蒸馏水、去离子水等之一的流。所述第一材料流102被加热至超过所述第二材料流104的温度,该第二材料流可以是未加热的(例如,所述第二材料流102可以处于环境温度)。
所述第一材料流102(例如加热的海水)设置为与所述膜110的第一表面110a(即所述膜110的第一表面110a)直接接触。图6中描绘的物质交换器100包括单一的支撑体112;但是,对本领域技术人员显而易见的是,可以使用膜110和支撑体112的其它构造,包括额外的一个或多个附加支撑体,并且属于本发明教导的范围之内。所述第二材料流104(例如,未加热的蒸馏水)设置为与所述物质交换器100的第二表面100b(即,所述支撑体112的第一表面112a)接触。气体(例如水蒸气)形式的一部分第一材料跨过所述膜110和支撑体112传递以与较冷的第二材料(例如蒸馏水)结合。
所述膜110可以布置在外壳(未显示)内。所述膜110可以以任何适合实现第一材料与所述物质交换器100的第一表面100a之间接触以及第二材料和所述物质交换器100的第二表面100b之间接触的方式布置在所述外壳内部。如图10中描绘的,在所述外壳内棱柱形地布置所述膜使得大面积的所述第一表面100a与所述较高温度第一材料(例如海水)接触以及所述第二表面100b与所述较低温度第二材料(例如蒸馏水)接触。
参照图13,现在将描述经构造以实施直接接触脱盐的示例性系统200。作为非限制性实例,所述第一材料和/或第二材料在其流过所述系统200时的温度可以为大约95℃-大约10℃。在多种实施方案中,所述第一材料和/或第二材料在其流过所述系统200时的温度可以为大约60℃-大约30℃。对本领域技术人员显而易见的是,进入、离开所述系统200和在所述系统200内的流速可以是用来构造该系统200的设计的函数。由于在多个实施方案中,所述方法的热效率和电效率是与规模无关的,在多个(如果不是全部的话)实施方案中,进入、离开所述系统200和在所述系统200内的流速可以从几升每小时至许多立方米每小时变化。
所述系统200包括物质交换器100,其用来处理第一材料流102和第二材料流104。所述第一材料流102和第二材料流104都被引导通过一系列导管,所述导管用来描述不同于所述膜的选择性传递路径的结构的,包括将所述系统200的不同部件连接在一起的通道、管、管道等。进一步地,视需要地,可以引入泵和阀以保持和调节通过所述系统200的导管及其他部件的流动。
通过贮器202提供用来产生所述第一材料流102的第一材料。为了说明目的,假定所述第一材料是在贮器202内部的温度为大约15℃的海水。所述第一材料自所述贮器202流动经过导管204,到达第一换热器210。
至少一部分经加热的第一材料流102没有通过所述支撑体112通行从而与所述第二材料流104结合。该部分可包括比所述贮器202中的第一材料更大浓度的溶解的固体(如离子)。没有通过所述支撑体112通行从而与所述第二材料流104结合的该部分流经导管212进入所述第一换热器210。流经导管212的该部分的温度可以超过导管204中所述第一材料的温度。因此,所述第一换热器210可使用所述导管212中的所述部分第一材料的过量热能以加热所述导管204中的第一材料流102。在所述导管212中的所述部分第一材料通过所述第一换热器210通行并进入导管214,该导管214将所述第一材料送回所述贮器202。
作为非限制性实例,所述导管212中的第一材料温度可以为大约23℃。使用所述导管212中的所述第一材料的热能,所述第一换热器210可以将所述导管204中的第一材料流102加热至大约22℃。
所述第一换热器210可包括本领域公知的任何适当换热器,包括但不限于管壳式换热器、管管间换热器、平板式换热器、圆柱式换热器、板翅式换热器等。
替代性地,可以省略所述第一换热器210和导管214,且所述导管212可以将离开所述物质交换器100的所述第一材料送回至所述贮器202,在此处被送回的第一材料简单地将其热能传递至主体第一材料,由此提高所述贮器202内的所述第一材料的温度。但是,如果所述贮器202足够大,则该温度升高可能是可忽略不计的。
在导管204中的所述部分的第一材料通过该第一换热器210通行并进入导管216。任选地,所述系统200包括第二换热器220。如上解释的,当经加热的第一材料流102流经所述物质交换器100时,热能被传递至所述第二材料流104。在有些情况中,在所述第二材料流104经过导管224离开所述物质交换器100后,该导管224中的所述第二材料流104的温度将高于所述导管216中的所述第一材料(或者如果省略所述第一换热器210的话,则是在所述贮器202中的所述第一材料)的温度。因此,所述第二换热器220可使用所述导管224中的所述第二材料流104的热能以加热所述导管216中的第一材料或经由所述导管204离开所述贮器202的第一材料。作为非限制性实例,所述导管216中的第一材料温度可以为大约22℃。使用所述导管224中的所述第二材料的热能,所述第二换热器220可以将所述导管216中的第一材料流102加热至大约48℃。
在所述导管224中的所述部分第二材料通过所述第二换热器220通行并进入导管228,该导管228将所述第二材料引导至阀230。该阀230引导第一部分的第二材料进入导管234和第二部分进入导管236。将导管234中的该第一部分引导出所述系统200。作为非限制性实例,该第一部分可以被引导进入贮器(未显示)、市政用水系统、办公楼、家庭等。
任选地,在所述导管236中的第二部分第二材料被引导至第三换热器240。在所述导管236中的第二材料可具有高于所述贮器202中的主体第一材料温度的温度。因此,所述导管236中的第二材料可以将其部分热能传递至所述贮器202中的主体第一材料,由此在所述导管236中的第二材料经过导管242进入所述物质交换器100之前冷却所述导管236中的所述第二材料。作为非限制性实例,所述导管236中的第二材料的温度可以为大约27℃。通过将所述导管236中第二材料的部分热能传递至所述贮器202中的第一材料,所述第一换热器240可以在所述导管236中的第二材料流104经过导管242进入所述物质交换器100之前冷却在所述导管236中的该第二材料流104。
作为非限制性实例,所述导管224中的第二材料的温度可以为大约53℃。使用所述导管224中的所述第二材料的热能,所述第二换热器220可以将所述导管216中的第一材料流102加热至大约48℃并将所述导管224中的第二材料流104冷却至大约27℃。
所述第二换热器220可包括本领域公知的任何适当换热器,包括但不限于管壳式换热器、管管间换热器、平板式换热器、圆柱式换热器、板翅式换热器等。
在所述导管216中的所述部分第一材料通过所述第二换热器220通行并进入导管248,该导管248将所述第二材料引导至与热源260连接的第四换热器250。作为非限制性实例,所述第四换热器250可以在所述导管248中的第一材料流102通过从该第四换热器250引出的导管262进入所述换热器100之前将该第一材料流102加热至大约59℃。所述第四换热器250可包括本领域公知的任何适当换热器,包括但不限于管壳式换热器、管管间换热器、平板式换热器、圆柱式换热器、板翅式换热器等。
所述热源260可以将经加热材料(例如液体、气体等等)供应至所述第四换热器250。所述热源260可以通过导管274和276分别连接至所述第四换热器250的入口270和出口272。所述经加热材料自热源260流动经过所述导管274进入所述第四换热器250的入口270,通过该第四换热器250通行,经过所述出口272离开所述第四换热器250,进入导管276,并回到所述热源260。作为非限制性实例,所述导管248中的第一材料温度可以为大约48℃。使用经过所述导管274进入所述第四换热器250的经加热材料的热能,所述第四换热器250可以在所述导管248中的第一材料流102经过导管262进入所述物质交换器100之前加热该第一材料流102至大约59℃。所述热源260可包括本领域公知的任何适当热源,包括经加热的水,例如用来从发电过程除去余热的水、从焚烧炉或其它工业过程出来的热气体等。所述热源260可包括高级热量的新来源、低级废热源(该废热否则将流失至环境)、其组合等。
