CN113301985A - 用于海水淡化的三维多孔膜及其制造方法、包括其的海水淡化装置、利用其的海水淡化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于海水淡化的三维多孔膜及其制造方法、包括其的海水淡化装置，及利用其的海水淡化方法，根据本发明一实施例的三维多孔膜，包括：多孔聚合物层；及形成在所述多孔聚合物层上的包括碳材料的碳层。
Description
技术领域
本发明涉及用于海水淡化的三维多孔膜及其制造方法、包括其的海水淡化装置，及利用其的海水淡化方法。
背景技术
水是人类生存所需的最重要的元素之一。然而，由于人口增加与环境污染，地球村的缺水问题不断恶化，获取淡水(fresh water)变得越来越重要。特别是赤道附近国家以及高海拔地区因供水率低，常出现因使用污染井水而引起疾病等缺乏淡水导致的社会问题。为解决上述问题，需要开发出对海水以及咸水进行淡化的技术。然而，现有的反渗透法是基于膜的海水淡化技术，很难对高浓度咸水进行淡化。因此，该水处理需要经过多个阶段，导致运营成本提高，所生产的饮用水的单价高。这难以适用于需要低成本饮用水的贫困地区，无法从根源上解决贫困地区的饮用水短缺问题。因此，需要开发出一种新概念的，利用无需电源的单一水处理工艺对海水及咸水进行淡化的技术。通过这一海水淡化技术，在需要饮用水的贫困地区利用海水及咸水生产出低价的饮用水，可以实质上解决问题。
赤道附近国家以及高海拔地区饱受饮用水严重短缺问题的困扰，这些国家和地区每年的日照量平均且较高，与此同时拥有充足的海水和咸水可用于生产淡水。基于太阳能的蒸发式淡化技术是一种可以利用这种气候和地理优势的技术，可以通过无电源的单一水处理工艺来低成本地生产饮用水。一直以来，金属等离激元、半导体、碳和天然材料等作为蒸发膜的吸光体使用。特别地，基于碳的材料由于其可回收性、高吸光度以及优异的热转换性，作为吸光体得到积极研究，并且已经开发了碳纳米管、石墨烯，碳纳米颗粒和基于石墨烯的金属复合材料等。
目前，需要开发出低成本且简单的膜制造方法，还需要开发出相比现有的膜技术，蒸发率高，并且能够降低淡化咸水时析出至膜表面的离子来长时间维持蒸发性能的技术。
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够提高海水所含各种离子的去除率的用于海水淡化的三维多孔膜。
并且，本发明的另一目的在于，提供一种用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法。
而且，本发明的又一目的在于，提供一种能够持续顺畅地进行海水淡化的包括三维多孔膜的海水淡化装置。
并且，本发明的又一目的在于，提供一种利用无电源、环保且经济的方式进行海水淡化的利用三维多孔膜的海水淡化方法。
然而，本发明要解决的技术问题并不受限于上述言及课题，未言及的其他课题将通过下面的记载由本领域普通技术人员明确理解。
解决问题的技术方案
本发明的一方面，提供一种用于海水淡化的三维多孔膜，包括：
多孔聚合物层；以及
形成在所述多孔聚合物层上的包括碳材料的碳层。
根据一实施例，所述多孔聚合物层可以包括从由聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)、聚碳酸酯(Polycarbonate；PC)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalate；PEN)，聚降冰片烯(Polynorbornene；PN)、聚丙烯酸酯(Polyacrylate)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol；PVA)，聚酰亚胺(polyimide；PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)、聚醚砜(Polyethersulfone；PES)、聚苯乙烯(Polystyrene；PS)，聚丙烯(Polypropylene；PP)、聚乙烯(Polyethylene；PE)，聚氯乙烯(polyvinylchloride；PVC)、聚酰胺(Polyamide；PA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(Polybutyleneterephthalate；PBT)及聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate；PMMA)组成的群组中选择的至少任一个。
