专利名称：穿孔石墨去离子或脱盐的制作方法
穿孔石墨去离子或脱盐相关申请本申请要求于2010年8月25 日提交的题为“PERFORATED GRAPHENE DEIONIZATIONOR DESALINATION(穿孔石墨去离子化或脱盐)”的第12/868，150号美国专利申请的优先权，该美国申请的主题通过引用并入本文。
背景技术：
淡水资源变得越来越稀缺，许多国家都在寻求可将受到盐污染的水(最显著地为海水)转变成干净的饮用水的解决方案。用于水脱盐的现有技术分为四个大类，即蒸馏、离子过程、膜过程和结晶。这些技术中最有效和最常采用的是多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MEE)和反渗透(R0)。成本是所有这些方法的驱动因素，其中能量和资本成本均非常重要。RO和MSF/MEE技术均已得到了充分发展。当前，最佳的脱盐方案需要二至四倍的简单蒸发水所建立的理论最小能量极限，其中最小能量极限为3000焦耳/kg至7000焦耳/kg。蒸馏脱盐方法包括多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩、太阳能增湿和地热脱盐。这些方法共享一个共同的途径，即改变水的状态以进行脱盐。这些方法使用热转移和/或真空压力以使盐溶液蒸发。然后水蒸汽液化并且作为淡水被收集。离子过程脱盐方法集中于与溶液中的离子的化学和电作用。离子过程脱盐方法的示例包括离子交换、电渗析和电容去离子。离子交换将固态的聚合物或矿物离子交换剂引入盐溶液中。离子交换剂与溶液中的期望离子结合使得它们可以被容易地过滤掉。电渗析为一个使用阳离子和阴离子选择性膜和电势以建立淡水和盐水溶液的交替通道的过程。电容去离子使用电势以将带电离子拉离溶液，并且在允许水分子通过的同时捕获离子。膜脱盐过程通过使用过滤和压力从溶液移除离子。反渗透(RO)是广泛适应的脱盐技术，其向盐溶液施加压力以克服离子溶液的渗透压力。该压力在离子被捕获的同时推动水分离通过穿孔膜进入淡水隔间，从而产生高浓度的盐水溶液。压力为这些途径的驱动成本因素，因为需要克服渗透压力以捕获淡水。结晶脱盐基于晶体优先在不包括离子的情况下形成的现象。通过产生结晶的水(或者作为冰或者作为甲醇)，可将纯水与溶解的离子隔离开。在简单结冰的情况中，水被冷却至其冰点以下，由此形成冰。然后将冰融化以形成纯水。甲烷水合物结晶过程使用穿过盐水溶液以形成甲烷水合物的甲烷气体，该过程发生在比水结冰更低的温度处。甲烷水合物上升(方便分离)，然后被加热以分解成甲烷和脱盐的水。脱盐水被收集，而甲烷被回收。用于脱盐的蒸发和凝结通常被认为是能量高效的，但是需要集中热源。当在大范围中实现时，用于脱盐的蒸发和凝结通常与发电厂位于相同的位置，并且倾向于受到地理分布和大小的限制。电容去离子化未被广泛使用，可能是因为电容性电极易于与移除的盐缠绕并且需要频繁的服务。必需的电压倾向于取决于板之间的间隔和流速，并且该电压可能是危险的。反渗透(RO)过滤器广泛地用于水的净化。RO过滤器使用穿孔或半透的膜，该膜通常由醋酸纤维素或聚酰亚胺薄膜合成物制成并且通常具有Imm的厚度。这些材料是亲水的。膜常常螺旋缠绕成管状形状以便于操纵和膜的支撑。膜具有随机大小的孔洞分布，其中最大的孔洞足够小以允许水分子的通过但是禁止或阻止离子(诸如溶解在水中的盐)的通过。尽管典型的RO膜为Imm厚度，但是RO膜的固有随机结构限定水流过膜的长且曲折或弯曲的路径，并且这些路径的长度可能远大于I毫米。路径的长度和随机构造需要巨大压力以在表面处将水分子与离子剥离并克服渗透压力使水分子移动穿过膜。因此，RO过滤器是能量低效的。