一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜的制作方法

文档序号:16250624发布日期:2018-12-12 00:00阅读:145来源:国知局
一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜的制作方法

本发明涉及滤膜领域,具体地说是一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜。

背景技术

过滤用膜,简称滤膜,在工业和日常生活中具有重要应用,它可用于滤出固体颗粒、杂质,净化液体,也可用于滤出细菌、大分子物质,或者用于实现两种液体的分离。日常生活中,滤膜可用于净化饮用水,净化各种饮料,也可用于滤出海水中的杂质、各种离子,实现海水净化。现有的常用过滤方法和手段有:

一、活性炭过滤

活性炭是一种用途极广的工业吸附剂,它是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料,通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。活性炭的吸附性源于其独特的分子构造,活性炭的内部有很多孔隙,每克活性炭的内部孔隙如果铺展开来可达到500~1700平方米,正是这种独特的内部构造,使得活性炭具有优异的吸附能力。活性炭过滤时,由于其多孔性可吸附各种液体中的微细物质,常用于水处理中的脱色、脱臭、脱氯、去除有机物及重金属、去除合成洗涤剂、细菌、病毒及放射性等污染物质,也常用于废水的三级处理。

活性炭过滤的常见应用范围:(1)用于水处理设备过滤、污水处理、中水回用等等。广泛应用于化工、食品、医药、电子光伏等。(2)用于要求出水浊度≤5mg/l能符合饮用水质标准的工业用水、生活用水及市政给水系统。(3)工业污水中的悬浮物、固体物的去除。(4)可用作离子交换法软化、除盐系统中的预处理设备,对水质要求不高的工业给水的粗过滤设备。(5)用在游泳池循环处理系统、冷却循环水净化系统等。活性炭过滤的优缺点:优点:活性炭价格较便宜,活性炭过滤成本较低,能满足普通工业和日常生活常见的过滤需求,耐压,耐热,性价比较高。缺点:活性炭的孔隙较大,难以实现精细过滤,不能滤出微米级和纳米级大小的物质,常用于粗过滤。

二、微孔膜过滤

微孔膜上密密麻麻均布着各个微细孔,这种孔的直径通常在0.1微米和100微米之间。因此,微孔膜可以滤除液体、气体的0.1um以上的微粒和细菌,它有过滤精度高、过渡速度快、吸附少、无介质脱落、耐酸碱腐蚀、操作方便等优点。现已广泛用于医药、化工、电子、饮料、果酒、生化水处理、环保等工业的必需设备。

常用的微孔膜滤芯有:聚四氟乙烯膜(ptfe)滤芯,聚偏膜(pvdf)滤芯,聚丙烯膜(pp)滤芯,醋酸纤维膜(cn-ca)滤芯,尼龙(pn6)滤芯,合金钛棒,线绕滤芯,熔喷滤芯,pa/pe烧结滤芯。这些滤芯特点是:体积小、重量轻、使用方便、过滤面积大、堵塞率低、过滤速度快、无污染、热稀稳定性及化学稳定性好,能滤除绝大部分微粒,广泛应用于精滤和除菌工艺。

微孔膜过滤的缺点:相比于纳米孔滤膜,微孔膜上过滤用孔的直径仍偏大,虽然能满足日常工业和生活中许多精滤要求,但不能用于过滤极细小的物质如血液净化、蛋白质中病毒分离、液体中离子滤除、水的超级净化等。

三、滤袋过滤

微米级液体过滤袋采用优质滤料制作而成,可有效清除液体中需要清除的固态物质。液体在通过微米级滤袋时,所含杂质被精确地捕捉于滤袋深层,完成过滤过程。过滤材质:根据所过滤溶液不同,滤材可选择pe毡或pp毡,也可选用尼龙单丝、涤纶单丝等滤料,从而广泛应用于高低不同温度、酸碱不同环境中。

与微孔膜过滤类似,滤袋过滤的缺点是:滤袋上过滤用孔的直径仍偏大,虽然能满足日常工业和生活中许多精滤要求,但不能用于过滤极细小的物质如血液净化、蛋白质中病毒分离、液体中离子滤除、水的超级净化等。

