CN107875860A - 纳米级双圆柱孔滤膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米级双圆柱孔滤膜，在一层固体材料的两侧开有两个相通的圆柱孔，其中，孔径较小的圆柱孔为滤孔，该滤孔的长度为l₀，l₀的值根据滤孔的强度要求确定，滤孔的直径为2R₀，滤孔的半径为R₀，半径R₀根据过滤要求确定，处于纳米量级；孔径较大的圆柱孔为减阻孔，减阻孔的长度为l₁，l₁的值根据滤膜的机械强度要求确定，减阻孔的半径为R₁，这里R₁≥R₀，半径R₁根据滤膜的最大渗透能力要求确定；圆柱孔在该固体材料表面呈均匀分布，该层固体材料即为滤膜；本发明滤膜不仅能实现超精过滤，还具有优良的渗透能力，同时又能满足过滤时的机械强度要求。

Description

纳米级双圆柱孔滤膜

技术领域

本发明涉及一种纳米级双圆柱孔滤膜。

背景技术

过滤用膜，简称滤膜，在工业和日常生活中具有重要应用，它可用于滤出固体颗粒、杂质，净化液体，也可用于滤出细菌、大分子物质，或者用于实现两种液体的分离。日常生活中，滤膜可用于净化饮用水，净化各种饮料，也可用于滤出海水中的杂质、各种离子，实现海水净化。现有的常用过滤方法和手段有：

一、活性炭过滤

活性炭是一种用途极广的工业吸附剂，它是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。活性炭的吸附性源于其独特的分子构造，活性炭的内部有很多孔隙，每克活性炭的内部孔隙如果铺展开来可达到500～1700平方米，正是这种独特的内部构造，使得活性炭具有优异的吸附能力。活性炭过滤时，由于其多孔性可吸附各种液体中的微细物质，常用于水处理中的脱色、脱臭、脱氯、去除有机物及重金属、去除合成洗涤剂、细菌、病毒及放射性等污染物质，也常用于废水的三级处理。

活性炭过滤的常见应用范围：(1)用于水处理设备过滤、污水处理、中水回用等等。广泛应用于化工、食品、医药、电子光伏等。(2)用于要求出水浊度≤5mg/L能符合饮用水质标准的工业用水、生活用水及市政给水系统。(3)工业污水中的悬浮物、固体物的去除。(4)可用作离子交换法软化、除盐系统中的预处理设备，对水质要求不高的工业给水的粗过滤设备。(5)用在游泳池循环处理系统、冷却循环水净化系统等。活性炭过滤的优缺点：优点：活性炭价格较便宜，活性炭过滤成本较低，能满足普通工业和日常生活常见的过滤需求，耐压，耐热，性价比较高。缺点：活性炭的孔隙较大，难以实现精细过滤，不能滤出微米级和纳米级大小的物质，常用于粗过滤。

二、微孔膜过滤

微孔膜上密密麻麻均布着各个微细孔，这种孔的直径通常在0.1微米和100微米之间。因此，微孔膜可以滤除液体、气体的0.1um以上的微粒和细菌，它有过滤精度高、过渡速度快、吸附少、无介质脱落、耐酸碱腐蚀、操作方便等优点。现已广泛用于医药、化工、电子、饮料、果酒、生化水处理、环保等工业的必需设备。

常用的微孔膜滤芯有：聚四氟乙烯膜(PTFE)滤芯，聚偏膜(PVDF)滤芯，聚丙烯膜(PP)滤芯，醋酸纤维膜(CN－CA)滤芯，尼龙(PN6)滤芯,合金钛棒,线绕滤芯,熔喷滤芯,PA/PE烧结滤芯。这些滤芯特点是：体积小、重量轻、使用方便、过滤面积大、堵塞率低、过滤速度快、无污染、热稀稳定性及化学稳定性好，能滤除绝大部分微粒，广泛应用于精滤和除菌工艺。

微孔膜过滤的缺点：相比于纳米孔滤膜，微孔膜上过滤用孔的直径仍偏大，虽然能满足日常工业和生活中许多精滤要求，但不能用于过滤极细小的物质如血液净化、蛋白质中病毒分离、液体中离子滤除、水的超级净化等。