对本领域技术人员显而易见的是,可以将附加的换热器加入至所述系统200以控制所述导管内的第一材料和第二材料的温度。此外,可以视需要加入附加的换热器以跨越所述物质交换器100的膜110在所述第一材料和第二材料之间保持基本上恒定的温差。正如以上的讨论,所述第一材料和第二材料之间足够的温差将引起所述第一材料渗透穿过所述阻挡层110和支撑体112以与所述第二材料结合。
真空辅助
参照图14,在真空辅助系统中,所述膜110/支撑体112组合件被并入物质交换器100的部件中,称为蒸发器280。类似于如上所述的直接接触系统,在真空辅助系统中,较高温度材料流经腔室282并与所述膜110的第一表面110a接触;但是,较低温度材料没有设置为与所述支撑体112的第一表面112a接触。相反,在所述支撑体112的第一表面112a附近产生部分真空290。所述较高温度材料的压力比所述部分真空290更高,该部分真空290是与所述支撑体112的第一表面112a毗邻的较低压力区域。
所述部分真空290在所述第一表面112a附近提供比通过上述直接接触系统的较低温度材料提供的蒸气压更低的蒸气压。在直接接触法中,所述较高温度液体和较低温度材料之间的蒸气压差异构成跨越所述膜110和支撑体112的浓度差。相对于如上所述的直接接触法,在所述真空辅助方法中使用的所述膜110的第一表面110a和所述支撑体112的第一表面112a之间的浓度差大得多。该更大的浓度差可引起所述第一材料(例如高偶极矩液体或气体)的某些组分跨过所述膜110和支撑体112显著更高的传输速率。换句话说,由于所述部分真空较低的蒸气压提供对于从所述支撑体112离开的较高温度材料较低的阻力,通量率可以更高,并可实现跨越所述膜110和支撑体112更高的传递速率。
所述部分真空290在限定于所述支撑体112的第一表面112a和腔室292的侧壁295之间的该腔室292内形成。通过所述膜110和支撑体112通行的蒸气在与所述支撑体112的第一表面112a隔开的冷凝表面294上冷凝。在图14描绘的实施方案中,所述冷凝表面294是所述腔室292的侧壁295的内表面。所述腔室292的侧壁295还可以用作腔室297的侧壁,较低温度材料经过该腔室297流动。所述腔室297中的较低温度材料与所述侧壁295的外表面296直接接触。所述腔室297内的较低温度材料的流动使所述侧壁295及其内部的冷凝表面294冷却,引起跨过所述膜110和支撑体112输送的较高温度蒸气在所述冷凝表面294上冷凝成液体298。
代替使用较低温度材料的流动来冷却所述冷凝表面294,可以使用替代性冷却方法如辐射冷却、热电冷却等。作为另一实例,所述较高温度蒸气可以输送至在所述蒸发器280外的冷凝腔室,所述蒸气在此处冷凝。作为又一实例,所述侧壁295可以省略,且部分真空290在所述第一表面112a和较低温度材料的表面之间形成。在这种实施方案中,跨过所述膜110和支撑体112输送的所述较高温度蒸气在所述较低温度材料的表面上冷凝。
真空辅助的脱盐
真空辅助脱盐方法和系统的示例性实施方案如下提供。为了便于说明,在这些实施方案中,所述第一材料是微咸水、海水等之一,而所述第二材料是脱盐水、蒸馏水、去离子水等之一。所述第一材料是较高温度材料并可以被加热至高于其初始温度的温度,该初始温度可以是环境温度。当所述第一材料是海水时,经加热的海水可以来源于上述环境温度海水的来源,例如来自发电厂的水蒸气冷凝器。所述海水的环境温度可以为大约28℃。发电厂的水蒸气冷凝器加热海水并排放大约45℃的经加热海水。所述第一材料可以通过泵170(参见例如图15),例如盐水泵而泵送入脱盐系统。
各示例性实施方案包括至少一个蒸发器。所述蒸发器包括膜110和/或支撑体112并可以根据如上所述的蒸发器280(参见图14)构造。所述蒸发器可包括单一的支撑体112;但是,对本领域技术人员显而易见的是,可以使用膜110和支撑体112的其它构造,包括多于一个支撑体,并且属于本发明教导的范围之内。
在所述蒸发器内,所述第一材料流102(例如加热的海水)设置为与所述膜110的第一表面110a直接接触。气体或蒸气(例如水蒸气)形式的一部分第一材料跨过所述膜110/支撑体112组合件传递以产生第二材料(例如脱盐水)。任选地,所述气体或蒸气可在所述冷凝表面294上冷凝成液体298(例如蒸馏水)。
所述蒸发器的各部件可以以适合于实现所述第一材料与所述膜110的第一表面110a之间接触以及所述支撑体112的第一表面112a与所述侧壁295之间形成部分真空290的任何方式布置在外壳内部。作为非限制性实例,所述蒸发器可包括外壳且所述膜110/支撑体112组合件可以棱柱形地(参见图10)布置在该外壳内。
作为非限制性实例,所述第一材料和/或第二材料在其流经示例性实施方案时的温度可以为大约95℃-大约10℃。在多个实施方案中,所述第一材料和/或第二材料的温度可以为大约60℃-大约30℃。对本领域技术人员显而易见的是,进入、离开所述示例性实施方案和在所述示例性实施方案内的流速可以是用来构造该实施方案的设计的函数。由于在多个实施方案中,所述方法的热效率和电效率是与规模无关的,在多个(如果不是全部的话)实施方案中,进入、离开所述实施方案和在所述实施方案内的流速可以从几升每小时至许多立方米每小时变化。
第一实施方案
现在将根据图15描述真空辅助脱盐系统300和相关方法。该系统300包括物质交换器100,该物质交换器100包括蒸发器310。导管302将较高温度第一材料输送至所述物质交换器100的蒸发器310。作为非限制性实例,所述导管302中的第一材料温度可以为大约45℃。作为另外的非限制性实例,所述导管302中的第一材料流速可以为大约5m3/小时。所述较高温度第一材料经过导管308离开所述蒸发器310。作为非限制性实例,所述导管308中的第一材料温度可以为大约20℃。如对本领域技术人员显而易见的,通过所述蒸发器310通行的所述较高温度第一材料的温度通过在所述蒸发器310内部发生的蒸发过程降低。
可使用导管闭环来往返于所述物质交换器100输送较低温度材料。例如,导管304将较低温度第一材料输送至所述物质交换器100且导管306输送该较低温度第一材料离开所述物质交换器100。所述较低温度材料可以在基本上类似于贮器202(参见图13)的贮器(未显示)内,该贮器将第一材料供应至导管304并从导管306接收排放的第一材料。作为非限制性实例,在所述导管304中的第一材料的温度可以为大约28℃且在所述导管306中的第一材料的温度可以为大约31℃。作为另外的非限制性实例,在所述导管304中的第一材料的流速可以为大约15m3/小时且在所述导管306中的第一材料的流速可以为大约19.63m3/小时。
尽管在图15描绘的实施方案中,所述第一材料(例如海水)被用作较低温度材料,但本领域技术人员理解,通过对本文提供的教导应用常规技术,所述系统300可以被改变为使用第二材料或不同于所述第一材料和第二材料二者的第三材料作为较低温度材料。
除了所述蒸发器310之外,所述物质交换器100还包括蒸气压缩机320、真空泵330和冷凝器340。所述蒸气压缩机320连接在所述蒸发器310和冷凝器340之间并可操作为将从来自所述蒸发器310的第一材料提取的第二材料传递至所述冷凝器340。
所述蒸气压缩机320和真空泵330一起在所述蒸发器310内产生并保持部分真空290(参见图14)。所述压缩机320捕集或聚集通过所述膜110和支撑体112通行的蒸气或气体(例如低温水蒸气),并将所述气体的饱和温度改变或均化至进入所述部分真空290的蒸气的平均温度。换句话说,所述压缩机320混合提取自所述第一材料(例如经加热的盐水或海水)的第二材料(例如水蒸气)。该混合为所述第二材料产生平均温度。当所述第一材料经过所述蒸发器310通行时,该第一材料冷却。因此,与从较靠近所述导管308的一部分第一材料提取的第二材料相比较,从位于较靠近所述导管302的一部分第一材料提取的第二材料的量更高。所述平均温度为所述较高温度第一材料贡献出的第二材料质量比所述较冷第一材料更高的结果,其中假定对于各个水温度,具有共同的部分真空水平和基本上相等的膜面积。
