穿孔石墨去离子或脱盐制造技术

分离装置(700)和涉及的方法提供于错流布置中，其中，在错流布置中加压源沿着从进口到出口的、与一个或多个石墨烯片(722)基本平行的路径引导介质。介质(702)流过石墨烯膜中的多个穿设孔(721)，而介质的剩余部分和介质中不被允许的成分从出口流出。衬片或支撑膜(724)可设置在石墨烯膜(722)下方。装置可应用于脱盐。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】
技术介绍
淡水资源变得越来越稀缺，许多国家都在寻求可将受到盐污染的水(最显著地为海水)转变成干净的饮用水的解决方案。用于水脱盐的现有技术分为四个大类，即蒸馏、离子过程、膜过程和结晶。这些技术中最有效和最常采用的是多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MEE)和反渗透(RO)。成本是所有这些方法的驱动因素，其中能量和资本成本均非常重要。RO和MSF/MEE技术均已得到了充分发展。当前，最佳的脱盐方案需要二至四倍的简单蒸发水所建立的理论最小能量极限，其中最小能量极限为3000焦耳/kg至7000焦耳/kg。蒸馏脱盐方法包括多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩、太阳能增湿和地热脱盐。这些方法共享一个共同的途径，即改变水的状态以进行脱盐。这些方法使用热转移和/或真空压力以使盐溶液蒸发。然后水蒸汽液化并且作为淡水被收集。离子过程脱盐方法集中于与溶液中的离子的化学和电作用。离子过程脱盐方法的示例包括离子交换、电渗析和电容去离子。离子交换将固态的聚合物或矿物离子交换剂引入盐溶液中。离子交换剂与溶液中的期望离子结合使得它们可以被容易地过滤掉。电渗析为一个使用阳离子和阴离子选择性膜和电势以建立淡水和盐水溶液的交替通道的过程。电容去离子使用电势以将带电离子拉离溶液，并且在允许水分子通过的同时捕获离子。膜脱盐过程通过使用过滤和压力从溶液移除离子。反渗透(RO)是广泛适应的脱盐技术，其向盐溶液施加压力以克服离子溶液的渗透压力。该压力在离子被捕获的同时推动水分离通过穿孔膜进入淡水隔间，从而产生高浓度的盐水溶液。压力为这些途径的驱动成本因素，因为需要克服渗透压力以捕获淡水。结晶脱盐基于晶体优先在不包括离子的情况下形成的现象。通过产生结晶的水(或者作为冰或者作为甲醇)，可将纯水与溶解的离子隔离开。在简单结冰的情况中，水被冷却至其冰点以下，由此形成冰。冰融化以形成纯水。甲烷水合物结晶过程使用穿过盐水溶液以形成甲烷水合物的甲烷气体，该过程发生在比水结冰更低的温度处。甲烷水合物上升(方便分离)，然后被加热以分解成甲烷和脱盐的水。脱盐水被收集，而甲烷被回收。用于脱盐的蒸发和凝结通常被认为是能量高效的，但是需要集中热源。当在大范围中实现时，用于脱盐的蒸发和凝结通常与发电厂位于相同的位置，并且倾向于受到地理分布和大小的限制。电容去离子化未被广泛使用，可能是因为电容性电极易于与移除的盐缠绕并且需要频繁的服务。必需的电压倾向于取决于板之间的间隔和流速，并且该电压可能是危险的。反渗透(RO)过滤器广泛地用于水的净化。RO过滤器使用穿孔或半透的膜，该膜通常由醋酸纤维素或聚酰亚胺薄膜合成物制成并且通常具有I微米的厚度。这些材料是亲水的。膜常常螺旋缠绕成管状形状以便于操纵和膜的支撑。膜具有随机大小的孔分布，其中最大的孔足够小以允许水分子的通过但是不允许或阻止离子(诸如溶解在水中的盐)的通过。尽管典型的RO膜为一微米厚度，但是RO膜的固有随机结构限定水流过膜的长且曲折或弯曲的路径，并且这些路径的长度可能远大于一毫米。路径的长度和随机构造需要巨大压力以在表面处将水分子与离子剥离并克服渗透压力使水分子移动穿过膜。因此，RO过滤器是能量低效的。图1是RO膜10的截面的概念图示。在图1中，膜10限定上游表面12和下游表面14，其中上游表面12面向上游离子水溶液16。将在上游侧示出的离子选择为带一个正电荷的钠(Na)和带一个负电荷的氯(Cl)。钠被显示为与四个溶解的水分子(H20)相关联。每个水分子包括一个氧原子和两个氢(H)原子。用于水在图1的RO膜10中流过的路径之一 20被显示为从上游表面12处的孔20u延伸至下游表面14处的孔20d。路径20被显示为卷绕的，但是不可能示出典型路径的实际弯曲性质。而且，显示为20的路径可被期望与多个上游孔和多个下游孔相连。穿过RO膜10的路径不仅是卷绕的，而且当一些孔被不可避免的碎片阻塞时它们还可随时间而改变。期望存在替换的水脱盐、去离子化或流体分离。
