DE112010004190T5

DE112010004190T5 - Durch Oberflächenladung aktivierte nanoporöse semipermeable Membran zur Entsalzung

Info

Publication number: DE112010004190T5
Application number: DE201011004190
Authority: DE
Inventors: John M. Cotte; Christopher V. Jahnes; Hongbo Pen; Stephen M. Rossnagel
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN102687028A; TWI496612B; WO2011053398A1; DE112010004190B4; DE112010004190T8; GB201209216D0; TW201121635A; US8448790B2; US20110094884A1; CN102687028B; US20120273362A1; US20120267249A1; GB2488928A; US8307994B2; GB2488928B

Abstract

Ein Filter umfasst eine Membran, welche mehrere darin ausgebildete Nanokanäle (14) aufweist. Ein erstes Oberflächenladungsmaterial (18) ist auf einen Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht. Das erste Oberflächenladungsmaterial umfasst eine Oberflächenladung, um Ionen in einer elektrolytischen Lösung (20) derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird. Es werden auch Verfahren zur Herstellung und Verwendung des Filters bereitgestellt.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft semipermeable Membranen und insbesondere eine semipermeable nanoporöse Membran und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben zur Entsalzung und für andere Verfahren.
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.
KURZDARSTELLUNG
Ein Filter umfasst eine Membran, welche mehrere darin ausgebildete Nanokanäle aufweist. Auf einen Endabschnitt der Nanokanäle ist ein erstes Oberflächenladungsmaterial aufgebracht. Das erste 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. Es werden auch Verfahren zur Herstellung und Verwendung des Filters bereitgestellt.
Ein Filtersystem umfasst ein erstes Volumen, 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. Die Nanokanäle umfassen ein erstes Oberflächenladungsmaterial, welches auf mindestens einem Endabschnitt der Nanokanäle angeordnet ist. Das erste 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.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Filters umfasst das Bilden mehrerer Nanokanäle in einer Membran und das Aufbringen eines ersten Oberflächenladungsmaterials auf mindestens einen Endabschnitt der Nanokanäle. Das erste 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.
Ein Verfahren zum Filtrieren einer elektrolytischen Lösung umfasst das Füllen eines ersten Volumens mit einer elektrolytischen Lösung, das Anwenden eines Drucks unterhalb eines Schwellenwertes auf die elektrolytische Lösung in dem ersten Volumen und das Führen eines Fluids der elektrolytischen Lösung in ein zweites Volumen, welches von dem ersten Volumen durch eine Membran getrennt ist. Die Membran weist mehrere darin ausgebildete Nanokanäle auf. Die Nanokanäle umfassen ein erstes Oberflächenladungsmaterial, welches auf mindestens einem Endabschnitt der Nanokanäle angeordnet ist. Das erste 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.
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 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bilden;
2 eine Draufsicht auf eine Membran ist, welche Nanokanäle und die Anordnung einer Schnittlinie A-A gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
3 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A der 2 ist, welche die Bildung von Nanoröhren oder Nanokanälen durch die Membran gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
4 eine Querschnittsansicht ist, welche eine Oberflächenladungsschicht zeigt, die über einem Endabschnitt der Nanoröhren oder Nanokanäle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist;
5 eine Querschnittsansicht ist, welche zwei Oberflächenladungsschichten zeigt, die über zwei Endabschnitten der Nanoröhren oder Nanokanäle gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist;
6 ein Blockdiagramm ist, welches beispielhaft ein Entsalzungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
7 ein Ablaufdiagramm ist, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Filters gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8 ein Ablaufdiagramm ist, welches ein Verfahren zur Verwendung eines Filters gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in Form einer nicht beschränkenden semipermeablen Membran beschrieben ist, die aus einem Material wie z. B. Aluminium gebildet ist; innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung können jedoch andere Strukturen, Membranmaterialien, Beschichtungsmaterialien, Verfahrensmerkmale und Schritte variiert werden. Die Membran kann in Folien gebildet und zugeschnitten werden oder kann in abgemessenen Feldern gebildet oder in diese eingebracht werden.