三、滤袋过滤

微米级液体过滤袋采用优质滤料制作而成，可有效清除液体中需要清除的固态物质。液体在通过微米级滤袋时，所含杂质被精确地捕捉于滤袋深层，完成过滤过程。过滤材质：根据所过滤溶液不同，滤材可选择PE毡或PP毡，也可选用尼龙单丝、涤纶单丝等滤料，从而广泛应用于高低不同温度、酸碱不同环境中。

与微孔膜过滤类似，滤袋过滤的缺点是：滤袋上过滤用孔的直径仍偏大，虽然能满足日常工业和生活中许多精滤要求，但不能用于过滤极细小的物质如血液净化、蛋白质中病毒分离、液体中离子滤除、水的超级净化等。

四、纳米孔滤膜过滤

为了过滤极细小物质、分离病毒、分离大分子有机物等，就必需采用纳米孔滤膜过滤。相比于微孔滤膜，纳米孔滤膜上的孔要小得多，其直径处于纳米量级，常小于被滤杂质的分子尺寸，因此常用于超精细过滤，可将杂质、细菌、病毒、有机大分子等彻底滤除。纳米孔滤膜上的孔常为圆柱孔、圆锥孔。为提高这种滤膜渗透性，也有采用两层滤膜，上层为纳米孔滤膜，下层为微孔滤膜。也有人开发出极薄的单分子层纳米孔石墨烯滤膜，这种滤膜的渗透性较好。

虽然纳米孔滤膜的过滤能力强，但由于滤孔极小，这种膜的渗透性较差，它的过滤效率比较低，而且这种膜很薄，膜的机械强度也常面临挑战，不耐高压、高温。过滤能力、渗透性和机械强度在纳米孔滤膜上很难同时良好地实现；满足了其中一种性能，必然要降低其余性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米级双圆柱孔滤膜解决现有技术中存在的滤孔孔径过大不能用于过滤极细小的物质，或滤孔孔径过小，渗透性较差，过滤效率比较低，而且滤膜过薄导致的滤膜的机械强度也常面临挑战、不耐高压、高温等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种纳米级双圆柱孔滤膜，在一层固体材料的两侧开有两个相通的圆柱孔，其中，孔径较小的圆柱孔为滤孔，该滤孔的长度为l₀，l₀的值根据滤孔的强度要求确定，滤孔的直径为2R₀，滤孔的半径为R₀，半径R₀根据过滤要求确定，处于纳米量级；孔径较大的圆柱孔为减阻孔，减阻孔的长度为l₁，l₁的值根据滤膜的机械强度要求确定，减阻孔的半径为R₁，这里R₁≥R₀，半径R₁根据滤膜的最大渗透能力要求确定；圆柱孔在该固体材料表面呈均匀分布，该层固体材料即为滤膜。

进一步地，减阻孔与滤孔同心，减阻孔与滤孔的同心度公差不大于滤孔半径R₀的十分之一。

进一步地，减阻孔的半径R₁由下式确定，以使滤膜渗透能力达到最大：

其中，λ₀＝l₀/l，l为滤膜的厚度，l＝l₀+l₁，l₁为减阻孔长度即减阻孔深度，R_cr为使流过滤孔的液体成为连续介质的孔的临界半径，ρ为环境温度和压力下流过滤孔的液体的体相密度，为流过滤孔的液体在滤孔半径方向的平均密度，这个平均密度与有关，η为环境温度和压力下流过滤孔的液体的体相粘度，为流过滤孔的液体在滤孔半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述流过滤孔的液体在滤孔半径方向呈现的非连续介质效应的参数。

进一步地，滤膜采用平面或曲面滤膜。

进一步地，滤膜的厚度处处相同或不相同。

进一步地，滤膜由氮化硅或石墨烯制造而成。

该种纳米级双圆柱孔滤膜，用一层固体材料制造滤膜，滤膜可以是平面滤膜，也可以是曲面滤膜。滤膜厚度可以处处相等，也可以是变化的。在滤膜上制造均布的圆柱形滤孔，滤孔的半径R₀根据过滤要求确定，处于纳米量级。滤孔的长度(即滤孔的深度)l₀根据滤孔强度要求确定。

