ES3043062T3 - Apparatuses, methods, and systems for fabricating graphene membranes - Google Patents

Apparatuses, methods, and systems for fabricating graphene membranes

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ES3043062T3 ES20822812T ES20822812T ES3043062T3 ES 3043062 T3 ES3043062 T3 ES 3043062T3 ES 20822812 T ES20822812 T ES 20822812T ES 20822812 T ES20822812 T ES 20822812T ES 3043062 T3 ES3043062 T3 ES 3043062T3
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Ian Flint
Raymond Williamson
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Abstract

Un aparato para fabricar una membrana de grafeno incluye una primera sección con una cámara de fluido para alojar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido. Una segunda sección se puede colocar junto a la primera. Esta segunda sección tiene una segunda cámara de fluido y un soporte poroso alojado en ella para soportar un sustrato poroso. Cuando la primera sección se coloca junto a la segunda sección y el sustrato poroso está soportado por este, las cámaras de fluido y la segunda se comunican fluidamente a través del sustrato poroso. El aparato incluye además un presurizador para crear una diferencia de presión entre las cámaras de fluido, forzando así el fluido a través del sustrato poroso hacia la segunda cámara, alojando las plaquetas de grafeno en sus poros. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCION
[0003] Aparatos, métodos y sistemas para fabricar membranas de grafeno
[0005] CAMPO
[0006] Este documento se relaciona con las membranas de grafeno. Más específicamente, este documento se relaciona con aparatos y métodos para fabricar membranas de grafeno.
[0008] ANTECEDENTES
[0009] La Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense No. 2016/0339160 A1 (Bedworth et al.) describe diversos sistemas y métodos relacionados con materiales bidimensionales como el grafeno. Una membrana incluye un polímero de plaquetas de grafeno reticulado que incluye una pluralidad de plaquetas de grafeno reticuladas. Las plaquetas de grafeno reticuladas incluyen una parte de grafeno y una parte de reticulación. La parte de reticulación contiene un enlace de 4 a 10 átomos. El polímero de plaquetas de grafeno reticulado se produce mediante la reacción de una plaqueta de grafeno funcionalizada con epóxido y un reticulante funcionalizado con (met)acrilato o (met)acrilamida.
[0011] Xiaoying Zhu et al (“Membranes prepared from graphene-based nanomaterials for sustainable applications: a review”, ENVIRONMENTAL SCIENCE: NANO, vol. 4, n.° 12, 1 de enero de 2017 (2017-01-01), páginas 2267-2285, XP055771216, GB ISSN: 2051-8153, DOI: 10.1039/C7EN00548B) proporciona una revisión de las membranas preparadas a partir de nanomateriales basados en grafeno, resume el estado actual de la técnica y proporciona un estudio de los enfoques teóricos y experimentales que utilizan nanomateriales basados en grafeno en la utilización para construir nuevas membranas y modificar las membranas existentes.
[0013] La Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense No. 2018/0290108 (Fanchini et al.) divulga un método para producir un tamiz molecular permeable al agua en el que un sustrato poroso con poros de tamaño micrométrico tiene depositadas en su superficie plaquetas 2D no porosas para sellar, en la superficie del sustrato, los poros del sustrato poroso y formar una capa de plaquetas 2D. Se deposita un material de sellado curable sobre la capa de plaquetas bidimensionales y cualquier área expuesta restante de la superficie del sustrato poroso, y se cura el material de sellado curable para formar una capa sellada en la superficie del sustrato poroso con el fin de prevenir que el agua pase por las plaquetas bidimensionales no porosas y atraviese el sustrato poroso. A continuación, se produce una matriz de subnanoporos a través de la capa sellada, con un tamaño que permite el paso del agua, pero no de los iones metálicos, para obtener un tamiz molecular permeable al agua caracterizado por su permeabilidad al agua a bajas presiones diferenciales.
[0015] La Publicación de Solicitud de Patente Internacional No. WO 2015/089130 (Yu et al.) divulga métodos para formar una membrana. En una realización, el método que incluye: dispersar nanopartículas de GO en un disolvente; depositar las nanopartículas de GO sobre un soporte para formar una membrana de GO; y reducir la membrana de GO para formar una membrana de rGO. También se proporciona la membrana de rGO formada a partir de dichos métodos, junto con una pluralidad de capas de rGO apiladas. También se proporcionan métodos para separar el agua de una emulsión de agua/aceite, por ejemplo, haciendo pasar el agua a través de la membrana de rGO.
[0017] La Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos No. 2014/0151288 (Miller et al.) divulga tecnologías para membranas compuestas que pueden incluir una capa de grafeno poroso en contacto con un sustrato de soporte poroso. En varios ejemplos, una superficie del sustrato de soporte poroso puede incluir al menos uno de los siguientes elementos: un polímero termoformado caracterizado por una temperatura de transición vítrea, una membrana fibrosa tejida y/o una membrana fibrosa no tejida. Los ejemplos de membranas compuestas permiten que las membranas de soporte fibrosas tejidas o no tejidas altamente porosas sean utilizadas en lugar de soportes de membrana porosos intermedios. En varios ejemplos, las membranas compuestas pueden incluir capas de grafeno porosas laminadas directamente sobre las membranas fibrosas a través de los polímeros termoformados. Las membranas compuestas descritas pueden ser utilizadas para separaciones, por ejemplo, de gases, líquidos y soluciones.