作为非限制性实例,所述蒸发器310内的所述平均温度可以为大约32.5℃。以此方式,所述蒸气压缩机320改变所捕集蒸气的饱和温度,使得该蒸气靠着所述冷凝器340内部的冷凝表面294(参见图14)冷凝。
在图15描绘的实施方式中,冷凝器340容纳在与所述蒸发器310分开的外壳内,但是这并不要求。或者,所述冷凝器340可以并入所述蒸发器310内部。例如,所述冷凝器340可以位于所述蒸发器310的某腔室(未显示)内。
所述冷凝器340接收来自所述导管304的较低温度第一材料(例如海水)。在描绘的该实施方案中,所述导管304可以连接至阀342,该阀342调节所述较低温度第一材料流动进入与所述冷凝器340连接的导管346。任选地,该冷凝器340可以接收通过所述导管308离开所述蒸发器310的较低温度第一材料(例如海水)。所述导管308可以连接至所述阀342,这可使来源于所述蒸发器310的第一材料与来源于所述导管304的第一材料混合。作为非限制性实例,当所述导管308中的离开所述蒸发器310的第一材料温度为大约20℃,且所述导管302中的来源于所述贮器202的第一材料温度为大约28℃时;所述导管346中的混合物可具有大约26℃的温度。
可使用所述较低温度第一材料来吸收来自所述冷凝器340的热能,从而使冷凝表面294(参见图14)保持在足够冷以冷凝所述蒸气的适当温度。所述冷凝器340的冷凝表面294的温度等于或低于所述蒸气的饱和温度。在所述冷凝器340内部冷凝的所述第二材料经过导管344离开所述冷凝器340。作为非限制性实例,所述导管344中的第二材料的流速可以为大约0.184m3/小时。任选地,所述导管344可以连接至泵345,该泵345可调节所述导管344中的流速。所述泵345还可操作以在调节所述冷凝器340内部的压力方面辅助所述真空泵330。
所述冷凝器340内的压力可以低于所述蒸发器310内的压力,使得所述压缩机320能够几乎不做实际功并耗费较低的电能。换句话说,所述蒸发器310和所述冷凝器340之间的压差可引起所述蒸发器310中的蒸气流入所述冷凝器340而无需来自所述压缩机320的大(即使有的话)协助。因此,所述压缩机320可简单地均化蒸气温度并引导蒸气进入所述冷凝器340。
所述真空泵330可以通过导管350连接至所述蒸发器310,该泵通过所述导管350向所述蒸发器310提供至少一部分的部分真空290。该真空泵330还可以通过导管352连接至所述冷凝器340。所述真空泵330可操作以保持所述冷凝器340内部的合意压力,这可包括比所述蒸发器310内部的压力更低的压力。如对本领域技术人员显而易见的,所述系统300内的所述导管350、导管352和其它导管可包括经构造以调节经过其的流动的阀。尽管在附图所描绘的系统300的实施方案中,使用单一的真空泵330来向所述蒸发器310和冷凝器340二者提供真空压力,但本领域技术人员理解,通过对本文提供的教导应用常规技术,可以使用多于一个泵。所述真空泵330可包括放气至环境中的放气口。
由于所述系统300可在低于环境(例如28℃)温度下排放来自所述蒸发器310的第一材料(例如显示为20℃),所以可以捕集超过100%的所述较高温度第一材料的能量(例如可以捕集145%)。如果适当地进行构造,则所述系统300可捕集高达大约145%或更多的通过发电厂冷凝器加入至海水的热能,这可以视作电和热均有效的。
第二实施方案
现在将根据图16描述真空辅助脱盐系统400和相关方法。所述系统400包括物质交换器100,该物质交换器100包括串联布置的蒸发器410和420。导管402将较高温度第一材料输送至所述物质交换器100的第一蒸发器410。作为非限制性实例,所述导管402中的第一材料温度可以为大约45℃。作为另外的非限制性实例,所述导管402中的第一材料流速可以为大约5m3/小时。
所述较高温度第一材料离开所述第一蒸发器410并通过导管404进入所述第二蒸发器420。作为非限制性实例,所述导管404中的第一材料温度可以为大约32℃。如对本领域技术人员显而易见的,经过所述蒸发器410通行的所述较高温度第一材料的温度通过在所述第一蒸发器410内部发生的蒸发过程降低。
所述较高温度第一材料经过导管406离开所述第二蒸发器420。作为非限制性实例,所述导管406中的第一材料温度可以为大约30℃。如对本领域技术人员显而易见的,经过所述第二蒸发器420通行的所述较高温度第一材料的温度通过在所述蒸发器420内部发生的蒸发过程降低。
所述蒸发器410使用本文公开的任何适当蒸发器构造,包括但不限于所述蒸发器280和蒸发器310。在所描绘的实施方案中,所述蒸发器410包括通过侧面与冷凝器414和膜110/支撑体112组合件连接的真空压力通风系统412。所述真空压力通风系统412包括部分真空290,这通过经由导管413与所述蒸发器410连接的真空泵411产生和保持。所述真空泵411可包括放气至环境中的放气口。
经过所述膜110/支撑体112组合件通行的蒸气横跨所述真空压力通风系统412并进入所述冷凝器414,所述蒸气在此处冷凝成第二材料。该第二材料通过导管416离开所述冷凝器414,该导管416可任选地连接至泵418。
所述蒸发器420使用本文公开的任何适当蒸发器构造,包括但不限于所述蒸发器280、蒸发器310和蒸发器410。在所描绘的实施方案中,所述蒸发器420基本上类似于所述蒸发器310。真空泵411经由导管422连接至所述蒸发器420。所述真空泵411可操作以保持所述蒸发器420以及蒸发器410内部的部分真空290。或者,可使用分别的真空泵来保持所述蒸发器420和蒸发器410内部的部分真空290。
所述蒸发器420连接至基本上类似于所述压缩机320(参见图15)的压缩机440,该压缩机440引导第二材料经过所述蒸发器420的膜110/支撑体112组合件(以蒸气相)通行到达外冷凝器450。在所述冷凝器450内部,所述第二材料冷凝成液体,该液体经过导管452离开所述冷凝器450。所述导管452可以连接至阀419和所述泵418。导管421可以连接至所述阀419。所述阀419可以调节第一量的第二材料离开所述冷凝器450流入所述泵418和第二量的第二材料离开所述冷凝器450流入所述导管421。所述导管421将所述第二材料传递到所述体系400的物质交换器100以外。所述泵418可以泵送所述第一量的第二材料经过导管456。
所述真空泵411通过导管460连接至所述冷凝器450。所述真空泵411可用来保持所述冷凝器450内部的预定压力。例如,所述泵411可用来将所述冷凝器450内部的压力保持为低于所述蒸发器420内部的压力。
所述导管456连接至换热器470。所述导管456中的第二材料通过所述泵418泵送进入所述换热器470。所述导管406中的较高温度第一材料流入所述换热器470,在此处来自所述导管456中的第二材料的热能被传递至所述导管406中的第一材料。
所述第二材料经过导管474离开所述换热器470。泵476可以连接至所述导管474并用来泵送来自所述换热器470的第二材料。作为另外的非限制性实例,所述导管474中的第一材料的流速可以为大约0.183m3/小时。
所述第一材料经过导管472离开所述换热器470。作为非限制性实例,所述导管472中的较高温度第一材料可具有大约31℃的温度。在所述导管472中的第一材料比导管402中的第一材料更冷,可以用作所述蒸发器410的冷凝器414中的较低温度材料。另外,所述导管472中的第一材料可以用作所述冷凝器450中的较低温度材料。所述导管472引导所述第一材料进入所述冷凝器414。在经过所述冷凝器414通行以后,所述第一材料经过导管480离开所述冷凝器414,该导管480引导所述第一材料进入所述冷凝器450。所述第一材料经过导管482离开所述冷凝器450,该导管482将所述第一材料引导到所述物质交换器100之外。在所述第一材料穿过所述冷凝器414和450时,其温度可能升高。作为非限制性实例,所述导管482中的第一材料可具有大约45℃的温度。作为另外的非限制性实例,所述导管482中的第一材料的流速可以为大约4.88m3/小时。
