專利名稱：穿孔石墨去離子或脫鹽的制作方法
穿孔石墨去離子或脫鹽相關申請本申請要求于2010年8月25 日提交的題為“PERFORATED GRAPHENE DEIONIZATIONOR DESALINATION(穿孔石墨去離子化或脫鹽)”的第12/868，150號美國專利申請的優先權，該美國申請的主題通過引用并入本文。
背景技術：
淡水資源變得越來越稀缺，許多國家都在尋求可將受到鹽污染的水(最顯著地為海水)轉變成干凈的飲用水的解決方案。用于水脫鹽的現有技術分為四個大類，即蒸餾、離子過程、膜過程和結晶。這些技術中最有效和最常采用的是多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(MEE)和反滲透(R0)。成本是所有這些方法的驅動因素，其中能量和資本成本均非常重要。RO和MSF/MEE技術均已得到了充分發展。當前，最佳的脫鹽方案需要二至四倍的簡單蒸發水所建立的理論最小能量極限，其中最小能量極限為3000焦耳/kg至7000焦耳/kg。蒸餾脫鹽方法包括多級閃蒸、多效蒸餾、蒸汽壓縮、太陽能增濕和地熱脫鹽。這些方法共享一個共同的途徑，即改變水的狀態以進行脫鹽。這些方法使用熱轉移和/或真空壓力以使鹽溶液蒸發。然后水蒸汽液化并且作為淡水被收集。離子過程脫鹽方法集中于與溶液中的離子的化學和電作用。離子過程脫鹽方法的示例包括離子交換、電滲析和電容去離子。離子交換將固態的聚合物或礦物離子交換劑引入鹽溶液中。離子交換劑與溶液中的期望離子結合使得它們可以被容易地過濾掉。電滲析為一個使用陽離子和陰離子選擇性膜和電勢以建立淡水和鹽水溶液的交替通道的過程。電容去離子使用電勢以將帶電離子拉離溶液，并且在允許水分子通過的同時捕獲離子。膜脫鹽過程通過使用過濾和壓力從溶液移除離子。反滲透(RO)是廣泛適應的脫鹽技術，其向鹽溶液施加壓力以克服離子溶液的滲透壓力。該壓力在離子被捕獲的同時推動水分離通過穿孔膜進入淡水隔間，從而產生高濃度的鹽水溶液。壓力為這些途徑的驅動成本因素，因為需要克服滲透壓力以捕獲淡水。結晶脫鹽基于晶體優先在不包括離子的情況下形成的現象。通過產生結晶的水(或者作為冰或者作為甲醇)，可將純水與溶解的離子隔離開。在簡單結冰的情況中，水被冷卻至其冰點以下，由此形成冰。然后將冰融化以形成純水。甲烷水合物結晶過程使用穿過鹽水溶液以形成甲烷水合物的甲烷氣體，該過程發生在比水結冰更低的溫度處。甲烷水合物上升(方便分離)，然后被加熱以分解成甲烷和脫鹽的水。脫鹽水被收集，而甲烷被回收。用于脫鹽的蒸發和凝結通常被認為是能量高效的，但是需要集中熱源。當在大范圍中實現時，用于脫鹽的蒸發和凝結通常與發電廠位于相同的位置，并且傾向于受到地理分布和大小的限制。電容去離子化未被廣泛使用，可能是因為電容性電極易于與移除的鹽纏繞并且需要頻繁的服務。必需的電壓傾向于取決于板之間的間隔和流速，并且該電壓可能是危險的。反滲透(RO)過濾器廣泛地用于水的凈化。RO過濾器使用穿孔或半透的膜，該膜通常由醋酸纖維素或聚酰亞胺薄膜合成物制成并且通常具有Imm的厚度。這些材料是親水的。膜常常螺旋纏繞成管狀形狀以便于操縱和膜的支撐。膜具有隨機大小的孔洞分布，其中最大的孔洞足夠小以允許水分子的通過但是禁止或阻止離子(諸如溶解在水中的鹽)的通過。盡管典型的RO膜為Imm厚度，但是RO膜的固有隨機結構限定水流過膜的長且曲折或彎曲的路徑，并且這些路徑的長度可能遠大于I毫米。路徑的長度和隨機構造需要巨大壓力以在表面處將水分子與離子剝離并克服滲透壓力使水分子移動穿過膜。因此，RO過濾器是能量低效的。圖1是RO模10的截面的概念圖示。