图1是RO模10的截面的概念图示。在图1中，膜10限定上游表面12和下游表面14，其中上游表面12面向上游离子水溶液16。将在上游侧示出的离子选择成带一个正电荷的纳(Na)和带一个负电荷的氯(Cl)。钠被显示为与四个溶解的水分子(H2O)相关联。每个水分子包括一个氧原子和两个氢(H)原子。用于水在图1的RO膜10中流过的路径之一 20被显示为从上游表面12处的孔洞20u延伸至下游表面14处的孔洞20d。路径20被显示为卷绕的，但是不可能示出典型路径的实际弯曲性质。而且，显示为20的路径可被期望与多个上游孔洞和多个下游孔洞相连。穿过RO膜10的路径不仅是卷绕的，而且当一些孔洞被不可避免的碎片阻塞时它们还可随时间而改变。期望存在替换的水脱盐或去离子化。
发明内容
分离布置将水与氯、钠和其它离子隔离。载有离子的水被施加至被尺寸被设置为使水分子通过并使最小的相关离子不通过的孔洞贯穿的至少一个石墨片。流过穿孔的石墨片的去离子的水被收集。未通过的离子可被清除。在其它实施方式中，载有离子的水被施加至被尺寸被设置为阻塞氯离子的孔洞贯穿的第一穿孔石墨片和被尺寸被设置为阻塞钠离子的孔洞贯穿的第二穿孔石墨片。积聚在第一穿孔石墨片和第二穿孔石墨片处的集中的氯和钠离子可分别被收集。用于对携带无用离子的水进行去离子的方法包括将石墨片贯穿多个孔洞以产生穿孔石墨的步骤，该多个孔洞被选择为允许水分子通过并禁止无用离子中的被选择的一种离子通过。作为替代，可提供进行如此穿孔的石墨片。对携带无用离子的水加压以形成加压的水。将加压的水施加至穿孔的石墨片的第一表面，从而水分子优先于离子流至穿孔石墨片的第二侧。从石墨片的第二侧收集水分子。在此方法的一个模式中，所选择的一种离子为氯，用于禁止氯离子通过的孔洞标称地具有9纳米直径，并且孔洞标称地间隔15纳米。在此方法的另一模式中，所选择的一种离子为钠，用于禁止钠离子通过的孔洞标称地具有6纳米直径，并且孔洞标称地间隔15纳米。该方法可包括通过加聚四氟乙烯网格的衬垫来加固穿孔的石墨片。用于对携带无用离子的水进行去离子的方法包括将第一石墨片贯穿多个孔洞以产生第一穿孔石墨片的步骤，这些孔洞的直径被选择为禁止无用离子中的被选择的第一种离子通过并允许载有无用离子中的被选择的第二种离子的水分子通过。将第二石墨片贯穿多个孔洞以产生第二穿孔石墨片，这些孔洞被选择为允许水分子通过并禁止无用离子中的被选择的第二种离子通过，第二穿孔石墨片的孔洞的直径小于第一穿孔石墨片的孔洞的直径。将第一穿孔石墨片和第二穿孔石墨片并列放置以形成并置片，并置片具有由第一穿孔石墨片限定的第一侧、由第二穿孔石墨片限定的第二侧和供液体在第一侧与第二侧之间流动的路径。将携带无用离子的水施加至并置片的第一侧，从而水分子优先于离子流过并置片和路径到达并置片的第二侧，由此产生名义上去离子的水分子。从并置片的第二侧收集名义上去尚子的水分子。水去离子装置包括被允许水分子流过和禁止特定类型的离子流过的孔洞贯穿的石墨片。提供载有特定类型的离子的水的源。提供用于载有特定类型的离子的水的流通过被孔洞贯穿的石墨片的路径。在此去离子装置的具体实施方式