四、纳米孔滤膜过滤

为了过滤极细小物质、分离病毒、分离大分子有机物等,就必需采用纳米孔滤膜过滤。相比于微孔滤膜,纳米孔滤膜上的孔要小得多,其直径处于纳米量级,常小于被滤杂质的分子尺寸,因此常用于超精细过滤,可将杂质、细菌、病毒、有机大分子等彻底滤除。纳米孔滤膜上的孔常为圆柱孔、圆锥孔。为提高这种滤膜渗透性,也有采用两层滤膜,上层为纳米孔滤膜,下层为微孔滤膜。也有人开发出极薄的单分子层纳米孔石墨烯滤膜,这种滤膜的渗透性较好。

虽然纳米孔滤膜的过滤能力强,但由于滤孔极小,这种膜的渗透性较差,它的过滤效率比较低,而且这种膜很薄,膜的机械强度也常面临挑战,不耐高压、高温。过滤能力、渗透性和机械强度在纳米孔滤膜上很难同时良好地实现;满足了其中一种性能,必然要降低其余性能。

五、液体-液体分离过滤

日常生活和生产中常需要将两种混合在一块的液体分离开,实现液体-液体分离过滤。以往,液体-液体分离净化常用的手段有:

(1)重力分离:适用于密度相差较大又互不混溶的两种液体。在两种液体密度相差较大情况下,密度较大的液体会沉积在底层,而密度较小的液体会浮在上层,这样就能实现两种液体的分离。

(2)离心力分离:适用于密度相差较大又互不混溶的两种液体。利用转鼓高速旋转产生的强大离心力场,使密度不同又互不混溶的两种液体混合物达到分离的目的。

(3)萃取:适用于溶解度不大两种混溶的液体。用另一种溶剂从这两种液体的混合物中提取溶质。前提条件是:两种溶剂不互溶,溶质在两种溶剂中的溶解度相差很大。

(4)蒸馏:适用于沸点差别较大又互相溶解的两种液体。通过加热使沸点较低的那种液体蒸发,实现这两种液体的分离。

液体-液体分离过滤是过滤中较难的一项技术难题。上述介绍的常用的液体-液体分离手段都限于两种特定的物性相差较大的液体,比如密度相差大且互不溶解,或沸点相差大,或溶质在两种溶剂中的溶解度相差大。日常生活或生产中混在一起的两种液体往往不具备这些条件,分离净化这些液体就面临较大的技术难题。比如,密度相差不大又互相溶解、沸点相近的两种液体混在一起,如何分离这两种液体是上面介绍的常规手段不能解决的。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜,解决现有技术中只限于分离两种特定的物性相差较大的液体而难以分离密度相差不大又互相溶解、沸点相近的两种液体这种技术难题。

本发明的技术解决方案是:

一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜,如图1(a)和图1(b)所示,在一层固体材料(1)里制造有许多个均匀分布的树状结构的通孔,每个树状结构的通孔包括一个主干孔(7)、一个中间孔(2)和四个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6),所有这些孔均为圆柱孔,所有这些孔的表面材料均相同,分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6)在中间孔(2)的同一横截面处与中间孔(2)连通,待分离的几种液体混在一起而成的混合物中的一种液体与主干孔(7)表面间的物理吸附弱,液体混合物中的其余液体与主干孔(7)表面间的物理吸附强,这里的液体与主干孔(7)表面间强物理吸附指使主干孔(7)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(7)直径不小于30nm的液体与主干孔(7)表面间的物理吸附,这里的液体与主干孔(7)表面间弱物理吸附指使主干孔(7)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(7)直径不大于10nm的液体与主干孔(7)表面间的物理吸附;分支孔(3)半径rb,1取为(0.1~0.2)rcr,这里rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径;中间孔(2)的中心线和它的每一个分支孔的中心线之间所夹的锐角均为θ,各分支孔均为滤孔,各分支孔半径均为rb,1,各分支孔长度均为l1,各分支孔长度l1尽可能小以减小滤孔的流动阻力,l1的值满足滤孔强度要求即可。

中间孔(2)用来搜集从它的四个分支孔里流出的液体,中间孔(2)的半径rb,2比它的分支孔半径rb,1要大,中间孔(2)半径rb,2根据它的分支孔半径rb,1通过下式计算确定:

这里,rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径,p为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤孔即分支孔(3)半径方向的平均密度,这个平均密度与有关,η为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤孔即分支孔(3)半径方向的等效粘度,这个等效粘度与有关,为描述与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤孔即分支孔(3)半径方向呈现的非连续介质效应的参数。中间孔(2)长度l2尽可能小,中间孔(2)长度l2满足中间孔(2)强度要求即可。

