CN105854605B - 一种采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其包括：一第一容器，所述第一容器用于盛放待分离的液体或气体；一与所述第一容器连接的第二容器，所述第二容器用于收集分离后的液体或气体；以及一设置于所述第一容器和第二容器连接处的过滤膜，从而使所述第一容器内的液体或气体可以沿着平行于所述过滤膜厚度的方向流向第二容器，其中，所述过滤膜包括多个层层堆叠设置的二维微纳米材料微片，相邻的二维微纳米材料微片之间定义多个微孔，且所述二维微纳米材料微片的厚度方向垂直于所述过滤膜的厚度方向。由于这种结构的膜的二维微纳米材料微片层间形成多且短的通道，通道具有原子尺度光滑，可以实现低摩擦高速输运，本发明提供的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，具有高通量和低能耗的优点。
Description
技术领域
本发明属于微纳米技术领域，尤其涉及一种采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置。
背景技术
传统滤膜依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将其分为微滤膜（MF，孔径0.02微米~10微米）、超滤膜（UF，孔径0.001微米~0.02微米）和反渗透膜（RO，孔径0.0001微米~0.001微米）等。目前，随着石墨烯、氧化石墨烯等二维微纳米材料微片的发现，采用二维微纳米材料微片制备过滤膜成为研究热点。
2010年诺贝尔奖获得者安德烈·海姆研究组，在2012年science期刊上报道了采用旋涂方法制成亚微米厚度的层层堆积氧化石墨烯膜。研究发现，这种氧化石墨烯膜完全不透气体（包括氦气），水分子却可以在层间几乎无障碍的高速通过。这是由于氧化石墨烯的亲水性以及层间低摩擦原因所致。正是这种选择通过性使氧化石墨烯膜在水脱盐和气体分离领域有着广阔的应用前景。然而，沿着氧化石墨烯微片厚度方向过滤时，水分子需要“穿插迂回”，见图2a，导致氧化石墨烯膜通量减小和能量的耗散。
因此，有必要提供一种高通量和低能耗的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置。
发明内容
本发明提供一种高通量和低能耗的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置。
一种采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其包括：一第一容器，所述第一容器用于盛放待分离的液体或气体；一与所述第一容器连接的第二容器，所述第二容器用于收集分离后的液体或气体；以及一设置于所述第一容器和第二容器连接处的过滤膜，从而使所述第一容器内的液体或气体可以沿着平行于石墨烯微片方向（所述过滤膜厚度的方向）流向第二容器，其中，所述过滤膜包括多个层层堆叠设置的二维微纳米材料微片，相邻的二维微纳米材料微片之间定义多个微孔，且所述二维微纳米材料微片的厚度方向垂直于所述过滤膜的厚度方向。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，所述过滤膜的厚度为0.001微米~1000微米。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，所述二维微纳米材料微片的片间通过范德华作用，静电作用，氢键，配位键或共价键交联结合。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，相邻的二维微纳米材料微片之间的间距为0.1纳米~100纳米。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，所述二维微纳米材料微片为二维过渡态金属化合物和二维四五族元素材料及其衍生物中的一种或多种。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，所述二维微纳米材料微片为石墨烯微片、氧化石墨烯微片以及二硫化钼微片中的一种或多种。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，所述二维微纳米材料微片沿着该过滤膜厚度方向的尺寸等于该过滤膜的厚度。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，进一步包括一具有多个开孔的支撑体，所述过滤膜设置于该支撑体上。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，所述支撑体为一板材结构，且该支撑体的一表面具有一凹槽；所述过滤膜嵌入该凹槽中。
如上所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其中，所述凹槽的深度等于所述过滤膜的厚度。
