机械应变控制的纳米孔状二硫化钼在海水淡化中的用途制造技术

本发明专利技术公开了机械应变控制的纳米孔状二硫化钼在海水淡化中的用途。具体而言，本发明专利技术以具有三明治状结构的带有纳米微孔的二硫化钼纳米材料为研究对象，通过对其施加外部拉力，使其产生机械应变并使其中的纳米孔结构实现可控的“开放”和“关闭”状态，进而在分子水平的过滤操作如海水淡化中发挥作用。与传统的反渗透膜和石墨烯过滤膜相比，本发明专利技术的纳米孔状二硫化钼过滤膜是机械应变控制的，过滤效果更加优异；其生产成本及实施过程中的能耗也显著降低，起到了节能减排、绿色环保的功效。另外，本发明专利技术中公开的方法对于设备的要求较低，有利于扩大其应用规模，具有显著的工业实用性。

【技术实现步骤摘要】
机械应变控制的纳米孔状二硫化钼在海水淡化中的用途
本专利技术属于分子过滤
，涉及机械应变控制的纳米孔状二硫化钼的新用途，具体涉及其在海水淡化中的用途。
技术介绍
伴随着人口增长、快速城市化进程以及全球气候变化等问题，全球的淡水资源已面临极为严重的挑战，寻求行之有效的解决方法刻不容缓。众所周知，海水淡化技术可以起到缓解淡水供应压力的作用。近半个世纪以来，为人们所广泛熟知的脱盐方法是反渗透（ReverseOsmosis，RO）（参见Sidney,L.;Srinivasa,S.,InSalineWaterConversion-II-AMERICANCHEMICALSOCIETY,1963,38,p117），但是该方法耗能过大，导致淡化水的成本高。近年来，随着纳米技术的进步，针对基于二维纳米材料而设计的膜的新方法极大地推动了过滤膜技术的发展。其中，通过计算机模拟首次提出（参见Sint,K.,Wang,B.,etal.,J.Am.Chem.Soc.,2008,130,p16448和Cohen-Tanugi,D.;Grossman,J.C.,NanoLett.,2012,12,p3602）并于近期实验制得（参见O’Hern,S.C.,Boutilier,M.S.,etal.,NanoLett.,2014,14,p1234和Surwade,S.P.,Smirnov,S.N.,etal.,NatNano,2015,10,p459）的基于石墨烯的纳米孔状过滤膜可以看作是脱盐纳米技术的一座里程碑。这种石墨烯过滤膜的优点在于其异乎寻常的薄度（只有一个原子层）、较高的机械稳定性以及简单的制孔技术。所制得的具有精确尺寸的纳米孔允许水分子或某些种类的离子穿过石墨烯过滤膜并阻断溶剂中其它组分的通量。但是，石墨烯过滤膜的缺点在于其“开”与“关”的状态是固定的，不能通过外力加以控制，这就限制了其应用范围。2011年，爱尔兰和英国科学家共同报道了通过化学剥离的方法首次合成了单层形式的二硫化钼（参见Coleman,J.N.;Lotya,M.etal.Science2011,331,p568），其显示出独特的电学和光学性质以及优良的热力学和机械稳定性，使其在光伏电池、析氢催化剂、润滑剂等多种领域中得到广泛应用。然而，到目前为止，关于将二硫化钼二维纳米材料用于分子水平过滤的应用未见报道。鉴于此，开发能够替代石墨烯过滤膜且生产成本相对较低的二硫化钼二维纳米材料并将其应用于过滤（如海水淡化）将具有重要的意义。
技术实现思路
由于单层二硫化钼具有三明治状结构（如图1所示），其杨氏模量（约270GPa）明显小于具有单层片状结构的石墨烯（约1TPa​​）。因此，其对于机械应变是比较敏感的，这意味着通过对带有纳米孔的二硫化钼片层施加拉力可以使其实现可控的“开放”和“关闭”状态。这种可调节性将有助于调节单层二硫化钼的筛滤性能，因此本专利技术提供了一种利用机械应变控制的纳米孔状二硫化钼过滤膜进行海水淡化的方法，其包括如下步骤：（1）将纳米孔状二硫化钼过滤膜固定在过滤膜框架上；（2）将过滤膜框架安装在海水过滤装置中，作为过滤元件使用；（3）对过滤膜框架施加拉力，通过改变拉力的大小使过滤膜框架中的过滤膜表面积增加6%至12%，以便打开过滤膜中的纳米孔结构；（4）采用加压元件对海水进行加压，其中作用在纳米孔状二硫化钼过滤膜上的压强范围为0至100MPa，借此使海水中的水分子通过纳米孔状二硫化钼过滤膜，而无机盐离子被阻隔，以便完成海水淡化。优选的，在上述技术方案中，步骤（1）中所述纳米孔状二硫化钼过滤膜选自钼原子缺陷型纳米孔状二硫化钼过滤膜、硫原子缺陷型纳米孔状二硫化钼过滤膜、三原子缺陷型纳米孔状二硫化钼过滤膜、化学修饰型纳米孔状二硫化钼过滤膜中的任意一种；所述化学修饰型纳米孔状二硫化钼过滤膜选自氢原子饱和型纳米孔状二硫化钼过滤膜、氟原子饱和型纳米孔状二硫化钼过滤膜、羟基饱和型纳米孔状二硫化钼过滤膜中的任意一种。优选的，在上述技术方案中，步骤（3）中通过改变拉力的大小使过滤膜框架中的过滤膜表面积增加9%至12%，以便提高过滤膜对水的通透性。