用于脱盐的表面电荷激活的纳米多孔半渗透隔膜制造技术

一种过滤器，包括隔膜，该隔膜中形成有多个纳米通道（14）。第一表面电荷材料（18）沉积在纳米通道的端部上。第一表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响电解质溶液（20）中的离子，从而当电解质溶液的流体通过纳米通道时，使纳米通道将离子反射回电解质溶液中。还提供制造和使用该过滤器的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半渗透隔膜，并且特别涉及用于脱盐和其它处理的半渗透纳米多孔隔膜及其制造方法和使用方法。
技术介绍
水脱盐可就两种方法进行考虑。用于水脱盐的两种基本方法包括反渗透法和蒸馏法。蒸馏方法需要将流体水转换成气相，并且从蒸汽凝结成水。这种方法的成本非常高，并且需要大量的能量消耗。反渗透方法对盐化液体应用压力以迫使水分子穿过半渗透隔膜。这种方法具有相对低的能耗率。 采用反渗透法脱盐的比能(每单位生产的饮用水)已经从二十世纪八十年代的10kffh/m3以上减小到4kWh/m3以下，其接近0. 7kffh/m3的理论最小所需能量。为了改善反渗透方法的当前技术，具有均匀的孔分布和渗透性更强的分隔层的新隔膜有可能保持或改善除盐率(salt rejection),而增加反渗透方法的通量。在传统技术中尚未开发出这样的改进。
技术实现思路
一种过滤器，包括隔膜，该隔膜中形成有多个纳米通道。第一表面电荷材料沉积在纳米通道的端部上。第一表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响电解质溶液中的离子，从而当电解质溶液的流体通过纳米通道时，使纳米通道将离子反射回电解质溶液中。还提供制造和使用该过滤器的方法。一种过滤器系统，包括第一容积，配置为容纳压力下的电解质溶液；以及第二容积，通过隔膜与第一容积分开，隔膜中形成有多个纳米通道。纳米通道包括沉积在纳米通道的至少一个端部上的第一表面电荷材料。第一表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响电解质溶液中的离子，从而当电解质溶液的流体通过纳米通道时，使纳米通道将离子反射回电解质溶液中。一种制造过滤器的方法，包括在隔膜中形成多个纳米通道；以及在纳米通道的至少一个端部上沉积第一表面电荷材料。第一表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响电解质溶液中的离子，从而当电解质溶液的流体通过纳米通道时，使纳米通道将离子反射回电解质溶液中。一种过滤电解质溶液的方法，包括用电解质溶液填充第一容积；向第一容积中的电解质溶液施加阈值之下的压力；以及将电解质溶液的流体传递到通过隔膜与第一容积分开的第二容积中。隔膜中形成有多个纳米通道。纳米通道包括沉积在纳米通道的至少一个端部上的第一表面电荷材料。第一表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响电解质溶液中的离子，从而当电解质溶液的流体通过纳米通道时，使纳米通道将离子反射回电解质溶液中。这些和其它的特征和优点通过结合附图阅读其示范性实施例的以下详细描述将变得明显易懂。附图说明本专利技术将结合以下附图在优选实施例的以下描述中提供细节，在附图中图I是沿着穿过隔膜的纳米管或纳米通道的纵轴剖取的截面图，其示出根据一个示范性实施例的形成双电层的纳米通道；图2是隔膜的俯视图，其根据一个示范性实施例示出纳米通道且定位A-A截面；图3是沿着图2的A-A截面剖取的截面图，其示出了根据一个示范性实施例穿过隔膜的纳米管或纳米通道的形成；图4是示出根据一个示范性实施例在纳米管或纳米通道的一个端部之上形成的 表面电荷层的截面图；图5是示出根据另一个示范性实施例在纳米管或纳米通道的两个端部之上形成的两个表面电荷层的截面图；图6是示意性示出根据一个示范性实施例的脱盐系统的框图；图7是示出根据本专利技术的原理制造过滤器的方法的流程图；以及图8是示出根据本专利技术的原理使用过滤器的方法的流程图。具体实施例方式根据本专利技术的原理，描述了一种新隔膜，其利用纳米孔和/或纳米通道的表面电荷。在一个实施例中，对于反渗透法，实现了高除盐率，而同时保持高通量。在一个实施例中，纳米级过滤器包括形成至隔膜材料中的平行纳米孔或通道的阵列。纳米孔或通道的表面配置有在暴露到电解质时具有高负(或正)表面电荷的材料。这种作用阻止通过通道传输离子，并且实际上为离子过滤器。应当理解的是，本专利技术可就由包括铝的材料形成的非限制性半渗透隔膜进行描述；然而，在本专利技术的范围内可改变其它的结构、隔膜材料、涂层材料、工艺特征和步骤。隔膜可形成为薄片且切割成适当尺寸，或者可形成在预定尺寸的面板中或由预定尺寸的面板包括。在特别有用的实施例中，隔膜被应用于水的脱盐。然而，其它物理或化学工艺可采用本专利技术的原理。现在参考附图，其中相同的标号表示相同或类似的元件，并且首先参考图1，其示意性示出了根据本专利技术原理的纳米级过滤器10的截面图。过滤器10包括形成至隔膜材料16中的平行纳米孔或通道14的阵列12。纳米孔或通道14的表面配置有材料18，材料18在暴露到诸如盐水的电解质20时具有高负表面电荷(或高正表面电荷，这取决于应用)。在一个实施例中，沉积材料17可通过沉积以使纳米管14中的开口变窄。