中，清除布置连接至用于流的路径，用于将该流从被孔洞贯穿的石墨片转移走。分离器包括被尺寸被设置为允许水分子流过和禁止第一类型的离子流过的孔洞贯穿的第一石墨片、以及被尺寸被设置为允许水分子流过和禁止第二类型的离子流过的孔洞贯穿的第二石墨片，其中第二类型的离子小于第一类型的离子。提供载有第一类型和第二类型的离子的水的源。提供路径以将载有第一和第二类型的离子的流施加至被尺寸被设置为禁止第一类型的离子流过的孔洞贯穿的第一石墨片。结果，(a)第一类型的离子积聚在被尺寸被设置为禁止第一类型的离子流过的孔洞贯穿的第一石墨片的上游侧以及(b)载有第二类型的离子的水流过被尺寸被设置为禁止第一类型的离子流过的孔洞贯穿的第一石墨片，到达被尺寸被设置为禁止第一类型的离子流过的孔洞贯穿的第一石墨片的下游侦U。分离器还包括用于将载有第二类型的离子的水流施加至被尺寸被设置为禁止第一类型的离子流过的孔洞贯穿的石墨的上游侧。结果，(a)第二类型的离子积聚在被尺寸被设置为禁止第二类型的离子流过的孔洞贯穿的第二石墨片的上游侧以及(b)不包含第一和第二类型的离子的水流过被尺寸被设置为禁止第二类型的离子流过的孔洞贯穿的第二石墨片。连接收集布置以接收没有第一和第二类型的离子的水。可提供另外的收集布置用于分别收集离子积聚。
图1是现有技术反渗透(RO)过滤膜的截面的概念视图；图2是根据本公开的一方面的滤水器的概念视图，其中滤水器使用穿孔石墨片；图3是可在图2的布置中使用的穿孔石墨片的平面视图，其示出了多个孔洞的形状；图4是穿孔石墨片的平面视图，其示出了 6纳米直径的穿孔或孔洞和穿孔间尺寸；图5是可与图2的穿孔石墨片结合使用的衬片的平面视图；图6是根据本公开的多个方面的水去离子过滤器的概念视图，其中水去离子过滤器使用多个穿孔石墨片以分离集中的离子；以及图7是通常与图6的布置相对应的管道布置的简化图，其中穿孔石墨片螺旋形地缠绕和围绕在圆筒内。
具体实施例方式图2是根据本公开的一个示例性实施方式或方面的基本脱盐、脱盐化或去离子化装置200的概念视图。在图2中，通道210将载有离子的水输送至过滤膜212，过滤膜212安装在支撑室214内。载有离子的水例如可以是海水或微咸水。在一个示例性实施方式中，过滤膜212能够以已知的方式缠绕成螺旋形。流过图2的通道210的载有离子的水的流动力或压力可由罐216或泵218的重力提供。阀236和238允许选择载有离子的水源。在装置或布置200中，过滤膜212为穿孔石墨片。石墨是结合在一起以限定片310的具有单原子层厚的碳原子层(如图3所示)。单一石墨片的厚度近似为2纳米(nm)。可形成具有更厚厚度的多个石墨片。图3的石墨片的碳原子限定由六个碳原子构成的六角环形结构(苯环)，其形成碳原子的蜂窝晶格。间隙孔洞308由片中的每六个碳原子环结构形成，并且此间隙孔洞308跨度小于I纳米。此直径非常小以允许水或离子通过。为了形成图2的多孔石墨片212，制成一个或多个穿孔，如图3所示。典型的大体或名义上圆形的孔洞312被定义为通过石墨片310。孔洞312具有约6纳米的标称直径。6纳米直径被选择以阻塞一般预期存在于盐水或微咸水中的最小离子(钠离子)。大体圆形的孔洞312受到如下事实的影响，即孔洞的边缘部分地受限于石墨片310的六边形碳环结构。孔洞312可通过选择性的氧化制成，选择性的氧化意味着在氧化剂下暴露选择的时间段。相信孔洞312还可以通过激光钻孔制成。如在公开Nano Lett.2008、卷8、第7号、1965-1970页所描述的，最直接的穿孔策略是以升高的温度用氩中的稀释氧处理石墨膜。如此公开所描述的，使用I个大气压(atm)的氩中的350毫托氧在500°C下持续2小时在石墨中蚀刻20nm至ISOnm的通孔。该论文合理地建议孔的数量与石墨片中的缺陷相关并且孔的大小与停留时间相关。这被认为是在石墨结构中制造期望穿孔的优选方法。结构可以是石墨纳米片和石墨纳米带。因此，期望范围的孔洞可通过较短的氧化时间形成。如在D01:
