CN104334260A - 用于收获、捕获以及保留化合物的选择性穿孔的石墨烯膜 - Google Patents

Abstract

从溶液捕获且保留分子到被多个孔穿孔的石墨烯膜表面上的装置及相关方法，其中选择多个孔以允许溶液的溶剂通过并同时将所需分子捕获在至少一个石墨烯膜的表面上。该方法随后以依次更小的多个孔直径的顺序排列穿孔的石墨烯膜以捕获和保留一系列依次更小的分子。该脱除装置包括电磁配置、机电配置以及静电配置。

Description

用于收获、捕获以及保留化合物的选择性穿孔的石墨烯膜

相关申请的引用

本申请要求2012年4月19日提交的名称为用于收获、捕获以及保留化合物的选择性穿孔的石墨烯膜的第61/635,378号的美国临时专利申请的优先权，并且通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及用于从经过膜或膜的适当排列的溶液中主动(intentional)收获、捕获且保留所需化合物的目的的选择性穿孔的碳单层和多层石墨烯膜。

背景技术

由于淡水资源日益匮乏，许多国家都在寻求可以将被盐污染的水，最显著的为海水，转化成洁净饮用水的解决方案。

用于咸水淡化的现有技术分为四大类，即蒸馏、离子方法、膜分离方法和结晶。这些技术中最有效且最多利用的是多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MEE)以及反渗透(RO)。成本是所有这些方法的驱动因素，其中能源和资金成本都很显著。RO和MSF/MEE技术都已被完全开发。目前，最好的脱盐溶液需要通过水的简单蒸发所建立的理论最小能量界限的二到四倍，其为3至7kjoules/kg。蒸馏脱盐的方法包括多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩、太阳能加湿以及地热能脱盐。这些方法具有共同的方式，这就是改变水的状态以进行脱盐。这些方法中使用传热和/或真空加压以蒸发盐水溶液。水蒸汽随后被冷凝并以淡水进行收集。离子工艺脱盐方法注重溶液中离子的化学和电学相互作用。离子工艺脱盐方法的实例包括离子交换、电渗析和电容去离子。离子交换在盐水溶液中引入固体聚合物离子交换剂或无机离子交换剂。离子交换剂与在溶液中的所需离子结合，从而使它们能够容易地被过滤掉。电渗析是使用阳离子选择性膜和阴离子选择性膜以及电压电势来形成淡水和盐水溶液的交替通道的方法。电容去离子技术是使用电压电势来从溶液中驱动带电离子，俘获离子同时允许水分子通过。膜脱盐方法使用过滤和压力从溶液中去除离子。反渗透(RO)是广泛使用的脱盐技术，其对盐溶液施加压力来克服离子溶液的渗透压。压力推动水分子通过多孔膜进入淡水室同时捕获离子，形成高浓度的盐溶液。压力是这些方法的驱动成本因素，因为需要它克服渗透压以捕获淡水。结晶脱盐是基于该现象，即晶体形成优选不包含离子。通过形成结晶的水，无论是作为冰或作为甲基水合物，均可以从溶解的离子分离纯水。在简单冷冻的情况下，水被冷却至其凝固点以下，从而产生冰。冰随后熔化以形成纯水。使用甲烷气体处理的甲基水合物结晶渗滤过盐水溶液以形成甲烷水合物，其发生在比使水凝固较低的温度下。甲基水合物上浮，实现分离，并且随后被加热分解成甲烷和脱盐的水。将该脱盐水收集，并且将甲烷再循环。

蒸发和冷凝脱盐通常被认为是能量效率的，但是需要浓缩的热源。当大规模进行时，蒸发和冷凝脱盐通常共同位于发电厂，并且倾向于被限制在一定的地理分布和大小之内。

电容去离子没有被广泛使用，这可能是由于电容电极倾向于被去除的盐污染并且需要频繁的维修服务。所需电压倾向于取决于电极板的间距以及流动的速率，并且电压可以是危险的。

反渗透(RO)过滤器被广泛地用于水的净化。RO过滤器使用通常由醋酸纤维素或聚酰亚胺薄膜复合物制成的多孔或半渗透膜，一般具有1mm的总厚度。这些材料是亲水性的。该膜通常被螺旋卷绕成类似管状以便于处理和膜支撑。该膜表现出随机尺寸的孔分布，其中最大尺寸的孔小到足以允许水分子通过并且禁止或阻止诸如溶解在水中的盐的离子通过。尽管典型的反渗透膜的厚度仅为一毫米，但RO膜的固有的随机结构限定了水流过膜的长且迂回或曲折的路径，并且这些路径的长度可以远远超过一毫米。路径的长度和随机结构需要大量的压力以从离子剥离表面上的水分子，并且随后通过膜对抗渗透压将水分子去除。因此，RO过滤器往往是能量低效的。

