CN108671765A - 分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜 - Google Patents

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CN108671765A CN201810430759.1A CN201810430759A CN108671765A CN 108671765 A CN108671765 A CN 108671765A CN 201810430759 A CN201810430759 A CN 201810430759A CN 108671765 A CN108671765 A CN 108671765A
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Abstract

本发明涉及一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，在一薄的固体材料(1)里制造有许多个均匀分布树状结构圆柱形通孔，每个树状结构通孔包括一个直径较大主干孔(2)和八个直径和长度均相同的较小分支孔，这八个分支孔均与它们的主干孔(2)平行且均与这个主干孔完全连通，主干孔表面材料和它的八个分支孔表面材料均相同；各分支孔为滤孔，其直径处于纳米量级，分支孔长度根据滤孔强度要求确定；主干孔(2)半径使滤膜的渗透能力达到最大，固体材料(1)厚度由机械强度要求确定；此固体材料(1)即为本发明滤膜。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，在水、血液等的超精过滤中具有重要应用价值。

Description

分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜
技术领域
本发明涉及滤膜领域，具体地说是一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜。
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，纳米孔滤膜里的孔要小得多，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。纳米孔滤膜里的孔常为圆柱孔、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分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，解决现有技术中纳米孔滤膜过滤能力、渗透性和机械强度难以同时良好实现的技术难题。
本发明的技术解决方案是：
一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，如图1和图2所示，在一层固体材料(1)里制造有许多个均匀分布的树状结构的通孔，每个树状结构的通孔包括一个主干孔(2)和八个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)，这八个分支孔均与主干孔(2)相互平行且均与主干孔(2)完全连通，主干孔(2)和这八个分支孔均为圆柱孔，主干孔(2)的表面材料和这八个分支孔的表面材料均相同。各分支孔均为滤孔，各分支孔半径均为Rb，1，各分支孔长度均为l1，各分支孔直径2Rb，1处于纳米量级，根据过滤要求确定，各分支孔长度l1尽可能小以减小滤孔的流动阻力，l1的值根据滤孔强度要求确定，各分支孔的轴心线与它们的主干孔(2)的轴心线的平行度公差不大于0.1l1；主干孔(2)的半径Rb，2比它的分支孔半径Rb，1更大，为使滤膜渗透能力处于最大，主干孔(2)半径Rb，2根据它的分支孔半径Rb，1通过下式计算确定：
这里，λ0＝l1/l，l为固体材料(1)的厚度即本发明滤膜的厚度，Req＝c1Rb，1，Rcr为使流过滤孔的液体成为连续介质的孔的临界半径；c1的取值根据流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度来定，对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形，c1的取值范围为：1.50～1.84，c1的优选值为1.67；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形，c1的取值范围为：1.41～1.73，c1的优选值为1.57；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形，c1的取值范围为：1.23～1.51，c1的优选值为1.37；这里，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不大于10nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径大于10nm且小于30nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不小于30nm的情形；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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。
分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)均匀分布在固体材料(1)的表面的一个圆周上，该圆周的半径为Rd，这个分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)在固体材料(1)的表面的分布圆和主干孔(2)的同心度公差不大于0.1Rd，相邻分支孔在该圆周上的间距为Δ1，Δ1与Rb，1的比值取值范围为：ks＝Δ1/Rb，1＝0.05～0.5，Rd与Rb，1的比值为：Rd/Rb，1＝(8+4ks)/π。
固体材料(1)的厚度l根据固体材料(1)的机械强度要求确定；主干孔(2)和它的八个分支孔形成的树状结构的通孔在固体材料(1)的厚度方向贯穿固体材料(1)，主干孔(2)用于减小被净化液体在固体材料(1)里的流动阻力、增大固体材料(1)的渗透能力。此固体材料(1)即为本发明所指的分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜。
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。
该种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，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。
本发明的有益效果是：