在圖1中，膜10限定上游表面12和下游表面14，其中上游表面12面向上游離子水溶液16。將在上游側示出的離子選擇成帶一個正電荷的納(Na)和帶一個負電荷的氯(Cl)。鈉被顯示為與四個溶解的水分子(H2O)相關聯。每個水分子包括一個氧原子和兩個氫(H)原子。用于水在圖1的RO膜10中流過的路徑之一 20被顯示為從上游表面12處的孔洞20u延伸至下游表面14處的孔洞20d。路徑20被顯示為卷繞的，但是不可能示出典型路徑的實際彎曲性質。而且，顯示為20的路徑可被期望與多個上游孔洞和多個下游孔洞相連。穿過RO膜10的路徑不僅是卷繞的，而且當一些孔洞被不可避免的碎片阻塞時它們還可隨時間而改變。期望存在替換的水脫鹽或去離子化。
發明內容
分離布置將水與氯、鈉和其它離子隔離。載有離子的水被施加至被尺寸被設置為使水分子通過并使最小的相關離子不通過的孔洞貫穿的至少一個石墨片。流過穿孔的石墨片的去離子的水被收集。未通過的離子可被清除。在其它實施方式中，載有離子的水被施加至被尺寸被設置為阻塞氯離子的孔洞貫穿的第一穿孔石墨片和被尺寸被設置為阻塞鈉離子的孔洞貫穿的第二穿孔石墨片。積聚在第一穿孔石墨片和第二穿孔石墨片處的集中的氯和鈉離子可分別被收集。用于對攜帶無用離子的水進行去離子的方法包括將石墨片貫穿多個孔洞以產生穿孔石墨的步驟，該多個孔洞被選擇為允許水分子通過并禁止無用離子中的被選擇的一種離子通過。作為替代，可提供進行如此穿孔的石墨片。對攜帶無用離子的水加壓以形成加壓的水。將加壓的水施加至穿孔的石墨片的第一表面，從而水分子優先于離子流至穿孔石墨片的第二側。從石墨片的第二側收集水分子。在此方法的一個模式中，所選擇的一種離子為氯，用于禁止氯離子通過的孔洞標稱地具有9納米直徑，并且孔洞標稱地間隔15納米。在此方法的另一模式中，所選擇的一種離子為鈉，用于禁止鈉離子通過的孔洞標稱地具有6納米直徑，并且孔洞標稱地間隔15納米。該方法可包括通過加聚四氟乙烯網格的襯墊來加固穿孔的石墨片。用于對攜帶無用離子的水進行去離子的方法包括將第一石墨片貫穿多個孔洞以產生第一穿孔石墨片的步驟，這些孔洞的直徑被選擇為禁止無用離子中的被選擇的第一種離子通過并允許載有無用離子中的被選擇的第二種離子的水分子通過。將第二石墨片貫穿多個孔洞以產生第二穿孔石墨片，這些孔洞被選擇為允許水分子通過并禁止無用離子中的被選擇的第二種離子通過，第二穿孔石墨片的孔洞的直徑小于第一穿孔石墨片的孔洞的直徑。將第一穿孔石墨片和第二穿孔石墨片并列放置以形成并置片，并置片具有由第一穿孔石墨片限定的第一側、由第二穿孔石墨片限定的第二側和供液體在第一側與第二側之間流動的路徑。將攜帶無用離子的水施加至并置片的第一側，從而水分子優先于離子流過并置片和路徑到達并置片的第二側，由此產生名義上去離子的水分子。從并置片的第二側收集名義上去尚子的水分子。水去離子裝置包括被允許水分子流過和禁止特定類型的離子流過的孔洞貫穿的石墨片。提供載有特定類型的離子的水的源。提供用于載有特定類型的離子的水的流通過被孔洞貫穿的石墨片的路徑。在此去離子裝置的具體實施方式
中，清除布置連接至用于流的路徑，用于將該流從被孔洞貫穿的石墨片轉移走。分離器包括被尺寸被設置為允許水分子流過和禁止第一類型的離子流過的孔洞貫穿的第一石墨片、以及被尺寸被設置為允許水分子流過和禁止第二類型的離子流過的孔洞貫穿的第二石墨片，其中第二類型的離子小于第一類型的離子。提供載有第一類型和第二類型的離子的水的源。提供路徑以將載有第一和第二類型的離子的流施加至被尺寸被設置為禁止第一類型的離子流過的孔洞貫穿的第一石墨片。