图1是RO膜10的横截面的概念图。在图1中，膜10限定了面向上游离子水溶液16的上游表面12以及下游表面14。在上游一端示出的离子被选为具有+电荷的钠(Na)和具有-电荷的氯(Cl)。钠被示为与四个溶剂化水分子(H₂O)相缔合。每个水分子包含氧原子和两个氢(H)原子。在图1的RO膜10中水流动的路径20中的一个表示为从上游表面12上的孔20u延伸至下游表面14的孔20d。路径20表示为迂曲的，但是无法显示典型路径的实际弯曲性质。此外，可以预期到表示为20的路径与具有多个上游孔和多个下游孔互连。通过RO膜10的路径20不仅是迂曲的，而且它们可以随着时间而改变，这是由于一些孔不可避免地被碎屑堵塞。

需要替代性的咸水脱盐或去离子方法。

相对于脱盐和去离子，在工业、商业和制药技术中也存在对于从含有高价值化合物的溶液中俘获和保留这些化合物的需要。通过稀缺、能源和运输成本的结合，增加了从原始来源生产、提取和提纯这些化合物的成本。因此，人们正在寻找适合脱除和捕获多种化合物方法的高性能、适应性、耐用的收获膜。

现有的收获和捕获装置由厚的多孔膜、装填有吸收剂(或吸附剂)球的柱、以及色谱或电泳装置的变体组成。与这些方法相关联的装置遭受着有限的性能——按每单位时间每单位面积所需化合物的捕获量测量。这主要是因为在输入多组分混合物流被严重阻碍，因为它流过上述的装置。该不佳性能的主要原因表现为D’Arcy流动方程，其描述了以低速通过多孔介质的流体的流动：

1)J＝βΔp/d

其中J是通过膜的磁通(m³/sec/m²)，Δp是经过膜的压力差(N/m²)，β是膜摩擦参数，以及d为膜厚度(m)。现有的膜状和球状装置具有50-100微米(10^-6m)的厚度，以及与在0.5至小到0.05的范围内的参数β相关的曲折路径。

基于上述情况，对于改进的膜在本领域中有明确的需要。因此，本发明提供了石墨烯膜，其中单层至多层石墨烯的公称厚度为0.3x10^-9m其中β＝1；这导致330,000:1渗透效率的总体理论优势。

除了其尺寸优势，石墨烯还非常牢固，其杨氏模量比钢大1000倍。其还是导电的从而使其可以相对于周围的溶液具有电荷，并且是磁中性的。这些事实使得许多独特方法可以被应用到从该石墨烯表面脱除所需化合物用于随后的俘获和保留。

发明简述

根据以上情况，本发明的第一方面为提供用于收获、捕获且保留化合物的选择性穿孔的石墨烯膜。

本发明的另一方面为提供从溶液收集分子的方法，包括提供至少一个被多个孔穿孔的石墨烯膜，选择该孔以允许溶液的溶剂通过并同时将所需分子捕获在至少一个石墨烯膜的表面上，以及从表面脱除所述积聚的所需分子用于俘获和保留。

以上建立的本发明的另一方面包括当所需分子的积聚达到预定量时使溶液的流动停止。

以上建立的方法的又另一方面提供脱除，其通过将两个电磁线圈分开定位于所述至少一个石墨烯膜之上及之下，以及对电磁线圈施加控制电流以产生对铁磁吸引响应的对分子组分的电磁吸引力从而从该表面脱除分子。脱除之后，该方法可以通过使自由溶液流过该表面以收获所需脱除的分子而连续。

以上建立的方法的又另一方面为提供脱除，其通过将所述至少一个石墨烯膜与至少一个多孔压电基板联合，以及对所述至少一个多孔压电基板施加电压以产生使所述分子组分之一纵向脱除的机械偏转以便从该表面脱除分子。脱除之后，该方法可以通过使自由溶液流过该表面以收获所需脱除的分子而连续。

以上建立的方法的又一方面为，提供连接在至少一个石墨烯膜的外径和近中心基准之间产生电磁波的电路，以及对至少一个石墨烯膜施加电磁波以产生使所需分子组分的一种纵向脱除的合并的横向电流和纵向机械偏转以便从表面脱除分子。该方法可以通过使自由溶液流过该表面以收获所需脱除的分子而连续。

本发明的另一方面为提供选择性收获分子的设备，其包括具有进口和出口的容器，该进口接收溶液并且该出口收集该溶液的溶液，被多个孔穿孔的至少一个石墨烯膜，选择该多个孔以允许溶液的溶剂通过并同时将所需分子捕获在至少一个石墨烯膜的表面上，以及与所述至少一个石墨烯膜联合的脱除装置，以从所述表面脱除所述所需分子。

本发明的另一方面为提供与所述至少一个石墨烯膜联合的检测装置，以监测在该表面上所需分子的积聚。

本发明的又另一方面为提供与该容器联合的交叉流进口和交叉流出口，该交叉流进口以将自由溶液分散于至少一个石墨烯膜之上以便收获所需脱除的分子，并且其中该交叉流出口积聚自由溶液和所需脱除的分子。

在本发明的一个实施方案中，该脱除装置包含彼此间具有间隙的一对电磁线圈，其中至少一个石墨烯膜收置在所述间隙内，以及向该电磁线圈的至少一个施加电流的电流源，以产生电磁吸引力以便从该表面脱除所需分子。