根据一实施例，所述碳层可以是在多孔聚合物层的气孔网涂覆糖基碳材料。
根据一实施例，所述多孔聚合物层的气孔可以是100μm至500μm。
根据一实施例，所述多孔聚合物层的下面可以是亲水表面。
根据一实施例，所述亲水表面可以经过等离子处理。
根据一实施例，所述等离子处理可以是氧气等离子处理。
本发明的另一侧面提供一种用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法，包括以下步骤：利用糖形成结构；将聚合物吸附于所述结构；融化所述结构包含的糖来形成多孔膜；对所述多孔膜的上部进行碳化；以及对所述经碳化的多孔膜下部进行等离子处理。
本发明的另一方面，提供一种海水淡化装置，包括：用于海水淡化的三维多孔膜，其配置成使聚合物层朝向海水之上；顶板，其用于使通过所述膜，并通过所述膜的所述碳层蒸发排出的水蒸气得到凝集；以及淡水储存部，其收集凝集在所述顶板的水蒸气，其中，所述顶板朝向所述淡水储存部的方向倾斜。
根据一实施例，所述顶板可以具有透光性。
根据一实施例，所述海水淡化装置可以没有电源。
根据一实施例，所述海水淡化装置可使从海水中析出的离子在重力作用下脱离至所述多孔聚合物层的下方。
本发明的另一方面，提供一种利用海水淡化装置的海水淡化方法，在无光条件下，使形成在所述膜上端的析出离子通过所述用于海水淡化的三维多孔膜的气孔脱离排出至所述海水。
根据一实施例，可以调节所述气孔的大小来控制析出离子的脱离排出。
根据一实施例，可以包括回收所述析出离子。
发明效果
根据本发明一实施例的用于海水淡化的三维多孔膜相比现有蒸发膜方式具有更高的蒸发性能。并且，可以降低或去除海水淡化时在蒸发表面出现的离子析出，长时间保持高的蒸发性能。并且，还可以降低由于膜性能降低而对其进行更换或管理的成本。
根据本发明一实施例的三维多孔膜的制造方法，可以通过十分简单的工艺，以简单工艺与低成本材料生产出具有高蒸发性能的膜。由此，用于蒸发的三维多孔膜的生产可以达到产业规模，并且，持续顺畅地对海水及咸水进行淡化，可以生产出低价的饮用水。
根据本发明一实施例海水淡化装置，利用基于阳光的蒸发式淡化技术，可以利用气候以及地理优势，并且，由于利用阳光来蒸发海水及咸水，能够通过环保的无电源海水淡化工艺经济地实现海水淡化。并且，在对海水或咸水进行淡化时，可以减少或去除在蒸发表面出现的离子析出，可以长时间保持高的蒸发性能，减少膜性能降低导致的更换及管理费用。
根据本发明一实施例的利用海水淡化装置的海水淡化方法，能够最小化因膜气孔堵塞或膜气孔大小缩小而导致的膜性能降低问题。并且，能够保证优秀的海水淡化处理流量，持续顺畅地对海水及咸水进行淡化来生产低价饮用水。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的用于海水淡化的三维多孔膜的立体图。
图2是说明根据本发明一实施例的用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法的顺序图。
图4a是显示根据本发明实施例的用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法的照片。
图4b是糖的化学结构。
图5a是根据本发明实施例制造的经碳化的三维PDMS海绵膜的照片。
图5b的左侧是涂覆有经碳化的碳层的PDMS海绵的照片，图5b的右侧是没有碳层的PDMS海绵的照片。