10.1021/nl9032318Nano Lett.XXXX, xxx,000-000]描述的另一种更相关的方法利用自组装聚合物，该自组装聚合物使用反应离子蚀刻制造适于构图的掩膜。P (S-blockMMA)块共聚物形成PMMA柱阵列，PMMA柱阵列在重建时形成用于RIE的通孔。孔的图案非常密集。孔的数量和尺寸受PMMA块的分子重量和P (S-MMA)中PMMA重量百分率的控制。任一种方法都能够生产穿孔的石墨片。如上所述，图3的石墨片310具有单个原子的厚度。因此，该片往往较柔软。石墨片的柔软性可通过向片212应用衬垫结构得到改善。在图2中，穿孔石墨片212的衬垫结构显示为220。该实施方式中的衬垫结构220为穿孔的聚四氟乙烯(有时称为聚四氟乙烷)片。衬片的厚度例如可以为I毫米(mm)。应注意，在图2的装置或布置中，通过路径210向穿孔膜212施加的载有离子的水的压力可由来自罐216的重力提供，由此强调装置200的一方面。也就是说，RO膜、形成穿孔膜212的穿孔石墨片312是疏水性的，并且穿过穿透的孔洞(图3A的312)的水不受到归因于变湿的引力的影响。而且，如上所述，通过石墨片310中的孔洞312的流动路径的长度等于片的厚度，即约2nm。此长度远小于延伸通过RO膜的随机路径的长度。结果，需要非常小的压力来提供流体流动，或者相反地，在给定压力下的流动在穿孔的石墨片310中大得多。这又转化成用于离子分离的低能量需求。相信，RO膜中所需的迫使水克服渗透压力通过膜的压力包括导致对膜加热的摩擦分量。因此，必须施加至RO膜的一些压力未用于克服渗透压力，而是变成热。仿真结果表明，穿孔石墨片减少了至少五分之一的所需压力。因此，在RO膜可能需要位于上游侧的40磅/平方英寸(PSI)的压力以实现具体离子浓度的去离子的水的具体流动的情况下，对于相同流速的穿孔石墨片可能需要8PSI或更小。如上所述，图2的石墨片212 (或等同地图3的石墨片310)中的穿孔312的尺寸被设定为不允许预期存在于源水中的最小离子通过。因此，大小等于或大于最小离子的任何离子将不通过穿孔的石墨片212，并且预期这种离子可能积聚在石墨片支撑室214的上游侧226。这种离子在上游“室” 226的积聚被称为“沉淀”，并且将最终减少水通过穿孔石墨片212的流动，由此倾向于致使其对去离子化无效。如图2所示，提供其它路径230和排出阀232以允许沉淀物的清除和排放。因此，图2的装置或布置的操作可处于“分批”模式。分批操作的第一模式在载有离子的水通过路径210且排出阀232关闭以防止流动时发生。载有离子的水填充支撑室214的上游侧226。水分子被允许流过图2的穿孔石墨片212和衬片220到达支撑室214的下游侧227。因此，去离子的水积聚在下游部分227 —段时间，并且可通过路径222排放至被显示为罐224的捕获容器内。最终，离子在支撑室的上游部分226的积聚或集中将倾向于减少水通过穿孔石墨片212的流动。为了清除积聚在上游室或侧226的集中的离子/水混合物，阀232被打开，从而在上游部分226重新填充有来自罐216或泵218的载有离子的水的同时允许集中的离子/水混合物被清除。然后阀232关闭，并且另一个过滤周期开始。因此导致去离子水的产生以及去离子水在容器224内的积聚。图4是具有多个穿孔(诸如图3的穿孔)的石墨片的图示。图4的片限定了(3、4或5)个孔洞。原理上，流速将与孔洞密度成正比。随着孔洞密度的增大，通过孔洞的流可变成“湍流”，这可能对给定压力下的流带来不利影响。而且，随着孔洞密度的增大，基础石墨片的强度可能局部地减小。对6纳米孔洞而言，孔洞中心之间的间距为15纳米的值被认为是接近最优。图5是可与图2的石墨片一起使用的衬片结构的简化图示。在图5中，衬片220由聚四氟乙烯(也称为聚四氟乙烷)的细丝520制成，这些细丝520被布置成规则的网格并且在它们的交错处结合或熔合。