(57)【要約】  加圧源が、媒体を１枚以上のグラフェン（７２２）に実質的に平行な流路に沿って入口から出口まで方向付ける横断流の装置において、分離装置（７００）及び関連する方法が提供される。前記媒体（７０２）はグラフェン膜内の複数の穿孔された開口（７２１）を通流する一方、当該媒体の残りの部分及び当該媒体中の通過が禁じられた成分は出口から流出する。裏打シートまたは支持膜（７２４）が、グラフェン膜（７２２）の下に配置され得る。本装置は、脱塩のために使用され得る。
2016507363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体から成分を分離するための方法であって、
媒体の通過を許容するように、及び、当該媒体中の選択された成分の通過を禁じるように選択された複数の穿孔された開口を有する、少なくとも１層のグラフェンの第１シートを提供する工程と、
第１チャンバ内に前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートを提供する工程であって、前記第１チャンバは第１入口と第１出口と第１下方流路とを有している、という工程と、
前記媒体を、前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートに実質的に平行な流路内で前記第１入口から前記第１出口まで流れるように、加圧する工程であって、前記媒体は、前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートの第１面上に流れ、前記媒体の一部が前記複数の穿孔された開口を通じて前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートの第２側まで流れる一方、前記媒体の残りの部分及び前記媒体中の通過が禁じられた前記選択された成分が前記第１出口から流出する、という工程と、
を備えた
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
ナトリウム及び塩素の脱イオン化のために、０．６乃至１．２ナノメートルの範囲内で前記複数の穿孔された開口を提供する工程を更に備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
イオン、微粒子、被検体、気体、及び、炭化水素、からなる群から選択された、任意の選択された成分の通過を選択的に禁じるような寸法の前記複数の穿孔された開口を提供する工程を更に備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記流路の反対側において、前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートの一方の側上に支持膜を提供する工程を更に備え、
前記支持膜は、ポリ四フッ化エチレン、有孔ポリカーボネートフィルム、及び、焼結多孔質金属、からなる群から選択される
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１出口を第２分離装置に接続する工程を更に備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２分離装置に、前記出口から受容された前記媒体の通過を許容するように、及び、前記媒体中の選択された成分の通過を禁じるように選択された複数の穿孔された開口を有する、少なくとも１層のグラフェンの第２シートを提供する工程と、
前記少なくとも１層のグラフェンの第２シートを第２チャンバ内に提供する工程であって、前記第２チャンバは対応する入口と出口と下方流路とを有している、という工程と、
前記第１出口から受容された前記媒体を、前記第２入口を介して、前記少なくとも１層のグラフェンの第２シートに実質的に平行な流路内で当該第２入口から前記第２出口まで流れるように、加圧する工程であって、前記媒体は、前記少なくとも１層のグラフェンの第２シートの第１面上に流れ、前記媒体の一部が前記複数の穿孔された開口を通じて前記少なくとも１層のグラフェンの第２シートの第２側まで流れる一方、前記媒体の残りの部分及び前記媒体中の通過が禁じられた前記選択された成分が前記第２出口から流出する、という工程と、
を更に備えた
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
入口と出口と下方流路とを有する少なくとも１つのチャンバと、
媒体の通過を許容するように、及び、当該媒体中の選択された成分の通過を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された、少なくとも１枚のグラフェンと、
前記入口を有する前記少なくとも１つのチャンバに接続された前記媒体の加圧源と、
を備え、
前記少なくとも１枚のグラフェンは、前記少なくとも１つのチャンバ内に位置付けられており、
前記加圧源は、前記少なくとも１枚のグラフェンに実質的に平行な流路に沿って前記入口から前記出口まで、前記媒体を方向付け、
前記媒体は、前記少なくとも１枚のグラフェンの第１面上に流れ、前記媒体の一部が前記複数の穿孔された開口を通じて前記少なくとも１枚のグラフェンの第２側まで流れる一方、前記媒体の残りの部分及び当該媒体中の通過が禁じられた前記選択された成分が前記出口から流出する
ことを特徴とする分離装置。
【請求項８】
前記複数の穿孔された開口は、０．６乃至１．２ナノメートルの範囲内に寸法決めされている
ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１枚のグラフェンの、前記流路とは反対の一方の側上に、支持膜を更に備え、
前記支持膜は、ポリ四フッ化エチレン、有孔ポリカーボネートフィルム、及び、焼結多孔質金属、からなる群から選択されている
ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのチャンバの前記出口に連続的に接続された追加チャンバを更に備え、
前記追加チャンバは、前記少なくとも１つのチャンバよりも小径の開口を有する、対応する少なくとも１つのグラフェンシートを用いて、前記媒体から特定の成分を漸次取り除く
ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのチャンバの前記出口に連続的に接続された追加チャンバを更に備え、
前記追加チャンバは、イオンの更なる選択的な排除を利用する、当該追加チャンバ内の対応する少なくとも１枚のグラフェンシートを用いて、前記少なくとも１つのチャンバの前記出口に接続された追加の加圧源から与えられる圧力を漸次低下させることを許容している
ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
真水（淡水）の資源が、ますます欠乏しつつあり、多くの国は、塩で汚染された水、最も顕著には海水を、清浄な飲み水に転換し得る解決策を、求めている。
【０００２】
