DE112010004190B4

DE112010004190B4 - Filter und filtersystem mit einer durch oberflächenladung aktivierten nanoporösen semipermeablen membran und verfahren zur herstellung des filters

Info

Publication number: DE112010004190B4
Application number: DE112010004190.3T
Authority: DE
Inventors: John M. Cotte; Christopher V. Jahnes; Hongbo Peng; Stephen M. Rossnagel
Original assignee: GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: US20110094884A1; US20120273362A1; US20120267249A1; CN102687028B; TW201121635A; US8307994B2; CN102687028A; TWI496612B; WO2011053398A1; GB201209216D0; US8448790B2; DE112010004190T8; GB2488928B; GB2488928A; DE112010004190T5

Abstract

Filter, welcher das Folgende umfasst: eine Membran (16), welche mehrere darin ausgebildete Nanokanäle (14) aufweist, wobei die Membran Aluminium umfasst und die Nanokanäle (14) unter Verwendung eines anodischen Aluminiumoxids gebildet werden, wobei die Nanokanäle einen ersten Endabschnitt (55), der mit einem ersten Oberflächenladungsmaterial (18) bedeckt ist, einen zweiten Endabschnitt (56), der mit einem zweiten Oberflächenladungsmaterial (52) bedeckt ist, und einen freiliegenden Abschnitt zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt aufweisen, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine negative Oberflächenladung umfasst, um negative Ionen in einer elektrolytischen Lösung (20) derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die negativen Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der erste Endabschnitt der Nanokanäle eine erste Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das erste Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine positive Oberflächenladung umfasst, um positive Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die positiven Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der zweite Endabschnitt der Nanokanäle eine zweite Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das zweite Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Filter mit einer semipermeablen nanoporösen Membran, ein Verfahren zur Herstellung des Filters und ein Filtersystem mit dem Filter, jeweils gemäß den Ansprüchen.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Wasserentsalzung kann in Form von zwei Ansätzen angegangen werden. Die beiden Hauptansätze für die Wasserentsalzung umfassen die Umkehrosmose und die Destillation. Der Destillationsansatz erfordert das Umwandeln von flüssigem Wasser in die Gasphase und das Kondensieren von Wasser aus dem Dampf. Dieser Ansatz ist recht kostspielig und macht die Verwendung einer bedeutenden Energiemenge erforderlich. Beim Umkehrosmoseansatz wird Druck auf eine salzhaltige Flüssigkeit angewendet, um Wassermoleküle durch eine semipermeable Membran zu zwingen. Dieser Ansatz weist einen relativ geringen Energieverbrauch auf.
Die spezifische Energie (je Einheit des erzeugten Trinkwassers) der Entsalzung bei Anwendung der Umkehrosmose ist von mehr als 10 kWh/m³ in den 1980er-Jahren auf weniger als 4 kWh/m³ verringert worden und nähert sich der theoretischen minimalen benötigten Energie von 0,7 kWh/m³ an. Um den Stand der Technik des Umkehrosmoseansatzes zu verbessern, können neue Membranen mit einer einheitlichen Porenverteilung und einer durchlässigeren Trennschicht möglicherweise die Salzabweisung aufrecht erhalten oder verbessern, während der Durchfluss beim Umkehrosmoseverfahren verbessert wird. Solche Verbesserungen sind in der herkömmlichen Technik noch nicht entwickelt worden.
Die US 2011 / 0 220 574 A1 offenbart einen Aufbau von nanoporösen Membranen und ein Verfahren zur deren Herstellung. Die nanoporösen Membranen weisen einwandige, doppelwandige oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingebettet in einem Matrixmaterial auf. Eine durchschnittliche Porengröße des Kohlenstoff-Nanoröhrchens kann 6 nm oder weniger betragen.