在另一个实施方案中，该脱除装置包含与至少一个石墨烯膜联合的至少一个多孔压电基板，以及与至少一个多孔压电基板连接的电压源以产生机械偏转以及从该表面脱除分子。

在又另一个实施方案中，该脱除装置包括连接在至少一个石墨烯膜的外缘和至少一个石墨烯膜的近中心基准之间产生电磁波的电路，其中该电磁波的产生形成使所述所需分子从该表面脱除的合并的横向电荷和纵向机械偏转。

附图简要说明

根据以下描述、所附权利要求以及附图，将更好地理解本发明的这个和其他特征以及优势。

图1为现有技术反渗透(RO)过滤膜的横截面的概念图示；

图2为根据本公开的一方面的使用穿孔的石墨烯片层的水过滤器的概念图示；

图3为可以在图2的装置中使用的穿孔的石墨烯片层的设计图示，示出了多个孔中的一个的形状；

图4为穿孔的石墨烯片层的设计视图，示出了零点六(0.6)纳米直径的穿孔或孔以及相互贯穿的尺寸；

图5为可以用于与穿孔的石墨烯片层的背衬片层的设计图示。

图6为根据本公开的方面的水去离子过滤器的概念图示，使用多个穿孔的石墨烯片层用于分离浓缩的离子；以及

图7为示例通常相对于图6的装置垂直排列的简化的示意图，其中穿孔的石墨烯片层螺旋缠绕并且围成柱状；

图8为根据本发明的概念所获石墨烯集水器(mainfold)的示例图(未按比例)；

图9为当与如图8中示出的集水器结合使用时，根据本发明的概念的电磁脱除方法的示例图；

图10为当与如图8中示出的集水器结合使用时，根据本发明的概念的机电脱除方法的示例图；以及

图11为当与如图8中示出的集水器结合使用时，根据本发明的概念的静电脱除方法的示例图。

发明最佳实施方式

图2为根据本公开的示例实施方案或方面的基本脱盐、脱盐化或去离子设备200的概念图示。在图2中，通道210输运负载离子的水至安装在支撑室214上的过滤器膜212。负载离子的水可为例如海水或半咸水。在一个示例实施方案中，过滤器膜212可以用已知方式缠绕成螺旋形。对流过图2中通道210的负载离子的水进行流动促进或加压可以通过来自箱216或泵218的重力提供。阀236和238允许选择负载离子的水源。在设备或装置200中，过滤器膜212是穿孔的石墨烯片层。石墨烯是单原子层厚的一层碳原子，其键合在一起以限定石墨烯片层310，如图3所示。单层石墨烯片层的厚度接近0.2至0.3纳米(nm)。可以形成多层石墨烯片层，其具有更厚的厚度以及相对更强的强度。多层石墨烯片层可以被提供为按照片层生长或形成那样的多个层。或者多层石墨烯片层可以通过将一片层层叠或放置在另一片层之上来获得。对于本文所公开的所有实施方案，可以使用石墨烯的单个片层或多层石墨烯片层。实验揭示由于自粘作用，石墨烯的多个片层保持其完整性和功能性。这提高了片层的强度并且在某些情况下提高了流动性能。图3中的石墨烯片层310的碳原子定义了由六个碳原子构成的六元环结构(苯环)的重复构型，其形成了碳原子的蜂巢状晶格。间隙的孔308是通过在片层上的各个六个碳原子环结构形成的，并且该间隙的孔横向小于1纳米。实际上，技术人员将理解该间隙的孔308被认为延其最长的直径处约为0.23纳米。据此，孔308的尺寸和构型以及石墨烯的电学性质阻止了任何分子沿石墨烯的厚度方向的运送，除非有穿孔。该直径太小以至于不允许水或离子通过。为了形成图2中的穿孔的石墨烯片层212，制造了一个或多个穿孔，如图3所示。代表性的通常的或一般的圆形孔312是通过石墨烯片层310定义的。孔312一般具有约零点六(0.6)纳米的直径。选择零点六纳米的直径来阻止最小的离子，该离子通常在盐水或半咸水中常见，其为钠离子。孔312的通常的圆形形状受到孔边缘受限于或部分受限于石墨烯片层310的六元碳原子环结构这一事实的影响。

