一种离子选择性靶向抓取材料及其器件制造技术

本发明专利技术涉及电化学技术领域，具体地说是一种离子选择性靶向抓取材料及其器件

【技术实现步骤摘要】
一种离子选择性靶向抓取材料及其器件


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体地说是一种离子选择性靶向抓取材料及其器件
。

技术介绍

[0002]溶液中离子的分离
、
浓缩
、
提纯等工艺对于材料制备
、
化工
、
冶金
、
制药
、
检测等领域有广泛的应用
。
在大部分应用中，溶液中会存在多种离子共存，需要对特定的离子进行分离或抓取，这样才能浓缩和富集纯度较高的离子
。
对于溶液中的浓度较低的离子分离或富集，目前主要的技术是采用吸附材料，包括离子交换树脂
IER
或离子筛
IS
等的吸附，可对特定离子进行吸附分离
。
一般吸附材料对离子的容量较低，吸附时间较长，材料吸附易饱和
。
如当水溶液中离子浓度在
100
‑
1000mg/L
范围内时，对离子半径较小的硼
、
锂
、
氟等离子的吸附容量一般在1‑
20mg/g
范围，吸附时间在
12
‑
36
小时
。
当离子被吸附材料吸附饱和后，需要通过化学药剂（有机溶剂
、
酸
、
碱）或纯水将吸附的离子脱附下来，这样会消耗较多化学药剂或水，同时易造成环境污染风险
。
[0003]对于浓度较高的离子溶液（
1000
‑
10000mg/L
），一般采用电渗析（
ED
）工艺对水溶液中的离子进行分离和浓缩，分离效率较高
、
速度快（5‑
10h
）；其原理是离子在电场作用下通过阴阳离子交换膜后进行分离和浓缩
。
一般电渗析技术主要用于分离各类阴阳离子，无法对特定的离子进行选择性分离
。
若采用特殊的离子交换膜可以对一价与两价的离子进行分离，然而对于同一价态离子则无法选择分离
。
因此，用电渗析技术对多种离子混合的水溶液进行离子分离和浓缩时，需要采用多层离子交换膜组成的多个隔水室，电极间所加的电压较高（典型值为5‑
35V
），总体能耗较大
。
同时，离子交换膜需要经常清洗，消耗化学药剂，易造成二次污染风险
。
[0004]为降低电渗析
ED
分离离子的能耗等，新发展了电容去离子（
CDI
）和膜电容去离子（
MCDI
）技术，可在较低电压（
<1.2V
）下工作，在分离和浓缩离子时的能耗较低，同时无需经常使用化学药剂清洗，绿色环保
。CDI
和
MCDI
一般适合溶液中离子浓度在
100
‑
5000mg/L。 同样，
CDI
只能分离阴阳离子，或采用具有特殊离子交换膜的
MCDI
可分离一价和两价离子，无法选择性分离或抓取同一价态的特定离子
。
[0005]现有技术如离子交换树脂去离子
IEC、
离子交换膜
IS、
电渗析去离子
ED、
电容吸附去离子
CDI、
膜电容去离子
MCDI
主要适用于离子浓度
≥100mg/L
溶液中离子的分离和浓缩，对于小离子浓度
<100mg/L
的溶液分离效率极低，运行成本较高
。
另外，一般的离子交换膜只分离阴
、
阳离子，一些特殊离子交换膜可以对二价以下的离子进行浓缩和分离，但是针对同价电的不同离子类别没有区分能力
。
即使是微孔膜技术（如
NF
和
RO
），也只能按孔径大小来分离二价和一价离子，对电荷量较小且大小接近的离子无法分离
。
目前现有技术有许多不足，如适用的溶液离子浓度范围窄
、
去离子容量小
、
化学药剂吸附法易造成二次污染
、
工艺能耗大等问题，特别是无法实现对单种或几种指向性特定离子进行分离或抓取
。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服现有技术的不足，提供一种离子选择性靶向抓取材料及其器件
。
