用于過濾和選擇性分離和回收裝置的可調(diào)諧分層石墨烯膜配置的制作方法
【專利摘要】一種用于過濾或選擇性流體分離和回收裝置的可調(diào)諧膜配置(10)包括外殼(12)，外殼(12)具有位于一端處的入口和位于相對端處的出口，并具有從入口向出口延伸的開口。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)保持在開口中，包括石墨烯膜(42/43)的分層過濾介質(zhì)由內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)承載，介質(zhì)將在入口處接納的給水分離成至少三個分離的輸出流(26、28、30)。能夠通過電荷控制(78)來控制濃度極化(84)和孔隙尺寸(55)。
【專利說明】用于過濾和選擇性分離和回收裝置的可調(diào)諧分層石墨烯膜配置
[0001]本申請要求于2012年3月29日提交的第61/617，264號美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時申請通過引用并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]一般地，本發(fā)明涉及用于過濾和選擇性流體分離和回收裝置的膜配置設(shè)計。具體地，本發(fā)明涉及用于過濾或選擇性流體分離和回收裝置的分層膜配置。更具體地，本發(fā)明涉及包括至少一個高通量、高選擇性膜的材料的分層配置。這些層可布置為平面、螺旋纏繞、或閉端流或交叉流中的其他替代的多路通道配置中。

【背景技術(shù)】
[0003]目前，淡化水的將近一半的線上能力通過反滲透過濾處理來實現(xiàn)。反滲透的市場份額不斷增長，但是目前反滲透技術(shù)仍然是資本和能源密集型的，并且產(chǎn)品的設(shè)計和性能受到目前的聚合物過濾膜的限制。目前對于聚合物過濾的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是八英寸直徑乘以四十英寸長度的螺旋纏繞膜，其具有400至440平方英尺的有效膜面積。這些裝置在滲透率上收到限制，這轉(zhuǎn)而限制了每單位面積的輸出水或通量，并且需要增加的膜面積和操作壓力。這些高的膜面積要求和操作壓力是膜阻力(即滲透性)以及濃差極化、結(jié)垢、污染等的結(jié)果。因此，需要頻繁地清潔并且最終更換這些過濾裝置。與通量和相關(guān)膜面積要求有關(guān)的限制導(dǎo)致顯著的資本成本。對高操作壓力裝置的需求增加了操作過濾裝置所需的能量，并且進(jìn)一步導(dǎo)致由污染和壓縮引起的膜的劣化，這也增加了操作成本。
[0004]目前用于反滲透的過濾裝置利用八英寸直徑乘四十英寸長度的螺旋纏繞設(shè)計。過濾介質(zhì)中有二十至三十四個膜葉，膜葉提供活性膜面積以最大程度地過濾輸出。盡管已經(jīng)對過濾介質(zhì)進(jìn)行了改善，但是這些僅是漸進(jìn)性改善并且沒有解決關(guān)于有限的通量吞吐率提出的問題或滿足對高操作壓力的要求。
[0005]過濾和/或脫鹽的反滲透方法采用利用聚酰亞胺組分的活性過濾層。該技術(shù)利用溶液擴(kuò)散來將進(jìn)給材料分離成濃縮物和滲透物。在反滲透技術(shù)中，易受污染、結(jié)垢和壓縮的影響。這些材料也具有有限的化學(xué)和生物抗性以及有限的清潔方法，這轉(zhuǎn)而涉及對頻繁更換過濾裝置的需要。
[0006]為了保護(hù)膜材料，在脫鹽之前需要具有魯棒性的化學(xué)調(diào)節(jié)和預(yù)處理作為前端階段。預(yù)處理是資本密集型的并且需要工廠空間、設(shè)備、能量和化學(xué)品。當(dāng)前的預(yù)處理方法包括傳統(tǒng)的過濾和膜過濾。傳統(tǒng)的過濾類型包括筒式過濾和介質(zhì)過濾,例如絮凝、沉積、溶氣浮選、硅藻土、顆粒介質(zhì)、壓力過濾器和重力濾器。膜過濾包括浸沒式微過濾/超過濾和增壓式微過濾/超過濾。
[0007]此外，在一些裝置中目前狀態(tài)的反滲透膜需要多個后處理階段以實現(xiàn)期望的產(chǎn)物水。這些附加階段需要附加的工廠空間和能量消耗。
[0008]因此，在本領(lǐng)域?qū)τ谶^濾裝置有必要提供改善的流動特性、減小的尺寸和重量以及增加的使用壽命同時降低或整合對大量預(yù)處理和后處理的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)以上所述，本發(fā)明的第一方面提供一種用于過濾和選擇性分離和回收裝置的可調(diào)諧的分層膜配置。
[0010]本發(fā)明的另一方面提供用于過濾或選擇性流體分離和回收裝置的可調(diào)諧的膜配置，其包括外殼，其中該外殼具有位于一端的入口和位于相對端的出口，并具有從入口向出口延伸的開口 ；保持在開口中的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)以及由內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)承載的分層過濾介質(zhì)，介質(zhì)將在入口處接納的給水分離成至少三個分離的輸出流。