一、本发明在滤膜里制造出均布的树状结构的通孔，每个树状结构的通孔包括一个主干孔(2)和八个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)，这八个分支孔均与主干孔(2)相互平行且均与主干孔(2)完全连通，主干孔(2)和这八个分支孔均为圆柱孔，主干孔(2)的表面材料和这八个分支孔的表面材料均相同；这些分支孔的直径和长度均相同，这些分支孔为滤孔，其直径根据过滤要求确定，其长度尽可能小，根据滤孔的强度要求确定，主干孔(2)的半径Rb，2比分支孔(3)的半径Rb，1更大，Rb，2根据滤膜的最大渗透能力要求确定，滤膜的厚度l根据滤膜机械强度要求确定，分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)在滤膜里呈密集分布，树状结构的通孔在滤膜里均匀地密集分布，各分支孔用于搜集过滤被净化液体，滤过的液体汇集到更大的主干孔(2)，经主干孔(2)流出本发明滤膜。
二、本发明滤膜具有树状结构通孔数目多、过滤能力强、渗透性好、机械强度高、制造工艺性好的优点。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是本发明实施例分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜结构的主视图；
图2是本发明实施例分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜结构的左视图；
图3是当本发明滤膜分别用石墨烯和氮化硅制造，对水和血液进行超净过滤时，实施例中主干孔(2)半径Rb，2与分支孔(3)半径Rb，1的关系曲线图；
图4是当本发明滤膜分别用石墨烯和氮化硅制造，对水和血液进行超净过滤时，实施例中本发明滤膜的无量纲流动阻力If，min与分支孔(3)半径Rb，1的关系曲线图。
图1和图2中：1-固体材料，2-主干孔，3-分支孔，4-分支孔，5-分支孔，6-分支孔，7-分支孔，8-分支孔，9-分支孔，10-分支孔
其中，l1为各分支孔长度，l2为主干孔(2)的长度，l为固体材料(1)的厚度即实施例本发明滤膜的厚度，Rd为分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)在固体材料(1)的表面的分布圆的半径，Δ1为相邻分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆的圆周上的间距。
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
实施例的分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，如图1和图2所示，在一层固体材料(1)里制造有许多个均匀分布的树状结构的通孔，每个树状结构的通孔包括一个主干孔(2)和八个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)，这八个分支孔均与主干孔(2)相互平行且均与主干孔(2)完全连通，主干孔(2)和这八个分支孔均为圆柱孔，主干孔(2)的表面材料和这八个分支孔的表面材料均相同。
各分支孔均为滤孔，各分支孔半径均为Rb，1，各分支孔长度均为l1，各分支孔直径2Rb，1处于纳米量级，根据过滤要求确定，各分支孔长度l1尽可能小以减小滤孔的流动阻力，l1的值根据滤孔强度要求确定，各分支孔的轴心线与它们的主干孔(2)的轴心线的平行度公差不大于0.1l1；主干孔(2)的半径Rb，2比它的分支孔半径Rb，1更大，为使滤膜渗透能力处于最大，主干孔(2)半径Rb，2根据它的分支孔半径Rb，1通过下式计算确定：
这里，λ0＝l1/l，l为固体材料(1)的厚度即本发明滤膜的厚度，Req＝c1Rb，1，Rcr为使流过滤孔的液体成为连续介质的孔的临界半径；c1的取值根据流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度来定，对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形，c1的取值范围为：1.50～1.84，c1的优选值为1.67；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形，c1的取值范围为：1.41～1.73，c1的优选值为1.57；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形，c1的取值范围为：1.23～1.51，c1的优选值为1.37；这里，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不大于10nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径大于10nm且小于30nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不小于30nm的情形；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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。
分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)均匀分布在固体材料(1)的表面的一个圆周上，该圆周的半径为Rd，这个分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)在固体材料(1)的表面的分布圆和主干孔(2)的同心度公差不大于0.1Rd，相邻分支孔在该圆周上的间距为Δ1，Δ1与Rb，1的比值取值范围为：ks＝Δ1/Rb，1＝0.05～0.5，Rd与Rb，1的比值为：Rd/Rb，1＝(8+4ks)/π。
固体材料(1)的厚度l根据固体材料(1)的机械强度要求确定；主干孔(2)和它的八个分支孔形成的树状结构的通孔在固体材料(1)的厚度方向贯穿固体材料(1)，主干孔(2)用于减小被净化液体在固体材料(1)里的流动阻力、增大固体材料(1)的渗透能力。此固体材料(1)即为本发明所指的分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜。
一个优选实施例中，滤膜为平面滤膜，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。选分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)的半径即滤孔半径Rb，1＝20nm，取ks＝Δ1/Rb，1＝0.15，c1＝1.57，λ0＝l1/l＝1×10-4，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝0.3mm，则得：各分支孔长度l1＝30nm，主干孔(2)半径Rb，2＝336nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径Rd＝55nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ1＝3nm取各分支孔的轴心线与它们的主干孔(2)的轴心线的平行度公差为3.0nm，取各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆和主干孔(2)的同心度公差为5.4nm。