本发明的有益效果是：

一、该种纳米级双圆柱孔滤膜，相比于普通单圆柱孔或单圆锥孔纳米孔滤膜，本发明滤膜在膜厚方向上有两个直径不同的圆柱孔，其中一个孔为滤孔，其直径根据过滤要求确定，处于纳米量级；另一个较大孔的直径根据最大渗透能力要求，通过优化设计确定，这个孔用于减小滤膜的流动阻力和增大滤膜的渗透能力。在这样条件下，本发明滤膜的厚度可相对较大，从而满足滤膜的机械强度要求。

二、本发明滤膜在过滤能力、渗透能力、机械强度上均达到较好性能。本发明滤膜不仅能实现超精过滤，还具有优良的渗透能力，同时又能满足过滤时的机械强度要求。

三、本发明滤膜用传统的纳米孔滤膜制造技术制造，成本低廉，但具有更优异的滤膜性能，在水、血液等的超精过滤中具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例纳米级双圆柱孔滤膜的结构示意图；

图2是当本发明滤膜用石墨烯制造，对水进行超净过滤时，减阻孔半径R₁与滤孔半径R₀的最优比值(R₁/R_o)_opt与λ₀(＝l₀/l)的关系图。图中“equation prediction”指式(1)计算结果，“numerical solution”指数值计算结果。

图3是当本发明滤膜用氮化硅制造，对水进行超净过滤时，减阻孔半径R₁与滤孔半径R₀的最优比值(R₁/R_o)_opt与λ₀(＝l₀/l)的关系图。图中“equation prediction”指式(1)计算结果，“numerical solution”指数值计算结果。

其中：1-固体材料，2-减阻孔，3-滤孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

实施例的纳米级双圆柱孔滤膜，它在一薄层的固体材料1上开有两个直径常为不同的圆柱孔，这些圆柱孔在该薄固体材料1表面呈均匀分布，如图1所示。该层固体材料1即为滤膜，滤膜厚度处处相等，但本发明滤膜厚度不限制为处处相等。图1所示滤膜为平面，但本发明滤膜不限制为平面，也可以是曲面和柔性的。

在滤膜厚度方向上制造两个直径不同但具有较好同心度的圆柱孔，直径较小的孔为滤孔3，其直径处于纳米量级，因此可用于滤除细菌、病毒等极细微物质；滤孔3的长度(即滤孔3深度)根据滤孔3强度要求确定。直径较大的孔为减阻孔2，其直径通过优化设计确定，以使滤膜的渗透能力达到最大；减阻孔2的长度(即减阻孔2深度)根据滤膜的机械强度要求确定。

如图1所示，直径为2R₀(半径为R₀)的小孔为滤孔3，其半径R₀根据过滤要求确定，处于纳米量级；该滤孔3的长度为l₀，l₀的值越小越好，因为这样可以有效地减小滤孔3的流动阻力，从而有效地增大滤膜的渗透能力，l₀的值根据滤孔3的强度要求确定。实施例滤膜的滤孔3是极细的小孔，能滤除极细小物质，满足超级精滤要求。另一个较大孔的半径为R₁，这里R₁≥R₀；这个较大的孔是用于减小滤膜中流动阻力和增大滤膜渗透能力的，该孔的半径R₁根据滤膜的最大渗透能力要求，通过优化设计确定。这个较大孔的长度为l₁，l₁的值根据滤膜的机械强度要求确定。本发明兼顾了滤膜的过滤能力、渗透能力和机械强度要求，具有重要应用价值。

实施例在滤膜上制造均布的圆柱形减阻孔2，减阻孔2的半径R₁由下式确定，以使滤膜渗透能力达到最大：

此处，λ₀＝l₀/l，l为滤膜的厚度，l＝l₀+l₁，l₁为减阻孔2长度(即减阻孔2深度)，R_cr为使流过滤孔3的液体成为连续介质的孔的临界半径，ρ为环境温度和压力下流过滤孔3的液体的体相密度，为流过滤孔3的液体在滤孔3半径方向的平均密度，这个平均密度与有关，η为环境温度和压力下流过滤孔3的液体的体相粘度，为流过滤孔3的液体在滤孔3半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述流过滤孔3的液体在滤孔3半径方向呈现的非连续介质效应的参数，也与有关。本发明要求R₁≥R₀。如果式(1)算出的R₁小于R₀，则取R₁＝R₀。

