CN108671766A - 用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于液体‑液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，在一层固体材料里制造有许多个均匀分布的树状结构圆柱形通孔，每个通孔包括一个较大主干孔和两个较小分支孔，这两个分支孔均与它们的主干孔平行且均与这个主干孔完全连通，主干孔表面材料和它的分支孔表面材料相同；各分支孔为滤孔，其长度根据滤孔强度要求确定，主干孔用于减小滤膜流动阻力，待分离液体混合物中一种液体与主干孔表面间物理吸附弱，其余液体与主干孔表面间物理吸附强，各分支孔半径为：R_b，1＝(0.1～0.2)R_cr，R_cr为使与主干孔表面间物理吸附弱的液体混合物中那种液体成为连续介质流动所需临界圆柱孔半径，该层固体材料即为滤膜。

Description

用于液体-液体分离的分支孔数为2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，具体地说是一种用于液体-液体分离的分支孔数为2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。

五、液体-液体分离过滤

日常生活和生产中常需要将两种混合在一块的液体分离开，实现液体-液体分离过滤。以往，液体-液体分离净化常用的手段有：

(1)重力分离：适用于密度相差较大又互不混溶的两种液体。在两种液体密度相差较大情况下，密度较大的液体会沉积在底层，而密度较小的液体会浮在上层，这样就能实现两种液体的分离。

(2)离心力分离：适用于密度相差较大又互不混溶的两种液体。利用转鼓高速旋转产生的强大离心力场，使密度不同又互不混溶的两种液体混合物达到分离的目的。

(3)萃取：适用于溶解度不大两种混溶的液体。用另一种溶剂从这两种液体的混合物中提取溶质。前提条件是：两种溶剂不互溶，溶质在两种溶剂中的溶解度相差很大。

(4)蒸馏：适用于沸点差别较大又互相溶解的两种液体。通过加热使沸点较低的那种液体蒸发，实现这两种液体的分离。

液体-液体分离过滤是过滤中较难的一项技术难题。上述介绍的常用的液体-液体分离手段都限于两种特定的物性相差较大的液体，比如密度相差大且互不溶解，或沸点相差大，或溶质在两种溶剂中的溶解度相差大。日常生活或生产中混在一起的两种液体往往不具备这些条件，分离净化这些液体就面临较大的技术难题。比如，密度相差不大又互相溶解、沸点相近的两种液体混在一起，如何分离这两种液体是上面介绍的常规手段不能解决的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，解决现有技术中只限于分离两种特定的物性相差较大的液体而难以分离密度相差不大又互相溶解、沸点相近的两种液体这种技术难题。

本发明的技术解决方案是：

一种用于液体-液体分离的分支孔数为2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)和两个分支孔即分支孔(3)和分支孔(4)，这两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)和这两个分支孔均为圆柱孔，主干孔(2)的表面材料和这两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R_b，1，各分支孔长度均为l₁，主干孔(2)和它的两个分支孔的表面涂覆涂层或不涂覆涂层，待分离的几种液体混在一起而成的混合物中的一种液体与主干孔(2)和它的分支孔的表面间的物理吸附弱，液体混合物中的其余液体与主干孔(2)和它的分支孔的表面间的物理吸附强，这里的液体与主干孔(2)表面间强物理吸附指使主干孔(2)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(2)直径不小于30nm的液体与主干孔(2)表面间的物理吸附，这里的液体与主干孔(2)表面间弱物理吸附指使主干孔(2)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(2)直径不大于10nm的液体与主干孔(2)表面间的物理吸附；分支孔(3)直径处于纳米量级，分支孔(3)半径R_b，1取为(0.1～0.2)R_cr，这里R_cr为使与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径。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R_b，2比它的分支孔半径R_b，1更大，主干孔(2)半径R_b，2根据它的分支孔半径R_b，1和与主干孔(2)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤膜中的最大渗透能力要求通过下式计算确定：