如同穿孔的石墨片，衬片的尺寸应该尽可能大以用于最大流，并与足够的强度相称。被定向在相同方向的相互相邻的细丝520之间的间距可标称地为lOOnm，并且细丝可具有40nm的标称直径。石墨片的抗张强度很大，因此衬片中的相对大的未支撑区域应该没有问题。图6是根据本公开的另一实施方式或方法的去离子或脱盐装置600的概念视图，在装置600中使用多层具有不同穿孔的石墨片。在图6中，与图2对应的元件由相似的参考字母数字表示。在图6的支撑室614内，上游穿孔石墨片612a和下游穿孔石墨片612b分别将室划分成三个容积或部分，即上游部分或室626a、下游部分或室626b和中间部分或室629。每个芽孔的石墨片612a和612b与衬片相关联。更具体地，芽孔的石墨片612a由片620a加衬，以及穿孔的石墨片612b由片620b加衬。穿孔的石墨片612a和612b的穿孔彼此不同。更具体地，上游石墨片612a通过被选择为不允许或禁止氯离子流过以及允许载有钠离子的水流过的孔洞612ac穿孔；这些孔洞的标称直径为9纳米。因此，具有大于9纳米的有效直径的氯离子不能通过穿孔的石墨片612a，而是保留在上游部分或室626a中。载有钠离子的水可流过穿孔的石墨片612a进入中间室629。下游穿孔的石墨片612b通过被选择为不允许钠离子流过并且不允许水分子流过的孔洞612bs穿孔；这些孔洞的标称直径为6纳米。因此，有效直径大于9纳米的氯离子不能穿过穿孔的石墨片612的孔洞612ac，但是载有钠离子的水能够穿过穿孔的石墨片612a的孔洞612ac进入中间室629。氯离子不能穿过下游穿孔的石墨片612b，因此留在或积聚在中间部分或室629中。至少没有氯离子和钠离子的水分子(H2O)能够从中间部分或室629流过穿孔的石墨片612b的孔洞612bs并且流入下游部分或室627a，从这里开始可通过路径222和收集容器224收集去离子的水。如同图2的去离子布置200，图6的装置或布置600在去离子操作期间积聚或集中离子。然而，不同于图2的装置或布置，去离子装置600产生至少部分分离的离子集中。更具体地，通过载有氯离子和钠离子的水的流动，装置600的上游部分或室626a积聚主要由氯离子构成的淤积物集中，并且中间部分或室629积聚主要为钠离子的集中。这些集中的离子可分别由清除连接630a和630b和它们的清除阀632a和632b的选择性控制进行分离地提取。更具体地，阀632a可被打开以允许集中的氯离子从上游部分或室流至被示为罐634a的收集容器，并且阀632b可被打开以允许集中的钠离子从中间部分或室629流至被示为罐634b的收集容器。理想地，清除阀632a在中间部分或罐629的清除开始之前关闭，从而在穿孔的石墨片612a上维持一些压力以提供水流过穿孔的石墨片612a来帮助从中间室629冲洗富有钠离子的淤积物。清除阀632a和632b在进行去离子之前关闭。清除和收集的集中的离子(转换成固体形式的钠和转换成气体形式的氯)具有经济价值。应该注意，海水包含足够量的铍盐，并且这些盐如果优先集中则对制药产业而言具有催化剂的价值。在图6中还示出了分别联通于流动路径658与上游部分或室626a之间和流动路径658与中间部分或室626b连通的错流阀654a和654b。载有离子的未过滤的水201可通过开放的阀652引导至流动路径658，或者去离子的水202可通过操作泵660从罐224提供。从泵660,去离子的水通过止回阀656流至路径658。分别打开错流阀654a和654b同时关闭清除阀632a和632b以帮助从室清除淤积物。图7是根据本公开的一方面的去离子或离子分离布置的简化示意图。与图6的元件对应的图7的元件由相似的参考字母数字标出。