CN104203835A - 用于去离子化的石墨烯孔的功能化 - Google Patents

Abstract

用于溶液的去离子化的方法，所述方法包括使石墨烯片的多个孔隙功能化以排斥溶液中的第一离子使其不运送通过经功能化的多个孔隙。未运送的第一离子影响溶液中的第二离子以使其不运送通过经功能化的多个孔隙。将石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间。溶液进入溶液流动路径输入端并通过石墨烯片的经功能化的多个孔隙，产生在石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液和在石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含第一离子和第二离子的第二溶液。

Description

用于去离子化的石墨烯孔的功能化

发明领域

本发明涉及离子过滤，更具体地涉及利用石墨烯孔的功能化进行去离子化的方法和系统。

发明背景

随着淡水源日益变得缺乏，许多国家正在寻找可将盐水(最显著地是海水)转化成清洁的饮用水的方案。

用于水脱盐的现有技术分成四大类，即，蒸馏、离子工艺、膜工艺以及结晶。这些技术中最有效且最常用的是多级闪急蒸馏(MSF)、多效蒸发(MEE)和逆渗透(RO)。成本是所有这些工艺的驱动因素，在这些工艺中能量和资金成本均是显著的。彻底开发了RO和MSF/MEE技术。当前，最佳的脱盐方案需要2至4倍的理论最小能量限度，所述理论最小能量限度通过水的简单蒸发而确立并且为3千焦/kg至7千焦/kg。蒸馏脱盐法包括多级闪蒸、多效蒸馏、蒸气压缩、太阳能增湿和地热脱盐。这些方法共享共同的途径，即改变水的状态以进行脱盐。这些途径使用热传递和/或真空压以蒸发盐水溶液。然后，将水蒸气冷凝并收集为淡水。

离子工艺脱盐法集中于与溶液内离子的化学和电学相互作用。离子工艺脱盐法的实例包括离子交换、电渗析和电容去离子化。离子交换将固体聚合物离子交换剂或矿物质离子交换剂引入盐水溶液内。离子交换剂与溶液中期望的离子结合以使其可以易于滤出。电渗析是使用阳离子和阴离子选择性膜和电压电位以产生淡水和盐水溶液的交替通道的方法。电容去离子化使用电压电位以从溶液中带走带电荷的离子、捕获该离子并同时使水分子通过。

膜脱盐工艺使用过滤和压力从溶液中除去离子。逆渗透(RO)是广泛使用的脱盐技术，其向盐水溶液施加压力以克服离子溶液的渗透压。压力推动水分子通过多孔膜进入淡水隔室，同时捕获离子，产生高浓度的盐水溶液。压力是这些方法的驱动成本因素，因为需要压力克服渗透压以捕获淡水。结晶脱盐是基于优先形成晶体而不包含离子的现象。通过以冰或甲醇(methyl hydrate)的形式产生结晶水，可以将纯净水与溶解的离子分离。在简单冷冻的情况下，使水冷却至其凝固点之下，由此产生冰。然后，将冰溶化以形成纯净水。甲醇结晶工艺使用甲烷气体滤过咸水溶液形成甲烷水合物，这发生在比水冷冻更低的温度。甲醇上升，促进分离，然后升温以分解成甲烷和脱盐的水。收集脱盐的水并重复利用甲烷。

用于脱盐的蒸发和凝结通常被认为是节能的，但仍需要集中的热源。当进行大规模时，用于脱盐的蒸发和凝结通常与发电厂同地协作，并易受地理分布和尺寸的限制。

电容去离子化不是广泛使用的，可能是因为电容电极趋于被除去的盐淤塞并需要频繁检修。所必需的电压易于依赖于板的间隔及流率，并且该电压可能成为危害物。

逆渗透(RO)过滤器广泛用于水净化。RO过滤器使用多孔膜或半渗透膜，其通常由乙酸纤维素或聚酰亚胺薄膜复合物制成并通常具有1毫米(mm)的厚度。这些材料是亲水性的。膜通常被螺旋缠绕成管状形式以便于处理和膜支撑。膜呈现随机尺寸的孔径分布，其中最大尺寸的孔径足够小以允许水分子通过并且不允许或阻碍诸如溶解在水中的盐的离子通过。尽管典型的RO膜具有1毫米厚度，但RO膜的固有随机结构为流经该膜的水限定了长且迂回或曲折的路径，并且这些路径可以远大于1毫米长度。路径的长度和随机构造需要相当大的压力以将在表面处的水分子与离子剥离，然后使水分子逆着渗透压移动通过该膜。由此，RO过滤器趋于是能量低效的。

图1是RO膜10的横截面的抽象图示。在图1中，膜10限定了面向上游离子水溶液16的上游表面12以及下游表面14。将在上游侧上例示的离子选择为带+电荷的钠(Na)和带-电荷的氯(Cl)。钠被例示为与4个使离子变成溶剂化物的水分子(H₂O)相缔合。每一水分子包括1个氧原子和2个氢(H)原子。在图1的RO膜10中水流动的路径20之一被例示为从上游表面12上的孔隙20u延伸至下游表面14上的孔隙20d。路径20例示为盘绕的，而不可能示出典型路径的真实的迂回曲折性质。此外，可以期望例示为20的路径与多个上游孔隙和多个下游孔隙相连。通过RO膜10的路径20可以不仅是盘绕的，而且其还可以随时间变化，因为一些孔隙被不可避免的碎片阻塞。

期望可替代的水脱盐法和装置。

发明概述

公开了使溶液去离子化的方法，所述方法包括以下步骤：使石墨烯片的多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙，未被传送的第一离子影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙；将所述石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间；以及使溶液进入所述溶液流动路径输入端并通过所述石墨烯片的经功能化的多个孔隙，由此产生在所述石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液以及在所述石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含第一离子和第二离子的第二溶液。

在实施方案中，第一离子可以是带负电荷的离子，第二离子可以是带正电荷的离子，并且使多个孔隙功能化可以包括使所述多个孔隙的边缘(perimeter)功能化以具有负电荷，从而排斥所述溶液中带负电荷的离子。使多个孔隙的边缘功能化以具有负电荷可以包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使所述边缘功能化。或者，使多个孔隙的边缘功能化以具有负电荷可以包括使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述边缘功能化。在另一实施方案中，第一离子可以是带正电荷的离子，第二离子可以是带负电荷的离子，并且使多个孔隙功能化可以包括使所述多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷，从而排斥所述溶液中带正电荷的离子。使多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷可以包括使用硼、氢、锂、镁或铝来使所述边缘功能化。或者，使多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷可以包括使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述边缘功能化。