减阻孔2的长度l₁根据滤膜机械强度要求确定，满足l＝l₀+l₁，l为滤膜的厚度。减阻孔2需与滤孔3同心，减阻孔2与滤孔3的同心度公差不大于滤孔3半径R₀的十分之一。

一个优选实施例中，滤膜由氮化硅制造而成，用来超精过滤水，滤去水中的细菌、灰尘、极细微杂质。选滤孔3半径R₀＝20nm，滤孔3长度l₀＝400nm，取减阻孔2半径R₁＝100nm，减阻孔2长度l₁＝99.6μm，整张膜的厚度为l＝0.1mm。

一个优选实施例中，滤膜由氮化硅制造而成，用来净化人体血液，滤去血液中病毒、大分子异物。选滤孔3半径R₀＝7nm，滤孔3长度l₀＝140nm，取减阻孔2半径R₁＝35nm，减阻孔2长度l₁＝99.86μm，整张膜的厚度为l＝0.1mm。

一个优选实施例中，滤膜由石墨烯制造而成，用来超精过滤水，滤去水中的细菌、灰尘、极细微杂质。选滤孔3半径R₀＝20nm，滤孔3长度l₀＝200nm，取减阻孔2半径R₁＝100nm，减阻孔2长度l₁＝9.8μm，整张膜的厚度为l＝0.01mm。

一个优选实施例中，滤膜由石墨烯制造而成，用来净化人体血液，滤去血液中病毒、大分子异物。选滤孔3半径R₀＝7nm，滤孔3长度l₀＝70nm，取减阻孔2半径R₁＝35nm，减阻孔2长度l₁＝9.93μm，整张膜的厚度为l＝0.01mm。

该种纳米级双圆柱孔滤膜的原理说明如下：

本发明滤膜是用于滤除极细小物质如灰尘、细菌、病毒等，而让被净化液体顺利通过滤孔3流出，达到超级精滤的目的。为实现这一目的，本发明滤膜的滤孔3直径2R₀须小于被滤掉杂质的直径。世界上已知的最小的病毒直径是17nm，最小的细菌直径是50nm。为了滤除这些细菌和病毒，本发明滤膜的滤孔3直径2R₀必须小于17nm或50nm。因此，为实现超精过滤功能，本发明滤膜的滤孔3直径2R₀处于1nm量级或10nm量级水平，本发明滤膜滤孔3属于极细小滤孔3。

考虑过滤过程中对滤膜提出的机械强度要求，用常规材料如氮化硅制成的本发明滤膜的厚度l通常需达到0.1mm。如果采用单一的滤孔3穿透本发明滤膜的整个厚度l，则滤孔3显得很深，滤孔3的长径比极大(达到10⁴)。被净化液体是很难流过这种又细又长滤孔3的，这样滤膜的渗透能力就变得极差。

实际上，本发明中滤孔3的长度l₀(即滤孔3的深度)没必要达到滤膜的厚度l，只需考虑滤孔3强度要求，留出必要的滤孔3长度l₀即可。这样，就能达到超精过滤的目的。另一方面，为了减小被净化液体流过滤膜的阻力，增大滤膜的渗透能力，在余下的滤膜厚度(l-l₀)上，需开设直径为2R₁的更大的孔(R₁≥R₀)，这种孔称为减阻孔2。本发明中，减阻孔2与滤孔3具有较好的同心度。这样，减阻孔2的直径2R₁若过小，则不好，不能达到有效减低被净化液体流过滤膜的阻力、增大滤膜渗透能力的目的。而减阻孔2的直径2R₁过大，也不好；虽然减阻孔2的直径2R₁的增大会减小被净化液体流过滤膜上单个孔的阻力，但是，对于一张给定的滤膜，它的表面积是给定的，减阻孔2的直径2R₁的增大会使滤膜上滤孔3的总数减小，这样反而使滤膜的渗透能力变差，使被净化液体流过滤膜的流量减小。因此，本发明中如何选取减阻孔2的直径2R₁是关键。