这里，λ₀＝l₁/l，l为固体材料(1)的厚度，R_eq＝c₁R_b，1，R_cr为使与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径，c₁的取值范围为：1.08～1.31，c₁的优选值为1.19，ρ为环境温度和压力下与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq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与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq的孔的半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq的孔的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。

分支孔(3)和分支孔(4)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R_d，这个分支孔(3)和分支孔(4)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0.1R_d，相邻分支孔在该圆周上的间距为Δ₁，Δ₁与R_b，1的比值取值范围为：k_s＝Δ₁/R_b，1＝1.25～2.0，R_d与R_b，1的比值为：R_d/R_b，1＝(2+k_s)/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)和它的两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)用于减小与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在固体材料(1)里的流动阻力、增大固体材料(1)的渗透能力。在这样条件下，由于液体混合物中的一种液体与主干孔(2)和它的分支孔表面间的物理吸附弱而液体混合物中其余液体与主干孔(2)和它的分支孔表面间的物理吸附强，液体混合物中的液体在固体材料(1)里的流动阻力就相差很大，与主干孔(2)和它的分支孔表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体就能顺利通过固体材料(1)，而液体混合物中的其余液体则难以通过固体材料(1)。此固体材料(1)即为本发明所指的用于液体-液体分离的分支孔数为2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，滤膜由二氧化硅或石墨烯制造而成。

该种用于液体-液体分离的分支孔数为2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：

相比于传统液体-液体分离技术，本发明不要求液体混合物中的各液体密度相差大或沸点相差大，也不要求液体混合物中的各液体互不混溶，通过设计具有特定树状结构通孔的滤膜，使液体混合物中的液体在滤膜中的流动阻力相差很大，从而实现液体-液体分离；本发明滤膜不仅能实现液体-液体的分离过滤，还能满足过滤时的机械强度要求；本发明滤膜制造工艺性好，成本低廉，对液体-液体的分离效果好。这些是本发明的优点。本发明在污水处理、油-油分离、生物、制药、石化、化工等领域中具有重要应用。

附图说明

图1是本发明实施例用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜结构的主视图；图2是本发明实施例用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜结构的左视图；

图3是当本发明滤膜用二氧化硅制造、对水和机油混合物进行分离时实施例中水和机油在本发明滤膜中的无量纲流动阻力I_f与滤孔即分支孔(3)半径R_b，1的关系图；

图4是当本发明滤膜用石墨烯制造、对水和机油混合物进行分离时实施例中水和机油在本发明滤膜中的无量纲流动阻力I_f与滤孔即分支孔(3)半径R_b，1的关系图。

图1和图2中：1-固体材料，2-主干孔，3-分支孔，4-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，R_d为分支孔(3)和分支孔(4)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

实施例的用于液体-液体分离的分支孔数为2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)和两个分支孔即分支孔(3)和分支孔(4)，这两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)和这两个分支孔均为圆柱孔，主干孔(2)的表面材料和这两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R_b，1，各分支孔长度均为l₁，主干孔(2)和它的两个分支孔的表面涂覆涂层或不涂覆涂层，待分离的几种液体混在一起而成的混合物中的一种液体与主干孔(2)和它的分支孔的表面间的物理吸附弱，液体混合物中的其余液体与主干孔(2)和它的分支孔的表面间的物理吸附强，这里的液体与主干孔(2)表面间强物理吸附指使主干孔(2)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(2)直径不小于30nm的液体与主干孔(2)表面间的物理吸附，这里的液体与主干孔(2)表面间弱物理吸附指使主干孔(2)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(2)直径不大于10nm的液体与主干孔(2)表面间的物理吸附；分支孔(3)直径处于纳米量级，分支孔(3)半径R_b，1取为(0.1～0.2)R_cr，这里R_cr为使与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径。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R_b，2比它的分支孔半径R_b，1更大，主干孔(2)半径R_b，2根据它的分支孔半径R_b，1和与主干孔(2)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤膜中的最大渗透能力要求通过下式计算确定：

