通過(guò)離子濃度極化的水脫鹽/純化以及生物制劑預(yù)富集的制作方法
【專利說(shuō)明】通過(guò)離子濃度極化的水脫鹽/純化以及生物制劑預(yù)富集
[0001 ]相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求享有2013年6月19日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)枮?1/836,756的申請(qǐng)的權(quán) 益。上述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容已通過(guò)引用并入到本發(fā)明中。
[0003] 政府支持
[0004] 本發(fā)明是根據(jù)美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)授予的第6923562號(hào)合同以及 SM-II授予的第6898047號(hào)合同在政府的支持下做出的。政府對(duì)于本發(fā)明享有一定的權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005] 淡水不再被視為大自然的一種"免費(fèi)"資源。眾所周知，現(xiàn)如今世界上的大部分淡 水資源是被污染的，因而不能夠使人類食用。目前，一瓶干凈的、凈化水在以比油更高的價(jià) 格在銷售。被污染的飲用水會(huì)引起多種形式的與水有關(guān)的疾病，例如貧血、地方性砷中毒、 霍亂、瘧疾和鉛中毒。一些先進(jìn)的國(guó)家和公司注意到這種水短缺問題將會(huì)變得更為嚴(yán)重，并 且需要通過(guò)加強(qiáng)與水有關(guān)的技術(shù)進(jìn)行處理從而監(jiān)測(cè)、清潔、轉(zhuǎn)移、存儲(chǔ)以及處理水資源。獨(dú) 特且重要的技術(shù)主題以及誰(shuí)能量關(guān)系的社會(huì)利益具有下述進(jìn)展：
[0006] (a)水淡化技術(shù)-更加可伸縮(適于飲用的）、廉價(jià)、并且高效的裝置用于從含鹽的/ 海水/采出水中去除鹽
[0007] (b)水凈化技術(shù)-更加可伸縮(適于飲用的）、廉價(jià)、并且高效的裝置用于去除有害 的生物制劑，包括毒素、蛋白質(zhì)、細(xì)菌、以及細(xì)胞，
[0008] (C)水檢測(cè)技術(shù)-更加可伸縮(適于飲用的）、廉價(jià)、并且高效的裝置用于預(yù)富集/檢 測(cè)有害生物制劑(特別是針對(duì)超低的濃度標(biāo)準(zhǔn)，例如大腸桿菌(Escherichia coI i))。
[0009] 在此之前應(yīng)用在濃度極化從而除去水中的鹽分的應(yīng)用是有困難的，其中電極通過(guò) 長(zhǎng)的微通道到ICP區(qū)域?qū)е略谶^(guò)程中產(chǎn)生不必要的能耗。此外，電極直接暴露于脫鹽流程 中，并且通過(guò)法拉第/化學(xué)反應(yīng)使它們影響系統(tǒng)性能和脫鹽水的品質(zhì)。例如，氯離子，其為地 下水中最為豐富的離子，可在陽(yáng)極被氧化和歧化，分別生成有毒的氯氣和鹽酸(HCl)/次氯 酸(HOCl)。針對(duì)在水質(zhì)方面的問題，額外的氫離子(H+)可是能量損耗惡化從而置換哪些離 子。氯氧化的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)僅為1.39V，因而甚至在2V以下操作的電容去離子化(CDI)中觀察到 在水溶液中通過(guò)其歧化做用產(chǎn)生的響應(yīng)的PH變化。需要對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明已經(jīng)研發(fā)了通過(guò)在兩個(gè)相同離子交換薄膜（IEMs)之間的非線性離子濃差 極化(ICP)現(xiàn)象從半咸水中整塊脫鹽/純化的方法（同時(shí)去除鹽離子以及帶電生物制劑）。該 配置的結(jié)果是只有正（或負(fù)）離子，但是二者不能同時(shí)參與傳導(dǎo)。