(57)【要約】  物品は複数の支持体を含む多孔質骨格構造体を含む。物品はさらに、支持体のうちの少なくとも１つの支持体上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料を含む。複数の金属又は非金属ナノ材料のそれぞれは支持体のうちの少なくとも１つに直接に結合されている。
2020515382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の支持体を含む多孔質骨格構造体と、
前記支持体のうちの少なくとも１つの上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料と、
を含む物品であって、
前記複数の金属又は非金属ナノ材料のそれぞれが前記支持体のうちの少なくとも１つに直接に結合されている、
物品。
【請求項２】
前記複数のナノ材料のそれぞれの直径が約５ｎｍ〜約５００ｎｍである、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記多孔質骨格構造体がスポンジであり、前記スポンジが複数の繊維を含み、そして前記複数のナノ材料の少なくとも一部が、前記繊維のうちの少なくとも１つの表面上に配置されており、そして前記複数のナノ材料の少なくとも一部が、前記繊維のうちの少なくとも１つの内部に配置されている、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記複数の繊維が、ポリウレタン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、又はこれらの混合物から選択される１種又は２種以上のポリマーを含む、請求項３に記載の物品。
【請求項５】
前記多孔質骨格構造体が多孔質セラミックである、請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記複数のナノ材料が、前記金属又は非金属ナノ材料の約１ｗｔ％〜約１００ｗｔ％の１種又は２種以上の金属、非金属、又は金属酸化物を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記金属又は非金属のうちの少なくとも１種が、セレン、銅、アルミニウム、亜鉛、鉄、ニッケル、カルシウム、マグネシウム、チタン、銀、マンガン、これらの混合物、又はこれらの合金から選択される、請求項６に記載の物品。
【請求項８】
前記金属酸化物の少なくとも１種が、酸化鉄、酸化銅、アルミナ、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化マグネシウム、又はこれらの混合物から選択される、請求項５に記載の物品。
【請求項９】
前記多孔質骨格構造体がテキスタイルを含み、前記複数の金属又は非金属ナノ材料が銀又は銅のうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
多孔質ナノ複合体を製造する方法であって、前記方法が、
溶液中に多孔質骨格構造体を少なくとも部分的に浸漬することであって、前記溶液が、１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を含むこと；
前記多孔質骨格構造体を加熱して、前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を還元すること；及び
前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物から、前記多孔質骨格構造体の複数の支持体のうちの少なくとも１つの上に複数の金属ナノ材料を形成して、前記多孔質ナノ複合体を形成すること；
を含み、
前記複数の金属又は非金属ナノ材料のそれぞれが、前記支持体の少なくとも１つに直接に結合される、
多孔質ナノ複合体を製造する方法。
【請求項１１】
前記１種又は２種以上の金属、非金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物が、硫酸第一鉄七水和物、塩化銅（ＩＩ）、亜セレン酸、硫酸アルミニウムアンモニウム、硫酸ニッケル（ＩＩ）、硝酸亜鉛六水和物、硫酸チタン水和物、硝酸銀、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１種を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記１種又は２種以上の金属、非金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物の濃度が約０．００１Ｍ〜約５Ｍである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記多孔質骨格構造体がｐＨ約２〜約９の前記溶液中に少なくとも部分的に浸漬される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属ナノ材料が、前記多孔質骨格構造体の外面及び内面のうちの少なくとも一方に形成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記多孔質物品が約１００℃〜約５００℃の範囲の温度で加熱される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記多孔質骨格構造体がテキスタイルを含み、前記１種又は２種以上の金属が硝酸銀を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が銀ナノ材料を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
多孔質ナノ複合体を製造するシステムであって、
溶液中に多孔質骨格構造体を部分的に浸漬するように構成された、金属又は非金属イオン適用システムであって、前記溶液が、１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を含む、金属又は非金属イオン適用システムと、
前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を還元するために前記多孔質骨格構造体を加熱し、これにより、前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物から、前記多孔質骨格構造体の複数の支持体のうちの少なくとも１つの上に複数の金属ナノ材料を形成することによって、前記多孔質ナノ複合体を形成するように構成された、加熱デバイスと、
を含む、多孔質ナノ複合体を製造するシステム。
【請求項１８】
前記金属又は非金属イオン適用システムがイオン浴を含み、前記多孔質骨格構造体が可撓性多孔質骨格構造体である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記金属又は非金属イオン適用システムがイオンアプリケータを含み、前記多孔質骨格構造体が剛性の多孔質骨格構造体である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
流体流を処理する方法であって、前記方法が、
多孔質ナノ複合体を流体流で浸漬することを含み、前記多孔質ナノ複合体が、
複数の支持体を含む多孔質骨格構造体と、
前記支持体のうちの少なくとも１つの上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料と、
を含み、
前記複数のナノ材料のそれぞれが前記支持体のうちの少なくとも１つに直接に結合されている、
流体流を処理する方法。
【請求項２１】
前記流体流が水銀を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料がセレンを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記流体流が砒素を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が銅又は酸化銅を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記流体流がリン酸塩を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が鉄又は酸化鉄を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記流体流が反応物質を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が、亜鉛、チタン、又はマンガンのうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記流体流が塩水を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が、マンガン又はアルミニウムのうちの少なくとも一方を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記流体流が粒子を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が、銀及び銅のうちの少なくとも一方を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
