用于去離子化的石墨烯孔的功能化的制作方法
【專利摘要】用于溶液的去離子化的方法，所述方法包括使石墨烯片的多個孔隙功能化以排斥溶液中的第一離子使其不運送通過經(jīng)功能化的多個孔隙。未運送的第一離子影響溶液中的第二離子以使其不運送通過經(jīng)功能化的多個孔隙。將石墨烯片置于溶液流動路徑輸入端和溶液流動路徑輸出端之間。溶液進入溶液流動路徑輸入端并通過石墨烯片的經(jīng)功能化的多個孔隙，產(chǎn)生在石墨烯片的溶液流動路徑輸出側(cè)上的去離子化的溶液和在石墨烯片的溶液流動路徑輸入側(cè)上的包含第一離子和第二離子的第二溶液。
【專利說明】用于去離子化的石墨烯孔的功能化 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及離子過濾，更具體地涉及利用石墨烯孔的功能化進行去離子化的方法 和系統(tǒng)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 隨著淡水源日益變得缺乏，許多國家正在尋找可將鹽水（最顯著地是海水）轉(zhuǎn)化 成清潔的飲用水的方案。
[0004] 用于水脫鹽的現(xiàn)有技術(shù)分成四大類，即，蒸餾、離子工藝、膜工藝以及結(jié)晶。這些技 術(shù)中最有效且最常用的是多級閃急蒸餾（MSF)、多效蒸發(fā)（MEE)和逆滲透（R0)。成本是所 有這些工藝的驅(qū)動因素，在這些工藝中能量和資金成本均是顯著的。徹底開發(fā)了 R0和MSF/ MEE技術(shù)。當(dāng)前，最佳的脫鹽方案需要2至4倍的理論最小能量限度，所述理論最小能量限 度通過水的簡單蒸發(fā)而確立并且為3千焦/kg至7千焦/kg。蒸餾脫鹽法包括多級閃蒸、多 效蒸餾、蒸氣壓縮、太陽能增濕和地?zé)崦擕}。這些方法共享共同的途徑，即改變水的狀態(tài)以 進行脫鹽。這些途徑使用熱傳遞和/或真空壓以蒸發(fā)鹽水溶液。然后，將水蒸氣冷凝并收 集為淡水。
[0005] 離子工藝脫鹽法集中于與溶液內(nèi)離子的化學(xué)和電學(xué)相互作用。離子工藝脫鹽法的 實例包括離子交換、電滲析和電容去離子化。離子交換將固體聚合物離子交換劑或礦物質(zhì) 離子交換劑引入鹽水溶液內(nèi)。離子交換劑與溶液中期望的離子結(jié)合以使其可以易于濾出。 電滲析是使用陽離子和陰離子選擇性膜和電壓電位以產(chǎn)生淡水和鹽水溶液的交替通道的 方法。電容去尚子化使用電壓電位以從溶液中帶走帶電荷的尚子、捕獲該尚子并同時使水 分子通過。
[0006] 膜脫鹽工藝使用過濾和壓力從溶液中除去離子。逆滲透（R0)是廣泛使用的脫鹽 技術(shù)，其向鹽水溶液施加壓力以克服離子溶液的滲透壓。壓力推動水分子通過多孔膜進入 淡水隔室，同時捕獲離子，產(chǎn)生高濃度的鹽水溶液。壓力是這些方法的驅(qū)動成本因素，因為 需要壓力克服滲透壓以捕獲淡水。結(jié)晶脫鹽是基于優(yōu)先形成晶體而不包含離子的現(xiàn)象。通 過以冰或甲醇（methyl hydrate)的形式產(chǎn)生結(jié)晶水，可以將純凈水與溶解的離子分離。在 簡單冷凍的情況下，使水冷卻至其凝固點之下，由此產(chǎn)生冰。然后，將冰溶化以形成純凈水。 甲醇結(jié)晶工藝使用甲烷氣體濾過咸水溶液形成甲烷水合物，這發(fā)生在比水冷凍更低的溫 度。甲醇上升，促進分離，然后升溫以分解成甲烷和脫鹽的水。收集脫鹽的水并重復(fù)利用甲 燒。
[0007] 用于脫鹽的蒸發(fā)和凝結(jié)通常被認為是節(jié)能的，但仍需要集中的熱源。當(dāng)進行大規(guī) 模時，用于脫鹽的蒸發(fā)和凝結(jié)通常與發(fā)電廠同地協(xié)作，并易受地理分布和尺寸的限制。
[0008] 電容去離子化不是廣泛使用的，可能是因為電容電極趨于被除去的鹽淤塞并需要 頻繁檢修。所必需的電壓易于依賴于板的間隔及流率，并且該電壓可能成為危害物。
[0009] 逆滲透（R0)過濾器廣泛用于水凈化。R0過濾器使用多孔膜或半滲透膜，其通常由 乙酸纖維素或聚酰亞胺薄膜復(fù)合物制成并通常具有1毫米（mm)的厚度。這些材料是親水 性的。膜通常被螺旋纏繞成管狀形式以便于處理和膜支撐。膜呈現(xiàn)隨機尺寸的孔徑分布， 其中最大尺寸的孔徑足夠小以允許水分子通過并且不允許或阻礙諸如溶解在水中的鹽的 離子通過。盡管典型的R0膜具有1毫米厚度，但R0膜的固有隨機結(jié)構(gòu)為流經(jīng)該膜的水限 定了長且迂回或曲折的路徑，并且這些路徑可以遠大于1毫米長度。路徑的長度和隨機構(gòu) 造需要相當(dāng)大的壓力以將在表面處的水分子與離子剝離，然后使水分子逆著滲透壓移動通 過該膜。由此，R0過濾器趨于是能量低效的。
[0010] 圖1是R0膜10的橫截面的抽象圖示。在圖1中，膜10限定了面向上游離子水溶 液16的上游表面12以及下游表面14。將在上游側(cè)上例示的離子選擇為帶+電荷的鈉（Na) 和帶-電荷的氯（Cl)。鈉被例示為與4個使離子變成溶劑化物的水分子（H 20)相締合。每 一水分子包括1個氧原子和2個氫（H)原子。在圖1的R0膜10中水流動的路徑20之一 被例示為從上游表面12上的孔隙20u延伸至下游表面14上的孔隙20d。路徑20例示為盤 繞的，而不可能示出典型路徑的真實的迂回曲折性質(zhì)。此外，可以期望例示為20的路徑與 多個上游孔隙和多個下游孔隙相連。通過R0膜10的路徑20可以不僅是盤繞的，而且其還 可以隨時間變化，因為一些孔隙被不可避免的碎片阻塞。
[0011] 期望可替代的水脫鹽法和裝置。
[0012] 發(fā)明概述
[0013] 公開了使溶液去離子化的方法，所述方法包括以下步驟：使石墨烯片的多個孔隙 功能化以排斥所述溶液中的第一離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的多個孔隙，未被傳送 的第一離子影響所述溶液中的第二離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的多個孔隙；將所述 石墨烯片置于溶液流動路徑輸入端和溶液流動路徑輸出端之間；以及使溶液進入所述溶液 流動路徑輸入端并通過所述石墨烯片的經(jīng)功能化的多個孔隙，由此產(chǎn)生在所述石墨烯片的 溶液流動路徑輸出側(cè)上的去離子化的溶液以及在所述石墨烯片的溶液流動路徑輸入側(cè)上 的包含第一離子和第二離子的第二溶液。
[0014] 在實施方案中，第一離子可以是帶負電荷的離子，第二離子可以是帶正電荷的離 子，并且使多個孔隙功能化可以包括使所述多個孔隙的邊緣（perimeter)功能化以具有負 電荷，從而排斥所述溶液中帶負電荷的離子。使多個孔隙的邊緣功能化以具有負電荷可以 包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來使所述邊緣功能化?；蛘?，使多個孔隙的邊緣功能 化以具有負電荷可以包括使用具有整體負電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述邊緣功能 化。在另一實施方案中，第一離子可以是帶正電荷的離子，第二離子可以是帶負電荷的離 子，并且使多個孔隙功能化可以包括使所述多個孔隙的邊緣功能化以具有正電荷，從而排 斥所述溶液中帶正電荷的離子。使多個孔隙的邊緣功能化以具有正電荷可以包括使用硼、 氫、鋰、鎂或鋁來使所述邊緣功能化?；蛘?，使多個孔隙的邊緣功能化以具有正電荷可以包 括使用具有整體正電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述邊緣功能化。
