[发明专利]半透膜及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学领域。具体地，涉及一种半透膜及其用途。

背景技术

随着人类社会的高速发展，人类对水资源的依赖度越来越高，可是水资源现状却让世人堪忧。我们所居住的地球71%的表面积覆盖着水。但是，这其中97.5%的水是海水，海水又咸又苦，不能饮用，不能灌溉，也难以用于工业，只有剩下的2.5%是淡水。而在淡水中，将近70%冻结在南极和格陵兰的冰盖中，其余的大部分是土壤中的水分或是深层地下水，难以供人类开采使用。江河、湖泊、水库及浅层地下水等来源的水较易于开采供人类直接使用，但其数量不足世界淡水的1%，约占地球上全部水的0.007%。我们的淡水资源不仅十分短缺，而且分布还极其不均匀。这种不均匀主要表现在时间和空间上。以我国为例，我国大部分地区的降水主要集中在夏季。降水的年际变化很大。从空间分布上看，具有东多西少，南多北少的特点。我国人口众多，每人拥有的水资源只有世界平均水平的四分之一。

如果可以利用水资源中绝大多数的海水，并且能够回收生产生活中的污水废水将极大地缓解我们目前的水危机。因此海水淡化和污水回收是解决当前水资源危机的重要手段，在海水淡化方面，目前的方法主要有蒸馏法、电渗析法和反渗透法等其中最为流行的水处理技术是反向渗透技术。反向渗透技术是依靠反渗透膜在外界压力的作用下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的一项膜分离技术，而正向渗透技术则依靠提取液自身的高渗透压和正渗透膜的选择透过性使水自发从原料液中提取出的新型膜分离技术。可见，无论是使用正向渗透技术还是反向渗透技术，一个合适的选择透过性膜是至关重要的。

然而，目前的半透膜仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。

为此，本发明的一个目的在于提出一种半透膜。根据本发明的实施例，该半透膜是由石墨烯形成的，所述石墨烯形成有纳米孔。根据本发明的实施例，纳米孔的平均直径为10nm以下，优选所述纳米孔的平均直径为1nm。根据本发明的实施例，所述纳米孔的边缘可以被化学基团修饰改性，所述化学基团为选自-OH、-H、-F、-C-O-C-和-COOH的至少之一。根据本发明另外的实施例，所述半透膜的厚度为单原子层厚。

一般而言，对于合适的选择透过性膜，需要满足以下标准：

（1）良好的选择性，即拒盐率需要大于99.5%。在本发明中所采用的术语“拒盐率”是根据通过膜前后的溶液中含盐量的差别来确定的，即拒盐率=（1-出液含盐量/进液含盐量）*100%，其中，溶液含盐量可以通过电导率测定仪测量。

（2）渗透中具有高通量；

（3）优异的力学、热学、化学稳定性，在高渗透压差下结构稳定不发生破坏；保证半透膜有一个宽泛的工作范围；不因热扰动、微生物、电化学腐蚀，以及与其他化学物质之间的接触而失效；

（4）低浓差极化。通常，浓差极化现象分为外部浓差极化现象和内部浓差极化现象。对于正渗透过程，外部浓差极化现象是由于在半透膜附近的提取液浓度被稀释导致提取液与原料液有效浓度差减小，降低了正向渗透效率；对于反渗透过程，外部浓差极化现象是由于在半透膜附近的提取液浓度大于提取液整体浓度，在提取液一侧外加压力不变的情况下，这相当于减少了有效压差，降低了反向渗透效率。外部浓差极化现象可以通过增加搅拌来缓解。内部浓差极化现象则与膜材料本身的性质和结构相关，内部浓差极化现象将降低提取液与原料液之间的有效浓度差，从而降低渗透效率。原则上膜材料越薄，内部浓差极化现象越弱。

（5）自我清洗机能。在渗透过程中，将污染物全部留在膜外部且不粘附在膜表面，以实现自我清洗机能，延长膜元件的使用寿命。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它具有极强的力学性能（强度130GPa），良好的热学稳定性（可以承受2300摄氏度的高温）和优异的化学、电化学稳定性。发明人发现，本发明的石墨烯材料的半透膜，能够有效地作为渗透中使用的选择透过性膜。

相对于传统的聚合物半透膜，本发明的纳米孔结构石墨烯半透膜的优势具体体现在以下几个方面：