如对本领域技术人员显而易见的,所述第一材料以基本上相同的温度和仅仅略微降低的流速进入和离开所述物质交换器100;因此,可以串联连接多于一个此类物质交换器并用来处理所述第一材料。所述体系300可消耗适度量的电能并可以是热有效的。经处理的第一材料失去所产生的第二材料的质量并由于包括蒸发的传递机理冷却下来。所述蒸发使用了经处理的第一材料的热能以将所述第二材料从液体转变为气体。热能作为蒸发所述气体的热量消耗。作为非限制性实例,所述系统300可消耗大约6.3千瓦-小时/m3的所产生的第二材料。
第三实施方案
参照图17,现在将描述真空辅助系统500。如同系统400,第一材料以基本上相同的温度进入和离开所述系统500的物质交换器100。但是,所述系统400的物质交换器100包括串联排列的两个蒸发器410和420而所述系统500的物质交换器100包括并联排列的两个蒸发器510和560。
导管502将较高温度第一材料输送至所述物质交换器100。作为非限制性实例,所述导管502中的第一材料的温度可以为大约45℃。作为另外的非限制性实例,所述导管502中的第一材料的流速可以为大约5.65m3/小时。
所述蒸发器510可以是使用本文公开的任何适当蒸发器构造的,包括而不限于所述蒸发器280、蒸发器310、蒸发器410和蒸发器420。描绘的所述蒸发器510基本上类似于所述蒸发器410。在所描绘的实施方案中,所述蒸发器510包括通过侧面与冷凝器514和膜110/支撑体112组合件连接的真空压力通风系统512。所述真空压力通风系统512包括部分真空290,这通过经由导管513与所述蒸发器510连接的压缩机或真空泵511产生和保持。
经过所述膜110/支撑体112组合件通行的蒸气横跨所述真空压力通风系统512并进入所述冷凝器514,所述蒸气在此处冷凝成第二材料。该第二材料通过导管516离开所述冷凝器514,该导管516可任选地连接至泵518,并将所述第二材料传递到所述物质交换器100之外。作为非限制性实例,所述导管516中的第二材料的流速可以为大约0.124m3/小时。
较高温度第一材料经由导管520离开所述蒸发器510,该导管520将所述较高温度第一材料引导进入换热器530。作为非限制性实例,所述导管520中的较高温度第一材料可具有大约31.5℃的温度。所述换热器530可以使用本领域公知的任何适当换热器530构造。作为非限制性实例,所述换热器530可消耗62千瓦-小时/m3。所述换热器530使所述导管520中的第一材料温度降低。所述换热器530可包括风扇532或其它冷却机构,其将所述第一材料中的部分热能驱散至周围环境中。所述第一材料经过导管534离开所述换热器530。作为非限制性实例,所述导管534中的第一材料可具有大约30℃的温度。所述导管534引导所述第一材料进入所述蒸发器510的冷凝器514。
在所述导管534中的第一材料比导管502中的第一材料更冷,可以用作所述蒸发器510的冷凝器514中的较低温度材料。所述导管534引导所述第一材料进入所述冷凝器514。在经过所述冷凝器514通行以后,所述第一材料经过导管540离开所述冷凝器514,该导管540引导所述第一材料进入冷凝器550。
所述冷凝器550连接至蒸发器560,该蒸发器560经过连接至导管502的导管562接收所述较高温度第一材料。所述蒸发器560内部的部分真空290通过经由导管564与所述蒸发器560连接的泵511产生和保持。通过所述蒸发器560从所述第一材料提取的第二材料利用所述泵511经过导管565被引导进入所述冷凝器550。作为非限制性实例,所述导管565中的第一材料可具有大约46℃的温度。作为另外的非限制性实例,所述导管565中的第二材料的流速可以为大约0.018m3/小时。
该冷凝的第二材料经由导管570离开所述冷凝器550,该导管570可任选地连接至泵572,并将所述第二材料传递到所述物质交换器100之外。作为非限制性实例,所述导管572中的第二材料的流速可以为大约0.018m3/小时。
所述第一材料经过导管576离开所述蒸发器560,该导管576将所述第一材料引导到所述物质交换器100之外。作为非限制性实例,所述导管576中的第一材料可具有大约30℃的温度。作为另外的非限制性实例,所述导管576中的第一材料的流速可以为大约0.63m3/小时。
所述第一材料经过导管552离开所述冷凝器550,该导管552将所述第一材料引导到所述物质交换器100之外。在所述第一材料穿过所述冷凝器514和550时,其温度可能升高。作为非限制性实例,所述导管552中的第一材料可具有大约45℃的温度。作为另外的非限制性实例,所述导管552中的第二材料的流速可以为大约4.88m3/小时。
如对本领域技术人员显而易见的,所述第一材料以基本上相同的温度进入和离开所述物质交换器100;因此,可以串联连接多于一个此类物质交换器并用来处理所述第一材料。
如有关图15中描绘的系统300时所述的,通过所述系统500处理的较高温度第一材料的来源可包括上述环境温度海水的任何来源,例如发电厂的水蒸气冷凝器。所述体系500可消耗适度量的电能并可以是热有效的。另外,所述系统500可排出热能进入环境中以最小化电消耗。
第四实施方案
参照图18,现在将描述真空辅助系统600和相关的方法。如同系统400,第一材料以基本上相同的温度进入和离开所述系统600的物质交换器100。导管602将较高温度第一材料输送至所述物质交换器100。作为非限制性实例,所述导管602中的第一材料的温度可以为大约45℃。作为另外的非限制性实例,所述导管602中的第一材料的流速可以为大约5m3/小时。
所述系统600的物质交换器100包括外壳612,其既容纳分开的蒸发器610也容纳分开的冷凝器620。所述分开的蒸发器610与分开的冷凝器620通过压缩机区域640隔开,该压缩机区域640在一侧与真空压力通风系统642侧面相接而另一侧与真空压力通风系统644侧面相接。术语“分开的”表示所述蒸发器610和冷凝器620各自具有不同的操作温度和不同的操作压力。一个或多个物理障碍形成分开所述蒸发器610和冷凝器620的腔室。但是,所述较高温度第一材料的不间断流流经所述蒸发器610。类似地,较低温度材料(在该情况下,经冷却的第一材料)的不间断流流经所述冷凝器620。
所述压缩机区域640、真空压力通风系统642和真空压力通风系统644通过隔板616被分成隔开的蒸发片段或腔室614。各蒸发腔室614在所述蒸发器610和冷凝器620之间延伸并包括压缩机区域640、真空压力通风系统642和真空压力通风系统644的一部分。
在蒸发腔室614内,所述压缩机区域640包括压缩机成员618,其用作将从所述蒸发腔室614中的真空压力通风系统642部分提取的第二材料输送到所述蒸发腔室614中的真空压力通风系统644部分的单向阀。所述压缩机成员618还在超过所述蒸发腔室614中的真空压力通风系统642部分内的提取的第二材料压力的压力下压缩所述蒸发腔室614中的真空压力通风系统644部分内的提取的第二材料。所述提取的第二材料的压力可以略微提高以改变其饱和温度。所述蒸发腔室614彼此不交换物质且基本上是等温的。所述隔板616可以由充分绝热的材料构造以使得所述蒸发腔室614足够等温。
各蒸发腔室614内的所述压缩机成员618可以是增压压缩机并可包括本领域公知的任何类型鼓风机元件,包括轮、叶片、翼面等。在图18所描绘的实施方案中,各蒸发腔室614内的所述压缩机成员618连接至压缩机630的共用传动轴619。所述压缩机630可不同地调节各片段中的蒸气(第二材料)压力。所述增压压缩机的各片段内的压缩比可以是小的。
经过所述膜110/支撑体112组合件通行的蒸气横跨所述真空压力通风系统642、横跨所述通道640、横跨所述真空压力通风系统644,并进入所述冷凝器620,所述蒸气在此处冷凝成第二材料。所述第二材料经过导管650离开所述冷凝器620。真空压力通风系统642内部的部分真空290和所述真空压力通风系统644内部的部分真空290由通过导管648连接至所述蒸发器610的真空泵646产生并保持。所述真空泵646可以基本上类似于所述真空泵411(参见图16)。
