(57)【要約】脱イオンするためのグラフェン孔の官能化  グラフェンシートの複数の開口部を官能化し、溶液中の第一イオンを官能化された複数の開口部の通過から跳ね返すことを含む、溶液の脱イオン方法。通過しない第一イオンは、溶液中の第二イオンに、影響を及ぼし、官能化された複数の開口部を通過しない。グラフェンシートは、溶液流路入口と溶液流路出口の間に配置される。溶液は、溶液流路入口に導入され、グラフェンシートの官能化された複数の開口部を通り、脱イオン溶液をグラフェンシートの溶液流路出口側に、及び第一イオン及び第二イオンを含む第二溶液をグラフェンシートの溶液流路入口側に得る。
2015516286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液の脱イオン方法であって、
グラフェンシートの複数の開口部を官能化し、前記溶液中の第一イオンを前記官能化された複数の開口部の通過から跳ね返し、前記通過しない第一イオンが、前記溶液中の第二イオンに影響を及ぼし、前記官能化された複数の開口部を通過しない工程と、
溶液流路入口と溶液流路出口の間にグラフェンシートを配置する工程と、
溶液を、前記溶液流路入口に導入させ、前記グラフェンシートの前記官能化された複数の開口部に通し、それによって、前記グラフェンシートの前記溶液流路出口側に脱イオン溶液、及び前記グラフェンシートの前記溶液流路入口側に前記第一イオン及び前記第二イオンを含む第二溶液を得る工程とを含む、脱イオン方法。
【請求項２】
前記第一イオンが、負に帯電したイオンであり、
前記第二イオンが、正に帯電したイオンであり、
前記複数の開口部を官能化することが、前記複数の開口部の周囲を官能化して負電荷を持たせ、前記溶液中の前記負に帯電したイオンを跳ね返すことを含む、請求項１に記載の脱イオン方法。
【請求項３】
前記複数の開口部の前記周囲を官能化して負電荷を持たせることが、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を使用して前記周囲を官能化することを含む、請求項２に記載の脱イオン方法。
【請求項４】
前記複数の開口部の前記周囲を官能化して負電荷を持たせることが、全体的に負電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して前記周囲を官能化することを含む、請求項２に記載の脱イオン方法。
【請求項５】
前記第一イオンが、正に帯電したイオンであり、
前記第二イオンが、負に帯電したイオンであり、
前記複数の開口部を官能化することが、前記複数の開口部の周囲を官能化して正電荷を持たせ、前記溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返すことを含む、請求項１に記載の脱イオン方法。
【請求項６】
前記複数の開口部の周囲を官能化して正電荷を持たせることが、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムを使用して前記周囲を官能化することを含む、請求項５に記載の脱イオン方法。
【請求項７】
前記複数の開口部の周囲を官能化して正電荷を持たせることが、全体的に正電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して前記周囲を官能化させることを含む、請求項５に記載の脱イオン方法。
【請求項８】
前記グラフェンシートの前記複数の開口部を、前記第一イオンの前記通過を跳ね返すための寸法にすることをさらに含む、請求項１に記載の脱イオン方法。
【請求項９】
前記グラフェンシートに電荷を印加し、前記電荷が前記第一イオンを跳ね返すことをさらに含む、請求項１に記載の脱イオン方法。
【請求項１０】
前記グラフェンシートの前記複数の開口部を、前記第一イオンの前記通過を跳ね返すための寸法にすることをさらに含む、請求項９に記載の脱イオン方法。
【請求項１１】
溶液の脱イオン方法であって、
第一グラフェンシートの第一の複数の開口部を官能化し、前記溶液中の第一イオンを前記官能化された第一の複数の開口部の通過から跳ね返し、前記通過しない第一イオンが、前記溶液中の第二イオンにも影響を及ぼし、前記官能化された第一の複数の開口部を通過しない工程と、
第二グラフェンシートの第二の複数の開口部を官能化し、前記溶液中の第二イオンを前記官能化された第二の複数の開口部の通過から跳ね返し、前記通過しない第二イオンが、前記溶液中の第一イオンにも影響を及ぼし、前記官能化された第二の複数の開口部を通過しない工程と、
前記第一グラフェンシートを、溶液流路入口の下流に配置し、前記第二グラフェンシートを、前記第一グラフェンシートと溶液流路出口の間に配置する工程と、
溶液を、前記溶液流路入口に導入させ、前記第一グラフェンシート、次いで前記第二グラフェンシートに通し、それによって、前記溶液流路出口に脱イオン溶液を得る工程を含む、脱イオン方法。
【請求項１２】
前記第一イオンが、負に帯電したイオンであり、
前記第二イオンが、正に帯電したイオンであり、
前記第一の複数の開口部を官能化することが、前記第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して負電荷を持たせ、前記溶液中の前記負に帯電したイオンを跳ね返すことを含み、かつ
前記第二の複数の開口部を官能化することが、前記第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して正電荷を持たせ、前記溶液中の前記正に帯電したイオンを跳ね返すことを含む、請求項１１に記載の脱イオン方法。
【請求項１３】
前記第一の複数の開口部の前記第一周囲を官能化して負電荷を持たせることが、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を使用して、前記第一周囲を官能化することを含む、請求項１２に記載の脱イオン方法。
【請求項１４】
前記第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して負電荷を持たせることが、全体的に負電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して第一周囲を官能化することを含む、請求項１２に記載の脱イオン方法。
【請求項１５】
前記第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して正電荷を持たせることが、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムを使用して前記第二周囲を官能化することを含む、請求項１２に記載の脱イオン方法。
【請求項１６】
前記第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して正電荷を持たせることが、全体的に正電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して前記第二周囲を官能化することを含む、請求項１２に記載の脱イオン方法。
【請求項１７】
前記第一イオンが、正に帯電したイオンであり、
前記第二イオンが、負に帯電したイオンであり、
前記第一の複数の開口部を官能化することが、前記第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して正電荷を持たせ、前記溶液中の前記正に帯電したイオンを跳ね返すことを含み、かつ
第二の開口部を官能化することが、前記第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して負電荷を持たせ、前記溶液中の前記負に帯電したイオンを跳ね返すことを含む、請求項１１に記載の脱イオン方法。
【請求項１８】
前記第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して負電荷を持たせることが、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を使用して前記第二周囲を官能化することを含む、請求項１７に記載の脱イオン方法。
【請求項１９】
前記第二の複数の開口部の前記第二周囲を官能化して負電荷を持たせることが、全体的に負電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して前記第二周囲を官能化することを含む、請求項１７に記載の脱イオン方法。
【請求項２０】
前記第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して正電荷を持たせることが、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムを使用して前記第一周囲を官能化することを含む、請求項１７に記載の脱イオン方法。