ｐＨが約１２よりも高い溶液中に前記多孔質ナノ複合体を浸漬することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
流体媒質を処理するシステムであって、前記システムが、
前記流体媒質内に少なくとも部分的に配置された物品
を含み、
前記物品が、
複数の支持体を含む多孔質骨格構造体と、
前記支持体のうちの少なくとも１つの上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料と
を含み、
前記複数の金属又は非金属ナノ材料のそれぞれが前記支持体のうちの少なくとも１つに直接に結合されている、
流体媒質を処理するシステム。
【請求項２９】
前記流体流が、水銀、鉛、砒素、カドミウム、クロム、硝酸塩、リン酸塩、ペルフルオロオクタン酸（ＰＦＯＡ）、ペルフルオロオクタンスルホン酸、ダイオキシン、ポリ塩化ビフェニル、多環芳香族炭化水素、内分泌攪乱物質、ホルムアルデヒド、硫黄酸化物、亜酸化窒素、又はこれらの混合物から選択された汚染物質を含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記流体流が微生物を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が、銀又は銅ナノ材料のうちの少なくとも一方を含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記流体流が反応物質を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が、マンガン、亜鉛、又はチタンのうちの少なくとも１つを含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３２】
前記流体流が塩水を含み、そして前記複数の金属又は非金属ナノ材料が、マンガン又はアルミニウムのうちの少なくとも一方を含む、請求項２８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、“POROUS NANOCOMPOSITES SORBENTS FOR MULTIPOLLUTANT CAPTURE,”と題する2017年3月24日付けで出願された米国仮特許出願第62/476,166号の優先権を主張する。この内容全体は参照することにより本明細書中に援用される。
【０００２】
本出願は概して言えば、多孔質ナノ複合体及び多孔質ナノ複合体の製造方法及び使用方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
汚染物質を種々の流体媒質中に見いだすことができる。汚染物質の除去は数多くの理由から望ましい。しかしながら、汚染物質の除去における難題には、汚染物質を除去するための製造デバイスのコスト、及びこれらのデバイスの効率が含まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示による物品は複数の支持体（support）を含む多孔質骨格構造体（porous scaffold structure）を含む。物品はさらに、支持体のうちの少なくとも１つの支持体上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料を含む。複数の金属又は非金属ナノ材料のそれぞれは支持体のうちの少なくとも１つに直接に結合されている。
【０００５】
本開示はさらに、流体媒質から汚染物質を除去するシステムを含む。システムは、流体媒質内部に少なくとも部分的に配置された物品を含む。物品は複数の支持体を含む多孔質骨格構造体を含む。物品はさらに、支持体のうちの少なくとも１つの支持体上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料を含む。複数の金属又は非金属ナノ材料のそれぞれは支持体のうちの少なくとも１つに直接に結合されている。
【発明の効果】
【０００６】
本開示はさらに、多孔質ナノ複合体を製造する方法を含む。この方法は、流体媒質中に多孔質物品を少なくとも部分的に浸漬することを含む。流体媒質は１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を含む。方法はさらに、前記多孔質物品を加熱することにより、前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を還元することを含む。この方法はさらに、前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物から前記多孔質物品上に複数の金属又は非金属ナノ材料を形成することを含む。
【０００７】
開示された物品、システム、及び方法の使用にはいくつかの利点がある。これらのいくつかは意外なことである。例えば、本開示の種々の実施態様によれば、多孔質物品、例えばスポンジを使用して流体を吸収し、スポンジ上に金属又は非金属ナノ材料を形成することができる。種々の実施態様によれば、流体中の金属イオンはスポンジ材料内へ拡散することができる。この場所で金属イオンはスポンジのマトリックスによって支持され安定化される。加熱すると、スポンジの表面上及び繊維内部の両方に小型粒子が形成される。支持構造がなければ、粒子は、小型粒子と同じ所望の特性を有しない、つまり汚染物質種との反応性がより低い凝集体を形成することになる。本明細書中に記載された、結果として得られる多孔質ナノ複合体物品は、汚染物質除去、化学合成及び触媒作用、ファウリング防止、及びこれに類するものを含む種々の用途のために使用されてよい。
【０００８】
１つ又は２つ以上の実施例の詳細が添付の図面及び下記説明に示される。開示の他の特徴、目的、及び利点は、明細書及び図面、並びに請求項から明らかになる。
【０００９】
図面は概ね、一例として、しかし限定を目的にすることなしに、本文献中で論じられる種々の実施態様を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、種々の実施態様に基づくスポンジの断面図である。
【図２】図２は、種々の実施態様に基づく多孔質ナノ複合体を製造する方法を示すフローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、可撓性多孔質骨格構造体３２から可撓性の金属及び／又は非金属ナノ複合体物品４０を製造するシステム３０を示す一例としてのダイアグラムである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、剛性の多孔質骨格構造体５２から剛性の金属及び非金属ナノ複合体物品６０を製造するシステム５０を示す一例としてのダイアグラムである。
【図４Ａ】図４Ａは、種々の実施態様に基づく、ポリウレタン支持体のナノ材料還元及びポリウレタン支持体上の粒子成長を示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、種々の実施態様に基づくポリウレタンスポンジを示す写真及び顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、種々の実施態様に基づく鉄ナノ粒子吸着剤を示す写真及び顕微鏡写真である。
【図５】図５は、種々の実施態様に基づく、種々の金属イオン前駆体による熱還元後のポリウレタン（ＰＵ）スポンジを示す写真、並びに、スポンジ表面を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図６Ａ】図６Ａは、種々の実施態様に基づく、時間の関数（ｓ）としてのリン捕捉率（％）を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、種々の実施態様に基づく、濃度（ｍｇ・Ｌ−１）の関数としてのリン捕捉率（％）を示すグラフである。
【図６Ｃ】図６Ｃは、種々の実施態様に基づく、ｐＨの関数としてのリン捕捉率（％）を示すグラフである。
【図６Ｄ】図６Ｄは、種々の実施態様に基づく、未処理及び処理済みの湖水試料における種々の汚染物質の濃度（ｍｇ・Ｌ−１）を示すグラフである。
【図６Ｅ】図６Ｅは、種々の実施態様に基づく、未処理及び処理済みの廃水試料における種々の汚染物質の濃度（ｍｇ・Ｌ−１）を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、種々の実施態様に基づく、時間の関数としての砒素捕捉率（％）を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、種々の実施態様に基づく、ｐＨの関数としての砒素捕捉率（％）を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、種々の実施態様に基づく、ポリウレタンスポンジ支持体上に配置された鉄ナノ粒子材料上のシアノバクテリア成長を示す写真である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、種々の実施態様に基づく、８０％ポリエステル及び２０％綿から成る衣類材料上に合成された銀粒子を示す写真である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、種々の実施態様に基づく、８０％ポリエステル及び２０％綿から成る衣類材料の糸上に合成された銀粒子を示す写真である。