[0011]本發(fā)明的又一方面提供一種根據(jù)以上所述的裝置，其中過濾介質(zhì)包括至少三個流通道，并且至少兩個不同的平面膜與至少三個通道中的兩個相鄰設(shè)置，膜具有不同的可調(diào)諧的選擇性，產(chǎn)生有效的孔隙率，以將給水過濾成至少兩種排出物/滲透物。
[0012]上述實施方式的另一方面提供該裝置，其中過濾介質(zhì)還包括與每個膜相關(guān)并由內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)承載的膜支撐結(jié)構(gòu)。
[0013]上述實施方式的另一方面提供該裝置，其中至少三個通道中的一個是第一通道，該第一通道在其每側(cè)上具有至少一個第一平面膜。
[0014]上述實施方式的又一方面提供該裝置，其中至少三個通道中的一個是第二通道，第二通道在一側(cè)上具有膜支撐結(jié)構(gòu)并且在相對側(cè)上具有第二平面膜。
[0015]上述實施方式的另一方面提供該裝置，其中至少三個通道中的一個是第三通道，該第三通道在其兩側(cè)上具有膜支撐結(jié)構(gòu)。
[0016]上述實施方式的另一方面提供該裝置，其中平面膜由有孔石墨烯材料構(gòu)成。
[0017]上述實施方式的又一方面提供該裝置，其中平面膜可通過電荷或功能化調(diào)諧以獲得增加的選擇性通孔尺寸或電荷特性，或者提供能夠承載電荷的平面膜，該平面膜以這種方式被控制以破壞膜表面處的濃差極化效應(yīng)，或者提供平面膜中的一個，用于通過孔隙控制和電荷的結(jié)合使用選擇性分離或回收給水中的特定目標(biāo)。
[0018]選擇性分離實施方式的又一方面提供結(jié)合的孔隙控制和電荷以創(chuàng)建有效的孔隙率以用于增加的給水中的帶電粒子的阻隔選擇性。
[0019]上述第一實施方式的另一方面提供過濾介質(zhì)，其包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面膜，并且其中平面膜被配置成在單個裝置中包括微過濾/超過濾和納米過濾/反滲透的過濾的多個階段，或者具有更多選擇帶的過濾的一個類型的多個階段。
[0020]上述第一實施方式的另一方面提供過濾介質(zhì)，其包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面膜，并且其中平面膜被配置成反滲透脫鹽的多個階段以在單個裝置中使用具有相同選擇性的膜實現(xiàn)產(chǎn)物水質(zhì)量。
[0021]上述第一實施方式的又一方面是過濾介質(zhì)，其包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面膜，并且其中平面膜被配置成反滲透脫鹽的逐步選擇階段以降低每個遞增步驟的壓力和膜表面處相應(yīng)的濃差極化。
[0022]上述第一實施方式的再一方面提供過濾介質(zhì)，其包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面，并且其中平面膜被配置成選擇性分離和回收一個或多個滲透流中的目標(biāo)粒子、溶質(zhì)或分析物。
[0023]上述第一實施方式的又一方面提供分層過濾介質(zhì)，其能夠被配置成平面、管狀或螺旋纏繞配置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]參考以下描述、所附權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的這些及其他特征和優(yōu)點將被更好地理解，附圖都不是按比例示出的，在附圖中:
[0025]圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的過濾裝置的右側(cè)放大立體示意圖；
[0026]圖2是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的過濾裝置的左側(cè)放大立體示意圖；
[0027]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的過濾介質(zhì)的過濾裝置的橫截面示意圖；
[0028]圖4是示出了位于過濾介質(zhì)中的、在表面上出現(xiàn)濃差極化的膜的橫截面示意圖；
[0029]圖5是示出了連接至破壞用于帶電粒子的濃差極化的邊界層的外加電壓源的膜的橫截面示意圖；以及
[0030]圖6是示出了連接至外加電壓源的膜結(jié)合調(diào)整后的用于帶電粒子的高通量、高選擇性過濾的膜孔尺寸的橫截面示意圖。

【具體實施方式】
[0031]現(xiàn)在參照圖1和圖2，可以看到過濾裝置大體上由數(shù)字10表示。圖1示出了過濾裝置入口側(cè)的一般立體橫截面視圖，同時圖2示出了過濾裝置出口側(cè)的一般立體橫截面視圖。裝置10包括外殼12，外殼12可具有如圖所示的圓柱形結(jié)構(gòu)，但是根據(jù)最終用途應(yīng)用其他形狀被認(rèn)為是可能的。在任何情況下，外殼12包括入口 14，其接納用于過濾或選擇性分離和回收的給水15或其他流體。盡管在本說明書中使用術(shù)語給水(feedwater)，將要理解提供給過濾裝置的給水或流體材料可能不包括水。如本文所使用的，給水是指包括提供給過濾裝置用于進(jìn)行分離和去除的組分的介質(zhì)。