Die US 2008 / 0 006 574 A1 offenbart eine Membranstruktur und Verfahren zur deren Herstellung. Die Membranstruktur weist eine erste Schicht mit einer Vielzahl von Poren und eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht abgeschieden ist, auf. Die zweite Schicht weist eine Vielzahl von nicht verbundenen Poren auf. Zumindest ein Teil der Vielzahl von nicht verbundenen Poren der zweiten Schicht ist zumindest teilweise mit einem Füllstoff so aufgefüllt, dass die erste Schicht im wesentlichen frei von dem Füllstoff ist. Zumindest ein Teil der Vielzahl von nicht verbundenen Poren der zweiten Schicht steht in Fluidverbindung mit zumindest einer der Poren der ersten Schicht. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstelen einer ersten Schicht, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Poren aufweist; Anordnen einer zweiten Schicht auf der ersten Schicht; und Auffüllen zumindest eines Teils der nicht verbundene Poren der zweiten Schicht mit einem Füllstoff, sodass die erste Schicht im wesentlichen frei von dem Füllstoff ist. Das Anordnen der zweiten Schicht fasst Abscheiden einer Metallschicht auf der ersten Schicht und Anodisieren der Metallschicht, um sie in eine poröse Oxidschicht umzuwandeln, um.
Die US 2006 / 0 275 138 A1 offenbart eine Technik zur Herstellung von wurde Mikro- oder Nanopumpen basierend auf porösen Aluminiumoxid-Dünnschichten.
Die US 2008 / 0 223 795 A1 offenbart nanoporösen Membranen aufweisend einwandige, doppelwandige und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingebettet in einem Matrixmaterial. Eine durchschnittliche Porengröße ist von 2 nm bis 20 nm, oder 7 nm oder weniger, oder 2 Nanometer oder weniger.
Die US 3 567 632 A offenbart permeabilitätsselektive Membranen zur selektiven Trennung von flüssigen Gemischen und Lösungen, z. B. die Entsalzung von Meerwasser.
KURZDARSTELLUNG
Die Erfindung betrifft einen Filter gemäß den Ansprüchen 1–3, welcher eine Membran umfasst, welche mehrere darin ausgebildete Nanokanäle aufweist, wobei die Membran Aluminium umfasst und die Nanokanäle unter Verwendung eines anodischen Aluminiumoxids gebildet werden, wobei die Nanokanäle einen ersten Endabschnitt, der mit einem ersten Oberflächenladungsmaterial bedeckt ist, einen zweiten Endabschnitt, der mit einem zweiten Oberflächenladungsmaterial bedeckt ist, und einen freiliegenden Abschnitt zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt aufweisen, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine negative Oberflächenladung umfasst, um negative Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die negativen Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der erste Endabschnitt der Nanokanäle eine erste Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das erste Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine positive Oberflächenladung umfasst, um positive Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die positiven Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der zweite Endabschnitt der Nanokanäle eine zweite Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das zweite Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.
Die Erfindung betrifft ein Filtersystem gemäß den Ansprüchen 4–8, welches ein erstes Volumen umfasst, welches dafür konfiguriert ist, eine elektrolytische Lösung unter einem Druck aufzunehmen; und ein zweites Volumen, welches von dem ersten Volumen durch eine Membran getrennt ist, die mehrere darin ausgebildete Nanokanäle aufweist, wobei die Membran Aluminium umfasst und die Nanokanäle unter Verwendung eines anodischen Aluminiumoxids gebildet werden, wobei die Nanokanäle einen ersten Endabschnitt, der mit einem ersten Oberflächenladungsmaterial bedeckt ist, einen zweiten Endabschnitt, der mit einem zweiten Oberflächenladungsmaterial bedeckt ist, und einen freiliegenden Abschnitt zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt aufweisen, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine negative Oberflächenladung umfasst, um negative Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die negativen Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der erste Endabschnitt der Nanokanäle eine erste Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das erste Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine positive Oberflächenladung umfasst, um positive Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die positiven Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der zweite Endabschnitt der Nanokanäle eine zweite Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das zweite Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters gemäß den Ansprüchen 9–10, welches das Folgende umfasst: Bilden mehrerer Nanokanäle in einer Membran, wobei das Bilden eine Verwendung anodischen Aluminiumoxids umfasst, um die Nanokanäle in einer Aluminiummembran zu bilden; Aufbringen eines ersten Oberflächenladungsmaterials auf einen ersten Endabschnitt der Nanokanäle, wobei nach dem Aufbringen des ersten Oberflächenladungsmaterials ein Abschnitt der Nanokanäle zwischen dem ersten Endabschnitt der Nanokanäle und einem zweiten Endabschnitt der Nanokanäle freigelegt bleibt; und Aufbringen eines zweiten Oberflächenladungsmaterials auf dem zweiten Endabschnitt der Nanokanäle umfasst, wobei nach dem Aufbringen des zweiten Oberflächenladungsmaterials der Abschnitt der Nanokanäle zwischen dem ersten Endabschnitt der Nanokanäle und dem zweiten Endabschnitt der Nanokanäle freigelegt bleibt, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine negative Oberflächenladung umfasst, um negative Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die negativen Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der erste Endabschnitt der Nanokanäle eine erste Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das erste Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine positive Oberflächenladung umfasst, um positive Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die positiven Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der zweite Endabschnitt der Nanokanäle eine zweite Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das zweite Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.
