[发明专利]一种具有多孔碳膜的过滤组件和过滤装置及应用

说明书

本发明公开了一种过滤组件和过滤装置及应用，其包括一层或多层具有相互连接的多孔开放网络结构的多孔碳膜，其中的孔洞是通过从碳化后的包含碳和有特定尺寸的无机颗粒的前驱体膜中移除具有特定尺寸的无机颗粒形成。本发明的过滤组件或过滤装置适用于纳米颗粒、病毒、细菌等纳米、亚微米尺寸颗粒的过滤，并可根据颗粒大小选择过滤孔洞尺寸，适用于多种过滤工艺。另外，本发明的过滤组件或过滤装置由相对低成本的原材料制备，具有工艺简单、高机械强度、高导电性、高孔隙率、连续纳米孔、孔控制取向和易于大规模生产等优点。

要求优先权

本专利申请案主张2018年8月6日申请的发明名称为“应用了纳米多孔碳膜的过滤组件（FILTRATION USING NANOPOROUS CARBON MEMBRANES）”的美国临时案（申请号为US/2018.62715085）的优先权益，在此通过翻译将其整体并入本申请中。

技术领域

本发明涉及一种过滤组件和过滤装置，具体涉及多孔碳膜（本申请中也称为膜）作为过滤材料的应用以及包含一层或多层这样的多孔碳膜的过滤设备；属于过滤技术领域。

背景技术

过滤，是使液固或气固混合物中的流体强制通过多孔性过滤介质，将其中的悬浮固体颗粒加以截留，从而实现混合物的分离，是一种属于流体动力过程的单元操作。随着技术的发展，近些年发展了一种精密分离技术——膜过滤，可以实现分子级过滤，它是利用膜孔隙的选择透过性进行两相分离的技术。以膜两侧的压力差为推动力，使溶剂、无机离子、小分子等透过膜，而截留微粒及大分子。膜过滤技术正开始在各种设备中频繁使用，尤其是在气液过滤网这样的设备中。

膜过滤器的核心原件是滤膜，这是一种制备在微孔承托层(支撑体) 上的布满更微小孔隙的薄膜。制作滤膜的材料有很多，分为有机膜(如聚砜中空纤维膜) 和无机膜。滤膜作为过滤原件，其结构特点是滤层非常薄，因而它的过滤机理主要是筛除作用，吸附效应很小。因此，膜过滤器的过滤精度较高，粒径控制比较稳定，而且反冲洗容易恢复性能。不过如果水中含有油的话，则很容易堵塞而且不易反洗。国内外许多研究者曾基于陶瓷材料的亲水性质而寄希望于用陶瓷膜处理采出水，但经过研究后，普遍认为膜污染问题仍然很难解决。

具有纳米结构碳素材料已被广泛研究，并被广泛使用。这是因为其具有下列优点：低比重，良好的导电性，高表面积，易于表面改性，以及适用于大规模生产。这类材料有碳黑，碳纳米管，碳纳米纤维，有序介孔碳等等。多孔的胶体印制碳（colloid-imprintedcarbon, CIC）粉末也已经被制备，其具有窄的孔径分布和三维连通的纳米孔。这些纳米材料被应用到许多方面，诸如电化学装置，包括电池，电容器和燃料电池。大多数这些碳材料仅能以粉末形式获得，限制了它们的应用范围。个体纳米多孔碳颗粒的取向不一，影响了通过纳米孔的传质，也使产品性能的重现性较差。另外，颗粒物污染已被视为一个日益严重的问题，使用碳粉末可能引起健康方面的顾虑。如果能够将纳米结构的碳素材料在过滤技术领域加以应用，必将带动行业的更好发展。

现有技术中的膜过滤器的核心原件滤膜主要依赖于外购，存在尺寸范围不可调、孔密度不可控等问题，膜污染后无法有效及时地清楚，影响了过滤效果。鉴于上述原因，有必要对膜过滤器进行更多深入的研究。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种具有纳米多孔碳膜的过滤组件或过滤装置，同时还公布了其应用方向。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种具有多孔碳膜的过滤组件，包括一层或多层多孔碳膜，所述多孔碳膜内具有开放网络且相互连接的孔道结构，所述孔道结构是通过从碳化后的无孔前驱体膜中移除无机颗粒而形成的。

优选地，前述至少有一层多孔碳膜孔道结构的孔径为2nm~100nm；更优选地，所述多孔碳膜内还形成有小于2nm或0.1μm~100μm之间的孔。