在图7中，穿孔的石墨片612a和612b被卷成或螺旋缠绕成圆筒形，并且分别插入到如712a和712b所示的壳体中，如RO膜技术领域所公知。本领域技术人员将理解，除了氯和钠以外的离子可通过选择性穿孔的石墨片从水移除。用于对携带有无用离子的水(201)进行去离子的方法包括将石墨片(310)贯穿出多个孔洞(诸如312)，从而生成穿孔的石墨烯(212)，该多个孔洞被选择为允许水分子通过并禁止所选择的无用离子中的一种(例如，Na)通过。作为替换，可提供如此穿孔的石墨片。携带有无用离子的水(201)被加压(216，218)以生成加压的水。加压的水被施加至穿孔的石墨烯(212)的第一表面(212u)，使得水分子优先于离子流至穿孔的石墨片的第二侧(212d)。水分子(202)在石墨片的第二侧(212d)处被收集。在此方法的一个模式中，这些离子中的所选择的一种离子为氯，用于剔除氯离子的孔洞标称地具有9纳米的直径，并且这些孔洞标称地间隔15纳米。在此方法的另一模式中，这些离子中的所选择的一种离子为纳，用于剔除钠离子的孔洞标称地具有6纳米的直径，并且这些孔洞标称地间隔15纳米。该方法可包括用衬垫(220)加固穿孔的石墨片(212)的步骤，衬垫(220)可以是聚四氟乙烯网格(520)。用于对携带无用离子的水(201)进行去离子的方法包括将第一石墨片(612a)贯穿多个孔洞(312)，由此产生第一穿孔石墨片(612a)，孔洞(312)的直径被选择为禁止所选择的无用离子中的第一种离子(例如，氯)通过并允许载有所选择的无用离子中的第二种离子(例如，钠)的水分子通过。将第二石墨片(612b)贯穿多个孔洞，由此产生第二穿孔石墨片(612b)，这些孔洞的直径被选择为允许水分子通过并禁止所选择的无用离子中的第二种离子通过，其中第二穿孔石墨片的孔洞的直径小于第一穿孔石墨片的孔洞的直径。第一穿孔石墨片(612a)和第二穿孔石墨片(612b)并列放置，从而形成并置片，该并置片具有由第一穿孔石墨片(612a)限定的第一侧和由第二穿孔石墨片(612b)限定的第二侧以及供液体在二者之间流动的路径(629)。携带有无用离子的水被施加至并置片的第一侧(612a)，使得水分子优先于离子流过并置片(612a)和路径(619)到达并置片的第二侧，由此产生名义上的去离子水。从并置片的第二侧(612b)收集名义上的去离子水分子。水去离子装置包括被孔洞(312)贯穿的石墨片(212)，孔洞(312)的尺寸被设计为允许水分子流过并禁止特定类型的离子(例如，钠)流过。提供载有特定类型的离子的水的源。提供路径(210、226、227)用于载有特定类型的离子的水流过被孔洞(312)贯穿的石墨片(212)。在这种去离子装置的具体实施方式
中，清除布置(220，232)连接至用于流的路径以从被孔洞(212)贯穿的石墨片转移流。分离器(600)包括第一石墨片和第二石墨片，第一石墨片具有尺寸被设置为允许水分子流过并禁止第一类型的离子(612a)流过的孔洞，第二石墨片具有允许水分子流过并禁止第二类型的离子(612b)流过的孔洞，其中第二类型的离子(Na)小于第一类型的离子(Cl)。提供载有第一类型和第二类型的离子的水(201)的源(210，216，218)。提供路径(210，626a)以将载有第一和第二类型的离子的水(201)的流施加至由尺寸被设置为禁止第一类型的离子(612a)流过的孔洞贯穿的第一石墨片。结果，(a)第一类型的离子(Cl)积聚在由尺寸被设置为禁止第一类型的离子(626a)流过的孔洞贯穿的第一石墨片的上游侧(626a)以及(b)载有第二类型的离子(Na)的水流过由尺寸被设置为禁止第一类型的离子(626a)流过的孔洞贯穿的第一石墨片，到达尺寸被设置为禁止第一类型的离子(612a)流过的孔洞贯穿的第一石墨片的下游侧(629)。