Diese und andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ersichtlich, welche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Durch die Offenbarung werden in der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren Einzelheiten beschrieben, wobei:
1 eine Querschnittsansicht entlang einer Längsachse von Nanoröhren oder Nanokanälen durch eine Membran ist, welche zeigen, dass die Nanokanäle eine doppelte elektrische Schicht bilden;
2 eine Draufsicht auf eine Membran ist, welche Nanokanäle und die Anordnung einer Schnittlinie A-A zeigt;
3 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A der 2 ist, welche die Bildung von Nanoröhren oder Nanokanälen durch die Membran zeigt;
4 eine Querschnittsansicht ist, welche eine Oberflächenladungsschicht zeigt, die über einem Endabschnitt der Nanoröhren oder Nanokanäle ausgebildet ist;
5 eine Querschnittsansicht ist, welche zwei Oberflächenladungsschichten zeigt, die über zwei Endabschnitten der Nanoröhren oder Nanokanäle ausgebildet ist;
6 ein Blockdiagramm ist, welches beispielhaft ein Entsalzungssystem zeigt;
7 ein Ablaufdiagramm ist, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Filters zeigt; und
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung wird eine neue Membran beschrieben, bei welcher eine Oberflächenladung von Nanoporen und/oder Nanokanälen angewendet wird. In einer Ausführungsform für die Umkehrosmose wird eine hohe Salzabweisung erreicht, während gleichzeitig ein hoher Durchfluss bewahrt wird. In einer Ausführungsform umfasst ein Filter im Nanomaßstab Matrizen paralleler Nanoporen oder Kanäle, welche in einem Membranmaterial gebildet werden. Die Oberfläche der Nanopore oder des Kanals wird mit einem Material konfiguriert, welches eine hohe negative (oder positive) Oberflächenladung aufweist, wenn es einem Elektrolyt ausgesetzt ist. Durch diesen Effekt wird der Transport von Ionen durch den Kanal gesperrt, es handelt sich also um einen Ionenfilter.
Die vorliegende Erfindung ist in Form einer semipermeablen Membran beschrieben, die Aluminium umfasst;
Die Membran kann in Folien gebildet und zugeschnitten werden oder kann in abgemessenen Feldern gebildet oder in diese eingebracht werden.
Vorzugsweise wird die Membran für die Entsalzung von Wasser verwendet. Die Grundsätze der vorliegenden Erfindung können jedoch auch in anderen physikalischen oder chemischen Verfahren angewendet werden.
Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszahlen für dieselben oder ähnliche Elemente stehen, und wo zunächst in 1 zur Veranschaulichung eine Querschnittsansicht eines Filters 10 im Nanomaßstab gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Der Filter 10 umfasst Matrizen 12 paralleler Nanoporen oder Kanäle 14, welche in einem Membranmaterial 16 ausgebildet sind. Eine Oberfläche der Nanopore oder des Kanals 14 ist mit einem Material 18 konfiguriert, welches eine hohe negative Oberflächenladung (oder hohe positive Oberflächenladung, in Abhängigkeit von der Anwendung) aufweist, wenn es einem Elektrolyten 20, z.B. Salzwasser, ausgesetzt ist. Ein Abscheidungsmaterial 17 kann aufgebracht werden, um die Öffnungen in den Nanoröhren 14 zu verengen. Das Material 17 wird vorzugsweise z.B. durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition, CVD) oder physikalische Abscheidung aus der Gasphase (Physical Vapor Deposition, PVD) aufgebracht. Das Material 17 wird nur benötigt, um die Größe der Kanäle 14 einzustellen, und kann weggelassen werden, wenn die Kanäle 14 durch Verwendung einer Schicht des Materials 18 eine ausreichende Größe aufweisen.
Das Material 18 umfasst erfindungsgemäß Titandioxid oder Siliciumdioxid. In dem Elektrolyt 20 zieht eine negative Oberflächenladung auf den Oberflächen 22 positive Ionen (Gegenionen) aus dem Elektrolyt 20 an, wodurch (in Nachbarschaft der Schicht 18) eine elektrische Doppelschicht 26 gebildet wird. Eine positive Oberflächenladung auf der Oberfläche 22 zieht negative Ionen (Anionen) in dem Elektrolyt 20 an, wodurch die elektrische Doppelschicht 26 gebildet wird. Die Doppelschicht 26 umfasst die Oberflächenladung der Nanokanäle 14 und die elektrolytisch darauf reagierenden Ionen.
In einer Ausführungsform hängt eine Dicke t der elektrischen Doppelschicht von einer Ladungsdichte des Elektrolyten 20 ab und beträgt ungefähr 1 nm, wenn die Elektrolytdichten im Bereich einer Molarität (M) von 1,0 liegen. Wenn zum Beispiel die Dicke dieser elektrischen Doppelschicht etwa die Hälfte eines Poren- oder Kanaldurchmessers beträgt, fallen die Gegenionbereiche einer Seite der Pore oder des Kanals mit dem Bereich der gegenüber liegenden Seite zusammen, wodurch ein Bereich 30 über dem Durchmesser der Pore oder des Kanals hinweg gebildet wird, welcher nur positive Ladung enthält, da die negative Ladung durch die negative Oberflächenladung 22 der Nanoporen- oder Nanokanal-Oberfläche abgestoßen wird. Durch diesen Effekt wird der Transport negativer Ionen durch den Kanal blockiert, es handelt sich somit um einen Negativionenfilter. Der gegensinnige Polaritätseffekt sollte für eine Oberfläche auftreten, welche positiv geladen ist, erfindungsgemäß mit einer Siliciumnitrid-Oberfläche.
Bezug nehmend auf 1, ist für Meerwasser die Ladungsdichte der Ionen so ausgestaltet, dass die Dicke der elektrischen Doppelschicht 26 in der Größenordnung von 1 nm liegt, so dass eine Nanopore oder ein Nanokanal eines Durchmessers von weniger als 3 nm benötigt wird. Salzwasser niedrigerer Konzentration ermöglicht die Verwendung von Nanoporen oder Kanälen eines größeren Durchmessers. Ein Kriterium ist ein Verhältnis von ungefähr 2:1 für den Durchmesser der Pore oder des Kanals im Vergleich zur Dicke der elektrischen Doppelschicht im Salzwasser (Elektrolyt).
Bezug nehmend auf 2, ist beispielhaft eine Draufsicht auf eine Matrix 12 von Nanoporen oder Nanokanälen 14 dargestellt. Eine Einheit oder Membran 10 kann mit parallelen Nanoporen oder Nanokanälen 14 in einem Bereich von 3 nm bis 20 nm im Durchmesser hergestellt werden. Es sind auch andere Größen möglich und können in Abhängigkeit von der Anwendung verwendet werden. Ein Ansatz, um dieses zu realisieren, ist es, Nanokanäle 14 in Aluminiumfolien 16 unter Verwendung von anodischem Aluminiumoxid (AAO) zu bilden (vgl. z.B. O. Jessensky u.a., „Self-organized formation of hexagonal pore arrays in anodic alumina“, Appl. Phys. Lett. 72 (1998), S. Fo 1173, oder G. Sklar u.a., „Pulsed deposition into AAO templates for CVD growth of carbon nanotube arrays“, Nanotechnology 16 (2005), 1265 bis 1271). Über dieses Verfahren werden durch ein anodisches Oxidationsverfahren parallele Kanäle eines hohen Seitenverhältnisses in Al gebildet.
