使用膜分离水制造技术

本发明专利技术涉及氧化石墨烯，特别是多孔载体上的氧化石墨烯，和包含这些材料的膜的用途。本发明专利技术也涉及包括气相分离和渗透蒸发的脱水方法。渗透蒸发是用膜分离液体混合物的方法。渗透蒸发由两个基本步骤组成：渗透物穿过膜的渗透和渗透物从膜另一侧的蒸发。渗透蒸发是温和的，可以用于分离无法承受蒸馏所需的相当苛刻条件(高温和/或低压)的组分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用膜分离水本专利技术涉及氧化石墨烯，特别是多孔载体上的氧化石墨烯，和包含这些材料的膜的用途。本专利技术也涉及包括气相分离和渗透蒸发的脱水方法。
技术介绍
分离水和其它物质在多种情况下都非常有用。分离水蒸气和其它气体可以用亲水膜实现，其允许水穿过但不允许被纯化的气体穿过。“原”天然气包含许多杂质，包括必须在其可以使用之前除去的水蒸气。同样地，天然存在的氦气常包含对于很多应用必须除去的水蒸气。原油也常需要脱水，作为精炼方法的一部分。水蒸气可以干扰气相检测器体系，从气态混合物中预分离水可以改进该体系的灵敏度和寿命。从这些或其它气态体系中除去水蒸气可以是有利的，且是本专利技术的目的之一。很多工业用除去水作为浓缩混合物的方式。因此，食品工业会浓缩果汁、糖和奶(例如在生产奶酪之前)，很多其它工业(例如电镀业)会浓缩它们的废品以降低运输和/或处理成本。渗透蒸发是用膜分离液体混合物的方法。渗透蒸发由两个基本步骤组成：渗透物穿过膜的渗透和渗透物从膜另一侧的蒸发。渗透蒸发是温和的方法。因此，它可以用于分离无法承受蒸馏所需的相当苛刻条件(高温和/或低压)的组分。它是蒸馏的低能替代方法。渗透蒸发可以用于从液体中除去痕量的杂质。例如，亲水膜可以用于从有机溶剂中除去水，并且可以提供比传统方法纯度更高的溶剂。一个特别的用途是纯化与水形成共沸混合物的化合物，例如乙醇和异丙醇。亲水膜可以用于从发酵液或从缩合反应例如酯化中除去水。目前最优选的用于渗透蒸发的亲水膜是例如基于A型沸石的沸石。这些材料有许多缺点。由于沸石是多晶，它们形成为稳定膜会是个难题。沸石溶于相对弱酸性的条件(低于约pH4)，这会限制其可能的应用。找到这种膜的有效载体也是困难的。聚合物膜也被广泛使用，但它们一般选择性较差。石墨烯被认为对所有气体和液体都是不可渗透的。由氧化石墨烯制成的亚微米厚的膜对大多数液体、蒸气和气体，包括氦气是不可渗透的。然而，学术研究显示，令人意外地，由氧化石墨烯有效组成的厚度约1μm的氧化石墨烯膜对水是可渗透的，尽管它们对氦气不可渗透。这些氧化石墨烯层允许水的无阻渗透(比He快1010倍)(Nair等，Science，2012，335，442-444)。然而，该文献没有公开任何由氧化石墨烯片层制备的可使用的膜，也没有公开该材料作为膜的任何实际应用。本专利技术旨在提供在比现有技术范围更广的条件下有效的脱水(即从体系中分离水或水蒸气)手段。从中分离水的体系可以是气体的混合物，或它可以是一种或更多种被水污染的液体的混合物(例如燃料体系)。本专利技术也旨在提供比现有技术选择性相同或更好的脱水手段。本专利技术也旨在提供使用比现有技术材料更便宜和/或更易于大量制备的材料的脱水手段。本专利技术也旨在提供在产量方面或在能量输入方面比现有技术更有效的脱水手段。本专利技术也旨在提供耐用且寿命长的脱水手段。这允许材料的重复使用和/或循环再生。这对于工业用途特别有意义。本专利技术满足了一些或所有上述目的。我们发现氧化石墨烯片层当与多孔载体结合时，可以用于从流体体系例如气体、液体或气体和液体的混合物中选择性地分离水或水蒸气。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面提供了氧化石墨烯膜用于产品脱水的用途，其中氧化石墨烯膜包含多孔载体上的氧化石墨烯层。脱水包含从产品中分离水。在一个实施方案中，分离是通过渗透蒸发。在一个替代实施方案中，分离是通过气相或蒸气相分离。在一个实施方案中，用途在于检测器体系。被检测的物种可以是水，或它可以是脱水液体或气体。在这种情况下可能是(如果它存在)水会干扰脱水液体或气体的检测。在一个替代实施方案中，用途是气体干燥。在一个替代实施方案中，用途是气体加湿。在一个实施方案中，用途在于浓缩步骤。在一个实施方案中，用途是连续方法。在本专利技术的第二方面提供了从产品中分离水的方法，该方法包括：使水和产品的混合物与氧化石墨烯膜的第一表面接触，其中氧化石墨烯膜包含多孔载体上的氧化石墨烯层；从氧化石墨烯膜的第二表面除去水。氧化石墨烯提供在多孔载体上。这意为氧化石墨烯物理上由多孔载体负载，但对多孔载体的位置相对于氧化石墨烯层的位置没有施加任何限制。因此，多孔载体可以提供在氧化石墨烯层的一侧，此为“上”侧或“底”侧，或其实可以有一个以上与氧化石墨烯层结合的多孔载体，在此情况下多孔载体可以布置在氧化石墨烯层的不同侧，或它们可以在相同侧。在一个实施方案中，分离方法是通过渗透蒸发分离的方法。