孔312可以通过选择性氧化制成，这意味着在氧化剂中暴露一段选定的时间。相信孔312还可以通过带电粒子轰击以及其后通过之前提到的选择性氧化来形成。如在出版物Nano Lett.2008，第8卷，第7号，第1965-1970页中描述的，大多数直接的穿孔策略为在升高的温度下用在氩气中稀释的氧气处理石墨烯膜。如本文所描述的，在20至180nm范围内的贯穿的孔或孔洞在500℃下用在1大气压(atm)氩气中的350mTorr的氧气中在石墨烯上刻蚀2小时。文章合理地暗示孔洞的数量与在石墨烯片层上的缺陷相关，并且孔洞的尺寸与保留时间相关。应该认为这是用于在石墨烯结构上制造所需穿孔的优选方法。该结构可以为石墨烯纳米薄片以及石墨烯纳米带。因此，在所需范围内的孔可以通过更短的氧化时间形成。另一个更相关的方法，如在Kim等人的“Fabrication and Characterization of Large Area,SemiconductingNanoperforated Graphene Materials”Nano Letters 2010，第10卷，No.4，2010年3月1日，第1125-1131页中描述的，使用自组装聚合物，其使用反应性离子刻蚀形成适合于图案化的掩膜。P(S-blockMMA)嵌段共聚物形成PMMA柱阵列，一旦重建其用于RIE形成过孔(vias)。孔洞图案非常紧密。孔洞的数量和尺寸是通过PMMA嵌段的分子量以及PMMA在P(S-MMA)中的重量分数来控制的。两种方法中的任一种都有产生穿孔石墨烯片层的潜能。

如上所述，图3中的石墨烯片层310仅具有单一原子的厚度。因此，该片层倾向于是柔韧的。石墨烯片层的弯曲可以通过对片层212施加背衬结构得以改善。在图2中，穿孔的石墨烯片层212的背衬结构如220所示。在该实施方案中，背衬结构220为穿孔的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)，有时也称为聚四氟乙烷(polytetrafluoroethane)，的片层。可替换的有效背衬材料为选择性穿孔的聚碳酸酯塑料膜。背衬层的厚度可为例如1毫米(mm)。

应当注意到，在图2中的设备或装置中，对负载离子的水施加的通过路径210至穿孔膜212的压力可以通过箱216的重力提供，因此增强了设备200的一个方面。这是因为，与RO膜不同，由穿孔的石墨烯片层312形成的穿孔膜212是疏水的，并且通过穿通的孔(图3A中的312)的水不会被对润湿有贡献的吸引力所阻碍。并且，如上所述，通过石墨烯片层310中孔312的流动路径的长度等于片层的厚度，其为约0.2至0.3nm。该长度远小于延伸通过RO膜的无序路径的长度。因此，提供流体流动需要非常小的压力，或者相反的，在穿孔石墨烯片层310中的给定压力的流动强很多。因而，这意味着对于离子分离所需要的能量低。相信在RO膜内驱动水克服渗透压通过该膜所需的压力包括导致膜被加热的摩擦组分。因此，必须应用于RO膜的压力的一部分并未用于克服渗透压，而是成为热量。模拟的结果表明穿孔的石墨烯片层将所需压力降低了至少5倍。因此，当RO膜可以在上游一端需要40磅每平方英寸(PSI)的压力以使在具体离子浓度下去离子水的具体流动有效时，用于同样流速穿孔石墨烯片层可以仅需8PSI或更少。

如上所述，图2中在石墨烯片层212(或图3中的等同石墨烯片层310)内的穿孔312的尺寸被标出以不允许水源中可能出现的最小离子通过。因此，尺寸上等于或大于最小离子的任何离子将不通过穿孔石墨烯片层212，并且这样的离子将在石墨烯片层支撑室214的上游一端226积聚。在上游“室”226内离子积聚在文中是指作为“浆液”，并且将最终减少水通过穿孔石墨烯片层212的流动，因此倾向于使该膜对于去离子无效。如图2中所示，提供了又一个路径230，以及排出阀232，以允许浆液的净化或排出。因此，图2中的设备或装置200可以为“批次”的模式。批次操作的第一模式发生在负载离子的水流过路径210，并且具有关闭的排出阀232以阻止流动。负载离子的水充满支撑室214的上游一端226。水分子被允许流过图2中的穿孔石墨烯片层212并且通过背衬层220至支撑室214的下游一端227。因此，去离子水在下游部分227聚积一段时间，并且可以通过路径222脱除至示例为箱224的捕获容器。最终，离子在支撑室的上游部分226中的积聚或浓缩将倾向于减少通过穿孔石墨烯片层212的水的流动。为了排出在上游室或一端226内积聚的浓缩离子/水混合物，将阀232打开，这使得浓缩离子/水混合物被排出，同时上游部分226重填入来自箱216或泵218的负载离子的水。阀232随后被关闭并且另一个过滤循环开始。导致了去离子水的生产以及在容器224中去离子水的积聚。

图4为具有诸如图3所示的多个穿孔的石墨烯片层的示意图。图4中的片层定义了[三个、四个或五个]孔。理论上，流动速率将与孔密度成比例。当孔密度增加时，通过孔的流动将变为“湍流”，其可以再给定压力下对流动有不利影响。并且，当孔密度增加时，底层石墨烯片层的强度可能局部降低。这样的强度降低可以在某些情况下导致膜的断裂。孔之间的中心至中心间距被认为对于零点六(0.6)纳米的孔接近优选，其值为15纳米。