分离器(600)还包括用于将载有第二类型的离子的水流施加至由尺寸被设置为禁止第一类型的离子(612b)流过的孔洞贯穿的石墨的上游侧。结果，Ca)第二类型的离子积聚在由尺寸被设置为禁止第二类型的离子(612b)流过的孔洞贯穿的第二石墨片的上游侧(629)以及(b)没有第一和第二类型的离子的水流过由尺寸被设置为禁止第二类型的离子(612b)流过的孔洞贯穿的第二石墨片。连接收集布置(222,224)以接收没有第一和第二类型的离子(202)的水。可提供另外的收集布置(630a，632a，634a ；630b,632b,634b)以单独收集离子的积聚。
权利要求
1.对携带无用离子的水进行去离子的方法，所述方法包括如下步骤: 提供具有被选择为允许水分子通过并禁止所述无用离子中的被选择的一种离子通过的多个孔洞的第一石墨片以产生穿孔石墨片； 对所述携带无用离子的水加压以产生加压的水； 将所述加压的水施加至所述穿孔石墨片的第一表面，使得水分子优先于离子流动至所述穿孔石墨片的第二侧；以及 从所述穿孔石墨片的第二侧收集所述水分子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述无用离子中的被选择的一种离子为氯，并且用于禁止氯离子通过的所述孔洞标称地为9纳米。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述孔洞标称地间隔十五纳米。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述无用离子中的被选择的一种离子为钠，并且用于禁止钠离子通过的所述孔洞标称地为6纳米。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述孔洞标称地间隔十五纳米。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述无用离子中的被选择的一种离子为氯，并且用于禁止氯离子通过的所述孔洞标称地为12纳米。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述孔洞标称地间隔十五纳米。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括加固所述穿孔石墨片的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述加固步骤包括加衬垫的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述加衬垫的步骤包括通过网格加衬垫的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述网格的材料为聚四氟乙烯。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供具有被选择为允许水分子通过并禁止所述无用离子中的被选择的一种离子通过的多个孔洞的第一石墨片以产生穿孔石墨片的步骤包括以下步骤: 将氧化剂施加至所述石墨片的至少一部分以产生所述孔洞。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤: 在施加氧化剂之前，遮蔽所述石墨的不需要所述孔洞的部分。