[0019] RESUMEN
[0020] El siguiente resumen tiene por objeto presentar al lector diversos aspectos de la descripción detallada, pero no definir ni delimitar ninguna invención.
[0022] Se divulgan aparatos para fabricar membranas de grafeno. Según algunos aspectos, un aparato para fabricar una membrana de grafeno comprende:
[0023] a. una primera sección que tiene una primera pared exterior y una primera cámara de fluido para alojar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido;
[0024] b. una segunda sección que tiene una segunda pared exterior, una segunda cámara de fluido y un soporte poroso alojado en la segunda cámara de fluido para soportar un sustrato poroso, en la que la primera sección está posicionada para intercalar un sustrato poroso entre la primera sección y la segunda sección, con la primera pared exterior apoyada contra la segunda pared exterior a través del sustrato poroso y con el sustrato poroso soportado por el soporte poroso, para colocar la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido en comunicación fluida a través del sustrato poroso;
[0025] c. un presurizador para crear una diferencia de presión entre la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido y, de ese modo, forzar el fluido a través del sustrato poroso y hacia la segunda cámara de fluido y alojar las plaquetas de grafeno en los poros del sustrato poroso para producir una membrana de grafeno que comprende el sustrato poroso con las plaquetas de grafeno alojadas en los poros del sustrato poroso.
[0027] En algunos ejemplos, el soporte poroso incluye una primera capa con poros de un primer tamaño, una segunda capa con poros de un segundo tamaño mayor que el primer tamaño y una tercera capa con poros de un tercer tamaño mayor que el segundo tamaño. La primera capa puede incluir una lámina de al menos uno de los siguientes materiales: celulosa, tejido y polímero. La segunda capa puede incluir una primera subcapa de un polímero sinterizado o un metal poroso, y una segunda subcapa de un polímero sinterizado o un metal poroso.
[0029] En algunos ejemplos, el presurizador está conectado a la primera sección y crea la diferencia de presión entre la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido presurizando la primera cámara de fluido mientras la segunda cámara de fluido permanece a presión atmosférica. El presurizador puede incluir un cilindro hidráulico, un cilindro de aire comprimido o una bomba de agua a alta presión.
[0031] En algunos ejemplos, el presurizador que incluye un aparato de vacío para crear un vacío en la segunda cámara de fluido.
[0032] En algunos ejemplos, el aparato que incluye además un transductor ultrasónico en la primera cámara de fluido.
[0034] En algunos ejemplos, el aparato que incluye además un bastidor de soporte de sustrato que tiene una primera pieza y una segunda pieza. El sustrato poroso se puede fijar entre la primera pieza y la segunda pieza. El bastidor de soporte de sustrato se puede maniobrar para colocar el sustrato poroso sobre el soporte poroso.
[0036] En algunos ejemplos, cuando la primera sección, el bastidor de soporte del sustrato está fuera de la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido.
[0038] En algunos ejemplos, el aparato que incluye además al menos un sensor para detectar un parámetro de la suspensión, y/o el fluido, y/o las plaquetas de grafeno.
[0040] También se divulgan métodos para fabricar membranas de grafeno. Según algunos aspectos, un método para fabricar una membrana de grafeno que incluye a) colocar un sustrato poroso a través de un soporte poroso. El sustrato poroso tiene una primera superficie y una segunda superficie, y el sustrato poroso se coloca de manera que la primera superficie quede orientada en dirección opuesta al soporte poroso y la segunda superficie quede orientada hacia el soporte poroso. El método que incluye, b) intercalar el sustrato poroso entre una primera pared exterior de una primera sección y una segunda pared exterior de una segunda sección, con la primera pared exterior apoyada contra la segunda pared exterior a través del sustrato poroso; c) aplicar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido a una primera cámara de fluido de la primera sección, para poner en contacto la primera superficie del sustrato poroso con la suspensión; y d) aplicar una diferencia de presión a través del sustrato poroso para forzar las plaquetas de grafeno a entrar en los poros del sustrato poroso y forzar el fluido a través del sustrato poroso hacia la segunda sección.
[0042] En algunos ejemplos, el paso d) que incluye presurizar la primera cámara de fluido. En algunos ejemplos, el paso d) que incluye aplicar un vacío al soporte poroso.
[0044] En algunos ejemplos, el método que incluye sonicar la suspensión durante el paso c) y/o el paso d).
[0046] En algunos ejemplos, el método que incluye además, antes del paso a), montar el sustrato poroso en un bastidor de soporte de sustrato. El paso a) puede incluir maniobrar el bastidor de soporte de sustrato para colocar el sustrato poroso a través del soporte poroso. El método puede incluir además, después del paso d), retirar el bastidor de soporte del sustrato y el sustrato poroso del soporte poroso.
[0048] En algunos ejemplos, el método incluye además, durante el paso d), detectar un parámetro de la suspensión y/o del fluido.
[0049] En algunos ejemplos, el paso d) incluye hacer pasar el fluido a través de una primera capa, una segunda capa y una tercera capa del soporte poroso.