【請求項２１】
前記第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して正電荷を持たせることが、全体的に正電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して前記第一周囲を官能化することを含む、請求項１２に記載の脱イオン方法。
【請求項２２】
前記第一グラフェンシートの前記第一の複数の開口部を、前記第一イオンの通過を跳ね返すための寸法にし、第二グラフェンシートの前記第二の複数の開口部を、前記第二イオンの通過を跳ね返すための寸法にすることをさらに含む、請求項１１に記載の脱イオン方法。
【請求項２３】
前記第一グラフェンシートに第一電荷を、前記第二グラフェンシートに第二電荷を印加することをさらに含み、前記第一電荷が前記第一イオンを跳ね返し、前記第二電荷が前記第二イオンを跳ね返す、請求項１１に記載の脱イオン方法。
【請求項２４】
前記第一グラフェンシートの前記第一の複数の開口部を、前記第一イオンの通過を跳ね返すための寸法にし、前記第二グラフェンシートの前記第二の複数の開口部を、前記第二イオンの通過を跳ね返すための寸法にすることをさらに含む、請求項２３に記載の脱イオン方法。
【請求項２５】
複数の開口部を有するグラフェンシートであって、前記開口部が官能化されて溶液中の第一イオンを跳ね返し、前記通過しない第一イオンが、前記溶液中の第二イオンに影響を及ぼし、前記官能化された複数の開口部を通過させないグラフェンシートと、
入口及び出口を有する溶液流路であって、グラフェンシートが前記溶液流路入口と前記溶液流路出口との間に配置される溶液流路と、
イオンを含む溶液の供給源とを含み、
前記イオンを含む溶液が、前記溶液流路入口に導入され、前記グラフェンシートを通過し、それによって、前記グラフェンシートの溶液流路入口側に前記第一イオン及び前記第二イオンを含む第一イオン溶液、及び前記グラフェンシートの溶液流路出口側に脱イオン溶液を得る、脱イオン装置。
【請求項２６】
第一イオンが、負に帯電したイオンであり、
第二イオンが、正に帯電したイオンであり、及び
前記官能化された複数の開口部が、負に帯電した周囲を有する複数の開口部を含み、前記溶液中の前記負に帯電したイオンを跳ね返す、請求項２５に記載の脱イオン装置。
【請求項２７】
前記第一イオンが、正に帯電したイオンであり、
前記第二イオンが、負に帯電したイオンであり、及び
前記官能化された複数の開口部が、正に帯電した周囲を有する複数の開口部を含み、前記溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返す、請求項２５に記載の脱イオン装置。
【請求項２８】
前記グラフェンシートの前記複数の開口部が、前記第一イオンの通過を跳ね返す寸法を有する、請求項２５に記載の脱イオン装置。
【請求項２９】
前記グラフェンシートが電荷で帯電され、前記電荷が前記第一イオンを跳ね返す、請求項２５に記載の脱イオン装置。
【請求項３０】
前記グラフェンシートの前記複数の開口部が、前記第一イオンの通過を跳ね返す寸法を有する、請求項２９に記載の脱イオン装置。
【請求項３１】
第一の複数の開口部を有する第一グラフェンシートであって、前記第一の複数の開口部が、官能化されて第一イオンを前記官能化された第一の複数の開口部の通過から跳ね返し、前記通過しない第一イオンが、前記溶液中の前記第二イオンに影響を及ぼし、前記官能化された第一の複数の開口部を通過させない第一グラフェンシートと、
第二の複数の開口部を有する第二グラフェンシートであって、前記第二の複数の開口部が、前記溶液中の前記第二イオンを前記官能化された第二の複数の開口部の通過から跳ね返し、前記通過しない第二イオンが、前記溶液中の前記第一イオンに影響を及ぼし、前記官能化された第二の複数の開口部を通過させない第二グラフェンシートと、
入口及び出口を有する溶液流路であって、前記第一グラフェンシートが前記溶液流路入口の下流に、前記第二グラフェンシートが前記第一グラフェンシートと前記溶液流路出口との間に配置された溶液流路と、
イオンを含む溶液の供給源とを含み、
前記イオンを含む溶液が、前記溶液流路入口に導入され、前記第一グラフェンシートを通過し、次いで前記第二グラフェンシートを通過し、それによって、前記溶液流路出口で脱イオンされた溶液を得る、溶液脱イオン装置。
【請求項３２】
前記第一イオンが、負に帯電したイオンであり、
前記第二イオンが、正に帯電したイオンであり、
前記官能化された第一の複数の開口部が、前記溶液中の前記負に帯電したイオンを跳ね返す負に帯電した周囲を有する第一の複数の開口部を含み、かつ
前記官能化された第二の複数の開口部が、前記溶液中の前記正に帯電したイオンを跳ね返す正に帯電した周囲を有する第二の複数の開口部を含む、請求項３１に記載の溶液脱イオン装置。
【請求項３３】
前記第一イオンが正に帯電したイオンであり、
前記第二イオンが負に帯電したイオンであり、
前記官能化された第一の複数の開口部が、前記溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返す正に帯電した周囲を有する第一の複数の開口部を含み、かつ
前記官能化された第二の複数の開口部が、前記溶液中の前記負に帯電したイオンを跳ね返す負に帯電した周囲を有する第二の複数の開口部を含む、請求項３１に記載の溶液脱イオン装置。
【請求項３４】
前記第一グラフェンシートの前記第一の複数の開口部が、前記第一イオンの通過を跳ね返す寸法を有し、前記第二グラフェンシートの前記第二の複数の開口部が、前記第二イオンの通過を跳ね返す寸法を有する、請求項３１に記載の溶液脱イオン装置。
【請求項３５】
前記第一グラフェンシートが第一電荷で帯電され、第二グラフェンシートが第二電荷で帯電され、前記第一電荷が第一イオンを跳ね返し、前記第二電荷が第二イオンを跳ね返す、請求項３１に記載の溶液脱イオン装置。
【請求項３６】
前記第一グラフェンシートの前記第一の複数の開口部が、前記第一イオンの通過を跳ね返す寸法を有し、前記第二グラフェンシートの前記第二の複数の開口部が、前記第二イオンの通過を跳ね返す寸法を有する、請求項３５に記載の溶液脱イオン装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、イオンろ過に関し、より詳しくは、グラフェン孔の官能化を利用して脱イオンするための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
淡水資源が益々乏しくなるにつれて、多くの国が、塩で汚染された水、最も重要なのは海水、を清浄な飲用水に転換できる解決策を求めている。
【０００３】
水を淡水化するための既存の技術は、４つの広い区分、即ち蒸留、イオン性処理、メンブラン処理、及び結晶化に分けられる。これらの技術の中で最も効率的で、最も利用されているのは、多段階フラッシュ蒸留(ＭＳＦ)、多重効用蒸発(ＭＥＥ)及び逆浸透(ＲＯ)である。コストが、これらの処理全てを推し進める要因であり、エネルギー及び投資コストの両方が重大である。ＲＯ及びＭＳＦ／ＭＥＥ技術の両方は、十分に発展している。現在、最良の淡水化解決策は、水の単純な蒸発により確立した理論的最小エネルギー限度、３〜７Ｋジュール/ｋｇ、の２〜４倍を必要としている。蒸留淡水化法には、多段階フラッシュ蒸発、多重効用蒸留、蒸気圧縮、太陽光加湿、及び地熱淡水化が挙げられる。これらの方法には、水の状態を変えて淡水化を行うという共通の手法がある。これらの手法は、熱伝達及び/又は真空圧力を使用して、塩水溶液を蒸発させている。次いで、水蒸気は淡水として凝縮され、集められる。
【０００４】
イオン性処理淡水化方法は、溶液の中のイオンによる化学的及び電気的相互作用に焦点を合わせている。イオン性処理淡水化方法の例としては、イオン交換、電気透析、及び容量性脱イオンが挙げられる。イオン交換は、固体重合体状又は鉱物イオン交換体を食塩水水溶液中に導入する。イオン交換体が、溶液中の望ましいイオンを結合し、それらを容易にろ別できるようにする。電気透析は、陽イオン及び陰イオン選択性メンブラン及び電圧電位を使用し、淡水及び塩水溶液の交番チャネルを造り出す処理である。容量性脱イオンは、電圧電位を使用して、帯電したイオンを溶液から吸引し、そのイオンを捕獲するが、水分子は通過させる。
【０００５】
