一種基于壓電納米材料的離子過濾器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于壓電納米材料的離子過濾器，其包括壓電納米材料過濾芯，其上具有作為濾料的壓電納米材料。所述壓電納米材料包括：氮化鎵、氮化銦和／或氧化鋅。所述壓電納米材料的納米結(jié)構(gòu)為納米線、納米棒或納米帶。本實用新型公開的所述離子過濾器中的壓電納米材料可以對液體如水中的多種離子雜質(zhì)，如重金屬離子、鈣鎂離子及氯離子進(jìn)行吸附，因而減少了所用凈化材料的種類，如陽離子交換樹脂、梯度陶瓷等，提高了凈化效率，降低了制造成本。壓電納米材料在使用一段時間后，可以用清水浸泡使其再生，相比與陽離子交換樹脂的交換劑，使用清水降低了本凈水器的使用成本。用于過濾水中的氯離子和重金屬離子。
【專利說明】一種基于壓電納米材料的離子過濾器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及液體凈化【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于壓電納米材料的離子過濾 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 2007年，佐治亞理工學(xué)院王中林教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了壓電電子學(xué)效應(yīng)。像氮化鎵、氮化 銦、氧化鋅等的壓電半導(dǎo)體納米線在受到外應(yīng)力作用時，在納米線的表面會產(chǎn)生壓電電荷， 利用這些壓電電荷，人們可以調(diào)控半導(dǎo)體納米線的輸運性質(zhì)。另一方面，如果使水溶液通 過放置有壓電半導(dǎo)體納米線的容器時，納米線受到大量水分子及溶質(zhì)分子的碰撞將產(chǎn)生形 變，從而在表面形成壓電電荷。這些壓電電荷可以吸附溶液中的帶電離子，很可能在生活用 水凈化系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用。
[0003] 目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水污染的程度越來越高，發(fā)展高效、價格低廉、容 易再生的水凈化器的任務(wù)愈加緊迫。家庭凈水器中所采用的凈化材料種類很多，包括PP 棉，活性炭、梯度陶瓷、陽離子樹脂、超濾膜，納濾膜，反滲透膜等。他們的凈化對象、凈化效 率及成本都不盡相同。要想得到雜質(zhì)含量很低的優(yōu)質(zhì)凈化水，往往需要多種材料復(fù)合使用， 這樣既降低了凈化效率，又增加了成本。另外，濾除水溶液中鈣鎂離子的陽離子樹脂每使用 一段時間都需要使用交換劑再生，進(jìn)一步增加了傳統(tǒng)水凈化器的使用成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 鑒于上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種基于壓電納米材料的離子過濾器。這 種離子過濾器中的壓電納米材料吸附液體的各種離子雜質(zhì)，起到凈化液體的作用。其用途 廣泛，可應(yīng)用于家庭用水、工業(yè)用水或醫(yī)用用水等的凈化，其也可以用于凈化其它液體。另 夕卜，壓電納米材料在使用一段時間后，用清水浸泡就可使其再生，相比于陽離子交換樹脂節(jié) 約了使用成本。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種基于壓電納米材料的離子過濾器，其包 括壓電納米材料過濾芯，其上具有作為濾料的壓電納米材料。
[0008] 其中，所述壓電納米材料包括：氮化鎵、氮化銦和/或氧化鋅。
[0009] 其中，所述壓電納米材料的納米結(jié)構(gòu)為納米線、納米棒或納米帶。
[0010] 其中，所述壓電納米材料為氮化鎵納米線。
[0011] 其中，所述離子過濾器用于過濾水中的氯離子和重金屬離子。
[0012] 其還包括：活性炭濾芯，其上具有顆?；钚蕴繛V料。
[0013] 其中，所述活性炭濾芯位于所述壓電納米材料過濾芯的上游。
[0014] 其還包括：聚丙烯濾芯，其上具有聚丙烯濾料。
[0015] 其還包括：超濾親水膜，其位于所述壓電納米材料過濾芯中，所述壓電納米材料平 鋪于所述超濾親水膜的表面。
[0016] 其還包括：麥飯石礦化料層和/或強力磁化器。
[0017] (三）有益效果
[0018] 從上述技術(shù)方案可以看出，本實用新型提出的基于壓電納米材料的離子過濾器具 有以下有益效果：
[0019] (1)壓電納米材料可以對液體如水中的多種離子雜質(zhì)，如重金屬離子、鈣鎂離子及 氯離子進(jìn)行吸附，因而減少了所用凈化材料的種類，如陽離子交換樹脂、梯度陶瓷等，提高 了凈化效率，降低了制造成本。