【図９Ａ】図９Ａは、種々の実施態様に基づく多孔質セラミック支持体を示す写真である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、種々の実施態様に基づく鉄ナノ材料多孔質セラミック支持体を示す写真である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、種々の実施態様に基づく、硫酸第一鉄七水和物から多孔質鉄ナノ複合体物品を製造する方法例を示すフローチャートである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、種々の実施態様に基づく、塩化銅（ＩＩ）から多孔質銅ナノ複合体物品を製造する方法例を示すフローチャートである。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、種々の実施態様に基づく、亜セレン酸から多孔質セレンナノ複合体物品を製造する方法例を示すフローチャートである。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、種々の実施態様に基づく、硫酸アルミニウムアンモニウムから多孔質アルミニウムナノ複合体物品を製造する方法例を示すフローチャートである。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、種々の実施態様に基づく、硫酸ニッケル（ＩＩ）から多孔質ニッケルナノ複合体物品を製造する方法例を示すフローチャートである。
【図１０Ｆ】図１０Ｆは、種々の実施態様に基づく、硝酸亜鉛六水和物から多孔質亜鉛ナノ複合体物品を製造する方法例を示すフローチャートである。
【図１０Ｇ】図１０Ｇは、種々の実施態様に基づく、硫酸チタン水和物から多孔質チタンナノ複合体物品を製造する方法例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、種々の実施態様に基づく、硝酸銀から銀ナノ複合体テキスタイルを製造する方法例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
開示された対象の特定の実施態様にここで詳細に言及する。これらの例は添付の図面に一部示されている。開示された対象を、列挙した請求項と関連づけて説明するが、例示された対象は、開示された対象に請求項を限定しようとするものではない。
【００１２】
本開示の種々の例によれば、多孔質ナノ複合体物品は、内部に複数の支持体を含む多孔質骨格構造体を含むことができる。支持体のうちの少なくとも１つの支持体上に複数の金属又は非金属ナノ材料が配置されている。
【００１３】
多孔質骨格構造体は、数多くの適宜の材料又は材料の組み合わせから形成することができる。適宜の材料の非限定的な例として、多孔質骨格構造体は、有機材料又は無機材料から形成することができる。有機材料又は無機材料は、樹脂、金属、ガラス、セラミック、シリコン、活性炭、テキスタイル、又はこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、テキスタイルは支持体として複数のトウ（tows）を含んでよく、スポンジは支持体として複数の繊維を含んでよく、そしてセラミックは支持体として孔の間に複数の繊維又は材料を含んでよい。
【００１４】
いくつかの例では、多孔質骨格構造体は顆粒状多孔質材料から形成されてよい。例えば、多孔質骨格構造体の支持体を形成する多孔質材料から成る顆粒をまとめることにより、多孔質骨格構造体を形成することができる。活性炭、ポリマービード、ケイ砂、ジルコニア、アルミナ、無煙炭、及びこれに類するものを含む（ただしこれらに限定されない）種々の顆粒状多孔質材料を使用してよい。
【００１５】
多孔質骨格構造体は多くの適宜の構造を成すことができ、非限定的例はスポンジである。スポンジは、流体を強力に吸収して保持する能力によって特徴付けられる軟質の多孔質材料を含むことができる。スポンジの一例がスポンジ１０の断面図である図１に示されている。図１に示されているように、スポンジ１０は繊維１２を含む。繊維１２は部分的に、スポンジ内の孔１４を形成している。図示のように、孔１４のサイズ（例えば直径）は約１００ナノメートルである。他の例では、スポンジ１０又は任意の他の構造の孔１４のサイズは、約５０ナノメートル〜約５００ナノメートル、約１５０ナノメートル〜約４５０ナノメートル、約２００ナノメートル〜約４００ナノメートル、又は約２５０ナノメートル〜約３５０ナノメートルであり得る。それぞれの孔１４は同じサイズであっても異なるサイズであってもよい。孔１４はスポンジ１０を部分的又は完全に通って延びることができる。
【００１６】
図１に示されているように、スポンジ１０の孔１４は、スポンジ１０の体積に対して比較的大きい表面積を有している。孔１４の比較的大きい表面積は、孔１４の表面上に配置された金属又は非金属ナノ材料の対応する大きい表面積を、流体媒質浸潤スポンジ１０に晒す。例えば、スポンジ１０は、孔１４を含まない基体と比較して、比較的高い表面積対体積比を有することができる。これに加えて又はこの代わりに、孔１４は、流体媒質のスポンジ１０内へのより大きい移動を可能にしてよく、これにより、繊維１２の表面上又は繊維１２のバルクマトリックス内の金属又は非金属ナノ材料は、流体媒質のスポンジ１０内へのより高い浸潤速度を有することができる。いくつかの例では、孔１４は１００ｎｍよりも大きくてよい。
【００１７】
スポンジ１０内では、骨格又は支持体のそれぞれが繊維１２によって形成されている。繊維１２はスポンジ１０と同じ材料から形成することができる。いくつかの例では、スポンジ１０は全体的に繊維１２によって形成されている。繊維１２が含むことができる数多くの適宜の材料がある。いくつかの例では、繊維１２は１種又は２種以上のポリマーを含む。適宜のポリマーの例は、ポリウレタン、セルロース、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、これらのポリプロピレンコポリマー、又はこれらの混合物を含む。
【００１８】
図１に示されているように、スポンジ１０はさらに、繊維１２上に配置された金属又は非金属ナノ材料１６を含む。金属又は非金属ナノ材料１６はスポンジ１０の外部又は内部に位置する繊維１２上に配置することができる。金属又は非金属ナノ材料１６のサイズ（例えば直径）はナノメートル範囲にある。例えば、そのように限定されるわけではないが、ナノ材料の直径は約１０ナノメートル〜約５００ナノメートル、約２０ナノメートル〜約２００ナノメートル、約３０ナノメートル〜約１００ナノメートル、又は約４０ナノメートル〜約５０ナノメートルであってよい。金属又は非金属ナノ材料１６のそれぞれが同じサイズ又は異なるサイズであってよい。
【００１９】
図１はスポンジ１０に関して記載されているが、いくつかの例では、多孔質骨格構造体は剛性の多孔質構造、例えば多孔質セラミックであってよい。例えば、スポンジ１０は体積の変化（すなわち圧縮）によって流体媒質を吸収することができるのに対して、多孔質セラミックは、体積の変化なしに流体媒質流を受容しながら、実質的に剛性であり続けることができる。このような多孔質セラミックは、例えば高い流体媒質流量を伴う固定床精製システムにとって有用であり得る。
【００２０】
金属又は非金属ナノ材料は種々の形状、例えばナノスフェア、ナノフィルム、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノスター、ナノドーム、及びこれに類するものを有してよい。いくつかの例では、複数の金属又は非金属ナノ材料の表面の少なくとも一部が、多孔質骨格構造体の支持体の表面と一致する。例えば、下述のように、金属又は非金属ナノ材料は多孔質骨格構造体の支持体上に形成されてよく、これにより、金属又は非金属ナノ材料の少なくとも一部の成長が、多孔質骨格構造体の内面又は外面に沿って生じ得る。その結果、金属又は非金属ナノ材料の表面は支持体の表面と一致することができる。
【００２１】
いくつかの例では、複数の金属又は非金属ナノ材料のそれぞれが、多孔質骨格構造体の複数の支持体のうちの少なくとも１つの支持体上又は支持体内に配置されてよい。例えばさらに下述するように、複数の金属又は非金属ナノ材料は溶液中の金属イオンから形成されてよい。金属又は非金属ナノ材料の形成前に、これらの金属イオンは多孔質骨格構造体の支持体内へ、そして支持体の周りに拡散することができる。多孔質骨格構造体全体にわたる構成金属イオンのこのような高分散の結果として、その結果生じる金属又は非金属ナノ材料は、（１）多孔質骨格構造体の外面の支持体上に配置する（すなわち多孔質骨格構造体のバルクマトリックス表面の支持体表面上に配置する）ことができ、（２）多孔質構造の内面の支持体上（すなわち多孔質骨格構造体のバルクマトリックス内部の支持体表面上）に配置することができ、且つ／又は（３）多孔質骨格構造体の支持体内部（すなわち支持体のマトリックス内部）に配置することができる。
【００２２】
このような高分散に基づき、本明細書中に記載された多孔質ナノ複合体物品の所与の体積は、分散金属イオン溶液から金属又は非金属ナノ材料を形成するのではない金属又は非金属ナノ複合体と比較して、より多くの金属又は非金属ナノ材料、より高い金属又は非金属ナノ材料濃度、より均一な金属又は非金属ナノ材料分布、及び／又は金属又は非金属ナノ材料の支持体に対するより高い付着力を有することができる。例えば、金属イオンは複数の支持体の表面に制限されることはなく、より多くのナノ粒子が所与の体積内に形成されるのを可能にし、その結果、汚染物質除去速度が高くなる（例えば図５Ａ〜Ｃ参照）。別の例としては、多孔質骨格構造体の支持体内面上又は支持体内部に配置されたナノ材料を封入してもよい。これにより、付着力を高めることができ、そして多孔質ナノ複合体物品からのナノ材料の浸出を低減することができる。