メンブラン淡水化処理は、ろ過及び圧力を使用して、溶液からイオンを除去する。逆浸透(ＲＯ)は、広く使用されている淡水化技術であり、イオン溶液の浸透圧に打ち克つために、食塩水溶液に圧力をかける。圧力は、水分子を、多孔質メンブランを通して淡水室に押し込み、一方、イオンは捕獲したままにし、高濃度の塩水を造る。淡水を得るには、浸透圧に打ち克つ必要があるので、圧力が、これらの手法に対するコスト的な運転要因である。結晶化淡水化は、イオンが含まれずに、結晶が優先的に生じる現象に基づいている。氷又はメチル水和物として、結晶化された水を造ることにより、溶解したイオンから純水を単離することができる。単純な凍結の場合、水は凝固点未満に冷却され、それによって氷が作られる。次いで氷が融解し、純水が形成される。メチル水和物結晶化方法は、塩水溶液を通して浸み出したメタンガスを使用し、メタンハイドレートを形成するが、これは、水が凍結する温度より低い温度でおこる。メチル水和物は上昇し、容易に分離し、温められ、メタン及び淡水化された水に分解する。淡水化した水は集められ、メタンが循環使用される。
【０００６】
淡水化のための蒸発及び凝縮は、一般的にエネルギー効率が良いと考えられているが、集中した熱源が必要である。大規模で行う場合、淡水化のための蒸発及び凝縮は、一般的に発電所が共存し、地理学的な分布及びサイズに制限される傾向がある。
【０００７】
容量性脱イオンは広く使用されていないが、これは、容量性電極が除去された塩により汚染され、頻繁な保守を必要とするためであろう。必要な電圧が、プレートの間隔及び流量により左右される傾向があり、電圧が危険なこともある。
【０００８】
逆浸透(ＲＯ)フィルターは、水の浄化に広く使用されている。ＲＯフィルターは、典型的には酢酸セルロース又はポリイミド薄膜複合材料から製造され、典型的には厚さが１ミリメートル(ｍｍ)の多孔質又は半透膜を使用する。これらの材料は、親水性である。メンブランは、取扱いが好都合で、メンブラン支持のために、管状形態に渦巻きにすることが多い。メンブランは、不規則サイズの開口部分布を示し、そこでは、最大サイズの開口部は十分に小さく、水分子を通過させるが、イオン、例えば水に溶解した塩、は通過させないか、又はブロックする。典型的なＲＯメンブランの１ミリメートル厚さにも関わらず、ＲＯメンブラン固有の不規則構造は、メンブランを通って流れる水に、長い、遠回りな、又は曲がりくねった経路を限定し、これらの経路の長さが１ミリメートルよりはるかに大きい場合がある。経路の長さ及び不規則構造により、表面における水分子からイオンを除去し、次いで水分子を、メンブランを通して、浸透圧に抗して移動させるのに、かなりの圧力が必要になる。従って、ＲＯフィルターは、エネルギー効率が悪い傾向がある。
【０００９】
図１は、ＲＯメンブラン10の断面を図式的に示す。図１で、メンブラン10は、上流イオン性水溶液16に面した上流表面12、及び下流表面14を限定する。上流側に示すイオンは、＋電荷を有するナトリウム(Ｎａ)及び−電荷を有する塩素(Ｃｌ)として選択する。ナトリウムは、4個の溶媒和する水分子(Ｈ２Ｏ)と会合しているものとして示す。各水分子は、1個の酸素原子と2個の水素(Ｈ)原子を含む。図１のＲＯメンブラン10中を流れる水の経路20の一つを、上流表面12上の開口部20uから、下流表面14上の開口部20dに伸びるものとして示す。経路20は、巻き込んでいるように示しているが、典型的な経路の、実際の曲がりくねった状態を示すことは不可能である。また、20として示す経路は、複数の開口部及び複数の下流開口部と相互接続していることが予想される。ＲＯメンブラン10を通る経路(複数可)20は、巻き込んでいるのみならず、開口部の一部が不可避なくずによりブロックされるので、場合により変化していることがある。
【００１０】
これに代わる淡水化方法及び装置も望ましい。
【発明の概要】
【００１１】
溶液の脱イオン方法を開示するが、本方法は、グラフェンシートの複数の開口部を官能化し、溶液中の第一イオンを官能化された複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第一イオンが、溶液中の第二イオンに影響を及ぼし、官能化された複数の開口部を通過しない工程と、溶液流路入口と溶液流路出口の間にグラフェンシートを配置する工程と、溶液を、溶液流路入口に導入させ、グラフェンシートの官能化された複数の開口部に通し、それによって、グラフェンシートの溶液流路出口側に脱イオン溶液、及びグラフェンシートの溶液流路入口側に第一イオン及び第二イオンを含む第二溶液を得る工程とを含む。
【００１２】
一実施態様では、第一イオンは、負に帯電したイオンでよく、第二イオンは、正に帯電したイオンでよく、複数の開口部を官能化することは、複数の開口部の周囲を官能化して負電荷を持たせ、溶液中の負に帯電したイオンを跳ね返すことを含むことができる。複数の開口部の周囲を官能化して負電荷を持たせることは、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を使用して周囲を官能化することを含むことができる。あるいは、複数の開口部の周囲を官能化して負電荷を持たせることは、全体的に負電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して周囲を官能化することを含むことができる。別の実施態様では、第一イオンは、正に帯電したイオンでよく、第二イオンは、負に帯電したイオンでよく、複数の開口部を官能化することは、複数の開口部の周囲を官能化して正電荷を持たせ、溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返すことを含むことができる。複数の開口部の周囲を官能化して正電荷を持たせることは、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムを使用して周囲を官能化することを含むことができる。あるいは、複数の開口部の周囲を官能化して正電荷を持たせることは、全体的に正電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して周囲を官能化させることを含むことができる。
【００１３】
脱イオン方法は、グラフェンシートの複数の開口部を、第一イオンの通過を跳ね返すための寸法にすることをさらに含むことができる。本方法は、グラフェンシートに電荷を印加し、その電荷が第一イオンを跳ね返すことをさらに含むことができる。
【００１４】
溶液の脱イオン方法を開示するが、本方法は、第一グラフェンシートの第一の複数の開口部を官能化し、溶液中の第一イオンを官能化された第一の複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第一イオンが、溶液中の第二イオンにも影響を及ぼし、官能化された第一の複数の開口部を通過しない工程と、第二グラフェンシートの第二の複数の開口部を官能化し、溶液中の第二イオンを官能化された第二の複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第二イオンが、溶液中の第一イオンにも影響を及ぼし、官能化された第二の複数の開口部を通過しないようにする工程と、第一グラフェンシートを、溶液流路入口の下流に配置し、第二グラフェンシートを、第一グラフェンシートと溶液流路出口の間に配置する工程と、溶液を、溶液流路入口に導入させ、該第一グラフェンシート、次いで前記第二グラフェンシートに通す工程を含み、それによって、溶液流路出口に脱イオンされた溶液を得る。
【００１５】
一実施態様では、第一イオンは、負に帯電したイオンであり、第二イオンは、正に帯電したイオンであり、第一の複数の開口部の第一周囲を官能化することは、第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して負電荷を持たせ、溶液中の負に帯電したイオンを跳ね返すことを含み、第二の複数の開口部を官能化することは、第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して正電荷を持たせ、溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返すことを含む。第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して負電荷を持たせることは、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を使用して、第一の複数の開口部の第一周囲を官能化することを含むことができる。あるいは、第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して負電荷を持たせることは、全体的に負電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して第一周囲を官能化することを含むことができる。第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して正電荷を持たせることは、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムを使用して第二周囲を官能化することを含むことができる。あるいは、第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して正電荷を持たせることは、全体的に正電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して第二周囲を官能化することを含むことができる。