图6a是根据本发明实施例的将经碳化的PDMS海绵膜浮于水上之后照射光时的照片。
图6b是显示根据本发明实施例的使用膜时与未使用膜时的基于光照的质量变化率的图表。
图6c是显示根据本发明实施例的使用膜时的基于光照的温度、湿度、相对湿度变化率的图表。
图6c是图6a的红外热成像仪照片。
图6e是显示根据本发明实施例的基于膜的光吸收时间的表面温度的图表。
图7a是本发明的太阳模拟器(solar simulator)照片。
图7b是显示根据本发明实施例的照射人造阳光后经碳化的PDMS膜的质量变化的图表。
图7c是显示根据本发明实施例的经碳化的PDMS膜在不同光照强度下的蒸发率的图表。
图7d是显示根据本发明实施例的咸水蒸发后离子导电率变化的附图。
图8a的左侧是根据本发明实施例的用聚乙烯醇(PVA)涂覆表面的微孔(microporous)结构的经碳化的PDMS膜的照片，右侧是经过氧气等离子处理的大孔(macroporous)结构的经碳化的PDMS膜的照片。
图8b的左侧是显示根据本发明实施例的用PVA涂覆表面的微孔(microporous)结构的经碳化的PDMS膜的离子析出量的照片，右侧是显示经过氧气等离子处理的大孔(macroporous)结构的经碳化的PDMS膜的离子析出量的照片。
图8c是利用浦项加速器实验室6c生物医药成像光束(6c biomedical imagingbeamline)的X-线拍摄的根据本发明实施例的经过氧气等离子表面处理的大孔结构的经碳化的PDMS膜被浸入咸水并照射光时，膜表面及内部的离子析出层的生成及移动的照片。
图9a是根据本发明实施例的基于是否照射光的膜的离子析出层的X-线照片。
图9b是显示图9a的膜内部的基于时间的微泡变化的X-线照片。
图9c是本发明的碳化的木头制造的膜的离子析出层的X-线照片。
附图标记说明
100:用于海水淡化的三维多孔膜
110:多孔聚合物层
120:碳层
310:顶板
320:淡水储存部
具体实施方式
下面，将参照附图对实施例进行详细说明。应当理解，可以对实施例进行多种改变，本申请的权利范围并不受限或限制于下面的实施例。对实施例进行的所有改变、及其等同物乃至其替代物均属于本发明的权利范围。
实施利中使用的术语仅用于说明特定实施例，并非用于限定范围。在内容中没有特别说明的情况下，单数表达包括复数含义。在本说明书中，“包括”或者“具有”等术语用于表达存在说明书中所记载的特征、数字、步骤、操作、构成要素、配件或其组合，并不排除存在或者额外附加一个或一个以上其他特征、数字、步骤、操作、构成要素、配件或其组合的可能性。
在没有其他定义的情况下，包括技术或者科学术语在内的本文使用的全部术语，都具有本领域普通技术人员所理解的通常含义。通常使用的如词典定义的术语，应理解为相关技术内容中的含义，在本说明书中没有明确定义的情况下，不能解释为理想化或过于形式化的含义。
并且，在参照附图进行说明的过程中，与附图标记无关，相同的构成要素使用相同的附图标记，并省略重复说明。在说明实施例的过程中，当判断对于相关公知技术的具体说明会不必要地混淆实施例时，省略其详细说明。
下面，参照实施例及附图具体说明本发明的用于海水淡化的三维多孔膜及其制造方法、包括其的海水淡化装置，及利用其的海水淡化方法。然而，本发明不受这些实施例及附图的限制。
本发明的一方面，提供一种用于海水淡化的三维多孔膜，包括：多孔聚合物层；及形成在所述多孔聚合物层上的包括碳材料的碳层。
根据本发明一实施例，相比现有蒸发膜方式，用于海水淡化的三维多孔膜蒸发性能更高。并且，可以降低或去除海水淡化时出现在蒸发表面的离子析出，长时间维持高的蒸发性能。并且，可以减少膜性能降低导致的更换及管理费用。
图1是根据本发明一实施例的用于海水淡化的三维多孔膜的立体图。参照图1，根据本发明的一实施例的用于海水淡化的三维多孔膜100包括多孔聚合物层110及碳层120。