結果，(a)第一類型的離子積聚在被尺寸被設置為禁止第一類型的離子流過的孔洞貫穿的第一石墨片的上游側以及(b)載有第二類型的離子的水流過被尺寸被設置為禁止第一類型的離子流過的孔洞貫穿的第一石墨片，到達被尺寸被設置為禁止第一類型的離子流過的孔洞貫穿的第一石墨片的下游偵U。分離器還包括用于將載有第二類型的離子的水流施加至被尺寸被設置為禁止第一類型的離子流過的孔洞貫穿的石墨的上游側。結果，(a)第二類型的離子積聚在被尺寸被設置為禁止第二類型的離子流過的孔洞貫穿的第二石墨片的上游側以及(b)不包含第一和第二類型的離子的水流過被尺寸被設置為禁止第二類型的離子流過的孔洞貫穿的第二石墨片。連接收集布置以接收沒有第一和第二類型的離子的水。可提供另外的收集布置用于分別收集離子積聚。
圖1是現有技術反滲透(RO)過濾膜的截面的概念視圖；圖2是根據本公開的一方面的濾水器的概念視圖，其中濾水器使用穿孔石墨片；圖3是可在圖2的布置中使用的穿孔石墨片的平面視圖，其示出了多個孔洞的形狀；圖4是穿孔石墨片的平面視圖，其示出了 6納米直徑的穿孔或孔洞和穿孔間尺寸；圖5是可與圖2的穿孔石墨片結合使用的襯片的平面視圖；圖6是根據本公開的多個方面的水去離子過濾器的概念視圖，其中水去離子過濾器使用多個穿孔石墨片以分離集中的離子；以及圖7是通常與圖6的布置相對應的管道布置的簡化圖，其中穿孔石墨片螺旋形地纏繞和圍繞在圓筒內。
具體實施例方式圖2是根據本公開的一個示例性實施方式或方面的基本脫鹽、脫鹽化或去離子化裝置200的概念視圖。在圖2中，通道210將載有離子的水輸送至過濾膜212，過濾膜212安裝在支撐室214內。載有離子的水例如可以是海水或微咸水。在一個示例性實施方式中，過濾膜212能夠以已知的方式纏繞成螺旋形。流過圖2的通道210的載有離子的水的流動力或壓力可由罐216或泵218的重力提供。閥236和238允許選擇載有離子的水源。在裝置或布置200中，過濾膜212為穿孔石墨片。石墨是結合在一起以限定片310的具有單原子層厚的碳原子層(如圖3所示)。單一石墨片的厚度近似為2納米(nm)。可形成具有更厚厚度的多個石墨片。圖3的石墨片的碳原子限定由六個碳原子構成的六角環形結構(苯環)，其形成碳原子的蜂窩晶格。間隙孔洞308由片中的每六個碳原子環結構形成，并且此間隙孔洞308跨度小于I納米。此直徑非常小以允許水或離子通過。為了形成圖2的多孔石墨片212，制成一個或多個穿孔，如圖3所示。典型的大體或名義上圓形的孔洞312被定義為通過石墨片310。孔洞312具有約6納米的標稱直徑。6納米直徑被選擇以阻塞一般預期存在于鹽水或微咸水中的最小離子(鈉離子)。大體圓形的孔洞312受到如下事實的影響，即孔洞的邊緣部分地受限于石墨片310的六邊形碳環結構。孔洞312可通過選擇性的氧化制成，選擇性的氧化意味著在氧化劑下暴露選擇的時間段。相信孔洞312還可以通過激光鉆孔制成。如在公開Nano Lett.2008、卷8、第7號、1965-1970頁所描述的，最直接的穿孔策略是以升高的溫度用氬中的稀釋氧處理石墨膜。如此公開所描述的，使用I個大氣壓(atm)的氬中的350毫托氧在500°C下持續2小時在石墨中蝕刻20nm至ISOnm的通孔。該論文合理地建議孔的數量與石墨片中的缺陷相關并且孔的大小與停留時間相關。這被認為是在石墨結構中制造期望穿孔的優選方法。結構可以是石墨納米片和石墨納米帶。因此，期望范圍的孔洞可通過較短的氧化時間形成。如在D01:
10.1021/nl9032318Nano Lett.XXXX, xxx,000-000]描述的另一種更相關的方法利用自組裝聚合物，該自組裝聚合物使用反應離子蝕刻制造適于構圖的掩膜。P (S-blockMMA)塊共聚物形成PMMA柱陣列，PMMA柱陣列在重建時形成用于RIE的通孔。孔的圖案非常密集。孔的數量和尺寸受PMMA塊的分子重量和P (S-MMA)中PMMA重量百分率的控制。任一種方法都能夠生產穿孔的石墨片。如上所述，圖3的石墨片310具有單個原子的厚度。因此，該片往往較柔軟。石墨片的柔軟性可通過向片212應用襯墊結構得到改善。在圖2中，穿孔石墨片212的襯墊結構顯示為220。該實施方式中的襯墊結構220為穿孔的聚四氟乙烯(有時稱為聚四氟乙烷)片。襯片的厚度例如可以為I毫米(mm)。應注意，在圖2的裝置或布置中，通過路徑210向穿孔膜212施加的載有離子的水的壓力可由來自罐216的重力提供，由此強調裝置200的一方面。也就是說，RO膜、形成穿孔膜212的穿孔石墨片312是疏水性的，并且穿過穿透的孔洞(圖3A的312)的水不受到歸因于變濕的引力的影響。而且，如上所述，通過石墨片310中的孔洞312的流動路徑的長度等于片的厚度，即約2nm。此長度遠小于延伸通過RO膜的隨機路徑的長度。結果，需要非常小的壓力來提供流體流動，或者相反地，在給定壓力下的流動在穿孔的石墨片310中大得多。這又轉化成用于離子分離的低能量需求。相信，RO膜中所需的迫使水克服滲透壓力通過膜的壓力包括導致對膜加熱的摩擦分量。因此，必須施加至RO膜的一些壓力未用于克服滲透壓力，而是變成熱。仿真結果表明，穿孔石墨片減少了至少五分之一的所需壓力。因此，在RO膜可能需要位于上游側的40磅/平方英寸(PSI)的壓力以實現具體離子濃度的去離子的水的具體流動的情況下，對于相同流速的穿孔石墨片可能需要8PSI或更小。如上所述，圖2的石墨片212 (或等同地圖3的石墨片310)中的穿孔312的尺寸被設定為不允許預期存在于源水中的最小離子通過。因此，大小等于或大于最小離子的任何離子將不通過穿孔的石墨片212，并且預期這種離子可能積聚在石墨片支撐室214的上游側226。這種離子在上游“室” 226的積聚被稱為“沉淀”，并且將最終減少水通過穿孔石墨片212的流動，由此傾向于致使其對去離子化無效。如圖2所示，提供其它路徑230和排出閥232以允許沉淀物的清除和排放。因此，圖2的裝置或布置的操作可處于“分批”模式。分批操作的第一模式在載有離子的水通過路徑210且排出閥232關閉以防止流動時發生。載有離子的水填充支撐室214的上游側226。水分子被允許流過圖2的穿孔石墨片212和襯片220到達支撐室214的下游側227。因此，去離子的水積聚在下游部分227 —段時間，并且可通過路徑222排放至被顯示為罐224的捕獲容器內。最終，離子在支撐室的上游部分226的積聚或集中將傾向于減少水通過穿孔石墨片212的流動。為了清除積聚在上游室或側226的集中的離子/水混合物，閥232被打開，從而在上游部分226重新填充有來自罐216或泵218的載有離子的水的同時允許集中的離子/水混合物被清除。然后閥232關閉，并且另一個過濾周期開始。因此導致去離子水的產生以及去離子水在容器224內的積聚。圖4是具有多個穿孔(諸如圖3的穿孔)的石墨片的圖示。圖4的片限定了(3、4或5)個孔洞。原理上，流速將與孔洞密度成正比。隨著孔洞密度的增大，通過孔洞的流可變成“湍流”，這可能對給定壓力下的流帶來不利影響。而且，隨著孔洞密度的增大，基礎石墨片的強度可能局部地減小。對6納米孔洞而言，孔洞中心之間的間距為15納米的值被認為是接近最優。圖5是可與圖2的石墨片一起使用的襯片結構的簡化圖示。在圖5中，襯片220由聚四氟乙烯(也稱為聚四氟乙烷)的細絲520制成，這些細絲520被布置成規則的網格并且在它們的交錯處結合或熔合。