【００１６】
別の実施態様では、第一イオンは、正に帯電したイオンであり、第二イオンは、負に帯電したイオンであり、第一の複数の開口部を官能化することは、第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して正電荷を持たせ、溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返すことを含み、第二の開口部を官能化することは、第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して負電荷を持たせ、溶液中の負に帯電したイオンを跳ね返すことを含む。第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して負電荷を持たせることは、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を使用して第二周囲を官能化することを含むことができる。あるいは、第二の複数の開口部の第二周囲を官能化して負電荷を持たせることは、全体的に負電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して第二周囲を官能化させることを含むことができる。第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して正電荷を持たせることは、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムを使用して第一周囲を官能化することを含むことができる。あるいは、第一の複数の開口部の第一周囲を官能化して正電荷を持たせることは、全体的に正電荷を有する重合体鎖又はアミノ酸鎖を使用して第一周囲を官能化することを含むことができる。
【００１７】
本方法は、第一グラフェンシートの第一の複数の開口部を、第一イオンの通過を跳ね返すための寸法にし、第二グラフェンシートの第二の複数の開口部を、第二イオンの通過を跳ね返すための寸法にすることをさらに含む。本方法は、第一グラフェンシートに第一電荷を、第二グラフェンシートに第二電荷を印加することをさらに含むことができ、前記第一電荷は第一イオンを跳ね返し、前記第二電荷は第二イオンを跳ね返す。
【００１８】
複数の開口部を有するグラフェンシートであって、前記開口部は、官能化されて溶液中の第一イオンを複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第一イオンが、溶液中の第二イオンに影響を及ぼし、官能化された複数の開口部を通過しないグラフェンシートと、入口及び出口を有する溶液流路であって、グラフェンシートが前記溶液流路入口と前記溶液流路出口との間に配置された溶液流路と、イオンを含む溶液の供給源とを含む、脱イオン装置を開示する。イオンを含む溶液は、溶液流路入口に導入され、グラフェンシートを通過し、それによって、グラフェンシートの溶液流路入口側に第一イオン及び第二イオンを含む第一イオン溶液、及びグラフェンシートの溶液流路出口側に脱イオンされた溶液を得る。
【００１９】
一実施態様では、第一イオンが、負に帯電したイオンであり、第二イオンが、正に帯電したイオンであり、官能化された複数の開口部が、負に帯電した周囲を有する複数の開口部を含み、溶液中の負に帯電したイオンを跳ね返す。別の実施態様では、第一イオンが正に帯電したイオンであり、第二イオンが負に帯電したイオンであり、官能化された複数の開口部が、正に帯電した周囲を有する複数の開口部を含み、溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返す。
【００２０】
脱イオン装置は、グラフェンシートの複数の開口部が、第一イオンの通過を跳ね返す寸法を有することをさらに含む。脱イオン装置は、グラフェンシートを、電荷で帯電させ、電荷が第一イオンを跳ね返すこともさらに含む。
【００２１】
第一の複数の開口部を有する第一グラフェンシートであって、前記第一の複数の開口部は、官能化されて第一イオンを官能化された第一の複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第一イオンが、溶液中の第二イオンに影響を及ぼし、官能化された第一の複数の開口部を通過しない第一のグラフェンシートと、第二の複数の開口部を有する第二グラフェンシートであって、前記第二の複数の開口部は、官能化されて溶液中の第二イオンを官能化された第二の複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第二イオンが、溶液中の第一イオンに影響を及ぼし、官能化された第二の複数の開口部を通過しない第二のグラフェンシートと、入口及び出口を有する溶液流路であって、第一グラフェンシートは溶液流路入口の下流に、第二グラフェンシートは第一グラフェンシートと溶液流路出口との間に配置された溶液流路と、イオンを含む溶液の供給源とを含む、溶液脱イオン装置を開示する。イオンを含む溶液は、溶液流路入口に導入され、第一グラフェンシートを通過し、次いで第二グラフェンシートを通過し、それによって、溶液流路出口で脱イオンされた溶液を得る。
【００２２】
一実施態様では、第一イオンが、負に帯電したイオンであり、第二イオンが、正に帯電したイオンであり、官能化された第一の複数の開口部が、負に帯電した周囲を有する第一の複数の開口部を含み、溶液中の負に帯電したイオンを跳ね返し、官能化された第二の複数の開口部が、正に帯電した周囲を有する第二の複数の開口部を含み、溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返す。別の実施態様では、第一イオンが正に帯電したイオンであり、第二イオンが負に帯電したイオンであり、官能化された第一の複数の開口部が、正に帯電した周囲を有する第一の複数の開口部を含み、溶液中の正に帯電したイオンを跳ね返し、官能化された第二の複数の開口部が、負に帯電した周囲を有する第二の複数の開口部を含み、溶液中の負に帯電したイオンを跳ね返す。
【００２３】
溶液脱イオン装置は、第一グラフェンシートの第一の複数の開口部が、第一イオンの通過を跳ね返す寸法を有し、第二グラフェンシートの第二の複数の開口部が、第二イオンの通過を跳ね返す寸法を有する。溶液脱イオン装置は、第一グラフェンシートが第一電荷で帯電され、第二グラフェンシートが第二電荷で帯電され、前記第一電荷が第一イオンを跳ね返し、前記第二電荷が第二イオンを跳ね返すこともさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】先行技術の逆浸透(ＲＯ)フィルターメンブランを図式的に示す断面図である。
【００２５】
【図２】本開示の一態様による、有孔グラフェンシートを使用する、水フィルターを図式的に示す図である。
【００２６】
【図３】図２の配置に使用できる、複数の開口部の一形状を示す、有孔グラフェンシートの平面図である。
【００２７】
【図４】官能化された孔又は開口部及び寸法を示す、有孔グラフェンシートの平面図である。
【００２８】
【図５】図２の有孔グラフェンシートと連携して使用できる、裏張りシートの平面図である。
【００２９】
【図６】本開示の態様による、複数の有孔グラフェンシートを使用する、水の脱イオンフィルターを図式的に示す図である。
【００３０】
【図７】図６の配置に一般的に対応する、有孔グラフェンシートが渦巻き状に巻き取られ、シリンダー中に収容されている、配管配置を示す簡素化されたダイアグラムである。
【詳細な説明】
【００３１】