[0015] 用于去離子化的方法可以還包括限定所述石墨烯片的多個孔隙的尺寸以抵制所 述第一離子的運送。所述方法可以還包括向石墨烯片施加電荷，其中所述電荷排斥第一離 子。
[0016] 公開了使溶液去離子化的方法，所述方法包括以下步驟：使第一石墨烯片的第一 多個孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個 孔隙，未被運送的第一離子還影響所述溶液中的第二離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的 第一多個孔隙；使第二石墨烯片的第二多個孔隙功能化以排斥所述溶液中的第二離子使其 不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙，未被運送的第二離子還影響所述溶液中的第一 離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙；將所述第一石墨烯片置于溶液流動路 徑輸入端的下游并且將所述第二石墨烯片置于所述第一石墨烯片和溶液流動路徑輸出端 之間；以及使溶液進入所述溶液流動路徑輸入端，通過所述第一石墨烯片，然后通過所述第 二石墨烯片，由此在所述溶液流動路徑輸出端處產(chǎn)生去離子化的溶液。
[0017] 在實施方案中，第一離子是帶負電荷的離子，第二離子是帶正電荷的離子，使第一 多個孔隙功能化包括使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能化以具有負電荷從而排斥溶液 中的帶負電荷的離子，并且使第二多個孔隙功能化包括使所述第二多個孔隙的第二邊緣功 能化以具有正電荷從而排斥所述溶液中的帶正電荷的離子。使第一多個孔隙的第一邊緣功 能化以具有負電荷可以包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來使所述第一多個孔隙的第 一邊緣功能化。或者，使第一多個孔隙的第一邊緣功能化以具有負電荷可以包括使用具有 整體負電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述第一邊緣功能化。使第二多個孔隙的第二邊緣 功能化以具有正電荷可以包括使用硼、氫、鋰、鎂或鋁來使所述第二邊緣功能化。或者，使第 二多個孔隙的第二邊緣功能化以具有正電荷可以包括使用具有整體正電荷的聚合物鏈或 氨基酸鏈來使所述第二邊緣功能化。
[0018] 在另一實施方案中，第一離子是帶正電荷的離子，第二離子是帶負電荷的離子，使 第一多個孔隙功能化包括使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能化以具有正電荷從而排斥 溶液中的帶正電荷的離子，并且使第二孔隙功能化包括使第二多個孔隙的第二邊緣功能化 以具有負電荷從而排斥所述溶液中的帶負電荷的離子。使第二多個孔隙的第二邊緣功能化 以具有負電荷可以包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來使所述第二邊緣功能化?；蛘?， 使第二多個孔隙的第二邊緣功能化以具有負電荷可以包括使用具有整體負電荷的聚合物 鏈或氨基酸鏈來使所述第二邊緣功能化。使第一多個孔隙的第一邊緣功能化以具有正電荷 可以包括使用硼、氫、鋰、鎂或鋁來使所述第一邊緣功能化。或者，使第一多個孔隙的第一邊 緣功能化以具有正電荷包括使用具有整體正電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述第一邊 緣功能化。
[0019] 所述方法可以還包括限定第一石墨烯片的第一多個孔隙的尺寸以抵制第一離子 的運送，并且限定所述第二石墨烯片的第二多個孔隙的尺寸以抵制第二離子的運送。所述 方法還可以包括向第一石墨烯片施加第一電荷以及向第二石墨烯片施加第二電荷，其中所 述第一電荷排斥第一離子以及所述第二電荷排斥第二離子。
[0020] 公開了去離子器，其包括：具有多個孔隙的石墨烯片，所述多個孔隙經(jīng)功能化以排 斥溶液中第一離子使其不運送通過所述多個孔隙，未被運送的第一離子影響所述溶液中的 第二離子使其不運送通過經(jīng)功能化的多個孔隙；具有輸入端和輸出端的溶液流動路徑，其 中所述石墨烯片被放置在所述溶液流動路徑輸入端和所述溶液流動路徑輸出端之間；以及 負載有離子的溶液的源。將負載有離子的溶液引入溶液流動路徑輸入端，經(jīng)過所述石墨烯 片，由此產(chǎn)生在所述石墨烯片的溶液流動路徑輸入側(cè)上的包含第一離子和第二離子的第一 離子溶液以及在所述石墨烯片的溶液流動路徑輸出側(cè)上的去離子化的溶液。
[0021] 在實施方案中，第一離子是帶負電荷的離子，第二離子是帶正電荷的離子，并且經(jīng) 功能化的多個孔隙包括具有帶負電荷的邊緣的多個孔隙以排斥溶液中的帶負電荷的離子。 在另一實施方案中，第一離子是帶正電荷的離子，第二離子是帶負電荷的離子，并且經(jīng)功能 化的多個孔隙包括具有帶正電荷的邊緣的多個孔隙以排斥溶液中的帶正電荷的離子。
[0022] 去離子器可以還包括經(jīng)限定尺寸以抵制第一離子的運送的石墨烯片的多個孔隙。 去離子器可以還包括使石墨烯片帶有電荷，所述電荷排斥第一離子。
[0023] 公開了溶液去離子器，其包括：具有第一多個孔隙的第一石墨烯片，所述第一多個 孔隙經(jīng)功能化以排斥第一離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙，未被運送的 第一離子影響所述溶液中的第二離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙；具 有第二多個孔隙的第二石墨烯片，所述第二多個孔隙經(jīng)功能化以排斥所述溶液中的所述第 二離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙，未被運送的第二離子影響所述溶液 中的第一離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙；具有輸入端和輸出端的溶液 流動路徑，其中所述第一石墨烯片處于所述溶液流動路徑輸入端的下游，并且所述第二石 墨烯片處于所述第一石墨烯片和所述溶液流動路徑輸出端之間；以及負載有離子的溶液的 源。將負載有離子的溶液引入溶液流動路徑輸入端，經(jīng)過第一石墨烯片，然后經(jīng)過第二石墨 烯片，由此在溶液流動路徑輸出端產(chǎn)生去離子化的溶液。
[0024] 在實施方案中，第一離子是帶負電荷的離子，第二離子是帶正電荷的離子，經(jīng)功能 化的第一多個孔隙包括具有排斥溶液中帶負電荷的離子的帶負電荷的邊緣的第一多個孔 隙，并且經(jīng)功能化的第二多個孔隙包括具有排斥溶液中帶正電荷的離子的帶正電荷的邊緣 的第二多個孔隙。在另一實施方案中，第一離子是帶正電荷的離子，第二離子是帶負電荷的 離子，經(jīng)功能化的第一多個孔隙包括具有排斥溶液中帶正電荷的離子的帶正電荷的邊緣的 第一多個孔隙，并且經(jīng)功能化的第二多個孔隙包括具有排斥溶液中帶負電荷的離子的帶負 電荷的邊緣的第二多個孔隙。
