半透膜及其用途制造技術

本發明專利技術公開了一種半透膜，該半透膜是由石墨烯形成的，該石墨烯形成有納米孔。本發明專利技術的半透膜具有極強的力學性能（強度130GPa），良好的熱學穩定性（可以承受2300攝氏度的高溫）和優異的化學、電化學穩定性，能夠有效地用作滲透中的選擇透過性膜。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及材料科學領域。具體地，涉及一種半透膜及其用途。
技術介紹
隨著人類社會的高速發展，人類對水資源的依賴度越來越高，可是水資源現狀卻讓世人堪憂。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，只有剩下的2.5%是淡水。而在淡水中，將近70%凍結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、水庫及淺層地下水等來源的水較易于開采供人類直接使用，但其數量不足世界淡水的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在時間和空間上。以我國為例，我國大部分地區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。我國人口眾多，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的海水，并且能夠回收生產生活中的污水廢水將極大地緩解我們目前的水危機。因此海水淡化和污水回收是解決當前水資源危機的重要手段，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是反向滲透技術。反向滲透技術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進行分離的一項膜分離技術，而正向滲透技術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從原料液中提取出的新型膜分離技術。可見，無論是使用正向滲透技術還是反向滲透技術，一個合適的選擇透過性膜是至關重要的。然而，目前的半透膜仍有待改進。
技術實現思路
本專利技術旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。為此，本專利技術的一個目的在于提出一種半透膜。根據本專利技術的實施例，該半透膜是由石墨烯形成的，所述石墨烯形成有納米孔。根據本專利技術的實施例，納米孔的平均直徑為IOnm以下，優選所述納米孔的平均直徑為lnm。根據本專利技術的實施例，所述納米孔的邊緣可以被化學基團修飾改性，所述化學基團為選自-0H、-H、-F、-C-O-C-和-COOH的至少之一。根據本專利技術另外的實施例，所述半透膜的厚度為單原子層厚。一般而言，對于合適的選擇透過性膜，需要滿足以下標準:(I)良好的選擇性，即拒鹽率需要大于99.5%。在本專利技術中所采用的術語“拒鹽率”是根據通過膜前后的溶液中含鹽量的差別來確定的，即拒鹽率=(1-出液含鹽量/進液含鹽量)*100%，其中，溶液含鹽量可以通過電導率測定儀測量。(2)滲透中具有高通量；(3)優異的力學、熱學、化學穩定性，在高滲透壓差下結構穩定不發生破壞；保證半透膜有一個寬泛的工作范圍；不因熱擾動、微生物、電化學腐蝕，以及與其他化學物質之間的接觸而失效；(4)低濃差極化。通常，濃差極化現象分為外部濃差極化現象和內部濃差極化現象。對于正滲透過程，外部濃差極化現象是由于在半透膜附近的提取液濃度被稀釋導致提取液與原料液有效濃度差減小，降低了正向滲透效率；對于反滲透過程，外部濃差極化現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，在提取液一側外加壓力不變的情況下，這相當于減少了有效壓差，降低了反向滲透效率。外部濃差極化現象可以通過增加攪拌來緩解。內部濃差極化現象則與膜材料本身的性質和結構相關，內部濃差極化現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，內部濃差極化現象越弱。(5)自我清洗機能。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，以實現自我清洗機能，延長膜元件的使用壽命。