通過(guò)可視化和追蹤的導(dǎo)電 性、染料濃度和粒子運(yùn)動(dòng)，我們已經(jīng)證明了生產(chǎn)新鮮飲用水通過(guò)消除鹽離子，染料和顆粒。 所述脫鹽性能是可預(yù)測(cè)的，不僅通過(guò)比例定律電對(duì)流(electroconvection)(EC)區(qū)域的高 度，也可以穩(wěn)定并保持在電極上的可能的化學(xué)反應(yīng)不受影響。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的ED系統(tǒng)之間的比 較，我們揭示和量化第一次ICP脫鹽的脫鹽量和電流效率的提高。我們還研發(fā)了一種直接的 策略，用于針對(duì)商業(yè)化按比例擴(kuò)大展示平臺(tái)，通過(guò)并行地堆疊單元平臺(tái)，就像在m)中。
[0011] 離子交換膜（IEMs)作為一種離子過(guò)濾器，僅允許陽(yáng)離子或陰離子通過(guò)。這種選擇 性離子傳遞在接近膜處產(chǎn)生一種稱為離子濃差極化（ICP)的獨(dú)特的現(xiàn)象，其特征在于在離 子濃度方面顯著、動(dòng)態(tài)的擾動(dòng)(也稱為離子耗盡和離子富集）[1，2]。在2010年，S. J.Kim等人 通過(guò)使用ICP展示了一種微流體脫鹽裝置。這種技術(shù)的兩個(gè)缺點(diǎn)包括臨近電極的化學(xué)反應(yīng) 和PH的變化以及在規(guī)?；系睦щy[3]。此時(shí)，在本發(fā)明中，我們展示了一種通過(guò)利用在兩 個(gè)相同的IEM之間的ICP的強(qiáng)大的脫鹽/純化平臺(tái)。
[0012] 在兩個(gè)并列相似的離子交換膜(AEM或CEM)之間，在電場(chǎng)下產(chǎn)生一種離子耗盡區(qū) (cU)以及一種離子富集區(qū)（cU)(附圖la)。由于陽(yáng)離子選擇性地通過(guò)CEM，例如，陰離子被置 換從而得到電中性，導(dǎo)致在離子耗盡（富集）區(qū)的濃度下降（增加）。所述濃度下降（即鹽去 除)在相對(duì)低的電壓或電流下是低的并且在空間上緩慢的（即歐姆體系）。但是，在高電壓或 高電流（即超限體系)下，強(qiáng)電子對(duì)流渦旋使陽(yáng)離子加速通過(guò)CEM，使我們能夠"置換"大多數(shù) 鹽離子(附圖lb)。平坦耗盡區(qū)得起因是顯著低的離子濃度，以及在所述區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)電 子場(chǎng)，并且任何帶點(diǎn)制劑(例如蛋白質(zhì)和細(xì)菌)都無(wú)法通過(guò)所述平坦區(qū)域。其結(jié)果是，我們可 以通過(guò)在CEM分的末端使通道分叉來(lái)從鹽水流中分離并手機(jī)所述脫鹽/純化流。這種ICP脫 鹽/純化也正通過(guò)重置陽(yáng)離子產(chǎn)生兩種離子交換膜(AEM)，但是脫鹽/鹽水流動(dòng)的位置被轉(zhuǎn) 換(附圖1)。
[0013] 在第一實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種在水流中凈化水和/或富集材料的方法。在一 般情況下，所述方法產(chǎn)生兩種流，其中一種具有減少的離子種類(純化水），并一種具有富集 的離子種類(富集流）。因此，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)，純化和富集，可以互換使用。
[0014] 本發(fā)明涉及一種用于純化和/或富集一種含有離子雜質(zhì)的第一水流的方法，包括：
[0015] a.引導(dǎo)在包括入口和出口的通道中的水流，并且定義，至少部分通過(guò)兩個(gè)并列的 離子交換膜，其中所述離子交換膜的特征在于相同的電荷；
[0016] b.使一種電子場(chǎng)應(yīng)用于所述水流通道；
[0017] 據(jù)此，形成包括一種純化水流的離子耗盡區(qū)（CU3)和包括一種富集離子水流的離子 富集區(qū)(CU)，離子移動(dòng)通過(guò)所述離子交換膜;并且
[0018] c.富集純化水流和/或富集離子水流。