相比目前的过滤装置，本装置层层堆叠的二维微纳米材料微片的厚度方向垂直于所述过滤膜的厚度方向。由于这种结构的膜的二维微纳米材料微片层间形成多且短的通道，通道具有原子尺度光滑，可以实现低摩擦高速输运，具有高通量和低能耗的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的过滤装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的过滤装置的过滤膜(2b)和现有技术的过滤膜(2a)的工作原理对比图。
图3为本发明实施例基于斯托克斯方程推导过滤膜膜通量和压差关系的膜结构最小代表单元的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的过滤装置的支撑体的结构示意图。
主要元件符号说明
| 过滤装置 | 10 |
| 第一容器 | 12 |
| 第二容器 | 14 |
| 过滤膜 | 16 |
| 第一表面 | 162 |
| 第二表面 | 164 |
| 二维微纳米材料微片 | 166 |
| 微孔 | 168 |
| 支撑体 | 17 |
| 凹槽 | 170 |
| 开孔 | 172 |
| 流动方向 | 18 |
| 水分子 | 19 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合上述附图和不同实施例说明本发明提供的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置。
参见图1，本发明实施例提供的制备微纳米材料的膜材料的过滤装置10包括：一第一容器12、一第二容器14以及一过滤膜16。
所述第一容器12用于盛放待分离的液体或气体。所述第二容器14与所述第一容器12连接。所述第二容器14用于收集分离后的液体或气体。所述第一容器12和第二容器14的形状、大小和结构不限，可以根据需要设计。所述第一容器12和第二容器14的材料可以为金属、陶瓷、玻璃、石英或聚合物等具有一定硬度和强度的材料。所述第二容器14可以与所述第一容器12间隔设置，或者也可以在所述第二容器14上设置一排气孔，从而在收集分离后的气体和液体的同时将所述第二容器14内的气体排出去。本实施例中，所述第一容器12和第二容器14均为长方体形玻璃容器。
所述过滤膜16设置于所述第一容器12和第二容器14的连接处，从而使所述第一容器12内的液体或气体通过所述过滤膜16流向第二容器14。所述过滤膜16具有一第一表面162以及一与该第一表面162平行的第二表面164。所述过滤膜16的第一表面162与第二表面164之间的距离为其厚度。所述过滤膜16的厚度不限，可以为0.001微米~1000微米。本实施例中，所述过滤膜16的厚度为0.01微米~100微米。所述过滤膜16的厚度远远小于所述过滤膜16垂直于厚度方向的尺度。例如，所述过滤膜16的厚度为垂直于厚度方向的尺度的几十分之一，或者几百分之一。所述过滤膜16包括多个层层堆叠设置的二维微纳米材料微片166。所述二维微纳米材料微片166的厚度方向垂直于所述过滤膜16的厚度方向。本实施例中，所述过滤膜16的厚度方向平行于液体或气体的流动方向18。即，所述液体或气体沿着所述二维微纳米材料微片166的层间流动。相邻的二维微纳米材料微片166之间定义多个微孔168。相邻的二维微纳米材料微片166之间的间距可调控，可以为0.1纳米~100纳米。本实施例中，相邻的二维微纳米材料微片166之间的间距为1纳米~50纳米。
所述二维微纳米材料微片166指的是厚度为纳米尺度，而其他维度为非纳米尺度的片状或层状材料。优选地，所述二维微纳米材料微片166的厚度为0.1纳米~10纳米，而其他维度的尺寸大于100纳米。所述二维微纳米材料微片166可以为二维过渡态金属化合物，二维四五族元素材料及其衍生物中的一种或多种。具体地，所述二维微纳米材料微片166可以为石墨烯微片、氧化石墨烯微片、二硫化钼微片中的一种或多种。所述二维微纳米材料微片166的尺寸和形状不限，可以根据需要选择。优选地，所述二维微纳米材料微片166沿着该过滤膜16厚度方向的尺寸等于该过滤膜16厚度。这样，沿着该过滤膜16厚度方向具有最短的通道。进一步，所述二维微纳米材料微片166的片间可以引入物理或化学交联。例如，引入高分子粘合，金属离子形成层间配位键交联，辐照形成层间共键交联。这些物理或化学交联可以增强所述二维微纳米材料微片166间的结合作用，调节微片166排布结构，使过滤膜16结构更加可控、稳定、耐用。
所述过滤膜16可以通过旋涂，滴涂和抽滤等成膜方法将二维微纳米材料微片166层层堆叠成膜，二维微纳米材料微片166垂直于其厚度堆叠。例如，本发明可以先制备多个二维微纳米材料微片166的厚度方向平行与过滤膜厚度方向的膜材料（即，现有的膜材料），然后将该多个膜材料层叠设置得到一预制体，最后，沿着垂直于二维微纳米材料微片166的厚度方向切割该预制体得到多个过滤膜16。可以理解，制备该过滤膜16的方法不限。
参见图2，相较于现有技术过滤膜16，本发明的过滤膜16工作时，水分子19的通道的增多和缩短，膜通量提高。本发明加工由二维材料微片组成且其厚度垂直于膜厚度堆叠的过滤膜，通过计算发现，这种过滤膜在相同压差和厚度下，由于水分子通道的增多和缩短，同等厚度和压差下膜通量相比垂直于厚度排列的膜高102~1010，详见以下推导。本发明实现了二维微纳米材料微片的最优结构设计，所制得膜具有通道增多和缩短，在高效节能利用氧化石墨烯膜进行水脱盐和气体分离方面有着重要的意义。