図２は、本開示の代表的な実施態様又は態様による基本的な脱イオン装置200を図式的に示す。図２において、チャネル210が、イオンを含む水を、支持室214中に取り付けたフィルターメンブラン212に搬送する。イオンを含む水は、例えば海水又は塩水でよい。代表的な一例では、フィルターメンブラン212は、公知の様式で渦巻き状に巻くことができる。図２でチャネル210を通って流れるイオンを含む水の流動起動力又は圧力は、タンク216からの重力、又はポンプ218から与えられる。バルブ236及び238は、イオンを含む水の供給源を選択することができる。装置又は配置200では、フィルターメンブラン212は、開口部とも呼ばれる孔を有する有孔グラフェンシートである。グラフェンは、図３に示すように、炭素原子の単原子層厚の層であり、一つに結合してシート310を限定する。単一グラフェンシートの厚さは、約0.2ナノメートル(ｎｍ)である。実際、単一グラフェンシートの厚さは、約0.2〜0.3ナノメートル、特に約0.23ナノメートルである。より大きな厚さを有する複数のグラフェンシートを形成することができる。図３のグラフェンシート310の炭素原子は、６個の炭素原子から構築された六角形のリング構造(ベンゼン環)の反復パターンを限定し、炭素原子のハニカム格子を形成する。隙間になっている開口部308が、シート中に各６個の炭素原子リング構造により形成され、この隙間にある開口部は、直径が１ナノメートル未満である。実際、当業者には明らかなように、隙間にある開口部は、最長寸法で直径が約0.23ナノメートルであると考えられる。この寸法は、水又はイオンを通過させるには、はるかに小さすぎる、
【００３２】
図２の脱イオン装置は、水供給源201又は216からチャネル210への溶液流路を有し、これが溶液流路の入口と考えられる。チャネル210から、溶液流路は、室214の溶液流路入口側へと続き、次いでグラフェンシート212を通り、次いで室214の溶液流路出口側へと行き、最後にチャネル222に行き、これは溶液流路の出口と考えられる。好ましくないイオンを含む水201は、ポンプ218により、又はタンク216からの重力により加圧され、それによって加圧水を発生する。加圧水は、有孔グラフェン212の第一側212uに作用し、水分子は、有孔グラフェンシートの第二側212lに流れる。
【００３３】
図２の有孔グラフェンシート212を形成するには、図３に示すように、一個以上の穴を開ける。代表的な、一般的に、又は公称丸い開口部312をグラフェンシート310を通して限定する。一実施態様では、開口部312は、公称直径が約2ナノメートルである。2ナノメートルの寸法は、塩又は塩水中に通常予想される最大イオン、つまり塩素イオン、が開口部を通過するように選択されている。幾つかの実施態様では、開口部312の公称直径は、0.8〜1.2ｎｍである。しかし、ここに詳細に説明する開口部周辺の官能化は、開口部がイオンを通過させるサイズであっても、イオンを開口部の通過から跳ね返すことを目的としている。開口部312の一般的に丸い形状は、グラフェンシート310の六角形炭素リング構造により、部分的に、開口部の縁部が限定されるという事実により影響を受ける。
【００３４】
開口部312は、選択的酸化により、つまり選択された時間、酸化剤に露出することにより作られる。開口部312は、レーザードリル加工することもできる。Nano Lett. 2008, Vol.8, no.7, pg 1965-1970に記載されているように、最も直接的な穿孔方法は、グラフェンフィルムを、アルゴン中で希釈した酸素により、高温で処理することである。そこに記載されているように、20〜180ｎｍ範囲の開口部又は孔を通して、350mTorrの酸素を使用し、1気圧(atm)のアルゴンで、500℃で2時間、グラフェンをエッチングしている。この文献は、孔の数がグラフェンシート中の欠陥に関連し、孔のサイズはが滞留時間に関連することを妥当に示唆している。これは、グラフェン構造中に、望ましい孔を開けるのに好ましい方法である。構造は、グラフェンナノプレート及びグラフェンナノリボンである。従って、望ましい範囲の開口部が、短い酸化時間で形成することができる。もう一つの、より込み入った方法は、反応性イオンエッチングを使用し、パターン形成するのに好適なマスクを造る、自己集合性重合体を利用する。Ｐ(Ｓ−ブロックＭＭＡ)ブロック共重合体は、ＰＭＭＡカラムの列を形成し、これが、再展開によりＲＩＥを形成する。孔のパターンは、非常に密である。孔の数及びサイズは、ＰＭＭＡブロックの分子量及びＰ(Ｓ−ＭＭＡ)中のＰＭＭＡの重量画分により制御される。どちらの方法も、有孔グラフェンシートを製造する可能性がある。
【００３５】
開口部の周囲は、特別に帯電した官能基により官能化させることができる。周囲の周りの帯電した基は、同種電荷のイオンを跳ね返し、同種帯電したイオンが開口部を通過することに対する活性化バリヤーを増加する。さらに、反対に帯電したイオンは、通過しないイオンと共に留まるように影響を受ける。陽及び陰イオンの分離は、大量のエネルギーが系の中に投入されることを必要とするが、これは、本発明の特徴ではない。従って、同種電荷のイオンを官能化された開口部の通過から跳ね返すことにより、反対の電荷を有するイオンも効果的に官能化された開口部の通過から跳ね返される。一実施態様では、開口部の周囲は、負に帯電したイオンである酸素で官能化することができる。酸素で官能化された開口部を有するシートは、負に帯電した塩素イオンを跳ね返し、塩素イオンを、大きく低下した速度で、又はゼロ速度で、開口部を通過させる。正に帯電したナトリウムイオンも影響を受け、跳ね返された塩素イオンと共に、室226の中に留まる。別の実施態様では、開口部の周囲は、酸素以外の元素を使用して負電荷で官能化される。例えば、一実施態様では、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素の少なくとも一種を使用し、負電荷で周囲を官能化する。
【００３６】
従って、シート212の開口部の周囲が、ある電荷のイオンを跳ね返すように帯電する場合、反対電荷のイオンも、シートを通過しないように影響を受ける。反対電荷のイオンは、大量のエネルギーを系の中に投入することにより、シートの開口部を通過させることは可能であろうが、この量のエネルギーを系に加えることは、脱イオンの状況下では好ましくない反応(例えば、塩素ガス又は水素ガスの発生)を引き起こすことが予想される。
【００３７】
当然のことながら、別の実施態様では、周囲を、正に帯電したイオン、例えばホウ素、で帯電させることができる。ホウ素で官能化した開口部を有するシートは、正に帯電したナトリウムイオンを、大きく低下した速度で、又はゼロ速度で、開口部を通過させる。負に帯電した塩素イオンは、ナトリウムイオン共に留まる傾向があり、大きく低下した速度で、又はゼロ速度で、開口部も通過する。他の実施態様では、開口部の周囲は、ホウ素以外の元素を使用して、正電荷で官能化することができる。例えば、一実施態様では、水素、リチウム、マグネシウム、及びアルミニウムを使用して、正電荷で周囲を官能化することができる。
【００３８】
別の実施態様では、開口部の周囲は、全体的に正又は負電荷を有する重合体又はアミノ酸鎖で官能化することができる。幾つかの候補となる重合体は、ポリエチレンオキシド、ポリスルホンイミド区分の重合体、金−チオールインレイ、ルテニウム系有機金属化合物、及び電気分解重合体が挙げられる。重合体又はアミノ酸鎖の使用は、開口部の周囲に対する電荷の強度をより制御することができ、それによって、官能化された開口部の跳ね返し及び／又は吸引効果をある程度制御することができる。電荷の強度は、グラフェンシートによりろ過しようとするイオンの種類に応じて、重要な場合がある。
【００３９】
開口部の官能化は、様々な一般的に公知の方法により達成することができる。一実施態様では、グラフェンシート上の官能化された開口部は、酸素に対して反応性の化学薬品又はラジカルでグラフェンシートに接種し、次いでシートを酸素プラズマに露出して化学薬品又はラジカルを反応させ、グラフェンシートに官能化された孔を造ることにより、達成される。別の実施態様では、官能化された開口部は、外部の刺激、例えば電荷又は光パルス、に対して反応性である化学的官能基を、既存の開口部の周囲に塗布し、次いでシートを電荷又は光パルスに露出し、それによって化学基を周囲に付加させる。酸処理、反応性−イオンエッチング、又は標準的な有機化学技術も、開口部の周囲を官能化するのに使用できる。官能化方法は、反応性イオン及び分子化学種、例えば四フッ化炭素プラズマ、酸素プラズマ、原子状酸素、窒素プラズマ及び原子状窒素が挙げられるが、これらに制限するものではない。構造中に最初に欠陥を造った後の材料の官能化は、材料上に残された化学的構成成分によって異なる、例えば窒素又は酸素と反応する基が材料に付加されている場合、その材料は、有機酸塩化物と反応させ、材料と官能基の間にエステル又はアミド結合を造ることができよう。材料に付加する官能基は、リンカー官能性を支持するであろう全てのものでよい。
【００４０】