Bezug nehmend auf 3, ist beispielhaft eine Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie A-A der 2 dargestellt. Nanoröhren oder Kanäle 14 sind durch das Material 16 hindurch parallel ausgebildet.
Bezug nehmend auf 4, kann, sobald die Matrix 12 der Nanokanäle 14 gebildet ist, die Oberfläche durch Aufbringen des Materials 17, z.B. SiO₂ oder ein anderes geeignetes Material, angepasst werden, wobei vorzugsweise eine Technik der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder der Sputter-Abscheidung (bekannt als physikalische Abscheidung aus der Gasphase oder PVD) angewendet wird. Das Ziel ist es dabei, die obere Öffnung des Nanokanals 14 zu verschließen. Sowohl PVD als auch CVD sind keine Abscheidungstechniken mit hoher Formanpassung; sie neigen dazu, den Kanal an der Öffnung zu verstopfen. Durch Steuern der Dicke dieser Abscheidung kann die Öffnung des Nanokanals geregelt auf eine beliebige Abmessung verkleinert werden. Das hierfür verwendete Material kann einen Einfluss auf die Oberflächenladung haben, oder es wird erfindungsgemäß ansonsten mit einer dünnen TiO₂-Schicht oder Siliciumoxid 18 bedeckt (1 oder 5), wofür z.B. die Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) angewendet wird, welche eine Oberfläche mit hoher negativer Oberflächenladung bildet. Erfindungsgemäß umfasst das Material für eine positiv geladene Oberfläche Siliciumnitrid. Das Material wird auf das zweite Ende des Nanokanals 14 aufgebracht.
Bezug nehmend auf 5, wird auf das entfernte Ende des Nanokanals 14 eine zweite Schicht 52 eines Materials aufgebracht. Ein erster Endabschnitt 55 fasst eine negativ geladene Oberfläche um, während ein zweiter Endabschnitt 56 eine positiv geladene Oberfläche umfasst. In einer Ausführungsform kann Siliciumnitrid durch plasmaunterstützte CVD oder ein reaktives Sputter-Abscheidungsverfahren aufgebracht werden, um eine Oberfläche mit einer positiven Oberflächenladung zu bilden. Die Öffnung jedes Endes des Nanokanals 14 kann auf den Bereich von 3 bis 10 nm eingestellt werden, indem sowohl der Anfangsdurchmesser des Nanokanals 14 in AAO (z.B. 20 bis 200 nm) als auch das folgende Aufbringen eines Füllmaterials 17 oder des Oberflächenbeschichtungsmaterials 18 und 52 gesteuert werden. Es ist nur für diese Beschichtung 18 und 52 erforderlich, dass sie an den äußersten Enden des Kanals vorliegt, da dort die elektrostatische Filterung der Ionen erfolgt.
