用于去离子化的石墨烯孔的功能化制造技术

用于溶液的去离子化的方法，所述方法包括使石墨烯片的多个孔隙功能化以排斥溶液中的第一离子使其不运送通过经功能化的多个孔隙。未运送的第一离子影响溶液中的第二离子以使其不运送通过经功能化的多个孔隙。将石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间。溶液进入溶液流动路径输入端并通过石墨烯片的经功能化的多个孔隙，产生在石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液和在石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含第一离子和第二离子的第二溶液。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】用于溶液的去离子化的方法，所述方法包括使石墨烯片的多个孔隙功能化以排斥溶液中的第一离子使其不运送通过经功能化的多个孔隙。未运送的第一离子影响溶液中的第二离子以使其不运送通过经功能化的多个孔隙。将石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间。溶液进入溶液流动路径输入端并通过石墨烯片的经功能化的多个孔隙，产生在石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液和在石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含第一离子和第二离子的第二溶液。【专利说明】用于去离子化的石墨烯孔的功能化 专利
本专利技术涉及离子过滤，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。 专利技术背景 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（R0)。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 R0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。电容去尚子化使用电压电位以从溶液中带走带电荷的尚子、捕获该尚子并同时使水 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（R0)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 烧。 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（R0)过滤器广泛用于水净化。R0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R0膜具有1毫米厚度，但R0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，R0过滤器趋于是能量低效的。 图1是R0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（H 20)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R0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R0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。 专利技术概述 公开了使溶液去离子化的方法，所述方法包括以下步骤：使石墨烯片的多个孔隙 功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙，未被传送 的第一离子影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙；将所述 石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间；以及使溶液进入所述溶液 流动路径输入端并通过所述石墨烯片的经功能化的多个孔隙，由此产生在所述石墨烯片的 溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液以及在所述石墨烯片的溶液流动路径输入侧上 的包含第一离子和第二离子的第二溶液。 在实施方案中，第一离子可以是带负电荷的离子，第二离子可以是带正电荷的离 子，并且使多个孔隙功能化可以包括使所述多个孔隙的边缘（perimeter)功能化以具有负 电荷，从而排斥所述溶液中带负电荷的离子。使多个孔隙的边缘功能化以具有负电荷可以 包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使所述边缘功能化。或者，使多个孔隙的边缘功能 化以具有负电荷可以包括使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述边缘功能 化。在另一实施方案中，第一离子可以是带正电荷的离子，第二离子可以是带负电荷的离 子，并且使多个孔隙功能化可以包括使所述多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷，从而排 斥所述溶液中带正电荷的离子。使多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷可以包括使用硼、 氢、锂、镁或铝来使所述边缘功能化。或者，使多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷可以包 括使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述边缘功能化。 用于去离子化的方法可以还包括限定所述石墨烯片的多个孔隙的尺寸以抵制所 述第一离子的运送。所述方法可以还包括向石墨烯片施加电荷，其中所述电荷排斥第一离 子。 公开了使溶液去离子化的方法，所述方法包括以下步骤：使第一石墨烯片的第一 多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个 孔隙，未被运送的第一离子还影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的 第一多个孔隙；使第二石墨烯片的第二多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第二离子使其 不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙，未被运送的第二离子还影响所述溶液中的第一 离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙；将所述第一石墨烯片置于溶液流动路 径输入端的下游并且将所述第二石墨烯片置于所述第一石墨烯片和溶液流动路径输出端 之间；以及使溶液进入所述溶液流动路径输入端，通过所述第一石本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于溶液的去离子化的方法，所述方法包括以下步骤：使石墨烯片的多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙，所述未运送的第一离子影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙；将所述石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间；以及使溶液进入所述溶液流动路径输入端并通过所述石墨烯片的经功能化的多个孔隙，由此产生在所述石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液和在所述石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含所述第一离子和第二离子的第二溶液。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里·S·霍，雷克斯·G·贝内特，彼得·V·拜德沃斯，小约翰·B·斯泰森，
申请(专利权)人：洛克希德马丁公司，
类型：发明
国别省市：美国;US