In besonders geeigneten Ausführungsformen 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. In einer Ausführungsform kann ein Abscheidungsmaterial 17 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.
In einer Ausführungsform kann das Material 18 zum Beispiel Titandioxid oder Siliciumdioxid umfassen. 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, z. B. 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. 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 kann ansonsten mit einer dünnen TiO₂-Schicht oder einem anderen Ladungsmaterial 18 bedeckt werden (1 oder 5), wofür z. B. die Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) angewendet wird, welche eine Oberfläche mit hoher negativer Oberflächenladung bildet. Alternativ kann das Material 18 ein Material für eine positiv geladene Oberfläche umfassen. Das Material 18 kann auf ein Ende des Nanokanals 14 aufgebracht werden.
Bezug nehmend auf 5, könnte, falls erwünscht, auf das entfernte Ende des Nanokanals 14 eine zweite Schicht 52 eines Materials aufgebracht werden. Zum Beispiel umfasst ein erster Endabschnitt 55 eine negativ geladene Oberfläche, 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/oder 52) gesteuert werden. Es ist nur für diese Beschichtung 18 (oder 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.
In einer Ausführungsform sind die Matrizen paralleler Nanoporen oder Kanäle in der Membran 102 auf einem Ende mit einem Material (z. B. Titandioxid oder Siliciumdioxid) beschichtet, um eine negative Oberflächenladung zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform kann das andere Ende mit einem Material (z. B. Siliciumnitrid) beschichtet sein, 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.
Die in 6 dargestellte Ausführungsform 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 kann die Verwendung anodischen Aluminiumoxids umfassen, 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 ein Oberflächenladungsmaterial auf mindestens einen 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 kann ein zweites Oberflächenladungsmaterial auf einen zweiten Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht werden. 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.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Aufbringen des ersten Oberflächenladungsmaterials 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 umfassen, 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. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen veranschaulichenden Beispiele in beliebiger Weise kombiniert werden können und viele geeignete Konfigurationen gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung liefern können.
Bezug nehmend auf 8, ist ein Ablaufdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zur Verwendung eines Filters gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Block 250 wird ein erstes Volumen mit einer elektrolytischen Lösung gefüllt. Dieses Volumen wird vorzugsweise gemischt oder kontinuierlich nachgefüllt. Im Block 252 wird ein Druck auf die elektrolytische Lösung in dem ersten Volumen angewendet, der unterhalb eines Druckschwellenwerts liegt. Im Block 254 wird ein Fluid der elektrolytischen Lösung in ein zweites Volumen geführt, welches durch eine Membran von dem ersten Volumen getrennt ist. Die Membran weist mehrere darin ausgebildete Nanokanäle auf, wie oben beschrieben. Das Fluid in dem zweiten Volumen ist entsalzt oder teilweise entsalzt. Es kann eine weitere Stufe hinzugefügt werden.
Nach der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen einer durch Oberflächenladung aktivierten nanoporösen semipermeablen Membran zur Entsalzung (welche beispielhaft und nicht beschränkend sein sollen) sei angemerkt, dass der Fachmann im Lichte der obigen Lehren Modifikationen und Variationen vornehmen kann. Es versteht sich daher, dass an den speziellen offenbarten Ausführungsformen Veränderungen vorgenommen werden können, welche unter den Umfang der Erfindung fallen, wie er in den anhängenden Patentansprüchen ausgeführt ist. Nachdem somit Erscheinungsformen der Erfindung mit den Einzelheiten und Besonderheiten beschrieben worden sind, die durch die Patentgesetze gefordert werden, wird in den anhängenden Patentansprüchen ausgeführt, was beansprucht wird und durch das Patent geschützt werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