主干孔(7)用来减小被分离净化液体在固体材料(1)里的流动阻力和增大固体材料(1)的渗透能力,主干孔(7)半径rb,3由下式计算确定:

这里,λ0=(l1+l2)/(l1+l2+l3),l1为各分支孔长度,l2为中间孔(2)的长度,l3为主干孔(7)的长度,rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径,p为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向的平均密度,这个平均密度与有关,η为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向的等效粘度,这个等效粘度与有关,为描述与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。这种计算定出的主干孔(7)的半径rb,3使固体材料(1)对于与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体具有最大渗透能力。中间孔(2)和主干孔(7)的同心度公差不大于中间孔(2)的半径rb,2的五分之一。

固体材料(1)的厚度l根据固体材料(1)的机械强度要求确定。如图1(b)所示,中间孔(2)的分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6)均匀分布在固体材料(1)的表面的一个圆周上,该圆周的半径为rd,相邻分支孔在该圆周上的间距为δ1,δ1与rb,1的比值取值范围为:ks=δ1/rb,1=0.05~0.5,rd与rb,1的比值为:rd/rb,1=(4+2ks)/π,θ角由下式计算确定:θ=arcsin(rd/l1)。

主干孔(7)、中间孔(2)和四个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6)形成的树状结构的通孔在固体材料(1)的厚度方向贯穿固体材料(1),主干孔(7)用于减小与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在固体材料(1)里的流动阻力、增大固体材料(1)的渗透能力。在这样条件下,由于液体混合物中的一种液体与主干孔(7)表面间的物理吸附弱而液体混合物中其余液体与主干孔(7)表面间的物理吸附强,液体混合物中的液体在固体材料(1)中的流动阻力就相差很大,与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体就能顺利通过固体材料(1),而液体混合物中的其余液体则难以通过固体材料(1)。此固体材料(1)即为本发明所指的一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜。

进一步地,滤膜采用平面或曲面滤膜。

进一步地,滤膜的厚度处处相同或不相同。

进一步地,滤膜由石墨烯制造而成。

该种一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜,用一层固体材料制造滤膜,滤膜可以是平面滤膜,也可以是曲面滤膜。滤膜厚度可以处处相等,也可以是变化的。

本发明的有益效果是:

一、相比于传统液体-液体分离技术,本发明不要求液体混合物中的各液体密度相差大或沸点相差大,也不要求液体混合物中的各液体互不混溶,通过设计具有特定树状结构通孔的滤膜,使液体混合物中的液体在滤膜中的流动阻力相差很大,从而实现液体-液体分离;本发明滤膜不仅能实现液体-液体的分离过滤,还能满足过滤时的机械强度要求。

二、由于具备了中间孔(2),本发明滤膜的各分支孔、中间孔(2)和主干孔(7)更便于加工,本发明滤膜在制造工艺性上得到了显著改善。

三、本发明滤膜具有树状结构通孔数目多、分离过滤能力强、渗透性好、机械强度高、制造工艺性好的优点。

四、本发明滤膜用传统的纳米孔滤膜制造技术制造,成本低廉,对液体-液体的分离效果好;本发明滤膜在污水处理、油-油分离、生物、制药、石化、化工等领域中具有重要应用。

附图说明

图1(a)是本发明实施例一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜结构的主视图;图1(b)是本发明实施例一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜结构的左视图;

图2是当本发明滤膜用石墨烯制造、对水和机油混合物进行分离时实施例中主干孔(7)半径rb,3与分支孔(3)半径rb,1的比值rb,3/rb,1与分支孔(3)半径rb,1的关系曲线图;

图3是当本发明滤膜用石墨烯制造、对水和机油混合物进行分离时实施例中水和机油在本发明滤膜中的无量纲流动阻力if与滤孔即分支孔(3)半径rb,1的关系图。

图1(a)和图1(b)中:1-固体材料,2-中间孔,3-分支孔,4-分支孔,5-分支孔,6-分支孔,7-主干孔

其中,l1为各分支孔长度,l2为中间孔(2)的长度,l3为主干孔(7)的长度,l为固体材料(1)的厚度即本发明滤膜的厚度,θ为中间孔(2)的中心线和它的每一个分支孔的中心线之间所夹的锐角,rd为分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6)在固体材料(1)的表面的分布圆的半径,δ1为相邻分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆的圆周上的间距,rb,3为主干孔(7)的半径,rb,1为分支孔(3)的半径即滤孔半径,if为本发明滤膜的无量纲流动阻力。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