【００２３】
複数の支持体は、複数の金属又は非金属ナノ材料を支持する多孔質骨格構造体の任意の構造を含んでよい。いくつかの例では、多孔質骨格構造体の複数の支持体は、例えば多孔質骨格構造体の表面上又はバルク材料中に結合部位及び／又は核生成部位を含んでよい。これらの部位は、多孔質骨格構造体の複数の支持体の表面に対する、複数の金属又は非金属ナノ材料の結合、核生成、及び／又は付着を促す。例えば、複数の支持体は種々の官能基を含んでよい。後で説明するように、これらの官能基は、金属又は非金属ナノ材料の熱還元及び金属又は非金属ナノ材料の形成の前に、金属又は非金属ナノ材料の構成金属イオンに結合する。
【００２４】
結合部位及び／又は核生成部位を提供することにより、多孔質骨格構造体の複数の支持体は、金属又は非金属ナノ材料成長を促すことができる。この金属又は非金属ナノ材料は多孔質骨格構造体の支持体の表面に直接に結合し、且つ／又はこの表面一致する。このようなより強い結合及び／又は一致は、多孔質骨格構造体からの金属又は非金属ナノ材料の浸出を低減することができる。いくつかの例において、金属又は非金属ナノ材料は、官能基を有する化合物、例えば水酸化物官能基を有するモノマーから形成されるのに対して、他の例では、多孔質骨格構造体の表面が例えば前処理を通して官能化される。いくつかの例では、材料、又は多孔質骨格構造体の材料は、構成金属又は非金属ナノ材料の構成金属又は半金属イオンに対する親和性を有する。
【００２５】
金属又は非金属ナノ材料は、多孔質骨格構造体の支持体に直接に結合されてよい。金属又は非金属ナノ材料は、分子内結合、例えば金属又は非金属結合、イオン結合、及び共有結合、そして分子間結合、例えば双極子間結合、ファンデルワールス結合、水素結合、並びにこれに類するものを含む（ただしこれらに限定されない）種々の方法で、複数の支持体の内部又は外部に直接に結合されてよい。
【００２６】
金属又は非金属ナノ材料を複数の支持体に直接に結合することによって、金属又は非金属ナノ材料は、被覆体又は他の接着剤を介して基体に結合された金属又は非金属ナノ材料よりも大きいアクセス可能表面及び／又は高い吸着速度を有することができる。例えば、溶液中の金属イオンから形成されるのではない金属又は非金属ナノ材料は、安定化又は付着のためにポリマーシェル又は被覆体を利用することがある。このようなポリマーシェル又は被覆体は被覆された金属又は非金属ナノ材料の結合部位への汚染物質の移動及びこれに続く結合部位に対する吸着を低減することがある。結合のタイプとは無関係に、金属又は非金属ナノ材料１６は、支持体の表面の分子との大きいインターフェイスを有することができることにより、金属又は非金属ナノ材料は、繊維の表面上に形成されているのではない同じ又は同様の金属又は非金属ナノ材料よりも、支持体の表面に対する強い付着力を有することができる。例えば、本明細書中で論じられる多孔質ナノ複合体物品のナノ材料保持率は９５％を上回ることができる。
【００２７】
それぞれの金属又は非金属ナノ材料１６は１種又は２種以上の非金属、金属、又は金属酸化物を含む。それぞれの金属又は非金属ナノ材料１６において、１種又は２種以上の金属又は非金属は、金属又は非金属ナノ材料１６の約１ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約１０ｗｔ％〜約９５ｗｔ％、約１５ｗｔ％〜約９０ｗｔ％、約２０ｗｔ％〜約８５ｗｔ％、約２５ｗｔ％〜約８０ｗｔ％、約３０ｗｔ％〜約７５ｗｔ％、約３５ｗｔ％〜約７０ｗｔ％、約４０ｗｔ％〜約６５ｗｔ％、約４５ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、又は約５０ｗｔ％〜約５５ｗｔ％である。ナノ材料の金属又は非金属は任意の適宜の金属であってよいが、材料の非限定的例は、半金属、例えばケイ素及びホウ素、遷移金属、例えば銅、亜鉛、鉄、ニッケル、マンガン、銀、及びチタン、ポスト遷移金属、例えばアルミニウム、アルカリ土類金属、例えばカルシウム及びマグネシウム、ある特定の非金属、例えば炭素及びセレン、並びにアルカリ金属、例えばルビジウムを含む。これらの金属のうちのいずれか１つは元素形態又は合金を成していてよい。加えて、金属又は非金属ナノ材料１６は元素金属又はこれらの合金の混合物を含むこともできる。金属ナノ材料１６中に含むことができる金属酸化物の非限定的例は、酸化鉄、酸化銅、アルミナ、酸化亜鉛、酸化ニッケル、又はこれらの混合物を含む。
【００２８】
本明細書中に記載された多孔質ナノ複合体物品は、流体媒質から汚染物質を実質的に除去するためのシステム内に含むことができる。除去することができる汚染物質の非限定的な例は、重金属、例えば水銀、鉛、砒素、カドミウム、クロム、栄養素、例えば硝酸塩、リン酸塩から選択された汚染物質を含む。汚染物質は有機汚染物質、例えばペルフルオロオクタン酸（ＰＦＯＡ）、ペルフルオロオクタンスルホン酸、ダイオキシン、ポリ塩化ビフェニル、多環芳香族炭化水素、内分泌攪乱物質であってもよい。汚染物質は気体状分子、例えばホルムアルデヒド、硫黄酸化物、亜酸化窒素、又はこれらの混合物であってもよい。流体媒質は、液体、例えば水、気体、例えば大気空気又は煙道ガス、又はこれらの組み合わせから選択することができる（例えば構造の一部は液体中に浸漬されるのに対して、構造の一部は空気に晒される）。
【００２９】
動作中、流体は多孔質骨格構造体の孔を通して吸収される。流体が吸収されるのに伴って、汚染物質は金属又は非金属ナノ材料と相互作用することができる。非限定的な例としては、この相互作用は汚染物質の化学変化をもたらすことができ（例えば汚染物質は酸化状態で変化させることができ、或いは有害性のより少ない類似物に変化することができる）、或いは、汚染物質は金属又は非金属ナノ材料と反応し、そしてナノ材料上で保持することができる。これらの非限定的例のいずれにおいても、結果として、汚染物質が流体から効果的に除去される。流体中のあらゆる汚染物質が充分に除去される程度は、約５０ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約５５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約６０ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約６５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約７０ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約７５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約８０ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約８５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、約９０ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、又は約９５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％であってよい。
【００３０】
システムは、汚染物質の除去が望ましい数多くの適宜の環境内に配置することができる。非限定的例としては、システムは、集中下水システム又は地下下水処理システム、家庭用水システム、大規模水処理プロセス、河川処理プロセス、支流又は工業用水処理プロセス中に配置することができる。
【００３１】
いくつかの例では、金属又は非金属ナノ材料の金属又は金属酸化物は特定の汚染物質と相互作用するように選択することができる。非限定的な例として、セレンを含む金属又は非金属ナノ材料は、水銀又は鉛のような汚染物質と相互作用することができる。さらなる非限定的な例として、銅を含む金属又は非金属ナノ材料は、砒素のような汚染物質と相互作用することができる。さらなる非限定的な例として、鉄を含む金属又は非金属ナノ材料は、砒素又はリン酸塩のような汚染物質と相互作用することができる。
【００３２】
上記汚染物質のように、金属又は非金属ナノ材料は、金属又は非金属ナノ材料の金属又は金属酸化物の、特定の汚染物質に対する親和性に関して選択されてよい。金属又は非金属ナノ材料が示すことのできる特定の汚染物質の最大負荷容量又は最大除去能力は、例えば、金属ナノ材料１グラム当たり１００ミリグラムを上回る汚染物質である。最大負荷容量又は最大除去能力は、以下の等式１によって表すことができる。
【００３３】
【数１】
2020515382.tif 000003
【００３４】
上記等式１において、Ｑｅは、平衡状態で金属ナノ材料１グラム当たり吸着される汚染物質の量（ｍｇ）を表し（ｍｇ／ｇ）、Ｃｉは、溶液中の汚染物質の初期濃度を表し（ｍｇ／Ｌ）、Ｃｆは溶液中の汚染物質の最終濃度を表し（ｍｇ／Ｌ）、ｍは金属ナノ材料の質量（ｇ）であり、そしてＶは溶液の体積（Ｌ）である。
【００３５】
いくつかの例では、本明細書中に論じられた多孔質ナノ複合体物品は、触媒作用又は化学合成のために使用されてもよい。例えば、多孔質ナノ複合体物品の金属又は非金属ナノ材料は、亜鉛、チタン、マンガン、又は化学反応を容易にすることのできる他の金属又は非金属を含んでよい。多孔質ナノ複合体物品は反応器、例えば充填床反応器の一部であってよく、そして反応物質を含有する流体流、例えば液体流又は気体流が反応器を通るようにすることができる。多孔質ナノ複合体物品の高分散、大きい表面積、及び高い吸着容量は結果として、多孔質骨格構造体上に溶液から金属又は非金属ナノ材料を形成するのではない多孔質金属又は非金属触媒よりも反応速度を高くすることができる。