基于纳米通道中流体流动理论，本发明得到使滤膜渗透能力达到最大的最优的减阻孔2半径R₁与滤孔3半径R₀需满足以下关系式：

此处，λ₀＝l₀/l，l为滤膜的厚度，l＝l₀+l₁，l₁为减阻孔2长度(即减阻孔2深度)，R₀＝R₀/R_cr，R_cr为使流过滤孔3的液体成为连续介质的孔的临界半径，ρ为环境温度和压力下流过滤孔3的液体的体相密度，为流过滤孔3的液体在滤孔3半径方向的平均密度，这个平均密度与有关，η为环境温度和压力下流过滤孔3的液体的体相粘度，为流过滤孔3的液体在滤孔3半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述流过滤孔3的液体在滤孔3半径方向呈现的非连续介质效应的参数，也与有关。本发明要求R₁≥R₀。如果式(1)算出的R₁小于R₀，则取R₁＝R₀。

以上即为本发明-纳米级双圆柱孔滤膜的原理。根据该原理设计的本发明滤膜不仅具有超精过滤能力，还具备优良的渗透能力和足够的机械强度。

当本发明滤膜用石墨烯制造，对水进行超净过滤时，图2给出了减阻孔2半径R₁与滤孔3半径R₀的最优比值(R₁/R_o)_opt与λ₀(＝l₀/l)的关系。图2中“equation prediction”指式(1)计算结果，“numerical solution”指数值计算结果。图2中，R_cr为使流过滤孔3的水成为连续介质的孔的临界半径。从图2可见，式(1)的计算精度是令人满意的。

图2表明，随着λ₀的增大，(R₁/R₀)_opt的值迅速减小；对于给定的λ₀值，随着的增大，(R₁/R₀)_opt的值增大。

当本发明滤膜用氮化硅制造，对水进行超净过滤时，图3给出了减阻孔2半径R₁与滤孔3半径R₀的最优比值(R₁/R_o)_opt与λ₀(＝l₀/l)的关系。图3中“equation prediction”指式(1)计算结果，“numerical solution”指数值计算结果。图3中，R_cr为使流过滤孔3的水成为连续介质的孔的临界半径。

图3表明，当低至0.15时，对于所有的λ₀值，式(1)的计算结果有一定误差。但是，当大于0.3时，式(1)的计算结果还是令人满意的。R₀越大，则式(1)的计算误差越低。

Claims (6)

1.一种纳米级双圆柱孔滤膜，其特征在于：在一层固体材料的两侧开有两个相通的圆柱孔，其中，孔径较小的圆柱孔为滤孔，该滤孔的长度为l₀，l₀的值根据滤孔的强度要求确定，滤孔的直径为2R₀，滤孔的半径为R₀，半径R₀根据过滤要求确定，处于纳米量级；孔径较大的圆柱孔为减阻孔，减阻孔的长度为l₁，l₁的值根据滤膜的机械强度要求确定，减阻孔的半径为R₁，这里R₁≥R₀，半径R₁根据滤膜的最大渗透能力要求确定；圆柱孔在该固体材料表面呈均匀分布，该层固体材料即为滤膜。

2.如权利要求1所述的纳米级双圆柱孔滤膜，其特征在于：减阻孔与滤孔同心，减阻孔与滤孔的同心度公差不大于滤孔半径R₀的十分之一。

3.如权利要求1所述的纳米级双圆柱孔滤膜，其特征在于：减阻孔的半径R₁由下式确定，以使滤膜渗透能力达到最大：

其中，λ₀＝l₀/l，l为滤膜的厚度，l＝l₀+l₁，l₁为减阻孔长度即减阻孔深度，R_cr为使流过滤孔的液体成为连续介质的孔的临界半径，ρ为环境温度和压力下流过滤孔的液体的体相密度，为流过滤孔的液体在滤孔半径方向的平均密度，这个平均密度与有关，η为环境温度和压力下流过滤孔的液体的体相粘度，为流过滤孔的液体在滤孔半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述流过滤孔的液体在滤孔半径方向呈现的非连续介质效应的参数。

4.如权利要求1-3任一项所述的纳米级双圆柱孔滤膜，其特征在于：滤膜采用平面或曲面滤膜。

5.如权利要求1-3任一项所述的纳米级双圆柱孔滤膜，其特征在于：滤膜的厚度处处相同或不相同。

6.如权利要求1-3任一项所述的纳米级双圆柱孔滤膜，其特征在于：滤膜由氮化硅或石墨烯制造而成。