機(jī)械應(yīng)變控制的納米孔狀二硫化鉬在海水淡化中的用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于分子過(guò)濾技術(shù)領(lǐng)域，涉及機(jī)械應(yīng)變控制的納米孔狀二硫化鉬的新用途，具體涉及其在海水淡化中的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著人口增長(zhǎng)、快速城市化進(jìn)程以及全球氣候變化等問(wèn)題，全球的淡水資源已面臨極為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，尋求行之有效的解決方法刻不容緩。眾所周知，海水淡化技術(shù)可以起到緩解淡水供應(yīng)壓力的作用。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，為人們所廣泛熟知的脫鹽方法是反滲透(Reverse Osmosis，RO)(參見 Sidney, L.; Srinivasa, S.， In Saline WaterConvers1n-11 -AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, 1963，38，pll7)，但是該方法耗能過(guò)大，導(dǎo)致淡化水的成本高。
[0003]近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)基于二維納米材料而設(shè)計(jì)的膜的新方法極大地推動(dòng)了過(guò)濾膜技術(shù)的發(fā)展。其中，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬首次提出(參見Sint，K., Wang, B.,et al., J.Am.Chem.Soc., 2008, 130, pl6448 和 Cohen-Tanugi, D.; Grossman, J.C., Nano Lett., 2012, 12，p3602)并于近期實(shí)驗(yàn)制得(參見O’Hern, S.C., Boutilier,M.S., et al., Nano Lett., 2014, 14, pl234^PlSurwade，S.P., Smirnov, S.N., etal.，Nat Nano, 2015, 10, p459)的基于石墨稀的納米孔狀過(guò)濾膜可以看作是脫鹽納米技術(shù)的一座里程碑。這種石墨烯過(guò)濾膜的優(yōu)點(diǎn)在于其異乎尋常的薄度(只有一個(gè)原子層)、較高的機(jī)械穩(wěn)定性以及簡(jiǎn)單的制孔技術(shù)。所制得的具有精確尺寸的納米孔允許水分子或某些種類的離子穿過(guò)石墨烯過(guò)濾膜并阻斷溶劑中其它組分的通量。但是，石墨烯過(guò)濾膜的缺點(diǎn)在于其“開”與“關(guān)”的狀態(tài)是固定的，不能通過(guò)外力加以控制，這就限制了其應(yīng)用范圍。
[0004]2011年，愛爾蘭和英國(guó)科學(xué)家共同報(bào)道了通過(guò)化學(xué)剝離的方法首次合成了單層形式的二硫化鉬(參見 Coleman, J.N.; Lotya, M.et al.Science2Qll, 331，p568)，其顯示出獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)以及優(yōu)良的熱力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，使其在光伏電池、析氫催化劑、潤(rùn)滑劑等多種領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，到目前為止，關(guān)于將二硫化鉬二維納米材料用于分子水平過(guò)濾的應(yīng)用未見報(bào)道。
[0005]鑒于此，開發(fā)能夠替代石墨烯過(guò)濾膜且生產(chǎn)成本相對(duì)較低的二硫化鉬二維納米材料并將其應(yīng)用于過(guò)濾(如海水淡化)將具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]由于單層二硫化鉬具有三明治狀結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，其楊氏模量(約270GPa)明顯小于具有單層片狀結(jié)構(gòu)的石墨烯(約ITPa)。因此，其對(duì)于機(jī)械應(yīng)變是比較敏感的，這意味著通過(guò)對(duì)帶有納米孔的二硫化鉬片層施加拉力可以使其實(shí)現(xiàn)可控的“開放”和“關(guān)閉”狀態(tài)。這種可調(diào)節(jié)性將有助于調(diào)節(jié)單層二硫化鉬的篩濾性能，因此本發(fā)明提供了一種利用機(jī)械應(yīng)變控制的納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜進(jìn)行海水淡化的方法，其包括如下步驟:
(I)將納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜固定在過(guò)濾膜框架上； (2)將過(guò)濾膜框架安裝在海水過(guò)濾裝置中，作為過(guò)濾元件使用；
(3)對(duì)過(guò)濾膜框架施加拉力，通過(guò)改變拉力的大小使過(guò)濾膜框架中的過(guò)濾膜表面積增加6%至12%，以便打開過(guò)濾膜中的納米孔結(jié)構(gòu)；
(4)采用加壓元件對(duì)海水進(jìn)行加壓，其中作用在納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜上的壓強(qiáng)范圍為O至lOOMPa，借此使海水中的水分子通過(guò)納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜，而無(wú)機(jī)鹽離子被阻隔，以便完成海水淡化。
