一種采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其包括：一第一容器，所述第一容器用于盛放待分離的液體或氣體；一與所述第一容器連接的第二容器，所述第二容器用于收集分離后的液體或氣體；以及一設(shè)置于所述第一容器和第二容器連接處的過濾膜，從而使所述第一容器內(nèi)的液體或氣體可以沿著平行于所述過濾膜厚度的方向流向第二容器，其中，所述過濾膜包括多個層層堆疊設(shè)置的二維微納米材料微片，相鄰的二維微納米材料微片之間定義多個微孔，且所述二維微納米材料微片的厚度方向垂直于所述過濾膜的厚度方向。由于這種結(jié)構(gòu)的膜的二維微納米材料微片層間形成多且短的通道，通道具有原子尺度光滑，可以實現(xiàn)低摩擦高速輸運，本發(fā)明提供的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，具有高通量和低能耗的優(yōu)點。
【專利說明】
一種采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于微納米技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用二維微納米材料的過濾膜的過濾 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)濾膜依據(jù)其孔徑的不同（或稱為截留分子量），可將其分為微濾膜(MF，孔徑 0.02微米~10微米）、超濾膜(UF，孔徑0.001微米~0.02微米)和反滲透膜(R0,孔徑0.0001微 米~0.001微米)等。目前，隨著石墨稀、氧化石墨稀等二維微納米材料微片的發(fā)現(xiàn)，采用二維 微納米材料微片制備過濾膜成為研究熱點。
[0003] 2010年諾貝爾獎獲得者安德烈?海姆研究組，在2012年science期刊上報道了采 用旋涂方法制成亞微米厚度的層層堆積氧化石墨烯膜。研究發(fā)現(xiàn)，這種氧化石墨烯膜完全 不透氣體(包括氦氣），水分子卻可以在層間幾乎無障礙的高速通過。這是由于氧化石墨烯 的親水性以及層間低摩擦原因所致。正是這種選擇通過性使氧化石墨烯膜在水脫鹽和氣體 分離領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，沿著氧化石墨烯微片厚度方向過濾時，水分子需要 "穿插迂回"，見圖2a，導(dǎo)致氧化石墨烯膜通量減小和能量的耗散。
[0004] 因此，有必要提供一種高通量和低能耗的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝 置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種高通量和低能耗的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置。
[0006] -種采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其包括:一第一容器，所述第一容 器用于盛放待分離的液體或氣體;一與所述第一容器連接的第二容器，所述第二容器用于 收集分離后的液體或氣體；以及一設(shè)置于所述第一容器和第二容器連接處的過濾膜，從而 使所述第一容器內(nèi)的液體或氣體可以沿著平行于石墨烯微片方向（所述過濾膜厚度的方 向）流向第二容器，其中，所述過濾膜包括多個層層堆疊設(shè)置的二維微納米材料微片，相鄰 的二維微納米材料微片之間定義多個微孔，且所述二維微納米材料微片的厚度方向垂直于 所述過濾膜的厚度方向。
[0007]如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，所述過濾膜的厚度 為0.001微米~1000微米。
[0008] 如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，所述二維微納米材 料微片的片間通過范德華作用，靜電作用，氫鍵，配位鍵或共價鍵交聯(lián)結(jié)合。
[0009] 如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，相鄰的二維微納米 材料微片之間的間距為〇. 1納米~1 〇〇納米。