水の脱塩のための既存技術は、４つの大分類、すなわち、蒸留、イオン処理（ionic processes）、膜処理及び結晶化、に入る。これらの技術の最も効率的で最も利用されているものは、多段フラッシュ蒸発（ＭＳＦ）、多重効用蒸発（ＭＥＥ）及び逆浸透（ＲＯ）である。これらの全てのプロセスにとってコストが駆動要因であり、エネルギー及び資本のコストが両者とも重要である。ＲＯ及びＭＳＦ／ＭＥＥの両者の技術は、完全に発達している。現在、最良の脱塩の解決法は、単純な水の蒸発によって立証されている、３から７ＫＪ／ｋｇの範囲である理論上の最小限のエネルギーの２倍乃至４倍を、必要とする。蒸留の脱塩方法は、多段フラッシュ蒸発、多重効用脱塩（multiple effect desalination）、蒸気圧縮、太陽熱加湿（solar humidification）及び地熱脱塩（geothermal desalination）を含む。これらの方法は、脱塩を実行するための水の状態変化である共通のアプローチを、共有している。これらのアプローチは、塩水の溶液を蒸発させるために、熱伝達及び／または真空圧力を使用する。水蒸気は、その後、濃縮され、真水として回収される。イオン処理による脱塩方法の例は、イオン交換、電気透析及び容量性脱イオン（capacitive deionization）を含む。
【０００３】
イオン交換は、固形の高分子イオンまたはミネラルイオン交換体を塩水中に、導入する。当該イオン交換体は、それらが容易に濾過して除去され得るように、溶液中の所望のイオンと結合する。電気透析は、カチオン及びアニオンの選択膜、及び、真水及び塩水の切替チャネルを生成するために、電圧ポテンシャルを使用する処理である。容量性脱イオンは、溶液から荷電イオンを引っ張るための電圧ポテンシャルの使用であり、当該イオンを捕らえる一方で、水分子の通過を許容する。
【０００４】
膜による脱塩処理は、濾過及び圧力を使用してイオンを溶液から除去する。逆浸透（ＲＯ）は、イオン溶液の浸透圧を克服するために塩水に圧力を適用する、広く使用されている脱塩技術である。圧力は、多孔性の膜を通じて水分子を真水の区画へと押す一方で、イオンが捕らえられて高濃度の塩水が生成される。真水を獲得するために浸透圧を克服することが必要とされるため、圧力が、これらのアプローチのコスト推進要素（driving cost factor）である。
【０００５】
結晶化による脱塩は、結晶が、含有されるイオンなしで優先的に形成されるという現象に、基づいている。結晶化された水を生成することにより、氷またはメチル水和物のいずれかとして、純水が溶存イオンから孤立され得る。単純な氷結の場合、水は、その氷結点より低く冷却され、これにより氷を生成する。当該氷は、その後、純水を形成するために溶解される。メチル水和物の結晶化処理は、メタン水和物を形成するために塩水に浸透されるメタンガスを使用する。当該浸透は、水が氷結する温度よりも低い温度で生じる。メチル水和物は浮かび上がり、分離を容易にし、その後メタンと脱塩された水とに分離するために温められる。当該脱塩された水は回収され、メタンは再利用される。
【０００６】
脱塩のための蒸発及び濃縮は、一般に、エネルギー効率が高いと考えられているが、集中的な熱源を必要とする。大規模に運転される場合、脱塩のための蒸発及び濃縮は、一般に発電プラントと共に設置され、地理的な分布及び大きさで制限される傾向にある。
【０００７】
容量性脱イオンは、広くは使用されていない。これは、恐らく、容量性電極が除去された塩で汚れ、頻繁な保守点検を必要とする傾向にあるためである。必要な電圧は、極板の間隔及び流量に依存する傾向にあり、及び、当該電圧は、危険であり得る。
【０００８】
逆浸透（ＲＯ）フィルタは、浄水のために広く使用されている。ＲＯフィルタは、典型的には２００ミクロンを超える全体厚さを有し、典型的にはアセチルセルロースまたはポリアミド薄膜複合物から製造される、多孔性のまたは半透性の膜を、使用する。当該膜は、便利な取り扱い及び膜の支持のために、しばしば、チューブ状の型の内部においてスパイラル状に束ねられている。当該膜は、ランダムな大きさの開口の分布を示し、最大サイズの開口は、水分子の通過を許容し、水中に溶存する塩等のイオンの通過を許容しないまたはブロックするために、十分に小さい。典型的な１ｍｍの厚さのＲＯ膜にもかかわらず、当該ＲＯ膜固有のランダム構造は、膜を通流する水のための、長く遠回りのまたは曲がりくねった通路を規定しており、これらの通路は、長さ１ｍｍよりも一段と長い。当該通路の長さ及びランダムな構成は、表面において水分子をイオンから引き離すために、及び、その後に水分子を浸透圧に逆らって膜を通じて移動させるために、実質的な圧力を必要とする。従って、ＲＯフィルタは、エネルギー効率が低い傾向にある。
【０００９】
図１は、ＲＯ膜１０の概念的な断面図である。図１において、膜１０は、上流のイオン水溶液に面する上流表面１２と、下流表面１４と、を規定している。上流側に図示されているイオンは、＋の電荷を有するナトリウム（Ｎａ）、及び、−の電荷を有する塩素（Ｃｌ）として、選択されている。ナトリウムは、４つの溶媒の水分子（Ｈ２Ｏ）と関連付けられて図示されている。各水分子は、１つの酸素原子と２つの水素（Ｈ）原子とを含んでいる。図１のＲＯ膜１０内の水流のための通路２０の１つが、上流表面１２上の開口２０ｕから下流表面１４上の開口２０ｄまで延在するものとして、図示されている。通路２０は、入り組んだものとして図示されているが、実際の曲がりくねった実物（nature）を示すことは不可能である。また、２０として図示されている通路は、複数の上流の開口及び複数の下流の開口と相互接続されていると予想され得る。ＲＯ膜１０を貫通する通路２０は、入り組んでいるだけではなく、開口のいくつかが不可避のデブリによってブロックされるため、時間と共に変化する。
【００１０】
代替的な水の脱塩法、脱イオン法または流体分離法が、望まれている。
【発明の概要】
【００１１】
前述の事項に照らして、本発明の第１の特徴は、有孔グラフェンによる脱イオン法または脱塩法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の特徴は、媒体から成分を分離するための方法であって、媒体の通過を許容するように、及び、当該媒体中の選択された成分の通過を禁じるように選択された複数の穿孔された開口を有する、少なくとも１層のグラフェンの第１シートを提供する工程と、第１チャンバ内に前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートを提供する工程であって、前記第１チャンバは第１入口と第１出口と第１下方流路とを有している、という工程と、前記媒体を、前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートに実質的に平行な流路内で前記第１入口から前記第１出口まで流れるように、加圧する工程であって、前記媒体は、前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートの第１面上に流れ、前記媒体の一部が前記複数の穿孔された開口を通じて前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートの第２側まで流れる一方、前記媒体の残りの部分及び前記媒体中の通過が禁じられた前記選択された成分が前記第１出口から流出する、という工程と、を備えたことを特徴とする方法を提供することである。
【００１３】