用于去离子化的方法可以还包括限定所述石墨烯片的多个孔隙的尺寸以抵制所述第一离子的运送。所述方法可以还包括向石墨烯片施加电荷，其中所述电荷排斥第一离子。

公开了使溶液去离子化的方法，所述方法包括以下步骤：使第一石墨烯片的第一多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙，未被运送的第一离子还影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙；使第二石墨烯片的第二多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙，未被运送的第二离子还影响所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙；将所述第一石墨烯片置于溶液流动路径输入端的下游并且将所述第二石墨烯片置于所述第一石墨烯片和溶液流动路径输出端之间；以及使溶液进入所述溶液流动路径输入端，通过所述第一石墨烯片，然后通过所述第二石墨烯片，由此在所述溶液流动路径输出端处产生去离子化的溶液。

在实施方案中，第一离子是带负电荷的离子，第二离子是带正电荷的离子，使第一多个孔隙功能化包括使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有负电荷从而排斥溶液中的带负电荷的离子，并且使第二多个孔隙功能化包括使所述第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有正电荷从而排斥所述溶液中的带正电荷的离子。使第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有负电荷可以包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化。或者，使第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有负电荷可以包括使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第一边缘功能化。使第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有正电荷可以包括使用硼、氢、锂、镁或铝来使所述第二边缘功能化。或者，使第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有正电荷可以包括使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第二边缘功能化。

在另一实施方案中，第一离子是带正电荷的离子，第二离子是带负电荷的离子，使第一多个孔隙功能化包括使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有正电荷从而排斥溶液中的带正电荷的离子，并且使第二孔隙功能化包括使第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有负电荷从而排斥所述溶液中的带负电荷的离子。使第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有负电荷可以包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使所述第二边缘功能化。或者，使第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有负电荷可以包括使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第二边缘功能化。使第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有正电荷可以包括使用硼、氢、锂、镁或铝来使所述第一边缘功能化。或者，使第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有正电荷包括使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第一边缘功能化。

所述方法可以还包括限定第一石墨烯片的第一多个孔隙的尺寸以抵制第一离子的运送，并且限定所述第二石墨烯片的第二多个孔隙的尺寸以抵制第二离子的运送。所述方法还可以包括向第一石墨烯片施加第一电荷以及向第二石墨烯片施加第二电荷，其中所述第一电荷排斥第一离子以及所述第二电荷排斥第二离子。

公开了去离子器，其包括：具有多个孔隙的石墨烯片，所述多个孔隙经功能化以排斥溶液中第一离子使其不运送通过所述多个孔隙，未被运送的第一离子影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过经功能化的多个孔隙；具有输入端和输出端的溶液流动路径，其中所述石墨烯片被放置在所述溶液流动路径输入端和所述溶液流动路径输出端之间；以及负载有离子的溶液的源。将负载有离子的溶液引入溶液流动路径输入端，经过所述石墨烯片，由此产生在所述石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含第一离子和第二离子的第一离子溶液以及在所述石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液。

在实施方案中，第一离子是带负电荷的离子，第二离子是带正电荷的离子，并且经功能化的多个孔隙包括具有带负电荷的边缘的多个孔隙以排斥溶液中的带负电荷的离子。在另一实施方案中，第一离子是带正电荷的离子，第二离子是带负电荷的离子，并且经功能化的多个孔隙包括具有带正电荷的边缘的多个孔隙以排斥溶液中的带正电荷的离子。

去离子器可以还包括经限定尺寸以抵制第一离子的运送的石墨烯片的多个孔隙。去离子器可以还包括使石墨烯片带有电荷，所述电荷排斥第一离子。

公开了溶液去离子器，其包括：具有第一多个孔隙的第一石墨烯片，所述第一多个孔隙经功能化以排斥第一离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙，未被运送的第一离子影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙；具有第二多个孔隙的第二石墨烯片，所述第二多个孔隙经功能化以排斥所述溶液中的所述第二离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙，未被运送的第二离子影响所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙；具有输入端和输出端的溶液流动路径，其中所述第一石墨烯片处于所述溶液流动路径输入端的下游，并且所述第二石墨烯片处于所述第一石墨烯片和所述溶液流动路径输出端之间；以及负载有离子的溶液的源。将负载有离子的溶液引入溶液流动路径输入端，经过第一石墨烯片，然后经过第二石墨烯片，由此在溶液流动路径输出端产生去离子化的溶液。

在实施方案中，第一离子是带负电荷的离子，第二离子是带正电荷的离子，经功能化的第一多个孔隙包括具有排斥溶液中带负电荷的离子的带负电荷的边缘的第一多个孔隙，并且经功能化的第二多个孔隙包括具有排斥溶液中带正电荷的离子的带正电荷的边缘的第二多个孔隙。在另一实施方案中，第一离子是带正电荷的离子，第二离子是带负电荷的离子，经功能化的第一多个孔隙包括具有排斥溶液中带正电荷的离子的带正电荷的边缘的第一多个孔隙，并且经功能化的第二多个孔隙包括具有排斥溶液中带负电荷的离子的带负电荷的边缘的第二多个孔隙。

所述溶液去离子器可以还包括经限定尺寸以抵制第一离子运送的第一石墨烯片的第一多个孔隙以及经限定尺寸以抵制第二离子运送的第二石墨烯片的第二多个孔隙。所述溶液去离子器可以还包括带有第一电荷的第一石墨烯片和带有第二电荷的第二石墨烯片，其中所述第一电荷排斥第一离子且所述第二电荷排斥第二离子。