如同穿孔的石墨片，襯片的尺寸應該盡可能大以用于最大流，并與足夠的強度相稱。被定向在相同方向的相互相鄰的細絲520之間的間距可標稱地為lOOnm，并且細絲可具有40nm的標稱直徑。石墨片的抗張強度很大，因此襯片中的相對大的未支撐區域應該沒有問題。圖6是根據本公開的另一實施方式或方法的去離子或脫鹽裝置600的概念視圖，在裝置600中使用多層具有不同穿孔的石墨片。在圖6中，與圖2對應的元件由相似的參考字母數字表示。在圖6的支撐室614內，上游穿孔石墨片612a和下游穿孔石墨片612b分別將室劃分成三個容積或部分，即上游部分或室626a、下游部分或室626b和中間部分或室629。每個芽孔的石墨片612a和612b與襯片相關聯。更具體地，芽孔的石墨片612a由片620a加襯，以及穿孔的石墨片612b由片620b加襯。穿孔的石墨片612a和612b的穿孔彼此不同。更具體地，上游石墨片612a通過被選擇為不允許或禁止氯離子流過以及允許載有鈉離子的水流過的孔洞612ac穿孔；這些孔洞的標稱直徑為9納米。因此，具有大于9納米的有效直徑的氯離子不能通過穿孔的石墨片612a，而是保留在上游部分或室626a中。載有鈉離子的水可流過穿孔的石墨片612a進入中間室629。下游穿孔的石墨片612b通過被選擇為不允許鈉離子流過并且不允許水分子流過的孔洞612bs穿孔；這些孔洞的標稱直徑為6納米。因此，有效直徑大于9納米的氯離子不能穿過穿孔的石墨片612的孔洞612ac，但是載有鈉離子的水能夠穿過穿孔的石墨片612a的孔洞612ac進入中間室629。氯離子不能穿過下游穿孔的石墨片612b，因此留在或積聚在中間部分或室629中。至少沒有氯離子和鈉離子的水分子(H2O)能夠從中間部分或室629流過穿孔的石墨片612b的孔洞612bs并且流入下游部分或室627a，從這里開始可通過路徑222和收集容器224收集去離子的水。如同圖2的去離子布置200，圖6的裝置或布置600在去離子操作期間積聚或集中離子。然而，不同于圖2的裝置或布置，去離子裝置600產生至少部分分離的離子集中。更具體地，通過載有氯離子和鈉離子的水的流動，裝置600的上游部分或室626a積聚主要由氯離子構成的淤積物集中，并且中間部分或室629積聚主要為鈉離子的集中。這些集中的離子可分別由清除連接630a和630b和它們的清除閥632a和632b的選擇性控制進行分離地提取。更具體地，閥632a可被打開以允許集中的氯離子從上游部分或室流至被示為罐634a的收集容器，并且閥632b可被打開以允許集中的鈉離子從中間部分或室629流至被示為罐634b的收集容器。理想地，清除閥632a在中間部分或罐629的清除開始之前關閉，從而在穿孔的石墨片612a上維持一些壓力以提供水流過穿孔的石墨片612a來幫助從中間室629沖洗富有鈉離子的淤積物。清除閥632a和632b在進行去離子之前關閉。清除和收集的集中的離子(轉換成固體形式的鈉和轉換成氣體形式的氯)具有經濟價值。應該注意，海水包含足夠量的鈹鹽，并且這些鹽如果優先集中則對制藥產業而言具有催化劑的價值。在圖6中還示出了分別聯通于流動路徑658與上游部分或室626a之間和流動路徑658與中間部分或室626b連通的錯流閥654a和654b。載有離子的未過濾的水201可通過開放的閥652引導至流動路徑658，或者去離子的水202可通過操作泵660從罐224提供。從泵660,去離子的水通過止回閥656流至路徑658。分別打開錯流閥654a和654b同時關閉清除閥632a和632b以幫助從室清除淤積物。圖7是根據本公開的一方面的去離子或離子分離布置的簡化示意圖。