本発明の更に他の特徴は、入口と出口と下方流路とを有する少なくとも１つのチャンバと、媒体の通過を許容するように、及び、当該媒体中の選択された成分の通過を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された、少なくとも１枚のグラフェンと、前記入口を有する前記少なくとも１つのチャンバに接続された前記媒体の加圧源と、を備え、前記少なくとも１枚のグラフェンは、前記少なくとも１つのチャンバ内に位置付けられており、前記加圧源は、前記少なくとも１枚のグラフェンに実質的に平行な流路に沿って前記入口から前記出口まで前記媒体を方向付け、前記媒体は、前記少なくとも１枚のグラフェンの第１面上を流れ、前記媒体の一部が前記複数の穿孔された開口を通じて前記少なくとも１枚のグラフェンの第２側まで流れる一方、前記媒体の残りの部分及び当該媒体中の通過が禁じられた前記選択された成分が前記出口から流出することを特徴とする分離装置、を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来技術の逆浸透（ＲＯ）濾過膜の概念的な断面図である。
【図２】有孔グラフェンシートを使用した、本発明の特徴に従った水濾過の概念図である。
【図３】図２の装置において使用され得る有孔グラフェンシートの平面図であり、複数の開口のうちの１つの形状を示している。
【図４】有孔グラフェンシートの平面図であり、０．６ナノメートルの直径の孔ないし開口、及び、孔の相互間の寸法、を示している。
【図５】図２の有孔グラフェンシートに接続されて使用され得る、裏打シートの平面図である。
【図６】本開示の特徴に従った水の脱イオンフィルタの概念図であり、濃縮されたイオンの分離のために複数の有孔グラフェンシートを使用している。
【図７】図６の装置に全体的に対応する鉛管の配置を示す簡略図であり、有孔グラフェンシートは、スパイラル状でありシリンダに取り囲まれている。
【図８】本開示の特徴に従った分離装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図２は、本開示の例示的な一実施の形態または特徴による、基本的な淡水化、塩分除去または脱イオンの装置２００の概念図である。図２では、チャネル２１０が、イオン含有水を支持チャンバ２１４内に装着されている濾過膜２１２まで、運ぶ。イオン含有水は、例えば、海水または塩水であり得る。例示的な一実施の形態では、濾過膜２１２は、既知の態様でチューブ状に巻かれ得る。図２のチャネル２１０を通流するイオン含有水の流れの勢いまたは圧力は、タンク２１６からの重力またはポンプ２１８によって、与えられ得る。弁２３０及び２３８は、イオン含有水の出所の選択を許容する。設備または装置２００において、濾過膜２１２は、有孔グラフェンシートである。グラフェンは、炭素原子の単一原子層厚の層であり、図３に示されているように、シート３１０を規定するべく相互に結合されている。単一のグラフェンシートの厚さは、約０．２から０．３ナノメートル（ｎｍ）である。多層のグラフェンシートが形成され得て、より大きな厚みと対応するより大きな強度とを有する。多層のグラフェンシートは、当該シートが成長または形成されるに従って、複数の層で提供され得る。あるいは、多層のグラフェンシートは、１枚のシートを他のシートの上に積層する、または、位置付けることによって、達成され得る。ここで開示される全ての実施の形態に対して、単一のシートのグラフェンまたは多層のグラフェンシートが使用され得る。自己粘着性の結果として多層のグラフェンがそれらの一体性及び機能を維持するということを、試験が明らかにしている。このことは、シートの強度、及び、いくつかの場合では電流性能（flow performance）、を向上させる。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る六角形の環状構造（ベンゼン環）の繰り返しのパターンを規定しており、これが炭素原子のハニカム格子を形成している。各６個の炭素原子の環状構造によって格子間開口３０８がシート内に形成されており、この格子間開口３０８は、１ナノメートル未満の幅である。実際、当業者は、格子間開口３０８はその最長の寸法に亘っては約０．２３ナノメートルであると信じられているということを、理解するであろう。従って、開口３０８の寸法及び形態、並びに、グラフェンの選択特性（election nature）は、孔が無いならば、当該グラフェンの厚みを横切るあらゆる分子の移動を排除する。この寸法は、水やイオンの通過を許容するには、あまりにも小さい。図２の有孔グラフェンシート２１２を形成するために、図３に示されているように、１以上の開口が形成される。代表的な、一般的または名目的な円形の開口３１２が、グラフェンシート３１０を貫通して規定されている。開口３１２は、約０．６ナノメートルの名目的な直径を有している。０．６ナノメートルの寸法は、食塩水中または塩水中に通常想定される最小のイオンであるナトリウムイオンをブロックするために、選択されている。開口３１２の全体的に円形の形状は、開口の縁部が、部分的にグラフェンシート３１０の炭素の六角形の環状構造によって規定されているという事実によって、影響される。
【００１６】
開口３１２は、選択的酸化によって作られ得て、当該選択的酸化とは、選択された時間に亘り酸化剤に曝すことが意味される。開口３１２はまた、レーザーによって穴あけされ得る、ということが信じられている。刊行物Nano Lett. 2008, Vol.8, No. 7, pp 1965-1970で説明されているように、最も簡単な穿孔手法は、アルゴン内に希釈された酸素を用いて、高温でグラフェンフィルムを処理することである。そこで説明されているように、５００℃で２時間に亘り１気圧（ａｔｍ）のアルゴン内の３５０ｍＴｏｒｒの酸素を用いると、２０から１８０ｎｍの範囲の貫通孔がグラフェン内にエッチングされる。文献は、孔の数がグラフェンシート内の欠陥に関連し、孔の寸法が滞留時間に関連する、ということを合理的に提唱している。このことは、単一のシートまたは複数のシートを有するグラフェンの構造内に所望の孔を形成するための好ましい方法であると信じられている。前記構造は、グラフェンナノプレートレット（graphen nanoplatelets）及びグラフェンナノリボンであり得る。従って、所望の範囲の孔が、より短い酸化時間によって形成され得る。Kimらの“Fabrication and Characterization of Large Area, Semiconducting Nanoperforated Graphene Materials,”Nano Letters 2010 Vol.10, No. 4, 2010年3月1日, pp 1125-1131に記載されたような、より入り組んだ他の方法は、反応性イオンエッチングを使用したパターニングに好適なマスクを生成する自己組織化ポリマ（self assembling polymer）を使用する。Ｐ（Ｓ−ブロックＭＭＡ）ブロック共重合体は、再構築（redeveloping）の際にＲＩＥのためのビアを形成するＰＭＭＡコラムの配列を形成する。孔のパターンは、非常に密集している。孔の数及び大きさは、ＰＭＭＡブロックの分子量及びＰ（Ｓ−ＭＭＡ）内のＰＭＭＡの重量分率によって、制御される。どちらの方法も、有孔グラフェンシートを生産するための可能性を有している。
【００１７】