在一个实施方案中，分离方法是通过气相或蒸气相分离的分离方法。在一个实施方案中，该方法是连续的。从产品中除去水的一个效果是产品必然变得更浓缩。这可以本专利技术的用途或方法的目的。不希望被理论所约束，据相信水是由于毛细作用或其它单个水分子和氧化石墨烯之间的表面力而穿过氧化石墨烯层。这个不寻常的渗透性质是由于GO膜的独特结构。氧化石墨烯膜内的水分子速度高是由于膜的低摩擦石墨结构。据相信此机理不适用于其它化合物。对体系即待脱水的产品加压以有效脱水是不必要的，因为水能够选择性地穿过膜。然而分离可以在压力的影响和/或真空的应用下实现。在水穿过膜且从膜的第二表面释放之后，从膜的“远”侧回收的水可以用各种方法除去，或它可以简单地留下或被允许蒸发。主动除去分离的水对于膜在脱水过程中的功能不是必不可少的，即在很多情况下不需要特别的操作。在本专利技术的第三方面，提供了层状结构形式的复合半透膜，包含至少氧化石墨烯层和多孔载体层。术语“半透”是指以下事实：复合氧化石墨烯膜对于所有气体和液体是不可渗透的，但它可以选择性地允许水的渗透，同时对气体例如氦气和其它蒸气和液体是不可渗透的。因此，在这种情况下该膜唯一对水和水蒸气是可通过的。它也是指以下事实：复合膜作为一个整体，在部分实施方案中可以允许有限数目的其它材料例如乙醇、乙醇和丙醇、以及相似的小极性分子选择性地通过，但对其它气体和液体保持不可渗透。我们发现氧化石墨烯沉积在其上的多孔载体的性质对氧化石墨烯膜复合结构的总体性能和它允许渗透的能力是重要的。换言之，多孔载体可以调节总体氧化石墨烯膜允许选择性渗透液体或蒸气例如水的能力。然而，其它小的极性分子可以渗透穿过膜，或可以完全被膜阻止。在这方面术语“小的极性分子”特别地排除水。根据本专利技术的氧化石墨烯膜始终允许水的渗透，膜材料因此控制其它小的极性分子例如C1-4醇等渗透或被排斥的程度。在一个实施方案中，多孔载体是无机材料。因此，多孔载体(例如膜)可以包含陶瓷。优选地，载体是氧化铝、沸石或二氧化硅。在一个实施方案中，载体是氧化铝。也可以使用A型沸石。陶瓷渗透蒸发膜也已产生，其中活性层是通过溶胶-凝胶法产生的无定形二氧化钛或二氧化硅。在一个替代实施方案中，载体是聚合物材料。优选地它是PTFE、PVDF、或CycloporeTM聚碳酸酯。在一个实施方案中，多孔载体(例如膜)可包含聚合物。在一个实施方案中，聚合物可包含合成聚合物。历史上，商品化的渗透蒸发膜一般基于聚(乙烯醇)，更近地，使用聚酰亚胺。这些可以用在本专利技术中。或者，聚合物可以包含天然聚合物或改性天然聚合物。因此，该聚合物可以包含基于纤维素的聚合物。在另一个实施方案中，多孔载体(例如膜)可以包含块状碳(carbonmonolith)。在一个实施方案中，氧化石墨烯层的厚度不超过数十微米，理想地小于约100μm。优选地，它的厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯膜用于产品脱水的用途，其中所述氧化石墨烯膜包含负载在多孔膜层上的氧化石墨烯层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.15 GB 1214565.21.一种氧化石墨烯膜用于产品脱水的用途，其中所述氧化石墨烯膜包含负载在多孔膜层上的氧化石墨烯层；并且其中所述氧化石墨烯层包含堆叠的单层氧化石墨烯片。2.根据权利要求1所述的用途，其中所述用途是用于通过气相分离来使水分离于产品。3.根据权利要求2所述的用途，其中所述用途是用于检测器体系中。4.根据权利要求1所述的用途，其中所述用途是用于通过渗透蒸发来使水分离于产品。5.根据权利要求4所述的用途，其中所述产品是发酵液或提取自发酵液。6.一种使水分离于产品的方法，所述方法包括：使水和产品的混合物与氧化石墨烯膜的第一表面接触，其中所述氧化石墨烯膜包含负载在多孔膜层上的氧化石墨烯层；从复合材料的第二表面除去水；并且其中所述氧化石墨烯层包含堆叠的单层氧化石墨烯片。7.根据权利要求1所述的用途或根据权利要求6所述的方法，其中所述氧化石墨烯层或每个氧化石墨烯层为100nm至10μm厚。8.根据权利要求1所述的用途或根据权利要求6所述的方法，其中所述多孔膜包含聚合物材料，所述聚合物材料选自：PTFE、PVDF、Cyclopore聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯和丙烯酸类聚合物。9.根据权利要求1所述的用途或根据权利要求6所述的方法，其中所述多孔膜包含无机材料，所述无机材料选自：金属氧化物、陶瓷、沸石、碳化硅和二氧化硅。10.根据权利要求1所述的用途或根据权利要求6所述的方法，其中所述多孔膜包含无机材料，所述无机材料选自：氧化铝、氧化锆和二氧化钛。11.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉胡尔·奈尔，彼得·布德，安德烈·海姆，
申请(专利权)人：曼彻斯特大学，
类型：发明
国别省市：英国;GB