[发明专利]穿孔石墨去离子或脱盐

说明书

相关申请

本申请要求于2010年8月25日提交的题为“PERFORATED GRAPHENE DEIONIZATION OR DESALINATION（穿孔石墨去离子化或脱盐）”的第12/868,150号美国专利申请的优先权，该美国申请的主题通过引用并入本文。

背景技术

淡水资源变得越来越稀缺，许多国家都在寻求可将受到盐污染的水（最显著地为海水）转变成干净的饮用水的解决方案。

用于水脱盐的现有技术分为四个大类，即蒸馏、离子过程、膜过程和结晶。这些技术中最有效和最常采用的是多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（MEE）和反渗透（RO）。成本是所有这些方法的驱动因素，其中能量和资本成本均非常重要。RO和MSF/MEE技术均已得到了充分发展。当前，最佳的脱盐方案需要二至四倍的简单蒸发水所建立的理论最小能量极限，其中最小能量极限为3000焦耳/kg至7000焦耳/kg。蒸馏脱盐方法包括多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩、太阳能增湿和地热脱盐。这些方法共享一个共同的途径，即改变水的状态以进行脱盐。这些方法使用热转移和/或真空压力以使盐溶液蒸发。然后水蒸汽液化并且作为淡水被收集。离子过程脱盐方法集中于与溶液中的离子的化学和电作用。离子过程脱盐方法的示例包括离子交换、电渗析和电容去离子。离子交换将固态的聚合物或矿物离子交换剂引入盐溶液中。离子交换剂与溶液中的期望离子结合使得它们可以被容易地过滤掉。电渗析为一个使用阳离子和阴离子选择性膜和电势以建立淡水和盐水溶液的交替通道的过程。电容去离子使用电势以将带电离子拉离溶液，并且在允许水分子通过的同时捕获离子。膜脱盐过程通过使用过滤和压力从溶液移除离子。反渗透（RO）是广泛适应的脱盐技术，其向盐溶液施加压力以克服离子溶液的渗透压力。该压力在离子被捕获的同时推动水分离通过穿孔膜进入淡水隔间，从而产生高浓度的盐水溶液。压力为这些途径的驱动成本因素，因为需要克服渗透压力以捕获淡水。结晶脱盐基于晶体优先在不包括离子的情况下形成的现象。通过产生结晶的水（或者作为冰或者作为甲醇），可将纯水与溶解的离子隔离开。在简单结冰的情况中，水被冷却至其冰点以下，由此形成冰。然后将冰融化以形成纯水。甲烷水合物结晶过程使用穿过盐水溶液以形成甲烷水合物的甲烷气体，该过程发生在比水结冰更低的温度处。甲烷水合物上升（方便分离），然后被加热以分解成甲烷和脱盐的水。脱盐水被收集，而甲烷被回收。

用于脱盐的蒸发和凝结通常被认为是能量高效的，但是需要集中热源。当在大范围中实现时，用于脱盐的蒸发和凝结通常与发电厂位于相同的位置，并且倾向于受到地理分布和大小的限制。

电容去离子化未被广泛使用，可能是因为电容性电极易于与移除的盐缠绕并且需要频繁的服务。必需的电压倾向于取决于板之间的间隔和流速，并且该电压可能是危险的。

反渗透（RO）过滤器广泛地用于水的净化。RO过滤器使用穿孔或半透的膜，该膜通常由醋酸纤维素或聚酰亚胺薄膜合成物制成并且通常具有1mm的厚度。这些材料是亲水的。膜常常螺旋缠绕成管状形状以便于操纵和膜的支撑。膜具有随机大小的孔洞分布，其中最大的孔洞足够小以允许水分子的通过但是禁止或阻止离子（诸如溶解在水中的盐）的通过。尽管典型的RO膜为1mm厚度，但是RO膜的固有随机结构限定水流过膜的长且曲折或弯曲的路径，并且这些路径的长度可能远大于1毫米。路径的长度和随机构造需要巨大压力以在表面处将水分子与离子剥离并克服渗透压力使水分子移动穿过膜。因此，RO过滤器是能量低效的。

图1是RO模10的截面的概念图示。在图1中，膜10限定上游表面12和下游表面14，其中上游表面12面向上游离子水溶液16。将在上游侧示出的离子选择成带一个正电荷的纳（Na）和带一个负电荷的氯（Cl）。钠被显示为与四个溶解的水分子（H₂O）相关联。每个水分子包括一个氧原子和两个氢（H）原子。用于水在图1的RO膜10中流过的路径之一20被显示为从上游表面12处的孔洞20u延伸至下游表面14处的孔洞20d。路径20被显示为卷绕的，但是不可能示出典型路径的实际弯曲性质。而且，显示为20的路径可被期望与多个上游孔洞和多个下游孔洞相连。穿过RO膜10的路径不仅是卷绕的，而且当一些孔洞被不可避免的碎片阻塞时它们还可随时间而改变。

期望存在替换的水脱盐或去离子化。

发明内容