[0051] También se divulgan sistemas para fabricar membranas de grafeno. Según algunos aspectos, un sistema para fabricar una membrana de grafeno incluye un aparato y un subsistema de control. El aparato comprende (i) una primera sección que tiene una primera pared exterior y una primera cámara de fluido para alojar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido, (ii) una segunda sección que tiene una segunda pared exterior, una segunda cámara de fluido y un soporte poroso alojado en la segunda cámara de fluido para soportar un sustrato poroso, en el que la primera sección está posicionada para intercalar un sustrato poroso entre la primera sección y la segunda sección con la primera pared exterior apoyada contra la segunda pared exterior a través del sustrato poroso y con el sustrato poroso soportado por el soporte poroso, para colocar la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido en comunicación fluida a través del sustrato poroso, (iii) al menos un sensor para detectar un parámetro de la suspensión y/o del fluido, y (iv) un presurizador para crear una diferencia de presión entre la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido y, de ese modo, forzar el fluido a través del sustrato poroso y hacia la segunda cámara de fluido y alojar las plaquetas de grafeno en los poros del sustrato poroso para producir una membrana de grafeno que comprende el sustrato poroso con las plaquetas de grafeno alojadas en los poros del sustrato poroso. El subsistema de control recibe información del sensor y controla el aparato basándose en la información recibida, en la que la información comprende una diferencia de presión a través del sustrato poroso, una concentración de iones en la suspensión, una conductividad de la suspensión, un caudal a través del sustrato poroso y/o una conductividad del sustrato poroso, y en la que el subsistema de control controla la diferencia de presión inducida por el presurizador y/o la entrada de la suspensión en la primera sección.
[0053] BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
[0054] Los dibujos que incluye este documento tienen por objeto ilustrar diversos ejemplos de artículos, métodos y aparatos de la presente especificación y no pretenden limitar en modo alguno el alcance de lo que se enseña. En los dibujos:
[0055] La figura 1 es una vista en perspectiva de un sistema para fabricar una membrana de grafeno;
[0056] La figura 2 es una vista en perspectiva del bastidor de soporte del sustrato del sistema de la figura 1;
[0057] La figura 3 es una sección transversal tomada a lo largo de la línea 3-3 de la
[0058] figura 1; y
[0059] La figura 4 es una vista ampliada de la región rodeada en la figura 3.
[0061] DESCRIPCIÓN DETALLADA
[0062] A continuación se describirán diversos aparatos, procesos o composiciones para proporcionar un ejemplo de una realización del objeto reivindicado. Ninguna de las realizaciones descritas a continuación limita ninguna reivindicación, y cualquier reivindicación puede abarcar procesos, aparatos o composiciones que difieran de los descritos a continuación. Las reivindicaciones no se limitan a aparatos, procesos o composiciones que tengan todas las características de cualquier aparato, proceso o composición descritos a continuación, ni a características comunes a varios o a todos los aparatos, procesos o composiciones descritos a continuación. Es posible que un aparato, proceso o composición descritos a continuación no sean una realización de ningún derecho exclusivo concedido por la concesión de esta solicitud de patente. Cualquier tema descrito a continuación y para el que no se conceda un derecho exclusivo mediante la concesión de esta solicitud de patente puede ser objeto de otro instrumento de protección, por ejemplo, una solicitud de patente continua, y los solicitantes, inventores o propietarios no tienen la intención de abandonar, renunciar o dedicar al público ningún tema de este tipo mediante su divulgación en este documento.
[0064] Generalmente, se divulgan en el presente documento aparatos, métodos y sistemas para fabricar membranas de grafeno. Más específicamente, se divulgan aparatos, métodos y sistemas para fabricar membranas de grafeno, que incluyen un sustrato poroso y plaquetas de grafeno alojadas en los poros del sustrato poroso y/o depositadas como una capa sobre la superficie o superficies del sustrato poroso. Dichas membranas de grafeno se divulgan, por ejemplo, en la Publicación de Solicitud de Patente Internacional (PCT) No. WO 2020/000086A1 (Flint et al.), la Solicitud de Patente Estadounidense No. 16/542,456 (Flint et al.) y la Solicitud de Patente Estadounidense No. 16/810,918 (Oguntuase), cada una de las cuales se incorpora en el presente documento por referencia en su totalidad.
[0066] Dichas membranas de grafeno pueden utilizarse, por ejemplo, en la filtración y purificación de agua, o para formar superficies conductoras (por ejemplo, para su utilización en baterías).
[0068] Generalmente, los aparatos divulgados en el presente documento permiten aplicar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido a un sustrato poroso y crear una diferencia de presión a través del sustrato poroso, de modo que la suspensión sea empujada hacia los poros del sustrato poroso. El fluido puede pasar a través de los poros, mientras que las plaquetas de grafeno quedan atrapadas en los poros, para crear la membrana (es decir, donde la membrana que incluye el sustrato poroso y las plaquetas de grafeno alojadas en los poros del sustrato poroso y/o depositadas como una capa sobre la superficie o superficies del sustrato poroso).