一个优选实施例中，滤膜为平面滤膜，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。选分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)的半径即滤孔半径Rb，1＝7nm，取ks＝Δ1/Rb，1＝0.5，c1＝1.37，λ0＝l1/l＝1×10-4，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝0.3mm，则得：各分支孔长度l1＝30nm，主干孔(2)半径Rb，2＝80nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径Rd＝22nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ1＝3.5nm；取各分支孔的轴心线与它们的主干孔(2)的轴心线的平行度公差为3.0nm，取各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆和主干孔(2)的同心度公差为2.1nm。
一个优选实施例中，滤膜为平面滤膜，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。选分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)的半径即滤孔半径Rb，1＝20nm，取ks＝Δ1/Rb，1＝0.15，c1＝1.67，λ0＝l1/l＝1×10-3，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝30μm，则得：各分支孔长度l1＝30nm，主干孔(2)半径Rb，2＝189nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径Rd＝55nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ1＝3nm；取各分支孔的轴心线与它们的主干孔(2)的轴心线的平行度公差为3.0nm，取各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆和主干孔(2)的同心度公差为5.4nm。
一个优选实施例中，滤膜为平面滤膜，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。选分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)的半径即滤孔半径Rb，1＝7nm，取ks＝Δ1/Rb，1＝0.5，c1＝1.57，λ0＝l1/l＝1×10-3，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝30μm，则得：各分支孔长度l1＝30nm，主干孔(2)半径Rb，2＝64nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径Rd＝22nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ1＝3.5nm；取各分支孔的轴心线与它们的主干孔(2)的轴心线的平行度公差为3.0nm，取各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆和主干孔(2)的同心度公差为2.1nm。
该种分支孔数为8的新型树型纳米级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，本发明滤膜的滤孔直径即各分支孔的直径2Rb，1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50纳米。为了滤除这些细菌和病毒，本发明滤膜的滤孔直径2Rb，1必须小于17nm或50nm。因此，为实现超精过滤功能，本发明滤膜的滤孔直径2Rb，1处于1nm量级或10nm量级水平，本发明滤膜滤孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)属于极细小滤孔。
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穿透本发明滤膜的整个厚度l，则滤孔显得很深，滤孔的长径比极大(达到104)。被净化液体是很难流过这种又细又长滤孔的，这样滤膜的渗透能力就变得极差。
实际上，本发明中滤孔即各分支孔的长度l1(即滤孔的深度)没必要达到滤膜的厚度l，只需考虑滤孔强度要求，留出必要的滤孔长度l1即可。这样，就能达到超精过滤的目的。另一方面，为了增大被净化液体流过滤膜的流量，增大滤膜的渗透能力，可将密集分布的八个滤孔即八个分支孔里的流体流量汇集到一个更大的主干孔(2)里，被净化液体通过主干孔(2)流出滤膜，这样就形成了滤膜里树状结构的通孔。
根据纳米通道流体流动理论，图2所示的八个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)等效于一个长度为l1和孔的半径为Req的直的圆柱孔。主干孔(2)的半径Rb，2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和有效增大滤膜渗透能力的目的。而主干孔(2)的半径Rb，2过大，也不好；虽然主干孔(2)的半径Rb，2的增大会减小被净化液体流过滤膜里单个树状结构通孔的阻力，但是，对于一张给定的滤膜，它的表面积是给定的，主干孔(2)的半径Rb，2的增大会使滤膜里主干孔(2)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，本发明中如何选取主干孔(2)的半径Rb，2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主干孔(2)的半径Rb，2与主干孔(2)的所有分支孔等效成的圆柱孔的半径Req需满足以下关系式：
这里，λ0＝l1/l，l为固体材料(1)的厚度即本发明滤膜的厚度，Req＝c1Rb，1，Rcr为使流过滤孔的液体成为连续介质的孔的临界半径；c1的取值根据流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度来定，对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形，c1的取值范围为：1.50～1.84，c1的优选值为1.67；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形，c1的取值范围为：1.41～1.73，c1的优选值为1.57；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形，c1的取值范围为：1.23～1.51，c1的优选值为1.37；这里，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不大于10nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径大于10nm且小于30nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不小于30nm的情形；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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。