【００３６】
いくつかの例では、本明細書中に論じられる多孔質ナノ複合体物品は、水脱塩のために使用されてもよい。例えば、多孔質ナノ複合体物品の金属又は非金属ナノ材料は、マンガン、アルミニウム、又は塩水流から塩を取り除くことができる他の金属又は非金属を含んでよい。多孔質ナノ複合体物品は、水脱塩プラントの一部であってよく、そして塩水流が多孔質ナノ複合体物品を通るようにすることができる。多孔質ナノ複合体物品の高分散、大きい表面積、及び高い吸着容量は結果として、多孔質骨格構造体上に溶液から金属又は非金属ナノ材料を形成するのではない多孔質金属又は非金属脱塩材料よりも塩除去速度を高くすることができる。
【００３７】
いくつかの例では、本明細書中に論じられる多孔質ナノ複合体物品は、ファウリング防止又は抗菌材料又は表面のために、例えば濾過又は衣類において使用されてもよい。例えば、多孔質ナノ複合体物品の金属又は非金属ナノ材料は、銀、銅、又は他の抗菌材料を含んでよい。いくつかの例では、多孔質ナノ複合体物品は、濾過システムの一部であってよく、そして微生物又は粒状物質を含む流体流が多孔質ナノ複合体物品を通るようにすることができる。多孔質ナノ複合体物品の高分散、大きい表面積、及び高い吸着容量は結果として、多孔質骨格構造体上に溶液から金属又は非金属ナノ材料を形成するのではない多孔質金属又は非金属抗菌材料又はファウリング防止材料よりも微生物溶解度及び／又は阻害度を高くすることができる。いくつかの例では、多孔質ナノ複合体物品はテキスタイル、例えば衣服品目であってよい。テキスタイルの表面は金属又は非金属ナノ材料の高分散、及び大きい表面積を含んでよい。その結果、多孔質骨格構造体上に溶液から金属又は非金属ナノ材料を形成するのではない多孔質金属又は非金属抗菌材料よりも抗菌活性を高くすることができる。
【００３８】
図２は、多孔質ナノ複合体を製造する方法２０を示すフローチャートである。方法２０は、溶液中に多孔質物品（例えばスポンジ１０）を少なくとも部分的に浸漬することを含む（２２）。溶液は、金属又は非金属ナノ材料を最終的に形成する金属又は非金属を含む。限定されることはないが、溶液は１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を含むことができる。物品は溶液中に浸漬された状態で、１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物の吸着は、物品のバルクマトリックス内部（例えばスポンジ繊維１２間又はスポンジ繊維１２内部）で生じる。物品は、任意の適宜の時間にわたって流体中に浸漬することができる。非限定的な例として、物品は約１分〜約２４時間、約３０分〜約２０時間、約１時間〜約１５時間、約５時間〜約１２時間、又は約１０時間〜約１１時間の時間にわたって流体中に浸漬することができる。溶液の吸着し易さは、物品全体にわたる金属の実質的に均一な分布を達成するのを助けることができ、これにより、最終的に金属ナノ材料は、多孔質物品の外面又は内面のうちの少なくとも一方に形成される。
【００３９】
硫酸第一鉄七水和物、塩化銅（ＩＩ）、亜セレン酸、硫酸アルミニウムアンモニウム、硫酸ニッケル（ＩＩ）、硝酸亜鉛六水和物、硫酸チタン水和物、又はこれらの組み合わせを含む（ただしこれらに限定されない、）、種々の非金属、金属、金属塩、及び／又は金属酸を使用してよい。いくつかの例では、１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの組み合わせの濃度は約０．００１Ｍ〜約５Ｍであってよい。例えば金属、金属塩、及び／又は金属酸の濃度があまりにも高い又は余りにも低い場合、例えば約５Ｍ超であるか、又は約０．００１未満である場合には、結果として生じる金属又は非金属ナノ材料は、約０．００１〜約５Ｍの濃度よりも低い表面積を有することがある。それというのも、金属又は非金属ナノ材料は余りにも緻密であるか又は余りにも分散され得るからである。いくつかの例では、溶液のｐＨは約２〜約９である。例えばｐＨが２未満であるか又は９よりも高いと、非金属、金属、金属塩、及び／又は金属酸の溶解度が低くなることがある。
【００４０】
方法２０は多孔質物品（２４）を加熱することを含む。多孔質物品は、溶液中に浸漬されている間に、又は溶液から除去された後、加熱することができる。多孔質物品は、１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を還元し、そして最終的には金属又は非金属ナノ材料を形成するように加熱される。多孔質物品は任意の適宜の温度で加熱することができる。非限定的な例として、適宜の温度は約１００℃〜約５００℃、約１５０℃〜約４５０℃、約２００℃〜約４００℃、又は約２５０℃〜約３５０℃であってよい。
【００４１】
多孔質物品が加熱されるのに伴って、金属又は非金属ナノ材料の成長が還元によって達成される。還元は、化学種による電子の獲得である。金属又は非金属ナノ材料の形成に際して、還元を用いることにより、イオン金属種又はイオン金属酸化物種を還元して中立の金属又は非金属形態にする。この形態は、溶解された種とは異なる特性を有する固形構造を生じさせる。このタイプの還元は熱還元である。これは他の還元技術とは異なる。これらの他の還元技術は化学的還元剤に依存する。いかなる理論にも縛られるつもりはないが、加熱は、多孔質物品から水を蒸発させ、これにより金属イオンを強制的に一緒にし、これと同時に、これらのイオンを還元して金属粒子又は非金属粒子にすると考えられる。水が実質的に除去され、金属イオンが強制的に一緒にされた後、金属又は非金属ナノ材料が形成される（２６）。
【００４２】
図３Ａは、可撓性多孔質骨格構造体３２から可撓性の金属及び／又は非金属ナノ複合体物品４０を製造するためのシステム３０を示す一例としてのダイアグラムである。システム３０は、イオン浴３４と、加熱エレメント３８Ａ及び３８Ｂ（まとめて「加熱エレメント３８」と呼ぶ）と、プロセス制御エレメント４２Ａ，４２Ｂ及び４２Ｃ（まとめて「プロセス制御エレメント４２」と呼ぶ）とを含む、金属又は非金属イオン適用システムを含む。
【００４３】
図３Ａの例では、可撓性多孔質骨格構造体３２、例えばスポンジを、イオン浴３４内へ例えば約１０分間〜６０分間にわたって浸すことにより浸漬することができる。イオン浴３４は金属及び／又は非金属イオンを例えば約０．００１Ｍ〜約５Ｍの濃度で、例えばｐＨ約２〜約９の溶液中に含む。イオン浴３４に由来するイオンは、可撓性多孔質骨格構造体３２の孔及び支持体に浸潤することにより、イオン浸潤型骨格構造体３６を形成することができる。イオン浸潤型骨格構造体３６は、加熱エレメント３８によって、約１時間〜約８時間又は１２時間にわたって、例えば１００℃超まで加熱することができる。イオン浸潤型骨格構造体３６は加熱されるのにともなって、金属及び／又は非金属イオンは熱還元を被ることにより、可撓性多孔質骨格構造体の支持体の表面上、及び支持体内部に複数の金属又は非金属ナノ材料を形成し、これにより、可撓性の金属又は非金属ナノ複合体物品４０を形成する。プロセス制御エレメント４２は、可撓性多孔質骨格構造体３２、イオン浸潤型骨格構造体３６、及び／又は可撓性の金属又は非金属ナノ複合体物品４０のいずれかを、システム３０を通るように動かすための任意の装置、例えばコンベアベルト、ローラ、及びこれに類するものを含んでよい。
【００４４】
図３Ｂは、剛性多孔質骨格構造体５２から剛性の金属及び／又は非金属ナノ複合体物品６０を製造するためのシステム５０を示す一例としてのダイアグラムである。システム５０は、イオンアプリケータ５４と、加熱エレメント５８Ａ及び５８Ｂ（まとめて「加熱エレメント５８」と呼ぶ）と、プロセス制御エレメント６２Ａ，６２Ｂ及び６２Ｃ（まとめて「プロセス制御エレメント６２」と呼ぶ）とを含む、金属又は非金属イオン適用システム（application system）を含む。
【００４５】
図３Ｂの例では、剛性多孔質骨格構造体５２、例えば多孔質セラミックを、イオンアプリケータ５４によって例えば約１０分間〜６０分間にわたって噴霧することにより浸漬することができる。イオンアプリケータ５４は金属及び／又は非金属イオンを例えば約０．００１Ｍ〜約５Ｍの濃度で、例えばｐＨ約２〜約９の溶液中に含む。イオンアプリケータ５４に由来するイオンは、剛性多孔質骨格構造体５２の孔及び支持体に浸潤することにより、イオン浸潤型骨格構造体５６を形成することができる。イオン浸潤型骨格構造体５６は、加熱エレメント５８によって、約１時間〜約８時間又は１２時間にわたって、例えば１００℃超まで加熱することができる。イオン浸潤型骨格構造体５６は加熱されるのにともなって、金属及び／又は非金属イオンは熱還元を被ることにより、剛性多孔質骨格構造体の支持体の表面上、及び支持体内部に複数の金属又は非金属ナノ材料を形成し、これにより、剛性の金属及び／又は非金属ナノ複合体物品６０を形成する。プロセス制御エレメント６２は、剛性多孔質骨格構造体５２、イオン浸潤型骨格構造体５６、及び／又は剛性の金属又は非金属ナノ複合体物品６０のいずれかを、システム５０を通るように動かすための任意の装置、例えばコンベアベルト、ローラ、及びこれに類するものを含んでよい。
【実施例】
【００４６】
実施例