[0025] 所述溶液去離子器可以還包括經(jīng)限定尺寸以抵制第一離子運送的第一石墨烯片 的第一多個孔隙以及經(jīng)限定尺寸以抵制第二離子運送的第二石墨烯片的第二多個孔隙。所 述溶液去離子器可以還包括帶有第一電荷的第一石墨烯片和帶有第二電荷的第二石墨烯 片，其中所述第一電荷排斥第一離子且所述第二電荷排斥第二離子。
[0026] 附圖簡述
[0027] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的逆滲透（R0)過濾膜的抽象橫截面圖示；
[0028] 圖2是本公開一方面的使用穿孔的石墨烯片的水過濾器的抽象圖示；
[0029] 圖3是可用于圖2的布置方案中的穿孔的石墨烯片的平面圖示，示出多個孔隙之 一的形狀；
[0030] 圖4是穿孔的石墨烯片的平面圖，示出經(jīng)功能化的穿孔或孔隙及尺寸；
[0031] 圖5是可與圖2的穿孔的石墨烯片聯(lián)合使用的背襯片的平面圖示；
[0032] 圖6是本公開一方面的水去離子過濾器的抽象圖示，其使用多個穿孔的石墨烯 片；以及
[0033] 圖7是示出通常對應(yīng)于圖6的布置方案的管道布置方案的簡化圖，其中穿孔的石 墨烯片被螺旋纏繞并封裝在圓筒中。
[0034] 詳細描述
[0035] 圖2是根據(jù)示例性實施方案或本公開一方面的基礎(chǔ)去離子化裝置200的抽象圖 示。在圖2中，通道210將負載有離子的水輸送至安置在支撐室214中的過濾膜212。負 載有離子的水可以例如為海水或咸水。在一示例性實施方案中，可以以已知方式將過濾膜 212纏繞成螺旋形。可以由罐216通過重力或由泵218提供流經(jīng)圖2的通道210的負載有 離子的水的流動動力或壓力。閥236和238允許選擇負載有離子的水的源。在裝置或布置 方案200中，過濾膜212是具有穿孔（還稱為孔隙）的穿孔的石墨烯片。石墨烯是單原子 層厚的碳原子層，其結(jié)合在一起以限定片310,如圖3所示。單石墨烯片的厚度為約0. 2納 米（nm)。實際上，認為單石墨烯片的厚度為約0. 2納米至0. 3納米，并且具體為約0. 23納 米?？梢孕纬删哂懈蠛穸鹊亩鄠€石墨烯片。圖3的石墨烯片310的碳原子限定了由6個 碳原子構(gòu)成的六方環(huán)結(jié)構(gòu)（苯環(huán)）的重復(fù)圖案，所述結(jié)構(gòu)形成碳原子的蜂巢晶格。由該片 中的各個6-碳原子環(huán)結(jié)構(gòu)形成間隙孔隙308 (interstitial aperture)，并且該間隙孔隙 跨度（across)小于1納米。實際上，技術(shù)人員會認識到間隙孔隙被認為在其最長尺寸上跨 度約0.23納米。該尺寸過小而不能使水或離子通過。
[0036] 圖2的去離子化裝置具有從水源201或216至通道210的溶液流動路徑，所述通道 210可以被認為是溶液流動路徑的輸入端。從通道210起，溶液流動路徑延伸至室214的溶 液流動路徑輸入側(cè)，然后通過石墨片212,然后達到室214的溶液流動路徑輸出側(cè)，并最終 達到通道222,所述通道222被認為是溶液流動路徑的輸出端。可以通過泵218或由罐216 通過重力供給來加壓攜帶了不期望的離子的水201，由此產(chǎn)生加壓的水。將所述加壓的水施 用于穿孔的石墨烯212的第一側(cè)212u，以使水分子流至穿孔的石墨烯片的第二側(cè)2121。 [0037] 為了形成圖2的穿孔的石墨烯片212,制成一個或多個穿孔，如圖3所示。通過石 墨烯片310限定了典型的大致圓形或標稱圓形的孔隙312。在實施方案中，孔隙312具有 約2納米的標稱直徑。選擇2-納米尺寸以允許通常被預(yù)期存在于鹽水或咸水中的最大離 子運送通過孔隙，所述最大離子為氯離子。在一些實施方案中，孔隙312的標稱直徑可以為 0. 8nm至1. 2nm。然而，本文詳述的孔隙的邊緣的功能化取決于排斥離子以使其不運送通過 孔隙，即使該孔隙以其它方式被改變尺寸以允許離子的運送。以下事實影響孔隙312的大 致圓形的形狀，即，石墨烯片310的六方碳環(huán)結(jié)構(gòu)部分地限定了孔隙的邊界。
[0038] 可以通過選擇性氧化來制成孔隙312,所述選擇性氧化意指暴露于氧化劑一段所 選的時段。認為孔隙312還可以是激光鉆孔的。如出版物Nano Lett. 2008, Vol. 8, no. 7, pg 1965-1970所述，最直接的穿孔策略是在高溫下用在氬氣中稀釋的氧處理石墨烯膜。如其中 所述，在500°C下使用在1個大氣（atm)的氦氣中350mTorr的氧在石墨烯中蝕刻20nm至 180nm范圍的穿過的孔隙或孔，持續(xù)2小時。該論文合理地建議了孔的數(shù)量與石墨烯片的缺 陷有關(guān)，并且孔的尺寸與停留時間有關(guān)。其被認為是在石墨烯結(jié)構(gòu)中制造所期望的穿孔的 優(yōu)選方法。該結(jié)構(gòu)可以是石墨烯納米板和石墨烯納米帶。因此，可以通過更短的氧化時間 來形成在期望范圍內(nèi)的孔隙。另一更相關(guān)的方法利用自組裝的聚合物，該聚合物產(chǎn)生適于 使用反應(yīng)性離子蝕刻進行圖案化的掩模。P(s-嵌段MMA)嵌段共聚物形成一列PMMA柱，其 經(jīng)重建形成RIE的過孔（vias)?？椎膱D案是非常密集的。由PMMA嵌段（PMMA block)的分 子量和P(S-MMA)中PMMA的重量分數(shù)來控制孔的數(shù)量和尺寸。任一方法具有產(chǎn)生穿孔的石 墨烯片的可能性。
[0039] 可以用帶特定電荷的官能團使孔隙的邊緣功能化。邊緣周圍的帶電荷的基團會排 斥相似電荷的離子，增加帶相似電荷的離子運送通過孔隙的活化能壘。此外，相反電荷的離 子會受影響而與未被運送的離子一起滯留。正離子和負離子的分離會需要大量的輸入系統(tǒng) 的能量，這不是本發(fā)明的特征。因此，通過排斥相似電荷的離子以使其不運送通過經(jīng)功能化 的孔隙，也有效地排斥了相反電荷的離子使其不運送通過經(jīng)功能化的孔隙。在實施方案中， 可以用氧來使孔隙的邊緣功能化，所述氧為帶負電荷的離子。具有被氧功能化的孔隙的片 會排斥帶負電荷的氯離子，這會使氯離子以非常低的速率運送通過該孔隙或根本不通過該 孔隙。帶正電荷的鈉離子會受影響以與被排斥的氯離子一起滯留在室226內(nèi)。在其他實施 方案中，可以使用除氧之外的其它元素，通過負電荷來功能化孔隙的邊緣。例如，在實施方 案中，可以使用氮、磷、硫、氟、氯、溴和碘中的至少一種來與負電荷一起用于使邊緣功能化。
[0040] 因此，如果片212的孔隙的邊緣帶電荷以排斥一種電荷的離子，則相反電荷的離 子也可能受影響而不通過該片。盡管可以通過向系統(tǒng)內(nèi)輸入大量的能量來使相反電荷的離 子通過片的孔隙，但預(yù)期的是，向系統(tǒng)添加此量的能量會產(chǎn)生在去離子化的情形中不期望 的反應(yīng)（例如產(chǎn)生氯氣或氫氣）。
[0041] 如所理解的，在另一實施方案中，邊緣可以帶有帶正電荷的離子，例如硼。具有被 硼功能化的孔隙的片會使帶正電荷的鈉離子以非常低的速率通過該孔隙或根本不通過該 孔隙。帶負電荷的氯離子會趨于與鈉離子一起滯留并還會以非常低的速率通過孔隙或根本 不通過該孔隙。在其他實施方案中，可以使用除硼之外的其它元素，用正電荷來功能化孔隙 的邊緣。例如，在實施方案中，可以使用氫、鋰、鎂和鋁中的至少一種來與正電荷一起用于使 邊緣功能化。
