[发明专利]用于收获、捕获以及保留化合物的选择性穿孔的石墨烯膜

说明书

相关申请的引用

本申请要求2012年4月19日提交的名称为用于收获、捕获以及保留化合物的选择性穿孔的石墨烯膜的第61/635,378号的美国临时专利申请的优先权，并且通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及用于从经过膜或膜的适当排列的溶液中主动(intentional)收获、捕获且保留所需化合物的目的的选择性穿孔的碳单层和多层石墨烯膜。

背景技术

由于淡水资源日益匮乏，许多国家都在寻求可以将被盐污染的水，最显著的为海水，转化成洁净饮用水的解决方案。

用于咸水淡化的现有技术分为四大类，即蒸馏、离子方法、膜分离方法和结晶。这些技术中最有效且最多利用的是多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MEE)以及反渗透(RO)。成本是所有这些方法的驱动因素，其中能源和资金成本都很显著。RO和MSF/MEE技术都已被完全开发。目前，最好的脱盐溶液需要通过水的简单蒸发所建立的理论最小能量界限的二到四倍，其为3至7kjoules/kg。蒸馏脱盐的方法包括多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩、太阳能加湿以及地热能脱盐。这些方法具有共同的方式，这就是改变水的状态以进行脱盐。这些方法中使用传热和/或真空加压以蒸发盐水溶液。水蒸汽随后被冷凝并以淡水进行收集。离子工艺脱盐方法注重溶液中离子的化学和电学相互作用。离子工艺脱盐方法的实例包括离子交换、电渗析和电容去离子。离子交换在盐水溶液中引入固体聚合物离子交换剂或无机离子交换剂。离子交换剂与在溶液中的所需离子结合，从而使它们能够容易地被过滤掉。电渗析是使用阳离子选择性膜和阴离子选择性膜以及电压电势来形成淡水和盐水溶液的交替通道的方法。电容去离子技术是使用电压电势来从溶液中驱动带电离子，俘获离子同时允许水分子通过。膜脱盐方法使用过滤和压力从溶液中去除离子。反渗透(RO)是广泛使用的脱盐技术，其对盐溶液施加压力来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室同时捕获离子，形成高浓度的盐溶液。压力是这些方法的驱动成本因素，因为需要它克服渗透压以捕获淡水。结晶脱盐是基于该现象，即晶体形成优选不包含离子。通过形成结晶的水，无论是作为冰或作为甲基水合物，均可以从溶解的离子分离纯水。在简单冷冻的情况下，水被冷却至其凝固点以下，从而产生冰。冰随后熔化以形成纯水。使用甲烷气体处理的甲基水合物结晶渗滤过盐水溶液以形成甲烷水合物，其发生在比使水凝固较低的温度下。甲基水合物上浮，实现分离，并且随后被加热分解成甲烷和脱盐的水。将该脱盐水收集，并且将甲烷再循环。

蒸发和冷凝脱盐通常被认为是能量效率的，但是需要浓缩的热源。当大规模进行时，蒸发和冷凝脱盐通常共同位于发电厂，并且倾向于被限制在一定的地理分布和大小之内。

电容去离子没有被广泛使用，这可能是由于电容电极倾向于被去除的盐污染并且需要频繁的维修服务。所需电压倾向于取决于电极板的间距以及流动的速率，并且电压可以是危险的。

反渗透(RO)过滤器被广泛地用于水的净化。RO过滤器使用通常由醋酸纤维素或聚酰亚胺薄膜复合物制成的多孔或半渗透膜，一般具有1mm的总厚度。这些材料是亲水性的。该膜通常被螺旋卷绕成类似管状以便于处理和膜支撑。该膜表现出随机尺寸的孔分布，其中最大尺寸的孔小到足以允许水分子通过并且禁止或阻止诸如溶解在水中的盐的离子通过。尽管典型的反渗透膜的厚度仅为一毫米，但RO膜的固有的随机结构限定了水流过膜的长且迂回或曲折的路径，并且这些路径的长度可以远远超过一毫米。路径的长度和随机结构需要大量的压力以从离子剥离表面上的水分子，并且随后通过膜对抗渗透压将水分子去除。因此，RO过滤器往往是能量低效的。

图1是RO膜10的横截面的概念图。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。在上游一端示出的离子被选为具有+电荷的钠(Na)和具有-电荷的氯(Cl)。钠被示为与四个溶剂化水分子(H₂O)相缔合。每个水分子包含氧原子和两个氢(H)原子。在图1的RO膜10中水流动的路径20中的一个表示为从上游表面12上的孔20u延伸至下游表面14的孔20d。路径20表示为迂曲的，但是无法显示典型路径的实际弯曲性质。此外，可以预期到表示为20的路径与具有多个上游孔和多个下游孔互连。通过RO膜10的路径20不仅是迂曲的，而且它们可以随着时间而改变，这是由于一些孔不可避免地被碎屑堵塞。

需要替代性的咸水脱盐或去离子方法。