根据一实施方式，所述多孔聚合物层110包括从由聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)、聚碳酸酯(Polycarbonate；PC)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalate；PEN)、聚降冰片烯(Polynorbornene；PN)、聚丙烯酸酯(Polyacrylate)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol；PVA)、聚酰亚胺(polyimide；PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)、聚醚砜(Polyethersulfone；PES)、聚苯乙烯(Polystyrene；PS)、聚丙烯(Polypropylene；PP)、聚乙烯(Polyethylene；PE)、聚氯乙烯(polyvinylchloride；PVC)、聚酰胺(Polyamide；PA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(Polybutyleneterephthalate；PBT)及聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate；PMMA)组成的群组中选择的至少任一个。
根据一实施方式，所述碳层120是在多孔聚合物层110的气孔网涂覆糖基碳材料。所述多孔聚合物层110由多个气孔构成，是通过各个气孔之间的点接触、线接触或面接触实现上下左右连接，从而形成网络的结构。网络结构可以提高吸收剂吸收液体的能力，并且最大化空间。所述碳层120是在上述上下左右相互连接的多孔聚合物层110的气孔网上涂覆糖基碳材料。
根据一实施方式，所述多孔聚合物层110的气孔可以是100μm至500μm。气孔大小应形成为可使水通过，并且，咸水蒸发时析出至蒸发表面的离子晶体层可以从表面轻松脱离至膜的下部。当所述多孔聚合物层110的气孔不到100μm时，蒸发表面析出的离子晶体即使脱离膜表面，所脱离的离子析出层也无法通过气孔，无法排出至膜下部而残留在蒸发表面，存在难以减少或去除析出离子的问题；如果超过500μm，所析出的离子在脱离后很容易通过膜得到排出，然而毛细管力减弱，会导致膜内部水输送变弱的问题。
根据一实施方式，所述多孔聚合物层110的下面可以是亲水表面。所述多孔聚合物层110的下面是指多孔聚合物层110下方的全部面。由于所述多孔聚合物层110的下面是亲水表面，大量海水可以浸入多孔聚合物层110下部的气孔内。由此，亲水表面可以提高海水的透水率，顺畅地输送至多孔聚合物层110表面。
根据一实施方式，所述亲水表面可以经过等离子处理。所述等离子处理方法是在等离子状态下，将多孔聚合物层110的下面表面暴露在部分离子化的气体中对表面进行改性的方法，由于这种方法的作用表面很小，具有不会对多孔聚合物层110的膜本身造成损伤、不会使膜内部发生大的物性变化，以及污染物质少的优点。
根据一实施方式，所述等离子处理可以是氧气等离子处理。通过氧气等离子处理，利用三维多孔膜的超亲水表面与微小多孔性结构特点，降低持续沉积在蒸发表面的析出离子，提高耐用性。当多孔聚合物层110的下面浸在海水中吸收海水时，海水在通过三维多孔膜的同时，离子也得到过滤。
根据本发明的另一侧面，提供一种用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法，包括以下步骤：利用糖形成结构；将聚合物吸附于所述结构；融化所述结构包含的糖来形成多孔膜；对所述多孔膜的上部进行碳化；以及对所述经碳化的多孔膜下部进行等离子处理。
根据本发明一实施例的三维多孔膜的制造方法工艺简单，可以通过简单工艺与低成本材料生产出高蒸发性能的膜。由此，能够以产业规模生产用于蒸发的三维多孔膜，并且可以持续顺畅地对海水及咸水进行淡化，生产出低价的饮用水。
图2是说明根据本发明一实施例的用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法的顺序图。参照图2，根据本发明一实施例的电极活性材料的制造方法，包括以下步骤：形成结构210，将聚合物吸附至结构220，形成多孔膜230，对膜上部进行碳化240，以及对膜下部进行等离子处理250。