[0032]附接至入口的是入口蓋16，入口蓋16設(shè)置有允許將給水引導(dǎo)至外殼之內(nèi)的給水管18。本領(lǐng)域技術(shù)人員將要理解，如將要描述的，入口蓋16將接收的給水15引導(dǎo)至多個進(jìn)給通道之內(nèi)。在一些實施方式中，蓋16可具有將給水引導(dǎo)至進(jìn)給通道之內(nèi)的導(dǎo)管。在其他實施方式中，進(jìn)給通道可由無孔表面包圍從而給水被引導(dǎo)至進(jìn)給通道中。
[0033]出口 22設(shè)置在外殼12的相對端并設(shè)置有出口蓋24。出口蓋24包括至少兩個排出管、滲透管和濃縮管。在另一實施方式中，出口蓋包括滲透管26、中間滲透管28和濃縮管30。這些管、出口流或?qū)Ч芑诮o水后過濾之后的屬性引導(dǎo)過濾的給水，以供進(jìn)一步使用。出口蓋24被配置成保持滲透物、中間滲透物和濃縮物彼此分離。將要理解，濃縮物也可被稱作滲透物。
[0034]根據(jù)本申請，給水的任何過濾可包括用于恢復(fù)的目標(biāo)產(chǎn)物或用于去除的目標(biāo)雜質(zhì)或污染物。如果僅期望一個目標(biāo)滲透物，濃縮物流可結(jié)合起來進(jìn)行處理或分別處理。可期望回收中間濃縮物流，如貴金屬回收，其中中間階段為產(chǎn)物并且所有其他階段或收集用于處理或再使用。在水回收應(yīng)用中，通常，最后的分離產(chǎn)生濾液并且其他階段將被濃縮以進(jìn)行處理。如將要討論的，膜和出口管的分層可針對任何期望數(shù)量的濃縮物流和滲透物流進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0035]現(xiàn)在參照圖1至3，外殼12包括沿著其整個長度延伸的開口 32。保持在外殼12之內(nèi)的是內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)34，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)34其包括各個突出部、臺階或其他結(jié)構(gòu)特征以支撐大體上由數(shù)字36標(biāo)示的過濾介質(zhì)。其他封裝布置是可能的，包括螺旋纏繞或管狀配置。
[0036]過濾介質(zhì)36包括平面分層配置，該平面分層配置包括至少一個進(jìn)給通道40、至少一個高通量第一膜42、至少一個高通量第二膜43、至少一個膜多孔支撐結(jié)構(gòu)44、至少一個第一滲透間隔件52和至少一個第二滲透間隔件54。字母數(shù)字標(biāo)示FC (進(jìn)給通道40)、M1 (第一膜42)、M2 (第二膜42)、SS (支撐結(jié)構(gòu)44) > PSl (滲透間隔件52)、PS2(滲透間隔件54)設(shè)置在圖3中以提供關(guān)于每個層的清楚的標(biāo)示。將要理解，為了清楚起見，盡管過濾介質(zhì)的各個層顯示為略微間隔開來，在實踐中，各個相鄰層將處于彼此接觸的狀態(tài)，膜、進(jìn)給通道、和滲透間隔件之間適當(dāng)密封以在滲透物和濃縮物之間提供分離的輸出流路徑。還應(yīng)理解，膜和膜多孔支撐結(jié)構(gòu)可以是單個復(fù)合膜?？筛鶕?jù)給水中的組分以及如何使這些組分可以最好地、彼此有效地分離或過濾來使用上述部件的不同的位置布置。如本文中所使用的，給水可包含不期望的成分，如鈉、氯、鹽、毒素、病毒、細(xì)菌以及由流體介質(zhì)(如溶劑或水)攜帶的相似尺寸的其他懸浮污染物。
[0037]通常，給水15由至少一個進(jìn)給通道40接納，該進(jìn)給通道40將給水輸送至由支撐結(jié)構(gòu)44支撐的高通量膜42。進(jìn)給通道40可包括由編織或非編織材料組成的間隔材料。進(jìn)給間隔材料由聚合物材料構(gòu)成，如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺和/或含氟聚合物。具有期望的流體動力學(xué)屬性和應(yīng)用特定屬性的非聚合物材料(如多孔陶瓷或多孔燒結(jié)金屬)，或者具有期望的流體動力學(xué)屬性和應(yīng)用特定屬性的其他材料也可被用作進(jìn)給間隔件。進(jìn)給通道可具有0.02”至0.04”之間的厚度。其他實施方式可使用用于進(jìn)給通道的0.02”至0.20”之間的厚度。進(jìn)給通道40被配置成允許給水從入口朝向出口流動。每個膜支撐結(jié)構(gòu)包括多個孔洞48從而該結(jié)構(gòu)提供最小的流動阻力。在某些封裝配置中，進(jìn)給間隔件可用于設(shè)置使給水流過的通道高度。