附图简述

图1是现有技术的逆渗透(RO)过滤膜的抽象横截面图示；

图2是本公开一方面的使用穿孔的石墨烯片的水过滤器的抽象图示；

图3是可用于图2的布置方案中的穿孔的石墨烯片的平面图示，示出多个孔隙之一的形状；

图4是穿孔的石墨烯片的平面图，示出经功能化的穿孔或孔隙及尺寸；

图5是可与图2的穿孔的石墨烯片联合使用的背衬片的平面图示；

图6是本公开一方面的水去离子过滤器的抽象图示，其使用多个穿孔的石墨烯片；以及

图7是示出通常对应于图6的布置方案的管道布置方案的简化图，其中穿孔的石墨烯片被螺旋缠绕并封装在圆筒中。

详细描述

图2是根据示例性实施方案或本公开一方面的基础去离子化装置200的抽象图示。在图2中，通道210将负载有离子的水输送至安置在支撑室214中的过滤膜212。负载有离子的水可以例如为海水或咸水。在一示例性实施方案中，可以以已知方式将过滤膜212缠绕成螺旋形。可以由罐216通过重力或由泵218提供流经图2的通道210的负载有离子的水的流动动力或压力。阀236和238允许选择负载有离子的水的源。在装置或布置方案200中，过滤膜212是具有穿孔(还称为孔隙)的穿孔的石墨烯片。石墨烯是单原子层厚的碳原子层，其结合在一起以限定片310，如图3所示。单石墨烯片的厚度为约0.2纳米(nm)。实际上，认为单石墨烯片的厚度为约0.2纳米至0.3纳米，并且具体为约0.23纳米。可以形成具有更大厚度的多个石墨烯片。图3的石墨烯片310的碳原子限定了由6个碳原子构成的六方环结构(苯环)的重复图案，所述结构形成碳原子的蜂巢晶格。由该片中的各个6-碳原子环结构形成间隙孔隙308(interstitial aperture)，并且该间隙孔隙跨度(across)小于1纳米。实际上，技术人员会认识到间隙孔隙被认为在其最长尺寸上跨度约0.23纳米。该尺寸过小而不能使水或离子通过。

图2的去离子化装置具有从水源201或216至通道210的溶液流动路径，所述通道210可以被认为是溶液流动路径的输入端。从通道210起，溶液流动路径延伸至室214的溶液流动路径输入侧，然后通过石墨片212，然后达到室214的溶液流动路径输出侧，并最终达到通道222，所述通道222被认为是溶液流动路径的输出端。可以通过泵218或由罐216通过重力供给来加压携带了不期望的离子的水201，由此产生加压的水。将所述加压的水施用于穿孔的石墨烯212的第一侧212u，以使水分子流至穿孔的石墨烯片的第二侧212I。

为了形成图2的穿孔的石墨烯片212，制成一个或多个穿孔，如图3所示。通过石墨烯片310限定了典型的大致圆形或标称圆形的孔隙312。在实施方案中，孔隙312具有约2纳米的标称直径。选择2-纳米尺寸以允许通常被预期存在于盐水或咸水中的最大离子运送通过孔隙，所述最大离子为氯离子。在一些实施方案中，孔隙312的标称直径可以为0.8nm至1.2nm。然而，本文详述的孔隙的边缘的功能化取决于排斥离子以使其不运送通过孔隙，即使该孔隙以其它方式被改变尺寸以允许离子的运送。以下事实影响孔隙312的大致圆形的形状，即，石墨烯片310的六方碳环结构部分地限定了孔隙的边界。

可以通过选择性氧化来制成孔隙312，所述选择性氧化意指暴露于氧化剂一段所选的时段。认为孔隙312还可以是激光钻孔的。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温下用在氩气中稀释的氧处理石墨烯膜。如其中所述，在500℃下使用在1个大气(atm)的氩气中350mTorr的氧在石墨烯中蚀刻20nm至180nm范围的穿过的孔隙或孔，持续2小时。该论文合理地建议了孔的数量与石墨烯片的缺陷有关，并且孔的尺寸与停留时间有关。其被认为是在石墨烯结构中制造所期望的穿孔的优选方法。该结构可以是石墨烯纳米板和石墨烯纳米带。因此，可以通过更短的氧化时间来形成在期望范围内的孔隙。另一更相关的方法利用自组装的聚合物，该聚合物产生适于使用反应性离子蚀刻进行图案化的掩模。P(S-嵌段MMA)嵌段共聚物形成一列PMMA柱，其经重建形成RIE的过孔(vias)。孔的图案是非常密集的。由PMMA嵌段(PMMA block)的分子量和P(S-MMA)中PMMA的重量分数来控制孔的数量和尺寸。任一方法具有产生穿孔的石墨烯片的可能性。

可以用带特定电荷的官能团使孔隙的边缘功能化。边缘周围的带电荷的基团会排斥相似电荷的离子，增加带相似电荷的离子运送通过孔隙的活化能垒。此外，相反电荷的离子会受影响而与未被运送的离子一起滞留。正离子和负离子的分离会需要大量的输入系统的能量，这不是本发明的特征。因此，通过排斥相似电荷的离子以使其不运送通过经功能化的孔隙，也有效地排斥了相反电荷的离子使其不运送通过经功能化的孔隙。在实施方案中，可以用氧来使孔隙的边缘功能化，所述氧为带负电荷的离子。具有被氧功能化的孔隙的片会排斥带负电荷的氯离子，这会使氯离子以非常低的速率运送通过该孔隙或根本不通过该孔隙。带正电荷的钠离子会受影响以与被排斥的氯离子一起滞留在室226内。在其他实施方案中，可以使用除氧之外的其它元素，通过负电荷来功能化孔隙的边缘。例如，在实施方案中，可以使用氮、磷、硫、氟、氯、溴和碘中的至少一种来与负电荷一起用于使边缘功能化。

因此，如果片212的孔隙的边缘带电荷以排斥一种电荷的离子，则相反电荷的离子也可能受影响而不通过该片。尽管可以通过向系统内输入大量的能量来使相反电荷的离子通过片的孔隙，但预期的是，向系统添加此量的能量会产生在去离子化的情形中不期望的反应(例如产生氯气或氢气)。

如所理解的，在另一实施方案中，边缘可以带有带正电荷的离子，例如硼。具有被硼功能化的孔隙的片会使带正电荷的钠离子以非常低的速率通过该孔隙或根本不通过该孔隙。带负电荷的氯离子会趋于与钠离子一起滞留并还会以非常低的速率通过孔隙或根本不通过该孔隙。在其他实施方案中，可以使用除硼之外的其它元素，用正电荷来功能化孔隙的边缘。例如，在实施方案中，可以使用氢、锂、镁和铝中的至少一种来与正电荷一起用于使边缘功能化。

在另一实施方案中，可以使用具有整体正电荷或整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来功能化孔隙的边缘。一些候选的聚合物包括聚氧化乙烯、聚磺酰亚胺类聚合物、金-硫醇嵌体、基于钌的有机金属化合物以及电解聚合物。聚合物链或氨基酸链的使用可以允许更能控制孔隙边缘上的电荷强度，由此允许一定程度控制经功能化的孔隙的排斥和/或吸引作用。电荷强度可以是重要的，其取决于需要被石墨烯片过滤的离子的类型。