这里，λ₀＝l₁/l，l为固体材料(1)的厚度，R_eq＝c₁R_b，1，R_cr为使与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径，c₁的取值范围为：1.08～1.31，c₁的优选值为1.19，ρ为环境温度和压力下与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq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与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq的孔的半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq的孔的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。

分支孔(3)和分支孔(4)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R_d，这个分支孔(3)和分支孔(4)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0.1R_d，相邻分支孔在该圆周上的间距为Δ₁，Δ₁与R_b，1的比值取值范围为：k_s＝Δ₁/R_b，1＝1.25～2.0，R_d与R_b，1的比值为：R_d/R_b，1＝(2+k_s)/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)和它的两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)用于减小与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在固体材料(1)里的流动阻力、增大固体材料(1)的渗透能力。在这样条件下，由于液体混合物中的一种液体与主干孔(2)和它的分支孔表面间的物理吸附弱而液体混合物中其余液体与主干孔(2)和它的分支孔表面间的物理吸附强，液体混合物中的液体在固体材料(1)里的流动阻力就相差很大，与主干孔(2)和它的分支孔表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体就能顺利通过固体材料(1)，而液体混合物中的其余液体则难以通过固体材料(1)。此固体材料(1)即为本发明所指的用于液体-液体分离的分支孔数为2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，滤膜由石墨烯制造而成，用来分离水和机油混合物(石墨烯疏水亲机油)。选分支孔(3)和分支孔(4)半径即滤孔半径R_b，1＝0.7nm，取k_s＝Δ₁/R_b，1＝2.0，c₁＝1.19，λ₀＝l₁/l＝1×10^-2，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝1μm，则得：各分支孔长度l₁＝10nm，主干孔(2)半径R_b，2＝2.6nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径R_d＝0.9nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ₁＝1.4nm；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1.0nm，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0.08nm。水在这张滤膜中流动阻力较小，能顺利通过滤膜；而机油在这张滤膜中流动阻力很大，不能通过滤膜。这样就能实现水和机油的分离。

一个优选实施例中，滤膜为平面滤膜，滤膜由二氧化硅制造而成，用来分离水和机油混合物(二氧化硅疏水亲机油)。选分支孔(3)和分支孔(4)半径即滤孔半径R_b，1＝0.7nm，取k_s＝Δ₁/R_b，1＝2.0，c₁＝1.19，λ₀＝l₁/l＝1×10^-4，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝0.1mm，则得：各分支孔长度l₁＝10nm，主干孔(2)半径R_b，2＝8.3nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径R_d＝0.9nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ₁＝1.4nm；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1.0nm，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0.08nm。水在这张滤膜中流动阻力较小，能顺利通过滤膜；而机油在这张滤膜中流动阻力很大，不能通过滤膜。这样就能实现水和机油的分离。

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，用来分离水和酒精混合物(石墨烯疏水亲酒精)。选分支孔(3)和分支孔(4)半径即滤孔半径R_b，1＝0.5nm，取k_s＝Δ₁/R_b，1＝2.0，c₁＝1.19，λ₀＝l₁/l＝1×10^-2，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝1μm，则得：各分支孔长度l₁＝10nm，主干孔(2)半径R_b，2＝1.7nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径R_d＝0.6nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ₁＝1.0nm；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1.0nm，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0.05nm。水在这张滤膜中流动阻力较小，能顺利通过滤膜；而酒精在这张滤膜中流动阻力很大，不能通过滤膜。这样就能实现水和酒精的分离。

一个优选实施例中，滤膜为平面滤膜，滤膜由二氧化硅制造而成，用来分离水和汽油混合物(二氧化硅疏水亲汽油)。选分支孔(3)和分支孔(4)半径即滤孔半径R_b，1＝0.6nm，取k_s＝Δ₁/R_b，1＝2.0，c₁＝1.19，λ₀＝l₁/l＝1×10^-4，整张膜即固体材料(1)的厚度为l＝0.1mm，则得：各分支孔长度l₁＝10nm，主干孔(2)半径R_b，2＝6.8nm，各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径R_d＝0.8nm，相邻分支孔在该分布圆周上的间距Δ₁＝1.2nm；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1.0nm，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0.07nm。水在这张滤膜中流动阻力较小，能顺利通过滤膜；而汽油在这张滤膜中流动阻力很大，不能通过滤膜。这样就能实现水和汽油的分离。