与现有技术相比，采用上述技术方案的本专利技术具有如下优点：1、与传统的反渗透膜和石墨烯过滤膜相比，纳米孔状二硫化钼过滤膜的优异特点是可以通过机械应变控制其“开放”和“关闭”的状态，因此是可控的纳米器件；2、与传统的石墨烯过滤膜相比，纳米孔状二硫化钼过滤膜的生产成本显著降低，减轻了生产商的经济负担，有益于长期可持续性生产；3、利用本专利技术中公开的方法进行海水淡化，大大降低了实施过程中所需的能耗，起到了节能减排、绿色环保的功效；4、本专利技术中公开的方法对于设备的要求较低，有利于扩大其应用规模，具有显著的工业实用性。附图说明图1为单层二硫化钼的结构示意图，其中（a）为原始条件下的俯视图，（b）为原始条件下的侧视图，且（c）为施加外界拉力后的俯视图；从（a）和（b）中可以看出，单层二硫化钼具有类似于六边形的晶格结构，处于中间亚层中的每一个钼原子（表示为体积较大的球体）与六个硫原子（表示为体积较小的球体）共价结合，硫原子被布置为上下两个亚层，共同形成所示的三明治状结构；在借助离子注入或控制生长条件，从（a）中所示的结构中除去以符号X标记的原子之后，就形成了如（c）所示的包含纳米孔结构的单层二硫化钼。图2为纳米孔状二硫化钼过滤膜的海水淡化实验模拟效果图。图3为不同应变条件下纳米孔状二硫化钼过滤膜的性能曲线图，其中（a）代表6%应变条件下的累积水通量图，（b）代表9%应变条件下的累积水通量图，且（c）代表12%应变条件下的累积水通量图，每一幅图中的7条曲线均对应活塞上所施加的不同外力（分别相当于1、10、20、40、60、80和100MPa）；（d）代表9%和12%应变条件下水流速与活塞上所施加的压强之间的相依性曲线图。图4为用于说明纳米孔状二硫化钼过滤膜的应变与水通量之间的量化关系的结构示意图，其中（a）展示了9%应变条件下过滤膜中的水通道，且（b）展示了12%应变条件下过滤膜中的水通道。图5为二硫化钼过滤膜的纳米孔两侧的水分子及无机盐离子的密度分布曲线图，其中纳米孔的中心位于z轴原点，（a）代表9%应变条件下水分子的密度分布曲线图，（b）代表9%应变条件下钠离子和氯离子的密度分布曲线图，（c）代表12%应变条件下水分子的密度分布曲线图，且（d）代表12%应变条件下钠离子和氯离子的密度分布曲线图。图6为12%应变条件下钠离子、氯离子以及水分子与纳米孔中心之间的平均力势曲线图。具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对本专利技术做出进一步的阐述。应当理解，这些实施例仅用于说明而并非限制本专利技术的范围。实施例一：海水淡化过程的分子动力学模拟实验。本实施例采用分子动力学模拟实验来评估不同应变条件下纳米孔状二硫化钼过滤膜在海水淡化过程中的性能，具体过程如下：借鉴J.Am.Chem.Soc.,2008,130,p16448和NanoLett.,2012,12,p3602中记载的石墨烯分子筛研究方法，采用Comput.Mater.Sci.,2010,48,p101中报道的二硫化钼晶体结构模型，通过计算机建模构建一个如图2所示的水箱，其长、宽、高分别对应于三维直角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用机械应变控制的纳米孔状二硫化钼过滤膜进行海水淡化的方法，其包括如下步骤：1）将纳米孔状二硫化钼过滤膜固定在过滤膜框架上；2）将过滤膜框架安装在海水过滤装置中，作为过滤元件使用；3）通过对过滤膜框架施加拉力，使过滤膜框架中过滤膜的表面积增加6%至12%，以便打开过滤膜中的纳米孔结构；4）采用加压元件对海水进行加压，其中作用在纳米孔状二硫化钼过滤膜上的压强范围为0至100MPa，借此使海水中的水分子通过纳米孔状二硫化钼过滤膜，而无机盐离子被阻隔，以便完成海水淡化。

【技术特征摘要】
1.一种利用机械应变控制的纳米孔状二硫化钼过滤膜进行海水淡化的方法，其包括如下步骤：1）将纳米孔状二硫化钼过滤膜固定在过滤膜框架上；2）将过滤膜框架安装在海水过滤装置中，作为过滤元件使用；3）通过对过滤膜框架施加拉力，使过滤膜框架中过滤膜的表面积增加6%至12%，以便打开过滤膜中的纳米孔结构；4）采用加压元件对海水进行加压，其中作用在纳米孔状二硫化钼过滤膜上的压强范围为0至100Mpa但不为0，借此使海水中的水分子通过纳米孔状二硫化钼过滤膜，而无机盐离子被阻隔，以便完成海水淡化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟峰，周如鸿，
申请(专利权)人：苏州大学张家港工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32