Bezug nehmend auf 6, umfasst eine Entsalzungseinheit 100 eine Membran oder einen Filter 102, welche(r) eine große Matrix paralleler Nanokanäle aufweist. Die Membran 102 kann der Festigkeit wegen auf einem Gitter, Sieb oder anderen Strukturelement 110 konfiguriert sein. Die Nanokanalmatrizen der Membran 102 trennen ein Fluidvolumen in einem ersten Reservoir oder Behälter 104, welcher z.B. eine Salzwasserlösung enthält, von einem zweiten Volumen 106, in welches die Natrium- und Chloridionen nicht eindringen, wodurch somit entsalztes Wasser gebildet wird. Die Anwendung von Druck p auf die salzhaltige Seite erhöht das Durchdringen von Wassermolekülen durch die Nanoporen/Nanokanal-Matrix der Membran 102 bis zu einem gewissen Punkt. Bei einem ausreichend hohen Druck p übersteigt der Wasserfluss durch die Öffnungen die Fähigkeit der Oberflächenladungen, die Ionen zurückzuweisen, und somit bricht die Ionenfilterfähigkeit zusammen. Das Volumen 104 in 6 kann einen Fluss in das Volumen 104 und aus dem Volumen 104 aufweisen. Es sei angemerkt, dass der Wasserzufluss in das Volumen 104 gut gemischt sein sollte, um einen bedeutenden Aufbau einer ionischen Ladung in dem Volumen 104 zu verhindern. Die Salzhaltigkeit des Wassers im Volumen 104 sollte mit der Zeit reguliert werden, weil, wenn das entsalzte Wasser abgeführt wird, das Salz zurückbleibt. Hierdurch wird die Konzentration erhöht, bis schließlich die Oberflächenladung die Nanokanäle der Membran 102 nicht länger blockieren kann. Es ist deswegen zu bevorzugen, ein offenes System zu haben, wobei Wasser nachgefüllt wird, um einem Aufbau der ionischen Konzentration entgegenzuwirken. Eine Mischvorrichtung oder eine andere Verwirbelungseinheit 120 kann nützlich sein, um das Wasser im Volumen 104 zu rühren.
Über das Childsche Gesetz könnte ein kritischer Fluss berechnet werden, bei welchem die Ladungen in der Öffnung die stromaufwärts angeordneten Ladungen von den angelegten Feldern abschirmen, und somit an diesem Punkt (und bei diesem Fluss) die ionische Filterung beendet wäre. Ein Druckregler 112 kann verwendet werden, um den Druck p auf oder unter diesem kritischen Druckwert zu halten, um die richtige Funktion des Entsalzungssystems 100 sicherzustellen. Alternativ kann ein Behälter dafür konfiguriert sein, durch Verwenden der Höhe der Wassersäule in dem Fluidvolumen oder Behälter 104 oder durch andere Mittel für einen Arbeitsdruck p zu sorgen.
Die Matrizen paralleler Nanoporen oder Kanäle in der Membran 102 sind erfindungsgemäß auf Titandioxid oder Siliciumdioxid beschichtet, um eine negative Oberflächenladung zu erzeugen. Das andere Ende ist mit Siliciumnitrid beschichtet, um eine positive Oberflächenladung zu erzeugen. Es sei angemerkt, dass das Beschichten eines Endes, zum Beispiel mit einem Material für negative (oder positive) Oberflächenladung, bei beiden Ionentypen funktioniert. Die hohen Oberflächenladungen in einem Elektrolyten ziehen Ionen an oder stoßen sie ab und bilden eine elektrische Doppelschicht an einem oder mehreren Enden, um Ionen abzustoßen. Die Dicke dieser elektrischen Doppelschicht kann für Elektrolytdichten im Bereich von 1,0 M (z.B. Meerwasser) ungefähr 1 nm betragen. Bei einer Dicke dieser elektrischen Doppelschicht von einem halben Porendurchmesser ist der Transport von Ionen durch den Kanal blockiert, und ein Ionenfilter ist gebildet.
Das in 6 dargestellte Entsalzungssystem kann so erweitert werden, dass sie mehrere hintereinander geschaltete Membranen umfasst, um die Filtration weiter zu verfeinern. In einer Ausführungsform können verschiedene Filtrationsstufen angewendet werden, wobei in jeder Stufe der Druck geregelt wird, um sicherzustellen, dass jede Stufe effizient arbeitet. Dies kann das Erhöhen oder Verringern der Zwischendrücke des Fluids in jeder Stufe umfassen.
Eine mehrstufige Ausführungsform kann weitere Membranen 102’ und Stufen 116 zum Filtrieren in verschiedenen Abmessungen umfassen. Zum Beispiel könnte Meerwasser in dem ersten Volumen 104 zuerst durch einen Zwischenfilter (102) gehen, welcher einige, jedoch nicht alle der Ionen blockiert. Anschließend könnte ein Filter 102’ der zweiten Stufe verwendet werden, welcher Nanokanäle anderer Durchmesser aufweist und somit eine andere Konzentration blockiert.