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硬的納米材料，它具有極強的力學性能(強度130GPa)，良好的熱學穩定性(可以承受2300攝氏度的高溫)和優異的化學、電化學穩定性。專利技術人發現，本專利技術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。相對于傳統的聚合物半透膜，本專利技術的納米孔結構石墨烯半透膜的優勢具體體現在以下幾個方面:(I)選擇性的優勢:傳統的半透膜是基于多孔聚合物的聚合物半透膜，其通過聚合物單體之間的相互交聯，形成大量的孔隙空間，這些孔隙空間通過聚合物的熱漲落相連通。聚合物的孔隙空間，近似可以看作是孔結構。聚合物的交聯程度與孔的大小直接相關。一定程度的交聯，能夠產生大小合適的孔，而這是保證聚合物半透膜具有選擇透過性的原因。顯然，孔越小，鹽離子就會越難以通過，拒鹽率就會越高，但是過小的孔會使得水在聚合物中原本不快的輸運速度大大減緩。高拒鹽率和高通量是在采用聚合物半透膜時難以同時兼顧的。而對于本專利技術的石墨烯半透膜，由于具有單原子層厚的結構特性，只要保證孔徑合適，就可以在保證高通量的同時，保持極高的拒鹽率。根據本專利技術的實施例，利用根據本專利技術的半透膜，可以達到IOOIVcm2Day以上的高通量(比聚合物薄膜大100倍以上)，且拒鹽率理論上可以達到100%。其中，需要說明的是，本專利技術是通過控制刻蝕的面積來控制孔徑的。具體地，通過紫外線誘導氧化刻蝕石墨烯，進而通過控制刻蝕的時間，控制刻蝕產生的孔的大小。(2)通量的優勢:在滲透過程中，水分子進入聚合物半透膜中的孔隙空間，由于聚合物的熱運動，使得孔隙空間彼此相連通，水分子的輸運因而得以完成，每一步只能擴散0.3納米，而穿過聚合物半透膜的尺度是100納米。顯然，這種依賴于聚合物熱運動漲落的輸運機制是非常低效的。而本專利技術的具有納米孔結構的石墨烯材料形成的半透膜，其流量比目前的傳統聚合物半透膜大一至兩個數量級，并且還能夠保持極高的拒鹽率。(3)力學穩定性的優勢:傳統聚合物半透膜，由于自身力學強度的限制，往往需要采用厚厚的聚合物支撐。而厚度的增加會急劇增加內部濃差極化現象，降低滲透效率。而本專利技術的石墨烯半透膜，只需很薄的力學支撐即可，甚至不需加入力學支撐。因而，相對于傳統聚合物半透膜，采用本專利技術的石墨烯半透膜進行滲透，滲透效率能夠顯著提高。化學/電化學穩定性的優勢:聚合物膜材料如醋酸纖維素，容易受到微生物和復雜溶液環境的腐蝕，而本專利技術的半透膜所采用的石墨烯材料常溫下化學和電化學性質十分穩定，不會因微生物分解失效。(4)濃差極化:聚合物本身作為有機大分子，還有其他的一些缺陷。以當今反滲透市場中主要應用的聚酰胺薄膜復合材料為例，反滲透中具體應用時，它主要分為三層:聚酯網絡作為力學支撐，厚120至150微米；微孔中間夾層，作為過渡，厚約40微米；阻礙層，在滲透的選擇性中發揮主要作用，厚約0.2微米。總共的厚度約為200微米，這樣的結構會在實際應用中引起嚴重的濃差極化現象。濃差極化分為兩種，內部濃差極化和外部濃差極化。外部濃差極化是指當水透過膜并截留鹽時，在膜表面會形成一個流速非常低的邊界層，濃差極化邊界層中的鹽濃度比進水本體溶液鹽濃度高，這種鹽濃度在膜表面增加的現象叫做濃差極化。濃差極化會使實際的產水通量低于理論估算值，會顯著降低滲透的效率。外部濃差極化現象可以通過增加攪拌來緩解。內部濃差極化現象，主要發生在薄膜內部，與膜材料本身的性質和結構相關。本專利技術的半透膜因所采用的石墨烯材料自身的超薄厚度(單原子層厚)就能夠從原理上消除內部濃差極化現象。(5)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種半透膜，其由石墨烯形成，所述石墨烯形成有納米孔。

【技術特征摘要】
1.一種半透膜，其由石墨烯形成，所述石墨烯形成有納米孔。2.根據權利要求1所述的半透膜，其特征在于，所述納米孔的平均直徑為IOnm以下。3.根據權利要求1所述的半透膜，其特征在于，所述納米孔的平均直徑為lnm。4.根據權利要求1所述的半透膜，其特征在于，所述納米孔的邊緣被化學基團修飾改性，所述化學基團為選自-OH、-H、...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐志平，宋智功，黃賢良，金智淵，
申請(專利權)人：清華大學，北京三星通信技術研究有限公司，
類型：發明
國別省市：