[0038]在本實施方式中，支撐結(jié)構(gòu)由聚合物材料構(gòu)成，如聚碳酸酯或聚酯，它們可根據(jù)應(yīng)用結(jié)合使用以包括分層的或合成的襯墊結(jié)構(gòu)?？墒褂镁哂蓄愃平Y(jié)構(gòu)的流體動力學(xué)屬性的其他材料?？椎闹睆匠叽鐬?5至200納米之間的任何值并且可根據(jù)使用的孔洞大小彼此間隔開來，并期望使用盡可能打開的襯底材料以在充分支撐膜的同時保持期望的流動。
[0039]事實上，可使用具有高達(dá)25%的開口區(qū)域的結(jié)構(gòu)44?？墒褂镁哂衅渌叽绾烷g隔的孔洞。
[0040]在一些實施方式中，通道高度的尺寸可以為適應(yīng)通道間隔件設(shè)計的范圍以接納機(jī)械機(jī)構(gòu)57，在給水進(jìn)入高通量膜42之前，機(jī)械機(jī)構(gòu)57生成流體的湍流。如果使用時，機(jī)械機(jī)構(gòu)57可包括，但不限于，與進(jìn)給通道40或進(jìn)給間隔件相鄰或成一體的肋或突出。湍流也可通過電氣機(jī)制生成，電氣機(jī)制可包括，但不限于交流或直流電荷。
[0041]在本實施方式中，高通量膜42和43中的每個為第8，361，321號美國專利中所述的石墨烯膜，該美國專利通過引用并入本文。石墨烯膜是單原子層厚的碳原子層，碳原子結(jié)合在一起以限定片?？杀环Q作層或片的單個石墨烯膜的厚度約為0.2至0.3納米(nm)。在一些實施方式中，可形成多個石墨烯層，從而具有更大的厚度并相應(yīng)地具有更大的強(qiáng)度。隨著膜的產(chǎn)生或形成，多個石墨烯片可設(shè)置在多個層中，并且通常被稱為是少層石墨烯時。或者可通過層疊或?qū)⒁粋€石墨烯層放置在另一石墨烯層之上來實現(xiàn)多個石墨烯片。對于本文所公開的所有實施方式，可使用單層石墨烯或多層石墨烯層。測試表明，可能是自我粘附的結(jié)果，多層石墨烯保持層的完整性和功能性。這提高了膜的強(qiáng)度并且在一些情況下改善了流動性能。相對于聚酰胺或其他聚合物材料的過濾材料，有孔石墨烯高通量吞吐率材料提供了顯著提高的過濾性能。在大多數(shù)實施方式中，石墨烯膜為0.5至2納米厚。石墨烯層的碳原子限定由六個碳原子構(gòu)成的六角環(huán)形結(jié)構(gòu)(苯環(huán))的重復(fù)型式，這形成碳原子的蜂窩晶格。間隙孔由片中的每六個碳原子環(huán)結(jié)構(gòu)形成，并且此間隙孔的跨度小于I納米。事實上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，間隙孔被認(rèn)為在其最長尺寸處具有約0.23納米的跨度。因此，除非具有穿孔，否則間隙孔洞的尺寸和配置以及石墨烯的電子性質(zhì)阻止任何分子跨過石墨烯的厚度運(yùn)輸。該尺寸太小而難以允許水或離子通過。
[0042]為了形成有孔的石墨烯膜，制成一個或多個穿孔。典型的一般或標(biāo)稱圓形的孔或穿孔55被限定為通過石墨烯膜42。石墨烯膜43將具有在直徑上比孔55小的孔56。例如，孔55可具有約1.4納米的公稱直徑或具有1.2至1.6nm的直徑，同時孔56可具有約0.9nm的直徑或在0.8至1.2nm之間的范圍。選擇十分之八納米的尺寸以阻擋通常預(yù)期在鹽水或含鹽的水中的最小的離子，該離子為鈉離子。以類似的方式，選擇1.2納米的尺寸以阻擋如二價離子的離子，二價離子也在鹽水中發(fā)現(xiàn)。為了適當(dāng)?shù)貙⒔o水過濾為滲透物，給水將被弓I導(dǎo)通過具有逐漸變小的直徑的兩個或兩個以上的膜。在本實施方式中，第一膜將阻擋二價離子以及第二膜將阻擋一價離子?？状篌w上為圓形的形狀受以下事實的影響:即孔的邊緣由石墨烯膜42的六邊形碳環(huán)結(jié)構(gòu)部分地限定。其他孔的尺寸可根據(jù)給水的成分和該給水期望被阻擋或過濾的成分或組分選擇。因此，在一些實施方式中，孔55和56的尺寸可在
0.5nm至1.2nm的尺寸范圍內(nèi)變化,或者在其他實施方式中在1.0nm至1nm的尺寸范圍內(nèi)變化。并且在其他實施方式中，孔55和56的尺寸可在1nm至10nm的范圍內(nèi)變化。
[0043]石墨烯膜中的孔可通過選擇性氧化制成,選擇性氧化意味著在氧化劑下暴露選定的時間段。相信孔55/56還可通過激光鉆孔制成。如在出版物Nano Lett.2008年第8卷第7期的1965-1970頁中所描述的，最直接的穿孔策略是在升高的溫度下用氬氣中的稀釋氧氣來處理石墨烯膜。如其中所描述的，通過在I個大氣壓(atm)的氬中使用350毫托的氧氣在500°C的溫度下-在石墨烯中將20至180nm范圍中的通孔或孔洞蝕刻2個小時。該論文合理地建議孔洞的數(shù)量與石墨烯片中的缺損相關(guān)，并且孔洞的大小與停留時間相關(guān)。這被認(rèn)為是在石墨烯結(jié)構(gòu)中制造期望的穿孔的優(yōu)選方法。該結(jié)構(gòu)可以是石墨烯納米片和石墨烯納米帶。因此，期望范圍中的孔可通過較短的氧化時間形成。