НАНОКОМПОЗИТНЫЕ МЕМБРАНЫ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

1. Способ получения водопроницаемой мембраны, включающий:
(a) добавление наночастиц в смесь с одним или более мономерами, причем наночастицы и один или более мономеров в смеси взаимодействуют при полимеризации, чтобы образовать гидрофильную полимерную матрицу, в которой распределены наночастицы; и
(b) полимеризация смеси на пористой подложке для образования пленочной композитной мембраны.
2. Способ по п.1, в котором каждый из одного или более мономеров является смешиваемым с жидкостью, конкретной для каждого указанного мономера в смеси, и наночастицы выбирают так, чтобы они диспергировались по меньшей мере в одной из конкретных жидкостей.
3. Способ по п.1,
(a) в котором добавление наночастиц в смесь включает:
i. получение полярной смеси, содержащей полярную жидкость и первый мономер, который смешивается с полярной жидкостью;
ii. получение наночастиц, распределенных в полярной жидкости; и
iii. получение неполярной смеси, содержащей неполярную жидкость, по существу несмешивающуюся с полярной жидкостью, и второй мономер, который смешивается с неполярной жидкостью; и
(b) причем полимеризация включает контакт полярной смеси и неполярной смеси при температуре, достаточной для реакции первого мономера со вторым мономером.
4. Способ по п.1,
(a) в котором добавление наночастиц в смесь включает:
i. получение полярной смеси, содержащей полярную жидкость и первый мономер, который смешивается с полярной жидкостью;
ii. получение неполярной смеси, содержащей неполярную жидкость, по существу несмешивающуюся с полярной жидкостью, и второй мономер, который смешивается с неполярной жидкостью; и
iii. получение наночастиц, распределенных в неполярной жидкости; и
(b) причем полимеризация включает контакт полярной смеси и неполярной смеси при температуре, достаточной для реакции первого мономера со вторым мономером.
5. Способ по п.1, включающий, кроме того, выбор наночастиц и смеси так, чтобы мембрана была существенно более водопроницаемой в результате присутствия там наночастиц.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором мембрана имеет контактный угол с чистой водой меньше 90°.
7. Способ по любому из пп.1-5, в котором мембрана имеет коэффициент проницаемости для чистой воды по меньшей мере 0,02 галлона на квадратный фут мембраны в сутки при приложенном давлении фунт на квадратный дюйм.
8. Способ по любому из пп.1-5, включающий, кроме того, такой выбор наночастиц и смеси, чтобы наночастицы образовывали предпочтительные маршруты для прохождения воды через мембрану.
9. Способ по любому из пп.1-5, включающий, кроме того, выбор наночастиц и смеси так, чтобы мембрана была относительно непроницаема для примесей в проходящей через нее воде.
10. Способ по любому из пп.1-5, в котором наночастицы являются пористыми.
11. Способ по п.10, включающий, кроме того, выбор наночастиц, чтобы они имели многомерную связанную открытую структуру с размером пор в диапазоне от примерно 3 до примерно 30 Е.
12. Способ по п.10, в котором наночастицы действуют как молекулярные сита.
13. Способ по п.10, в котором наночастицы являются цеолитом.
14. Способ по п.13, в котором цеолит является цеолитом LTA.
15. Способ по любому из пп.1-5, в котором наночастицы являются дендримером.
16. Способ по любому из пп.1-5, в котором наночастицы включают серебро.
17. Способ по любому из пп.1-5, в котором размер наночастиц находится в диапазоне от примерно 50 нм до примерно 500 нм.
18. Способ по любому из пп.1-5, в котором размер наночастиц находится в диапазоне от примерно 50 до примерно 200 нм.
19. Способ по любому из пп.1-5, в котором полимеризация проводится путем реакции на межфазной границе.
20. Способ по п.19, в котором полимерная матрица является полиамидом.
21. Способ по п.20, в котором смесь включает м-фенилендиамин и тримезоил хлорид.
22. Способ по п.21, в котором наночастицы, распределенные в полимерной матрице, действуют как молекулярные сита, проницаемые для молекул, имеющих выбранный максимальный размер.