先に述べたように、図３のグラフェンシート310は、厚さがただの単原子だけである。従って、シートはたわみ性傾向がある。グラフェンシートの屈曲は、裏張り構造をシート212に付けることにより、改良することができる。図２で、有孔グラフェンシートの裏張り構造は220として示す。この実施態様における裏張り構造220は、穴の開いた、ポリテトラフルオロエタンと呼ばれることもある、ポリテトラフルオロエチレン、のシートである。裏張りシートの厚さは、例えば１ミリメートル(mm)でよい。
【００４１】
注意すべきは、図２の装置又は配置では、経路210を通り、有孔メンブラン212に作用する、イオンを含む水の圧力は、タンク216からの重力により与えられ、それによって装置200の態様の一つが強調される。すなわち、ＲＯメンブランとは異なり、有孔メンブランを形成する有孔グラフェンシート310(図３)は、疎水性であり、突き刺した開口部(図２および３の312)を通過する水は、濡れに起因する引力により妨げられない。また、すでに述べたように、グラフェンシート310にある開口部312を通る流路の長さは、シートの厚さに等しく、約0.2ｎｍである。この長さは、ＲＯメンブランを通って延びる不規則経路の長さよりもはるかに小さい。従って、流体の流れを与えるのに、非常に小さな圧力が必要である、又は逆に、与えられた圧力における流れは、有孔グラフェンシート310においてはるかに大きい。これは、さらに、イオン分離するのに必要なエネルギーが低いことを意味する。ＲＯメンブランで、浸透圧に対してメンブランを通して水を押すのに必要な圧力は、摩擦成分を包含し、その結果、メンブランの加熱を引き起こす。従って、ＲＯメンブランに作用しなければならない圧力の一部が、浸透圧に打ち克つことに向けられず、その代わりに熱に向かう。模擬した結果は、有孔グラフェンシートが、必要な圧力を、少なくとも５のファクターで低下させることを示している。従って、特定イオン濃度で、脱イオン水の特定の流れを起こすのに、ＲＯメンブランが、40ポンド／平方インチ(ＰＳＩ)の圧力を上流側に必要とするのに対し、有孔グラフェンシートは、同じ流量に対して、8ＰＳＩ以下で済む。
【００４２】
上に述べたように、図２のグラフェンシート212(又は、等しく図３のグラフェンシート310)における孔312は、官能化し、特定電荷のイオンを効果的にブロックして、グラフェンシートを通過しないようにすることができる。さらに述べたように、特定電荷と反対電荷のイオンも効果的にブロックされるが、これは、反対電荷のイオンは、大量のエネルギーの入力が無くても、ブロックされた特定電荷のイオンと共に留まる傾向があるためである。従って、グラフェンシートを通過するとは予想されていないイオンは全て、グラフェンシート支持室214の上流側226に蓄積すると予想される。上流の「室」226中におけるイオンの蓄積は、ここでは「凝縮液」と呼ばれ、有孔グラフェンシート212を通る水の流れを最終的に低下させ、それによって、脱イオンを非効率にする傾向がある。図２に示すように、さらなる経路230が排水バルブ232と共に設けてあり、凝縮液を除去又は廃水することができる。
【００４３】
図２の装置又は配置200の操作は、「バッチ」様式でよい。バッチ操作の第一モードは、イオンを含む水の、経路210を通る流れで起こり、排水バルブ232は閉めて流れを防止する。イオンを含む水は、支持室214の上流側226を満たす。水分子は、図２の有孔グラフェンシート212を通り、裏張りシート220を通り、支持室214の下流側227に流れる。イオン(正及び負の両方に帯電)は上流側226に蓄積し、脱イオン水が下流部分227に蓄積し、経路222を通り、タンク224として示す捕獲容器に抜き取られる。水分子の流れは、上流室226中に蓄積する凝縮液の、ある閾レベルに達するまで、続行する。その時点で、排水バルブ232を使用して、上流イオンの排出が経路230を通して行われる。
【００４４】
例えば、図２のグラフェンシート212における孔(開口部)312の周囲は、負電荷を有するように官能化することができる。これは、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を使用して周囲を官能化することにより、達成される。あるいは、全体的に負電荷を有する重合体又はアミノ酸鎖を使用して周囲を官能化することにより、達成される。従って、溶液中の全ての負に帯電したイオンは、跳ね返され、開口部312を通過することができず、上流室226中に集まる。さらに、溶液中の正に帯電したイオンは、吸引され、負に帯電したイオンと共に上流室226中に集まり、開口部312も通過しない。脱イオン水は、開口部を通過し、下流室227に集まる。上流室中の正及び負に帯電したイオンは、説明したように、バッチ処理により排出される。別の実施態様では、図2のグラフェンシート212の孔(又は開口部)312の周囲は、正電荷を有するように官能化することができる。これは、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムを使用して周囲を官能化することにより、達成される。あるいは、これは、全体的に正電荷を有する重合体又はアミノ酸鎖を使用して周囲を官能化することにより、達成される。従って、溶液中の全ての正に帯電したイオンは、跳ね返され、開口部312を通過することができず、上流室226中に集まる。さらに、溶液中の負に帯電したイオンは、吸引され、正に帯電したイオンと共に上流室226中に集まり、開口部312も通過しない。脱イオン水は、開口部を通過し、下流室227に集まる。上流室中の正及び負に帯電したイオンは、説明したように、バッチ処理により排出される。
【００４５】
グラフェンシートの開口部を官能化し、特定のイオンを引き付けるか、又は跳ね返すことに加えて、一実施態様では、開口部の寸法又はサイズを調整し、特定サイズのイオンを通過しないようにすることもできる。例えば、塩素イオンの流れを許さないか、又は流動できないようにする寸法の開口部312により、グラフェンシート212に穴を開けることができ、これらの開口部は公称直径が1.3ｎｍ〜2ｎｍである。従って、開口部の寸法が1.3ｎｍ〜2ｎｍである場合、塩素イオンは、有孔グラフェンシート212を通過できず、上流部分又は室226の中に留まる(塩素イオンは、周囲の官能化により、開口部からも跳ね返される)。幾つかの実施態様では、開口部312の公称直径は、0.8〜1.2ｎｍでよい。さらに、溶液中の正に帯電したナトリウムイオンは、影響を受けて負に帯電した塩素イオンと共に留まり、上流室226中に集まり、開口部312も通過できない。脱イオン水は、開口部を通過し、下流室227中に集まる。イオンをろ過する開口部のサイズ調整と、グラフェンシートの開口部の官能化との組合せにより、脱イオンプロセスの効率を増加させることができる。様々な開口部サイズを有する帯電したグラフェンシートを使用する脱イオン化方法及び装置の、より詳細な説明は、ここにその全文を参考文献として含める同時係属中の米国特許出願第12/868,150号及び現在米国特許第8,361,321号に開示されている。
【００４６】
別の実施態様では、グラフェンシートの開口部が官能化され、特定イオンを引き付けるか、又は跳ね返されるのに加え、グラフェンシート全体を帯電させ、同様に帯電したイオンの反発作用をシートに加える。例えば、負に帯電したイオン、例えば酸素、で官能化された開口部を有するグラフェンシートを、電圧供給源に接続し、負電荷をシート全体にかけることができる。負電荷を有する塩素イオンは、跳ね返され、負に帯電した有孔グラフェンシート212を通過することができなくなり、上流部分又は室226中に留まる。さらに、溶液中の正に帯電したナトリウムイオンは、影響を受けて、負に帯電した塩素イオンと共に留まり、上流室226中に集まり、開口部312も通過しない。脱イオン水は、開口部を通過し、下流室227中に集まる。
【００４７】
当然のことながら、サイズの異なった開口部及びグラフェンシートの帯電を使用する、イオン反発作用を助長する追加方法は、官能化された開口部の使用と、様々な様式で組み合わせることができる。従って、一実施態様では、官能化された開口部及びサイズの異なった開口部を使用し、一方、別の実施態様では、官能化された開口部及び帯電したグラフェンシートを使用することができる。さらに別の実施態様では、官能化、異なった開口部サイズ、及び帯電したグラフェンシートの、3種類の方法を一度に使用することができる。
【００４８】
図４は、複数の孔、例えば図３の孔、を有するグラフェンシートを示す図である。図４のシートは、20個の開口部312を限定する。原則的に、流量は、開口部密度に比例する。開口部密度が増加するにつれて、開口部を通る流れは、「乱流」になり、特定の圧力における流れに悪影響を及ぼす。また、開口部密度が増加するにつれて、下にあるグラフェンシートの強度は、局所的に低下することがある。そのような強度低下は、ある種の状況下ではメンブランの破裂を引き起こすことがある。開口部同士の間の、中心と中心の間隔は、0.6ナノメートル開口部では、15ナノメートルの値で最適に近くなると考えられる。図４の実施態様では、開口部312の周囲は、酸素で官能化するが、本明細書の他の所で記載するように、周囲は、他の元素又は重合体もしくはアミノ酸鎖で帯電させることができる。炭素は、図に示すように酸素官能化に隣接している。