Kim等在“Fabricat1n and Characterizat1n of Large Area, Semiconducting NanoperforatedGraphene Materials (大范圍、半導(dǎo)化的納米有孔石墨烯材料的制造和表征)” (NanoLetters 2010，第10卷，第4期，2010年3月I日，第1125-1131頁)中所描述的另一更相關(guān)的方法利用自組裝聚合物，該自組裝聚合物使用反應(yīng)離子刻蝕來制造適于形成圖案的掩模。A P(S-blockMMA)塊狀共聚物形成PMMA柱的陣列，PMMA柱的陣列在重建時形成用于RIE的通孔?？锥吹母窬址浅Ｃ芗？锥吹臄?shù)量和尺寸通過PMMA塊的分子量和P(S-MMA)中的PMMA的重量百分率控制。任一種方法都有可能產(chǎn)生有孔的石墨烯片。也可采用形成孔的其他方法。在本文所公開的實施方式中，將要理解的是孔的尺寸被設(shè)置為阻擋給水的選定組分并允許其他組分通過。此外，可修改孔的邊緣以幫助阻擋或通過選定的組分。
[0044]盡管石墨烯是用作高通量膜42/43的示例性材料，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，其他材料如氮化硼、金屬硫族化合物、硅烯和鍺烯以及二硫化鑰也可以提供二維薄膜，雖然這些材料在用于過濾應(yīng)用時被認(rèn)為不如石墨烯理想。在任何情況下，膜42/43用于阻止給水的不需要的組分通過，同時允許期望的組分從中通過，并相應(yīng)地借助于穿過膜42/43設(shè)置的結(jié)構(gòu)孔洞48穿過支撐結(jié)構(gòu)44。在穿過第一支撐結(jié)構(gòu)44之后，流體材料流入第一滲透物間隔件52中。位于間隔件52下面的是第二膜43，第二膜43由另一個下面的支撐結(jié)構(gòu)44支撐或承載。流過下面支撐結(jié)構(gòu)44的流體然后被接納至第二滲透物間隔件54中。在本實施方式中，滲透物間隔件54的兩側(cè)都與支撐結(jié)構(gòu)44相鄰。該分層結(jié)構(gòu)如圖所示重復(fù)布置或者根據(jù)將給水過濾成期望的濃縮物和滲透物。在本實施方式中，滲透間隔件52被構(gòu)造和確定尺寸以用于壓縮性負(fù)荷，該壓縮性負(fù)荷的大小將與那些用于高壓操作的進(jìn)給間隔件42的壓縮性負(fù)荷的大小基本不同。滲透間隔件的目的不同，因為其主要向膜提供結(jié)構(gòu)支撐并且通常不用于產(chǎn)生如進(jìn)給間隔件所產(chǎn)生的流動湍流，因此。滲透間隔件也提供用于使?jié)B透物從膜的后側(cè)流向共同的滲透物收集裝置的導(dǎo)管。本領(lǐng)域技術(shù)人員將要理解，滲透間隔件的結(jié)構(gòu)和大小可根據(jù)給水的特性變化，因此操作壓力和滲透通量率也可變化。
[0045]在圖3所示的實施方式中，最上面的膜支撐結(jié)構(gòu)44支撐第一膜42。該過濾后的材料流過膜42和膜支撐結(jié)構(gòu)44并由滲透間隔件52接納。設(shè)置在間隔件52的下側(cè)的是由另一支撐結(jié)構(gòu)44支撐的另一膜43。設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)和另一相同結(jié)構(gòu)之間的是間隔件54。以間隔件54為中間組件，設(shè)置有倒序的層:第二膜43、間隔件52、支撐結(jié)構(gòu)44、膜42和進(jìn)給通道40。這些平面層被配置成提供期望的材料流。通過裝置的流順著外殼的長度從輸入側(cè)移動至輸出側(cè)，滲透流順著相應(yīng)的滲透通道移動，流的移動與相應(yīng)的膜表面相切。如圖3中所示，流動方向是進(jìn)入或離開頁面的方向。圖3中提供的指向箭頭是為了示出給水如何從一個層流動至另一個層。
[0046]過濾介質(zhì)36被配置成優(yōu)化各個層彼此之間的關(guān)系。因此，每個進(jìn)給通道40具有位于其一側(cè)上的至少一個膜，并且在某些情況下在其兩側(cè)上都具有膜。間隔件可設(shè)置在彼此相鄰的膜之間。每個滲透間隔件52具有位于一側(cè)上的支撐結(jié)構(gòu)44和位于另一側(cè)上的第一膜42。每個第二膜43具有位于一側(cè)上的滲透間隔件52和位于另一側(cè)上的支撐結(jié)構(gòu)44。每個滲透間隔件54在其兩側(cè)上具有支撐結(jié)構(gòu)44。最后，每個膜42位置在位于一側(cè)上的支撐結(jié)構(gòu)44與位于另一側(cè)的進(jìn)給通道之間。收集在滲透間隔件52中的過濾材料隨后通過滲透管26流出外殼。收集在滲透間隔件54中的過濾材料隨后通過滲透管28流出外殼。保持在進(jìn)給間隔件中的未過濾的或被阻擋的材料通過濃縮管30流出外殼。