该种用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜的原理说明如下：

本发明滤膜用于液体-液体分离过滤，让液体混合物中的一种液体顺利通过滤膜，而让液体混合物中的其余液体难以通过滤膜，从而达到液体-液体分离。本发明原理为利用液体混合物中各液体在滤膜的纳米级小孔(滤孔)中与小孔表面间的差别较大的物理吸附特性从而使得液体混合物中各液体在滤膜中具有差别很大的流动阻力。为实现液体-液体分离目的，本发明要求：待分离的几种液体混在一起而成的混合物中的一种液体与滤膜的纳米级小孔(滤孔)表面间的物理吸附弱，而液体混合物中的其余液体与滤膜的纳米级小孔表面间的物理吸附强。这里的液体与滤孔表面间强物理吸附指使滤孔中液体流动成为连续介质流动的临界滤孔直径不小于30nm的液体与滤孔表面间的物理吸附，这里的液体与滤孔表面间弱物理吸附指使滤孔中液体流动成为连续介质流动的临界滤孔直径不大于10nm的液体与滤孔表面间的物理吸附。

本发明滤膜的滤孔半径即分支孔(3)和分支孔(4)的半径R_b，1的取值范围为(0.1～0.2)R_cr，这里R_cr为使与滤孔表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径。本发明滤孔直径2R_b，1通常处于1nm量级水平。待分离液体混合物中的不同液体在这样设计出的滤膜中就具有相差很大的流动阻力从而实现滤膜的液体-液体分离功能。

考虑液体-液体分离过滤过程中对滤膜提出的机械强度要求，用常规材料如二氧化硅制成的本发明滤膜的厚度l通常需达到50μm以上。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)。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轴向长度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，就能达到液体-液体分离过滤的目的。另一方面，为了减小与滤孔即分支孔(3)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体流过滤膜的阻力，增大滤膜的渗透能力，可将密集分布的两个滤孔即两个分支孔里的流体流量汇集到一个更大的主干孔(2)里，被分离过滤的液体通过主干孔(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所示的两个分支孔即分支孔(3)和分支孔(4)等效于一个长度为l₁和孔的半径为R_eq的直的圆柱孔。主干孔(2)的半径R_b，2若过小，则不好，不能达到有效减低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R_b，2过大，也不好；虽然主干孔(2)的半径R_b，2的增大会减小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R_b，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R_b，2是关键。

主干孔(2)的半径R_b，2需使与主干孔(2)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤膜中具有最大渗透能力，根据这个要求，基于纳米通道中流体流动理论，本发明得到主干孔(2)的半径R_b，2与主干孔(2)的所有分支孔等效成的圆柱孔的半径R_eq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，R_eq＝c₁R_b，1，R_cr为使与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径，c₁的取值范围为：1.08～1.31，c₁的优选值为1.19，ρ为环境温度和压力下与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq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与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq的孔的半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq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R_b，2比它的分支孔半径R_b，1要大得多，在余下的滤膜厚度(l-l₁)上开设主干孔(2)，让液体通过主干孔(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)的两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：k_s＝Δ₁/R_b，1＝1.25～2.0，这两个分支孔在滤膜表面的分布圆半径R_d应满足：R_d/R_b，1＝(2+k_s)/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。