较高温度第一材料经由导管654离开所述蒸发器610,该导管654将所述较高温度第一材料引导进入换热器660。作为非限制性实例,所述导管654中的较高温度第一材料可具有大约30℃的温度。所述换热器660可以使用本领域公知的任何适当换热器构造。所述换热器660使所述导管654中的第一材料温度升高。所述导管650将所述第二材料引导进入所述换热器660,在此处所述第二材料的部分热能被传递至所述第一材料,使所述第一材料的温度升高。所述第一材料经过导管664离开所述换热器660。所述导管664引导所述第一材料进入所述冷凝器620。作为非限制性实例,所述导管664中的第一材料可具有大约31℃的温度。该第二材料通过导管665离开所述换热器660,该导管665连接至泵667并将所述第二材料引导到所述物质交换器100之外。作为非限制性实例,离开所述泵667的第二材料的流速可以为大约0.138m3/小时。
在所述导管664中的第一材料比导管602中的第一材料更冷,可以用作所述冷凝器620中的较低温度材料。所述导管664引导所述第一材料进入所述冷凝器620。当所述第一材料经过所述冷凝器620通行时,所述冷凝器620的各片段将所述第一材料温热至比在前片段更高的温度直至排放,所述第一材料具有与导管602中的进来的较高温度第一材料基本上相同的温度。在经过所述冷凝器620通行以后,所述第一材料经过导管668离开所述冷凝器620,该导管668将所述第一材料引导至所述物质交换器100之外。作为非限制性实例,所述导管668中的第一材料可具有大约45℃的温度。作为另外的非限制性实例,所述导管668中的第一材料的流速可以为大约4.88m3/小时。
如对本领域技术人员显而易见的,所述第一材料以基本上相同的温度进入和离开所述物质交换器100;因此,可以串联连接多于一个此类物质交换器并用来处理所述第一材料。所述体系600可消耗适度量的电能并可以是热有效的。作为非限制性实例,所述系统600可消耗6.3千瓦-小时/m3。
第五实施方案
参照图19,现在将描述真空辅助脱盐系统700和相关的方法。所述系统700包括物质交换器100,该物质交换器100包括蒸发器710。导管702将较高温度第一材料输送至所述物质交换器100的蒸发器710。作为非限制性实例,所述导管702中的第一材料的温度可以为大约45℃。作为另外的非限制性实例,所述导管702中的第一材料的流速可以为大约5m3/小时。所述较高温度第一材料经过导管708离开所述蒸发器710,该导管708将所述第一材料引导到所述物质交换器100之外。作为非限制性实例,所述导管708中的第一材料的温度可以为大约20℃。如对本领域技术人员显而易见的,经过所述蒸发器710通行的所述较高温度第一材料的温度通过所述蒸发器710内部发生的蒸发过程得到降低。
所述蒸发器710可包括本文论述的任何蒸发器构造。作为非限制性实例,所述蒸发器710可以基本上类似于所述蒸发器310(参见图15)。
如在所述系统300中的,可使用导管闭环来往返于所述物质交换器100输送该较低温度材料。例如,导管704将较低温度第一材料输送至所述物质交换器100而导管706输送该较低温度材料离开所述物质交换器100。所述较低温度材料可以在基本上类似于贮器202(参见图13)的贮器(未显示)内,该贮器将所述较低温度材料供应至导管704并任选从导管706接收该排放的低温材料。作为非限制性实例,在所述导管704中的较低温度材料的温度可以为大约28℃且在所述导管706中的较低温度材料的温度可以为大约55℃。作为另外的非限制性实例,在所述导管704中的较低温度材料的流速可以为大约4.5m3/小时且在所述导管706中的较低温度材料的流速可以为大约5m3/小时。所述较低温度材料可以通过连接至所述导管704的泵707泵送入导管704。
在所述系统700中,第三材料用作所述较低温度材料。该第三材料可以不同于所述较高温度第一材料和从所述第一材料提取的第二材料之一或二者;但是,对此并无要求。
除了所述蒸发器710之外,所述物质交换器100还包括蒸气压缩机720、真空泵730和冷凝器740。所述蒸气压缩机720可以基本上类似于所述蒸气压缩机320(参见图15),该蒸气压缩机720连接在所述蒸发器710和冷凝器740之间。所述蒸气压缩机720可操作以将从来自所述蒸发器710的第一材料提取的第二材料传递至所述冷凝器740。
所述蒸气压缩机720和真空泵730一起在所述蒸发器710内产生并保持部分真空290(参见图14)。所述压缩机720捕集或聚集通过所述膜110和支撑体112通行的蒸气或气体(例如低温水蒸气),并改变所捕集蒸气的饱和温度以使所述蒸气将靠在所述冷凝器740内部的冷凝表面294(参见图14)冷凝。
在图19描绘的实施方案中,冷凝器740容纳在与所述蒸发器710分开的外壳内,但是,对此并无要求。所述冷凝器740可以并入所述蒸发器700内部。例如,所述冷凝器740可位于所述蒸发器700的某腔室(未显示)内。所述冷凝器740可以基本上类似于所述冷凝器340。
该冷凝器740接收来自所述导管704的较低温度第三材料。在描绘的该实施方案中,所述导管704连接至泵707,该泵707调节所述较低温度第三材料流动进入与所述冷凝器740连接的导管704。可使用所述较低温度第三材料来吸收来自所述冷凝器740的热能,从而使冷凝表面294保持在足够冷以冷凝所述蒸气的适当温度。所述冷凝器740的冷凝表面的温度等于或低于所述蒸气的饱和温度。
如上所述,所述较低温度第三材料经过导管706离开所述冷凝器740。在所述导管706中的第三材料的温度可以通过改变由压缩机720提供的压缩量、调节经过所述冷凝器740的所述第三材料的流速、及其组合等来调节。通过所述蒸发器710从所述第一材料提取的第二材料可经过导管752离开所述冷凝器740。所述导管752可以连接至泵754并将所述第二材料引导到所述物质交换器100之外。作为非限制性实例,所述导管752中的第二材料流的流速可以为大约0.184m3/小时。
所述冷凝器740内部的压力可以低于所述蒸发器710内部,使得所述压缩机720几乎不做实际功并消耗越少的电能。换句话说,所述蒸发器710和冷凝器740之间的压差将引起蒸气流入所述冷凝器740而无需来自所述压缩机720的大(如果有的话)协助。因此,所述压缩机720可简单地均化蒸气温度并引导所述蒸气进入所述冷凝器740。
所述真空泵730可以通过导管760连接至所述蒸发器710,该泵通过所述导管760向所述蒸发器710提供至少一部分的部分真空290。所述真空泵730还可以通过导管762连接至所述冷凝器740。所述真空泵730可操作以保持所述冷凝器740内部的合意压力,这可包括比所述蒸发器710内部的压力更低的压力。可使用任何适当的真空泵来构造所述真空泵730,包括基本上类似于所述泵330(参见图15)的泵。如对本领域技术人员显而易见的,所述导管760、导管762和所述系统700内部的其它导管可包括经构造以调节经过其的流动的阀。尽管在附图所描绘的系统700的实施方案中,使用单一的真空泵730来向所述蒸发器710和冷凝器740二者提供真空压力,但本领域技术人员理解,通过对本文提供的教导应用常规技术,可以使用多于一个泵。
第六实施方案
根据板式物质交换器130(参见图10)可以构造堆叠的板式膜蒸发器(未显示)。该堆叠的板式膜蒸发器可包括被加工以相对于所述板式物质交换器130夹持如上讨论以堆叠排列的两个膜110/支撑体112组合件(例如纳米复合物半透膜)的三个丙烯酸类板。该堆跺可以被压缩以相对与其相邻的板边缘密封所述膜110/支撑体112组合件的边缘。
两个较外丙烯酸类板被加工为具有压力通风系统和用于液体分配到所述膜110的第一表面110a上的流场。在堆叠组装的过程中,所述膜110的第一表面110a靠着所述液体分配流场设置。
第三中间丙烯酸类板被加工为真空压力通风系统。所述堆跺如下堆叠:外液体板、具有朝向所述外液体板的第一表面110a的第一膜110/支撑体112组合件、内真空压力通风系统、具有远离所述真空压力通风系统的第一表面110a的第二膜110/支撑体112组合件和外液体板。该堆叠组合件可以用C形夹具挤压以相对于所述膜110/支撑体112组合件形成真空和水密封。水和真空接头分别连接至所述外液体板和内真空压力通风系统。可使用玻璃冷凝器来从所述堆叠组合件的真空压力通风系统捕集蒸气。可使用真空泵(例如Air Squared泵)来设置所述冷凝器和堆叠组合件内部的压力。