実例によって提示された下記実施例を参照することにより、本開示の種々の実施態様をよりよく理解することができる。本開示は、本明細書中に与えられた実施例に限定されない。
【００４７】
セレン、鉄、銅ナノ粒子スポンジの製造
１実施例では、金属塩又は酸前駆体、例えば硫酸鉄七水和物、塩化鉄、亜セレン酸、及び塩化銅を溶液中に溶解することができる。ポリウレタン、セルロース、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、又はポリアミドから形成されたスポンジ材料を次いで所定の時間にわたって溶液中に浸漬することにより、金属イオンがスポンジ中へ解離するのを可能にすることができる。
【００４８】
次に、１００℃超の温度の標準的な対流炉、又は真空炉内にスポンジを入れることができる。炉内にスポンジを入れることにより、水をスポンジから蒸発させ、これにより、金属イオンを強制的に一緒にすると同時に、これらのイオンを還元して金属又は非金属粒子にすることができる。このことは図４Ａに概略的に示されている。図４Ａは、ポリウレタン支持体のナノ材料還元、及びポリウレタン支持体上の粒子成長のスキームである。スポンジは、イオン前駆体溶液中にまだ懸吊されている状態で炉内に入れることができ、或いは、飽和したスポンジをイオン溶液から取り出し、そして炉内に入れることもできる。炉内で溶液中のスポンジを加熱すると、スポンジ支持体及び溶液中の両方に還元が生じるのに伴って、より大きい粒子成長が可能になった。図４Ｂは、種々の実施態様に基づくポリウレタンスポンジを示す写真及び顕微鏡写真である。図４Ｃは、種々の実施態様に基づく鉄ナノ粒子吸着剤を示す写真及び顕微鏡写真である。
【００４９】
熱還元法は、セレン（Ｓｅ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３／Ｆｅ３Ｏ４）、酸化銅（ＣｕＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）の粒子を使用して、金属又は非金属ナノ材料を合成するために多様な化学種に適用することができる。この方法とともに使用される他の種は、カルシウム、マグネシウム、及びチタンを含んだ。この方法は、熱還元を被ることが知られているあらゆる金属種及び金属酸化物種に適用することもできる。図５は、種々の金属イオン前駆体による熱還元後のポリウレタン（ＰＵ）スポンジを示す写真、並びに、スポンジ表面を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。これらの画像は、スポンジの表面上の小型粒子及び粒子塊の両方を示している。
【００５０】
製造されたナノ材料スポンジは水試料中の種々の汚染物質に適用することができる（表１）。先ず、熱還元だけで調製されたセレンスポンジは、化学的還元法及び熱還元法の組み合わせで合成されたものと同様に機能し、溶液中の水銀の９９％を捕捉した。このスポンジはまた鉛（Ｐｂ）に対する親和性を示した。加えて、銅及び鉄から形成されたスポンジは、水から砒素を捕捉することができる。鉄スポンジを使用して、溶液中の無機リン酸塩を捕捉することもできる。これらのスポンジは順次に適用するか、又は水中の複数汚染物質のための複合材料として適用することができる。この熱還元法を用いると、様々な主要水汚染物質をターゲットとするスポンジのポートフォリオを作成することができる。
【００５１】
【表１】
2020515382.tif 000004
【００５２】
鉄ナノ粒子吸着剤によるリン除去
ポリウレタン支持体上に鉄ナノ粒子が配置された鉄ナノ粒子吸着剤を上記のように製造した。鉄ナノ粒子吸着剤の性能を、鉄ナノ粒子を含まないポリウレタンスポンジと比較した。鉄ナノ粒子吸着剤及びポリウレタンスポンジのそれぞれを、リン酸イオンを含有する溶液中に浸漬し、その結果生じた流出物を分析した。
【００５３】
図６Ａは、種々の実施態様に基づく、鉄ナノ粒子吸着剤及びポリウレタンスポンジの、時間の関数としてのリン捕捉率（％）を示すグラフである。図６Ａから判るように、約１０秒という短い時間後に、鉄ナノ粒子吸着剤は溶液中のリンのほぼ１００％を吸収することができた。対照的に、ポリウレタンスポンジは溶液中のリンの約２０％しか吸収できなかった。
【００５４】
図６Ｂは、種々の実施態様に基づく、鉄ナノ粒子吸着剤及びポリウレタンスポンジの、濃度（ｍｇ・Ｌ−１）の関数としてのリン負荷容量（ｍｇ・ｇ−１）を示すグラフである。図６Ｂから判るように、鉄ナノ粒子吸着剤は負荷速度約９８２．９ｇ・ｍｇ−１・ｍｉｎ−１において、吸着剤１グラム当たりのリン酸塩負荷容量約１２０ｍｇでリン酸塩を吸収することができた。対照的に、ポリウレタンスポンジはスポンジ１グラム当たりのリン酸塩負荷容量約５０ｍｇでしかリン酸塩を吸収できなかった。
【００５５】
図６Ｃは、種々の実施態様に基づく、鉄ナノ粒子吸着剤及びポリウレタンスポンジの、ｐＨの関数としてのリン捕捉率（％）を示すグラフである。図６Ｃから判るように、鉄ナノ粒子吸着剤は、ｐＨ約１（〜６０％のリン酸塩除去率）〜約１３でリン酸塩を吸収することができ、１００％近くのリン酸塩がｐＨ約３〜約１３で除去された。対照的に、ポリウレタンスポンジは、ｐＨ約１（〜１５％のリン酸塩除去率）でしかリン酸塩を吸収することができず、ｐＨ約２〜約１３におけるリン酸塩除去率は約０％であった。
【００５６】
種々の競合汚染物資の存在におけるリン除去の選択性を試験するために、鉄ナノ粒子吸着剤を天然湧水試料及び工業廃水試料中に浸漬した。鉄ナノ粒子吸着剤による処理前（未処理）、及び鉄ナノ粒子吸着剤による処理後（処理済み）に、リン及び種々の競合汚染物質の濃度を測定した。
【００５７】
図６Ｄは、種々の実施態様に基づく、未処理及び処理済みの湖水試料における種々の汚染物質の濃度（ｍｇ・Ｌ−１）を示すグラフである。図６Ｄから判るように、鉄ナノ粒子吸着剤はリンを検出不能なレベルまで除去したのに対して、他のイオンは未処理のものと実質的に同じ濃度に留まる。
【００５８】
図６Ｅは、種々の実施態様に基づく、未処理及び処理済みの廃水試料における種々の汚染物質の濃度（ｍｇ・Ｌ−１）を示すグラフである。図６Ｅから判るように、鉄ナノ粒子吸着剤はリンを検出不能なレベルまで除去したのに対して、他のイオンは未処理のものと実質的に同じ濃度に留まる。
【００５９】
銅ナノ粒子吸着剤による砒素除去
ポリウレタン支持体上に銅ナノ粒子が配置された銅ナノ粒子吸着剤を上記のように製造した。銅ナノ粒子吸着剤の性能を、銅ナノ粒子を含まないポリウレタンスポンジと比較した。銅ナノ粒子吸着剤及びポリウレタンスポンジのそれぞれを、リン酸イオンを含有する溶液中に浸漬し、その結果生じた流出物を分析した。
【００６０】
図７Ａは、種々の実施態様に基づく、銅ナノ粒子吸着剤の、時間の関数としての砒素捕捉率（％）を示すグラフである。図７Ａから判るように、約１００秒という短い時間後に、銅ナノ粒子吸着剤は溶液中の砒素のほぼ７５％を吸収することができた。
【００６１】
図７Ｂは、種々の実施態様に基づく、銅ナノ粒子吸着剤及びポリウレタンスポンジの、ｐＨの関数としての砒素捕捉率（％）を示すグラフである。図７Ｂから判るように、銅ナノ粒子吸着剤は、ｐＨ約１（〜６０％の砒素除去率）〜約１２（〜６０％の砒素除去率）で砒素を吸収することができ、１００％近くの砒素がｐＨ約３〜約９で除去された。対照的に、ポリウレタンスポンジは、ｐＨ約１〜約１２で砒素を約５５％までしか吸収することができなかった。
【００６２】
鉄ナノ粒子材料の抗菌活性
種々の金属ナノ粒子吸着剤が抗菌特性を示した。抗菌特性は、濾過、衛生、パーソナルケア製品、及び衣服におけるファウリングを防止するのに重要である。図８Ａは、種々の実施態様に基づく、ポリウレタンスポンジ支持体上に配置された鉄ナノ粒子材料上のシアノバクテリア成長を示す写真である。図８Ａから判るように、未処理のポリウレタンスポンジ上にはシアノバクテリア成長が存在する（左）のに対して、鉄ナノ粒子吸着剤上にはシアノバクテリア成長が実質的に不在である（右）。
【００６３】
鉄ナノ粒子吸着剤に加えて、銅ナノ粒子吸着剤及び銀ナノ粒子。例えば銀ナノ粒子は、８０％ポリエステル及び２０％綿を有するファブリック上に合成されている。硝酸銀のイオン性塩を溶液中に溶解し、銀溶液をファブリックに添加した。ファブリックを一晩にわたって乾燥させ、充分に洗浄した。図８Ｂは、種々の実施態様に基づく、８０％ポリエステル及び２０％綿から成る衣類材料上に合成された銀粒子を示す写真である。図８Ｃは、種々の実施態様に基づく、８０％ポリエステル及び２０％綿から成る衣類材料の糸上に合成された銀粒子を示す写真である。
【００６４】
ナノ粒子をテキスタイル、ファブリック、及び他の材料中に含浸させることにより、所定の領域においてウィッキング、温度調整、及び材料強度のような性能を高めることもできる。種々の粒子、例えば亜鉛、アルミノケイ酸塩、及び他の金属／金属ハイブリッド粒子のような種々の粒子を、上記プロセスを用いて衣類又は他の製品のために製造してよい。
【００６５】
セラミック支持体上の鉄ナノ粒子材料
圧縮性スポンジに加えて、本明細書中に記載された金属又は非金属ナノ材料を、多孔質セラミック支持体を含む他の多孔質材料上で成長させることができる。このような多孔質セラミック支持体は剛性であってよく、これによりこれらの支持体は、高流量用途及び／又は固定体積を有する用途に適している。図９Ａは、種々の実施態様に基づく多孔質セラミック支持体を示す写真である。図９Ａの多孔質セラミック支持体は、金属又は非金属ナノ材料を含まない。図９Ｂは、種々の実施態様に基づくセレンナノ材料多孔質セラミック支持体を示す写真である。図９Ｂの多孔質セラミック支持体はセレンナノ材料を含む。図９Ｂから判るように暗色で示されたセレンナノ材料は多孔質セラミック支持体全体にわたって実質的に分配される。