與圖6的元件對應的圖7的元件由相似的參考字母數字標出。在圖7中，穿孔的石墨片612a和612b被卷成或螺旋纏繞成圓筒形，并且分別插入到如712a和712b所示的殼體中，如RO膜技術領域所公知。本領域技術人員將理解，除了氯和鈉以外的離子可通過選擇性穿孔的石墨片從水移除。用于對攜帶有無用離子的水(201)進行去離子的方法包括將石墨片(310)貫穿出多個孔洞(諸如312)，從而生成穿孔的石墨烯(212)，該多個孔洞被選擇為允許水分子通過并禁止所選擇的無用離子中的一種(例如，Na)通過。作為替換，可提供如此穿孔的石墨片。攜帶有無用離子的水(201)被加壓(216，218)以生成加壓的水。加壓的水被施加至穿孔的石墨烯(212)的第一表面(212u)，使得水分子優先于離子流至穿孔的石墨片的第二側(212d)。水分子(202)在石墨片的第二側(212d)處被收集。在此方法的一個模式中，這些離子中的所選擇的一種離子為氯，用于剔除氯離子的孔洞標稱地具有9納米的直徑，并且這些孔洞標稱地間隔15納米。在此方法的另一模式中，這些離子中的所選擇的一種離子為納，用于剔除鈉離子的孔洞標稱地具有6納米的直徑，并且這些孔洞標稱地間隔15納米。該方法可包括用襯墊(220)加固穿孔的石墨片(212)的步驟，襯墊(220)可以是聚四氟乙烯網格(520)。用于對攜帶無用離子的水(201)進行去離子的方法包括將第一石墨片(612a)貫穿多個孔洞(312)，由此產生第一穿孔石墨片(612a)，孔洞(312)的直徑被選擇為禁止所選擇的無用離子中的第一種離子(例如，氯)通過并允許載有所選擇的無用離子中的第二種離子(例如，鈉)的水分子通過。將第二石墨片(612b)貫穿多個孔洞，由此產生第二穿孔石墨片(612b)，這些孔洞的直徑被選擇為允許水分子通過并禁止所選擇的無用離子中的第二種離子通過，其中第二穿孔石墨片的孔洞的直徑小于第一穿孔石墨片的孔洞的直徑。第一穿孔石墨片(612a)和第二穿孔石墨片(612b)并列放置，從而形成并置片，該并置片具有由第一穿孔石墨片(612a)限定的第一側和由第二穿孔石墨片(612b)限定的第二側以及供液體在二者之間流動的路徑(629)。攜帶有無用離子的水被施加至并置片的第一側(612a)，使得水分子優先于離子流過并置片(612a)和路徑(619)到達并置片的第二側，由此產生名義上的去離子水。從并置片的第二側(612b)收集名義上的去離子水分子。水去離子裝置包括被孔洞(312)貫穿的石墨片(212)，孔洞(312)的尺寸被設計為允許水分子流過并禁止特定類型的離子(例如，鈉)流過。提供載有特定類型的離子的水的源。提供路徑(210、226、227)用于載有特定類型的離子的水流過被孔洞(312)貫穿的石墨片(212)。在這種去離子裝置的具體實施方式
中，清除布置(220，232)連接至用于流的路徑以從被孔洞(212)貫穿的石墨片轉移流。分離器(600)包括第一石墨片和第二石墨片，第一石墨片具有尺寸被設置為允許水分子流過并禁止第一類型的離子(612a)流過的孔洞，第二石墨片具有允許水分子流過并禁止第二類型的離子(612b)流過的孔洞，其中第二類型的離子(Na)小于第一類型的離子(Cl)。提供載有第一類型和第二類型的離子的水(201)的源(210，216，218)。提供路徑(210，626a)以將載有第一和第二類型的離子的水(201)的流施加至由尺寸被設置為禁止第一類型的離子(612a)流過的孔洞貫穿的第一石墨片。