【００４９】
図４に示す開口部は、孔又は開口部の周囲の周りで官能化されている。図４に示す実施態様では、開口部の周囲は、酸素、窒素、リン、硫黄、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素で官能化されており、その結果、周囲が負電荷を有する。別の実施態様(図には示していない)では、開口部の周囲は、ホウ素、水素、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムで官能化され、その結果、周囲は正電荷を有する。あるいは、開口部の周囲は、重合体鎖又はアミノ酸鎖で官能化され、周囲は、使用する特定の重合体又はアミノ酸によって異なった電荷を有する。
【００５０】
図５は、図２のグラフェンシートと共に使用することができる裏張りシートの構造を簡素化して示す。図５で、裏張りシート220は、ポリテトラフルオロエタンとも呼ばれるポリテトラフルオロエチレンのフィラメント520から製造され、長方形格子に配置され、それらの交差する点で接着又は融合させる。有孔グラフェンシートにおけるように、裏張りシートの寸法は、最大流量を得るために、十分な強度に対応して、できるだけ大きくすべきである。同じ方向に向いた相互に隣接するフィラメント520間の間隔は公称100ｎｍでよく、フィラメントの公称直径は40ｎｍでよい。グラフェンシートの引張強度は大きいので、裏張りシートにおける比較的大きな、支持されていない面積は、問題にならない。
【００５１】
図６は、本開示の別の実施態様又は態様による、官能化を変えたグラフェンシートの複数層を使用する、脱イオン又は淡水化装置600(即ち、溶液脱イオン装置)を図式的に示す図である。図６で、図２の部品に対応するする部品は、同様の参照文字数字により表わす。図６の支持室614の中で、上流及び下流有孔グラフェンシート612a及び612bは、それぞれ、室を3つの容積又は部分、即ち上流部分又は室626a、下流部分又は室627a、及び中間部分又は室629、に分割している。ここで使用するように、上流及び下流の用語は、装置における水の流れに関して、入口チャネル210から第一グラフェンシート612a、次いで第一グラフェンシート612aから第二グラフェンシート612b、及び次いで第二グラフェンシートから出口チャネル222へと向かう、装置のある部品の他の部品に対する関係を表す。従って、有孔グラフェンシート612aは、下流グラフェンシート612bに対して、上流にあり、有孔グラフェンシート612aは、入口チャネル210に対して下流にある。特に、下流の用語は、必ずしも部品間の高度関係を意味するものではない、即ち、第二グラフェンシート612bは、第一グラフェンシート612aの下流であり、第二グラフェンシート612bが、必ずしも第一グラフェンシート612aより低い高度にあることを意味しないが、そうである場合もある。当然のことながら、装置は加圧することができるので、下流部品は、流れに関して下流にあるが、高度では、上流部品よりも高い場合がある。
【００５２】
具体的には、図６の溶液又は水の脱イオン化装置は、容器又はコンテナ216又はポンプ218からの水201の、チャネル210への溶液流路を有し、これは、溶液流路の入口と考えられる。チャネル210から、溶液流路は、室614の上流室626aに入り、グラフェンシート612aを通り、中間室629を通り、グラフェンシート612bを通り、次いで下流室627aへ入り、最後にチャネル222へと続き、これは溶液流路の出口と考えられる。
【００５３】
各有孔グラフェンシート612a及び612bには、裏張りシートが付いている。より詳しくは、有孔グラフェンシート612aはシート620aが裏張りされており、有孔グラフェンシート612bはシート620bが裏張りされている。前に述べたように、グラフェンは、図３に示すように、炭素原子の単原子層厚層であり、一つに結合してシート310を限定する。やはり前に述べたように、グラフェンの屈曲は、裏張り構造をシートに付けることにより、改良することができる。
【００５４】
より詳しくは、一実施態様では、上流グラフェンシート612aは、開口部612acの負に帯電した周囲により官能化し、塩素イオンを跳ね返し、開口部を通過しない。負電荷を有する塩素イオンは、跳ね返され、グラフェンシート612aの負に帯電した周囲を通過できず、従って、上流部分又は室626a内に留まる。しかし、当然のことながら、シート612aの入口側に跳ね返された塩素イオンがあることは、ナトリウムイオンにも入口側に留まるように影響する。前に述べたように、塩素及びナトリウムイオンの分離には、大量のエネルギーを系の中に入力する必要があるが、これは本発明の特徴ではない。従って、グラフェンシートの通過から塩素イオンを跳ね返すことにより、ナトリウムイオンも効果的に上流のグラフェンシートの通過から跳ね返される。
【００５５】
それにも関わらず、ナトリウムイオンの一部が上流グラフェンシートの開口部を通過する状況がある。例えば、入口溶液が、塩素イオンに対して過剰のナトリウムイオンを有する場合、過剰のナトリウムイオンは、グラフェンシートの正電荷により吸引されて開口部を通過することがある。別の例では、入口溶液が、ナトリウムではない、正に帯電した第三のイオンを含み、このイオンが、吸引されて上流グラフェンシート開口部を通過することがある。これらの状況では、第二グラフェンシートを備え、イオンをろ過するのが望ましい。さらに、第二グラフェンシートを備え、確実に高レベルの淡水化を行うことが望ましい。
【００５６】
従って、図６の実施態様は、下流グラフェンシート612bを包含し、これは、開口部612b(第二開口部)で孔を開け、正に帯電し、ナトリウムイオン(又は他の全ての正に帯電したイオン)を跳ね返し、グラフェンシート612bを通過させない。ナトリウム又は他の正のイオンが、シート612aを通過し、室629に入ることができる場合、これらのイオンは、跳ね返され、下流の正に帯電した有孔グラフェンシート612bを通過できず、中間部分又は室629に留まるか、又は蓄積する。さらに、塩素イオンが室629に通過でき程度に、これらの塩素イオンは、吸引されて、629中のナトリウムイオンと共に留まり、シート612bも通過しない。従って、少なくとも塩素及びナトリウムイオンを実質的に含まない水分子(Ｈ２Ｏ)は、中間部分又は室629から、有孔グラフェンシート612bの開口部612bを通り、下流部分又は室627a中に入り、そこから脱イオン水は、水流路222を通り、集積容器224に集められる。水流路222が、水流路出口と考えられ、バルブ(図には示していない)を、水流路出口222上に水流路出口バルブとして備えることができる。当然のことながら、上流グラフェンシート612aが正に帯電した開口部を有し、下流グラフェンシート612bが負に帯電した開口部を有する代わりの実施態様が、同様に操作される。
【００５７】
従って、図２に示す単一グラフェンシート脱イオン化装置は、適切に「調整」されれば、十分に脱イオン水を製造できるが、図６に示す２グラフェンシート脱イオン装置は、最高の脱イオン化標準に適合し得る特別な層を与える。当然のことながら、第二グラフェンシートは、選択的に官能化し、異なった種類のイオンを跳ね返すことができる。さらに、３個以上のグラフェンシートを使用するシステムを使用し、様々な種類のイオンを確実にろ過し、脱イオン水は確実に最高標準に適合する。
【００５８】