O. Jessensky u. a., „Self-organized formation of hexagonal pore arrays in anodic alumina”, Appl. Phys. Lett. 72 (1998), S. 1173 [0025]
G. Sklar u. a., „Pulsed deposition into AAO templates for CVD growth of carbon nanotube arrays”, Nanotechnology 16 (2005), 1265 bis 1271 [0025]

Claims

Filter, welcher das Folgende umfasst: eine Membran (16), welche mehrere darin ausgebildete Nanokanäle (14) aufweist; und ein erstes Oberflächenladungsmaterial (18), welches auf mindestens einen Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine Oberflächenladung umfasst, um Ionen in einer elektrolytischen Lösung (20) derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während ein Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird.
Filter nach Anspruch 1, wobei die Membran (16) Aluminium umfasst und die Nanokanäle (14) unter Verwendung eines anodischen Aluminiumoxids gebildet werden.
Filter nach Anspruch 1, wobei die Nanokanäle (14) einen Durchmesser von ungefähr 3 nm bis 200 nm aufweisen.
Filter nach Anspruch 1, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial (18) ein Material umfasst, welches eine negative Oberflächenladung aufweist, um negative Ionen abzustoßen.
Filter nach Anspruch 4, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial mindestens eines aus Titanoxid und Siliciumoxid umfasst.
Filter nach Anspruch 1, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial (18) ein Material umfasst, welches eine positive Oberflächenladung aufweist, um positive Ionen abzustoßen.
Filter nach Anspruch 6, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial Siliciumnitrid umfasst.
Filter nach Anspruch 1, welcher ferner ein zweites Oberflächenladungsmaterial (52) umfasst, das auf einen zweiten Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht ist, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine Oberflächenladung umfasst, um Ionen in einer elektrolytischen Lösung (20) derart elektrostatisch zu beeinflussen, dass die Nanokanäle Ionen in die elektrolytische Lösung zurückweisen, während das Fluid der elektrolytischen Lösung durchgelassen wird.
Filter nach Anspruch 1, wobei die Nanokanäle (14) eine Öffnungsabmessung aufweisen, welche durch ein aufgebrachtes Material verengt ist.
Filter nach Anspruch 1, wobei die elektrolytische Lösung Meerwasser umfasst und die Nanokanäle eine Öffnung von ungefähr 1 nm bis ungefähr 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 Nanokanäle ein erstes Oberflächenladungsmaterial umfassen, das auf mindestens einen Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine Oberflächenladung umfasst, 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.
Filtersystem nach Anspruch 11, welches ferner einen Druckregler (112) umfasst, welcher dafür konfiguriert ist, den Druck des ersten Volumens zu regulieren.
Filtersystem nach Anspruch 11, welches ferner eine Stützstruktur (110) umfasst, die dafür konfiguriert ist, die Membran gegen den Druck zu stützen.
Filtersystem nach Anspruch 11, welches ferner eine Mischvorrichtung (120) umfasst, die dafür konfiguriert ist, Fluid in dem ersten Volumen zu mischen.
Filtersystem nach Anspruch 11, 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; und Aufbringen (204) eines ersten Oberflächenladungsmaterials auf mindestens einen Endabschnitt der Nanokanäle, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine Oberflächenladung umfasst, 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.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bilden (202) eine Verwendung anodischen Aluminiumoxids umfasst, um die Nanokanäle in einer Aluminiummembran zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bilden (202) ein Bilden der Nanokanäle mit einem Durchmesser von ungefähr 3 nm bis 200 nm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial ein Material umfasst, welches mindestens eines aus einer negativen Oberflächenladung zum Abstoßen negativer Ionen und einer positiven Oberflächenladung zum Abstoßen positiver Ionen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner ein Aufbringen (206) eines zweiten Oberflächenladungsmaterials auf einen zweiten Endabschnitt der Nanokanäle umfasst, wobei das zweite Oberflächenladungsmaterial eine Oberflächenladung umfasst, 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.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner ein Einstellen (203) einer Öffnungsabmessung der Nanokanäle unter Anwendung eines Abscheidungsverfahrens umfasst.
Verfahren zum Filtrieren einer elektrolytischen Lösung, welches das Folgende umfasst: Füllen (250) eines ersten Volumens mit einer elektrolytischen Lösung; Anwenden (252) eines Drucks unterhalb eines Schwellenwerts auf die elektrolytische Lösung in dem ersten Volumen; und Führen (254) eines Fluids der elektrolytischen Lösung in ein zweites Volumen, welches durch eine Membran von dem ersten Volumen getrennt ist, wobei die Membran mehrere darin ausgebildete Nanokanäle aufweist, wobei die Nanokanäle ein erstes Oberflächenladungsmaterial umfassen, das auf mindestens einen Endabschnitt der Nanokanäle aufgebracht ist, wobei das erste Oberflächenladungsmaterial eine Oberflächenladung umfasst, 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.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Führen (254) eines Fluids ein Führen des Fluids durch mehrere Membranen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei jede der mehreren Membranen eine andere Öffnungsabmessung für die Nanokanäle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, welches ferner ein Regulieren der Ionenkonzentration in dem ersten Volumen umfasst.