[0070] Tal y como se utiliza en el presente documento, el término “platelete” se refiere a una estructura que incluye una o varias (por ejemplo, al menos dos y hasta nueve) láminas de grafeno. Preferiblemente, los plaquetes incluyen dos o tres láminas de grafeno. Un plaquete puede tener, por ejemplo, hasta 15 nanómetros de grosor, con un diámetro de hasta 100 micras. Tal y como se utiliza en el presente documento, el término “plateleta de grafeno” puede referirse a una plateleta de grafeno puro (es decir, grafeno no funcionalizado) y/o a una plateleta de grafeno funcionalizado. El grafeno funcionalizado puede incluir, por ejemplo, grafeno hidroxilado (también denominado óxido de grafeno), grafeno aminado y/o grafeno hidrogenado. La funcionalización del grafeno puede crear poros en el grafeno, lo que puede permitir el flujo de filtrados y crear un espaciado deseado entre las láminas de grafeno. Por ejemplo, en las plaquetas de grafeno no funcionalizado, el espaciado entre capas puede ser de aproximadamente 0,34 nm. En las plaquetas de grafeno funcionalizado, por ejemplo, grafeno funcionalizado como grafeno hidroxilado (también conocido como óxido de grafeno), el espaciado entre capas puede ser de aproximadamente 0,83 nm.
[0072] Tal y como se utiliza en el presente documento, el término “sustrato poroso” se refiere a un material en forma de lámina que tiene poros que se extienden a través de él, desde una primera superficie hasta una segunda superficie. Los poros pueden tener un diámetro, por ejemplo, inferior o igual a 0,03 micras. Preferiblemente, los poros tienen un diámetro como máximo 5 veces mayor que el diámetro de las plaquetas de grafeno. El sustrato puede tener un espesor (es decir, entre la primera superficie y la segunda superficie) de, por ejemplo, menos de 1 mm. En algunos ejemplos, el sustrato es un polímero, como, entre otros, politetrafluoroetileno (Teflon®), polisulfona (PsF) (también denominada polietersulfona), celulosa y/o poliéster. En algunos ejemplos, el sustrato es un polímero tratado con ácido, por ejemplo, polisulfona tratada con ácido sulfúrico. En algunos ejemplos, el sustrato es un polímero tratado con ácido y con iones, por ejemplo, la polisulfona puede tratarse con ácido sulfúrico y luego con una solución de iones metálicos (por ejemplo, iones de aluminio o calcio). En algunos ejemplos, el sustrato no es polimérico, como el algodón tejido.
[0074] A continuación se describirá un primer ejemplo de un aparato para fabricar una membrana de grafeno. En referencia a la figura 1, el aparato 100 que incluye generalmente una primera sección 102, una segunda sección 104, un presurizador 106 y un bastidor de soporte del sustrato 108. En el ejemplo mostrado, la primera sección 102 es una sección superior y la segunda sección 104 es una sección inferior; sin embargo, en ejemplos alternativos, la primera sección 102 y la segunda sección 104 pueden estar posicionadas de otra manera (por ejemplo, como una sección del lado izquierdo y una sección del lado derecho).
[0076] Refiriéndonos también a la figura 2, durante la utilización, un sustrato poroso 110 (que finalmente pasa a formar parte de la membrana de grafeno) se apoya en el bastidor de soporte del sustrato 108. El bastidor de soporte del sustrato 108 tiene una primera pieza 112 y una segunda pieza 114, entre las cuales se puede fijar el sustrato poroso 110 (por ejemplo, utilizando pernos). El bastidor de soporte del sustrato 108 puede ser utilizado para facilitar la manipulación del sustrato poroso 110 y para prevenir o minimizar el daño físico al sustrato poroso 110. El bastidor de soporte del sustrato 108 generalmente mantiene el sustrato poroso 110 plano (es decir, puede prevenir que se doble, se pliegue y/o se arrugue).
[0077] Volviendo a la figura 1, durante su utilización, el bastidor de soporte del sustrato 108 puede facilitar el posicionamiento del sustrato poroso 110 entre la primera sección 102 y la segunda sección 104, de modo que el sustrato poroso 110 quede intercalado entre la primera sección 102 y la segunda sección 104, con una primera superficie 116 del sustrato poroso 110 orientada hacia la primera sección 102 y alejada de la segunda sección 104, y una segunda superficie 118 (mostrada en las figuras 3 y 4) del sustrato poroso 110 orientada hacia la segunda sección 104 y alejada de la primera sección 102.
[0078] Pasando ahora a la figura 3, la primera sección 102 que incluye una pared exterior 120 (también denominada en el presente documento “primera pared exterior”) que define una cámara de fluido 122 (también denominada en el presente documento “primera cámara de fluido”). Durante su utilización, como se describirá con más detalle a continuación, la cámara de fluido 122 aloja una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido.
[0080] En el ejemplo mostrado, la primera sección 102 incluye un par de puertos de entrada de fluido 126 y un puerto de escape de aire 127. En ejemplos alternativos, la primera sección 102 puede incluir otro número de puertos de entrada de fluido, como un puerto de entrada de fluido, y los puertos de entrada de fluido pueden estar en otra posición. Los puertos de entrada de fluido 126 pueden abrirse y cerrarse mediante una válvula (no mostrada). Por otra parte, la primera sección 102 puede incluir otro número de puertos de escape de aire, como tal, más de un puerto de escape de aire, y el puerto de escape de aire puede estar en otra posición. El puerto de escape de aire 127 puede abrirse y cerrarse mediante una válvula (no mostrada).
[0082] La primera sección 102 puede incluir además (es decir, que incluye) un transductor ultrasónico (no mostrado) para sonicar la suspensión de plaquetas de grafeno, lo que puede ayudar a empaquetar las plaquetas de grafeno en los poros del sustrato poroso 110 (como se describe con más detalle a continuación).