实施例的一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜,如图1(a)和图1(b)所示,在一层固体材料(1)里制造有许多个均匀分布的树状结构的通孔,每个树状结构的通孔包括一个主干孔(7)、一个中间孔(2)和四个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6),所有这些孔均为圆柱孔,所有这些孔的表面材料均相同,分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6)在中间孔(2)的同一横截面处与中间孔(2)连通,待分离的几种液体混在一起而成的混合物中的一种液体与主干孔(7)表面间的物理吸附弱,液体混合物中的其余液体与主干孔(7)表面间的物理吸附强,这里的液体与主干孔(7)表面间强物理吸附指使主干孔(7)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(7)直径不小于30nm的液体与主干孔(7)表面间的物理吸附,这里的液体与主干孔(7)表面间弱物理吸附指使主干孔(7)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(7)直径不大于10nm的液体与主干孔(7)表面间的物理吸附;分支孔(3)半径rb,1取为(0.1~0.2)rcr,这里rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径;中间孔(2)的中心线和它的每一个分支孔的中心线之间所夹的锐角均为θ,各分支孔均为滤孔,各分支孔半径均为rb,1,各分支孔长度均为l1,各分支孔长度l1尽可能小以减小滤孔的流动阻力,l1的值满足滤孔强度要求即可。

中间孔(2)用来搜集从它的四个分支孔里流出的液体,中间孔(2)的半径rb,2比它的分支孔半径rb,1要大,中间孔(2)半径rb,2根据它的分支孔半径rb,1通过下式计算确定:

这里,rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径,p为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤孔即分支孔(3)半径方向的平均密度,这个平均密度与有关,η为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤孔即分支孔(3)半径方向的等效粘度,这个等效粘度与有关,为描述与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在滤孔即分支孔(3)半径方向呈现的非连续介质效应的参数。中间孔(2)长度l2尽可能小,中间孔(2)长度l2满足中间孔(2)强度要求即可。

主干孔(7)用来减小被分离净化液体在固体材料(1)里的流动阻力和增大固体材料(1)的渗透能力,主干孔(7)半径rb,3由下式计算确定:

这里,λ0=(l1+l2)/(l1+l2+l3),l1为各分支孔长度,l2为中间孔(2)的长度,l3为主干孔(7)的长度,rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径,p为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向的平均密度,这个平均密度与有关,η为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向的等效粘度,这个等效粘度与有关,为描述与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。这种计算定出的主干孔(7)的半径rb,3使固体材料(1)对于与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体具有最大渗透能力。中间孔(2)和主干孔(7)的同心度公差不大于中间孔(2)的半径rb,2的五分之一。

固体材料(1)的厚度l根据固体材料(1)的机械强度要求确定。如图1(b)所示,中间孔(2)的分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6)均匀分布在固体材料(1)的表面的一个圆周上,该圆周的半径为rd,相邻分支孔在该圆周上的间距为δ1,δ1与rd,1的比值取值范围为:ks=δ1/rb,1=0.05~0.5,rd与rb,1的比值为:rd/rb,1=(4+2ks)/π,θ角由下式计算确定:θ=arcsin(rd/l1)。

主干孔(7)、中间孔(2)和四个分支孔即分支孔(3)、分支孔(4)、分支孔(5)和分支孔(6)形成的树状结构的通孔在固体材料(1)的厚度方向贯穿固体材料(1),主干孔(7)用于减小与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在固体材料(1)里的流动阻力、增大固体材料(1)的渗透能力。在这样条件下,由于液体混合物中的一种液体与主干孔(7)表面间的物理吸附弱而液体混合物中其余液体与主干孔(7)表面间的物理吸附强,液体混合物中的液体在固体材料(1)中的流动阻力就相差很大,与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体就能顺利通过固体材料(1),而液体混合物中的其余液体则难以通过固体材料(1)。此固体材料(1)即为本发明所指的一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜。