图20提供了通量率对温度的图解。所述图解显示了以升液态水/单位面积膜110表达的多少质量通过所述物质交换器从加热的水流除去。所述图解表达了水温和在所述膜110/支撑体112组合件相对侧上的第一表面112a上的恒定部分真空290之间的关系,所述水温与所述膜110/支撑体112组合件的第一表面110a上的水蒸气压力成比例。所述图解上线条的基本上线性性质显示所述膜110/支撑体112组合件对经过其的水分流动具有基本上恒定的阻力。另外,在该方法所关心的温度范围中可探测到从几乎没有到没有限制的通量。
由于至少部分真空290与所述支撑体112的第一表面112a接触,所以从几乎没有到不可感觉的热量从所述较高温度材料(水)传递通过所述膜110/支撑体112组合件。因此,跨越所述膜110/支撑体112组合件的能量交换包括在水蒸气中隐藏的热能。图20显示的不同温度下的通量率可比在直接接触脱盐系统中所观察到的显著更大。使用32k ppm盐水作为较高温度材料没有观察到所述膜110/支撑体112组合件的污染。
真空辅助的气体调节器
现在将相对于图21描述真空辅助气体(例如空气)调节系统800和相关方法。在该情况下的较高温度第一材料包括较高温度气体802的物流,所述气体例如在住宅或商业建筑物810中的空气。所述较高温度气体802由风扇或其它气体引导装置引导进入干燥器820。所述干燥器820可以以类似于所述蒸发器310(参见图15)的方式构造。所述干燥器820包括膜110/支撑体112组合件。所述较高温度气体802设置为与所述干燥器820内部的膜110的第一表面110a接触。所述第二材料穿过所述干燥器820的膜110/支撑体112组合件并经过连接至压缩机830的导管822作为蒸气(例如水蒸气)从其离开。
所述压缩机830连接在所述干燥器820和冷凝器840之间,并可操作以将来自所述干燥器820的从第一材料提取的第二材料经过所述导管822传递到所述冷凝器840。可使用风扇844来冷却所述冷凝器840内部的冷凝表面294(参见图14)。所述风扇844还可以将所述第二材料的部分热能传递进入环境,使所述第二材料冷却。在图21所描绘的实施方案中,所述冷凝器840位于所述建筑物810外部。
冷凝的第二材料(例如液态水)经过导管846离开所述冷凝器840。所述导管846可以连接至任选的泵847,该泵847可用来确定来自所述冷凝器840的第二材料的流速和/或所述冷凝器840内部的压力。
所述导管846中的第二材料流经阀848进入连接至蒸发器860的换热器850。干燥的气体802经过导管842离开所述干燥器820,所述导管842引导气体进入所述换热器860。所述换热器860可包括本领域公知的任何换热器,包括液体-到-空气换热器。所述换热器860将来自干燥气体802的至少一部分热能传递到第二材料(水),由此冷却该干燥气体802。经冷却和干燥的气体802然后被引导到所述换热器860之外。例如,如果所述系统800作为空调器运行,则所述气体802是经冷却的干燥空气,其可以释放进入建筑物810。
穿过所述换热器860的所述第二材料通过导管862引导进入所述蒸发器860。所述蒸发器860连接至压缩机830,该压缩机830捕集或收集经过所述膜110/支撑体112组合件通行的蒸气或气体(例如低温水蒸气),并可改变所捕集蒸气的饱和温度以使所述蒸气将靠着所述冷凝器840内部的冷凝表面294冷凝。所述压缩机830还保持跨越所述蒸发器860内部的膜110/支撑体112组合件的压力浓度梯度。所述压缩机830可以使用任何适当的压缩机构造,包括基本上类似于所述压缩机330(参见图15)的压缩机。
当冷凝的第二材料(例如液态水)穿过所述蒸发器860时,所述蒸发器内部的蒸发过程使冷凝的第二材料温度降低。经冷却的冷凝的第二材料经过导管864离开所述蒸发器860并通过所述阀848输送进入换热器850。以此方式,冷凝的第二材料可经过所述换热器850和蒸发器860反复循环。可使用任选的泵868将来自所述导管846和864的冷凝的第二材料经过所述阀848泵送进入所述换热器850。
由于进入所述换热器850的所述气体802通过所述干燥器820干燥,所述换热器850将几乎没有到没有内部冷凝。由于蒸发的第二材料和冷凝的第二材料被包围在所述导管内,该系统800与常规气体(例如空气)调节系统相比可需要较少维护。例如,该系统800可以不需要抗真菌化学制品、抗微生物化学制品等。另外,该系统800与常规气体(例如空气)调节系统相比可较不容易变得阻塞。
尽管该系统800描述为具有单一的换热器850,但本领域技术人员理解可以加入附加换热器,且此类实施方案属于本发明教导的范围之内。所述导管846中的液态水可以使用一个或多个导管输送至各换热器850,且无需安置气体(例如空气)管道(ducting)。如果适当地进行构造,所述系统800可以将能量用量(usage)降低至低于常规气体(例如空气)调节系统的用量。作为非限制性实例,所述系统800可将能量用量降低大约60%至大约80%。另外,所述系统800不需要使用致冷剂。
构造阴离子膜的方法
现在将描述构造阴离子膜(也称为“阴离子交换膜”)的示例性方法。具有不同重量%苯乙烯接触的三种共聚物用作原材料:(1)从DowChemical获得的统计的苯乙烯-乙烯共聚物;(2)从Shell获得的嵌段苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物;和(3)从Kaneka Corporation获得的嵌段苯乙烯-异丁烯-苯乙烯共聚物。
将所述统计的苯乙烯-乙烯共聚物(1.25g,76wt%苯乙烯含量,DowChemical)溶于氯仿(200毫升)。在搅拌下将三烷(9g,0.1摩尔)和氯三甲基硅烷(38毫升,0.3摩尔)加入至上述聚合物溶液。在反应混合物冷却至0℃后,加入氯化锡(IV)(3毫升,0.025摩尔)。将反应混合物在0℃搅拌30分钟并随后在室温下搅拌过夜。通过添加至含甲醇水将反应淬灭。所述聚合物在玻璃过滤器上相继用甲醇、THF/水洗涤,并随后在真空下干燥。表示为氯甲基化的苯乙烯-乙烯共聚物的最终样品通过FT-IR(KBr:VC-Cl=1265cm-1)和1HNMR(δ=4.49ppm,对应于-CH2Cl中的质子)表征。
典型地,首先将基于苯乙烯单元具有26.3Mol%-CH2Cl含量的0.5克氯甲基化的苯乙烯-乙烯共聚物溶于50毫升THF。然后,用所述氯甲基化的聚合物溶液浸渍膜支撑材料(微孔支撑体)。在40℃将经浸渍的膜浸没至1摩尔/升三甲胺甲醇溶液中24小时以提供季铵盐类型。由此,得到阴离子交换膜。
使用上述方法产生的阴离子膜吸收并传递水。
具有多个料筒(cartridges)的蒸发器
包括一个或多个料筒880的蒸发器870的实施方案提供于图22和23中。各料筒880可具有通常空心管形状,其具有与开口端部分882相对的封闭端部分881。膜110/支撑体112组合件被并入各料筒880中,所述膜110的第一表面110a沿所述料筒的外表面设置。各料筒的内部部件可以基本上类似于图8和9中描绘的料筒的内部部件。对本领域技术人员显而易见的是,所述膜110/支撑体112组合件的支撑体112部分可以布置在所述料筒880内部。所述料筒880的内部结构提供了对所述膜110/支撑体112组合件对抗较高温度材料和部分真空290之间的压差的结构性支撑。
在特定实施方案中,所述膜110/支撑体112组合件可包括多孔塑料如聚丙烯的固体块,其表面浸渍有聚合物阻挡层110。多孔塑料的所述固体块可以挤出为任何形状以及图8和9中显示的内部支撑体,用来提供结构性支撑。
外壳886可包括第一部分886A和第二部分886B,其连接在一起以限定出具有入口887和出口888的中空内部部分。所述料筒880可以排列在所述中空内部部分内。较高温度材料1(例如第一材料)经过形成于所述第一部分886A中的入口887被引入所述外壳886内部。经处理的较高温度材料2经过形成于所述第一部分886A中的出口888从所述外壳886内部离开。