可以通过多种通常已知的方法来实现孔隙的功能化。在实施方案中，可以通过使用对氧具有反应性的化学制品或基团对石墨烯片进行引晶，然后将该片暴露于氧等离子体，由此使该化学制品或基团反应并在石墨烯片中产生经功能化的孔，从而产生在石墨烯片上的经功能化的孔隙。在另一实施方案中，可以通过向现有孔隙的边缘应用对诸如电荷或光脉冲等外部刺激有反应性的化学官能团，然后将该片暴露于电荷或光脉冲，由此使该化学基团连接至该边缘，从而形成经功能化的孔隙。酸处理、反应性离子蚀刻或标准有机化学技术也可以用于使孔隙的边缘功能化。功能化的方法包括但不限于：反应性离子和分子物质，例如四氟化碳等离子体、氧等离子体、原子氧、氮等离子体和原子氮。在结构中最初产生缺陷之后的材料的功能化取决于在该材料上剩余的化学成分：例如，如果将氮或氧反应性基团连接至该材料，则该材料可以与有机酰基氯反应以在材料和官能团之间产生酯连接或酰胺连接。与材料连接的官能团可以是会支持连接物官能度的任何物质。

如所述的那样，图3的石墨烯片310具有仅为单原子的厚度。因此，该片趋于是挠性的。可以通过向片212施用背衬结构来改善石墨烯片的弯曲。在图2中，穿孔的石墨烯片212的背衬结构例示为220。在此实施方案中，背衬结构220是穿孔的聚四氟乙烯(有时称为聚四氟乙烷)的片。背衬片的厚度可以例如为1毫米(mm)。

应注意，在图2的装置或布置方案中，可以由罐216通过重力提供通过路径210向穿孔的膜212施加的负载有离子的水的压力，由此强调装置200的方面之一。即，与RO膜不同，形成穿孔的膜的穿孔的石墨烯片310(图3)是疏水性的，并且经过穿通的孔隙(图2和3的312)的水不受吸引力(归因于湿润)的阻碍。此外，如所述的那样，在石墨烯片310中通过孔隙312的流动路径的长度等于片的厚度，所述厚度为约0.2nm。该长度远小于延伸通过RO膜的随机路径的长度。因此，需要非常小的压力来提供流体流动，或相反地，在穿孔的石墨烯片310中，在给定压力下的流动远远大得多。这进而转化成离子分离的低能量需求。认为RO膜中使水逆着渗透压而通过该膜所需要的压力包括摩擦组分，其导致膜变热。因此，必须向RO膜施加的压力中有一些压力未用于克服渗透压，反而变成热量。模拟的结果表明穿孔的石墨烯片使所需的压力降低了至少5倍。因此，在RO膜可能在上游侧需要40磅/平方英尺(PSI)的压强以实现具有特定离子浓度的去离子水的特定流动的情况下，穿孔的石墨烯片对于相同的流率可需要8PSI以下。

如所述的那样，图2的石墨烯片212(或相当于图3的石墨烯片310)的穿孔312可以被功能化以有效阻止某一电荷的离子使其不通过该石墨烯片。如进一步所述的那样，还可以有效阻止与所述某一电荷相反电荷的离子，因为相反电荷的离子在不存在大量能量输入的情况下趋于与被阻止的某一电荷的离子一起滞留。因此，不预期经过石墨烯片的任何离子可以预期在石墨烯片-支撑室214的上游侧226中积聚。在上游“室”226中的离子积聚物本文称为“浓缩物”，并且最终降低水通过穿孔的石墨烯片212的流动，由此趋于使其不能有效地去离子化。如图2所示，提供其他路径230连同排出阀232以允许清除或排出该浓缩物。

图2的装置或布置方案200的操作可以是“分批”方式。分批操作的第一方式随负载有离子的水通过路径210的流动而发生，并且排出阀232被关闭以防止流动。负载有离子的水填充支撑室214的上游侧226。水分子被允许流动通过图2的穿孔的石墨烯片212，并通过背衬片220到达支撑室214的下游侧227。离子(带正电荷和带负电荷的)积聚在上游侧226，并且去离子水积聚在下游部分227，并可以通过路径222排放至捕获容器(例示为罐224)。水分子的流动可以持续，直至在上游室226中积聚了阀值水平的浓缩物。此时，可以使用排放阀232通过路径230来进行上游离子的清除。

通过例示，图2的石墨烯片212中穿孔(孔隙)312的边缘可以被功能化以具有负电荷。这可以通过使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使边缘功能化而实现。或者，这可以通过使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使边缘功能化而实现。因此，溶液中的任何带负电荷的离子将被排斥以使其不通过孔隙312，并且会聚集在上游室226中。此外，溶液中的带正电荷的离子将被吸引以使其与聚集在上游室226中的带负电荷的离子一起停留，并且也将不通过孔隙312。去离子水将通过孔隙并聚集在下游室227中。可以通过所述的分批工艺来清除上游室中的带正电荷的离子和带负电荷的离子。在供替代的实施方案中，图2的石墨烯片212中穿孔(或孔隙)312的边缘可以被功能化以具有正电荷。这可以通过使用硼、氢、锂、镁或铝来使边缘功能化而实现。或者，这可以通过使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使边缘功能化而实现。因此，溶液中的任何带正电荷的离子将被排斥以使其不通过孔隙312，并且会聚集在上游室226中。此外，溶液中的带负电荷的离子将被吸引以使其与聚集在上游室226中的带正电荷的离子一起停留，并且也将不通过孔隙312。去离子水将通过孔隙并聚集在下游室227中。可以通过所述的分批工艺来清除上游室中的带正电荷的离子和带负电荷的离子。