前述の通り、図３のグラフェンシート３１０は、ほんの単一の原子の厚みを有している。従って、当該シートは、柔軟な傾向にある。グラフェンシートの柔軟性は、当該シート２１２に裏打構造を適用することによって、または、複数のグラフェンシートを提供することによって、向上され得る。図２において、有孔グラフェンシート２１２の裏打構造は、２２０として図示されている。本実施の形態における裏打構造２２０は、四フッ化エチレン樹脂の有孔のシートであり、時にはポリテトラフルオロエタンとして知られている。構造２２０はまた、有孔ポリカーボネートフィルム、ナノ構造化炭素、他の適切な重合体材料または焼結多孔質金属であり得る。裏打シートの厚さは、例えば、１００ミクロンから１ミリメートル（ｍｍ）までであり得る。
【００１８】
図２の設備または装置では、有孔膜２１２に対して通路２１０を通じて適用されるイオン含有水の圧力は、タンク２１６からの重力によって与えられ得て、それにより、装置２００の１つの特徴を強調している、ということが述べられるべきである。すなわち、ＲＯ膜とは異なり、有孔膜２１２を形成する有孔グラフェンシート３１２は、疎水性であり、貫通されている開口（図３Ａの３１２）を通流する水は、濡れによる引力によって邪魔されない。また、前述の通り、グラフェンシート３１０における開口３１２を貫通する流路の長さは、シートの厚みと同一であり、約０．２から０．３ｎｍである。この長さは、ＲＯ膜を貫通して延在するランダム流路の長さよりも極めて短い。その結果として、流体が流れるために極めて小さな圧力が必要とされ、あるいは反対に、所定の圧力における流れは、有孔グラフェンシート３１０においてより大きい。これは、今度は、イオンの分離のための低いエネルギーの必要につながる。浸透圧に対抗して水に膜を通過させるためにＲＯ膜において必要とされる圧力は、膜を加熱する結果となる摩擦の成分を含んでいる、ということが信じられている。その結果、ＲＯ膜に適用される圧力のいくらかは、浸透圧の克服に向かわず、その代わりに熱になる。シミュレーション結果は、有孔グラフェンシートが必要な圧力をかなり減少させるということを、示している。更に、減少された前処理に起因するエネルギーの節約、及び、グラフェンの化学的及び生物学的な中立性に起因する継時的に削減された汚れはまた、非常な節約に帰結する。前述の通り、図２のグラフェンシート２１２（または、同等に、図３のグラフェンシート３１０）内の開口３１２は、源水（source water）において予想される最小のイオンの通過を禁じるように、寸法決めされている。その結果、当該最小のイオンと等しい大きさの、または、それよりも大きい大きさのあらゆるイオンは、有孔グラフェンシート２１２を通過せず、そのようなイオンは、グラフェンシートの支持チャンバ２１４の上流側２２６において蓄積することが、予想され得る。この「チャンバ」２２６の上流におけるイオンの蓄積は、ここでは、「スラッジ」と呼ばれ、結局は有孔グラフェンシート２１２を通流する水流を減少させることになる。これにより、それ（有孔グラフェンシート２１２）を脱イオンにとって効果の無いものにする傾向にある。図２に示されているように、スラッジをパージまたは放出することを許容するために、放出弁２３２と共に更なる通路２３０が提供されている。従って、図２の設備または装置２００の運転は、「バッチ（batch）」モードであり得る。バッチ運転の第１のモードは、流れを妨げるために放出弁２３２が閉じられた状態で、通路２１０を通流するイオン含有水の流れと共に生じる。当該イオン含有水は、支持チャンバ２１４の上流側２２６を満たす。水分子は、支持チャンバ２１４の下流側２２７まで、図２の有孔グラフェンシート２１２及び裏打シート２２０を通流することが許容される。従って、脱イオンされた水は、一定期間、下流部分２２７に蓄積し、通路２２２を通じてタンク２２４として図示されている捕獲容器に排出されて入手できる。やがて、支持チャンバの上流部分２２６にお���るイオンの蓄積または濃縮が、有孔グラフェンシート２１２を通流する水流を減少させがちになる。上流のチャンバまたは上流側２２６上の、あるいは、その内部に蓄積されたイオン／水の濃縮混合物をパージするために、弁２３２が開けられる。それは、当該イオン／水の濃縮混合物がパージされることを許容する一方で、上流部分２２６にはタンク２１６またはポンプ２１８からイオン含有水が補充される。弁２３２はその後閉じられて、他の濾過サイクルが始まる。これは、脱イオン水の生産及び容器２２４における脱イオン水の蓄積をもたらす。
【００１９】
図４は、図３のそれのような開口を複数有しているグラフェンシートの図である。図４のシートは、（３、４または５個の）開口を規定している。原理的には、流量は開口の密度に比例するであろう。開口の密度が上昇するにつれて、当該開口を通流する流れは、「激しく」なり得る。これは、所定の圧力において流れに悪影響を及ぼす。また、開口の密度が上昇するにつれて、基礎をなすグラフェンシートの強度が局所的に低下し得る。そのような強度の低下は、いくつかの状況下では、膜の破断をもたらし得る。開口間の中心から中心までの間隔は、０．６ナノメートルの開口にとって、１５ナノメートルの値で最適に近いと信じられている。
【００２０】
図５は、図２のグラフェンシートと共に使用され得る裏打シートの構造の簡略図である。図５では、裏打シート２２０は、ポリテトラフルオロエタンとしても知られている、四フッ化エチレン樹脂のフィラメント５２０から作られており、長方形の格子として配置されてそれらの交点で接合または融合されている。裏打シート２２０は、有孔ポリカーボネートフィルム、ナノ構造化炭素、他の適切な重合体材料または焼結多孔質金属でもあり得る。有孔グラフェンシートと同様に、裏打シートの寸法は、十分な強度と比例して、最大の流れのために可能な限り大きくされるべきである。同じ方向に向けられている相互に隣接するフィラメント５２０間の間隔は、名目的には１００ｎｍであり得て、フィラメントは、４０ｎｍの名目上の直径を有している。グラフェンシートの引張強度は大きく、従って、裏打シート内のかなり大きな支持されていない領域は、問題を引き起こさない。
【００２１】
図６は、本開示の他の実施の形態または特徴に従った脱イオンまたは脱塩の装置６００の概念図であり、異なって穿孔された複数層のグラフェンシートが、使用されている。図６では、図２のそれらに対応する要素が、同様の参照英数字によって示されている。図６における各「層」は単層のグラフェンまたは多層のグラフェンであり得る、ということが認められるであろう。図６の支持チャンバ６１４の内部で、上流及び下流の有孔グラフェンシート６１２ａ及び６１２ｂが、それぞれ、当該チャンバを３つの体積乃至部分、すなわち、上流部分または上流チャンバ６２６ａ、下流部分または下流チャンバ６２７ａ、及び、中間部分または中間チャンバ６２９に、分割している。各有孔グラフェンシート６１２ａ及び６１２ｂは、裏打シートに結合されている。特には、有孔グラフェンシート６１２ａは、シート６２０ａによって裏打されており、有孔グラフェンシート６１２ｂは、シート６２０ｂによって裏打されている。有孔グラフェンシート６１２ａ及び６１２ｂの開口は、相互に異なっている。特に、上流のグラフェンシート６１２ａは、塩素イオンの流れを禁止または不可化するように、及び、ナトリウムイオンを含有する水の流れを可能にするように選択された開口６１２ａｃによって、穿孔されている。これらの開口は、名目上の直径が０．９ナノメートルである。従って、０．９ナノメートルよりも大きい事実上の直径を有している塩素イオンは、有孔グラフェンシート６１２ａを通過できず、ただ上流部分または上流チャンバ６２６ａに残存する。