[0042] 在另一實施方案中，可以使用具有整體正電荷或整體負電荷的聚合物鏈或氨基酸 鏈來功能化孔隙的邊緣。一些候選的聚合物包括聚氧化乙烯、聚磺酰亞胺類聚合物、金-硫 醇嵌體、基于釕的有機金屬化合物以及電解聚合物。聚合物鏈或氨基酸鏈的使用可以允許 更能控制孔隙邊緣上的電荷強度，由此允許一定程度控制經(jīng)功能化的孔隙的排斥和/或吸 引作用。電荷強度可以是重要的，其取決于需要被石墨烯片過濾的離子的類型。
[0043] 可以通過多種通常已知的方法來實現(xiàn)孔隙的功能化。在實施方案中，可以通過使 用對氧具有反應(yīng)性的化學(xué)制品或基團對石墨烯片進行引晶，然后將該片暴露于氧等離子 體，由此使該化學(xué)制品或基團反應(yīng)并在石墨烯片中產(chǎn)生經(jīng)功能化的孔，從而產(chǎn)生在石墨烯 片上的經(jīng)功能化的孔隙。在另一實施方案中，可以通過向現(xiàn)有孔隙的邊緣應(yīng)用對諸如電荷 或光脈沖等外部刺激有反應(yīng)性的化學(xué)官能團，然后將該片暴露于電荷或光脈沖，由此使該 化學(xué)基團連接至該邊緣，從而形成經(jīng)功能化的孔隙。酸處理、反應(yīng)性離子蝕刻或標準有機化 學(xué)技術(shù)也可以用于使孔隙的邊緣功能化。功能化的方法包括但不限于：反應(yīng)性離子和分子 物質(zhì)，例如四氟化碳等離子體、氧等離子體、原子氧、氮等離子體和原子氮。在結(jié)構(gòu)中最初產(chǎn) 生缺陷之后的材料的功能化取決于在該材料上剩余的化學(xué)成分：例如，如果將氮或氧反應(yīng) 性基團連接至該材料，則該材料可以與有機酰基氯反應(yīng)以在材料和官能團之間產(chǎn)生酯連接 或酰胺連接。與材料連接的官能團可以是會支持連接物官能度的任何物質(zhì)。
[0044] 如所述的那樣，圖3的石墨烯片310具有僅為單原子的厚度。因此，該片趨于是撓 性的?？梢酝ㄟ^向片212施用背襯結(jié)構(gòu)來改善石墨烯片的彎曲。在圖2中，穿孔的石墨烯 片212的背襯結(jié)構(gòu)例示為220。在此實施方案中，背襯結(jié)構(gòu)220是穿孔的聚四氟乙烯（有時 稱為聚四氟乙烷）的片。背襯片的厚度可以例如為1毫米（mm)。
[0045] 應(yīng)注意，在圖2的裝置或布置方案中，可以由罐216通過重力提供通過路徑210向 穿孔的膜212施加的負載有離子的水的壓力，由此強調(diào)裝置200的方面之一。即，與R0膜 不同，形成穿孔的膜的穿孔的石墨烯片310 (圖3)是疏水性的，并且經(jīng)過穿通的孔隙（圖2 和3的312)的水不受吸引力（歸因于濕潤）的阻礙。此外，如所述的那樣，在石墨烯片310 中通過孔隙312的流動路徑的長度等于片的厚度，所述厚度為約0. 2nm。該長度遠小于延伸 通過RO膜的隨機路徑的長度。因此，需要非常小的壓力來提供流體流動，或相反地，在穿孔 的石墨烯片310中，在給定壓力下的流動遠遠大得多。這進而轉(zhuǎn)化成離子分離的低能量需 求。認為RO膜中使水逆著滲透壓而通過該膜所需要的壓力包括摩擦組分，其導(dǎo)致膜變熱。 因此，必須向RO膜施加的壓力中有一些壓力未用于克服滲透壓，反而變成熱量。模擬的結(jié) 果表明穿孔的石墨烯片使所需的壓力降低了至少5倍。因此，在RO膜可能在上游側(cè)需要40 磅/平方英尺（PSI)的壓強以實現(xiàn)具有特定離子濃度的去離子水的特定流動的情況下，穿 孔的石墨烯片對于相同的流率可需要8PSI以下。
[0046] 如所述的那樣，圖2的石墨烯片212 (或相當(dāng)于圖3的石墨烯片310)的穿孔312 可以被功能化以有效阻止某一電荷的離子使其不通過該石墨烯片。如進一步所述的那樣， 還可以有效阻止與所述某一電荷相反電荷的離子，因為相反電荷的離子在不存在大量能量 輸入的情況下趨于與被阻止的某一電荷的離子一起滯留。因此，不預(yù)期經(jīng)過石墨烯片的任 何離子可以預(yù)期在石墨烯片-支撐室214的上游側(cè)226中積聚。在上游"室"226中的離子 積聚物本文稱為"濃縮物"，并且最終降低水通過穿孔的石墨烯片212的流動，由此趨于使 其不能有效地去離子化。如圖2所示，提供其他路徑230連同排出閥232以允許清除或排 出該濃縮物。
[0047] 圖2的裝置或布置方案200的操作可以是"分批"方式。分批操作的第一方式隨負 載有離子的水通過路徑210的流動而發(fā)生，并且排出閥232被關(guān)閉以防止流動。負載有離 子的水填充支撐室214的上游側(cè)226。水分子被允許流動通過圖2的穿孔的石墨烯片212， 并通過背襯片220到達支撐室214的下游側(cè)227。離子（帶正電荷和帶負電荷的）積聚在 上游側(cè)226,并且去離子水積聚在下游部分227,并可以通過路徑222排放至捕獲容器（例 示為罐224)。水分子的流動可以持續(xù)，直至在上游室226中積聚了閥值水平的濃縮物。此 時，可以使用排放閥232通過路徑230來進行上游離子的清除。
[0048] 通過例示，圖2的石墨烯片212中穿孔（孔隙）312的邊緣可以被功能化以具有負 電荷。這可以通過使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來使邊緣功能化而實現(xiàn)?；蛘?，這可以 通過使用具有整體負電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使邊緣功能化而實現(xiàn)。因此，溶液中的 任何帶負電荷的離子將被排斥以使其不通過孔隙312,并且會聚集在上游室226中。此外， 溶液中的帶正電荷的離子將被吸引以使其與聚集在上游室226中的帶負電荷的離子一起 停留，并且也將不通過孔隙312。去離子水將通過孔隙并聚集在下游室227中?？梢酝ㄟ^所 述的分批工藝來清除上游室中的帶正電荷的離子和帶負電荷的離子。在供替代的實施方案 中，圖2的石墨烯片212中穿孔（或孔隙）312的邊緣可以被功能化以具有正電荷。這可以 通過使用硼、氫、鋰、鎂或鋁來使邊緣功能化而實現(xiàn)?；蛘?，這可以通過使用具有整體正電荷 的聚合物鏈或氨基酸鏈來使邊緣功能化而實現(xiàn)。因此，溶液中的任何帶正電荷的離子將被 排斥以使其不通過孔隙312,并且會聚集在上游室226中。此外，溶液中的帶負電荷的離子 將被吸引以使其與聚集在上游室226中的帶正電荷的離子一起停留，并且也將不通過孔隙 312。去離子水將通過孔隙并聚集在下游室227中。可以通過所述的分批工藝來清除上游 室中的帶正電荷的離子和帶負電荷的離子。
[0049] 除了經(jīng)功能化以吸引或排斥某些離子的石墨烯片的孔隙之外，在實施方案中，孔 隙還可以被限定尺寸或改變尺寸以不允許某一尺寸的離子通過。例如，可以由被限定尺寸 以不允許或禁止氯離子流動的孔隙312來穿孔石墨烯片212 ;這些孔隙的標稱直徑為1. 3nm 至2nm。因此，如果限定孔隙的尺寸為1. 3nm至2nm，則氯離子不能通過穿孔的石墨烯片212 并停留在上游部分或室226中。（還通過邊緣的功能化來排斥氯離子使其遠離該孔隙）。在 一些實施方案中，孔隙312的標稱直徑可以為0· 8nm至1. 2nm。此外，在溶液中的帶正電荷 的鈉離子會受影響而與聚集在上游室226中的帶負電荷的氯離子一起停留，并且也將不通 過孔隙312。去離子水將經(jīng)過孔隙并聚集在下游室227中。改變孔隙的尺寸以與功能化石 墨烯片的邊緣組合地過濾離子，這可以導(dǎo)致去離子化工藝的效率增加。使用具有不同孔隙 尺寸的帶電荷的石墨烯片進行去離子化的方法和系統(tǒng)的更詳細的描述公開于同時待審的 第12/868, 150號美國專利申請（現(xiàn)在指定為第8, 361，321號美國專利）中，通過參考方式 將其全部并入本文中。