根据一实施例，所述形成结构的步骤210可以是利用糖来形成结构。是利用糖预先形成多孔结构。
根据一实施例，所述将聚合物吸附至结构的步骤220可以是将聚合物吸附至所述结构。向前述的糖模板(template)结构倒入聚合物溶液。例如，也可以是在真空腔中去除糖模板内部的气泡，用聚合物填充糖模板内部。将聚合物吸附至相当于模板的糖结构，可以根据糖的结构形成多孔海绵形状的聚合物。然后，使糖模板内部的聚合物凝固。
根据一实施方式，所述形成多孔膜的步骤230可以是融化所述结构包含的糖来形成多孔膜。例如，可以用60℃的水融化糖来制造去除了糖部分的聚合物海绵。此时，可以形成相当于糖的反相(reverse phase)的海绵状多孔膜。
根据一实施方式，对所述膜上部进行碳化的步骤240可以是对所述多孔膜的上部进行碳化。例如，利用200℃至400℃加热板对海绵聚合物上部和糖进行加热，使得糖分解成碳来对聚合物海绵上端进行碳化。
根据一实施方式，对所述膜下部进行等离子处理的步骤250可以是对所述经碳化的多孔膜下部进行等离子处理。例如，等离子可以是利用氧气等离子进行表面处理来制造三维多孔膜。
本发明的另一方面，提供一种海水淡化装置，包括：用于海水淡化的三维多孔膜，其被配置成使得聚合物层朝向海水之上；顶板，其使通过所述膜，以及通过所述膜的所述碳层蒸发排出的水蒸气得到凝集；以及淡水储存部，其收集凝集在所述顶板的水蒸气，其中，所述顶板朝向所述淡水储存部的方向倾斜。
图3是根据本发明一实施例的利用海水淡化装置的海水及咸水蒸发淡化技术的概念图。参照图3，包括用于海水淡化的三维多孔膜100、顶板310，以及淡水储存部320。
根据一实施方式，所述用于海水淡化的三维多孔膜100可以配置成多孔聚合物层110朝向海水之上。将经碳化的三维多孔膜100浮于海水及咸水，并将膜表面暴露至阳光，通过膜的海绵一样的多孔结构使上升至表面的水得到蒸发。
根据一实施方式，所述顶板310可以使通过所述膜100，以及通过所述膜的所述碳层120蒸发排出的水蒸气得到凝集。顶板310形成为倾斜状。
根据一实施方式，所述顶板310可以具有透光性。由此，可以利用阳光来加速海水蒸发。
根据一实施方式，淡水储存部320可以收集凝集在所述顶板310的水蒸气。通过倾斜顶板310凝集所蒸发的水蒸气，并利用重力将淡水(净化水)收集在淡水储存部320中。
根据一实施方式，所述海水淡化装置可以是无电源的。基于阳光的蒸发式淡化技术能够充分利用气候与地理优势，利用阳光来蒸发海水及咸水，是一种环保的无电源海水淡化工艺，能够低成本地实现海水淡化。并且，在对海水或咸水进行淡化时，可以降低或去除蒸发表面出现的离子析出，长时间保持高的蒸发性能，减少由于膜性能降低导致的更换及管理费用。
根据一实施方式，所述海水淡化装置可以使从海水中析出的离子在重力作用下脱离至所述多孔聚合物层下方。由此，可以最小化膜的气孔堵塞现象或气孔大小缩小的现象。
本发明的另一方面，作为利用上述海水淡化装置的海水淡化方法，提供一种海水淡化方法，在无光条件下，将形成在所述膜上端的析出离子通过所述用于海水淡化的三维多孔膜的气孔脱离排出至所述海水。
根据本发明一实施例的利用海水淡化装置的海水淡化方法能够最小化因膜的气孔堵塞现象或气孔大小缩小现象而导致的膜性能下降问题。并且，能够保证优秀的海水淡化处理流量，可以持续顺畅地对海水及咸水进行淡化处理，低成本地生产饮用水。
根据一实施方式，可以通过调节所述气孔大小来控制析出离子的脱离排出。通过调节三维多孔膜的气孔大小，既可以吸附还可以脱离析出离子。
根据一实施方式，可以包括对所述析出离子进行回收。在无光条件(没有阳光时)下，可以通过三维多孔膜的气孔将析出离子脱离排出至海水。由此，根据本发明一实施例的海水淡化方法可以环保且经济地实现海水及咸水的淡化处理。
下面，参照实施例及比较例对本发明进行详细说明明。然而，本发明的技术思想并不受限于此。