23. Способ по любому из пп.1-5, включающий, кроме того, выбор наночастиц и смеси, чтобы мембрана была более гидрофильной в результате присутствия в ней наночастиц.
24. Способ по любому из пп.1-5, включающий, кроме того, выбор наночастиц и смеси, чтобы мембрана имела более высокий отрицательный поверхностный заряд в результате присутствия там наночастиц.
25. Способ по любому из пп.1-5, включающий, кроме того, модификацию наночастиц для изменения характеристик пленочной композитной мембраны.
26. Способ по п.25, в котором модификация наночастиц включает модификацию наночастиц путем ионного обмена с металлическим компонентом.
27. Способ по п.26, в котором наночастицы модифицированы путем ионного обмена с ионами серебра, чтобы добавить биоцидные свойства пленочной композитной мембране.
28. Способ по любому из пп.1-5, в котором полимеризация смеси включает образование пленки на пористой подложке с толщиной порядка размера наночастиц.
29. Способ по любому из пп.1-5, включающий, кроме того, образование гидрофильного слоя на мембране, чтобы воспрепятствовать обрастанию.
30. Способ по п.29, в котором формирование гидрофильного слоя на мембране включает распределение наночастиц в гидрофильном слое, что повышает проницаемость гидрофильного слоя.
31. Способ по п.30, включающий, кроме того, выбор наночастиц и смеси, чтобы мембрана с гидрофильным слоем была проницаемой по меньшей мере в той же степени, что и мембрана без наночастиц.
32. Водопроницаемая композитная мембрана, содержащая:
(a) гидрофильную пленку с полимерной матрицей, образованную в присутствии наночастиц так, что наночастицы распределены в пленке с полимерной матрицей; и
(b) пористую подложку, на которой формируется пленка путем полимеризации.
33. Мембрана по п.32, включающая, кроме того, такой выбор наночастиц, чтобы они были диспергируемыми в жидкости, присутствующей во время полимеризации.
34. Мембрана по п.33, включающая, кроме того, такой выбор наночастиц, чтобы мембрана была существенно более водопроницаемой в результате распределения в ней наночастиц.
35. Мембрана по п.34, в которой пленка имеет контактный угол с чистой водой менее 90°.
36. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой наночастицы образуют предпочтительные маршруты для прохождения воды через мембрану.
37. Мембрана по любому из пп.32-34, причем мембрана относительно непроницаема для примесей в воде, проходящей через нее.
38. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой наночастицы являются пористыми.
39. Мембрана по п.38, в которой наночастицы имеют многомерную сцепленную открытую структуру с размером пор в диапазоне от примерно 3 до примерно 30 Е.
40. Мембрана по п.38, в которой наночастицы являются молекулярными ситами.
41. Мембрана по п.38, в которой наночастицы являются цеолитом.
42. Мембрана по п.41, в которой цеолит является цеолитом LTA.
43. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой наночастицы являются дендримером.
44. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой наночастицы включают серебро.
45. Способ по любому из пп.32-34, в котором размер наночастиц находится в диапазоне от примерно 50 нм до примерно 500 нм.
46. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой размер наночастиц находится в диапазоне от примерно 50 до примерно 200 нм.
47. Мембрана по любому из пп.32-34, причем мембрана была полимеризована путем реакции на межфазной поверхности.
48. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой пленка является полиамидной.
49. Мембрана по п.48, в которой пленка была получена путем полимеризации м-фенилендиамина и тримезоил хлорида.
50. Мембрана по п.49, в которой наночастицы действуют как молекулярные сита, проницаемые для молекул, имеющих выбранный максимальный размер.
51. Мембрана по любому из пп.32-34, причем мембрана является более гидрофильной в результате присутствия там наночастиц.
52. Мембрана по любому из пп.32-34, причем мембрана имеет больший отрицательный поверхностный заряд в результате присутствия там наночастиц.
53. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой наночастицы были модифицированы, чтобы изменить характеристики мембраны.