除了经功能化以吸引或排斥某些离子的石墨烯片的孔隙之外，在实施方案中，孔隙还可以被限定尺寸或改变尺寸以不允许某一尺寸的离子通过。例如，可以由被限定尺寸以不允许或禁止氯离子流动的孔隙312来穿孔石墨烯片212；这些孔隙的标称直径为1.3nm至2nm。因此，如果限定孔隙的尺寸为1.3nm至2nm，则氯离子不能通过穿孔的石墨烯片212并停留在上游部分或室226中。(还通过边缘的功能化来排斥氯离子使其远离该孔隙)。在一些实施方案中，孔隙312的标称直径可以为0.8nm至1.2nm。此外，在溶液中的带正电荷的钠离子会受影响而与聚集在上游室226中的带负电荷的氯离子一起停留，并且也将不通过孔隙312。去离子水将经过孔隙并聚集在下游室227中。改变孔隙的尺寸以与功能化石墨烯片的边缘组合地过滤离子，这可以导致去离子化工艺的效率增加。使用具有不同孔隙尺寸的带电荷的石墨烯片进行去离子化的方法和系统的更详细的描述公开于同时待审的第12/868,150号美国专利申请(现在指定为第8,361,321号美国专利)中，通过参考方式将其全部并入本文中。

在另一实施方案中，除了经功能化以吸引或排斥某些离子的石墨烯片的孔隙之外，可以使整个石墨烯片带电荷，向该片增加带相似电荷的离子的排斥。例如，具有用诸如氧的带负电荷的离子功能化的孔隙的石墨烯片还可以与电压源连接，使得负电荷置于整个片上。具有负电荷的氯离子被排斥而不运送通过带负电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，溶液中的带正电荷的钠离子将受影响而与聚集在上游室226中的带负电荷的氯离子一起停留，并且也将不通过孔隙312。去离子水将通过孔隙并聚集在下游室227中。

如所理解的，使用不同尺寸的孔隙并使石墨烯片带电荷的促进离子排斥的另外方法可以以不同方式与使用经功能化的孔隙相结合。因此，一个实施方案可以使用经功能化的孔隙和不同尺寸的孔隙，而另一实施方案可以使用经功能化的孔隙和带电荷的石墨烯片。又一实施方案可以同时使用所有三种方法，即，功能化、不同孔隙尺寸和带电荷的石墨烯片。

图4是具有多个穿孔(如图3的穿孔)的石墨烯片的图示。图4的片限定了20个孔隙312。原则上，流率与孔隙密度成比例。随着孔隙密度增加，通过孔隙的流动可以变成“湍流的”，这可能负面影响了在给定压力下的流动。此外，随着孔隙密度增加，可能局部降低了在下面的石墨烯片的强度。这样的强度降低在某些情形下可能导致膜的破裂。对于0.6纳米的孔隙，孔隙之间的中心间距在15纳米的值时被认为是近似最佳的。在图4的实施方案中，用氧功能化孔隙312的边缘，尽管如本文别处所述，可以用其他元素或用聚合物链或氨基酸链来使边缘带电荷。碳邻近于所示的氧功能化。

图4中所示的孔隙在穿孔或孔隙的边缘周围功能化。在图4所示的实施方案中，使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来功能化孔隙的边缘，这使得该边缘具有负电荷。在另一实施方案(未示出)中，使用硼、氢、锂、镁或铝来功能化孔隙的边缘，这使得该边缘具有正电荷。或者，可以使用聚合物链或氨基酸链来功能化孔隙的边缘，并且该边缘所具有的电荷取决于所用的具体的聚合物或氨基酸。

图5是可以与图2的石墨烯片一起使用的背衬片的结构的简化图。在图5中，背衬片220由聚四氟乙烯(还称为聚四氟乙烷)的细丝520制成，布置在矩形栅格中并在它们的交叉点处粘合或融合。如同穿孔的石墨烯片一样，对于最大流动，背衬片的尺寸应尽可能大，与足够的强度相称。朝向相同方向的相互邻近的细丝520之间的间距可以标称为100nm，并且细丝可以具有40nm的标称直径。石墨烯片的抗拉强度是大的，因此背衬片中相对大的未支撑的区域不应成为问题。

图6是本公开的另一实施方案或另一方面的去离子化或脱盐装置600(即，溶液去离子器)的抽象图示，其中使用多层的不同功能化的石墨烯片。在图6中，与图2的部件相对应的部件由相似的参考字母数字指定。在图6的支撑室614内，上游和下游穿孔的石墨烯片612a和612b分别将该室分成三个容积或部分，即，上游部分或室626a、下游部分或室627a、以及中间部分或室629。如本文所用，术语上游和下游是按照装置中水的流动，表达该装置的部件相对于其他部件的关系，所述水的流动从输入通道210到达第一石墨烯片612a，然后从第一石墨烯片612a到达第二石墨烯片612b，然后从第二石墨烯片到达输出通道222。因此，尽管穿孔的石墨烯片612a相对于下游石墨烯片612b处于上游，但穿孔的石墨烯片612a相对于输入通道210处于下游。显著地，术语下游不旨在必须意指部件之间的高度关系，即，尽管第二石墨烯片612b可以处于第一石墨烯片612a的下游，但这未必表示第二石墨烯片612b比第一石墨烯片612a高度更低，尽管其可以如此。如所理解的，可以加压该装置，从而下游部件可以依据流动而处于下游，但可以处于比上游部件更高的高度。

具体地，图6的溶液或水去离子器装置具有从水201、从器皿或容器216或泵218至通道210的溶液流动路径，通道210可以被认为是溶液流动路径的输入端。从通道210，溶液流动路径延伸至室614的上游室626a，通过石墨烯片612a，通过中间室629，通过石墨烯片612b，然后到达下游室627a，最终到达通道222，通道222可以被认为是溶液流动路径的输入端。

每一穿孔的石墨烯片612a和612b伴随有背衬片。更具体地，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，石墨烯是单原子层厚的碳原子层，其结合在一起限定了片310，如图3所例示。还如所指出的，可以通过向该片施用背衬结构来改善石墨烯片的弯曲。

更特别地，在实施方案中，用孔隙612ac的带负电荷的边缘功能化上游石墨烯片612a以排斥氯离子使其不通过该孔隙。具有负电荷的氯离子可以被排斥而不经过石墨烯片612a的带负电荷的边缘，由此停留在室626a的上游部分中。然而，如所理解的，在片612a的输入侧上存在被排斥的氯离子将影响钠离子，使其也停留在输入侧上。如所指出的，氯离子和钠离子的分离将需要大量的能量输入系统内，这不是本发明的特征。因此，通过排斥氯离子使其不通过石墨烯片，也可有效地排斥钠离子使其不通过上游石墨烯片。