图5为可以与图2中的石墨烯片层一起使用的背衬片层220的结构的简化示意图。在图5中，背衬片层220是由矩形网格状装置并且在其交叉处键合或熔合的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)(也称为聚四氟乙烷(polytetrafluoroethane))的丝520制成的。可替换的有效背衬材料为选择性穿孔的聚碳酸酯塑料膜。当与穿孔石墨烯片层一起时，背衬片层的尺寸应当大到能够用于最大流量，并且具有与其相当的足够的强度。在相同方向上取向的相互毗邻的丝520之间的间距可以为标称的100nm，并且丝可以具有40nm的标称直径。石墨烯片层的拉伸强度很大，并且因此在背衬片层内的相对大的未支撑区域不应当出现问题。

图6为根据本公开的另一个实施方案或方面的去离子或脱盐设备600的概念图，其中使用了多层的不同穿孔的石墨烯片层。在图6中，相应于图2中的那些组件是通过相似的参照字母数字指明的。在图6中的支撑室614中，上游穿孔石墨烯片层和下游穿孔石墨烯片层612a和612b，分别将室分割为三个容积或部分，成为上游部分或室626a，下游部分或室626b以及中间部分或室629。各个穿孔石墨烯片层612a和612b与背衬片层联合。更具体地，穿孔石墨烯片层612a被片层620a背衬(backed)，以及穿孔石墨烯片层612b被片层620b背衬。穿孔石墨烯片层612a和612b的穿孔彼此不同。更具体地，上游石墨烯片层612a上穿有孔612ac，选择其以便不允许或不能流过氯离子并且能够流过负载有钠离子的水；这些孔的标称直径为零点九(0.9)纳米。因此，有效直径大于零点九(0.9)纳米的氯离子不能通过穿孔石墨烯片层612a，而保留在上游部分或室626a内。在某些实施方案中，应当相信孔612ac可以为标称直径在0.8至1.2nm内并且有效地不允许或不能流过氯离子。负载钠离子的水可以流过穿孔石墨烯片层612a进入中间室629。上游穿孔石墨烯片层612b上穿有孔612bs，选择其以不允许或不能流过钠离子并且能够流过水分子；这些孔的标称直径为零点六(0.6)纳米。因此，有效直径大于零点九(0.9)纳米或0.8至1.2纳米的氯离子不能通过穿孔石墨烯片层612a的孔612ac，但是负载钠离子的水可以流过穿孔石墨烯片层612a的孔612ac进入中间室629。钠离子不能通过下游穿孔石墨烯片层612b，并且因此保留或积聚在中间部分或室629中。不含氯离子或钠离子的水分子(H₂O)可以通过穿孔石墨烯片层612b的孔612bs流过中间部分或室629并且进入下游部分或室627a，从那里通过路径222和收集阀224可以收集去离子水。

如在图2中的去离子装置200的情况，图6中的设备或装置600在去离子操作的过程中积聚或浓缩离子。与图2中的设备或装置不同，然而去离子器600产生至少部分分离的浓缩离子。更具体地，当负载氯离子和钠离子的水的流动时，设备600的上游部分或室626a积聚理论上由氯离子组成的浆液浓缩物，并且在中间部分或室629积聚理论上的钠离子浓缩物。这些浓缩的离子可以通过排出连接器630a和630b以及其排出阀632a和632b的选择性控制来分别选择性提取。更具体地，阀623a可以是打开的以允许浓缩的氯离子从上游部分或室626a流至示例为箱634a的收集容器，并且阀623b可以是打开的以允许浓缩的钠离子从中间部分或室629流至示例为箱634b的收集容器。理想地，中间部分或室629中的排出开始之前排出阀632a是关闭的在，从而当穿过穿孔石墨烯片层612a时保持了一些压力来为穿过穿孔石墨烯片层612a的水流提供辅助迅速通过来自富中间室629的含钠离子的浆液。在进行去离子化之前排出阀632a和632b是关闭的。排出且收集浓缩的离子具有经济价值，因为对于钠转化为固体形式或者对于氯转化为气体形式的情况。应当注意的是海水含有大量的铍盐，并且如果被优先浓缩，这些盐作为催化剂对制药工业有价值。

在图6中还示例了分别在流动路径658和上游部分或室626a之间联通的交叉流阀654a以及在流动路径658和中间部分或室626b之间联通的交叉流阀654b。载有离子的未过滤的水201可以通过打开阀652引入流动路径658中，或者去离子水202可以从箱224通过操作泵660而提供。从泵660，去离子水通过检查阀656流至路径658。交叉流阀654a和654b是与排出阀632a和632b同时打开或关闭的，因此分别来辅助来自室的浆液的排出。

图7为根据本公开的一方面的去离子或离子分离装置的简化图示。与图6中的那些相对应的图7中的组件，是通过相似的参照字母数字指明的。在图7中，穿孔石墨烯片层612a和612b是卷绕或螺旋缠绕成柱状形式的，并且被分别插入示例为712a和712b的外壳中，如已知的RO膜技术。