参见图3，用于斯托克斯方程推导压差与膜通量关系的该过滤膜16的代表单元，其中，二维微纳米材料微片166的通道层间距为d和长度为l，宽度为w，流体粘性为μ，则流量q与压差Δp的关系为：(1)。当现有技术的过滤膜与本发明的过滤膜同等厚度时，取L = H。
现有技术中，流体自上往下流动：二维微纳米材料微片166的通道数目为1，通道长度l =（H×L）/d = L2/d。因此， (2)。本发明中，流体自左往右流动：二维微纳米材料微片166的通道数目 n ~ H/d = L/d，二维微纳米材料微片166的通道长度 l =L。因此， (3)。因此， (4)。以氧化石墨烯薄膜中的微片为例，其层间距d~1纳米，片层大小 L 为10纳米~100微米, 那么qL/qT 大约为 102~1010。即，本发明中，由于侧向通道的增多和通道长度缩小导致侧向过滤的膜通量大大提高。
进一步，参见图4，所述过滤装置10还可以包括一支撑体17。所述过滤膜16设置于该支撑体17上。所述支撑体17用于支撑和固定该过滤膜16，其形状和结构不限，可以根据需要设计。本实施例中，所述支撑体17为一板材结构，且该支撑体17的一表面具有一凹槽170。所述过滤膜16与该支撑体17层叠设置，且嵌入该凹槽170中。优选地，所述凹槽170的深度等于所述过滤膜16厚度。所述凹槽170可以固定该过滤膜16，从而使其使用时不会被流体破坏。所述凹槽170底部具有多个开孔172。所述开孔172形状不限，可以为圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形等。所述多个开孔172的尺寸不限，可以根据需要选择。优选地，在垂直于该过滤膜16厚度的一个方向上，所述开孔172的尺寸小于所述二维微纳米材料微片166的尺寸。所述支撑体17可以采用砂芯滤板或金属滤网等制备。所述支撑体17也可以是微孔滤膜，例如，有机滤膜、水系滤膜、聚偏弗乙烯滤膜、聚酰胺滤膜、聚四氟乙烯滤膜或混合纤维素脂滤膜。
进一步，所述过滤装置10还可以包括一与该第二容器14连接的抽气装置（图未示）。所述抽气装置所述抽气装置设置的位置不限，可以根据需要选择。所述抽气装置用于抽取所述第二容器14内的气体，从而在所述第一容器12和第二容器14之间形成压力差，加快过滤速度。此时，所述第二容器14顶部应当密封连接于所述第一容器12底部。所述抽气装置可以为机械泵、分子泵、离子泵中的一种或多种。
进一步，所述过滤装置10还可以包括一与该第一容器14连接的施压装置（图未示）。所述施压装置设置的位置不限，可以根据需要选择。所述施压装置与所述第一容器12连接，用于向该第一容器12内的液体或气体施加压力，从而进一步增加所述第一容器12和第二容器14之间的压力差。所述施压装置可以为活塞或充气泵。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其包括：
一第一容器，所述第一容器用于盛放待分离的液体或气体；
一与所述第一容器连接的第二容器，所述第二容器用于收集分离后的液体或气体；以及
一设置于所述第一容器和第二容器连接处的过滤膜，从而使所述第一容器内的液体或气体沿着平行于所述过滤膜厚度的方向流向第二容器，其特征在于，所述过滤膜包括多个层层堆叠设置的二维微纳米材料微片，相邻的二维微纳米材料微片之间定义多个微孔，且所述二维微纳米材料微片的厚度方向垂直于所述过滤膜的厚度方向。
2.如权利要求1所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，所述过滤膜的厚度为0.001微米～1000微米。
3.如权利要求1所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，所述二维微纳米材料微片的片间通过范德华作用，静电作用，氢键或共价键结合。
4.如权利要求1所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，相邻的二维微纳米材料微片之间的间距为0.1纳米～100纳米。
5.如权利要求1所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，所述二维微纳米材料微片为二维过渡态金属化合物以及二维四五族元素材料中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，所述二维微纳米材料微片为石墨烯微片、氧化石墨烯微片以及二硫化钼微片中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，所述二维微纳米材料微片沿着该过滤膜厚度方向的尺寸等于该过滤膜的厚度。
8.如权利要求1所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，进一步包括一具有多个开孔的支撑体，所述过滤膜设置于该支撑体上。
9.如权利要求8所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，所述支撑体为一板材结构，且该支撑体的一表面具有一凹槽；所述过滤膜嵌入该凹槽中。
10.如权利要求9所述的采用二维微纳米材料的过滤膜的过滤装置，其特征在于，所述凹槽的深度等于所述过滤膜的厚度。
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