[0010]如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，所述二維微納米材 料微片為二維過渡態(tài)金屬化合物和二維四五族元素材料及其衍生物中的一種或多種。 [0011]如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，所述二維微納米材 料微片為石墨烯微片、氧化石墨烯微片以及二硫化鉬微片中的一種或多種。
[0012] 如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，所述二維微納米材 料微片沿著該過濾膜厚度方向的尺寸等于該過濾膜的厚度。
[0013] 如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，進一步包括一具有 多個開孔的支撐體，所述過濾膜設(shè)置于該支撐體上。
[0014]如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，所述支撐體為一板 材結(jié)構(gòu)，且該支撐體的一表面具有一凹槽;所述過濾膜嵌入該凹槽中。
[0015] 如上所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其中，所述凹槽的深度等 于所述過濾膜的厚度。
[0016] 相比目前的過濾裝置，本裝置層層堆疊的二維微納米材料微片的厚度方向垂直于 所述過濾膜的厚度方向。由于這種結(jié)構(gòu)的膜的二維微納米材料微片層間形成多且短的通 道，通道具有原子尺度光滑，可以實現(xiàn)低摩擦高速輸運，具有高通量和低能耗的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實施例提供的過濾裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明實施例提供的過濾裝置的過濾膜(2b)和現(xiàn)有技術(shù)的過濾膜(2a)的工 作原理對比圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明實施例基于斯托克斯方程推導(dǎo)過濾膜膜通量和壓差關(guān)系的膜結(jié)構(gòu)最 小代表單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明實施例提供的過濾裝置的支撐體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 主要元件符號說明
如下【具體實施方式】將結(jié)合上述附圖進一步說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0022] 以下將結(jié)合上述附圖和不同實施例說明本發(fā)明提供的采用二維微納米材料的過 濾膜的過濾裝置。
[0023]參見圖1，本發(fā)明實施例提供的制備微納米材料的膜材料的過濾裝置10包括:一第 一容器12、一第二容器14以及一過濾膜16。
[0024]所述第一容器12用于盛放待分離的液體或氣體。所述第二容器14與所述第一容器 12連接。所述第二容器14用于收集分離后的液體或氣體。所述第一容器12和第二容器14的 形狀、大小和結(jié)構(gòu)不限，可以根據(jù)需要設(shè)計。所述第一容器12和第二容器14的材料可以為金 屬、陶瓷、玻璃、石英或聚合物等具有一定硬度和強度的材料。所述第二容器14可以與所述 第一容器12間隔設(shè)置，或者也可以在所述第二容器14上設(shè)置一排氣孔，從而在收集分離后 的氣體和液體的同時將所述第二容器14內(nèi)的氣體排出去。本實施例中，所述第一容器12和 第二容器14均為長方體形玻璃容器。
[0025]所述過濾膜16設(shè)置于所述第一容器12和第二容器14的連接處，從而使所述第一容 器12內(nèi)的液體或氣體通過所述過濾膜16流向第二容器14。所述過濾膜16具有一第一表面 162以及一與該第一表面162平行的第二表面164。所述過濾膜16的第一表面162與第二表面 164之間的距離為其厚度。所述過濾膜16的厚度不限，可以為0.001微米~1000微米。本實施 例中，所述過濾膜16的厚度為0.01微米~100微米。所述過濾膜16的厚度遠遠小于所述過濾 膜16垂直于厚度方向的尺度。例如，所述過濾膜16的厚度為垂直于厚度方向的尺度的幾十 分之一，或者幾百分之一。所述過濾膜16包括多個層層堆疊設(shè)置的二維微納米材料微片 166。所述二維微納米材料微片166的厚度方向垂直于所述過濾膜16的厚度方向。本實施例 中，所述過濾膜16的厚度方向平行于液體或氣體的流動方向18。即，所述液體或氣體沿著所 述二維微納米材料微片166的層間流動。相鄰的二維微納米材料微片166之間定義多個微孔 168。相鄰的二維微納米材料微片166之間的間距可調(diào)控，可以為0.1納米~100納米。本實施 例中，相鄰的二維微納米材料微片166之間的間距為1納米~50納米。
