[發(fā)明專利]半透膜及其用途

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310113187.1
• 申請(qǐng)日: 2013-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN103212304A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐志平;宋智功;黃賢良;金智淵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);北京三星通信技術(shù)研究有限公司
• 主分類號(hào): B01D71/02
• 分類號(hào): B01D71/02;B01D69/02;B01D61/00;C02F1/44
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 李志東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域。具體地，涉及一種半透膜及其用途。

背景技術(shù)

隨著人類社會(huì)的高速發(fā)展，人類對(duì)水資源的依賴度越來(lái)越高，可是水資源現(xiàn)狀卻讓世人堪憂。我們所居住的地球71%的表面積覆蓋著水。但是，這其中97.5%的水是海水，海水又咸又苦，不能飲用，不能灌溉，也難以用于工業(yè)，只有剩下的2.5%是淡水。而在淡水中，將近70%凍結(jié)在南極和格陵蘭的冰蓋中，其余的大部分是土壤中的水分或是深層地下水，難以供人類開采使用。江河、湖泊、水庫(kù)及淺層地下水等來(lái)源的水較易于開采供人類直接使用，但其數(shù)量不足世界淡水的1%，約占地球上全部水的0.007%。我們的淡水資源不僅十分短缺，而且分布還極其不均勻。這種不均勻主要表現(xiàn)在時(shí)間和空間上。以我國(guó)為例，我國(guó)大部分地區(qū)的降水主要集中在夏季。降水的年際變化很大。從空間分布上看，具有東多西少，南多北少的特點(diǎn)。我國(guó)人口眾多，每人擁有的水資源只有世界平均水平的四分之一。

如果可以利用水資源中絕大多數(shù)的海水，并且能夠回收生產(chǎn)生活中的污水廢水將極大地緩解我們目前的水危機(jī)。因此海水淡化和污水回收是解決當(dāng)前水資源危機(jī)的重要手段，在海水淡化方面，目前的方法主要有蒸餾法、電滲析法和反滲透法等其中最為流行的水處理技術(shù)是反向滲透技術(shù)。反向滲透技術(shù)是依靠反滲透膜在外界壓力的作用下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)進(jìn)行分離的一項(xiàng)膜分離技術(shù)，而正向滲透技術(shù)則依靠提取液自身的高滲透壓和正滲透膜的選擇透過性使水自發(fā)從原料液中提取出的新型膜分離技術(shù)。可見，無(wú)論是使用正向滲透技術(shù)還是反向滲透技術(shù)，一個(gè)合適的選擇透過性膜是至關(guān)重要的。

然而，目前的半透膜仍有待改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種半透膜。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該半透膜是由石墨烯形成的，所述石墨烯形成有納米孔。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，納米孔的平均直徑為10nm以下，優(yōu)選所述納米孔的平均直徑為1nm。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述納米孔的邊緣可以被化學(xué)基團(tuán)修飾改性，所述化學(xué)基團(tuán)為選自-OH、-H、-F、-C-O-C-和-COOH的至少之一。根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施例，所述半透膜的厚度為單原子層厚。

一般而言，對(duì)于合適的選擇透過性膜，需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）良好的選擇性，即拒鹽率需要大于99.5%。在本發(fā)明中所采用的術(shù)語(yǔ)“拒鹽率”是根據(jù)通過膜前后的溶液中含鹽量的差別來(lái)確定的，即拒鹽率=（1-出液含鹽量/進(jìn)液含鹽量）*100%，其中，溶液含鹽量可以通過電導(dǎo)率測(cè)定儀測(cè)量。

（2）滲透中具有高通量；

（3）優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性，在高滲透壓差下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不發(fā)生破壞；保證半透膜有一個(gè)寬泛的工作范圍；不因熱擾動(dòng)、微生物、電化學(xué)腐蝕，以及與其他化學(xué)物質(zhì)之間的接觸而失效；

（4）低濃差極化。通常，濃差極化現(xiàn)象分為外部濃差極化現(xiàn)象和內(nèi)部濃差極化現(xiàn)象。對(duì)于正滲透過程，外部濃差極化現(xiàn)象是由于在半透膜附近的提取液濃度被稀釋導(dǎo)致提取液與原料液有效濃度差減小，降低了正向滲透效率；對(duì)于反滲透過程，外部濃差極化現(xiàn)象是由于在半透膜附近的提取液濃度大于提取液整體濃度，在提取液一側(cè)外加壓力不變的情況下，這相當(dāng)于減少了有效壓差，降低了反向滲透效率。外部濃差極化現(xiàn)象可以通過增加攪拌來(lái)緩解。內(nèi)部濃差極化現(xiàn)象則與膜材料本身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)相關(guān)，內(nèi)部濃差極化現(xiàn)象將降低提取液與原料液之間的有效濃度差，從而降低滲透效率。原則上膜材料越薄，內(nèi)部濃差極化現(xiàn)象越弱。

（5）自我清洗機(jī)能。在滲透過程中，將污染物全部留在膜外部且不粘附在膜表面，以實(shí)現(xiàn)自我清洗機(jī)能，延長(zhǎng)膜元件的使用壽命。

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯是目前世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它具有極強(qiáng)的力學(xué)性能（強(qiáng)度130GPa），良好的熱學(xué)穩(wěn)定性（可以承受2300攝氏度的高溫）和優(yōu)異的化學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的石墨烯材料的半透膜，能夠有效地作為滲透中使用的選擇透過性膜。

相對(duì)于傳統(tǒng)的聚合物半透膜，本發(fā)明的納米孔結(jié)構(gòu)石墨烯半透膜的優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：