技术实现思路
根据上文，本专利技术的第一个方面在于提供穿孔的石墨去离子或脱盐。本专利技术的另一个方面在于提供用于从介质中分离成分的方法，该方法包括提供具有被选择为允许介质通过但不允许介质中的选定成分通过的多个穿设孔的至少一个石墨烯层的初级片；将至少一个石墨烯层的初级片提供在初级室中，该初级室具有初级进口、初级出口和初级下部流动路径；以及对介质加压以使得介质在从初级进口到初级出口的、与至少一层初级石墨稀片基本平行的路径上流动，该介质流至至少一层初级石墨稀片的第一表面上以使得介质的一部分通过多个穿设孔流至至少一个初级石墨烯层的初级片的第二侧而介质的剩余部分和介质中不被允许的选定成分从初级出口流出。本专利技术的又一个方面在于提供分离装置，该分离装置包括至少一个室、至少一个石墨烯片、以及介质的加压源，其中，至少一个室具有进口、出口和下部流动路径，至少一个石墨烯片穿设有定尺寸为允许介质通过但不允许介质中的选定成分通过的孔，至少一个石墨稀片定位在至少一个室中，介质的加压源连接至具有进口的至少一个室，加压源沿着从进口至出口的、与至少一个石墨烯片基本平行的路径引导介质，介质流至至少一个石墨烯片的第一表面上以使得介质的一部分通过多个穿设孔流至至少一个石墨烯片的第二侧而介质的剩余部分和介质中不被允许的选定成分从第一出口流出。【附图说明】图1是现有技术的反渗透(RO)过滤膜的截面的概念视图；图2是根据本公开的一方面的滤水器的概念视图，其中滤水器使用穿孔石墨烯片;图3是可在图2的布置中使用的穿孔石墨烯片的平面视图，其中示出了多个孔中的一个的形状；图4是穿孔石墨烯片的平面视图，示出了 0.6纳米的穿孔或孔和穿孔间尺寸；图5是可与图2的穿孔石墨烯片结合使用的衬片的平面视图；图6是根据本公开的方面的水去离子过滤器的概念视图，其中水去离子过滤器使用多个穿孔石墨烯片以分离集中的离子；图1是总体上与图6的布置相对应的管道布置的简化图，其中穿孔石墨烯片螺旋形地缠绕和封闭在圆筒内；以及图8是根据本公开的方面的分离装置的概念视图。【具体实施方式】图2是根据本公开的示例性实施方式或方面的基本脱盐、脱盐化或去离子化装置200的概念视图。在图2中，通道210将载离子水输送至安装在支撑室214中的过滤膜212。载离子水例如可以是海水或微咸水。在一个示例性实施方式中，过滤膜212能够以已知的方式缠绕成螺旋形。流过图2的通道210的载离子水的流动力或压力可通过来自罐216的重力作用或通过栗218来提供。阀236和238允许了对于载离子水源的选择。在装置或布置200中，过滤膜212为穿孔石墨烯片。石墨烯是具有单原子层厚度的碳原子层，其键合在一起以限定片310 (如图3所示)。单石墨稀片的厚度为约0.2到0.3纳米(nm)。多重石墨烯片可被形成，其具有更厚的厚度并且相应地具有更大强度。因为片是被生长或形成的，所以多重墨烯片可设置成多层。或者多重石墨烯片可通过将一个片层叠或定位在另一个片的顶部来实现。对于本文中所公开的所有实施方式，可以使用单石墨烯片或多重石墨烯片。测试表明，因为自粘作用的结果，多层石墨烯保持了它们的完整性和功能。这提升了片的强度，并且一些情况下提升了流动性能。图3的石墨烯片310的碳原子限定由六个碳原子构成的六角环形结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从介质分离成分的方法，包括：提供具有至少一个石墨烯层的初级片，其中，所述具有至少一个石墨烯层的初级片具有选择为允许介质通过但不允许所述介质中的选定成分通过的多个穿设孔；将所述具有至少一个石墨烯层的初级片设置于初级室中，所述初级室具有初级进口、初级出口和初级下部流动路径；以及对所述介质加压以使得所述介质以从所述初级进口到所述初级出口的、与所述具有至少一个石墨烯层的初级片基本平行的路径流动，所述介质流至所述具有至少一个石墨烯层的初级片的第一表面上，以使得所述介质的一部分通过所述多个穿设孔流至所述具有至少一个石墨烯层的初级片的第二侧，而所述介质的剩余部分和所述介质中不被允许的所述选定成分从所述初级出口流出。

【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：小约翰·B·斯泰森，乔纳森·莫克里奥，艾伦·罗森温克，彼得·V·拜德沃斯，肖恩·P·弗菜明，亚伦·L·韦斯特曼，
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