[发明专利]水过滤

说明书

本发明涉及物理约束的氧化石墨烯层压膜。物理约束限制了层压体中毛细管的尺寸，允许它们针对特定的应用被定制。本发明还涉及使用所述膜净化水的方法和制备所述膜的方法。

本发明涉及物理约束的氧化石墨烯层压膜。本发明还涉及使用所述膜净化水的方法和制备所述膜的方法。

背景

从水中去除溶质在许多领域中都有应用。

这可以采取净化用于饮用或用于灌溉庄稼的水的形式，或者可以采取净化来自工业的废水的形式，以防止环境破坏。用于水净化的应用的示例包括：从海水中去除盐，用于饮用水或用于工业中使用；净化苦咸水；从已经参与核浓缩、核发电或核清理的水(例如，参与前核电站拆除或核事故后的水)中去除放射性离子；在工业废水进入水系统之前，从工业废水中去除对环境有害的物质(例如，卤化有机化合物、重金属、氯酸盐和高氯酸盐)；以及从受污染或可疑的饮用水中去除生物病原体(例如，病毒、细菌、寄生虫等)。

在许多工业环境(例如核工业)中，通常期望使工业废水中的危险的或其它方式不期望的溶质与有价值的(例如稀有金属)溶质分离，以便有价值的溶质能够被回收以及再利用或出售。

石墨烯被认为对所有气体和液体都是不可渗透的。由氧化石墨烯制成的膜对大多数液体、蒸汽和包括氦的气体都是不可渗透的。然而，一项学术研究已示出，令人惊讶的是，包括富氧官能团的具有约为1μm的厚度的氧化石墨烯膜对水是可渗透的，尽管它们对氦是不可渗透的。这些氧化石墨烯片允许水不受阻碍地渗透(比He快10¹⁰倍)(Nair等人，Science，2012，335，442-444)。这样的GO层压体(laminates)作为潜在的过滤或分离介质特别有吸引力，因为它们易于制造，机械强健的，并且对工业规模生产没有主要障碍。

Sun等人(Selective Ion Penetration of Graphene Oxide Membranes；ACSNano 7,428(2013))描述了氧化石墨烯膜的选择性离子渗透，其中氧化石墨烯是通过蠕虫状石墨(wormlike graphite)的氧化形成的。膜是自立式的(freestanding)，因为它们与载体材料不是相关联的。所得氧化石墨烯相比于由天然石墨制备的氧化石墨烯包含更多的氧官能团，并且由这种材料形成的层压体具有褶皱的表面形貌。这样的膜不同于本发明的膜，因为它们没有示出小离子的快速离子渗透，并且还显示出基本上与化学和静电相互作用相关而不是与离子尺寸相关的选择性。

这项研究发现钠盐快速渗透通过GO膜，而重金属盐渗透得慢得多。归因于它们与GO膜的强的相互作用，硫酸铜和有机污染物，诸如罗丹明B，完全被阻断。根据这项研究，离子或分子渗透通过GO主要由离子或分子与GO片中存在的官能团之间的相互作用来控制。作者评论道，GO膜的选择性不能仅仅通过基于离子半径的理论来解释。他们测量了不同渗透溶液的电导率，并用该值来比较不同的盐的渗透速率。用于测量电导率的电势可影响离子渗透通过膜。

其他出版物(Y.Han,Z.Xu,C.Gao.Adv.Funct.Mater.23,3693(2013)；M.Hu,B.Mi.Environ.Sci.Technol.47,3715(2013)；H.Huang等人，Chem.Comm.49,5963(2013))已经报导了GO层压体的过滤性质，并且，尽管由于不同的制造和测量程序，结果差异很大，但他们报告了具有吸引力的特性，包括大的水通量(water flux)和用于某些盐的显著排斥率(rejection rate)。不幸地，大的有机分子也被发现穿过这样的GO过滤器。后一种观察结果是令人失望的，并将极大地限制人们对GO层压体作为分子筛的兴趣。在这方面，我们注意到这些研究的重点在高水速率(high water rate)上，该高水速率与用于工业脱盐的速率是可比较的或者超过用于工业脱盐的速率。因此，施加高水压并有意制备尽可能薄的、10-50nm厚的GO膜。这可能是这样薄的叠层包含孔和裂缝(有些在施加压力后会出现)，通过这些孔和裂缝甚至大的有机分子也可以渗透。