[0026] 所述二維微納米材料微片166指的是厚度為納米尺度，而其他維度為非納米尺度 的片狀或?qū)訝畈牧?。?yōu)選地，所述二維微納米材料微片166的厚度為0.1納米~10納米，而其 他維度的尺寸大于100納米。所述二維微納米材料微片166可以為二維過渡態(tài)金屬化合物， 二維四五族元素材料及其衍生物中的一種或多種。具體地，所述二維微納米材料微片166可 以為石墨烯微片、氧化石墨烯微片、二硫化鉬微片中的一種或多種。所述二維微納米材料微 片166的尺寸和形狀不限，可以根據(jù)需要選擇。優(yōu)選地，所述二維微納米材料微片166沿著該 過濾膜16厚度方向的尺寸等于該過濾膜16厚度。這樣，沿著該過濾膜16厚度方向具有最短 的通道。進一步，所述二維微納米材料微片166的片間可以引入物理或化學(xué)交聯(lián)。例如，引入 高分子粘合，金屬離子形成層間配位鍵交聯(lián)，輻照形成層間共鍵交聯(lián)。這些物理或化學(xué)交聯(lián) 可以增強所述二維微納米材料微片166間的結(jié)合作用，調(diào)節(jié)微片166排布結(jié)構(gòu)，使過濾膜16 結(jié)構(gòu)更加可控、穩(wěn)定、耐用。
[0027] 所述過濾膜16可以通過旋涂，滴涂和抽濾等成膜方法將二維微納米材料微片166 層層堆疊成膜，二維微納米材料微片166垂直于其厚度堆疊。例如，本發(fā)明可以先制備多個 二維微納米材料微片166的厚度方向平行與過濾膜厚度方向的膜材料（即，現(xiàn)有的膜材料）， 然后將該多個膜材料層疊設(shè)置得到一預(yù)制體，最后，沿著垂直于二維微納米材料微片166的 厚度方向切割該預(yù)制體得到多個過濾膜16。可以理解，制備該過濾膜16的方法不限。
[0028] 參見圖2,相較于現(xiàn)有技術(shù)過濾膜16,本發(fā)明的過濾膜16工作時，水分子19的通道 的增多和縮短，膜通量提高。本發(fā)明加工由二維材料微片組成且其厚度垂直于膜厚度堆疊 的過濾膜，通過計算發(fā)現(xiàn)，這種過濾膜在相同壓差和厚度下，由于水分子通道的增多和縮 短，同等厚度和壓差下膜通量相比垂直于厚度排列的膜高1〇2~10,詳見以下推導(dǎo)。本發(fā)明 實現(xiàn)了二維微納米材料微片的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計，所制得膜具有通道增多和縮短，在高效節(jié)能 利用氧化石墨烯膜進行水脫鹽和氣體分離方面有著重要的意義。
[0029] 參見圖3,用于斯托克斯方程推導(dǎo)壓差與膜通量關(guān)系的該過濾膜16的代表單元，其 中，二維微納米材料微片166的通道層間距為d和長度為1，寬度為w，流體粘性為μ，則流量q 與壓差A(yù) p的關(guān)系為
當現(xiàn)有技術(shù)的過濾膜與本發(fā)明的過濾膜同等厚度時， 取L = H〇
[0030] 現(xiàn)有技術(shù)中，流體自上往下流動:二維微納米材料微片166的通道數(shù)目為1，通道長 度1 =(HXL)/d = L2/d。因此：
2)。本發(fā)明中，流體自左往右流動:二維微 納米材料微片166的通道數(shù)目n ~ H/d = L/d，二維微納米材料微片166的通道長度1 = L。因此
（3)。因此，
1)。以氧化石墨烯薄膜中的微片為例，其 層間距chi納米，片層大小L為10納米~100微米，那么qL/qT大約為102~10 1()。即，本發(fā)明 中，由于側(cè)向通道的增多和通道長度縮小導(dǎo)致側(cè)向過濾的膜通量大大提高。
[0031] 進一步，參見圖4,所述過濾裝置10還可以包括一支撐體17。所述過濾膜16設(shè)置于 該支撐體17上。所述支撐體17用于支撐和固定該過濾膜16,其形狀和結(jié)構(gòu)不限，可以根據(jù)需 要設(shè)計。本實施例中，所述支撐體17為一板材結(jié)構(gòu)，且該支撐體17的一表面具有一凹槽170。 所述過濾膜16與該支撐體17層疊設(shè)置，且嵌入該凹槽170中。優(yōu)選地，所述凹槽170的深度等 于所述過濾膜16厚度。所述凹槽170可以固定該過濾膜16,從而使其使用時不會被流體破 壞。所述凹槽170底部具有多個開孔172。所述開孔172形狀不限，可以為圓形、橢圓形、三角 形、正方形、長方形等。所述多個開孔172的尺寸不限，可以根據(jù)需要選擇。優(yōu)選地，在垂直于 該過濾膜16厚度的一個方向上，所述開孔172的尺寸小于所述二維微納米材料微片166的尺 寸。所述支撐體17可以采用砂芯濾板或金屬濾網(wǎng)等制備。所述支撐體17也可以是微孔濾膜， 例如，有機濾膜、水系濾膜、聚偏弗乙烯濾膜、聚酰胺濾膜、聚四氟乙烯濾膜或混合纖維素脂 濾膜。