Obwohl als veranschaulichendes Beispiel die Wasserentsalzung beschrieben worden ist, können gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung auch andere Fluide filtriert werden. Außerdem können andere Materialien und Materialkombinationen eingesetzt werden, um für eine elektrostatische Filterung zu sorgen. Vorteilhafter Weise kann ein Entsalzungssystem bereitgestellt werden, welches passiv ist (keine Stromquelle benötigt) und als ein kostengünstiges Entsalzungssystem, Notfall-Entsalzungssystem (z.B. in Rettungsbooten) usw. eingesetzt werden kann.
Bezug nehmend auf 7, ist ein Ablaufdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Filters gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Block 202 werden in einer Membran mehrere Nanokanäle gebildet. Das Bilden umfasst erfindungsgemäß die Verwendung anodischen Aluminiumoxids, um die Nanokanäle in einer Aluminiummembran zu bilden. Die Nanokanäle können einen Durchmesser von ungefähr 3 nm bis 200 nm aufweisen.
Im Block 203 kann ein Material aufgebracht werden, um die Öffnungen der Nanokanäle einzustellen. Das Material wird vorzugsweise über ein CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht, um die Kanalöffnungen zunehmend zu verengen, um für eine geeignete Abmessung der Öffnung zu sorgen.
Im Block 204 wird erfindungsgemäß ein Oberflächenladungsmaterial auf den ersten Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht. Das Oberflächenladungsmaterial umfasst eine Oberflächenladung, um Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird. Im Block 206 wird erfindungsgemäß ein zweites Oberflächenladungsmaterial auf einen zweiten Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht. Das zweite Material umfasst eine Oberflächenladung, um Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird.
Das Aufbringen des ersten Oberflächenladungsmaterials umfasst das Aufbringen des ersten Oberflächenladungsmaterials auf erste Stellen auf einem ersten Endabschnitt der Nanokanäle und das Aufbringen eines zweiten Oberflächenladungsmaterials auf zweite Stellen auf dem ersten Endabschnitt der Nanokanäle, so dass das erste und zweite Oberflächenladungsmaterial entgegengesetzte Polaritäten für die Oberflächenladung bereitstellen. Auf derselben Seite der Membran können unterschiedliche Polaritäten vorliegen, indem Resistmasken oder andere Integrationstechniken im großen Maßstab verwendet werden. Außerdem kann eine Konfiguration unterschiedliche Oberflächenpolaritäten auf derselben Seite der Membran und unterschiedliche Polaritäten auf der gegenüber liegenden Seite der Membran umfassen. Es können unterschiedliche Strukturen und unterschiedliche Konfigurationen bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das erste Oberflächenladungsmaterial ein Material umfassen, welches eine negative Oberflächenladung aufweist, um negative Ionen abzustoßen, und auf einer gegenüber liegenden Seite der Membran oder auf derselben Seite der Membran eine positive Oberflächenladung aufweist, um positive Ionen abzustoßen, usw.

Claims

Filter, welcher das Folgende umfasst: eine Membran (16), welche mehrere darin ausgebildete Nanokanäle (14) aufweist, wobei die Membran Aluminium umfasst und die Nanokanäle (14) unter Verwendung eines anodischen Aluminiumoxids gebildet werden, wobei die Nanokanäle einen ersten Endabschnitt (55), der mit einem ersten Oberflächenladungsmaterial (18) bedeckt ist, einen zweiten Endabschnitt (56), der mit einem zweiten Oberflächenladungsmaterial (52) bedeckt ist, und einen freiliegenden Abschnitt zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt aufweisen, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine negative Oberflächenladung umfasst, um negative Ionen in einer elektrolytischen Lösung (20) derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die negativen Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der erste Endabschnitt der Nanokanäle eine erste Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das erste Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine positive Oberflächenladung umfasst, um positive Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die positiven Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der zweite Endabschnitt der Nanokanäle eine zweite Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das zweite Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.