図２の脱イオン化配置200の場合のように、図６の装置又は配置600は、脱イオン操作の際にイオンを蓄積又は濃縮する。より詳しくは、塩素及びナトリウムイオンを含む水の流れでは、塩素及びナトリウムイオンの大部分が上流グラフェンシート612aにより跳ね返され、装置600の上流部分又は室626a中に、塩素及びナトリウムイオンの両方が濃縮された凝縮液が蓄積すると予想される。中間部分又は室629も、塩素及びナトリウムイオンの濃縮物を蓄積するが、その濃度は、上流室中で蓄積する濃度よりもはるかに低いと予想される。これらの濃縮されたイオンは、排出接続部630a及び630b及びそれらの排出バルブ632a及び632bをそれぞれ選択的に制御することにより、個別に取り出すことができる。より詳しくは、バルブ632aを開き、濃縮された塩素及びナトリウムイオンを、上流部分又は室626aから、タンク634aとして示す集積容器に流し、バルブ632bを開き、濃縮された塩素及びナトリウムイオンを、中間部分又は室629から、タンク634bとして示す集積容器に流すことができる。理想的には、排出バルブ632aは、中間部分又はタンク629の排出開始前に閉じ、有孔グラフェンシート612aを横切って幾らかの圧力が維持され、有孔グラフェンシート612aを通る水の流れを与え、中間室629からナトリウムイオン濃度が高い凝縮液をフラッシングし易くする。排出バルブ632a及び632bは、脱イオン化が進行する前に閉じる。排出し、集めた濃縮イオンは、経済的価値があり、ナトリウムの場合には固体形態に、塩素の場合にはガス形態に転換する。注意すべきは、海水は、大量のベリリウム塩を含み、これらの塩は、優先的に濃縮した場合、触媒として製薬工業向けの価値がある。当然のことながら、上流グラフェンシート612aが、開口部612acの正に帯電した周囲で官能化され、下流グラフェンシート612bが、負に帯電した周囲612bsで官能化された、別の実施態様は、同様に作動し、イオンの大部分が上流室626aに蓄積し、はるかに低い濃度のイオンが中間室629に蓄積する。これらの蓄積したイオンは、上記のように排出する。
【００５９】
図６に、流路658及び上流部分又は室626a及び中間部分又は室629をそれぞれ連絡するクロス−フローバルブ654a及び654bを示す。イオンを含む未ろ過水201が、バルブ652を開くことにより、流路658に向けられる、又は脱イオン水202が、ポンプ660を操作することにより、タンク224から供給される。ポンプ660から、脱イオン水がチェックバルブ656を通り、経路658に流れる。クロス−フローバルブ654a及び654bは、それぞれ、排出バルブ632a及び632bと同時に開閉され、それによって室から凝縮液を排出するのを助ける。
【００６０】
すでに述べたように、脱イオン装置におけるグラフェンシートは、特定イオンを跳ね返すようにグラフェンシートの開口部を官能化することに加えて、特定サイズのイオンを通さないか、又は通過させないような寸法を有することができる。例えば孔は、約1.3ｎｍ〜2ｎｍの開口部サイズを選択することにより、塩素イオンを通さないようにすることができる。あるいは、孔は、約1.3ナノメートルの開口部サイズを選択することにより、ナトリウムイオンを通さないようにすることができる。開口部のサイズを変えてイオンをろ過すること、及びグラフェンシート開口部の官能化を組み合わせることにより、脱イオン処理の効率を増加することができる。
【００６１】
一実施態様では、グラフェンシート612a及び612b上の孔のサイズが異なるので、一つのシートが塩素を含む水の流れを効果的に抑制し、一つシートがナトリウムを含む水の流れを効果的に抑制する。異なったサイズの孔並びに開口部の官能化を含む一実施態様では、脱イオンが両方により行われる。例えば上流グラフェンシート612aは、塩素イオンの流れを許さないか、又はさせない寸法の開口部612acにより穴を開けてあり、これらの開口部は公称直径が1.3ｎｍ〜2ｎｍである。従って、塩素イオンは、有孔グラフェンシート612aを通過できず、上流部分又は室626a中に留まる。ナトリウムイオンは、電荷の蓄積を防止するために、跳ね返された塩素イオンと共に留まる傾向があるので、間接的に跳ね返され、有孔グラフェンシート612aを通って中間室629に入ることができない。下流の有孔グラフェンシート612bは、ナトリウムイオンの流れを許さないか、又はさせない寸法の開口部612bsにより穴を開けてあり、これらの開口部は公称直径が1.3ナノメートルである。塩素及びナトリウムイオンの少なくとも一方を含まない水分子(Ｈ２Ｏ)は、中間部分又は室629から、有孔グラフェンシート612bの開口部612bsを通り、下流部分又は室627aの中に流れることができ、そこから脱イオン水が、経路222及び集積容器224を通して集められる。
【００６２】
やはり脱イオン装置に関して先に述べたように、グラフェンシートの開口部を官能化して特定イオンを吸引又は跳ね返すことに加えて、グラフェンシートのそれぞれに電荷を作用させ、各シートに、反対に帯電したイオンの吸引力及び同様に帯電したイオンの反発を加えることができる。例えば、官能化された開口部を有することに加えて、上流グラフェンシート612aを負に帯電させ、それによって塩素イオンを開口部612acの通過から跳ね返す。負電荷を有する塩素イオンは、官能化された開口部612ac及びシート612a上の負電荷の両方により跳ね返されるので、上流部分又は室626aに留まる。さらに、正に帯電したナトリウムイオンも、塩素イオンと共に上流室626a中に留まる傾向がある。官能化された開口部だけを有する実施態様に関して述べたように、かなりの濃度の塩素及びナトリウムイオンが、グラフェンシート612aの官能化及び帯電により跳ね返される(直接的に、又は間接的に)が、それにも関わらず、一部の塩素、ナトリウム、又は他のイオンは、開口部612acを通過し得る。これが起こる場合、下流の有孔グラフェンシート612bは開口部612bsにより穴を開けられ、さらに、正に帯電した開口部を有することに加えて、正に帯電される。この正電荷は、ナトリウムイオンの、グラフェンシート612bの通過に反発し、中間室629に対して行われた、全ての塩素イオンの通過も間接的に跳ね返す。少なくとも塩素及びナトリウムイオンを含まない水分子(Ｈ２Ｏ)(脱イオン水)は、中間部分又は室629から、有孔グラフェンシート612bの開口部612bsを通り、下流部分又は室627aの中へ流れ、そこから脱イオン水は、経路222及び集積容器224を通して集めることができる。正電荷が上流グラフェンシート612aに印加され(シート612aは、正に帯電した官能化された開口部612acも有する)、負電荷が下流グラフェンシート612bに印加される(シート612bは、負に帯電した官能化された開口部612bsも有する)別の実施態様は、同様に作動する。
【００６３】
当然のことながら、サイズが異なった開口部及びグラフェンシートの帯電を使用する、イオン反発の追加方法は、様々な様式で、官能化された開口部の使用と組み合わせることができる。例えば一実施態様では、官能化された開口部及びサイズの異なった開口部を使用することができ、別の実施態様では、官能化された開口部及び帯電したグラフェンシートを使用することができる。さらに別の実施態様では、3つの方法、即ち官能化、異なった開口部サイズ、及び帯電したグラフェンシート、の全てを一度に使用することができる。
【００６４】
図７は、本開示の一態様による脱イオン化配置の簡素化された図である。図７の、図６の部品に対応するする部品は、同様の参照文字数字により表わす。図７で、有孔グラフェンシート612a及び612bは、ＲＯメンブラン技術で公知のように、円筒形にロール状に巻くか、又は渦巻き状に巻いてあり、それぞれ712a及び712bで示すハウジング中に挿入されている。
【００６５】
当業者には公知のように、塩素及びナトリウム以外のイオンは、グラフェンシート(複数可)上の開口部を選択的に官能化することにより、水から除去することができる。
【００６６】
溶液の脱イオン方法は、グラフェンシートの複数の開口部を官能化し、溶液中の第一イオンを官能化された複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第一イオンが、溶液中の第二イオンに影響を及ぼし、官能化された複数の開口部を通過しない工程と、溶液流路入口と溶液流路出口の間にグラフェンシートを配置する工程と、溶液を、溶液流路入口に導入させ、グラフェンシートの官能化された複数の開口部に通し、それによって、グラフェンシートの溶液流路出口側に脱イオン溶液、及びグラフェンシートの溶液流路入口側に第一及び第二イオンを含む第二溶液を得る工程とを含む。
【００６７】
溶液の脱イオン方法は、第一グラフェンシートの第一の複数の開口部を官能化し、溶液中の第一イオンを官能化された第一の複数の開口部の通過から跳ね返し、通過しない第一イオンが、溶液中の第二イオンにも影響を及ぼし、官能化された第一の複数の開口部を通過しない工程と、第二グラフェンシートの第二の複数の開口部を官能化し、溶液中の第二イオンを跳ね返し、通過しない第二イオンが、溶液中の第一イオンにも影響を及ぼし、官能化された第二の複数の開口部を通過しない工程と、第一グラフェンシートを、溶液流路入口の下流に配置し、第二グラフェンシートを、第一グラフェンシートと溶液流路出口の間に配置する工程と、及び溶液が、溶液流路入口に入り、該第一グラフェンシート、次いで該第二グラフェンシートを通る工程を含み、それによって、溶液流路出口に脱イオンされた溶液を得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【国際調査報告】
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