各料筒880的开口端部分882可以容纳在形成于隔板887中的孔隙885内部,所述隔板887使所述外壳886的中空内部部分分为两部分。所述隔板887可以与所述外壳886的第一部分886A和第二部分886B侧面连接。可以在所述隔板887和所述第一部分886A之间提供垫圈876A,并可以在所述隔板887和所述第二部分886B之间提供垫圈876B。所述隔板887将所述外壳的中空内部部分划分为形成于外壳的第一部分886A中的第一腔室872(其将容纳较高温度材料)和形成于所述外壳的第二部分886B中的第二腔室874(其将容纳部分真空290)。所述垫圈876A和876B可分别将所述较高温度材料密封在所述第一腔室872内和将所述部分真空290密封在所述第二腔室874中。
所述外壳886的第二部分886B包括端口891,其提供进入所述部分真空290的入口,使得从所述较高温度材料提取的蒸气得以离开所述部分真空290和所述蒸发器870。任选地,可以在所述外壳886的第二部分886B中包含放排泄配件(drain fitting)892并用来排泄所述第二腔室874中存在的任何材料8。
参照图23,压缩机893可以连接至所述蒸发器870的端口891并用来收集从来自所述第二腔室874的第一材料提取的第二材料。来自所述压缩机893的第二材料5(例如蒸气)可以被引导至冷凝器895,例如壳管式真空冷凝器。在所述冷凝器895内部,所述第二材料5冷凝成液体7,其为经过端口898从该冷凝器895得到的输出物。在所述冷凝器895中的任何气体6不会冷凝成液体,其可以经过端口899输出。在所述第二腔室874内部收集的任何液体或其它材料8可经过端口889从其离开。
较低温度冷却材料3如环境海水可用来冷却所述冷凝器895。所述冷却材料3可经由端口896进入所述冷凝器895。在穿过冷凝器895后,所述冷却材料多少被加热。经加热的冷却材料4可经由端口897进入所述冷凝器895。
乙醇提取
第一实施方案
所述膜110/支撑体112组合件可经构造以对高介电气体和液体如低级醇(例如乙醇、甲醇等)是可渗透的。因此,所述膜110/支撑体112组合件可用来从其它气体和液体除去多种挥发性化合物。
通常,在发酵反应器中产生的乙醇需要从乙醇和水溶液(“乙醇/水溶液”)中分离或提取出来。现在将相对于图24描述乙醇提取系统900和相关的方法。为了便于举例说明,从图24中省略掉了各种压缩机和真空泵。但是,经过对本文提供的教导应用本领域常规技术,可以视需要将压缩机和/或真空泵加入至所述系统900。作为非限制性实例,所述系统900的各蒸发器和冷凝器对(即,蒸发器920和冷凝器930;蒸发器950和冷凝器970)可以根据图19的物质交换器100构造。各压缩机(未显示)可以经构造以最低限度地压缩,因此各冷凝器可能使用环境空气作为冷却剂、使用空气温度的水作为冷却剂等来冷凝来源于所述蒸发器的蒸气。用这些冷却剂中的任何一种,可以在金属敏感的换热器中进行冷凝。
在所述系统900中,较高温度第一材料为通过发酵反应器(未显示)产生并通过导管902引导至该系统900的乙醇/水溶液。作为非限制性实例,所述乙醇/水溶液可包含10重量%乙醇。所述导管902引导所述乙醇/水溶液进入第一蒸发器920。
所述乙醇/水溶液可以通过第一换热器910使用来自于本领域公知的任何来源(包括来自工业过程的废热)的热能加热。作为非限制性实例,所述乙醇/水溶液可以加热至大约30℃。使用通过所述第一换热器910加入的热量使所述乙醇/水溶液随着乙醇除去保持在基本上恒定的温度(例如30℃)。在该温度,乙醇优先将以相对于所述水的预定比率蒸发。作为非限制性实例,所述乙醇和水可分别以3对1的比率蒸发。
在图24所描绘的实施方案中,所述乙醇/水溶液在所述第一蒸发器920内部加热。所述第一蒸发器920可以根据本文公开的任何蒸发器,包括所述蒸发器870,进行构造。
所述第一蒸发器920的膜110/支撑体112组合件可以经构造以以预定比率(例如大约3∶1)使醇(例如乙醇)和水通行。例如,如果所述预定比率为3∶1,则对于跨越所述膜110/支撑体112组合件传递的每一份水,将传递三份醇。在这种实施方案中,所述第一蒸发器920将从所述乙醇/水溶液分离出超过大约90%的水,假定所述乙醇/水溶液包括10重量%乙醇。作为非限制性实例,所述第一蒸发器920可以经构造以以大约3∶1的预定比率使醇(例如乙醇)和水通行。
在所述第一蒸发器920内部,所述乙醇/水溶液中的所述乙醇和第一部分水经过所述膜110/支撑体112组合件通行并通过导管922引导至冷凝器930。第二部分水不会经过所述膜110/支撑体112组合件通行,其经过导管932离开所述蒸发器920,所述导管932将该第二部分水引导到所述系统900之外。
所述冷凝器930将所述乙醇/水蒸气冷凝为液体,该液体经过导管934离开所述冷凝器。作为非限制性实例,在所述导管934中的液态乙醇/水可包括70重量%乙醇和30重量%水。所述冷凝器930内部的冷凝表面294可以通过第二换热器940冷却。所述第二换热器940可将热能耗散为本领域公知的任何低级热能源,包括将热量排出至环境中。
所述液态乙醇/水通过所述导管934引导进入第二蒸发器950。所述第二蒸发器950可以基本上类似于所述第一蒸发器920;但是,膜110/支撑体112组合件可以经构造以对乙醇不可渗透。这可以使用本领域公知的任何方法实现,包括将乙烯-乙酸乙烯酯层施加至所述膜110的第一表面110a,如美国专利No.4,670,146中所述。该乙烯-乙酸乙烯酯层有效地阻滞醇(例如乙醇)的传递但允许水渗透。
所述液态乙醇/水可以通过第三换热器960加热,该第三换热器960接收来自于本领域公知的任何来源(包括来自工业过程的废热)的热能。作为非限制性实例,所述液态乙醇/水可以加热至大约40℃。加入的热量使液态乙醇/水中的至少一部分水蒸发并引起水蒸气流经所述膜110/支撑体112组合件。在图24所描绘的实施方案中,所述液态乙醇/水在所述第二蒸发器950内部加热。
在所述第二蒸发器950内部,所述液态乙醇/水中的第一部分水经过所述膜110/支撑体112组合件通行并通过导管962引导至冷凝器970。乙醇和第二部分水不会经过所述膜110/支撑体112组合件通行,反而经过导管972离开所述蒸发器950。作为非限制性实例,在所述导管972中的液态乙醇/水可包括至少90%乙醇。例如,在所述导管972中的液态乙醇/水可包括95重量%乙醇和5重量%水。
所述冷凝器970将水蒸气冷凝为液体,该液体经过导管974离开所述冷凝器,所述导管974将所述液态水引导到所述系统900之外。所述冷凝器970内部的冷凝表面294可以通过第四换热器980冷却。所述第四换热器980可将热能耗散至本领域公知的任何较冷源,包括将热量排出至环境中。
所述导管972中的乙醇和第二部分水通过所述导管972引导进入分子筛990,该分子筛990从该第二部分水中过滤至少一部分乙醇。经过滤的乙醇/水溶液经过导管992离开所述筛990。作为非限制性实例,在所述导管992中的液态乙醇/水可包括99.5重量%乙醇和0.5重量%水。
参照图25,提供了经构造以加热所述乙醇/水溶液的第一蒸发器920的示例性实施方案。如本文所描述蒸发器的多个其它实施方案所述,较高温度第一材料流经所述第一蒸发器920中的第一腔室923。所述第一腔室923可以分成交替的加热区域924和蒸发区域925。当所述乙醇/水溶液穿过所述第一腔室923时,所述加热区域924将第一材料加热至预定温度(例如30℃)而所述蒸发区域925冷却所述第一材料。通过所述加热区域924和蒸发区域925交替出现,在所述乙醇/水溶液经过蒸发区域925通行后,各加热区域924使所述乙醇/水溶液恢复至预定温度(例如30℃)。如上所述,压缩机926可用来引导从所述第一材料提取的蒸气进入所述冷凝器930。所述第二蒸发器950可以基本上类似于所述第一蒸发器920。在替代性实施方案中,可以在所述第一蒸发器920中提供足够多的交替加热区域924和蒸发区域925以从乙醇/水溶液提取为95%的乙醇溶液,并可以省略第二蒸发器950。