Filter nach Anspruch 1, wobei die Nanokanäle (14) einen Durchmesser von 3 nm bis 200 nm aufweisen.
Filter nach Anspruch 1, wobei die elektrolytische Lösung Meerwasser umfasst und die Nanokanäle eine Öffnung von ungefähr 1 nm bis 3 nm aufweisen.
Filtersystem, welches das Folgende umfasst: ein erstes Volumen (104), welches dafür konfiguriert ist, eine elektrolytische Lösung unter einem Druck aufzunehmen; und ein zweites Volumen (106), welches von dem ersten Volumen durch eine Membran (102) getrennt ist, die mehrere darin ausgebildete Nanokanäle (14) aufweist, wobei die Membran Aluminium umfasst und die Nanokanäle (14) unter Verwendung eines anodischen Aluminiumoxids gebildet werden, wobei die Nanokanäle einen ersten Endabschnitt (55), der mit einem ersten Oberflächenladungsmaterial (18) bedeckt ist, einen zweiten Endabschnitt (56), der mit einem zweiten Oberflächenladungsmaterial (52) bedeckt ist, und einen freiliegenden Abschnitt zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt aufweisen, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine negative Oberflächenladung umfasst, um negative Ionen in einer elektrolytischen Lösung (20) derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die negativen Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der erste Endabschnitt der Nanokanäle eine erste Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das erste Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine positive Oberflächenladung umfasst, um positive Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die positiven Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der zweite Endabschnitt der Nanokanäle eine zweite Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das zweite Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.
Filtersystem nach Anspruch 4, welches ferner einen Druckregler (112) umfasst, welcher dafür konfiguriert ist, den Druck des ersten Volumens zu regulieren.
Filtersystem nach Anspruch 4 oder 5, welches ferner eine Stützstruktur (110) umfasst, die dafür konfiguriert ist, die Membran gegen den Druck zu stützen.
Filtersystem nach einem der Ansprüche 4–6, welches ferner eine Mischvorrichtung (120) umfasst, die dafür konfiguriert ist, Fluid in dem ersten Volumen zu mischen.
Filtersystem nach einem der Ansprüche 4–7, welches ferner mehrere Membranen (102, 102’) umfasst, die hintereinander angeordnet sind, um das elektrolytische Fluid und filtriertes elektrolytisches Fluid zu filtrieren.
Verfahren zur Herstellung eines Filters, welches das Folgende umfasst: Bilden (202) mehrerer Nanokanäle in einer Membran, wobei das Bilden (202) eine Verwendung anodischen Aluminiumoxids umfasst, um die Nanokanäle in einer Aluminiummembran zu bilden; Aufbringen (204) eines ersten Oberflächenladungsmaterials auf einen ersten Endabschnitt der Nanokanäle, wobei nach dem Aufbringen des ersten Oberflächenladungsmaterials ein Abschnitt der Nanokanäle zwischen dem ersten Endabschnitt der Nanokanäle und einem zweiten Endabschnitt der Nanokanäle freigelegt bleibt; und Aufbringen (206) eines zweiten Oberflächenladungsmaterials auf dem zweiten Endabschnitt der Nanokanäle umfasst, wobei nach dem Aufbringen des zweiten Oberflächenladungsmaterials der Abschnitt der Nanokanäle zwischen dem ersten Endabschnitt der Nanokanäle und dem zweiten Endabschnitt der Nanokanäle freigelegt bleibt, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine negative Oberflächenladung umfasst, um negative Ionen in einer elektrolytischen Lösung (20) derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die negativen Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der erste Endabschnitt der Nanokanäle eine erste Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das erste Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine positive Oberflächenladung umfasst, um positive Ionen in einer elektrolytischen Lösung derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle die positiven Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird, wobei der zweite Endabschnitt der Nanokanäle eine zweite Öffnungsabmessung aufweist, welche durch das zweite Oberflächenladungsmaterial verengt ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bilden (202) ein Bilden der Nanokanäle mit einem Durchmesser von 3 nm bis 200 nm umfasst.