[发明专利]用于过滤水的膜

说明书

本申请要求2012年5月5日提交的美国临时专利申请第61/648,870号的国内优先权权益，其内容通过参考整体并入本文。

发明领域

本发明涉及一种材料。具体地，本发明涉及一种用于过滤水的膜。更具体地，本发明涉及一种用于水的脱盐和净化的包含碳纳米管和混合纤维素酯多孔膜的膜。还公开了一种包含这样的膜的微流体装置和一种用于过滤水的方法。

发明背景

包括水的脱盐和净化的水处理技术对于解决全世界清洁水短缺的问题至关重要^1，2。在大规模、工业化的脱盐工厂中广泛实施反渗透(RO)^3，4和热处理⁵。然而，大规模的工厂消耗大量的能量，并且涉及与基础设施和熟练工人相关联的高运行成本⁶，使得大规模的工厂难于在发展中国家和资源有限的地区实施。另一方面，较小的使用点(point-of-use)(POU)饮用水净化装置^7-10可以避免这些障碍中的许多障碍，并且日益被认为是一种满足家庭和社区层面的洁净水和卫生设备需求的适当方法之一。

POU水净化系统通常包括吸附污染物的材料，最常见的是通过各种方法获得的活性炭¹¹。然而，虽然活性炭可以有效地去除有机污染物和重金属，但是活性炭吸附盐的能力有限，并且目前仅有几种技术可以有效地在小规模上对水进行脱盐³。开发具有高的盐吸附能力的材料将使得用于半咸水的直接脱盐和净化的简单POU系统能够实现。

近来，碳纳米管(CNT)已经成为在水净化和脱盐装置中很有希望的纳米材料，主要是因为如下三个有利特征^12-15：(i)通过疏水性并且无摩擦的石墨壁能够实现快速的水通量；(ii)由一维的、高纵横比的管状结构产生的大的表面积；以及(iii)容易在CNT的石墨壁上结合不同的功能性。已经从实验和理论上证明，通过CNT内部的透水性可以比通过哈根-泊肃叶定律(Hagen-Poiseuille law)^12，13预测的透水性高至少三个数量级。因此该高水通量可以显著减少在水处理中的能量消耗。

将CNT整合到水净化和脱盐装置中的最引人注目的方法为使用具有官能化开口端的竖直排列的CNT^16，17。这种排列的空心结构使得纯净水能够通过纳米管的内核空间，但是排斥盐离子和/或大尺寸的污染物^18，19。然而，使用这种方法面临的挑战包括复杂的制造、可量测性和堵塞的问题，以及在获得具有比溶剂化离子的尺寸小的直径的均匀的CNT方面的主要困难^20，21。一种可替代的方法为将CNT直接沉积到多孔膜上并且经由电容式静电相互作用^22-24脱盐。然而，由于小的德拜(静电屏蔽)长度，在这样的构造中的CNT对于盐浓度高的溶液的脱盐能力(salt rejection capability)差^25，26。还报道了其他方法例如通过羧基和烷氧基硅烷基化学基团的表面官能化以增强这样的基于CNT的膜的水通量和脱盐效率，例如，如在膜蒸馏的情况下所示²⁷。

因此，存在一种用于水的脱盐和净化的改善的膜的需要。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种膜，其包含纤维基材和形成在纤维基材上的碳纳米管，其中碳纳米管的表面被功能性改性。优选地，可以使用适合于水过滤的任何聚合物膜。

优选地，碳纳米管的表面被等离子体改性。更优选地，等离子体改性为离子束等离子体改性。

就“等离子体”而言，指的是包括在至少部分真空下通过向气体施加电场而生成的任何部分电离的气体。

优选地，纤维基材为混合纤维素酯多孔膜。

优选地，碳纳米管为超长碳纳米管。

优选地，碳纳米管为多壁碳纳米管。

优选地，碳纳米管竖直排列。

优选地，碳纳米管的高度为100μm至200μm。

优选地，碳纳米管的直径为10nm至20nm。

优选地，碳纳米管的壁数为5个至10个。

优选地，在纤维基材上的碳纳米管的密度为0.8g/cm³。

优选地，膜的孔隙率为60％。

根据本发明的第二方面，提供了一种微流体装置，其包含根据本发明的第一方面的膜。

根据本发明的第三方面，提供了一种水过滤方法，其包括使水通过根据本发明的第一方面的膜。