【００６６】
鉄ナノ粒子スポンジの製造
図１０Ａは、種々の実施態様に基づく、硫酸第一鉄七水和物から多孔質鉄ナノ複合体物品を製造し、鉄ナノ複合体物品を使用してリンを除去し、そして鉄ナノ複合体物品からリンを取り出す方法例３０を示すフローチャートである。図１０Ａの例では、多孔質骨格構造体、例えばポリウレタンスポンジが用意される（７１）ものの、他のスポンジ又は多孔質骨格構造体を含む他の材料を使用してもよい。多孔質骨格構造体を洗浄し乾燥させる（７２）。多孔質骨格構造体を、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する硫酸第一鉄七水和物溶液中に浸漬する（７３）。スポンジを約１時間〜約８時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（７４）ことにより、多孔質鉄ナノ複合物品を形成する。多孔質鉄ナノ複合体物品を洗浄し乾燥させる（７５）。
【００６７】
汚染物質、例えばリンを除去するために、多孔質鉄ナノ複合体物品を汚染物質を含有する流体溶液中に浸漬する（７６）。汚染物質除去後、多孔質鉄ナノ複合体物品を、ｐＨが約１２超の溶液中に浸漬することにより、多孔質鉄ナノ複合体物品からリンを回収する（７７）。
【００６８】
銅ナノ粒子スポンジの製造
図１０Ｂは、種々の実施態様に基づく、塩化銅（ＩＩ）から多孔質銅ナノ複合体物品を製造する方法例（８０）を示すフローチャートである。図１０Ｂの例では、多孔質骨格構造体を用意する（８１）。多孔質骨格構造体を洗浄し乾燥させる（８２）。多孔質骨格構造体を、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する塩化銅（ＩＩ）溶液中に浸漬する（８３）。多孔質骨格構造体を約１時間〜約８時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（８４）ことにより、多孔質銅ナノ複合体物品を形成する。多孔質銅ナノ複合体物品を洗浄し乾燥させる（８５）。
【００６９】
セレンナノ粒子スポンジの製造
図１０Ｃは、種々の実施態様に基づく、亜セレン酸から多孔質セレンナノ複合体物品を製造する方法例（９０）を示すフローチャートである。図１０Ｃの例では、多孔質骨格構造体を用意する（９１）。多孔質骨格構造体を洗浄し乾燥させる（９２）。多孔質骨格構造体を、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する亜セレン酸溶液中に浸漬する（９３）。多孔質骨格構造体を約１時間〜約８時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（９４）ことにより、多孔質セレンナノ複合体物品を形成する。多孔質セレンナノ複合体物品を洗浄し乾燥させる（９５）。
【００７０】
アルミニウムナノ粒子スポンジの製造
図１０Ｄは、種々の実施態様に基づく、硫酸アルミニウムアンモニウムから多孔質ナノ複合体物品を製造する方法例（１００）を示すフローチャートである。図１０Ｄの例では、多孔質骨格構造体を用意する（１０１）。多孔質骨格構造体を洗浄し乾燥させる（１０２）。多孔質骨格構造体を、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する硫酸アルミニウムアンモニウム溶液中に浸漬する（１０３）。多孔質骨格構造体を約１時間〜約８時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（１０４）ことにより、多孔質アルミニウムナノ複合体物品を形成する。多孔質アルミニウムナノ複合体物品を洗浄し乾燥させる（１０５）。
【００７１】
ニッケルナノ粒子スポンジの製造
図１０Ｅは、種々の実施態様に基づく、硫酸ニッケル（ＩＩ）から多孔質ニッケルナノ複合体物品を製造する方法例（１１０）を示すフローチャートである。図１０Ｅの例では、多孔質骨格構造体を用意する（１１１）。多孔質骨格構造体を洗浄し乾燥させる（１１２）。多孔質骨格構造体を、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する硫酸ニッケル（ＩＩ）溶液中に浸漬する（１１３）。スポンジを約１時間〜約８時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（１１４）ことにより、多孔質ニッケルナノ複合体物品を形成する。多孔質ニッケルナノ複合体物品を洗浄し乾燥させる（１１５）。
【００７２】
亜鉛ナノ粒子スポンジの製造
図１０Ｆは、種々の実施態様に基づく、硝酸亜鉛六水和物から多孔質亜鉛ナノ複合体物品を製造する方法例（１２０）を示すフローチャートである。図１０Ｆの例では、多孔質骨格構造体を用意する（１２１）。多孔質骨格構造体を洗浄し乾燥させる（１２２）。多孔質骨格構造体を、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する硝酸亜鉛六水和物溶液中に浸漬する（１２３）。多孔質骨格構造体を約１時間〜約８時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（１２４）ことにより、多孔質亜鉛ナノ複合体物品を形成する。多孔質亜鉛ナノ複合体物品を洗浄し乾燥させる（１２５）。
【００７３】
チタンナノ粒子スポンジの製造
図１０Ｇは、種々の実施態様に基づく、硫酸チタン水和物から多孔質チタンナノ複合体物品を製造する方法例（１３０）を示すフローチャートである。図１０Ｇの例では、多孔質骨格構造体を用意する（１３１）。多孔質骨格構造体を洗浄し乾燥させる（１３２）。多孔質骨格構造体を、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する硫酸チタン水和物溶液中に浸漬する（１３３）。スポンジを約１時間〜約８時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（１３４）ことにより、多孔質チタンナノ複合体物品を形成する。多孔質チタンナノ複合体物品を洗浄し乾燥させる（１３５）。
【００７４】
銀ナノ粒子テキスタイルの製造
図１１は、種々の実施態様に基づく、硝酸銀から銀ナノ複合テキスタイルを製造する方法例（１４０）を示すフローチャートである。図１１の例では、テキスタイルを用意する（１４１）。テキスタイルを洗浄し乾燥させる（１４２）。テキスタイルを、約１０分〜約６０分にわたってｐＨ約２〜約９で約０．００１〜約５Ｍの濃度を有する硫酸銀溶液中に浸漬する（１４３）。テキスタイルを約１時間〜約１２時間にわたって、約１００℃超の炉内で乾燥させる（１４４）ことにより、銀ナノ複合テキスタイルを形成する。銀ナノ複合テキスタイルを洗浄し乾燥させる（１４５）。
【００７５】
多孔質ナノ複合体物品の用途
上記のように、本明細書中に記載された多孔質ナノ複合体物品は、下記表２に示されるように、種々の用途のために使用することができる。
【００７６】
【表２】
2020515382.tif 000005
【００７７】
使用された用語及び表現は説明の用語として用いられ、限定的なものではない。そしてこのような用語及び表現の使用時には、示され記述された特徴の同等物又はこれらの部分を排除する意図はなく、本開示の実施態様の範囲内で種々の改変形が可能であることが認められる。このように、本開示が特定の実施態様及び任意の特徴によって具体的に開示されてはいるものの、本明細書中に開示された概念の改変形及び変更形を当業者が用い得ること、そしてこのような改変形及び変更形は、本開示の実施態様の範囲内にあると考えられることは言うまでもない。
【００７８】
この文書全体を通して、範囲書式で表される値は、その範囲の限界値として明示された数値だけを含むのではなく、あたかもそれぞれの数値及び部分範囲が明示されているかのように、その範囲内に包含された個々の数値又は部分範囲全体をも含むものとする。例えば、「約０．１％〜約５％」又は「約０．１％〜５％」の範囲は、約０．１％〜約５％だけを含むのではなく、示された範囲内の個々の値（例えば１％、２％、３％、及び４％）、及び部分範囲（例えば０．１％〜０．５％、１．１％〜２．２％、３．３％〜４．４％）をも含むものと解釈されるべきである。「約Ｘ〜Ｙ」という言明は、特に断りのない限り「約Ｘ〜約Ｙ」と同じ意味を有する。同様に、「約Ｘ、Ｙ、又は約Ｚ」という用語は、特に断りのない限り「約Ｘ、約Ｙ、又は約Ｚ」と同じ意味を有する。
【００７９】
本明細書中で、「a」、「an」、又は「the」という用語は、文脈が他のことを明示していない限り、１つ又は２つ以上を含むように使用される。「又は」という用語は、特に断りのない限り、非排他的「or」を意味するように使用される。「Ａ及びＢのうちの少なくとも一方」という言明は、「Ａ，Ｂ，又はＡ及びＢ」と同じ意味を有する。加えて、本明細書中に採用され、そして他の形では定義されない言い回し又は専門用語は、説明を目的とするにすぎず、限定を目的とするものではないことが理解されるべきである。セクションの見出しを使用する場合には、これは文書の読み取りを助けるように意図されるものではなく限定的なものと解釈されるべきではない。セクションの見出しに関連する情報は、その特定のセクション内又はセクション外に現れることがある。
【００８０】