[0032]進一步，所述過濾裝置10還可以包括一與該第二容器14連接的抽氣裝置（圖未 示）。所述抽氣裝置所述抽氣裝置設(shè)置的位置不限，可以根據(jù)需要選擇。所述抽氣裝置用于 抽取所述第二容器14內(nèi)的氣體，從而在所述第一容器12和第二容器14之間形成壓力差，加 快過濾速度。此時，所述第二容器14頂部應(yīng)當密封連接于所述第一容器12底部。所述抽氣裝 置可以為機械栗、分子栗、離子栗中的一種或多種。
[0033] 進一步，所述過濾裝置10還可以包括一與該第一容器14連接的施壓裝置（圖未 示）。所述施壓裝置設(shè)置的位置不限，可以根據(jù)需要選擇。所述施壓裝置與所述第一容器12 連接，用于向該第一容器12內(nèi)的液體或氣體施加壓力，從而進一步增加所述第一容器12和 第二容器14之間的壓力差。所述施壓裝置可以為活塞或充氣栗。
[0034] 另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神 所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其包括： 一第一容器，所述第一容器用于盛放待分離的液體或氣體； 一與所述第一容器連接的第二容器，所述第二容器用于收集分離后的液體或氣體；以 及 一設(shè)置于所述第一容器和第二容器連接處的過濾膜，從而使所述第一容器內(nèi)的液體或 氣體可以沿著垂直于所述過濾膜厚度的方向流向第二容器，其特征在于，所述過濾膜包括 多個層層堆疊設(shè)置的二維微納米材料微片，相鄰的二維微納米材料微片之間定義多個微 孔，且所述二維微納米材料微片的厚度方向垂直于所述過濾膜的厚度方向。2. 如權(quán)利要求1所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，所述過 濾膜的厚度為〇. 001微米~1000微米。3. 如權(quán)利要求1所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，所述二 維微納米材料微片的片間通過范德華作用，靜電作用，氫鍵，配位鍵或共價鍵結(jié)合。4. 如權(quán)利要求1所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，相鄰的 二維微納米材料微片之間的間距為0.1納米~100納米。5. 如權(quán)利要求1所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，所述二 維微納米材料微片為二維過渡態(tài)金屬化合物以及二維四五族元素材料中的一種或多種。6. 如權(quán)利要求1所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，所述二 維微納米材料微片為石墨烯微片、氧化石墨烯微片以及二硫化鉬微片中的一種或多種。7. 如權(quán)利要求1所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，所述二 維微納米材料微片沿著該過濾膜厚度方向的尺寸等于該過濾膜的厚度。8. 如權(quán)利要求1所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，進一步 包括一具有多個開孔的支撐體，所述過濾膜設(shè)置于該支撐體上。9. 如權(quán)利要求8所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，所述支 撐體為一板材結(jié)構(gòu)，且該支撐體的一表面具有一凹槽;所述過濾膜嵌入該凹槽中。10. 如權(quán)利要求9所述的采用二維微納米材料的過濾膜的過濾裝置，其特征在于，所述 凹槽的深度等于所述過濾膜的厚度。
【文檔編號】B01D61/00GK105854605SQ201610335636
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】徐志平, 高恩來, 焦淑平
【申請人】清華大學(xué)