[0007]優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案中，步驟(I)中所述納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜選自鉬原子缺陷型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜、硫原子缺陷型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜、三原子缺陷型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜、化學(xué)修飾型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜中的任意一種；所述化學(xué)修飾型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜選自氫原子飽和型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜、氟原子飽和型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜、羥基飽和型納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜中的任意一種。
[0008]優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案中，步驟(3)中通過(guò)改變拉力的大小使過(guò)濾膜框架中的過(guò)濾膜表面積增加9%至12%，以便提高過(guò)濾膜對(duì)水的通透性。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、與傳統(tǒng)的反滲透膜和石墨烯過(guò)濾膜相比，納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜的優(yōu)異特點(diǎn)是可以通過(guò)機(jī)械應(yīng)變控制其“開放”和“關(guān)閉”的狀態(tài)，因此是可控的納米器件；
2、與傳統(tǒng)的石墨烯過(guò)濾膜相比，納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜的生產(chǎn)成本顯著降低，減輕了生產(chǎn)商的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，有益于長(zhǎng)期可持續(xù)性生產(chǎn)；
3、利用本發(fā)明中公開的方法進(jìn)行海水淡化，大大降低了實(shí)施過(guò)程中所需的能耗，起到了節(jié)能減排、綠色環(huán)保的功效；
4、本發(fā)明中公開的方法對(duì)于設(shè)備的要求較低，有利于擴(kuò)大其應(yīng)用規(guī)模，具有顯著的工業(yè)實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為單層二硫化鉬的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為原始條件下的俯視圖，(b)為原始條件下的側(cè)視圖，且(c )為施加外界拉力后的俯視圖；從(a)和(b )中可以看出，單層二硫化鉬具有類似于六邊形的晶格結(jié)構(gòu)，處于中間亞層中的每一個(gè)鉬原子(表示為體積較大的球體)與六個(gè)硫原子(表示為體積較小的球體)共價(jià)結(jié)合，硫原子被布置為上下兩個(gè)亞層，共同形成所示的三明治狀結(jié)構(gòu)；在借助離子注入或控制生長(zhǎng)條件，從(a)中所示的結(jié)構(gòu)中除去以符號(hào)X標(biāo)記的原子之后，就形成了如(C)所示的包含納米孔結(jié)構(gòu)的單層二硫化鉬。
[0011]圖2為納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜的海水淡化實(shí)驗(yàn)?zāi)M效果圖。
[0012]圖3為不同應(yīng)變條件下納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜的性能曲線圖，其中(a)代表6%應(yīng)變條件下的累積水通量圖，(b)代表9%應(yīng)變條件下的累積水通量圖，且(c)代表12%應(yīng)變條件下的累積水通量圖，每一幅圖中的7條曲線均對(duì)應(yīng)活塞上所施加的不同外力(分別相當(dāng)于1、10、20、40、60、80和lOOMPa); (d)代表9%和12%應(yīng)變條件下水流速與活塞上所施加的壓強(qiáng)之間的相依性曲線圖。
[0013]圖4為用于說(shuō)明納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜的應(yīng)變與水通量之間的量化關(guān)系的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)展示了 9%應(yīng)變條件下過(guò)濾膜中的水通道，且(b)展示了 12%應(yīng)變條件下過(guò)濾膜中的水通道。
[0014]圖5為二硫化鉬過(guò)濾膜的納米孔兩側(cè)的水分子及無(wú)機(jī)鹽離子的密度分布曲線圖，其中納米孔的中心位于z軸原點(diǎn)，(a)代表9%應(yīng)變條件下水分子的密度分布曲線圖，(b)代表9%應(yīng)變條件下鈉離子和氯離子的密度分布曲線圖，(c)代表12%應(yīng)變條件下水分子的密度分布曲線圖，且(d)代表12%應(yīng)變條件下鈉離子和氯離子的密度分布曲線圖。
[0015]圖6為12%應(yīng)變條件下鈉離子、氯離子以及水分子與納米孔中心之間的平均力勢(shì)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步的闡述。應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明而并非限制本發(fā)明的范圍。
[0017]實(shí)施例一:海水淡化過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。
[0018]本實(shí)施例采用分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估不同應(yīng)變條件下納米孔狀二硫化鉬過(guò)濾膜在海水淡化過(guò)程中的性能，具體過(guò)程如下:
借鑒 J Am.Chem.Soc., 2008，130，pi6448 和艙Zei1