当本发明滤膜用二氧化硅制造，对水和机油混合物进行分离时，图3分别给出了实施例中水和机油在本发明滤膜中的无量纲流动阻力I_f与滤孔即分支孔(3)半径R_b，1的关系。图3中，这里，R_r＝10nm，ρ和η分别为环境温度和压力下水或机油的体相密度和体相粘度，l为实施例中本发明滤膜的厚度，A_m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，i_f为实施例中本发明滤膜的量纲流动阻力，i_f＝Δp/q_m，q_m为单位时间内流过实施例中本发明滤膜的水或机油的质量流量，Δp为施加在实施例中本发明滤膜上的压力差。从图3看出，当R_b，1≤2nm时，机油在本发明滤膜中的流动阻力是水在本发明滤膜中的流动阻力的75～1000多倍；这显示了这两种液体在本发明滤膜中的流动阻力差别很大。图3表明，水在本发明滤膜中能顺利通过，而机油则难以通过本发明滤膜。图3支持了本发明。

当本发明滤膜用石墨烯制造，对水和机油混合物进行分离时，图4分别给出了实施例中水和机油在本发明滤膜中的无量纲流动阻力I_f与滤孔即分支孔(3)半径R_b，1的关系。图4中，I_f的定义与图3中的相同，从图4看出，当R_b，1≤2nm时，机油在本发明滤膜中的流动阻力是水在本发明滤膜中的流动阻力的50～1000多倍；这显示了这两种液体在本发明滤膜中的流动阻力差别很大。图4表明，水在本发明滤膜中能顺利通过，而机油则难以通过本发明滤膜。图4支持了本发明。

Claims (8)

1.一种用于液体-液体分离的分支孔数为2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)和两个分支孔即分支孔(3)和分支孔(4)，这两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)和这两个分支孔均为圆柱孔，主干孔(2)的表面材料和这两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R_b，1，各分支孔长度均为l₁，主干孔(2)和它的两个分支孔的表面涂覆涂层或不涂覆涂层，待分离的几种液体混在一起而成的混合物中的一种液体与主干孔(2)和它的分支孔的表面间的物理吸附弱，液体混合物中的其余液体与主干孔(2)和它的分支孔的表面间的物理吸附强，这里的液体与主干孔(2)表面间强物理吸附指使主干孔(2)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(2)直径不小于30nm的液体与主干孔(2)表面间的物理吸附，这里的液体与主干孔(2)表面间弱物理吸附指使主干孔(2)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(2)直径不大于10nm的液体与主干孔(2)表面间的物理吸附；分支孔(3)直径处于纳米量级，分支孔(3)半径R_b，1取为(0.1～0.2)R_cr，这里R_cr为使与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径；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R_b，2比它的分支孔半径R_b，1更大，主干孔(2)和它的两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)用于减小被分离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，该层固体材料(1)即为滤膜。

2.如权利要求1所述的一种用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：主干孔(2)半径R_b，2根据它的分支孔半径R_b，1和与主干孔(2)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤膜中的最大渗透能力要求通过下式计算确定：

这里，λ₀＝l₁/l，l为固体材料(1)的厚度即滤膜的厚度，R_eq＝c₁R_b，1，R_cr为使与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径，c₁的取值范围为：1.08～1.31，c₁的优选值为1.19，ρ为环境温度和压力下与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq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与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度，为与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq的孔的半径方向的等效粘度，这个等效粘度与有关，为描述与主干孔(2)的表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为R_eq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所述的一种用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：分支孔(3)和分支孔(4)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R_d，相邻分支孔在该圆周上的间距为Δ₁，Δ₁与R_b，1的比值取值范围为：k_s＝Δ₁/R_b，1＝1.25～2.0，R_d与R_b，1的比值为：R_d/R_b，1＝(2+k_s)/π。

4.如权利要求1所述的一种用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：分支孔(3)和分支孔(4)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所述的一种用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：分支孔(3)和分支孔(4)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0.1R_d。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种用于液体-液体分离的分支孔数为2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任一项所述的一种用于液体-液体分离的分支孔数为2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任一项所述的一种用于液体-液体分离的分支孔数为2的新型树型纳米级圆柱孔滤膜，其特征在于：滤膜由二氧化硅或石墨烯制造而成。