可能存在如下情形，其中一些钠离子可以仍然通过上游石墨烯片的孔隙。例如，如果输入溶液具有相对于氯离子的过量的钠离子时，则过量的钠离子可以被石墨烯片上的负电荷所吸引而通过该孔隙。在另一实例中，输入溶液可以包含带正电荷的且不为钠的第三离子，其可以被吸引而运送通过上游石墨烯片孔隙。在这些情形中，可以期望具有第二石墨烯片以过滤离子。此外，可以期望具有第二石墨烯片以确保更高水平的脱盐。

因此，图6的实施方案包括下游石墨烯片612b，其经穿孔而具有孔隙612bs(第二孔隙)并可以带正电荷以排斥钠离子(或任何其他带正电荷的离子)运送通过石墨烯片612b。如果钠或其他正离子能够运送通过片612a而进入室629，则其可以被排斥而不运送通过下游带正电荷的穿孔的石墨烯片612b，因此停留或积聚在中间部分或室629中。此外，以任何氯离子能运送进入室629的程度来说，那些氯离子可以被吸引以与629中的钠离子一起滞留，并且也不会运送通过片612b。因此，至少基本不含氯离子和钠离子的水分子(H₂O)可以从中间部分或室629流动通过穿孔的石墨烯片612b的孔隙612bs并进入下游部分或室627a，从此处可以通过水流动路径222和收集器皿224收集去离子水。水流动路径222可以被认为是水流动路径输出端，并且阀(未示出)可以用作水流动路径输出端222上的水流动路径输出阀。如所理解的，可以类似地操作可供替代的实施方案，其中上游石墨烯片612a具有带正电荷的孔隙以及下游石墨烯片612b具有带负电荷的孔隙。

因此，尽管预期图2中所示的单石墨烯片去离子器可以(若经适当“调整”)足以生产去离子水，图6中所示的两石墨烯片去离子器提供了能够满足最高去离子化标准的额外的层。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类型的离子。此外，采用多于两个石墨烯片的系统可以用于确保过滤不同类型的离子并确保去离子水满足最高标准。

如同图2的去离子化布置方案200的情况，图6的装置或布置方案600在去离子化操作期间积聚或浓缩离子。更具体地，对于负载有氯离子和钠离子的水流，预期大部分氯离子和钠离子会被上游石墨烯片612a所排斥，导致装置600的上游部分或室626a积聚具有氯离子和钠离子的浓缩物。中间部分或室629也积聚了一定浓度的氯离子和钠离子，尽管预期该浓度远低于在上游室中积聚的浓度。可以分别通过选择性控制清除连接件630a和630b及其清除阀632a和632b来分别提取这些浓缩的离子。更具体地，可以打开阀632a以使浓缩的氯离子和钠离子从上游部分或室626a流动至例示为罐634a的收集器皿，并且可以打开阀632b以使浓缩的氯离子和钠离子从中间部分或室629流动至例示为罐634b的收集器皿。理想地，在开始清除中间部分或罐629之前关闭清除阀632a，从而在整个穿孔的石墨烯片612a上保持一定压力以提供水通过穿孔的石墨烯片612a的流动，从而帮助从中间室629冲洗富集钠离子的浓缩物。在进行去离子化之前关闭清除阀632a和632b。对于在钠的情况下转化成固体形式或在氯的情况下转化成气体形式而言，清除并收集的浓缩的离子可能具有经济价值。应注意海水含有大量的铍盐，并且这些盐如果优先被浓缩，则作为催化剂对制药工业具有价值。如所理解的，可以类似地操作可供替代的实施方案，其中用孔隙612ac的带正电荷的边缘功能化上游石墨烯片612a并用带负电荷的边缘612bs功能化下游石墨烯片612b，并且大部分离子积聚在上游室626a中且远远更低浓度的离子积聚在中间室629中。那些积聚的离子可以如上所述被清除。

图6还例示出交叉流动阀654a和654b，其分别连通了流动路径658和上游部分或室626a以及流动路径658和中间部分或室629。负载有离子的未过滤的水201可以通过打开阀652而按照路线运送至流动路径658，或者可以通过操作泵660而由罐224提供去离子水202。从泵660，去离子通过止回阀656流动至路径658。交叉流动阀654a和654b分别与清除阀632a和632b同时打开和关闭，由此帮助从室中清除浓缩物。

如所讨论的，除了将石墨烯片的孔隙功能化以排斥某些离子之外，去离子器中的石墨烯片还可以被限定尺寸以不允许某一尺寸的离子通过或运送。例如，可以改变穿孔的尺寸以通过选择约1.3nm至2nm的孔隙尺寸而不允许氯离子通过。或者，可以改变穿孔的尺寸以通过选择约1.3纳米的孔隙尺寸而不允许钠离子通过。改变孔隙的尺寸以过滤离子与功能化石墨烯片的孔隙相结合可以导致去离子化工艺的效率增加。

在实施方案中，在石墨烯片612a和612b上的穿孔的尺寸在尺寸方面不同，从而一个片有效地不允许负载有氯的水流动，并且一个片有效地不允许负载有钠的水流动。在包括不同尺寸的穿孔以及孔隙的功能化的实施方案中，通过这二者来实现去离子化。通过例示，由经限定尺寸以不允许或禁止氯离子流动的孔隙612ac穿孔上游石墨烯片612a；这些孔隙的标称直径为1.3nm至2nm。因此，氯离子不能经过穿孔的石墨烯片612a，而停留在上游部分或室626a中。也间接地排斥钠离子使其不能通过穿孔的石墨烯片612a流入中间室629，因为钠离子将趋于与被排斥的氯离子一起滞留以防止电荷积累。使用经限定尺寸以不允许或禁止钠离子流动的孔隙612bs穿孔下游穿孔的石墨烯片612b；这些孔隙的标称直径为1.3纳米。至少不含氯离子和钠离子的水分子(H₂O)可以从中间部分或室629流经穿孔的石墨烯片612b的孔隙612bs而进入下游部分或室627a，从此处可以通过路径222和收集器皿224来收集去离子水。