[0019] -般情況下，通過(guò)兩個(gè)并列的離子交換膜形成的通道并不包括負(fù)載與所述兩個(gè)并 列的離子交換膜相反電荷的膜。所述配置的結(jié)果是只有正(或負(fù)）離子，而不是二者都參與 傳導(dǎo)。換言之，在電解質(zhì)溶液或水流中用于純化的離子負(fù)載有相同的電荷，其中所述離子在 裝置或電池中參與傳導(dǎo)，然而當(dāng)其存在時(shí)相對(duì)離子或者攜帶有相反電荷的離子并不會(huì)參與 傳導(dǎo)。因此，本發(fā)明優(yōu)選地排除一種傳統(tǒng)地通過(guò)電滲析作用的裝置的應(yīng)用。
[0020] 所述離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜或者陰離子交換膜。這兩種膜可以是相同的或者 是不同的。優(yōu)選的是強(qiáng)陰離子交換膜或強(qiáng)陽(yáng)離子交換膜，因?yàn)檫@些產(chǎn)品在本領(lǐng)域中普遍出 售。Fmnasep? FTAM-E和FTCM-E(FuMA-Tech CmbH，Germany)是合適的膜。但是，也可以使 用其它的膜。具體來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)"離子交換膜"指的是不僅包括多孔、微孔或納米多孔薄膜，還 包括那些離子能夠通過(guò)的樹脂或者材料。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，作為一種或多種離子交 換膜的替換或者除一種或多種離子交換膜之外，可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格(或者多孔膜)包 埋一種離子交換樹脂。
[0021] 離子交換膜可被放置于一種支持物上，例如玻璃、聚甲基硅氧烷或者其它的惰性 材料。因此，所述支持物也能夠有助于通道的形成。
[0022] 所述方法產(chǎn)生沿著腔室長(zhǎng)度的離子耗盡區(qū)和并列的離子富集區(qū)。在腔室的出口， 在所述一個(gè)或兩個(gè)區(qū)內(nèi)的水流被富集。通過(guò)在出口處或者在出口附近的腔室的分叉能夠更 方便完成。在一個(gè)實(shí)施方案中，一種非離子膜能夠放置于接近這些區(qū)域的邊緣，從而使區(qū)域 分離或分叉，并且富集一種或兩種流。
[0023] 正如在這里所描述的，本發(fā)明使用分類為歐姆（1-2V)、限幅(2-2.5V)以及過(guò)幅機(jī) 制(>2.5V)體系的電流-電壓響應(yīng)表征裝置流體流量。所述電場(chǎng)優(yōu)選產(chǎn)生一種邊界層，其包 括在兩個(gè)并列的離子交換膜的至少一個(gè)的近端的至少一個(gè)電對(duì)流渦流。
[0024] 所述電場(chǎng)通過(guò)各自位于外部以及與通道平行的一種電極和一種接地裝置產(chǎn)生。一 般來(lái)說(shuō)，所述電極首先與所述兩個(gè)并列的離子交換膜形成一種第二通道，并且所述接地裝 置其次與所述兩個(gè)并列的離子交換膜形成一種第三通道。這些通道通常滿載電解質(zhì)溶液， 其可以方便地使水流進(jìn)行純化精煉或富集。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將是從本發(fā)明以下的優(yōu)選實(shí)施例而被更具 體描述以使其是顯而易見的，如在附圖中所闡明的其中相似的引用技術(shù)特征涉及同不同視 圖的相同部分。這些附圖并不需要按比例進(jìn)行繪制，其重點(diǎn)旨在說(shuō)明本發(fā)明的原理。
[0026] 附圖1利用兩個(gè)相同的離子交換膜（IEM)之間的離子濃差極化（ICP)的脫鹽/純化 策略的示意圖。兩個(gè)電極以及兩個(gè)CEM(或者AEM)是并列的，并且在兩個(gè)CEM(或者AEM)之間 的通道在膜的末端分叉。藍(lán)色箭頭和紅色箭頭表明陽(yáng)離子α +和陰離子?Γ的運(yùn)動(dòng)。具有低離子 濃度的離子耗盡區(qū)dde出現(xiàn)在CEM的陽(yáng)極側(cè)以及在AEM的陰極側(cè)(在附圖1的a和c中的曲折曲 線）。電對(duì)流渦流在所述耗盡區(qū)存在（黑色實(shí)線圈）。具有高離子濃