第二实施方案
现在将相对于图26描述乙醇提取系统1000和相关的方法。该系统1000包括在所述系统900中使用的多个部件。因此,将仅仅描述与系统900的部件不同的系统1000的部件。在图24、25和26中已经使用了同样的附图标记来识别所述系统900和1000的相同部件。如同系统900地,为了便于说明,已经省略了系统1000的各个压缩机和真空泵。但是,经过对本文提供的教导应用本领域常规技术,可以视需要将压缩机和/或真空泵加入至所述系统1000。
所述系统1000包括连接至导管902并可操作以向第一蒸发器920供应乙醇/水溶液的发酵反应器1010。作为非限制性实例,所述乙醇/水溶液可包括预定量的乙醇(例如,4.5重量%乙醇)。在所述系统1000中,省略了第一换热器910。相反,所述乙醇/水溶液在适当温度通过所述发酵反应器1010输送用于由第一蒸发器920处理。
在所述第一蒸发器920内部,所述乙醇/水溶液中的所述乙醇和第一部分所述水经过所述膜110/支撑体112组合件通行并通过所述导管922引导至冷凝器930。第二部分水不会经过所述膜110/支撑体112组合件通行,其经过导管932离开所述蒸发器920,所述导管932引导该第二部分水回到所述发酵反应器1010。以此方式,所述水可以被所述发酵反应器1010再利用。所述导管974中的液态水可以被输送到所述系统1000之外。替代性地,所述导管974中的液态水可以被输送回到所述发酵反应器1010。
用于电干燥器的真空辅助水分捕集
假定电费为大约$0.12/千瓦-小时且典型的家用电干衣机平均消耗大约4千瓦-小时至大约5千瓦-小时电能/负载,所述干燥器可能花费大约$0.40至大约$0.52/负载以运行。假定所述干燥器的估测有用运行寿命为大约12年至大约14年,则该典型干燥器的总寿命运行支出为大约$1,700。
在多种常规的干衣机设计中,空气被加热,经过所述干燥器通行一次,并随后排出。参照图27,提供了将所述蒸发器870并入的干燥器1100的实施方案。如同常规的干燥器,所述干燥器1100包括转鼓1110,该转鼓1110中放置衣物并在经加热空气中旋转。来自所述转鼓1110内的空气通过导管1114被输送进入蒸发器870。通过该蒸发器870提取空气中的水。
通过压缩机1120提供在该蒸发器870内部的部分真空290(参见图22),所述压缩机1120通过导管1122连接至所述蒸发器870的端口891。所述压缩机1120从第二腔室874除去水蒸气,压缩水蒸气以提高其温度,并经过导管1124引导较高温度水蒸气进入换热器1130。所述压缩机1120可包括本领域公知的和本文描述的任何适当压缩机。
离开所述蒸发器870的干燥器空气通过导管1132被输送进入所述换热器1130。所述换热器1130将经过所述导管1124离开所述压缩机1120的水蒸气的至少一部分热能传递给干燥器空气。水蒸气损失的热能可能引起其冷凝成液态水。水蒸气和/或液态水经过导管1134离开所述换热器1130。加热的干燥器空气通过导管1136被送回所述转鼓1110。
所述干燥器1100可以不需要电加热器、气体加热器等,因为从所述导管124中的受压水蒸气传递来的热能可提供充分的热量以干燥衣物。所述干燥器1100可能能够为家用用户节省超过四分之三的典型干燥器运行费用。
来自燃烧烟道气体的所选气体的吸收器
所述膜110/支撑体112组合件可以经构造以对高介电常数气体是可渗透的,但对氧、氮和氩气(其是空气的常见组分)是相对不可渗透的。当燃烧化石燃料时,产生的烟道气可包含碳的氧化物(CO2)、硫的氧化物(SO2)、氮的氧化物(NO2)等。硫通常存在于燃料如煤炭和柴油燃料中。
用来构造膜110/支撑体112组合件的材料可以调整以选择性地传递一种或多种所选气体。例如,如上讨论的阴离子膜可以经构造以选择性传递一种或多种所选气体。不受理论限制,相信所述阴离子膜实施被称为“易化运输(facilitated transport)”的方法,其多少与呼吸过程中人肺除去CO2的方式相当。肺利用与浓度驱动的扩散过程结合的可逆化学反应来输送和释放CO2。
一旦合成并流延,所述阴离子膜就经历干燥和后处理以促进交联。域中的叔胺基团与聚合物骨架共价连接。可以利用的一种阴离子是与所述叔胺静电连接的氯。所述阴离子作为当与水分结合时将CO2转变为化学碳酸氢盐的试剂,所述化学碳酸氢盐经过所述阴离子膜扩散并在变回CO2后从其中离开。该机制还可以阻滞其它气体的输送,使得所述膜对此类气体不可渗透。
若干其它类型膜可以设计成以此方式起作用;聚合物膜,扩散输送膜,固定位点的载体类型膜,醋酸纤维素或聚酰胺,离聚高压电改性的材料和碳分子筛膜,以及陶瓷膜。本发明膜和方法的独特性在于离子域的相分离能力被用来将叔胺基团浓缩并连接为膜内的邻接输送网络。该输送网络提高气体的分离系数和渗透性气体的通量水平。
所述蒸发器870包括使用阴离子膜构造的料筒880。此类蒸发器870可充当CO2、SO2、NOx等的吸收器。参照图28,提供了用于从烟道气吸收或捕集一种或多种所选气体的系统1200。烟道气通过导管1202引入所述蒸发器870。在所述蒸发器870内部,所选的一种或多种气体经过所述阴离子膜通行进入部分真空290。所选的一种或多种气体通过压缩机1210如回热鼓风机从所述部分真空除去,并通过所述压缩机浓缩用于进一步处理。所述烟道气的其余部分经过导管1216离开所述蒸发器870。
所选的一种或多种气体的捕集可能是能量有效的,因为可以用简单的回热鼓风机(regenerative blower)产生跨越所述阴离子膜的浓度差并保持。捕集的并压缩的气体可以进一步压缩并液化用于地质埋存(geological sequestration)、化学吸收形成镁或钙的氧化物、溶于深海中等。
在本说明书提及的和/或列于申请数据单(Application Data Sheet)中的上述所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物以引用的方式将其整体并入。
从上述内容将理解,尽管本发明的具体实施方案已经为了举例说明起见在本文中进行了描述,但可以在不背离本发明精神和范围的情况下进行各种修改。
Claims (3)
1.具有包含经加热空气的干燥腔室的干燥器,该干燥器包括:
经构造以从所述经加热空气提取水并输出自其提取了水的经加热空气的一部分的真空辅助蒸发器,该蒸发器具有包括包含离聚聚合物域的无孔选择性传递膜的膜组合件,该膜对高偶极材料是可渗透的;
经构造以接收来自所述蒸发器的提取水并压缩该提取水以提高其温度的压缩机;和
换热器,其经构造以接收通过所述蒸发器自其提取了水的部分的经加热空气和来自所述压缩机的压缩的提取水,通过从该压缩的提取水将热能传递至所述部分的经加热空气来加热所述部分的经加热空气,并将该部分的经加热空气返回到所述干燥器的干燥室。
2.权利要求1的干燥器,其中所述选择性传递膜具有第一表面和第二表面,并且所述选择性传递膜的离聚聚合物域形成适于供高偶极液体或气体从该膜的一个面移动到另一面的邻接导管。
3.权利要求2的干燥器,其中所述离聚聚合物具有基础树脂且该基础树脂在所述离聚聚合物离子聚合之前选自:聚乙烯、聚丙烯、聚环氧乙烷、聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚偏氯乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯;苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯、乙烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯丙烯酸酯共聚物、聚醚醚酮、聚苯并咪唑、Nafion®、及其任何组合。
4. 权利要求3的干燥器,其中所述聚酯是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二酯。
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