[0084] Siguiendo con la figura 3, la segunda sección 104 que incluye una pared exterior 128 (también denominada en el presente documento “segunda pared exterior”) que define una cámara de fluido (también denominada en el presente documento “segunda cámara de fluido”). La segunda cámara de fluido no es visible en las figuras, ya que está llena de un soporte poroso 136, que se describe a continuación. Durante su utilización, la segunda sección 104 se puede colocar adyacente a la primera sección 102, de modo que la primera pared exterior 120 se apoye contra la segunda pared exterior 128, a través del sustrato poroso 110. La segunda sección 104 se puede fijar además a la primera sección 102, por ejemplo, sujetando o atornillando la primera pared exterior 120 a la segunda pared exterior 128.
[0086] Volviendo a la figura 3, la segunda cámara de fluido tiene un puerto de drenaje 134. En ejemplos alternativos, se pueden proporcionar puertos de drenaje adicionales (por ejemplo, cuatro puertos de drenaje).
[0088] Refiriéndose aún a la figura 3, la segunda sección 104 que incluye un soporte poroso 136, que se aloja dentro de la segunda cámara de fluido. Durante su utilización, durante la fabricación de una membrana de grafeno, el soporte poroso 136 sostiene el sustrato poroso 110 de la membrana de grafeno, de modo que cuando se aplica una diferencia de presión a través del sustrato poroso 110, el sustrato poroso no se desgarra, rompe, estira ni sufre ningún otro tipo de daño. Por otra parte, durante la utilización, cuando la primera sección 102 se coloca adyacente a la segunda sección 104 y el sustrato poroso 110 es soportado por el soporte poroso 136, la primera cámara de fluido 122 y la segunda cámara de fluido están en comunicación fluida a través del sustrato poroso 110.
[0090] En el ejemplo mostrado, el soporte poroso 136 incluye varias capas, a saber, una primera capa 138, una segunda capa 140 y una tercera capa 142. Cada capa es porosa, con tamaños de poros mayores que los del sustrato poroso 110, y que se hacen más grandes al pasar de la primera capa 138 a la tercera capa 142. Por ejemplo, la primera capa 138 puede tener tamaños de poros en la escala de micras, la segunda capa 140 puede tener tamaños de poros en la escala de milímetros y la tercera capa 142 puede tener tamaños de poros en la escala de pulgadas.
[0091] En algunos ejemplos, la primera capa 138 incluye una lámina de, por ejemplo, celulosa, tejido y/o diversos polímeros u otros materiales. En algunos ejemplos, la primera capa 138 incluye más de una lámina de material. La primera capa 138 puede estar en contacto con el sustrato poroso 110 y soportarlo físicamente durante la fabricación de la membrana de grafeno.
[0093] En el ejemplo mostrado, la segunda capa 140 incluye dos subcapas: una primera subcapa 144 y una segunda subcapa 146. La primera subcapa 144 y la segunda subcapa 146 pueden incluir, por ejemplo, materiales porosos, como tal, polímeros sinterizados, metales sinterizados, zeolitas y/o cerámicas. En algunos ejemplos concretos, la primera subcapa 144 y la segunda subcapa 146 incluyen, cada una, una lámina de plexiglás con orificios perforados a través de ella, siendo los orificios de la primera subcapa 144 más pequeños que los de la segunda subcapa 146. Cuando se utiliza, la segunda capa 140 puede entrar en contacto con la primera capa 138 y sostenerla físicamente, distribuir las fuerzas causadas por la diferencia de presión (que se describe con más detalle a continuación) y dirigir el fluido lejos del sustrato poroso 110 (es decir, hacia abajo, en el ejemplo mostrado).
[0095] En el ejemplo mostrado, la tercera capa 142 sirve generalmente para drenar la segunda capa 140 y puede estar fabricada con diversos materiales que tengan poros grandes, como plexiglás perforado.
[0097] Refiriéndonos aún a la figura 3, el presurizador 106 puede ser cualquier dispositivo, aparato o ensamblaje que, cuando sea utilizado, pueda crear una diferencia de presión entre la primera sección 102 y la segunda sección 104 (es decir, entre la primera cámara de fluido 122 y la segunda cámara de fluido, a través del sustrato poroso 110), para forzar el fluido de la suspensión a través del sustrato poroso 110 y hacia la segunda cámara de fluido y alojar las plaquetas de grafeno en los poros del sustrato poroso 110. En el ejemplo mostrado, el presurizador 106 es un cilindro hidráulico (mostrado esquemáticamente) que está conectado a la primera sección 102, para presurizar la cámara de fluido 122 de la primera sección 102, mientras que la segunda cámara de fluido permanece a presión atmosférica (o por debajo de la presión atmosférica, por ejemplo, mediante la utilización de un aparato de vacío). En ejemplos alternativos, el presurizador puede ser, por ejemplo, un cilindro de aire comprimido, un tornillo mecánico, una bomba de agua a alta presión o un compresor. Alternativamente, el presurizador puede ser un aparato de vacío y puede crear un vacío en la segunda cámara de fluido, mientras que la primera cámara de fluido 122 permanece a presión atmosférica (o por encima de la presión atmosférica). Mientras que en el ejemplo mostrado, el cilindro hidráulico se mueve verticalmente para presurizar la primera cámara de fluido 122, en ejemplos alternativos, un cilindro hidráulico puede moverse horizontalmente.