ナトリウムイオンを含有する水は、有孔グラフェンシート６１２ａを通じて中間チャンバ６２９内に、流れ得る。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禁止または不可化するように、及び、水分子の流れを許容するように選択された開口６５２ｂｓで、穿孔されている。これらの開口は、名目上の直径において０．６ｎｍである。従って、０．９ナノメートルよりも大きい事実上の直径を有する塩素イオンは、有孔グラフェンシート６１２ａの開口６１２ａｃを通過できないが、ナトリウムイオンを含有する水は、有孔グラフェンシート６１２ａの開口６１２ａｃを通じて、中間チャンバ６２９内に流れ得る。ナトリウムイオンは、下流の有孔グラフェンシート６１２ｂを通過できず、従って中間チャンバ６２９内に残存または蓄積する。少なくとも塩素及びナトリウムのイオンを含まない水分子（Ｈ２Ｏ）は、有孔グラフェンシート６１２ｂの開口６５２ｂｓを通じて、中間部分または中間チャンバ６２９から下流部分または下流チャンバ６２６ｂに流れ得て、そこから、通路２２２及び回収容器２２４を通じて、脱イオン水が回収され得る。
【００２２】
図２の脱イオンの装置２００の場合と同様に、図６の設備または装置６００は、脱塩化の運転の間にイオンを蓄積または濃縮する。しかしながら、図２の設備または装置とは異なり、脱イオン装置６００は、少なくとも部分的に分離されたイオンの濃縮物を生成する。特には、塩素及びナトリウムのイオンを含有する水の流れから、設備６００の上流部分または上流チャンバ６２６ａは、主として塩素イオンからなるスラッジの濃縮物を蓄積し、及び、中間部分または中間チャンバ６２９は、主としてナトリウムイオンの濃縮物を蓄積する。これらの濃縮されたイオンは、それぞれ、パージ接続６３０ａ及び６３０ｂ、並びに、それらのパージ弁６３２ａ及び６３２ｂの選択的制御によって、分離して抽出され得る。特には、弁６３２ａは、濃縮された塩素イオンを上流部分または上流チャンバ６２６ａからタンク６３４ａとして図示されている回収容器まで流れることを許容するために開けられ得て、及び、弁６３２ｂは、濃縮されたナトリウムイオンを中間部分または中間チャンバ６２９からタンク６３４ｂとして図示されている回収容器まで流れることを許容するために開けられ得る。理想的には、パージ弁６３２ａは、ナトリウムイオンに富むスラッジを中間チャンバ６２９から洗い流すことを援助するために有孔グラフェンシート６１２ａを通流する水流を提供するべく、有孔グラフェンシート６１２ａを横断していくらかの圧力が維持されるように、中間部分または中間タンク６２９のパージが開始される前に、閉じられる。パージ弁６３２ａ及び６３２ｂは、脱塩処理に先立ち、閉じられる。ナトリウムイオンの場合における固形状への転換、あるいは、塩素の場合における気体状への転換に関しては、パージされて回収される濃縮されたイオンは、経済的価値を有する。海水は大量のベリリウム塩を含有しており、これらの塩は、優先的に濃縮されるならば触媒として医薬産業にとって価値を有する、ということが述べられるべきである。
【００２３】
更に、横断流（cross-flow）弁６５４ａ及び６５４ｂが図６に示されており、流路６５８と上流部分または上流チャンバ６２６ａと中間部分または中間チャンバ６２９とを、それぞれ連絡している。複数のイオンを含有する未濾過水２０１が、弁６５２を開けることによって流路６５８に送られ得る、あるいは、脱イオン水２０２が、ポンプ６６０を駆動することによってタンク２２４から供給され得る。ポンプ６６０から、脱塩水は、チェック弁６５６を通じて流路６５８に流れる。横断流弁６５４ａ及び６５４ｂは、パージ弁６３２ａ及び６３２ｂと同時にそれぞれ開閉され、これにより、チャンバからのスラッジのパージを促進する。
【００２４】
図７は、本開示の特徴に従った脱イオンまたはイオン分離の装置の簡略図である。図６のそれらと対応する図７の要素は、同様の参照英数字によって示されている。図７では、有孔グラフェンシート６１２ａ及び６１２ｂは、円筒状の型の内部で丸められてまたはスパイラル状に巻かれており、それぞれ、ＲＯ膜の技術から知られているように、７１２ａ及び７１２ｂとして図示されているハウジング内に、挿入されている。他の実施の形態のように、グラフェンシート６１２ａ及び６１２ｂは、単層のグラフェンシートまたは多層のグラフェンシートであり得る。更に、前述の実施の形態のように、多層のシートは、それらの回収時の強度及び流れの性能を、向上させる。
【００２５】
当業者は、塩素及びナトリウム以外のイオンは、選択的に穿孔されたグラフェンシートによって水から除去され得る、ということを理解するであろう。
【００２６】
図８は、本開示の特徴に従った横断流の分離装置の単純化された図である。本分離装置は、全体として数字７００によって示されており、脱イオン、脱塩、またはその他には、選択された成分を他の成分、例えば気体、微粒子、溶質、分子から分離するように、及び、炭化水素または他のあらゆるナノサイズもしくはマイクロサイズの成分を媒体から分離するように、構成されている。本実施の形態では、未濾過のまたは前濾過された媒体７０２が適切な大きさの容器７０４内に供給される。前記媒体は、互いに分離されるべき成分を含む流体、気体またはそれらの組合せを、含み得る。未濾過の媒体７０２は、重力によって、またはそうでない場合には、弁７０８を含み得るまたは含み得ない流路またはパイプに沿って前記媒体を推進する高圧ポンプ７０６によって、供給される。弁７０８が設けられており開状態にある場合、未濾過の媒体は、全体として数字７１０で示されている横断流チャンバに進入する。このチャンバには一方の端部に横断流入口７１２が設けられており、反対側の端部には横断流出口７１４が設けられている。チャンバ７１０内において前記入口及び前記出口よりも相対的に下方の位置に位置付けられているのが、グラフェン膜７２０である。
【００２７】
前述の実施の形態のように、単層または多層のいずれかであるグラフェン膜７２０は、媒体の選択された一部を通過させることを許容する一方で、当該媒体の他の部分が通過することを禁じるのに適するように寸法決めされた複数の穿孔された開口７２１を、有している。一般に、気体分離のための穿孔開口の直径は０．２乃至０．６ｎｍの範囲であり、塩のためには０．６乃至２ｎｍであり、炭化水素分子では１０乃至１００ｎｍである。前述の実施の形態のように、膜７２０は、シートを規定するように互いに結合された炭素原子の単一原子層厚の層である。単一のグラフェンシートの厚さは、約０．２から０．３ナノメートル（ｎｍ）である。前記膜は、加圧された媒体の流れに曝される第１面または上面７２２と、前記面７２２の反対側にある第２面または下面７２３と、を有している。前述の実施の形態において説明されたグラフェンシートの全ての特徴及び特質は、本実施の形態において提供される。しかしながら、本実施の形態においては、提供される媒体の濾過または分離のために適するように、開口は０．６ナノメートルの実効的な直径から１．２ナノメートルの実効的な直径の範囲である。換言すると、開口のいくつかは０．６ナノメートルの直径を有し得て、いくつかは０．９ナノメートルの直径を有し得て、更に他のものは１．２ナノメートルの直径を有し得る。異なる大きさの開口が任意の組み合わせ及び割合で利用され得る。水の脱塩または脱イオンの場合においては、開口のこの範囲は、大部分のナトリウムイオン及び塩素イオンがグラフェン膜を通過することを禁止する一方、水分子が通過することを許容するのに十分である、と信じられている。他の実施の形態では、横断流の幾何学的装置（geometry apparatus）のために、気体分離のための開口直径は０．２乃至０．６ｎｍの範囲であり、塩の分離のためには０．６乃至２ｎｍであり、炭化水素分子の分離のためには１０乃至１００ｎｍである。０．２乃至１００ｎｍという他の選択された範囲が、媒体の構成及び通過が禁じられる成分に応じて使用され得る。更に、０．２ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内の特定の範囲の直径も、使用され得る。