[0050] 在另一實施方案中，除了經(jīng)功能化以吸引或排斥某些離子的石墨烯片的孔隙之 夕卜，可以使整個石墨烯片帶電荷，向該片增加帶相似電荷的離子的排斥。例如，具有用諸如 氧的帶負電荷的離子功能化的孔隙的石墨烯片還可以與電壓源連接，使得負電荷置于整個 片上。具有負電荷的氯離子被排斥而不運送通過帶負電荷的穿孔的石墨烯片212,并且停 留在上游部分或室226中。此外，溶液中的帶正電荷的鈉離子將受影響而與聚集在上游室 226中的帶負電荷的氯離子一起停留，并且也將不通過孔隙312。去離子水將通過孔隙并聚 集在下游室227中。
[0051] 如所理解的，使用不同尺寸的孔隙并使石墨烯片帶電荷的促進離子排斥的另外方 法可以以不同方式與使用經(jīng)功能化的孔隙相結(jié)合。因此，一個實施方案可以使用經(jīng)功能化 的孔隙和不同尺寸的孔隙，而另一實施方案可以使用經(jīng)功能化的孔隙和帶電荷的石墨烯 片。又一實施方案可以同時使用所有三種方法，即，功能化、不同孔隙尺寸和帶電荷的石墨 稀片。
[0052] 圖4是具有多個穿孔（如圖3的穿孔）的石墨烯片的圖示。圖4的片限定了 20 個孔隙312。原則上，流率與孔隙密度成比例。隨著孔隙密度增加，通過孔隙的流動可以變 成"湍流的"，這可能負面影響了在給定壓力下的流動。此外，隨著孔隙密度增加，可能局部 降低了在下面的石墨烯片的強度。這樣的強度降低在某些情形下可能導(dǎo)致膜的破裂。對于 〇. 6納米的孔隙，孔隙之間的中心間距在15納米的值時被認為是近似最佳的。在圖4的實 施方案中，用氧功能化孔隙312的邊緣，盡管如本文別處所述，可以用其他元素或用聚合物 鏈或氨基酸鏈來使邊緣帶電荷。碳鄰近于所示的氧功能化。
[0053] 圖4中所示的孔隙在穿孔或孔隙的邊緣周圍功能化。在圖4所示的實施方案中， 使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來功能化孔隙的邊緣，這使得該邊緣具有負電荷。在另一 實施方案（未示出）中，使用硼、氫、鋰、鎂或鋁來功能化孔隙的邊緣，這使得該邊緣具有正 電荷?；蛘?，可以使用聚合物鏈或氨基酸鏈來功能化孔隙的邊緣，并且該邊緣所具有的電荷 取決于所用的具體的聚合物或氨基酸。
[0054] 圖5是可以與圖2的石墨烯片一起使用的背襯片的結(jié)構(gòu)的簡化圖。在圖5中，背 襯片220由聚四氟乙烯（還稱為聚四氟乙烷）的細絲520制成，布置在矩形柵格中并在它 們的交叉點處粘合或融合。如同穿孔的石墨烯片一樣，對于最大流動，背襯片的尺寸應(yīng)盡 可能大，與足夠的強度相稱。朝向相同方向的相互鄰近的細絲520之間的間距可以標稱為 lOOnm，并且細絲可以具有40nm的標稱直徑。石墨烯片的抗拉強度是大的，因此背襯片中相 對大的未支撐的區(qū)域不應(yīng)成為問題。
[0055] 圖6是本公開的另一實施方案或另一方面的去離子化或脫鹽裝置600 (即，溶液去 離子器）的抽象圖示，其中使用多層的不同功能化的石墨烯片。在圖6中，與圖2的部件 相對應(yīng)的部件由相似的參考字母數(shù)字指定。在圖6的支撐室614內(nèi)，上游和下游穿孔的石 墨烯片612a和612b分別將該室分成三個容積或部分，S卩，上游部分或室626a、下游部分或 室627a、以及中間部分或室629。如本文所用，術(shù)語上游和下游是按照裝置中水的流動，表 達該裝置的部件相對于其他部件的關(guān)系，所述水的流動從輸入通道210到達第一石墨烯片 612a，然后從第一石墨烯片612a到達第二石墨烯片612b，然后從第二石墨烯片到達輸出通 道222。因此，盡管穿孔的石墨烯片612a相對于下游石墨烯片612b處于上游，但穿孔的石 墨烯片612a相對于輸入通道210處于下游。顯著地，術(shù)語下游不旨在必須意指部件之間的 高度關(guān)系，即，盡管第二石墨烯片612b可以處于第一石墨烯片612a的下游，但這未必表示 第二石墨烯片612b比第一石墨烯片612a高度更低，盡管其可以如此。如所理解的，可以加 壓該裝置，從而下游部件可以依據(jù)流動而處于下游，但可以處于比上游部件更高的高度。
[0056] 具體地，圖6的溶液或水去離子器裝置具有從水201、從器皿或容器216或泵218 至通道210的溶液流動路徑，通道210可以被認為是溶液流動路徑的輸入端。從通道210， 溶液流動路徑延伸至室614的上游室626a，通過石墨烯片612a，通過中間室629,通過石墨 烯片612b，然后到達下游室627a，最終到達通道222,通道222可以被認為是溶液流動路徑 的輸入端。
[0057] 每一穿孔的石墨烯片612a和612b伴隨有背襯片。更具體地，由片620a支持穿孔 的石墨烯片612a，并且由片620b支持穿孔的石墨烯片612b。如所指出的，石墨烯是單原子 層厚的碳原子層，其結(jié)合在一起限定了片310,如圖3所例示。還如所指出的，可以通過向該 片施用背襯結(jié)構(gòu)來改善石墨烯片的彎曲。
[0058] 更特別地，在實施方案中，用孔隙612ac的帶負電荷的邊緣功能化上游石墨烯片 612a以排斥氯離子使其不通過該孔隙。具有負電荷的氯離子可以被排斥而不經(jīng)過石墨烯片 612a的帶負電荷的邊緣，由此停留在室626a的上游部分中。然而，如所理解的，在片612a 的輸入側(cè)上存在被排斥的氯離子將影響鈉離子，使其也停留在輸入側(cè)上。如所指出的，氯離 子和鈉離子的分離將需要大量的能量輸入系統(tǒng)內(nèi)，這不是本發(fā)明的特征。因此，通過排斥氯 離子使其不通過石墨烯片，也可有效地排斥鈉離子使其不通過上游石墨烯片。
[0059] 可能存在如下情形，其中一些鈉離子可以仍然通過上游石墨烯片的孔隙。例如，如 果輸入溶液具有相對于氯離子的過量的鈉離子時，則過量的鈉離子可以被石墨烯片上的負 電荷所吸引而通過該孔隙。在另一實例中，輸入溶液可以包含帶正電荷的且不為鈉的第三 離子，其可以被吸引而運送通過上游石墨烯片孔隙。在這些情形中，可以期望具有第二石墨 烯片以過濾離子。此外，可以期望具有第二石墨烯片以確保更高水平的脫鹽。
[0060] 因此，圖6的實施方案包括下游石墨烯片612b，其經(jīng)穿孔而具有孔隙612bs (第二 孔隙）并可以帶正電荷以排斥鈉離子（或任何其他帶正電荷的離子）運送通過石墨烯片 612b。如果鈉或其他正離子能夠運送通過片612a而進入室629,則其可以被排斥而不運 送通過下游帶正電荷的穿孔的石墨烯片612b，因此停留或積聚在中間部分或室629中。此 夕卜，以任何氯離子能運送進入室629的程度來說，那些氯離子可以被吸引以與629中的鈉離 子一起滯留，并且也不會運送通過片612b。因此，至少基本不含氯離子和鈉離子的水分子 (H20)可以從中間部分或室629流動通過穿孔的石墨烯片612b的孔隙612bs并進入下游部 分或室627a，從此處可以通過水流動路徑222和收集器皿224收集去離子水。水流動路徑 222可以被認為是水流動路徑輸出端，并且閥（未示出）可以用作水流動路徑輸出端222上 的水流動路徑輸出閥。如所理解的，可以類似地操作可供替代的實施方案，其中上游石墨烯 片612a具有帶正電荷的孔隙以及下游石墨烯片612b具有帶負電荷的孔隙。