[0020] (2)壓電納米材料在使用一段時間后，可以用清水浸泡使其再生，相比與陽離子交 換樹脂的交換劑，使用清水降低了本凈水器的使用成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本實用新型實施例中基于氮化鎵納米線的家庭用水凈化器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為本實用新型中采用氮化鎵納米線作為凈化器材料在水中的凈化原理示意 圖。

【具體實施方式】
[0023] 為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并 參照附圖，對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或 相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通 技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無 需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以 下實施例中提到的方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方 向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本實用新型。
[0024] 本實用新型提供了一種基于壓電納米材料的離子過濾器，其包括壓電納米材料的 濾芯，其上具有作為濾料的壓電納米材料，用于濾除液體中的各種離子雜質(zhì)。其中，壓電納 米材料包括很多，如氮化鎵、氮化銦、及氧化鋅等。另外，壓電納米材料的結(jié)構(gòu)種類也較多， 如納米線、納米棒、納米帶等等。上面僅列舉了一部分常見的壓電納米材料和納米材料的結(jié) 構(gòu)種類，本實用新型不限于以上幾種，所有能夠在外力作用下產(chǎn)生壓電電荷的納米材料均 適用于本實用新型提出的技術(shù)方案中。
[0025] 本實用新型提出的所述離子過濾器中壓電納米材料優(yōu)選為氮化鎵納米線，其能夠 過濾的各種離子包括氯離子、重金屬離子、鈣鎂離子等，尤其是過濾鈣鎂離子的效果極佳， 非常適用于凈化水質(zhì)等。氮化鎵納米線在本領(lǐng)域中屬于現(xiàn)有技術(shù)，其制備方法已經(jīng)發(fā)表在 了 2011年的《納米技術(shù)》雜質(zhì)上。這種納米線的長度為10-20微米，半徑為100-500納米， 在受到外應(yīng)力的情況下可以給出上至1. 2伏特的輸出電勢。另外，在2013年《納米技術(shù)》的 另一篇報道中，觀察到了壓電半導(dǎo)體納米線對不同氣體分子的吸附行為。然而以上的報道 只是對壓電納米材料合成及所具有的吸附能力做了演示，并沒有將其作為水凈化材料加以 利用。
[0026] 本實用新型提出的上述離子過濾器用于過濾對壓電納米材料溶解度不大的液體 介質(zhì)中的雜質(zhì)，如水中的重金屬離子、鈣鎂離子、及氯離子等。離子過濾器的一種常見應(yīng)用 為家庭用的凈化器，下面以家庭用的凈化器及優(yōu)選壓電納米材料氮化鎵納米線為例說明本 實用新型提出的基于壓電納米材料的離子過濾器的結(jié)構(gòu)及其過濾原理。
[0027] 在本實用新型的一個示例性實施例中，提供了一種基于氮化鎵納米線的家庭用水 凈化器。凈水器所用的濾料都放在相同尺寸的濾芯中。濾芯可在市場上買到，由PET塑料 制成，厚度不小于5毫米，其上有若干個直徑不小于5毫米的篩孔用以填充濾料。
[0028] 圖1示出了本實用新型實施例中基于氮化鎵納米線的家庭用水凈化器的結(jié)構(gòu)框 圖。如圖1所示，該凈水器由上至下包括：
[0029] 進(jìn)水口。
[0030] 聚丙烯（PP)濾料，用來進(jìn)行初過濾，主要過濾水中的大顆粒懸浮物，如泥沙、水 藻、微生物、鐵銹、銅銹、磷污等。
[0031] 顆?；钚蕴繛V料，其內(nèi)部具有多孔，孔內(nèi)有許多毛細(xì)管，具有吸附作用，主要濾除 水中的各種雜質(zhì)如氯、酚、氰化物、農(nóng)藥等，所述顆?；钚蕴繛V料位于氮化鎵納米線濾料的 上游。
[0032] 氮化鎵納米線濾料，其包括氮化鎵納米線，并采用蒸汽-液-固流程合成，主要作 用是吸附水中存在的各種離子，包括鈣、鎂、氯離子及各種重金屬離子。
[0033] 超濾親水膜，其用于進(jìn)一步去除有機物、雜質(zhì)、膠體、細(xì)菌等粒狀懸浮物和部分病 毒，過濾阻力很小。
[0034] 麥飯石礦化料層，主要作用是礦化凈化水質(zhì)，增加水的生物活性。
[0035] 強力磁化器，通過強力磁化器磁化的水含有多種人體所需的微量元素，磁化作用 能有效地預(yù)防多種疾病，促進(jìn)人體新陳代謝。
[0036] 出水口。