【００２８】
いくつかの実施の形態では、裏打シートまたは裏打構造体、例えば支持膜７２４が、グラフェン膜７２２の下方に当該膜を支持するために配置され得る。換言すれば、支持膜７２４は、膜７２０の表面７２３に隣接して配置される。裏打膜は、開口７２１よりも実質的に大きな開口７２６が穿孔されている。支持膜７２４は、時にはポリテトラフルオロエタンとして称される四フッ化エチレン樹脂で、構成され得る。膜７２４のための他の材料は、有孔ポリカーボネートフィルム、ナノ構造化炭素、他の適切な重合体材料、または、焼結多孔質金属、であり得る。
【００２９】
チャンバ７１０内に挿入されて位置付けられたグラフェン膜７２０によって、上方流路７３０が形成されている。この上方流路は、加圧された流体が入口７１２から出口７１４に向かって、前記膜に実質的に平行な方向に流れることを許容する。結果として、前記媒体は、前記膜を接線方向に横切って流れ、様々な開口７２１、及び、提供される場合には支持膜７２４を通過するような大きさの一部の媒体は、グラフェン膜の下の下方流路７３２内に流れる。開口を通流しない成分は、出口７１４を介して、弁７３４が設けられ得る流路７３３に沿って方向付けられる。弁からの濾過されなかった媒体（通過が禁じられた成分）は、その後、特定の最終使用に方向付けられる。例えば、媒体が水であれば、回収されたナトリウムイオン及び塩素イオンは、エネルギー回復の用途、例えばガルバーニ電池または任意の他の応用のために、回収される。下方流路内に回収される純化された媒体は、その後、純化された材料または媒体７４２を保持する回収容器７４０に、方向付けられる。
【００３０】
前述の説明から、膜と実質的に平行な方向における媒体の加圧された流れ、すなわち、換言すれば接線方向に方向付けられた流れは、媒体が開口を通流することを許容する一方で、回収された通過が禁じられた材料が出口に向かって移動されることをも許容する、ということが認められるであろう。そのような膜の「清掃」は、濾滓が固まること（caking）、または、その他の、通過が禁じられた材料の膜上への不所望の集積を、妨げる。これは、容器７４０内に回収されるべき通過が許容された材料または純化された材料７４２の通流を援助する、と信じられている。
【００３１】
いくつかの実施の形態では、装置７００は任意の数の下流の横断流チャンバ７１０を有し得て、各チャンバ及び関連部品は、アルファベットの接尾辞が付されている。従って、チャンバ出口７１４を通流する通過が禁じられた流体材料は、流体をチャンバ７１０と実質的に同じ態様で構築されているチャンバ７１０ａ内に方向付ける第２高圧ポンプ７０６ａまで、方向付けられる。結果として、以前に通過が禁じられた成分及び媒体は、容器７４０ａ内に回収するために更に純化される一方、通過が禁じられた材料は、何らかの他の最終使用のために、出口を介して通過が禁じられた材料を回収する弁７３４ａに方向付けられる。例えば、選択された特定の大きさのイオン、被検体または微粒子の除去のために、まず、第１チャンバ７１０及びそれに関連付けられたグラフェンシートが媒体に曝される。第１グラフェンシートは、第２チャンバ７１０ａ及びそれに関連付けられたグラフェンシートよりも大きな直径寸法の開口と分布とを有しており、当該第２チャンバ７１０ａ及び関連付けられたグラフェンシートは、より小さい直径寸法の開口と分布とを有している。提供される場合には、追加のチャンバ７１０ｂ−ｘが、開口寸法を更に縮小した対応するグラフェンシートを提供する。換言すれば、段階的な横断流チャンバ７１０が配置され得て、それらは、第１チャンバにおいては低い選択性を有しており、下流のチャンバにおいては次第により高いイオンの選択性を有している。結果として、媒体の所望の濾過の水準を得るために、各段階において必要とされる労力またはポンピング力が、一層少なくなる、ということが信じられている。これは、塩の除去ステップが進むごとに、装置が一層少ないエネルギー需要によって一層改善された濾過を提供する、という点で有利である。
【００３２】
不所望のイオン（２０１）を含有する水を脱イオン化するための方法は、有孔グラフェン（２１２）を作製するために、水分子の通過を許容するように、及び、不所望のイオンの１つ（例えばＮａ）の通過を禁じるように選択された複数の開口（例えば３１２）をグラフェンのシート（３１０）に穿孔する工程を、備えている。あるいは、そのように穿孔されたグラフェンシートが提供されても良い。加圧水を生成するために、不所望のイオン（２０１）を含有する水が加圧される（２１６、２１８）。この加圧された水は、イオンよりも先に水分子が有孔グラフェンシートの第２面（２１２ｄ）まで流れるように、有孔グラフェン（２１２）の第１（２１２ｕ）面に適用される。水分子（２０２）は、グラフェンシートの第２面（２１２ｄ）において回収される。本方法の１つの形態において、選択された１つのイオンは塩素であり、塩素イオンの通過を禁じるための開口は、０．９ナノメートルの名目上の直径であり、当該開口は、名目上は１５ナノメートルだけ間隔が空けられている。本方法の他の形態においては、選択された１つのイオンはナトリウムであり、ナトリウムイオンの通過を禁ずる開口は０．６ナノメートルの名目上の直径であり、当該開口は、名目上は１５ナノメートルだけ間隔が空けられている。本方法は、ポリ四フッ化エチレンの格子（５２０）であり得る裏打材（２２０）で有孔グラフェン（２１２）のシートを補強する工程を、含み得る。
【００３３】
不所望のイオンを含有する水（２０１）を脱イオン化するための方法は、第１の有孔グラフェン（６１２ａ）を作製するために、選択された第１の１つの不所望のイオン（例えば塩素）の通過を禁じるように、及び、選択された第２の１つの不所望のイオン（例えばナトリウム）を帯びた水分子の通過を許容するように選択された直径の複数の開口（３１２）を有するグラフェンのシート（６１２ａ）を穿孔する工程を、備えている。第２グラフェンのシート（６１２ｂ）は、開口が有孔グラフェンの第１シート（６１２ａ）の開口よりも小さい直径を有する、有孔グラフェンの第２シート（６１２ｂ）を作製するために、水分子の通過を許容するように、及び、選択された第２の１つの不所望のイオンの通過を禁じるように選択された複数の開口が、穿孔されている。有孔グラフェンの第１シート（６１２ａ）により規定された第１側、有孔グラフェンの第２シート（６１２ｂ）により規定された第２側、及び、それらの間の液体の流れのための流路（６２９）、を有する隣接したシートを形成するために、有孔グラフェンの第１（６１２ａ）及び第２（６１２ｂ）シートは、並置されている。不所望のイオンを含有する水は、名目的に脱イオン化された水を生成するために、並置されたシートの第１側（６１２ａ）に適用され、水分子が並置されたシート（６１２ａ）及び流路（６２９）を、イオンよりも先に並置されたシートの第２側まで通流する。この名目的に脱イオン化された水分子は、並置されたシートの第２側（６１２ｂ）から、回収される。