经碳化的三维聚二甲基硅氧烷(PDMS)海绵膜的制造过程
可以利用低价的材料简单制造出利用经碳化的三维聚二甲基硅氧烷(PDMS)的用于海水淡化的三维多孔膜。
图4a是显示根据本发明实施例的用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法的照片。图4b是糖的化学结构。
如图4a的左侧照片所示，准备块状糖模板。然后向块状糖模板倒入PDMS溶液。在真空腔内去除糖模板内部的气泡，用PDMS填充糖模板内部。然后，使糖模板内部的PDMS凝固，用60℃的水融化糖。如图4a的中间照片所示，制造出分离了糖部分的PDMS海绵。然后，利用300℃的加热板对PDMS海绵上面和糖进行加热，则具有图4b的化学结构的糖分解为碳，PDMS海绵上端得到碳化。最后，对所制造的膜进行氧气等离子表面处理，制造出经碳化的三维PDMS海绵膜。所制造的三维PDMS海绵膜如图4a的右侧照片所示。
经碳化的三维PDMS海绵膜的内部结构
图5a是根据本发明实施例制造的经碳化的三维PDMS海绵膜的照片，图5b的左侧是涂覆有经碳化的碳层的PDMS海绵的照片，图5b的右侧是没有碳层的PDMS海绵的照片。如图5b的左侧照片所示，该膜的上部是涂覆有经碳化的碳层的PDMS海绵；如图5b的右侧图片所示，膜的下部是没有碳层的PDMS海绵。涂覆有碳层的PDMS海绵的上部是吸收阳光并将其转换为热能，从而实现蒸发的部分。膜下部的PDMS海绵具有如图5c所示的多孔结构以及亲水表面特性，利用无电源的方式有效地从浸入在海水或咸水中的膜的底面将水提升至上部的碳层。
经碳化的三维PDMS海绵膜的蒸发性能与温湿度变化
图6a是根据本发明实施例的将经碳化的PDMS海绵膜浮于水上之后照射光时的照片。如图6a所示，将经碳化的PDMS海绵浮在水面上后进行光照，以更高的蒸发率对水进行蒸发。
图6b是显示根据本发明实施例的使用膜时与未使用膜时的基于光照的质量变化率的图表。如图6b所示，照射300mW强度、532nm波长的激光时，相比不使用膜的情况，使用膜时蒸发率高出3.4倍。
图6c是显示根据本发明实施例的使用膜时的基于光照的温度、湿度、相对湿度变化率的图表。参照图6c，用于蒸发的PDMS膜所实现的高蒸发率使得容器内部(宽15cm，长20，高25)的相对湿度在30分钟内提高到90％。
高蒸发率归因于膜碳层所具备的高光吸收性与PDMS的低导热率(0.15W/mK)[图6d，图6e]。
图6d是图6a的红外热成像仪照片，图6e是显示根据本发明实施例的基于膜的光吸收时间的表面温度的图表。在光照之前(t＝0s)，浮在水上的膜和水的温度均为25℃左右的初始温度。然而，随着照射光(t＝1s)，膜上端的表面温度迅速上升，经过30秒之后仍保持高温。特别是在30秒之后，可以看到由所吸收的光照转换的热能仅局部集中在膜的表面，这是因为膜的低导热率可以最小化转换得到的热能的向外热损失。如图6e所示，膜下面的水温在1小时30分钟的光照后几乎没有发生变化，由此可以确认通过低导热率实现的热损失的最小化。这是由于PDMS的导热率很低可以阻隔碳层吸收转换的热能。最终，通过最小化热损失，使得所吸收热能仅用于蒸发。
由此，图6d说明膜的碳层的光吸收性很高，膜的PDMS海绵的导热率很低，如图6e所示，该特性能够将膜的表面温度维持在高水平，有助于蒸发。
经碳化的PDMS海绵膜的基于阳光的蒸发及淡化性能
图7a是本发明的太阳模拟器(solar simulator)照片，图7b是显示根据本发明实施例的照射人造阳光后经碳化的PDMS膜的质量变化的图表。参照图7b，将经碳化的PDMS膜浮在水上之后，在利用太阳模拟器(solar simulator)照射2kW/m2强度的人工阳光时，相比没有膜的情况，经碳化的PDMS膜的蒸发率高出4.9倍。
图7c是显示根据本发明实施例的经碳化的PDMS膜在不同光照强度下的蒸发率的图表。参照图7c，当照射不同强度的太阳光时，经碳化的PDMS膜相比现有的其他用于蒸发的淡水化膜具有更高的蒸发率。