14.对携带无用离子的水进行去离子的方法，所述方法包括: 提供被多个孔洞贯穿的第一穿孔石墨片，所述多个孔洞的直径被选择为禁止所述无用离子中的被选择的第一种离子通过并允许载有所述无用离子中的被选择的第二中离子的水分子通过； 提供被多个孔洞贯穿的第二穿孔石墨片，所述多个孔洞被选择为允许水分子通过并禁止所述无用离子中的被选择的第二中离子通过，所述第二穿孔石墨片的孔洞在直径上小于所述第一穿孔石墨片的孔洞； 将所述第一穿孔石墨片和所述第二穿孔石墨片并列放置以形成并置片，所述并置片具有由所述第一穿孔石墨片限定的第一侧、由所述第二穿孔石墨片限定的第二侧、以及供液体在所述第一侧与所述第二侧之间流动的路径；以及 从所述并置片的第二侧收集名义上去离子的水分子。
15.根据权利要求14所述的方法，其中提供第一穿孔石墨片和提供第二穿孔石墨片的步骤均包括将氧化剂施加至未穿孔的石墨片的表面的步骤。
16.水去离子装置，包括: 被孔洞贯穿的石墨片，所述孔洞的尺寸被设置为允许水分子流过并禁止特定类型的离子流过； 载有所述特定类型的离子的水的源；以及 用于载有所述特定类型的离子的水的流穿过被孔洞贯穿的所述石墨片的路径。
17.根据权利要求16所述的去离子装置，还包括清除布置，所述清除布置联接至用于所述流的所述路径，用于将所述流从所述被孔洞贯穿的石墨片转移走。
18.分离器，包括: 第一石墨片，被尺寸被设置为允许水分子流过并禁止第一类型的离子流过的孔洞贯穿； 第二石墨片，被尺寸被设置为允许水分子流过并禁止第二类型的离子流过的孔洞贯穿，其中所述第二类型的离子小于所述第一类型的离子； 载有所述第一类型的离子和所述第二类型的离子的水的源； 用于将载有所述第一类型的离子和所述第二类型的离子的水的流施加至被尺寸被设置为禁止所述第一类型的离子流过的孔洞贯穿的第一石墨片的路径，依靠所述路径，(a)所述第一类型的离子积聚在被尺寸被设置为禁止所述第一类型的离子流过的孔洞贯穿的所述第一石墨片的上游侧并且(b)载有所述第二类型的离子的水流过被尺寸被设置为禁止所述第一类型的离子流过的孔洞贯穿的所述第一石墨片，并到达被尺寸被设置为禁止所述第一类型的离子流过的孔洞贯 穿的所述第一石墨片的下游侧； 用于将载有所述第二类型的离子的水的流施加至被尺寸被设置为禁止所述第一类型的离子流过的孔洞贯穿的所述石墨片的上游侧的路径，依靠所述路径，(a)所述第二类型的离子积聚在被尺寸被设置为禁止所述第二类型的离子流过的孔洞贯穿的所述第二石墨片的上游侧并且(b)不含有所述第一类型的离子和所述第二类型的离子的水流过被尺寸被设置为禁止所述第二类型的离子流过的孔洞贯穿的所述第二石墨片；以及 连接布置，被联接以接收不含有所述第一类型的离子和所述第二类型的离子的水。
19.根据权利要求18所述的去离子装置，还包括离子收集布置，所述离子收集布置被联接以接收所述第一类型的离子和所述第二类型的离子中的一种的积聚。
全文摘要
分离布置将水与氯、钠和可能的其它离子隔离。载有离子的水被应用至具有使水分子通过和使最小的相关离子不通过的孔洞的至少一个穿孔的石墨片。流过穿孔的石墨片的去离子的水被收集。未通过的离子可被清除。在其它实施方式中，载有离子的水被应用至具有阻塞氯离子的孔洞的第一穿孔的石墨片和具有阻塞钠离子的孔洞的第二穿孔的石墨片。积聚在第一穿孔的石墨片和第二穿孔的石墨片处的集中的氯和钠离子可分别被收集。
文档编号B01D61/00GK103153441SQ201180049184
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月15日 优先权日2010年8月25日
发明者约翰·B·斯特森, 乔纳森·莫克里奥, 艾伦·罗森温克, 彼得·V·拜德沃斯 申请人:洛克希德马丁公司