54. Мембрана по п.53, в которой наночастицы были изменены путем ионного обмена с металлическим компонентом.
55. Мембрана по п.54, в которой металлический компонент является ионами серебра.
56. Мембрана по любому из пп.32-34, в которой пленка имеет толщину порядка размера наночастиц.
57. Мембрана по любому из пп.32-34, содержащая, кроме того, гидрофильный слой на мембране, чтобы противостоять обрастанию.
58. Мембрана по п.57, причем гидрофильный слой включает, кроме того, наночастицы, распределенные в гидрофильном слое, и эти наночастицы повышают проницаемость гидрофильного слоя.
59. Мембрана по п.57, причем мембрана с гидрофильным слоем является по меньшей мере в той же степени проницаемой, что и мембрана без наночастиц.
60. Способ очистки воды, включающий:
(a) приложение давления к водному раствору, содержащему по меньшей мере одно растворенное вещество, причем раствор находится на одной стороне мембраны с полимерной матрицей и распределенными в матрице наночастицами так, что мембрана является существенно более проницаемой для воды в результате присутствия в ней наночастиц; и
(b) сбор очищенной воды на другой стороне мембраны.
61. Способ по п.60, включающий, кроме того, добавление гидрофильного слоя на одну сторону мембраны, чтобы воспрепятствовать отложению по меньшей мере одного растворенного вещества.
62. Способ по п.61, в котором добавление гидрофильного слоя включает добавление гидрофильного слоя на одну сторону мембраны, причем гидрофильный слой включает наночастицы для повышения проницаемости гидрофильного слоя.
63. Способ по любому из пп.60-62, в котором наночастицы являются молекулярными ситами, относительно проницаемыми для чистой воды и относительно непроницаемыми для примесей в растворе.
64. Способ по п.63, в котором наночастицы являются цеолитом.
65. Способ по п.64, в котором цеолит является цеолитом LTA.
66. Способ по любому из пп.60-62, в котором мембрана с полимерной матрицей становится более проницаемой в результате распределения наночастиц в матрице.
67. Способ по любому из пп.60-62, в котором мембрана с полимерной матрицей становится более гидрофильной в результате распределения наночастиц в матрице.
68. Способ по любому из пп.60-62, в котором мембрана с полимерной матрицей имеет больший отрицательный поверхностный заряд в результате распределения наночастиц в матрице.
69. Способ по любому из пп.60-62, в котором наночастицы были модифицированы путем ионного обмена с ионами серебра.
70. Способ очистки воды, включающий:
(a) приложение давления к водному раствору, содержащему по меньшей мере одно растворенное вещество, причем раствор находится на одной стороне мембраны с полимерной матрицей, имеющей гидрофильный слой с распределенными в слое наночастицами, чтобы слой был существенно более водопроницаем в результате нахождения в нем наночастиц; и
(b) сбор очищенной воды на другой стороне мембраны.
71. Способ по п.70, в котором наночастицы являются молекулярными ситами, относительно проницаемыми для чистой воды и относительно непроницаемыми для примесей в растворе.
72. Способ по п.70, в котором наночастицы являются цеолитом.
73. Способ по п.70, в котором наночастицы являются частицами цеолита LTA.
74. Способ по п.70, в котором наночастицы были модифицированы путем ионного обмена с ионами серебра.
75. Способ получения нанокомпозитной мембраны, включающий:
(a) вымачивание полисульфоновой мембраны в водном растворе, содержащем м-фенилендиамин, и
(b) выливание на пропитанную полисульфоновую мембрану раствора гексана, содержащего тримезоил хлорид и наночастицы цеолита, суспендированные в растворе гексана,
тем самым полимеризуя м-фенилендиамин и тримезоил хлорид на границе раздела с образованием пленки, причем наночастицы цеолита распределены внутри пленки.
76. Способ по п.75, в котором наночастицы содержат цеолит A.
77. Способ по п.75, включающий, кроме того, этап контакта наночастиц цеолита с солью серебра.
78. Продукт, полученный способом по любому из пп.75-77.