利用经碳化的PDMS膜对3摩尔(mole)的咸水进行淡化，其结果显示离子导电率降至饮用水范围的值以下，确认能够生产饮用水。
图7d是显示根据本发明实施例的咸水蒸发后离子导电率变化的附图。经过蒸发的水具有饮用水范围以下的离子导电率。这说明利用经碳化的PDMS海绵膜的蒸发淡水技术可以通过单一工艺生产出饮用水。然而，现有的基于膜的反渗透技术(斜线部分)在经过淡化后，其离子导电率无法下降至饮用水范围以下。这说明现有的工业中使用的反渗透技术无法通过单一工艺对咸水进行淡化，需要多个前/后处理工艺。现有的基于膜的淡化技术(图7d的斜线部分)无法利用单一淡水化工艺将咸水生产成饮用水，还需要经过多个工艺，而本发明实施例的利用经碳化的PDMS膜的蒸发淡化技术是基于阳光的单一工艺，具有99.97％的高离子过滤性能，可以生产饮用水(图7d)。
利用经碳化的PDMS海绵膜的形态结构与亲水表面性能实现膜表面析出离子的脱离与去除
在膜上蒸发高盐度咸水时，离子过饱和状态的咸水中的离子会析出至膜的蒸发表面，导致蒸发表面堵塞，降低蒸发性能，这被称为积垢(fouling)。经碳化的PDMS膜具有高亲水性与大孔(macroporous)结构，因此在对海水/咸水进行淡化时，可以减少膜的蒸发表面析出的离子。在此，与利用聚乙烯醇(PVA)对表面进行涂覆的微孔(microporous)结构的经碳化的PDMS膜的离子析出性能进行了比较。
图8a的左侧是根据本发明实施例的用聚乙烯醇(PVA)涂覆表面的微孔(microporous)结构的经碳化的PDMS膜的照片，右侧是经过氧气等离子处理的大孔(macroporous)结构的经碳化的PDMS膜的照片。图8b的左侧是显示根据本发明实施例的用PVA涂覆表面的微孔(microporous)结构的经碳化的PDMS膜的离子析出量的照片，右侧是显示经过氧气等离子处理的大孔(macroporous)结构的经碳化的PDMS膜的离子析出量的照片。参照图8a及图8b可以看出，相比PVA涂覆的微孔膜，蒸发表面的离子析出量降低了75％。
图8c是利用浦项加速器实验室6c生物医药成像光束(6c biomedical imagingbeamline)的X-线拍摄的根据本发明实施例的经过氧气等离子表面处理的大孔结构的经碳化的PDMS膜被浸入咸水并照射光时，膜表面及内部的离子析出层的生成及移动的照片。参照图8c，在光照之前(t＝0s)，由于膜表面的蒸发率低，没有离子析出。然而，当对膜上端表面进行照射时，膜表面迅速出现蒸发，咸水中的离子析出至膜表面。10分钟后，可以看到膜表面产生许多离子析出层(盐结晶层，最深的黑色)堆积在蒸发表面。然而，在光照50分钟后，能够确认蒸发表面的离子析出层(盐，黄色区域)从膜上端脱离，在重力作用下向下沉淀。脱离的离子析出层在重力的作用下通过膜的气孔下降至下部，最终沉淀至装有水的容器底部。由此可见，相比PVA涂覆层，经碳化的PDMS膜亲水性更好，膜的气孔大小更大，因此，在光照引起的蒸发过程中，离子析出层从蒸发表面脱离至膜的下部，能够去除所析出的离子。
根据是否存在光照的经碳化的PDMS海绵膜的蒸发表面的离子析出层的脱离及去除性能
图9a是根据本发明实施例的根据是否存在光照的膜的离子析出层的X-线照片。参照图9a，将膜浮在咸水中照射光时，能够确认在经碳化的PDMS膜上端的蒸发表面出现了离子析出层。然而，能够确认到在关掉对膜的光照时，膜表面的离子析出层脱离，并通过膜的多孔结构下降并沉淀至装有咸水的容器底部，大部分表面离子析出层得到去除。
图9b是显示图9a的膜内部的基于时间的微泡变化的X-线照片。光照60分钟后，膜内部的气泡(air bubble)增大。这是由于膜内部的负压(negative pressure)导致气泡膨胀变大。即照射光时，膜表面的蒸发率提高，膜上端的拉拽的蒸发力导致膜内部产生大的负压，由此使得离子析出层附着在蒸发表面。然而，关掉光照时，能够确认76分钟后气泡变小。这说明拉拽气泡的膜内部的负压减小。这是由于关掉对膜的光照后，蒸发迅速减小，在膜上端向上拉拽的蒸发力迅速降低，导致膜内部负压也迅速降低。再次照射光94分钟之后能够确认，由于蒸发力导致的膜内部的较大负压使得气泡变大。由此，图9b的照片是通过膜内部的气泡大小变化来说明内部负压的变化。当切断光照时，在膜内部的负压迅速降低，最终如图9a所示，蒸发面的离子析出层脱离并向下沉淀。