还如关于去离子器所讨论的，除了将石墨烯片的孔隙功能化以吸引或排斥某些离子之外，可以向每一石墨烯片应用电荷，增加每一石墨烯片对带相反电荷的离子的吸引和对带相似电荷的离子的排斥。例如，除了具有经功能化的孔隙之外，上游石墨烯片612a可以带负电荷，这导致其排斥氯离子使其不通过孔隙612ac。具有负电荷的氯离子停留在上游部分或室626a中，因为其被经功能化的孔隙612ac和片612a上的负电荷所排斥。此外，带正电荷的钠离子也将趋于与氯离子一起停留在上游室626a中。尽管相当高浓度的氯离子和钠离子将被功能化和石墨烯片612a的电荷所排斥(直接或间接地)，但是如关于仅具有经功能化的孔隙的实施方案所指出的，可能的是，一些氯、钠或其他离子仍可以通过孔隙612ac。如发生该情形，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还带有正电荷。这种正电荷排斥钠离子运送通过石墨烯片612b，并且还间接地排斥可能到达中间室629的任何氯离子的运送。至少不含氯离子和钠离子的水分子(H₂O)(去离子水)可以从中间部分或室629流经穿孔的石墨烯片612b的孔隙612bs而进入下游部分或室627a，从此处可以通过路径222和收集器皿224来收集去离子水。类似地操作可供替代的实施方案，其中向上游石墨烯片612a(其中片612a还具有带正电荷的经功能化的孔隙612ac)应用正电荷并且向下游石墨烯片612b(其中片612b还具有带负电荷的经功能化的孔隙612bs)应用负电荷。

如所理解的，使用不同尺寸的孔隙并使石墨烯片带电荷的另外的离子排斥方法可以以不同方式与使用经功能化的孔隙相结合。因此，一个实施方案可以使用经功能化的孔隙和不同尺寸的孔隙，而另一实施方案可以使用经功能化的孔隙和带电荷的石墨烯片。又一实施方案可以同时使用所有三种方法，即，功能化、不同孔隙尺寸和带电荷的石墨烯片。

图7是根据本公开一方面的去离子化布置方案的简化图。与图6部件相对应的图7部件用相似的参考字母数字指定。在图7中，将穿孔的石墨烯片612a和612b卷起或螺旋缠绕成圆柱体形式，并且插入外壳(分别例示为712a和712b)，如RO膜领域中所已知的。

本领域技术人员会理解，通过一个石墨烯片或多个石墨烯片上的孔隙的选择性功能化，可以从水中除去除氯和钠之外的其它离子。

用于使水溶液去离子化的方法包括以下步骤：使石墨烯片的多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙，未被传送的第一离子影响所述溶液中的第二离子以使其未运送通过所述经功能化的多个孔隙；将所述石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间；以及使溶液进入所述溶液流动路径输入端并通过所述石墨烯片的经功能化的多个孔隙，由此产生在所述石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液以及在所述石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含第一离子和第二离子的第二溶液。

用于使溶液去离子化的方法包括以下步骤：使第一石墨烯片的第一多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子而使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙，未被运送的第一离子还影响所述溶液中的第二离子而使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙；使第二石墨烯片的第二多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第二离子，未被运送的第二离子还影响所述溶液中的第一离子而使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙；将所述第一石墨烯片置于溶液流动路径输入端的下游并且将所述第二石墨烯片置于所述第一石墨烯片和溶液流动输出端之间；以及使溶液进入所述溶液流动路径输入端，通过所述第一石墨烯片，然后通过所述第二石墨烯片，由此在所述溶液流动路径输出端处产生去离子化的溶液。

Claims (36)

1.用于溶液的去离子化的方法，所述方法包括以下步骤：

使石墨烯片的多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙，所述未运送的第一离子影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙；

将所述石墨烯片置于溶液流动路径输入端和溶液流动路径输出端之间；以及

使溶液进入所述溶液流动路径输入端并通过所述石墨烯片的经功能化的多个孔隙，由此产生在所述石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液和在所述石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含所述第一离子和第二离子的第二溶液。

2.如权利要求1所述的去离子化的方法，其中：

所述第一离子是带负电荷的离子；

所述第二离子是带正电荷的离子；以及

使所述多个孔隙功能化包括使所述多个孔隙的边缘功能化以具有负电荷，从而排斥所述溶液中的带负电荷的离子。

3.如权利要求2所述的去离子化的方法，其中使所述多个孔隙的边缘功能化以具有负电荷包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使所述边缘功能化。

4.如权利要求2所述的去离子化的方法，其中使所述多个孔隙的边缘功能化以具有负电荷包括使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述边缘功能化。

5.如权利要求1所述的去离子化的方法，其中：

所述第一离子是带正电荷的离子；

所述第二离子是带负电荷的离子；以及

使所述多个孔隙功能化包括使所述多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷，从而排斥所述溶液中的带正电荷的离子。

6.如权利要求5所述的去离子化的方法，其中使所述多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷包括使用硼、氢、锂、镁或铝来使所述边缘功能化。

7.如权利要求5所述的去离子化的方法，其中使所述多个孔隙的边缘功能化以具有正电荷包括使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述边缘功能化。

8.如权利要求1所述的去离子化的方法，其还包括限定所述石墨烯片的多个孔隙的尺寸以抵制所述第一离子的运送。

9.如权利要求1所述的去离子化的方法，其还包括向所述石墨烯片应用电荷，其中所述电荷排斥所述第一离子。

10.如权利要求9所述的去离子化的方法，其还包括限定所述石墨烯片的多个孔隙的尺寸以抵制所述第一离子的运送。

11.用于溶液的去离子化的方法，所述方法包括以下步骤：

使第一石墨烯片的第一多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙，所述未运送的第一离子还影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙；

使第二石墨烯片的第二多个孔隙功能化以排斥所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙，所述未运送的第二离子还影响所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙；

将所述第一石墨烯片置于溶液流动路径输入端的下游并且将所述第二石墨烯片置于所述第一石墨烯片和溶液流动输出端之间；以及

使溶液进入所述溶液流动路径输入端，通过所述第一石墨烯片，然后通过所述第二石墨烯片，由此在所述溶液流动路径输出端处产生去离子化的溶液。

12.如权利要求11所述的去离子化的方法，其中：

所述第一离子是带负电荷的离子；

所述第二离子是带正电荷的离子；

使所述第一多个孔隙功能化包括使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有负电荷，从而排斥所述溶液中的带负电荷的离子；以及

使所述第二多个孔隙功能化包括使所述第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有正电荷，从而排斥所述溶液中的带正电荷的离子。

13.如权利要求12所述的方法，其中使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有负电荷包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使所述第一边缘功能化。

14.如权利要求12所述的去离子化的方法，其中使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有负电荷包括使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第一边缘功能化。

15.如权利要求12所述的去离子化的方法，其中使所述第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有正电荷包括使用硼、氢、锂、镁或铝来使所述第二边缘功能化。