[0099] Volviendo a la figura 1, en el ejemplo mostrado, el aparato 100 forma parte de un sistema que incluye un subsistema de control 148. El subsistema de control 148 puede recibir información del aparato 100 y/o puede controlar el aparato 100. Por ejemplo, el aparato 100 puede incluir varios sensores, tales como sensores de presión y/o sensores de pH y/o sensores de conductividad y/o sensores de flujo. El subsistema de control 148 puede recibir información de los sensores. Dicha información puede estar relacionada, por ejemplo, con la diferencia de presión a través del sustrato poroso 110, una concentración de iones en una suspensión dentro de la primera cámara de fluido 122 y/o la segunda cámara de fluido, una conductividad de la suspensión dentro de la primera cámara de fluido 122 y/o la segunda cámara de fluido, un caudal a través del sustrato poroso 110 y/o una conductividad del sustrato poroso 110. Además, el subsistema de control 148 puede controlar el aparato 100 basándose en la información recibida. Por ejemplo, el subsistema de control 148 puede controlar la diferencia de presión inducida por el presurizador 106 y/o la entrada de fluido en la cámara de fluido superior basándose en la información. En el ejemplo mostrado, se muestra esquemáticamente un sensor en 150 en la figura 3.
[0100] A continuación se describirá un método para fabricar una membrana de grafeno. El método se describirá con referencia al aparato 100; sin embargo, el método no se limita al aparato 100, y el aparato 100 no se limita al funcionamiento mediante el método. En general, el método puede incluir a) colocar el sustrato poroso 110 a través del soporte poroso 136 de manera que la primera superficie 116 quede orientada en dirección opuesta al soporte poroso 136 y la segunda superficie 118 quede orientada hacia el soporte poroso 136; b) aplicar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido a la cámara de fluido 122 de la primera sección 102, para poner en contacto la primera superficie 116 del sustrato poroso 110 con la suspensión; y c) aplicar una diferencia de presión a través del sustrato poroso 110 para forzar las plaquetas de grafeno a entrar en los poros del sustrato poroso 110 y forzar el fluido a través del sustrato poroso 110.
[0102] Más concretamente, durante su utilización, el sustrato poroso 110 puede montarse primero en el bastidor de soporte del sustrato 108, fijando el sustrato poroso 110 entre la primera 112 y la segunda 114 piezas del bastidor de soporte del sustrato 108, como se muestra en la figura 2. A continuación, el aparato 100 puede montarse como se muestra en la figura 3, con el bastidor de soporte del sustrato 108 situado en el exterior de la primera cámara de fluido 122 y la segunda cámara de fluido, y con el sustrato poroso 110 intercalado entre la primera pared exterior 120 y la segunda pared exterior 128 y soportado por el soporte poroso 136. Esto se puede lograr abriendo el aparato 100 (es decir, separando la primera sección 102 y la segunda sección 104), maniobrando el bastidor de soporte del sustrato 108 para colocar el sustrato poroso 110 sobre la segunda sección 104, cerrando el aparato 100 (colocando la primera sección 102 adyacente a la segunda sección 104) y fijando la primera sección 102 a la segunda sección 104.
[0104] A continuación, se puede aplicar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido a la primera cámara de fluido 122, de modo que la suspensión entre en contacto con la primera superficie 116 del sustrato poroso 110. Por ejemplo, la suspensión se puede cargar en la primera cámara de fluido 122 a través de uno de los puertos de entrada de fluido 126.
[0105] Como se ha mencionado anteriormente, la suspensión incluye plaquetas de grafeno suspendidas en un fluido. El fluido puede ser, por ejemplo, un líquido o un gas. Por ejemplo, el fluido puede ser o puede incluir un líquido como agua, alcohol y/o un disolvente orgánico (por ejemplo, N-metil-2-pirrolidona (NMP)). Alternativamente, el fluido puede ser o puede incluir un gas como nitrógeno, dióxido de carbono, gases nobles, vapor de agua y/o hidrógeno. Además de las plaquetas de grafeno, se pueden suspender o disolver en el fluido otros materiales diversos. Los materiales adicionales pueden ser de tamaño micro o nano. Por ejemplo, la suspensión puede incluir carbones (por ejemplo, grafito y/o nanotubos de carbono), cerámicas (como óxidos, carburos, carbonatos y/o fosfatos), metales (como aluminio y/o hierro), semiconductores, lípidos y/o polímeros.
[0107] A continuación, se puede aplicar una diferencia de presión a través del sustrato poroso 110. Como se ha mencionado anteriormente, esto se puede lograr presurizando la primera cámara de fluido 122 y/o aplicando vacío a la segunda cámara de fluido. En el ejemplo mostrado, el presurizador 106 presuriza la primera cámara de fluido 122. En referencia a la figura 4, a medida que se aplica la diferencia de presión, la suspensión será empujada hacia la segunda sección 104. En particular, a medida que se aplica la diferencia de presión, el fluido 152 (mostrado esquemáticamente) de la suspensión pasará a través de los poros 154 del sustrato poroso 110, mientras que las plaquetas de grafeno 156 quedarán alojadas dentro de los poros 154, dejando atrás una membrana de grafeno (es decir, una membrana que incluye el sustrato poroso 110 con las plaquetas de grafeno 156 alojadas dentro de los poros 154 y/o en la primera superficie 116 del sustrato poroso). Opcionalmente, mientras se aplica la diferencia de presión, la suspensión puede ser sometida a ultrasonidos, con el fin de facilitar el empaquetamiento compacto de las plaquetas de grafeno 156 dentro de los poros 154.