[0007]为实现上述目的，设计一种离子选择性靶向抓取材料，其特征在于：所述的离子选择性靶向抓取材料由至少三层结构的功能薄膜组成，功能薄膜从左至右依次为导电层
、
离子吸附层
、
离子透过层，功能薄膜分为阴极电极和阳极电极，阴极电极包括阴极导电层
、
阴极阳离子吸附层，阴极阳离子透过层，阳极电极包括阳极导电层
、
阳极阴离子吸附层，阳极阴离子透过层，阴极电极和阳极电极可为相同或不同类型的材料组成，阴极电极可选择抓取特征阳离子，阳极电极可选择抓取特征阴离子，功能薄膜膜层的厚度与孔洞根据特征目标离子进行调整
。
[0008]所述的导电层材料是由碳和金属铂
、
金
、
银
、
钽
、
钛
、
铜
、
锌
、
铝
、
不锈钢中的至少一种组成，厚度范围为1‑
500
μ
m
，上述膜层紧密附着在导电板或导电覆膜板上，或者以导电板或导电覆膜板的导电面为导电层；离子吸附层材料是由碳和氧化物的复合微孔吸附材料组成，微孔尺寸范围为
0.1
‑
5nm
，与抓取的特征离子尺寸相匹配，厚度范围为
0.1
‑
100
μ
m
；离子透过层材料是由微孔结构的氧化物
、
聚合物中的至少一种或二者的复合材料组成，微孔尺寸范围为1‑
500nm
，适用于分离的非特征离子的尺寸范围，厚度范围为
0.1
‑
100
μ
m。
[0009]所述的离子吸附层采用亲水性的薄膜材料，透过层采用疏水性的微孔复合薄膜材料
。
[0010]所述的氧化物包括氧化铝
、
氧化硅
、
氧化锰
、
氧化钛
、
氧化铜
、
氧化铁
、
氧化镍
、
氧化钴
、
氧化锌
、
氧化锡
、
氧化磷中的至少一种；聚合物包括聚四氟乙烯
、
聚三氟氯乙烯
、
聚偏二氟乙烯
、
聚丙烯腈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种离子选择性靶向抓取材料，其特征在于：所述的离子选择性靶向抓取材料由至少三层结构的功能薄膜组成，功能薄膜从左至右依次为导电层
、
离子吸附层
、
离子透过层，功能薄膜分为阴极电极（1）和阳极电极（2），阴极电极（1）包括阴极导电层（1‑1）
、
阴极阳离子吸附层（1‑2），阴极阳离子透过层（1‑3），阳极电极（2）包括阳极导电层（2‑1）
、
阳极阴离子吸附层（2‑2），阳极阴离子透过层（2‑3），阴极电极（1）和阳极电极（2）可为相同或不同类型的材料组成，阴极电极（1）可选择抓取特征阳离子，阳极电极（2）可选择抓取特征阴离子，功能薄膜膜层的厚度与孔洞根据特征目标离子进行调整
。2.
根据权利要求1所述的一种离子选择性靶向抓取材料，其特征在于：所述的导电层材料是由碳和金属铂
、
金
、
银
、
钽
、
钛
、
铜
、
锌
、
铝
、
不锈钢中的至少一种组成，厚度范围为1‑
500
μ
m
，上述膜层紧密附着在导电板或导电覆膜板上，或者以导电板或导电覆膜板的导电面为导电层；离子吸附层材料是由碳和氧化物的复合微孔吸附材料组成，微孔尺寸范围为
0.1
‑
5nm
，与抓取的特征离子尺寸相匹配，厚度范围为
0.1
‑
100
μ
m
；离子透过层材料是由微孔结构的氧化物
、
聚合物中的至少一种或二者的复合材料组成，微孔尺寸范围为1‑
500nm
，适用于分离的非特征离子的尺寸范围，厚度范围为
0.1
‑
100
μ
m。3.
根据权利要求1所述的一种离子选择性靶向抓取材料，其特征在于：所述的离子吸附层采用亲水性的薄膜材料，透过层采用疏水性的微孔复合薄膜材料
。4.
根据权利要求2所述的一种离子选择性靶向抓取材料，其特征在于：所述的氧化物包括氧化铝
、
氧化硅
、
氧化锰
、
氧化钛
、
氧化铜
、
氧化铁
、
氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙新昊，刘素霞，孙卓，张哲娟，
申请(专利权)人：上海纳晶科技有限公司，
类型：发明
国别省市：