【００３４】
水の脱イオン装置（deionizer）は、水分子の流れを許容するように、及び、特定のタイプのイオン（例えばナトリウム）の流れを禁じるように寸法決めされた開口（３１２）が穿孔されたグラフェンシート（２１２）を、備えている。特定のタイプのイオンを帯びた水の供給源が提供されている。開口（２１２）が穿孔されたグラフェンシートを通じての特定のタイプのイオンを帯びた水の流れのために、流路（２１０、２２６、２２７）が提供される。この脱イオン装置の特定の実施の形態において、流れを開口（２１２）が穿孔されたグラフェンシートから逸らすために、流路にパージ装置（２２０、２３２）が結合されている。
【００３５】
セパレータ（６００）が、水分子の流れを許容するように、及び、第１タイプのイオン（６１２ａ）の流れを禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された第１グラフェンシートと、水分子の流れを許容するように、及び、第２タイプ（６１２ｂ）のイオンの流れを禁じるように寸法決めされた第２グラフェンシートと、を備えている。第２タイプのイオン（Ｎａ）は、第１タイプのイオン（Ｃｌ）よりも小さい。第１及び第２タイプのイオン（２０１）を帯びた水の供給源（２１０、２１６、２１８）が、提供されている。第１タイプのイオンの流れ（６１２ａ）を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された第１グラフェンシートに、第１及び第２タイプのイオン（２１０）を帯びた水の流れを適用するために、流路（２１６、６２６ａ）が提供されている。結果として、（ａ）第１タイプのイオン（Ｃｌ）が、当該第１タイプのイオンの流れ（６１２ａ）を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された第１グラフェンシートの上流側（６２６ａ）に蓄積し、（ｂ）第２タイプのイオン（Ｎａ）を帯びた水が、第１タイプのイオンの流れ（６１２ａ）を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された第１グラフェンシートを通じて、第１タイプのイオン（６１２ａ）の流れを禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された第１グラフェンシートの下流側（６２９）まで、流れる。セパレータ（６００）は、第１タイプのイオンの流れ（６１２ａ）を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔されたグラフェンシートの上流側に第２タイプのイオンを帯びた水の流れを適用するための流路（６２９）を、更に有している。結果として、（ａ）第２タイプのイオンが、当該第２タイプのイオンの流れ（６１２ｂ）を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された第２グラフェンシートの上流側（６２９）に蓄積し、（ｂ）第１及び第２タイプのイオンを含まない水が、第２タイプのイオン（６１２ｂ）の流れを禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された第２グラフェンシートを通流する。第１及び第２タイプのイオンを含まない水（２０２）を受容するために、回収装置（２２２、２２４）が連結されている。更なる回収装置（６３０ａ、６３２ａ、６３４ａ；６３０ｂ、６３２ｂ、６３４ｂ）が、イオンの蓄積物を別々に回収するために接続され得る。
【００３６】
水が含有する不所望のイオンを脱イオンするための方法は、流体の通過を許容するように、及び、不所望のイオンの少なくとも１つの通過を禁じるように選択された複数の穿孔された開口を有する、少なくとも１枚のグラフェンを提供する工程と、前記少なくとも１枚のグラフェンを円筒状に形成する工程と、当該円筒状のグラフェンをハウジング内に挿入する工程と、ハウジングを通流するような加圧流体を生成するべく不要なイオンを含有する流体を加圧する工程と、イオンよりも先に流体が少なくとも１枚の円筒状の有孔グラフェンの第２側に流れるように、加圧流体を円筒状の有孔グラフェンの第１面に適用する工程と、少なくとも１枚のグラフェンの第２側から流体を回収する工程と、を備えている。本方法は、少なくとも１つのイオンが塩素であり、当該塩素イオンの通過を禁じるための開口は、名目的には０．９ナノメートルであり、前記開口は、名目的には１５ナノメートルの間隔が空けられている、という状態で継続する。本方法は更に、少なくとも１つのイオンはナトリウムであり、当該ナトリウムイオンの通過を禁じるための開口は、名目的には０．６ナノメートルであり、前記開口は、名目的には１５ナノメートルの間隔が空けられている、という状態で継続する。本方法は、流体の通過を許容するように、及び、他の１以上の不要なイオンの通過を禁じるように選択された複数の穿孔された開口を有する、少なくとも１枚のグラフェンの第２セットをも提供し得て、少なくとも１枚のグラフェンの第２セットを第２の円筒状に形成し、当該円筒状のグラフェンを第２ハウジング内に挿入し、第２ハウジングを通流するような加圧流体を生成するべく不要なイオンを含有する流体を加圧し、イオンよりも先に流体が第２の円筒状の少なくとも１枚の有孔グラフェンの第２セットの第２側に流れるように、加圧流体を、第２の円筒状の少なくとも１枚の有孔グラフェンの第２セットの第１面に、提供する。本方法は、不要な塩素イオンの通過を禁じるための少なくとも１枚のグラフェンの穿孔された開口は、名目的には０．９ナノメートルであり、不要なナトリウムイオンの通過を禁じるための少なくとも１枚のグラフェンの第２セットの穿孔された開口は、名目的には０．６ナノメートルである、という状態で継続する。本方法はまた、第２ハウジングよりもイオンの排除の選択性が小さい第１ハウジングも備え得る。
【００３７】
流体の脱イオン装置は、流体の流れを許容するように、及び、少なくとも１つの特定のタイプのイオンの流れを禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された、円筒状の少なくとも１枚のグラフェンと、前記特定のタイプのイオンを帯びた流体の供給源と、開口が穿孔された円筒状の少なくとも１枚のグラフェンを通じての、前記特定のタイプのイオンを帯びた流体の流れのための流路と、を備えている。脱イオン装置は、流体の流れを許容するように、及び、他の特定のタイプのイオンの流れを禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された、第２の円筒状の少なくとも１枚のグラフェンを、更に含み得る。この第２の円筒状のグラフェンは、流体の流れのための流路内にある。少なくとも１枚の円筒状のグラフェンシートは、丸められているか、または、渦巻き状である。脱イオン装置は、円筒状のグラフェンシートによって通過が禁じられた濃縮イオンが回収容器まで流れることを許容するために、各円筒状のグラフェンシート及び流体の流れのための流路に関連付けられたパージ弁を、更に含み得る。
【００３８】