[0109] Después de pasar a través de los poros 154, el fluido 152 pasará a la segunda sección 104 y a través de la primera capa 138, la segunda capa 140 y la tercera capa 142 del soporte poroso 136. A continuación, el fluido se puede drenar a través del puerto de drenaje 134.
[0111] Opcionalmente, durante la presurización, el subsistema de control 148 puede utilizarse para recibir información del aparato 100 y/o para controlar el aparato 100.
[0113] Opcionalmente, se pueden aplicar suspensiones adicionales al sustrato. Por ejemplo, se puede aplicar una primera suspensión de un primer tipo de plaquetas de grafeno (por ejemplo, plaquetas de grafeno aminadas) al sustrato poroso 110. A continuación, se puede aplicar una segunda suspensión de un segundo tipo de plaquetas de grafeno (por ejemplo, plaquetas de grafeno oxidadas) al sustrato poroso. Esto puede dar como resultado una membrana de grafeno que incluye varias subcapas de grafeno.
[0115] Una vez completada la fabricación de la membrana (por ejemplo, cuando todo el fluido 152 de la suspensión ha pasado de la primera cámara de fluido 122 a la segunda cámara de fluido), el aparato 100 puede desmontarse (es decir, separando la primera sección 102 y la segunda sección 104), y el bastidor de soporte del sustrato 108 y la membrana de grafeno (que incluye el sustrato poroso 110 con las plaquetas de grafeno 156 alojadas dentro de los poros 154 del sustrato poroso 110 y/o depositadas como una capa sobre el sustrato poroso 110) pueden retirarse juntos de la primera sección 102 y la segunda sección 104. A continuación, la membrana puede retirarse opcionalmente del bastidor de soporte del sustrato 108, o puede permanecer en el bastidor de soporte del sustrato 108 para pasos de procesamiento posteriores.
[0117] En algunos ejemplos, en lugar de cargar la suspensión en la primera cámara de fluido 122, la suspensión se puede preparar en la primera cámara de fluido 122. Por ejemplo, el fluido y las plaquetas de grafeno se pueden añadir a la primera cámara de fluido 122 por separado y, a continuación, se pueden combinar en la primera cámara de fluido 122.
[0118] Si bien lo anterior describe un proceso por lotes para fabricar una membrana de grafeno, el aparato 100 puede funcionar alternativamente de forma semilotera que se aproxima o simula el funcionamiento continuo. Por ejemplo, el sustrato poroso 110 y el bastidor de soporte del sustrato 108 pueden moverse a través de la primera sección 102 y la segunda sección 104, a través del soporte poroso 136. Además, varios de los aparatos 100 pueden funcionar en paralelo o en serie. Cuando se funciona en serie, cada aparato 100 sucesivo puede utilizarse para depositar plaquetas de grafeno adicionales 156 sobre/en el sustrato poroso 110, o para depositar materiales adicionales sobre/en el sustrato poroso 110. Por ejemplo, el primer aparato de una serie puede depositar plaquetas de grafeno aminadas en el sustrato poroso 110, mientras que el segundo aparato de la serie puede depositar plaquetas de grafeno oxidadas en el sustrato poroso 110.
[0119] Opcionalmente, las diversas partes del aparato 100 pueden configurarse para su retirada, sustitución y limpieza.
[0121] Si bien la descripción anterior proporciona ejemplos de uno o más procesos, aparatos o composiciones, se apreciará que otros procesos, aparatos o composiciones pueden estar dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
[0123] En la medida en que cualquier modificación, caracterización u otra afirmación realizada anteriormente (en esta o en cualquier solicitud de patente o patente relacionada, incluidas las patentes matrices, hermanas o derivadas) con respecto a cualquier técnica, anterior o de otro tipo, pueda interpretarse como una renuncia a cualquier objeto respaldado por la presente divulgación de esta solicitud, el solicitante rescinde y retira dicha renuncia. El solicitante también sostiene respetuosamente que cualquier técnica anterior considerada previamente en cualquier solicitud de patente o patente relacionada, incluidas las matrices, las hermanas o las hijas, puede ser necesario revisarla.

Claims (20)

1. REIVINDICACIONES
1. Aparato para fabricar una membrana de grafeno, que comprende:
una primera sección que tiene una primera pared exterior y una primera cámara de fluido para alojar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido;
una segunda sección que tiene una segunda pared exterior, una segunda cámara de fluido y un soporte poroso alojado en la segunda cámara de fluido para soportar un sustrato poroso, en el que la primera sección está posicionada para intercalar un sustrato poroso entre la primera sección y la segunda sección, con la primera pared exterior apoyada contra la segunda pared exterior a través del sustrato poroso y con el sustrato poroso soportado por el soporte poroso, para colocar la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido en comunicación fluida a través del sustrato poroso;
un presurizador para crear una diferencia de presión entre la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido y, de ese modo, forzar el fluido a través del sustrato poroso y hacia la segunda cámara de fluido y alojar las plaquetas de grafeno en los poros del sustrato poroso para producir una membrana de grafeno que comprende el sustrato poroso con las plaquetas de grafeno alojadas en los poros del sustrato poroso.