[0061] 因此，盡管預(yù)期圖2中所示的單石墨烯片去離子器可以（若經(jīng)適當(dāng)"調(diào)整"）足以 生產(chǎn)去離子水，圖6中所示的兩石墨烯片去離子器提供了能夠滿足最高去離子化標準的額 外的層。如所理解的，第二石墨烯片可以替代地被功能化以排斥不同類型的離子。此外，采 用多于兩個石墨烯片的系統(tǒng)可以用于確保過濾不同類型的離子并確保去離子水滿足最高 標準。
[0062] 如同圖2的去離子化布置方案200的情況，圖6的裝置或布置方案600在去離子 化操作期間積聚或濃縮離子。更具體地，對于負載有氯離子和鈉離子的水流，預(yù)期大部分氯 離子和鈉離子會被上游石墨烯片612a所排斥，導(dǎo)致裝置600的上游部分或室626a積聚具 有氯離子和鈉離子的濃縮物。中間部分或室629也積聚了一定濃度的氯離子和鈉離子，盡 管預(yù)期該濃度遠低于在上游室中積聚的濃度?？梢苑謩e通過選擇性控制清除連接件630a 和630b及其清除閥632a和632b來分別提取這些濃縮的離子。更具體地，可以打開閥632a 以使?jié)饪s的氯離子和鈉離子從上游部分或室626a流動至例示為罐634a的收集器皿，并且 可以打開閥632b以使?jié)饪s的氯離子和鈉離子從中間部分或室629流動至例示為罐634b的 收集器皿。理想地，在開始清除中間部分或罐629之前關(guān)閉清除閥632a，從而在整個穿孔的 石墨稀片612a上保持一定壓力以提供水通過芽孔的石墨稀片612a的流動，從而幫助從中 間室629沖洗富集鈉離子的濃縮物。在進行去離子化之前關(guān)閉清除閥632a和632b。對于 在鈉的情況下轉(zhuǎn)化成固體形式或在氯的情況下轉(zhuǎn)化成氣體形式而言，清除并收集的濃縮的 離子可能具有經(jīng)濟價值。應(yīng)注意海水含有大量的鈹鹽，并且這些鹽如果優(yōu)先被濃縮，則作為 催化劑對制藥工業(yè)具有價值。如所理解的，可以類似地操作可供替代的實施方案，其中用孔 隙612ac的帶正電荷的邊緣功能化上游石墨烯片612a并用帶負電荷的邊緣612bs功能化 下游石墨烯片612b，并且大部分離子積聚在上游室626a中且遠遠更低濃度的離子積聚在 中間室629中。那些積聚的離子可以如上所述被清除。
[0063] 圖6還例示出交叉流動閥654a和654b，其分別連通了流動路徑658和上游部分或 室626a以及流動路徑658和中間部分或室629。負載有離子的未過濾的水201可以通過打 開閥652而按照路線運送至流動路徑658,或者可以通過操作泵660而由罐224提供去離子 水202。從泵660,去離子通過止回閥656流動至路徑658。交叉流動閥654a和654b分別 與清除閥632a和632b同時打開和關(guān)閉，由此幫助從室中清除濃縮物。
[0064] 如所討論的，除了將石墨烯片的孔隙功能化以排斥某些離子之外，去離子器中的 石墨烯片還可以被限定尺寸以不允許某一尺寸的離子通過或運送。例如，可以改變穿孔的 尺寸以通過選擇約1. 3nm至2nm的孔隙尺寸而不允許氯離子通過?；蛘?，可以改變穿孔的 尺寸以通過選擇約1. 3納米的孔隙尺寸而不允許鈉離子通過。改變孔隙的尺寸以過濾離子 與功能化石墨烯片的孔隙相結(jié)合可以導(dǎo)致去離子化工藝的效率增加。
[0065] 在實施方案中，在石墨烯片612a和612b上的穿孔的尺寸在尺寸方面不同，從而一 個片有效地不允許負載有氯的水流動，并且一個片有效地不允許負載有鈉的水流動。在包 括不同尺寸的穿孔以及孔隙的功能化的實施方案中，通過這二者來實現(xiàn)去離子化。通過例 示，由經(jīng)限定尺寸以不允許或禁止氯離子流動的孔隙612ac穿孔上游石墨烯片612a ;這些 孔隙的標稱直徑為1. 3nm至2nm。因此，氯離子不能經(jīng)過穿孔的石墨烯片612a，而停留在上 游部分或室626a中。也間接地排斥鈉離子使其不能通過穿孔的石墨烯片612a流入中間室 629,因為鈉離子將趨于與被排斥的氯離子一起滯留以防止電荷積累。使用經(jīng)限定尺寸以不 允許或禁止鈉離子流動的孔隙612bs穿孔下游穿孔的石墨烯片612b ;這些孔隙的標稱直徑 為1.3納米。至少不含氯離子和鈉離子的水分子（H20)可以從中間部分或室629流經(jīng)穿孔 的石墨烯片612b的孔隙612bs而進入下游部分或室627a，從此處可以通過路徑222和收集 器皿224來收集去離子水。
[0066] 還如關(guān)于去離子器所討論的，除了將石墨烯片的孔隙功能化以吸引或排斥某些離 子之外，可以向每一石墨烯片應(yīng)用電荷，增加每一石墨烯片對帶相反電荷的離子的吸引和 對帶相似電荷的離子的排斥。例如，除了具有經(jīng)功能化的孔隙之外，上游石墨烯片612a可 以帶負電荷，這導(dǎo)致其排斥氯離子使其不通過孔隙612ac。具有負電荷的氯離子停留在上 游部分或室626a中，因為其被經(jīng)功能化的孔隙612ac和片612a上的負電荷所排斥。此外， 帶正電荷的鈉離子也將趨于與氯離子一起停留在上游室626a中。盡管相當(dāng)高濃度的氯離 子和鈉離子將被功能化和石墨烯片612a的電荷所排斥（直接或間接地），但是如關(guān)于僅具 有經(jīng)功能化的孔隙的實施方案所指出的，可能的是，一些氯、鈉或其他離子仍可以通過孔隙 612ac。如發(fā)生該情形，用孔隙612bs穿孔下游穿孔的石墨烯片612b，并且除了具有正功能 化的孔隙之外，石墨烯片612b還帶有正電荷。這種正電荷排斥鈉離子運送通過石墨烯片 612b，并且還間接地排斥可能到達中間室629的任何氯離子的運送。至少不含氯離子和鈉 離子的水分子（H 20)(去離子水）可以從中間部分或室629流經(jīng)穿孔的石墨烯片612b的孔 隙612bs而進入下游部分或室627a，從此處可以通過路徑222和收集器皿224來收集去離 子水。類似地操作可供替代的實施方案，其中向上游石墨烯片612a (其中片612a還具有帶 正電荷的經(jīng)功能化的孔隙612ac)應(yīng)用正電荷并且向下游石墨烯片612b (其中片612b還具 有帶負電荷的經(jīng)功能化的孔隙612bs)應(yīng)用負電荷。
[0067] 如所理解的，使用不同尺寸的孔隙并使石墨烯片帶電荷的另外的離子排斥方法可 以以不同方式與使用經(jīng)功能化的孔隙相結(jié)合。因此，一個實施方案可以使用經(jīng)功能化的孔 隙和不同尺寸的孔隙，而另一實施方案可以使用經(jīng)功能化的孔隙和帶電荷的石墨烯片。又 一實施方案可以同時使用所有三種方法，即，功能化、不同孔隙尺寸和帶電荷的石墨烯片。 [0068] 圖7是根據(jù)本公開一方面的去離子化布置方案的簡化圖。與圖6部件相對應(yīng)的圖 7部件用相似的參考字母數(shù)字指定。在圖7中，將穿孔的石墨烯片612a和612b卷起或螺旋 纏繞成圓柱體形式，并且插入外殼（分別例示為712a和712b)，如R0膜領(lǐng)域中所已知的。 [0069] 本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，通過一個石墨烯片或多個石墨烯片上的孔隙的選擇性功 能化，可以從水中除去除氯和鈉之外的其它離子。