[0037] 其中，氮化鎵濾料與超濾親水膜放在同一個濾芯中，氮化鎵平鋪在超濾親水膜之 上。上面的濾料可以根據(jù)凈化器的具體功能可選擇使用一種或多種的組合。
[0038] 除氮化鎵納米線濾料外，其他凈化材料都可以在相關(guān)市場方便購得。下面對氮化 鎵納米線濾料的獲得及凈化原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0039] 下面介紹本實用新型中采用改進(jìn)的蒸汽-液-固流程獲得氮化鎵納米線的具體流 程。
[0040] 首先，用磁控濺射的方法將2納米厚的鎳薄膜沉積在硅（001)基底上，鎳用作氮化 鎵納米線生長的催化劑。
[0041] 之后，將沉積著鎳的硅基底置于一個鋁制的小船的中央，將兩塊鎵金屬放在小船 的兩端，他們不僅可以充當(dāng)鎵源，還可以防止產(chǎn)物氧化。
[0042] 最后，將整個鋁制小船放在一個管式爐中央，抽真空至8ΧΚΓ3托以去除氧氣和水 蒸氣。在流入氨氣量為30立方厘米每分鐘的同時加熱管式爐至900度并保持30分鐘，金 屬鎵和氨氣反應(yīng)生成氮化鎵納米線。
[0043] 圖2為本實用新型中采用氮化鎵納米線作為凈化器材料在水中的凈化原理示意 圖。如圖2所示，當(dāng)含有雜質(zhì)如鈣、鎂、氯離子及重金屬離子的水經(jīng)過氮化鎵納米線所在容 器時，大量水分子與氮化鎵納米線發(fā)生碰撞，使納米受力線彎曲。由于氮化鎵具有壓電性 質(zhì)，在完全的氮化鎵納米線表面會出現(xiàn)壓電電荷。這些壓電電荷可以吸附水中的雜質(zhì)離子， 如鈣鎂離子，進(jìn)而起到凈化水質(zhì)的作用。
[0044] 至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)對本實用新型基于氮化鎵納米線的家庭用水凈化器有了清楚的認(rèn)識。
[0045] 此外，上述對各材料和方法的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、 形狀和方法，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地熟知地替換，例如：
[0046] (1)作為初步過濾的水凈化材料，不僅可以使用PP棉，還可以使用如微孔陶瓷及 梯度陶瓷等材料。
[0047] (2)作為水凈化材料使用的活性炭包括顆?；钚蕴?、滲銀活性炭，以及纖維活性 炭。他們可以替換使用。
[〇〇48] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，包括壓電納米材料過濾芯，其上 具有作為濾料的壓電納米材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，所述壓電納米 材料包括：氮化鎵、氮化銦和/或氧化鋅。
3. 如權(quán)利要求1-2任一項所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，所述 壓電納米材料的納米結(jié)構(gòu)為納米線、納米棒或納米帶。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，所述壓電納米 材料為氮化鎵納米線。
5. 如權(quán)利要求1-2任一項所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，其還 包括： 活性炭濾芯，其上具有顆?；钚蕴繛V料。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于所述活性炭濾芯 位于所述壓電納米材料過濾芯的上游。
7. 如權(quán)利要求1_2、6任一項所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，其 還包括： 聚丙烯濾芯，其上具有聚丙烯濾料。
8. 如權(quán)利要求1_2、6任一項所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，其 還包括： 超濾親水膜，其位于所述壓電納米材料過濾芯中，所述壓電納米材料平鋪于所述超濾 親水膜的表面。
9. 如權(quán)利要求7所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，其還包括： 超濾親水膜，其位于所述壓電納米材料過濾芯中，所述壓電納米材料平鋪于所述超濾 親水膜的表面。
10. 如權(quán)利要求1、2、6或9所述的基于壓電納米材料的離子過濾器，其特征在于，其還 包括：麥飯石礦化料層和/或強力磁化器。
【文檔編號】C02F9/12GK203833753SQ201420072888
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】劉偉, 張愛華, 張巖, 王中林 申請人:國家納米科學(xué)中心