[0047]本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，通道40、間隔件52和54、以及膜42和43具有平面結(jié)構(gòu)。換句話說，每個都設(shè)置有接納進(jìn)給供應(yīng)和過濾的流體的寬度和長度。在本實施方式中，支撐結(jié)構(gòu)44連同與其支撐的膜42是能夠憑借它們由內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)34的保持而從外殼移除的。支撐結(jié)構(gòu)44沿著每個側(cè)包括設(shè)置有柄狀物75的側(cè)邊緣74。每個柄狀物75包括凹槽76。每個凹槽76能夠可滑動地接納在相應(yīng)的脊34上。此外，每個柄狀物75的下側(cè)能夠可滑動地接納在相應(yīng)的突出部35上。支撐結(jié)構(gòu)44可機(jī)械固定至內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)(脊34，突出部35)以在操作期間維持壓力。松開該支撐結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入位于外殼內(nèi)部的間隔件和膜。在其他實施方式中，結(jié)構(gòu)可以是螺旋纏繞，或?qū)崿F(xiàn)多次通過的其他幾何結(jié)構(gòu)。如先前所討論的，膜42和43可以是高通量吞吐率材料。
[0048]相鄰層可特定地彼此相關(guān)。例如，第一膜42、支撐結(jié)構(gòu)44、滲透間隔件52、第二膜43、另一支撐結(jié)構(gòu)44、滲透間隔件54、又一支撐結(jié)構(gòu)44、另一第二膜43、另一滲透間隔件52、再一支撐結(jié)構(gòu)44以及另一第一膜42可以按順序?qū)盈B配置以形成膜葉結(jié)構(gòu)。該葉結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要拆卸與更換，其中，該葉結(jié)構(gòu)可具有任意數(shù)量的具有不同孔尺寸的不同的膜。相關(guān)的支撐結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要彼此固定。
[0049]在一個實施方式中，膜是由具有多個授權(quán)的可調(diào)諧特性的有孔石墨烯材料構(gòu)成，授權(quán)的可調(diào)諧特性包括通過使用各種穿孔技術(shù)的孔尺寸控制(其示例已經(jīng)在上面描述)、以及電荷、電氣或化學(xué)變化，如第13/422, 753號美國專利申請“Funct1nalizat1n ofGraphene Holes for De1nizat1n(用于去離子作用的石墨烯孔洞的功能化)”中所述,該申請通過引用并入本文。分層石墨烯基膜可利用聯(lián)接至支撐多孔襯墊的大尺寸石墨烯片制成或通過沉積在多孔襯墊上的微尺寸片晶制成以在所述襯墊上有效地創(chuàng)建固態(tài)石墨烯過濾層。在所有情況下，石墨烯是多孔的以允許期望的流體流動。在一些情況下，生長為具有納米級缺陷的石墨烯可能適合于某些應(yīng)用。
[0050]在一些實施方式中，開關(guān)電壓供給78通過一對導(dǎo)體80連接至膜42和/或43，開關(guān)電壓供給78保持在外殼外部但是也可以位于外殼內(nèi)部。在大多數(shù)實施方式中，導(dǎo)體附接在各個膜42和43的在直徑相對的端部處。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將要理解的，向石墨烯膜42或43或具有其他電傳導(dǎo)性的材料的膜42或43施加電壓產(chǎn)生引起被傳輸或轉(zhuǎn)移至給水(尤其是給水內(nèi)的極化鹽離子)的湍流的斥力。在一些實施方式中，力將在斥力和引力之間交替以產(chǎn)生最大湍流。該湍流有助于移動滲透物和濃縮物離開膜的表面并通過各個層。在有孔石墨烯實施方式中，該材料能夠傳導(dǎo)可被控制的電荷以破壞濃差極化，從而降低操作壓力。
[0051]如圖4-6所示，當(dāng)給水流過膜并且鹽被膜阻隔時，在膜表面附近形成邊界層，其中，邊界層中的含鹽濃度超過本體溶液中的含鹽濃度。鹽濃度的增加被稱作濃差極化。濃差極化的效果是與理論估計相比減少實際的產(chǎn)物水流率和鹽阻隔率。如4中所示，示例性膜42/43和通道40/52與濃差極化的表示一起示出，當(dāng)阻擋的離子或粒子(在圖4_4中標(biāo)記為“離子/粒子積聚”并示意性表示為點)在孔55附近積累并且朝向流動區(qū)域的后方積累時出現(xiàn)濃差極化。如果層84留在原處，則可有效地阻擋或阻塞孔。因此，如圖5中所示，可連接至膜42/43中的任何一個或全部的可開關(guān)電壓供給78的使用在排斥阻擋的離子并保持濃縮物和滲透物通過過濾介質(zhì)流動方面是有益的。此外，由供給78提供的電荷承載能力可在至少一個層上與孔尺寸控制結(jié)合以在膜中增加鹽阻隔的選擇性，如圖6所示?？壮叽缈刂圃试S使用擴(kuò)大的孔55’，孔55’允許更高的流量通過膜同時仍充分地阻擋所關(guān)注的離子/粒子。在另一實施方式中，電荷特性可通過前面提到的第13/422，753號美國專利申請所述的化學(xué)功能化實現(xiàn)。在利用有孔石墨烯的水過濾應(yīng)用中，分離可通過單個層實現(xiàn)，在單個層中阻隔控制通過孔尺寸控制或孔尺寸控制和充電特性的結(jié)合來進(jìn)行調(diào)諧以獲得所需的選擇性。此外，如圖6中所示，隨著電荷的使用，可緩和濃差極化效應(yīng)以破壞現(xiàn)有技術(shù)的聚合膜的目前狀態(tài)所遭受的邊界層效應(yīng)。