流体の脱イオン装置はまた、流体の流れを許容するように、及び、当該流体の流れに含まれる少なくとも１つの特定のタイプのイオンの通過を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された、少なくとも１枚のグラフェンシートと、前記少なくとも１枚のグラフェンシートを受容する上流部分を有する支持チャンバと、前記少なくとも１つの特定のタイプのイオンを帯びた流体の供給源と、開口が穿孔された少なくとも１枚のグラフェンシートを通じての、少なくとも１つの特定のタイプのイオンを帯びた流体の流れのための流路と、前記上流部分に関連付けられたパージ弁と、を含んでおり、前記パージ弁は、前記少なくとも１枚のグラフェンシートによって通過が禁じられた前記少なくとも１つの特定のタイプのイオンを回収するために、開位置にある。流体の脱イオン装置は、開口が穿孔された前記少なくとも１枚のグラフェンシートを裏打ちする多孔質の媒体を、含み得る。当該媒体は、ポリ四フッ化エチレン、ポリテトラフルオロエタン、ポリカーボネート、ナノ構造化炭素、または、焼結多孔質金属、から構成される群から選択されている。脱イオン装置は、流体の流れを許容するように、及び、前記流体の流れに含まれる他の特定のタイプのイオンの通過を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された、第２の少なくとも１枚のグラフェンシートを提供し得る。前記支持チャンバは、前記少なくとも１枚のグラフェンシートと前記第２の少なくとも１枚のグラフェンシートとの間の中間チャンバと、前記第１の少なくとも１枚のグラフェンシートの下の下流のチャンバと、を形成するために、前記第２の少なくとも１枚のグラフェンシートを保持しており、前記下流のチャンバは、グラフェンシートによって通過が禁じられた前記特定のタイプのイオンを含まない流体の流れを回収する。流体の脱イオン装置は、第２パージ弁を有し得る。当該第２パージ弁は、中間チャンバに関連付けられており、開位置にある時には、前記第２の少なくとも１枚のグラフェンシートによって通過が禁じられた他の特定のタイプのイオンを回収する。脱イオン装置は、上流部分に関連付けられた横断流弁を更に含み得て、パージ弁及び横断流弁は、通過が禁じられたタイプのイオンを支持チャンバからパージすることを促進するために、同時に開閉される。
【００３９】
媒体から成分を分離するための方法は、媒体の通過を許容するように、及び、当該媒体中の選択された成分の通過を禁じるように選択された複数の穿孔された開口を有する少なくとも１層のグラフェンの第１シートを提供する工程と、前記少なくとも１層のグラフェンの第１シートを第１チャンバ内に提供する工程と、を含んでいる。第１チャンバは、第１入口と第１出口と第１下方流路とを含んでいる。本方法は、当該媒体を、媒体が第１入口から第１出口まで流路内を少なくとも１層のグラフェンの第１シートに実質的に平行に流れるように、加圧することによって、継続される。流体は、少なくとも１層のグラフェンの第１シートの第１面上に流れ、当該媒体の一部が複数の穿孔された開口を通じて当該少なくとも１層のグラフェンの第１シートの第２側に流れる一方、媒体の残りの部分及び当該媒体中の通過が禁じられた選択された成分が第１出口から流出する。本方法は、ナトリウム及び塩素の脱イオンのために、０．６乃至１．２ナノメートルの範囲内の複数の穿孔された開口を提供する工程を伴って継続する。本方法はまた、イオン、微粒子、検体、気体、及び、炭化水素、からなる群から選択された任意の選択された成分の通過を選択的に禁じるような寸法の複数の穿孔された開口を、提供し得る。本方法はまた、少なくとも１層のグラフェンの第１シートの、流路とは反対の一方の側上に、支持膜を提供し得て、当該支持膜は、ポリ四フッ化エチレン、有孔ポリカーボネートフィルム、及び、焼結多孔質金属、からなる群から選択される。本方法は更に、第１出口を第２分離装置に接続し、当該第２装置に、前記出口から受容された媒体の通過を許容するように、及び、当該媒体中の選択された成分の通過を禁じるように選択された複数の穿孔された開口を有する少なくとも１層のグラフェンの第２シートを提供し、対応する入口、出口及び下方流路を有する第２チャンバ内に、前記少なくとも１層のグラフェンの第２シートを提供し、前記第２入口を通じて第１出口から受容された媒体を、少なくとも１層のグラフェンの第２シートに実質的に平行な流路内で第２入口から第２出口まで流れるように、加圧し、前記媒体は、少なくとも１層のグラフェンの第２シートの第１面上に流れ、当該媒体の一部が複数の穿孔された開口を通じて当該少なくとも１層のグラフェンの第２シートの第２側まで流れる一方、前記媒体の残りの部分及び当該媒体中の通過が禁じられた選択された媒体が第２出口から流出する。
【００４０】
分離装置は、入口と出口と下方流路とを有する少なくとも１つのチャンバと、媒体の通過を許容するように、及び、当該媒体中の選択された成分の通過を禁じるように寸法決めされた開口が穿孔された少なくとも１枚のグラフェンと、入口を有する前記少なくとも１つのチャンバに接続された媒体の加圧源と、を備え、前記少なくとも１枚のグラフェンは、少なくとも１つのチャンバ内に配置され、前記加圧源は、少なくとも１枚のグラフェンに実質的に平行な流路に沿って入口から出口まで、前記媒体を方向付け、前記媒体は、少なくとも１枚のグラフェンの第１面上を流れ、前記媒体の一部が複数の穿孔された開口を通じて少なくとも１枚のグラフェンの第２側まで流れる一方、前記媒体の残りの部分及び当該媒体中の通過が禁じられた選択された成分が出口から流出する。本装置は、０．６乃至１．２ナノメートルの範囲内の大きさの複数の穿孔された開口を、更に含み得る。流路とは反対側の、少なくとも１層のグラフェンの一方の側上に、支持膜が提供され得て、当該支持膜は、ポリ四フッ化エチレン、有孔ポリカーボネートフィルム、及び、焼結多孔質金属、からなる群から選択される。本装置は、少なくとも１つのチャンバの出口に連続的に接続された追加のチャンバを、含み得る。当該追加のチャンバは、先行するチャンバよりも小さい開口の直径を有する、対応する少なくとも１つのグラフェンシートを用いて、媒体から特定の成分を漸次除去する。本装置は、少なくとも１つのチャンバの出口に連続的に接続された追加のチャンバをも、含み得る。追加のチャンバは、当該追加のチャンバ内の、イオンの更なる選択的な排除を利用する、対応する少なくとも１つのグラフェンシートを用いて、先行するチャンバの出口に接続された追加の加圧源から与えられる圧力を漸次低下させることを許容している。
【００４１】
従って、上述された構造及びその使用方法によって、本発明の目的が満足されることが理解される。特許法に従って、最良の実施の形態及び好ましい実施の形態のみが示され、詳細に説明されているが、本発明はそれらにまたはそれらによって限定されない、ということが理解されるべきである。従って、本発明の真の範囲及び幅の理解のために、以下の特許請求の範囲が参照されるべきである。
【図１】
2016507363.tif 000003
【図２】
2016507363.tif 000004
【図３】
2016507363.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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