16.如权利要求12所述的去离子化的方法，其中使所述第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有正电荷包括使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第二边缘功能化。

17.如权利要求11所述的去离子化的方法，其中：

所述第一离子是带正电荷的离子；

所述第二离子是带负电荷的离子；

使所述第一多个孔隙功能化包括使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有正电荷，从而排斥所述溶液中的带正电荷的离子；以及

使所述第二孔隙功能化包括使所述第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有负电荷，从而排斥所述溶液中的带负电荷的离子。

18.如权利要求17所述的去离子化的方法，其中使所述第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有负电荷包括使用氧、氮、磷、硫、氟、氯、溴或碘来使所述第二边缘功能化。

19.如权利要求17所述的去离子化的方法，其中使所述第二多个孔隙的第二边缘功能化以具有负电荷包括使用具有整体负电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第二边缘功能化。

20.如权利要求17所述的去离子化的方法，其中使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有正电荷包括使用硼、氢、锂、镁或铝来使所述第一边缘功能化。

21.如权利要求12所述的去离子化的方法，其中使所述第一多个孔隙的第一边缘功能化以具有正电荷包括使用具有整体正电荷的聚合物链或氨基酸链来使所述第一边缘功能化。

22.如权利要求11所述的去离子化的方法，其还包括限定所述第一石墨烯片的第一多个孔隙的尺寸以抵制所述第一离子的运送，以及限定所述第二石墨烯片的第二多个孔隙的尺寸以抵制所述第二离子的运送。

23.如权利要求11所述的去离子化的方法，其还包括向所述第一石墨烯片应用第一电荷以及向所述第二石墨烯片应用第二电荷，其中所述第一电荷排斥所述第一离子以及所述第二电荷排斥所述第二离子。

24.如权利要求23所述的去离子化的方法，其还包括限定所述第一石墨烯片的第一多个孔隙的尺寸以抵制所述第一离子的运送，以及限定所述第二石墨烯片的第二多个孔隙的尺寸以抵制所述第二离子的运送。

25.去离子器，其包括：

具有多个孔隙的石墨烯片，所述多个孔隙经功能化以排斥溶液中的第一离子使其不运送通过所述多个孔隙，所述未运送的第一离子影响所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的多个孔隙；

具有输入端和输出端的溶液流动路径，其中所述石墨烯片被放置于所述溶液流动路径输入端和所述溶液流动路径输出端之间；以及

负载有离子的溶液的源；

其中将所述负载有离子的溶液引入所述溶液流动路径输入端，经过所述石墨烯片，由此产生在所述石墨烯片的溶液流动路径输入侧上的包含所述第一离子和所述第二离子的第一离子溶液以及在所述石墨烯片的溶液流动路径输出侧上的去离子化的溶液。

26.如权利要求25所述的去离子器，其中：

所述第一离子是带负电荷的离子；

所述第二离子是带正电荷的离子；以及

所述经功能化的多个孔隙包括具有带负电荷的边缘的多个孔隙以排斥所述溶液的带负电荷的离子。

27.如权利要求25所述的去离子器，其中：

所述第一离子是带正电荷的离子；

所述第二离子是带负电荷的离子；以及

所述经功能化的多个孔隙包括具有带正电荷的边缘的多个孔隙以排斥所述溶液的带正电荷的离子。

28.如权利要求25所述的去离子器，其中所述石墨烯片的多个孔隙的尺寸被限定以抵制所述第一离子的运送。

29.如权利要求25所述的去离子器，其中使所述石墨烯片带有电荷，所述电荷排斥所述第一离子。

30.如权利要求29所述的去离子器，其中所述石墨烯片的多个孔隙的尺寸被限定以抵制所述第一离子的运送。

31.溶液去离子器，其包括：

具有第一多个孔隙的第一石墨烯片，所述第一多个孔隙经功能化以排斥第一离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙，所述未运送的第一离子影响溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的第一多个孔隙；

具有第二多个孔隙的第二石墨烯片，所述第二多个孔隙经功能化以排斥所述溶液中的第二离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙，所述未运送的第二离子影响所述溶液中的第一离子使其不运送通过所述经功能化的第二多个孔隙；

具有输入端和输出端的溶液流动路径，其中所述第一石墨烯片处于所述溶液流动路径输入端的下游，并且所述第二石墨烯片处于所述第一石墨烯片和所述溶液流动路径输出端之间；以及

负载有离子的溶液的源；

其中将所述负载有离子的溶液引入所述溶液流动路径输入端，经过所述第一石墨烯片，然后经过所述第二石墨烯片，由此在所述溶液流动路径输出端产生去离子化的溶液。

32.如权利要求31所述的溶液去离子器，其中：

所述第一离子是带负电荷的离子；

所述第二离子是带正电荷的离子；

所述经功能化的第一多个孔隙包括具有带负电荷的边缘的第一多个孔隙，所述带负电荷的边缘排斥所述溶液中的带负电荷的离子；以及

所述经功能化的第二多个孔隙包括具有带正电荷的边缘的第二多个孔隙，所述带正电荷的边缘排斥所述溶液中的带正电荷的离子。

33.如权利要求31所述的溶液去离子器，其中：

所述第一离子是带正电荷的离子，以及所述第二离子是带负电荷的离子，

其中所述经功能化的第一多个孔隙包括具有带正电荷的边缘的第一多个孔隙，所述带正电荷的边缘排斥所述溶液中的带正电荷的离子；以及

其中所述经功能化的第二多个孔隙包括具有带负电荷的边缘的第二多个孔隙，所述带负电荷的边缘排斥所述溶液中的带负电荷的离子。

34.如权利要求31所述的溶液去离子器，其中所述第一石墨烯片的第一多个孔隙的尺寸被限定以排斥所述第一离子的运送，以及所述第二石墨烯片的第二多个孔隙的尺寸被限定以排斥所述第二离子的运送。

35.如权利要求31所述的溶液去离子器，其中所述第一石墨烯片带有第一电荷以及所述第二石墨烯片带有第二电荷，所述第一电荷排斥所述第一离子以及所述第二电荷排斥所述第二离子。

36.如权利要求35所述的溶液去离子器，其中所述第一石墨烯片的第一多个孔隙的尺寸被限定以排斥所述第一离子的运送，以及所述第二石墨烯片的第二多个孔隙的尺寸被限定以排斥所述第二离子的运送。