[0052]相對于聚酰亞胺或其他聚合物材料的過濾材料，高通量吞吐率材料提供了顯著提高的過濾性能。在大多數(shù)實施方式中，石墨烯材料為0.3至5納米厚。不考慮所使用的材料的厚度或類型，膜42和43將設(shè)置有不同的孔隙率以選擇性通過和/或阻擋給水中的組分。例如，使用分層平面設(shè)計，膜42可被配置成具有適于執(zhí)行超濾作用并阻隔包括膠體、蛋白質(zhì)、微生物污染物和大的有機(jī)分子的、在5-100納米或更大范圍中的粒子的孔隙率。濃縮物將由堆中的第一膜保持，同時滲透物(仍包括一價和二價鹽)將傳遞到第二膜表面。第二高通量膜將被配置成具有適合于鹽阻隔的孔隙率，其中，該孔隙率阻隔約I納米以上的所有鹽而僅允許純水穿過。如果期望的話，這將導(dǎo)致可分別獲取的兩個阻隔流，和用于每個膜堆的一個產(chǎn)物水流。該示例用于雙膜堆中的兩個阻隔階段。根據(jù)需要，該堆可針對多個阻隔階段進(jìn)行擴(kuò)展。如果需要的話，該構(gòu)思還可用于用于精確地阻隔(提高鹽阻隔，硼阻隔)并提高輸出水質(zhì)量的多級反滲透。此外，該構(gòu)思可用于逐步選擇性鹽過濾，這意味著每個層都被調(diào)諧以增加鹽阻隔的選擇性。這允許在每個步驟中以較低的壓力下實現(xiàn)遞增的鹽去除，緩和濃差極化和相關(guān)的壓力低效率以及材料結(jié)構(gòu)負(fù)荷。
[0053]在另一實施方式中，可調(diào)的膜配置可用于選擇性地回收所關(guān)注的粒子、溶質(zhì)或分析物。物質(zhì)可以以其作為產(chǎn)物(如貴金屬)的價值為目標(biāo)，或者將其分離以進(jìn)行遺棄(如污染物)的重要性為目標(biāo)。在這種情況下，第一膜將被調(diào)諧或確定尺寸以阻隔大于目標(biāo)物質(zhì)的所有物質(zhì)，允許目標(biāo)物質(zhì)和較小的所有物質(zhì)穿過。第二膜將被調(diào)諧或確定尺寸以阻擋目標(biāo)物質(zhì)，允許所有較小的物質(zhì)穿過并選擇性分離所關(guān)注的物質(zhì)。再次，在有孔石墨烯的實施方式中，電荷的使用可進(jìn)一步用于增加通量的選擇性，在該選擇性下，出現(xiàn)過濾或回收處理。如本文中所使用的，可調(diào)的選擇性是控制特定的溶質(zhì)或粒子的能力，膜通過膜孔隙控制基于實際尺寸阻隔、回收或分離該特定的溶質(zhì)或粒子，并且可選地通過利用孔洞外圍的材料功能化或向傳導(dǎo)膜施加的電荷來作為補(bǔ)充。
[0054]在本實施方式中，膜支撐結(jié)構(gòu)44與其支撐的膜42和43 —起可借助于它們由內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)34和35的支撐從外殼移除。
[0055]過濾介質(zhì)16可被配置成具有所公開的各種層和膜孔尺寸的選擇以通過在每個膜中使用逐漸變小的孔尺寸在單個介質(zhì)和/或具有更多選擇性過濾帶的一類過濾的多個階段中提供微過濾、超過濾、納米過濾和反滲透。在另一實施方式中，過濾介質(zhì)可被配置成提供反滲透脫鹽的多個狀態(tài)以在使用具有相同選擇性的膜的單個裝置中實現(xiàn)產(chǎn)物水質(zhì)量。在又一實施方式中，過濾介質(zhì)可被配置成提供反滲透脫鹽的逐步選擇階段以降低每個遞增步驟的壓力和膜表面處的相應(yīng)的濃差極化。
[0056]在過濾裝置10中示出的膜配置具有幾個顯而易見的優(yōu)點。通過利用超薄型材料或二維的材料，其在單個裝置設(shè)計中提供多級過濾的整合。該設(shè)計可以是分層的平面設(shè)計、螺旋纏繞設(shè)計、或適應(yīng)多次通過的其他幾何結(jié)構(gòu)。過濾階段的整合降低了過濾運(yùn)行需要的總體尺寸。事實上，高通量吞吐率材料(如有孔石墨烯材料)的使用允許膜體積和重量減少為五至五十分之一。過濾裝置10的再一優(yōu)點是，其允許多個裝置根據(jù)需要連續(xù)地附接在一起以提供額外的過濾。另一個優(yōu)點是可調(diào)諧的膜設(shè)計允許進(jìn)給供應(yīng)的“調(diào)諧(tuned)”過濾。換句話說，選擇性材料可被分離以用于其期望被處理或使用的最終用途。此外，電荷的使用可與有孔石墨烯結(jié)合以在過濾或回收運(yùn)行期間進(jìn)一步提高選擇性和通量。
[0057]因此，可以看出已經(jīng)通過上述結(jié)構(gòu)及其使用實現(xiàn)了本發(fā)明的目標(biāo)。雖然根據(jù)專利法規(guī)，僅示出和描述了最佳方式和優(yōu)選實施方式，但是應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于此，或由此限制。因此，應(yīng)參考權(quán)利要求來認(rèn)識本發(fā)明的真正范圍和寬度。
【權(quán)利要求】