結果，(a)第一類型的離子(Cl)積聚在由尺寸被設置為禁止第一類型的離子(626a)流過的孔洞貫穿的第一石墨片的上游側(626a)以及(b)載有第二類型的離子(Na)的水流過由尺寸被設置為禁止第一類型的離子(626a)流過的孔洞貫穿的第一石墨片，到達尺寸被設置為禁止第一類型的離子(612a)流過的孔洞貫穿的第一石墨片的下游側(629)。分離器(600)還包括用于將載有第二類型的離子的水流施加至由尺寸被設置為禁止第一類型的離子(612b)流過的孔洞貫穿的石墨的上游側。結果，Ca)第二類型的離子積聚在由尺寸被設置為禁止第二類型的離子(612b)流過的孔洞貫穿的第二石墨片的上游側(629)以及(b)沒有第一和第二類型的離子的水流過由尺寸被設置為禁止第二類型的離子(612b)流過的孔洞貫穿的第二石墨片。連接收集布置(222,224)以接收沒有第一和第二類型的離子(202)的水。可提供另外的收集布置(630a，632a，634a ；630b,632b,634b)以單獨收集離子的積聚。
權利要求
1.對攜帶無用離子的水進行去離子的方法，所述方法包括如下步驟: 提供具有被選擇為允許水分子通過并禁止所述無用離子中的被選擇的一種離子通過的多個孔洞的第一石墨片以產生穿孔石墨片； 對所述攜帶無用離子的水加壓以產生加壓的水； 將所述加壓的水施加至所述穿孔石墨片的第一表面，使得水分子優先于離子流動至所述穿孔石墨片的第二側；以及 從所述穿孔石墨片的第二側收集所述水分子。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述無用離子中的被選擇的一種離子為氯，并且用于禁止氯離子通過的所述孔洞標稱地為9納米。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述孔洞標稱地間隔十五納米。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述無用離子中的被選擇的一種離子為鈉，并且用于禁止鈉離子通過的所述孔洞標稱地為6納米。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述孔洞標稱地間隔十五納米。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述無用離子中的被選擇的一種離子為氯，并且用于禁止氯離子通過的所述孔洞標稱地為12納米。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述孔洞標稱地間隔十五納米。
8.根據權利要求1所述的方法，還包括加固所述穿孔石墨片的步驟。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述加固步驟包括加襯墊的步驟。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述加襯墊的步驟包括通過網格加襯墊的步驟。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述網格的材料為聚四氟乙烯。
12.根據權利要求1所述的方法，其中所述提供具有被選擇為允許水分子通過并禁止所述無用離子中的被選擇的一種離子通過的多個孔洞的第一石墨片以產生穿孔石墨片的步驟包括以下步驟: 將氧化劑施加至所述石墨片的至少一部分以產生所述孔洞。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括以下步驟: 在施加氧化劑之前，遮蔽所述石墨的不需要所述孔洞的部分。