本明細書中に記載された方法では、時間的又は動作的な順序が明示されているときを除いて、開示内容の原理を逸脱することなしに、行為は任意の順序で実施することができる。さらに、明示的な請求項の言語が、これらが別々に行われると述べているのでない限り、指定された行為は同時に行うことができる。例えば請求項に記載された「Ｘをする」という行為と、請求項に記載された「Ｙをする」という行為とは、単一の動作内で同時に行うことができ、そして結果としてのプロセスは、請求項に記載されたプロセスの文字通りの範囲内に含まれることになる。
【００８１】
本明細書中に使用される「約」という用語は、値又は範囲のある程度のばらつき、例えば言明された値又は言明された範囲限界の１０％以内、５％以内、又は１％以内のばらつきを許すことができ、そして正確な言明された値又は範囲を含む。
【００８２】
本明細書中に使用される「実質的に」という用語は、少なくとも約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％、９９．９９％、又は少なくとも約９９．９９９％又はそれ以上、又は１００％の範囲内のように、大部分、又はほとんどであることを意味する。
【００８３】
付加的な実施態様
下記模範的実施態様が提供される。これらの番号は、重要性レベルを指定するものと解釈するべきではない。
【００８４】
実施態様１は、複数の支持体を含む多孔質骨格構造体と、前記支持体のうちの少なくとも１つの支持体上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料とを含む物品を提供する。
実施態様２は、多孔質骨格構造体が樹脂、金属、ガラス、セラミック、シリコン、活性炭、又はこれらの組み合わせを含む、実施態様１に記載の物品を提供する。
実施態様３は、前記多孔質骨格構造体がスポンジである、実施態様１に記載の物品を提供する。
実施態様４は、前記スポンジが複数の繊維を含む、実施態様３に記載の物品を提供する。
実施態様５は、前記複数の繊維が、ポリウレタン、セルロース、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、又はこれらの混合物から選択された１種又は２種以上のポリマーを含む、実施態様４に記載の物品を提供する。
実施態様７は、前記多孔質物品の少なくとも１つの孔が、約１００ナノメートル〜約５００ナノメートルのサイズを有する、実施態様１から６までのいずれか１つに記載の物品を提供する。
実施態様８は、少なくとも１種の金属又は非金属ナノ材料が１種又は２種以上の金属、金属、又は金属酸化物を含む、実施態様１から７までのいずれか１つに記載の物品を提供する。
実施態様９は、前記１種又は２種以上の非金属、金属、又は金属酸化物が前記金属又は非金属ナノ材料の約５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％である、実施態様８に記載の物品を提供する。
実施態様１０は、前記非金属又は金属のうちの少なくとも１種が、セレン、銅、亜鉛、鉄、ニッケル、カルシウム、マグネシウム、チタン、これらの混合物、又はこれらの合金から選択される、実施態様９に記載の物品を提供する。
【００８５】
実施態様１１は、前記金属酸化物の少なくとも１種が酸化鉄、酸化銅、アルミナ、酸化亜鉛、酸化ニッケル、又はこれらの混合物から選択される、実施態様９に記載の物品を提供する。
実施態様１０は、流体媒質から汚染物質を除去するシステムであって、システムが、流体媒質内部に少なくとも部分的に配置された物品を含み、物品は複数の支持体を含む多孔質骨格構造体と、支持体のうちの少なくとも１つの支持体上に配置された複数の金属又は非金属ナノ材料とを含む、システムを提供する。
実施態様１１は、多孔質骨格構造体が樹脂、金属、ガラス、セラミック、シリコン、活性炭、又はこれらの組み合わせを含む、実施態様１０に記載のシステムを提供する。
実施態様１２は、前記多孔質骨格構造体がスポンジである、実施態様１０に記載のシステムを提供する。
実施態様１３は、前記スポンジが複数の繊維を含む、実施態様１２に記載のシステムを提供する。
実施態様１４は、前記複数の繊維が、ポリウレタン、セルロース、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、又はこれらの混合物から選択された１種又は２種以上のポリマーを含む、実施態様１３に記載のシステムを提供する。
実施態様１５は、前記多孔質物品の少なくとも１つの孔が、約１００ナノメートル〜約５００ナノメートルのサイズを有する、実施態様１０から１４までのいずれか１つに記載のシステムを提供する。
実施態様１６は、少なくとも１種の金属又は非金属ナノ材料が１種又は２種以上の非金属、金属、又は金属酸化物を含む、実施態様１０から１５までのいずれか１つに記載のシステムを提供する。
実施態様１７は、前記１種又は２種以上の非金属、金属、又は金属酸化物が前記金属又は非金属ナノ材料の約５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％である、実施態様１６に記載のシステムを提供する。
実施態様１８は、前記非金属又は金属のうちの少なくとも１種が、セレン、銅、亜鉛、鉄、ニッケル、カルシウム、マグネシウム、チタン、これらの混合物、又はこれらの合金から選択される、実施態様１７に記載のシステムを提供する。
実施態様１９は、前記金属酸化物の少なくとも１種が酸化鉄、酸化銅、アルミナ、酸化亜鉛、酸化ニッケル、又はこれらの混合物から選択される、実施態様１６に記載のシステムを提供する。
実施態様２０は、前記流体媒質は、液体、気体、又はこれらの組み合わせから選択される、実施態様１０から１９までのいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００８６】
実施態様２１は、前記液体が水である、実施態様２０に記載のシステムを提供する。
実施態様２２は、前記気体が大気空気又は煙道ガスである、実施態様２０に記載のシステムを提供する。
実施態様２３は、前記汚染物質が水銀、鉛、砒素、リン酸塩、又はこれらの混合物から選択される、実施態様１０から２２までのいずれか１つに記載のシステムを提供する。
実施態様２４は、多孔質ナノ複合体を製造する方法であって、前記方法が、溶液中に多孔質物品を少なくとも部分的に浸漬し、前記溶液が、１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を含み、前記多孔質物品を加熱することにより、前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物を還元し、そして前記１種又は２種以上の非金属、金属、金属塩、金属酸、又はこれらの混合物から前記多孔質物品上に複数の金属ナノ材料を形成することを含む、多孔質ナノ複合体を製造する方法を提供する。
実施態様２５は、前記金属ナノ材料が、前記多孔質物品の外面及び内面のうちの少なくとも一方に形成される、実施態様２４に記載の方法を提供する。
実施態様２６は、前記金属ナノ材料が、セレン、銅、亜鉛、鉄、ニッケル、カルシウム、マグネシウム、チタン、これらの混合物、又はこれらの合金から選択される少なくとも１種の金属を含む、実施態様２４に記載の方法を提供する。
実施態様２７は、前記金属ナノ材料が、酸化鉄、酸化銅、アルミナ、酸化亜鉛、酸化ニッケル、又はこれらの混合物から選択される金属酸化物を含む、実施態様２４に記載の方法を提供する。
実施態様２８は、前記多孔質物品が約１００℃〜約５００℃の温度で加熱される、実施態様２４に記載の方法を提供する。
【００８７】
種々の実施例を記載した。これらの実施例及びその他の実施例は以下の請求項の範囲内に含まれる。
【図１】
2020515382.tif 000006
【図２】
2020515382.tif 000007
【図３Ａ】
2020515382.tif 000008
【図３Ｂ】
2020515382.tif 000009
【図４Ａ】
2020515382.tif 000010
【図４Ｂ】
2020515382.tif 000011
【図４Ｃ】
2020515382.tif 000012
【図５】
2020515382.tif 000013
【図６Ａ】
2020515382.tif 000014
【図６Ｂ】
2020515382.tif 000015
【図６Ｃ】
2020515382.tif 000016
【図６Ｄ】
2020515382.tif 000017
【図６Ｅ】
2020515382.tif 000018
【図７Ａ】
2020515382.tif 000019
【図７Ｂ】
2020515382.tif 000020
【図８Ａ】
2020515382.tif 000021
【図８Ｂ】
2020515382.tif 000022
【図８Ｃ】
2020515382.tif 000023
【図９Ａ】
2020515382.tif 000024
【図９Ｂ】
2020515382.tif 000025
【図１０Ａ】
2020515382.tif 000026
【図１０Ｂ】
2020515382.tif 000027
【図１０Ｃ】
2020515382.tif 000028
【図１０Ｄ】
2020515382.tif 000029
【図１０Ｅ】
2020515382.tif 000030
【図１０Ｆ】
2020515382.tif 000031
【図１０Ｇ】
2020515382.tif 000032
【図１１】
2020515382.tif 000033
【国際調査報告】
2020515382.tif 000034
2020515382.tif 000035