1.一種用于過濾或選擇性流體分離和回收裝置的可調(diào)諧膜配置，包括: 外殼，在一端具有入口并且在相對端處具有出口，所述外殼具有從所述入口向所述出口延伸的開口； 內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，保持在所述開口中；以及 分層過濾介質(zhì)，由所述內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)承載，所述介質(zhì)將在所述入口處接納的給水分離成至少三個分離的輸出流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述過濾介質(zhì)包括: 至少三個流通道；以及 至少兩個不同的平面膜，與所述至少三個流通道中的兩個相鄰設(shè)置，所述膜具有不同的可調(diào)諧選擇性，產(chǎn)生有效的孔隙率，以將給水過濾成至少兩種排出物/滲透物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述過濾介質(zhì)還包括: 膜支撐結(jié)構(gòu)，與每個所述膜相關(guān)聯(lián)并由所述內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)承載。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述至少三個通道中的一個為第一通道，所述第一通道在其每側(cè)上具有第一平面膜中的至少一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述至少三個通道中的一個為第二通道，所述第二通道在一側(cè)上具有所述膜支撐結(jié)構(gòu)并且在相對側(cè)上具有第二平面膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述至少三個通道中的一個為第三通道，所述第三通道在其兩側(cè)上都具有所述膜支撐結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述平面膜由有孔石墨烯材料構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述平面膜能夠經(jīng)由電荷或功能化來調(diào)諧以獲得增加的選擇性通孔尺寸或電荷特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述平面膜能夠承載電荷并且以這種方式被控制以破壞所述膜表面處的濃差極化效應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述平面膜中的一個用于通過孔隙控制和電荷的結(jié)合使用來選擇性分離或回收所述給水中的特定目標(biāo)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中能夠?qū)⒖紫犊刂坪碗姾山Y(jié)合以創(chuàng)建有效的孔隙率以獲得阻隔所述給水中的帶電粒子的增加的選擇性。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述過濾介質(zhì)包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面膜，并且其中所述平面膜被配置為用于在單個裝置中包括微過濾/超過濾和納米過濾/反滲透的多個過濾階段，或者具有更多選擇帶的一類過濾的多個階段。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述過濾介質(zhì)包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面膜，并且其中所述平面膜被配置為用于反滲透脫鹽的多個階段以在單個裝置中使用具有相同選擇性的膜實現(xiàn)產(chǎn)物水質(zhì)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述過濾介質(zhì)包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面膜，并且其中所述平面膜被配置為用于反滲透脫鹽的逐步選擇階段以降低每個遞增步驟的壓力和所述膜表面處的相應(yīng)的濃差極化。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述過濾介質(zhì)包括由有孔石墨烯構(gòu)成的平面膜，并且其中所述平面膜被配置為用于選擇性分離和回收一個或多個滲透流中的目標(biāo)粒子、溶質(zhì)或分析物。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述分層過濾介質(zhì)能夠被配置成平面、管狀或螺旋纏繞配置。
【文檔編號】B01D65/08GK104254388SQ201380018165
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
【發(fā)明者】肖恩·P·弗菜明 申請人:洛克希德馬丁公司