14.對攜帶無用離子的水進行去離子的方法，所述方法包括: 提供被多個孔洞貫穿的第一穿孔石墨片，所述多個孔洞的直徑被選擇為禁止所述無用離子中的被選擇的第一種離子通過并允許載有所述無用離子中的被選擇的第二中離子的水分子通過； 提供被多個孔洞貫穿的第二穿孔石墨片，所述多個孔洞被選擇為允許水分子通過并禁止所述無用離子中的被選擇的第二中離子通過，所述第二穿孔石墨片的孔洞在直徑上小于所述第一穿孔石墨片的孔洞； 將所述第一穿孔石墨片和所述第二穿孔石墨片并列放置以形成并置片，所述并置片具有由所述第一穿孔石墨片限定的第一側、由所述第二穿孔石墨片限定的第二側、以及供液體在所述第一側與所述第二側之間流動的路徑；以及 從所述并置片的第二側收集名義上去離子的水分子。
15.根據權利要求14所述的方法，其中提供第一穿孔石墨片和提供第二穿孔石墨片的步驟均包括將氧化劑施加至未穿孔的石墨片的表面的步驟。
16.水去離子裝置，包括: 被孔洞貫穿的石墨片，所述孔洞的尺寸被設置為允許水分子流過并禁止特定類型的離子流過； 載有所述特定類型的離子的水的源；以及 用于載有所述特定類型的離子的水的流穿過被孔洞貫穿的所述石墨片的路徑。
17.根據權利要求16所述的去離子裝置，還包括清除布置，所述清除布置聯接至用于所述流的所述路徑，用于將所述流從所述被孔洞貫穿的石墨片轉移走。
18.分離器，包括: 第一石墨片，被尺寸被設置為允許水分子流過并禁止第一類型的離子流過的孔洞貫穿； 第二石墨片，被尺寸被設置為允許水分子流過并禁止第二類型的離子流過的孔洞貫穿，其中所述第二類型的離子小于所述第一類型的離子； 載有所述第一類型的離子和所述第二類型的離子的水的源； 用于將載有所述第一類型的離子和所述第二類型的離子的水的流施加至被尺寸被設置為禁止所述第一類型的離子流過的孔洞貫穿的第一石墨片的路徑，依靠所述路徑，(a)所述第一類型的離子積聚在被尺寸被設置為禁止所述第一類型的離子流過的孔洞貫穿的所述第一石墨片的上游側并且(b)載有所述第二類型的離子的水流過被尺寸被設置為禁止所述第一類型的離子流過的孔洞貫穿的所述第一石墨片，并到達被尺寸被設置為禁止所述第一類型的離子流過的孔洞貫 穿的所述第一石墨片的下游側； 用于將載有所述第二類型的離子的水的流施加至被尺寸被設置為禁止所述第一類型的離子流過的孔洞貫穿的所述石墨片的上游側的路徑，依靠所述路徑，(a)所述第二類型的離子積聚在被尺寸被設置為禁止所述第二類型的離子流過的孔洞貫穿的所述第二石墨片的上游側并且(b)不含有所述第一類型的離子和所述第二類型的離子的水流過被尺寸被設置為禁止所述第二類型的離子流過的孔洞貫穿的所述第二石墨片；以及 連接布置，被聯接以接收不含有所述第一類型的離子和所述第二類型的離子的水。
19.根據權利要求18所述的去離子裝置，還包括離子收集布置，所述離子收集布置被聯接以接收所述第一類型的離子和所述第二類型的離子中的一種的積聚。
全文摘要
分離布置將水與氯、鈉和可能的其它離子隔離。載有離子的水被應用至具有使水分子通過和使最小的相關離子不通過的孔洞的至少一個穿孔的石墨片。流過穿孔的石墨片的去離子的水被收集。未通過的離子可被清除。在其它實施方式中，載有離子的水被應用至具有阻塞氯離子的孔洞的第一穿孔的石墨片和具有阻塞鈉離子的孔洞的第二穿孔的石墨片。積聚在第一穿孔的石墨片和第二穿孔的石墨片處的集中的氯和鈉離子可分別被收集。
文檔編號B01D61/00GK103153441SQ201180049184
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月15日 優先權日2010年8月25日
發明者約翰·B·斯特森, 喬納森·莫克里奧, 艾倫·羅森溫克, 彼得·V·拜德沃斯 申請人:洛克希德馬丁公司