[0070] 用于使水溶液去離子化的方法包括以下步驟：使石墨烯片的多個孔隙功能化以排 斥所述溶液中的第一離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的多個孔隙，未被傳送的第一離子 影響所述溶液中的第二離子以使其未運送通過所述經(jīng)功能化的多個孔隙；將所述石墨烯片 置于溶液流動路徑輸入端和溶液流動路徑輸出端之間；以及使溶液進入所述溶液流動路徑 輸入端并通過所述石墨烯片的經(jīng)功能化的多個孔隙，由此產(chǎn)生在所述石墨烯片的溶液流動 路徑輸出側(cè)上的去離子化的溶液以及在所述石墨烯片的溶液流動路徑輸入側(cè)上的包含第 一離子和第二離子的第二溶液。
[0071] 用于使溶液去離子化的方法包括以下步驟：使第一石墨烯片的第一多個孔隙功能 化以排斥所述溶液中的第一離子而使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙，未被運 送的第一離子還影響所述溶液中的第二離子而使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個 孔隙；使第二石墨烯片的第二多個孔隙功能化以排斥所述溶液中的第二離子，未被運送的 第二離子還影響所述溶液中的第一離子而使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙； 將所述第一石墨烯片置于溶液流動路徑輸入端的下游并且將所述第二石墨烯片置于所述 第一石墨烯片和溶液流動輸出端之間；以及使溶液進入所述溶液流動路徑輸入端，通過所 述第一石墨烯片，然后通過所述第二石墨烯片，由此在所述溶液流動路徑輸出端處產(chǎn)生去 離子化的溶液。
【權(quán)利要求】
1. 用于溶液的去離子化的方法，所述方法包括以下步驟： 使石墨烯片的多個孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一離子使其不運送通過所述經(jīng) 功能化的多個孔隙，所述未運送的第一離子影響所述溶液中的第二離子使其不運送通過所 述經(jīng)功能化的多個孔隙； 將所述石墨烯片置于溶液流動路徑輸入端和溶液流動路徑輸出端之間；以及 使溶液進入所述溶液流動路徑輸入端并通過所述石墨烯片的經(jīng)功能化的多個孔隙，由 此產(chǎn)生在所述石墨烯片的溶液流動路徑輸出側(cè)上的去離子化的溶液和在所述石墨烯片的 溶液流動路徑輸入側(cè)上的包含所述第一離子和第二離子的第二溶液。
2. 如權(quán)利要求1所述的去離子化的方法，其中： 所述第一離子是帶負電荷的離子； 所述第二離子是帶正電荷的離子；以及 使所述多個孔隙功能化包括使所述多個孔隙的邊緣功能化以具有負電荷，從而排斥所 述溶液中的帶負電荷的離子。
3. 如權(quán)利要求2所述的去離子化的方法，其中使所述多個孔隙的邊緣功能化以具有負 電荷包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來使所述邊緣功能化。
4. 如權(quán)利要求2所述的去離子化的方法，其中使所述多個孔隙的邊緣功能化以具有負 電荷包括使用具有整體負電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述邊緣功能化。
5. 如權(quán)利要求1所述的去離子化的方法，其中： 所述第一離子是帶正電荷的離子； 所述第二離子是帶負電荷的離子；以及 使所述多個孔隙功能化包括使所述多個孔隙的邊緣功能化以具有正電荷，從而排斥所 述溶液中的帶正電荷的離子。
6. 如權(quán)利要求5所述的去離子化的方法，其中使所述多個孔隙的邊緣功能化以具有正 電荷包括使用硼、氫、鋰、鎂或鋁來使所述邊緣功能化。
7. 如權(quán)利要求5所述的去離子化的方法，其中使所述多個孔隙的邊緣功能化以具有正 電荷包括使用具有整體正電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述邊緣功能化。
8. 如權(quán)利要求1所述的去離子化的方法，其還包括限定所述石墨烯片的多個孔隙的尺 寸以抵制所述第一離子的運送。
9. 如權(quán)利要求1所述的去離子化的方法，其還包括向所述石墨烯片應(yīng)用電荷，其中所 述電荷排斥所述第一離子。
10. 如權(quán)利要求9所述的去離子化的方法，其還包括限定所述石墨烯片的多個孔隙的 尺寸以抵制所述第一離子的運送。
11. 用于溶液的去離子化的方法，所述方法包括以下步驟： 使第一石墨烯片的第一多個孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一離子使其不運送通 過所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙，所述未運送的第一離子還影響所述溶液中的第二離子使 其不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙； 使第二石墨烯片的第二多個孔隙功能化以排斥所述溶液中的第二離子使其不運送通 過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙，所述未運送的第二離子還影響所述溶液中的第一離子使 其不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙； 將所述第一石墨烯片置于溶液流動路徑輸入端的下游并且將所述第二石墨烯片置于 所述第一石墨烯片和溶液流動輸出端之間；以及 使溶液進入所述溶液流動路徑輸入端，通過所述第一石墨烯片，然后通過所述第二石 墨烯片，由此在所述溶液流動路徑輸出端處產(chǎn)生去離子化的溶液。
12. 如權(quán)利要求11所述的去離子化的方法，其中： 所述第一離子是帶負電荷的離子； 所述第二離子是帶正電荷的離子； 使所述第一多個孔隙功能化包括使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能化以具有負電 荷，從而排斥所述溶液中的帶負電荷的離子；以及 使所述第二多個孔隙功能化包括使所述第二多個孔隙的第二邊緣功能化以具有正電 荷，從而排斥所述溶液中的帶正電荷的離子。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能化以具有負 電荷包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來使所述第一邊緣功能化。
14. 如權(quán)利要求12所述的去離子化的方法，其中使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能 化以具有負電荷包括使用具有整體負電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述第一邊緣功能 化。
15. 如權(quán)利要求12所述的去離子化的方法，其中使所述第二多個孔隙的第二邊緣功能 化以具有正電荷包括使用硼、氫、鋰、鎂或鋁來使所述第二邊緣功能化。
16. 如權(quán)利要求12所述的去離子化的方法，其中使所述第二多個孔隙的第二邊緣功能 化以具有正電荷包括使用具有整體正電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述第二邊緣功能 化。