本领域技术人员将理解，通过选择性穿孔的石墨烯片层可以从水中去除除了氯和钠之外的离子。

现在参照图8，可以看出用于收获、俘获和保留化合物的集水器通常用数字800指明。集水器800包括容器802，其接收的流体、气体或任何其他多组分溶液或混合物。该容器包括位于容器的顶部的主进口804以及在该容器的底部的主出口806。应该理解的是，该容器可以被加压或不加压，并且可以将其成形为所示的具有锥形顶端部分和漏斗状底端部分。然而，该容器可以是适当尺寸的并且适于如接收的材料和/或以待描述的一定方式从溶液或混合物中俘获和保留所需成分的方法所要求的任何形状。

容器802通过主进口804接收多组分溶液或混合物，其包含多个在一些实施方案中可以溶解到溶液中的需要和不需要的组分。本领域技术人员将理解，该溶液可以是水性的或水基的或有机性质的，其中任何一个足以将各组分溶解成溶液。容器802是由壁808构造的，壁808基本上从进口804延伸至出口806。在一些实施方案中，该壁可以被划分成模块化组装且分开的几个部分810，从而允许从内部进入容器802。每个部分，不论是否模块化配置，都设置有相应的字母后缀(A、B等)，连同与具体部分关联的每个组分。还应该理解的是，在组装时将该部分固定且彼此密封，从而防止污染成分进入容器中，并且防止溶液意外地排出容器。多组分溶液或混合物是从材料源816引入的，其中所述材料可预先过滤的或未预先过滤的。

每个部分810上设置有交叉流进进口820和交叉流出口822。在大多数实施方案中，端口820和822将被彼此径向相对；然而，应当理解的是在其它实施方案中，布置端口的方式为有利于从将被描述的多组分溶液收获保留材料。与每个部分810进一步关联的是与交叉流进口820相关联的泵824。每个出口822已与阀826相关联。收集容器832与每个部分810相关联，来以将被描述的方式接收所需的组分。虽然容器802被示为具有三个部分810A、810B和810C，可以理解的是其它实施方案可以提供单壁容器，其可具有如基于待从多组分溶液中捕获分子和或组分所需的任意个(1、2、4或更多个)交叉流进口以及交叉流出口。

如果提供的话，与每个部分810相关联，或者与相应的端口820和822相关联的是穿孔的石墨烯膜836。在实施方案中待描述的穿孔的石墨烯膜836被构建为提供先前所描述的过滤器膜212/石墨烯片层310的属性和特征。每个石墨烯膜836上设有多个孔洞838，其按大小排列以允许某些组分通过，同时防止其它组分通过。如实施方案所示的，应当理解的是提供了3个石墨烯膜836。具有最大直径的孔洞直径的石墨烯膜836被定位在容器802的顶部或者最接近进口阀818。膜836被固定，并且在一些实施方案中可拆卸地固定于保持在容器802内的合适的支撑结构上。特别地，膜支撑842从壁808的内部表面844延伸出从而固定该石墨烯膜。如前所述，在一些实施方案中背衬材料或背衬片层，其可由选择性穿孔的聚四氟乙烯、聚碳酸酯或类似物制成，可以用做底栅、支撑或其它实现在容器802定位和支持各个膜836。正如前面提到的，当一个以上的石墨烯膜836被定位在容器802内，那么最靠近进口阀818的膜具有最大直径的孔洞直径并且位于最靠近于此。石墨烯层随后被定位为沿Z方向上穿孔直径递减的垂直序列。换句话说，如果在所述容器提供多个石墨烯膜，置于另一个石墨烯膜下方的每个石墨烯膜将具有比正上方的石墨烯膜直径更小的孔洞或孔。当溶液从进口阀818流入并通过石墨烯膜836向出口阀828流动，多个室溶液落下通过每个具有减小的孔洞直径的连续的石墨烯膜，从而依次更小直径的分子化合物在每个膜的上表面840上积聚。以这种方式，可以收获并捕获该多组分溶液的一些分子或组分。

控制系统850被连接到各个泵824、进口阀818和出口阀826，从而控制溶液通过该容器的流动，并且适当地控制分散通过石墨烯膜的交叉流溶液时，以便收集积聚的分子。本领域技术人员将理解，控制系统850提供了用于从集水器的各种组件接收信息并且控制其操作所需的硬件和软件。连接到控制系统、通过控制系统监测和控制的集水器800的每个组件是由大写字母A-F标识的。通过实施例的方式，所有的泵824与由大写字母B标明的控制系统相连。

该检测装置852与每个石墨烯膜836和控制系统850相关联，并且，如果合适的话，与在容器802的每个部分810相关联。检测装置852与每个膜相关联并且监视分子在石墨烯膜836上的积聚并且不穿过该膜。检测装置852可以是对透射光谱的振幅进行测量并且与参考值相比较的光学装置。将该信息提供给控制系统850。另一种类型的检测器852为电子装置，通过其膜的电阻或阻抗随着材料的积聚量而变化。换句话说，因为预定水平的分子积聚在膜上，其电阻值相应地改变并且控制系统850检测，当达到预定阈值时，从而通过关闭进口阀818来使材料的流动停止并允许待收获积聚的分子。并且另一个检测装置852可以包括机械装置，通过该装置石墨烯膜的固有频率和阻尼模式响应于物质的积聚量而变化。因此，一旦检测装置852通过以上描述的任何方法进行检测，预定阈值量的分子已经积聚在任一石墨烯膜上或由石墨烯膜的任何组合积聚，控制系统850关闭进口阀818并且允许保留的分子充分沉淀和积聚用于收获。在适当的时间，控制系统850开始从相应的石墨烯膜836的表面上脱除化合物，使得分子可以如将要讨论的方式被俘获和保留。