一个优选实施例中,滤膜为平面滤膜,滤膜由石墨烯制造而成,用来分离水和机油混合物(石墨烯疏水亲机油)。选分支孔(3)半径即滤孔半径rb,1=0.7nm,取ks=δ1/rb,1=0.5,l=0.7μm,分支孔(3)长度l1=14nm,中间孔(2)的长度l2=28nm,则得:主干孔(7)的长度为l3=0.658μm,θ=4.5°,中间孔(2)半径为rb,2=0.98nm,主干孔(7)半径为rb,3=2.8nm,各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径rd=1.1nm,相邻分支孔在该分布圆周上的间距δ1=0.35nm。中间孔(2)和主干孔(7)的同心度公差为0.18nm。水在这张滤膜中流动阻力较小,能顺利通过滤膜;而机油在这张滤膜中流动阻力很大,不能通过滤膜。这样就能实现水和机油的分离。

一个优选实施例中,滤膜为平面滤膜,滤膜由石墨烯制造而成,用来分离水和酒精混合物(石墨烯疏水亲酒精)。选分支孔(3)半径即滤孔半径rb,1=0.5nm,取ks=δ1/rb,1=0.5,l=0.5μm,分支孔(3)长度l1=10nm,中间孔(2)的长度l2=20nm,则得:主干孔(7)的长度为l3=0.47μm,θ=4.5°,中间孔(2)半径为rb,2=0.7nm,主干孔(7)半径为rb,3=2.0nm,各分支孔在固体材料(1)的表面的分布圆半径rd=0.8nm,相邻分支孔在该分布圆周上的间距δ1=0.25nm。中间孔(2)和主干孔(7)的同心度公差为0.13nm。水在这张滤膜中流动阻力较小,能顺利通过滤膜;而酒精在这张滤膜中流动阻力很大,不能通过滤膜。这样就能实现水和酒精的分离。

该种一种用于液体-液体分离的树型纳米级复合圆柱孔滤膜的原理说明如下:

本发明滤膜是用于液体-液体分离过滤,让液体混合物中的一种液体顺利通过滤膜,而让液体混合物中的其余液体不能通过滤膜,从而达到液体-液体分离。本发明原理为利用液体混合物中各液体在滤膜的纳米级小孔中与小孔表面间的差别较大的物理吸附特性从而使得液体混合物中各液体在滤膜中具有差别很大的流动阻力。为实现液体-液体分离目的,本发明要求:待分离的几种液体混在一起而成的混合物中的一种液体与滤膜的纳米级小孔表面间的物理吸附弱,而液体混合物中的其余液体与滤膜的纳米级小孔表面间的物理吸附强。这里的液体与纳米级小孔表面间强物理吸附指使主干孔(7)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(7)直径不小于30nm的液体与主干孔(7)表面间的物理吸附,这里的液体与纳米级小孔表面间弱物理吸附指使主干孔(7)中液体流动成为连续介质流动的临界主干孔(7)直径不大于10nm的液体与主干孔(7)表面间的物理吸附。

本发明滤膜的滤孔半径即分支孔(3)的半径rb,1根据流过滤膜的液体(即:与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体)在滤膜中的最小流动阻力要求来定,rb,1的取值范围为(0.1~0.2)rcr,这里rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径。本发明滤孔直径2rb,1通常处于1nm量级或10nm量级水平。

考虑液体-液体分离过滤过程中对滤膜提出的机械强度要求,即使用新型材料如石墨烯制成的本发明滤膜的厚度l通常需达到0.1μm以上。如果采用单一的滤孔穿透本发明滤膜的整个厚度l,则滤孔显得很深,滤孔的长径比很大(达到102)。液体是难以流过这种又细又长滤孔的,这样滤膜的渗透能力就变得很差。实际上,本发明中滤孔即分支孔(3)的轴向长度l1(即滤孔的深度)没必要达到滤膜的厚度l,只需考虑滤孔强度要求,留出必要的滤孔长度l1即可。这样,就能达到液体-液体分离过滤的目的。另一方面,为了减小与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体流过滤膜的阻力,增大滤膜的渗透能力,可将密集分布的四个滤孔即分支孔里的流体流量汇集到一个更大的中间孔(2)里,为减小被分离净化液体在滤膜里的流动阻力,中间孔(2)的长度l2需尽可能小,l2的值满足中间孔(2)的强度要求即可,中间孔(2)用于搜集从它的各分支孔里流出的流体,中间孔(2)的半径rb,2由相应的计算式计算确定。为进一步减小被分离净化液体在滤膜里的流动阻力,需在剩下的滤膜厚度上开设更大的主干孔(7)。主干孔(7)的半径rb,3过小或过大都不好;rb,3若过小,不能达到有效减低被分离净化液体流过滤膜的阻力和有效增大滤膜渗透能力的目的;rb,3若过大,也不好;虽然主干孔(7)的半径rb,3的增大会减小被分离净化液体流过滤膜里单个树状结构通孔的阻力,但是,对于一张给定的滤膜,它的表面积是给定的,主干孔(7)的半径rb,3的增大会使滤膜里主干孔(7)的总数减小,这样反而使滤膜的渗透能力变差,使被分离净化液体流过滤膜的流量减小。因此,本发明中如何选取主干孔(7)的半径rb,3是最关键的。

