[发明专利]用于去离子化的石墨烯孔的功能化

说明书

发明领域

本发明涉及离子过滤，更具体地涉及利用石墨烯孔的功能化进行去离子化的方法和系统。

发明背景

随着淡水源日益变得缺乏，许多国家正在寻找可将盐水(最显著地是海水)转化成清洁的饮用水的方案。

用于水脱盐的现有技术分成四大类，即，蒸馏、离子工艺、膜工艺以及结晶。这些技术中最有效且最常用的是多级闪急蒸馏(MSF)、多效蒸发(MEE)和逆渗透(RO)。成本是所有这些工艺的驱动因素，在这些工艺中能量和资金成本均是显著的。彻底开发了RO和MSF/MEE技术。当前，最佳的脱盐方案需要2至4倍的理论最小能量限度，所述理论最小能量限度通过水的简单蒸发而确立并且为3千焦/kg至7千焦/kg。蒸馏脱盐法包括多级闪蒸、多效蒸馏、蒸气压缩、太阳能增湿和地热脱盐。这些方法共享共同的途径，即改变水的状态以进行脱盐。这些途径使用热传递和/或真空压以蒸发盐水溶液。然后，将水蒸气冷凝并收集为淡水。

离子工艺脱盐法集中于与溶液内离子的化学和电学相互作用。离子工艺脱盐法的实例包括离子交换、电渗析和电容去离子化。离子交换将固体聚合物离子交换剂或矿物质离子交换剂引入盐水溶液内。离子交换剂与溶液中期望的离子结合以使其可以易于滤出。电渗析是使用阳离子和阴离子选择性膜和电压电位以产生淡水和盐水溶液的交替通道的方法。电容去离子化使用电压电位以从溶液中带走带电荷的离子、捕获该离子并同时使水分子通过。

膜脱盐工艺使用过滤和压力从溶液中除去离子。逆渗透(RO)是广泛使用的脱盐技术，其向盐水溶液施加压力以克服离子溶液的渗透压。压力推动水分子通过多孔膜进入淡水隔室，同时捕获离子，产生高浓度的盐水溶液。压力是这些方法的驱动成本因素，因为需要压力克服渗透压以捕获淡水。结晶脱盐是基于优先形成晶体而不包含离子的现象。通过以冰或甲醇(methyl hydrate)的形式产生结晶水，可以将纯净水与溶解的离子分离。在简单冷冻的情况下，使水冷却至其凝固点之下，由此产生冰。然后，将冰溶化以形成纯净水。甲醇结晶工艺使用甲烷气体滤过咸水溶液形成甲烷水合物，这发生在比水冷冻更低的温度。甲醇上升，促进分离，然后升温以分解成甲烷和脱盐的水。收集脱盐的水并重复利用甲烷。

用于脱盐的蒸发和凝结通常被认为是节能的，但仍需要集中的热源。当进行大规模时，用于脱盐的蒸发和凝结通常与发电厂同地协作，并易受地理分布和尺寸的限制。

电容去离子化不是广泛使用的，可能是因为电容电极趋于被除去的盐淤塞并需要频繁检修。所必需的电压易于依赖于板的间隔及流率，并且该电压可能成为危害物。

逆渗透(RO)过滤器广泛用于水净化。RO过滤器使用多孔膜或半渗透膜，其通常由乙酸纤维素或聚酰亚胺薄膜复合物制成并通常具有1毫米(mm)的厚度。这些材料是亲水性的。膜通常被螺旋缠绕成管状形式以便于处理和膜支撑。膜呈现随机尺寸的孔径分布，其中最大尺寸的孔径足够小以允许水分子通过并且不允许或阻碍诸如溶解在水中的盐的离子通过。尽管典型的RO膜具有1毫米厚度，但RO膜的固有随机结构为流经该膜的水限定了长且迂回或曲折的路径，并且这些路径可以远大于1毫米长度。路径的长度和随机构造需要相当大的压力以将在表面处的水分子与离子剥离，然后使水分子逆着渗透压移动通过该膜。由此，RO过滤器趋于是能量低效的。

图1是RO膜10的横截面的抽象图示。在图1中，膜10限定了面向上游离子水溶液16的上游表面12以及下游表面14。将在上游侧上例示的离子选择为带+电荷的钠(Na)和带-电荷的氯(Cl)。钠被例示为与4个使离子变成溶剂化物的水分子(H₂O)相缔合。每一水分子包括1个氧原子和2个氢(H)原子。在图1的RO膜10中水流动的路径20之一被例示为从上游表面12上的孔隙20u延伸至下游表面14上的孔隙20d。路径20例示为盘绕的，而不可能示出典型路径的真实的迂回曲折性质。此外，可以期望例示为20的路径与多个上游孔隙和多个下游孔隙相连。通过RO膜10的路径20可以不仅是盘绕的，而且其还可以随时间变化，因为一些孔隙被不可避免的碎片阻塞。

期望可替代的水脱盐法和装置。

发明概述