如图8所示，控制系统850被连接到由大写字母D表示的检测装置以及由大写字母E表示的多个脱除装置854。换句话说，光学装置中的任何一个可以与所示膜的任何一个相关联，并且以类似的方式，待公开的脱除装置854中的任何一个被连接到所示膜836中的任何一个。可以设想的是，本文所公开的脱除装置被保持在容器内；然而，在其它实施方案中可以想到的是相应的部分810可以被拆除，于是所述脱除装置854随后将与石墨烯膜相关联。

现在参照图9所示，一个脱除装置一般是由数字860标识，并且被称为电磁脱除装置。在该实施方案中，一对电磁线圈862、864与石墨烯层836相关联。石墨烯膜836被定位在具有由距离d限定的间隙866的电磁线圈862和864之间。每个电磁线圈分别与电线863和865相关联。由控制系统850控制的电流源868被用于同时或以协调的顺序沿电线之一到电磁铁之一发送电流，从而产生磁力。具体地，可以理解的是电流的产生会产生受控制为正比于施加到线圈的电流磁偶极矩(F_m＝βNAi/d)。因此，对于截留在膜上表面840上的铁磁材料或分子的所有类别和大小，脱除Z方向力被产生和控制，以促进该材料进入自由溶液876。如图8所示的自由溶液876经由泵824通过进口820和部分810交叉冲洗，以收获从石墨烯膜836的表面840上脱除或仍在石墨烯膜836的表面840上积聚的分子。因此，作为自由溶液876流过部分810，该脱除材料被吸收和/或否则通过出口822和打开的阀826推动且进入用于进一步处理或精制的适当的收集容器832中。在操作中，脱除装置860可以首先被操作并且随后在一段时间内与相邻的进口820相关联的合适的泵824被操作从而使自由溶液流过石墨烯膜的表面从而吸收或携带在自由溶液中的脱除的分子并且通过出口或出口822收集它们并且装入合适的容器832。控制系统850提供了操作事件的适当的顺序以捕获所收获的分子。

现在参照图10，另一个脱除装置通常是由数字880指明的。脱除装置880是机电装置，其中多孔压电基板882与石墨烯膜836相关联。多孔压电基板882设置有明显比孔洞838大的孔的以允许疏通的溶液流动通过。可以理解的是，基板882具有接地连接。基板882被定位为毗邻且非常接近膜836或与膜836相接触。基板882被连接到电压源884，电压源884连接到控制系统850。在打开位置示出的开关886还被控制系统850所控制，并且被连接在电压源884和基板882之间。控制系统850控制电压振幅和开关频率(当开关886被打开和并闭时的速度和时间)，以便产生脱除力F_p＝αVsin(wt)，诸如振动，从而从石墨烯膜并且具体为表面840脱除积聚的分子，因此它能够以与前述实施方案基本相同的方式被通过膜836的自由溶液876所吸收和/或清除。在任何情况下，该膜882作为石墨烯膜的支撑结构，其垂直的Z方向随时间而变形，可以通过开关886来控制在正比于所施加的电压。对本领域技术人员显而易见的是任何合适的压电膜可以被用于本申请，包括聚偏三氟乙烯(polyvinylidene-tri-fluoride)或任何其它含氟聚合物材料。对于俘获在膜表面的所有类型和大小的分子，产生和控制脱除Z方向力以促进物料进入自由溶液，其中它随后可以被交叉冲洗并收获到收集容器832中。

现在参照图11，可以看出静电脱除装置通常是通过数字900标识的。在本实施方案中，石墨烯膜836与控制系统850相关联，其中电线被附着在膜836上并且第一电线901A附着在膜的外周缘，并且第二电线901B附着在地面与靠近中心或非常接近膜836的中心的接地基准(ground reference)之间。脱除装置900包括数-模转换器902，其与控制系统850连接且由控制系统850控制，其将模拟信号提供给产生电磁波信号906的运算放大器904。波信号906经由电线901A被施加到石墨烯膜836的外周缘。由于石墨烯的独特导电性，电磁波是通过将波信号906应用于穿孔石墨烯膜的外径而生成的。波信号906产生的波作用力F_es＝βE(a₁sin(ω_it+ф_i))。根据与地面和石墨烯膜的外径之间的不同的相对电压差，波传播向内朝向接地基准。由于在石墨烯膜上积聚的材料响应于静电力被静电垂直排斥，在自由溶液中的材料的浓度是通过电导率仪916传感的。电导率仪916通过数-模转换器918被连接到控制系统850以调节所施加的波动时间序列从而使材料的脱除最大化。一旦导电性的预定阈值被电导率计916检测到，控制系统850将继续自由溶液的交叉流冲洗以及与如前面实施方案中的相关联的材料。