17. 如權(quán)利要求11所述的去離子化的方法，其中： 所述第一離子是帶正電荷的離子； 所述第二離子是帶負電荷的離子； 使所述第一多個孔隙功能化包括使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能化以具有正電 荷，從而排斥所述溶液中的帶正電荷的離子；以及 使所述第二孔隙功能化包括使所述第二多個孔隙的第二邊緣功能化以具有負電荷，從 而排斥所述溶液中的帶負電荷的離子。
18. 如權(quán)利要求17所述的去離子化的方法，其中使所述第二多個孔隙的第二邊緣功能 化以具有負電荷包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘來使所述第二邊緣功能化。
19. 如權(quán)利要求17所述的去離子化的方法，其中使所述第二多個孔隙的第二邊緣功能 化以具有負電荷包括使用具有整體負電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述第二邊緣功能 化。
20. 如權(quán)利要求17所述的去離子化的方法，其中使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能 化以具有正電荷包括使用硼、氫、鋰、鎂或鋁來使所述第一邊緣功能化。
21. 如權(quán)利要求12所述的去離子化的方法，其中使所述第一多個孔隙的第一邊緣功能 化以具有正電荷包括使用具有整體正電荷的聚合物鏈或氨基酸鏈來使所述第一邊緣功能 化。
22. 如權(quán)利要求11所述的去離子化的方法，其還包括限定所述第一石墨烯片的第一多 個孔隙的尺寸以抵制所述第一離子的運送，以及限定所述第二石墨烯片的第二多個孔隙的 尺寸以抵制所述第二離子的運送。
23. 如權(quán)利要求11所述的去離子化的方法，其還包括向所述第一石墨烯片應(yīng)用第一電 荷以及向所述第二石墨烯片應(yīng)用第二電荷，其中所述第一電荷排斥所述第一離子以及所述 第二電荷排斥所述第二離子。
24. 如權(quán)利要求23所述的去離子化的方法，其還包括限定所述第一石墨烯片的第一多 個孔隙的尺寸以抵制所述第一離子的運送，以及限定所述第二石墨烯片的第二多個孔隙的 尺寸以抵制所述第二離子的運送。
25. 去離子器，其包括： 具有多個孔隙的石墨烯片，所述多個孔隙經(jīng)功能化以排斥溶液中的第一離子使其不運 送通過所述多個孔隙，所述未運送的第一離子影響所述溶液中的第二離子使其不運送通過 所述經(jīng)功能化的多個孔隙； 具有輸入端和輸出端的溶液流動路徑，其中所述石墨烯片被放置于所述溶液流動路徑 輸入端和所述溶液流動路徑輸出端之間；以及 負載有離子的溶液的源； 其中將所述負載有離子的溶液引入所述溶液流動路徑輸入端，經(jīng)過所述石墨烯片，由 此產(chǎn)生在所述石墨烯片的溶液流動路徑輸入側(cè)上的包含所述第一離子和所述第二離子的 第一離子溶液以及在所述石墨烯片的溶液流動路徑輸出側(cè)上的去離子化的溶液。
26. 如權(quán)利要求25所述的去離子器，其中： 所述第一離子是帶負電荷的離子； 所述第二離子是帶正電荷的離子；以及 所述經(jīng)功能化的多個孔隙包括具有帶負電荷的邊緣的多個孔隙以排斥所述溶液的帶 負電荷的離子。
27. 如權(quán)利要求25所述的去離子器，其中： 所述第一離子是帶正電荷的離子； 所述第二離子是帶負電荷的離子；以及 所述經(jīng)功能化的多個孔隙包括具有帶正電荷的邊緣的多個孔隙以排斥所述溶液的帶 正電荷的離子。
28. 如權(quán)利要求25所述的去離子器，其中所述石墨烯片的多個孔隙的尺寸被限定以抵 制所述第一離子的運送。
29. 如權(quán)利要求25所述的去離子器，其中使所述石墨烯片帶有電荷，所述電荷排斥所 述第一離子。
30. 如權(quán)利要求29所述的去離子器，其中所述石墨烯片的多個孔隙的尺寸被限定以抵 制所述第一離子的運送。
31. 溶液去離子器，其包括： 具有第一多個孔隙的第一石墨烯片，所述第一多個孔隙經(jīng)功能化以排斥第一離子使其 不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙，所述未運送的第一離子影響溶液中的第二離子 使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙； 具有第二多個孔隙的第二石墨烯片，所述第二多個孔隙經(jīng)功能化以排斥所述溶液中的 第二離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙，所述未運送的第二離子影響所述 溶液中的第一離子使其不運送通過所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙； 具有輸入端和輸出端的溶液流動路徑，其中所述第一石墨烯片處于所述溶液流動路徑 輸入端的下游，并且所述第二石墨烯片處于所述第一石墨烯片和所述溶液流動路徑輸出端 之間；以及 負載有離子的溶液的源； 其中將所述負載有離子的溶液引入所述溶液流動路徑輸入端，經(jīng)過所述第一石墨烯 片，然后經(jīng)過所述第二石墨烯片，由此在所述溶液流動路徑輸出端產(chǎn)生去離子化的溶液。
32. 如權(quán)利要求31所述的溶液去離子器，其中： 所述第一離子是帶負電荷的離子； 所述第二離子是帶正電荷的離子； 所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙包括具有帶負電荷的邊緣的第一多個孔隙，所述帶負電 荷的邊緣排斥所述溶液中的帶負電荷的離子；以及 所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙包括具有帶正電荷的邊緣的第二多個孔隙，所述帶正電 荷的邊緣排斥所述溶液中的帶正電荷的離子。
33. 如權(quán)利要求31所述的溶液去離子器，其中： 所述第一離子是帶正電荷的離子，以及所述第二離子是帶負電荷的離子， 其中所述經(jīng)功能化的第一多個孔隙包括具有帶正電荷的邊緣的第一多個孔隙，所述帶 正電荷的邊緣排斥所述溶液中的帶正電荷的離子；以及 其中所述經(jīng)功能化的第二多個孔隙包括具有帶負電荷的邊緣的第二多個孔隙，所述帶 負電荷的邊緣排斥所述溶液中的帶負電荷的離子。
34. 如權(quán)利要求31所述的溶液去離子器，其中所述第一石墨烯片的第一多個孔隙的尺 寸被限定以排斥所述第一離子的運送，以及所述第二石墨烯片的第二多個孔隙的尺寸被限 定以排斥所述第二離子的運送。
35. 如權(quán)利要求31所述的溶液去離子器，其中所述第一石墨烯片帶有第一電荷以及所 述第二石墨烯片帶有第二電荷，所述第一電荷排斥所述第一離子以及所述第二電荷排斥所 述第二離子。
36. 如權(quán)利要求35所述的溶液去離子器，其中所述第一石墨烯片的第一多個孔隙的尺 寸被限定以排斥所述第一離子的運送，以及所述第二石墨烯片的第二多個孔隙的尺寸被限 定以排斥所述第二離子的運送。
【文檔編號】C02F1/44GK104203835SQ201380014413
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月16日
【發(fā)明者】格雷戈里·S·霍, 雷克斯·G·貝內(nèi)特, 彼得·V·拜德沃斯, 小約翰·B·斯泰森 申請人:洛克希德馬丁公司