由上式算得的主干孔(2)的半径Rb，2比它的分支孔半径Rb，1要大得多，在余下的滤膜厚度(l-l1)上开设主干孔(2)，让被净化液体通过主干孔(2)流出滤膜能显著减小滤膜的流动阻力、显著增大滤膜的渗透能力。为保证主干孔(2)的八个分支孔的密集分布并满足这些分支孔的制造工艺要求，这里相邻分支孔的周向距离Δ1应满足：ks＝Δ1/Rb，1＝0.05～0.5，这八个分支孔在滤膜表面的分布圆半径Rd应满足：Rd/Rb，1＝(8+4ks)/π。这样，本发明设计的滤膜就具有树状结构通孔数目多、渗透性好、机械强度高、制造工艺性好的优点。这就是本发明的原理。
当本发明滤膜分别用石墨烯和氮化硅制造，对水和血液进行超净过滤时，图3给出了实施例中主干孔(2)半径Rb，2与分支孔(3)半径Rb，1的关系曲线。从图3看出，Rb，2的值随Rb，1值的增大而线性增大，Rb，2值比对应的Rb，1值要大得多；在纳米通道流动中，这种Rb，2比Rb，1大得多很有效地减小了被净化液体在本发明滤膜中的流动阻力，显著地提高了本发明滤膜的渗透性。
当本发明滤膜分别用石墨烯和氮化硅制造，对水和血液进行超净过滤时，图4给出了实施例中本发明滤膜的无量纲流动阻力If，min与分支孔(3)半径Rb，1的关系曲线。图4中，这里，Rr＝10nm，ρ和η分别为环境温度和压力下流过滤孔即分支孔(3)的被净化液体的体相密度和体相粘度，l为实施例中本发明滤膜的厚度，Am为实施例中本发明滤膜分布有滤孔的表面的面积，χ为实施例中本发明滤膜分布有主干孔(2)的表面的制孔率，if，min为实施例中本发明滤膜的量纲流动阻力，if，min＝Δp/qm，qm为单位时间内流过实施例中本发明滤膜的被净化液体的质量流量，Δp为施加在实施例中本发明滤膜上的压力差。从图4看出，Rb，1的增大使实施例中本发明滤膜的流动阻力显著减小，尤其当Rb，1≤20nm时；这意味着当Rb，1≤20nm时增大滤孔即分支孔(3)的半径Rb，1能非常显著地减小实施例中本发明滤膜的流动阻力从而显著地增大实施例中本发明滤膜的渗透性。

Claims (8)

1.一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：在一层固体材料(1)里制造有许多个均匀分布的树状结构的通孔，每个树状结构的通孔包括一个主干孔(2)和八个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)，这八个分支孔均与主干孔(2)相互平行且均与主干孔(2)完全连通，主干孔(2)和这八个分支孔均为圆柱孔，主干孔(2)的表面材料和这八个分支孔的表面材料均相同，各分支孔均为滤孔，各分支孔半径均为Rb，1，各分支孔长度均为l1，各分支孔直径2Rb，1处于纳米量级，根据过滤要求确定，各分支孔长度l1尽可能小以减小滤孔的流动阻力，l1的值根据滤孔强度要求确定，主干孔(2)的半径Rb，2比它的分支孔半径Rb，1更大，主干孔(2)和它的八个分支孔形成的树状结构的通孔在固体材料(1)的厚度方向贯穿固体材料(1)，主干孔(2)用于减小被过滤液体在固体材料(1)里的流动阻力、增大固体材料(1)的渗透能力，固体材料(1)的厚度l根据固体材料(1)的机械强度要求确定，该层固体材料(1)即为滤膜。
2.如权利要求1所述的一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：主干孔(2)半径Rb，2根据它的分支孔半径Rb，1通过下式计算确定：
这里，λ0＝l1/l，l为固体材料(1)的厚度即滤膜的厚度，Req＝c1Rb，1，Rcr为使流过滤孔的液体成为连续介质的孔的临界半径；c1的取值根据流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度来定，对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形，c1的取值范围为：1.50～1.84，c1的优选值为1.67；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形，c1的取值范围为：1.41～1.73，c1的优选值为1.57；对于流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形，c1的取值范围为：1.23～1.51，c1的优选值为1.37；这里，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为弱的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不大于10nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为中等水平的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径大于10nm且小于30nm的情形，流过滤孔的液体与滤孔表面的相互作用强度为强的情形指使流过滤孔的液体在滤孔的径向成为连续介质的临界滤孔直径不小于30nm的情形；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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的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半径为Req的孔的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。
3.如权利要求1所述的一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)均匀分布在固体材料(1)的表面的一个圆周上，该圆周的半径为Rd，相邻分支孔在该圆周上的间距为Δ1，Δ1与Rb，1的比值取值范围为：ks＝Δ1/Rb，1＝0.05～0.5，Rd与Rb，1的比值为：Rd/Rb，1＝(8+4ks)/π。
4.如权利要求1所述的一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)的轴心线与它们的主干孔(2)的轴心线的平行度公差不大于0.1l1。
5.如权利要求3所述的一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)、分支孔(6)、分支孔(7)、分支孔(8)、分支孔(9)和分支孔(10)在固体材料(1)的表面的分布圆和主干孔(2)的同心度公差不大于0.1Rd。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：滤膜为平面或曲面滤膜。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：滤膜的厚度处处相同或不相同。
8.如权利要求1-5任一项所述的一种分支孔数为8的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：滤膜由氮化硅或石墨烯制造而成。
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