如上所讨论的，当使用多个石墨烯膜时，每个膜的孔径大小为从较大直径向较小直径变化。例如，由第一石墨烯膜阻碍的分子被指定为R1，而由石墨烯膜836B阻碍的略微小的分子被指定为R2。最后，甚至更小的分子被指定为R3并且由石墨烯膜836C阻碍。不会由任何膜阻塞的分子将通过，并且在收集容器832中收集并指定为渗透物。

该控制系统850以有效的方式协调阀818和826、泵824以及脱除机854，以便使所施加的功率最小化，并且收集所需分子。还应该理解的是，可以配置控制系统850和相关联的脱除机以驱动积聚的材料在表面840上穿过膜836至膜的外周缘和壳体820，以实现其捕获。

本发明的优点是显而易见的。具体为，设备800可以有效地收获具体尺寸的分子并且将其从石墨烯膜的表面有效地去除。当分子饼和其它积聚物以不易通过溶液简单交叉流脱除的方式时，这是很有用的。容器和相关方法允许除去分子，而无需从容器中去除膜。以在目前的实践中现有的聚合物(因此隔热)膜未能提供的方式，石墨烯独特的导电性能允许上述电脱除和收获手段的应用。

因此，可见通过上述结构和其方法的使用已经能够实现本发明的目的。虽然根据专利法规，只对最佳方式和优选的实施方案进行了介绍和详细描述，但是应当理解的是，本发明并不局限于此。因此，为了理解本发明的真正范围和广度，应当参考下列权利要求。

Claims (14)

1.从溶液收集分子的方法，包括：

提供至少一个被多个孔穿孔的石墨烯膜，选择所述孔以允许所述溶液的溶剂通过并且同时将所需分子捕获在所述至少一个石墨烯膜的表面上；以及

从所述表面脱除所述积聚的所需分子用于俘获和保留。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

当所述所需分子的积聚达到预定量时所述溶液的流动停止。

3.根据权利要求2所述的方法，其中脱除包括：

将两个电磁线圈分开定位于所述至少一个石墨烯膜之上及之下；以及

对所述电磁线圈施加控制电流以产生对铁磁吸引响应的对任一所述分子组分的电磁吸引力从而从所述表面脱除所述分子。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

使自由溶液流过所述表面以收获所述所需脱除的分子。

5.根据权利要求2所述的方法，其中脱除包括：

将所述至少一个石墨烯膜与至少一个多孔压电基板联合；以及

对所述至少一个多孔压电基板施加电压以产生使所述分子组分之一纵向脱除的机械偏转以便从所述表面脱除所述分子。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

使自由溶液流过所述表面以收获所述所需脱除的分子。

7.根据权利要求2所述的方法，其中所述脱除方法包括：

连接在所述至少一个石墨烯膜的外径和近中心基准之间产生电磁波的电路；以及

对至少一个石墨烯膜施加电磁波以产生使所述所需分子组分之一纵向脱除的合并的横向电荷和纵向机械偏转以便从所述表面脱除所述分子。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

使自由溶液流过所述表面以收获所述所需脱除的分子。

9.选择性收获分子的设备，包括：

具有进口和出口的容器，所述进口接收溶液并且所述出口收集所述溶液的溶剂；

被多个孔穿孔的至少一个石墨烯膜，选择所述多个孔以允许所述溶液的溶剂通过并同时将所需分子捕获在所述至少一个石墨烯膜的表面上；以及

与所述至少一个石墨烯膜联合的脱除装置，以从所述表面脱除所述所需分子。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括：

与所述至少一个石墨烯膜联合的检测装置，以监测所述所需分子在所述表面上的积聚。

11.根据权利要求9所述的设备，还包括：

与所述容器联合的交叉流进口和交叉流出口，设置所述交叉流进口以将自由溶液分散于所述至少一个石墨烯膜之上以便收获所述所需脱除的分子，并且其中所述交叉流出口积聚所述自由溶液和所需脱除的分子。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述脱除装置包括：

彼此间具有间隙的一对电磁线圈，其中所述至少一个石墨烯膜收置在所述间隙内；以及

电流源，所述电流源向所述电磁线圈的至少一个施加电流以产生电磁吸引力以便从所述表面脱除所述所需分子。

13.根据权利要求11所述的设备，其中所述脱除装置包括：

与所述至少一个石墨烯膜联合的至少一个多孔压电基板；以及

电压源，所述电压源与所述至少一个多孔压电基板连接以产生机械偏转并且从所述表面脱除所述所需分子。

14.根据权利要求11所述的设备，其中所述脱除装置包括：

连接在所述至少一个石墨烯膜的外缘和所述至少一个石墨烯膜的近中心基准之间产生电磁波的电路，其中所述电磁波的产生形成使所述所需分子从所述表面脱除的合并的横向电荷和纵向机械偏转。