基于纳米通道中流体流动理论,本发明得到使滤膜渗透能力达到最大的主干孔(7)的半径rb,3与中间孔(2)的半径rb,2需满足以下关系式:

这里,λ0=(l1+l2)/(l1+l2+l3),l1为各分支孔长度,l2为中间孔(2)的长度,l3为主干孔(7)的长度,rcr为使与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体成为连续介质流动所需的临界圆柱孔半径,ρ为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相密度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向的平均密度,这个平均密度与有关,η为环境温度和压力下与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体的体相粘度,为与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向的等效粘度,这个等效粘度与有关,为描述与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在半径为rb,2的孔即中间孔(2)的半径方向呈现的非连续介质效应的参数。这种计算定出的主干孔(7)的半径rb,3使固体材料(1)对于与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体具有最大渗透能力。

由上式算得的主干孔(7)的半径rb,3比中间孔(2)的半径rb,2要大得多,在余下的滤膜厚度l3上开设主干孔(7),让被分离净化液体通过主干孔(7)流出滤膜能显著减小滤膜的流动阻力、显著增大滤膜的渗透能力。为保证中间孔(2)的四个分支孔的密集分布并满足这些分支孔的制造工艺要求,这里相邻分支孔的周向距离δ1应满足:ks=δ1/rb,1=0.05~0.5,这四个分支孔在滤膜表面的分布圆半径rd应满足:rd/rb,1=(4+2ks)/π。由于具备了中间孔(2),本发明滤膜的各分支孔、中间孔(2)和主干孔(7)更便于加工,本发明滤膜在制造工艺性上得到了显著改善。

在上述设计条件下,与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体在本发明滤膜中的流动阻力小,而液体混合物中的其余液体在本发明滤膜中仍然有很大的流动阻力。这样,液体混合物中的液体在本发明滤膜中的流动阻力就差别极大,与主干孔(7)表面间物理吸附弱的液体混合物中的那种液体能顺利通过本发明滤膜,而液体混合物中的其余液体则不能通过本发明滤膜。本发明设计的滤膜具有树状结构通孔数目多、分离过滤能力强、渗透性好、机械强度高、制造工艺性好的优点。这就是本发明的原理。

当本发明滤膜用石墨烯制造、对水和机油混合物进行分离时,图2给出了实施例中主干孔(7)半径rb,3与分支孔(3)半径rb,1的比值rb,3/rb,1与分支孔(3)半径rb,1的关系曲线。从图2看出,rb,3/rb,1的值通常在4.0和4.5之间,主干孔(7)半径rb,3比分支孔(3)半径rb,1大得多,且rb,3/rb,1的值随rb,1的增大而增大。当rb,1足够大时,rb,3/rb,1的值不随rb,1的变化而变化,而是等于定值4.45。在纳米通道流动中,相比于分支孔(3)半径rb,1,这种主干孔(7)的半径rb,3的增大显著地减小了被分离净化液体在本发明滤膜中的流动阻力,显著地提高了本发明滤膜的渗透性。

当本发明滤膜用石墨烯制造、对水和机油混合物进行分离时,图3分别给出了实施例中水和机油在本发明滤膜中的无量纲流动阻力if与滤孔即分支孔(3)半径rb,1的关系。图3中,这里,rr=10nm,ρ和η分别为环境温度和压力下水或机油的体相密度和体相粘度,if为实施例中本发明滤膜的量纲流动阻力,if=δp/qm,qm为流过实施例中本发明滤膜的水或机油的质量流量,δp为施加在实施例中本发明滤膜上的压力差,“liquida”指水,“liquidc”指机油。从图3看出,当rb,1<2nm时,机油在本发明滤膜中的流动阻力是水在本发明滤膜中的流动阻力的100~1000多倍;这显示了这两种液体在本发明滤膜中的流动阻力差别极大。图3表明,水在本发明滤膜中能顺利通过,而机油则难以通过本发明滤膜。图3支持了本发明。

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