优选地，采用例如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)来沉积材料17。仅为了调整通道14的尺寸而需要材料17，并且如果采用一层材料18就使通道14具有足够的尺寸，则可省略材料17。在一个实施例中，材料18例如可包括二氧化钛或二氧化硅。在电解质20中，表面22上的负表面电荷吸引电解质20中的正离子(反离子)，这形成了双电荷层26 (在层18附近)。表面22上的正表面电荷吸引电解质20中的负离子(阴离子)，这形成了双电荷层26。双层26包括纳米通道14的表面电荷及对该表面电荷起电解反应的离子。在一个实施例中，双电荷层的厚度t取决于电解质20的电荷密度，并且在电解质密度在1.0摩尔浓度(M)的范围内时，双电荷层的厚度t为约lnm。作为示例，如果此双电荷层的厚度约为孔或通道直径的1/2，则自孔或通道一侧的反离子区域与自相反地点的区域合并，从而跨过孔或通道直径形成仅包含正电荷的区域30，这是因为负电荷被纳米孔或通道表面的负表面电荷22排斥。这种作用阻挡了通过通道传输负离子，并且实际上为负离子过滤器。对于带正电荷的表面，例如对于氮化硅表面，会发生相反极性的作用。再一次参考图1，对于海水，离子的电荷密度使双电荷层26的厚度为Inm的量级，因此需要直径小于3nm的纳米孔或纳米通道。盐水的浓度越低，允许使用的纳米孔或通道直径越大。一个标准是，孔或通道的直径与盐水(电解质)中的双电荷层的厚度之比约为2:1。 参考图2，其示意性示出了观察纳米孔或纳米通道14的阵列12的俯视图。装置或隔膜10可制造为具有平行的纳米孔或纳米通道14，其直径为3nm-20nm的量级。其它的尺寸也是可能的，并且可根据应用而采用。一种实现这样的方法是采用阳极氧化铝(AAO)在招箔(16)中形成纳米通道14 (例如，参见0. Jessensky等人，^Self-organized formationof hexagonal pore array in anodic alumina〃Appl. Phys. Lett, 72，(1998)p 1173,也参见 G. Sklar 等人，Pulsed deposition into AAO templates for CVD growth of carbonnanotube arrays, Nanotechnology, 16 (2005) 1265-1271)。这种方法通过阳极氧化工艺在铝中形成高深宽比的平行通道。参见图3，其示意性示出了沿着图2的A-A截面剖取的截面图。穿过材料16以平行的方式形成纳米管或通道14。参见图4，一旦形成纳米通道14的阵列12，即可通过优选采用化学气相沉积(CV本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.10.28 US 12/607,2581.一种过滤器，包括 隔膜(16)，所述隔膜中形成有多个纳米通道(14);以及 第一表面电荷材料(18)，沉积在所述纳米通道的至少一个端部上，所述第一表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响电解质溶液(20)中的离子，从而当所述电解质溶液的流体通过所述纳米通道时，使所述纳米通道将离子反射回所述电解质溶液中。2.根据权利要求I所述的过滤器，其中所述隔膜(16)包括铝，并且所述纳米通道(14)通过采用阳极氧化铝而形成。3.根据权利要求I所述的过滤器，其中所述纳米通道(14)包括约3nm和200nm之间的直径。4.根据权利要求I所述的过滤器，其中所述第一表面电荷材料(18)包括具有排斥负离子的负表面电荷的材料。5.根据权利要求4所述的过滤器，其中所述第一表面电荷材料包括氧化钛和氧化硅中的至少一个。6.根据权利要求I所述的过滤器，其中所述第一表面电荷材料(18)包括具有排斥正离子的正表面电荷的材料。7.根据权利要求6所述的过滤器，其中所述第一表面电荷材料包括氮化硅。8.根据权利要求I所述的过滤器，还包括沉积在所述纳米通道的第二端部上的第二表面电荷材料(52)，所述第二表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响所述电解质溶液(20)中的离子，从而当所述电解质溶液的流体通过所述纳米通道时，使所述纳米通道将离子反射回所述电解质溶液中。9.根据权利要求I所述的过滤器，其中所述纳米通道(14)包括通过沉积材料而变窄的孔径尺寸。10.根据权利要求I所述的过滤器，其中所述电解质溶液包括海水，并且所述纳米通道包括约Inm至约3nm的孔径。11.一种过滤器系统,包括 第一容积(104)，配置为容纳压力下的电解质溶液；以及 第二容积(106)，通过隔膜(102)与所述第一容积分开，所述隔膜(102)中形成有多个纳米通道(14)，所述纳米通道包括沉积在所述纳米通道的至少一个端部上的第一表面电荷材料，所述第一表面电荷材料包括表面电荷，以静电影响电解质溶液中的离子，从而当所述电解质溶液的流体通过所述纳米通道时，使所述纳米通道将离子反射回所述电解质溶液中。12.根据权利要求11所述的过滤器系统，还包括压力调节器(112)，配置为调节所述第一容积的压力。13.根据权利要求11所述的过滤器系统，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：JM科特，CV贾内斯，彭红波，SM罗斯纳格尔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：