图9c是本发明的利用经碳化的木头制造的膜的离子析出层的X-线照片。参照图9c，不是利用经碳化的PDMS膜，而是利用经碳化的木头制成膜时，在照射光之后关掉光照时，蒸发表面的离子析出层去除率降低。这是因为经碳化的PDMS膜蒸发率高，去掉光照时负压降低的幅度较大，由此使得离子析出层容易从蒸发表面脱离，并且，由于膜的孔径较大，所脱离的析出离子能够轻松通过膜内部。因此，去掉对经碳化的PDMS膜的光照时，去除析出层的性能高于经碳化的木头制成的膜。
综上，通过有限的附图对实施例进行了说明，本领域普通技术人员能够基于所述记载进行多种更改与变形。例如，所说明的技术按照与说明的方法不同的顺序执行，和/或所说明的构成要素按照与说明的方法不同的形态进行结合或组合，或者由其他构成要素或者等同物置换或代替，也能得到适当的结果。
因此，其他体现、其他实施例及权利要求的等同物均属于所附权利要求书的范围。
Claims (15)
1.一种用于海水淡化的三维多孔膜，其特征在于，
包括：
多孔聚合物层；以及
形成在所述多孔聚合物层上的包括碳材料的碳层。
2.根据权利要求1所述的用于海水淡化的三维多孔膜，其特征在于，
所述多孔聚合物层包括从由聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚降冰片烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚砜、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯，以及聚甲基丙烯酸甲酯组成的群组中选择的至少任一个。
3.根据权利要求1所述的用于海水淡化的三维多孔膜，其特征在于，
所述碳层是在多孔聚合物层的气孔网涂覆糖基碳材料。
4.根据权利要求1所述的用于海水淡化的三维多孔膜，其特征在于，
所述多孔聚合物层的气孔是100μm至500μm。
5.根据权利要求1所述的用于海水淡化的三维多孔膜，其特征在于，
所述多孔聚合物层的下面是亲水表面。
6.根据权利要求5所述的用于海水淡化的三维多孔膜，其特征在于，
所述亲水表面经过等离子处理。
7.根据权利要求6所述的用于海水淡化的三维多孔膜，其特征在于，
所述等离子处理是氧气等离子处理。
8.一种用于海水淡化的三维多孔膜的制造方法，其特征在于，
包括以下步骤：
利用糖形成结构；
将聚合物吸附于所述结构；
融化所述结构包含的糖来形成多孔膜；
对所述多孔膜的上部进行碳化；以及
对所述经碳化的多孔膜下部进行等离子处理。
9.一种海水淡化装置，其特征在于，
包括：
权利要求1至7中任一项所述的用于海水淡化的三维多孔膜，其配置成使聚合物层朝向海水之上；
顶板，其用于使通过所述膜，并通过所述膜的所述碳层蒸发排出的水蒸气得到凝集；以及
淡水储存部，其收集凝集在所述顶板的水蒸气，
所述顶板朝向所述淡水储存部的方向倾斜。
10.根据权利要求9所述的海水淡化装置，其特征在于，
所述顶板具有透光性。
11.根据权利要求9所述的海水淡化装置，其特征在于，
所述海水淡化装置没有电源。
12.根据权利要求9所述的海水淡化装置，其特征在于，
所述海水淡化装置使从海水中析出的离子在重力作用下脱离至所述多孔聚合物层的下方。
13.一种海水淡化方法，其利用权利要求9的海水淡化装置，其特征在于,
在无光条件下，使形成在所述膜上端的析出离子通过所述用于海水淡化的三维多孔膜的气孔脱离排出至所述海水。
14.根据权利要求13所述的海水淡化方法，其特征在于，
调节所述气孔的大小来控制析出离子的脱离排出。
15.根据权利要求13所述的海水淡化方法，其特征在于，
包括回收所述析出离子。
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