2. El aparato de la reivindicación 1, en el que el soporte poroso comprende una primera capa con poros de un primer tamaño, una segunda capa con poros de un segundo tamaño mayor que el primer tamaño y una tercera capa con poros de un tercer tamaño mayor que el segundo tamaño.
3. El aparato de la reivindicación 2, en el que la primera capa comprende una lámina de al menos uno de celulosa, un tejido y un polímero.
4. El aparato de la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que la segunda capa comprende una primera subcapa y una segunda subcapa.
5. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el presurizador está conectado a la primera sección y crea la diferencia de presión entre la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido presurizando la primera cámara de fluido mientras que la segunda cámara de fluido permanece a presión atmosférica.
6. El aparato de la reivindicación 5, en el que el presurizador comprende un cilindro hidráulico, un cilindro de aire comprimido o una bomba de agua a alta presión.
7. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el presurizador comprende un aparato de vacío para crear un vacío en la segunda cámara de fluido.
8. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además un transductor ultrasónico en la primera cámara de fluido.
9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende además un bastidor de soporte de sustrato, en el que el sustrato poroso se puede fijar al bastidor de soporte de sustrato, y en el que el bastidor de soporte de sustrato se puede maniobrar para colocar el sustrato poroso sobre el soporte poroso.
10. El aparato de la reivindicación 9, en el que el bastidor de soporte del sustrato está fuera de la primera cámara de fluido y de la segunda cámara de fluido.
11. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende además al menos un sensor para detectar un parámetro de la suspensión y/o del fluido y/o de las plaquetas de grafeno.
12. Un método para fabricar una membrana de grafeno, que comprende:
a) colocar un sustrato poroso sobre un soporte poroso, en el que el sustrato poroso tiene una primera superficie y una segunda superficie, y en el que el sustrato poroso se coloca de manera que la primera superficie quede orientada en dirección opuesta al soporte poroso y la segunda superficie quede orientada hacia el soporte poroso;
b) intercalar el sustrato poroso entre una primera pared exterior de una primera sección y una segunda pared exterior de una segunda sección, con la primera pared exterior apoyada contra la segunda pared exterior a través del sustrato poroso;
c) aplicar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido a una primera cámara de fluido de la primera sección, para poner en contacto la primera superficie del sustrato poroso con la suspensión;
d) aplicar una diferencia de presión a través del sustrato poroso para forzar las plaquetas de grafeno a entrar en los poros del sustrato poroso y forzar el fluido a través del sustrato poroso hacia la segunda sección.
13. El método de la reivindicación 12, en el que el paso d) comprende presurizar la primera cámara de fluido.
14. El método de la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que el paso d) comprende aplicar un vacío al soporte poroso.
15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, que comprende además sonicar la suspensión durante el paso c) y/o el paso d).
16. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, en el que:
el método comprende además, antes del paso a), montar el sustrato poroso en un bastidor de soporte del sustrato; y el paso a) comprende maniobrar el bastidor de soporte del sustrato para colocar el sustrato poroso a través del soporte poroso.
17. El método de la reivindicación 16, que comprende además, después del paso d), retirar el bastidor de soporte del sustrato y el sustrato poroso del soporte poroso.
18. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, que comprende además, durante el paso d), detectar un parámetro de la suspensión y/o del fluido.
19. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 19, en el que el paso d) comprende hacer pasar el fluido a través de una primera capa, una segunda capa y una tercera capa del soporte poroso.
20. Un sistema para fabricar una membrana de grafeno, que comprende:
un aparato que comprende (i) una primera sección que tiene una primera pared exterior y una primera cámara de fluido para alojar una suspensión de plaquetas de grafeno en un fluido, (ii) una segunda sección que tiene una segunda pared exterior, una segunda cámara de fluido y un soporte poroso alojado en la segunda cámara de fluido para soportar un sustrato poroso, en el que la primera sección está posicionada para intercalar un sustrato poroso entre la primera sección y la segunda sección con la primera pared exterior apoyada contra la segunda pared exterior a través del sustrato poroso y con el sustrato poroso soportado por el soporte poroso, para colocar la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido en comunicación fluida a través del sustrato poroso, (iii) al menos un sensor para detectar un parámetro de la suspensión y/o del fluido, y (iv) un presurizador para crear una diferencia de presión entre la primera cámara de fluido y la segunda cámara de fluido y, de ese modo, forzar el fluido a través del sustrato poroso y hacia la segunda cámara de fluido y alojar las plaquetas de grafeno en los poros del sustrato poroso para producir una membrana de grafeno que comprende el sustrato poroso con las plaquetas de grafeno alojadas en los poros del sustrato poroso; y un subsistema de control para recibir información del sensor y controlar el aparato basándose en la información recibida, en el que la información comprende una diferencia de presión a través del sustrato poroso, una concentración de iones en la suspensión, una conductividad de la suspensión, un caudal a través del sustrato poroso y/o una conductividad del sustrato poroso, y en el que el subsistema de control controla la diferencia de presión inducida por el presurizador y/o la entrada de la suspensión en la primera sección.
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