КОМПОЗИТНЫЕ ФИЛЬТРЫ ИЗ ПОРИСТОГО БЛОКА С НАНОВОЛОКНАМИ
COMPOSITE FILTER FROM POROUS BLOCK WITH NANOFIBRES

Договорное происхождение
Правительство Соединенных Штатов Америки имеет права на данное изобретение по контракту № DE-AC36-08GO28308 между Министерством энергетики Соединенных Штатов Америки и ООО «Альянс по устойчивой энергетике» (Alliance for Sustainable Energy, LLC), которое руководит и управляет Национальной лабораторией возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory).
Предшествующий уровень техники
Наноразмерные материалы многих типов разработаны и применяются для самых разнообразных целей. Производятся анизотропные наноразмерные волокна, имеющие сравнительно малые диаметры (например, порядка нанометров) и много большими длинами, что делает, соответственно, такие наноразмерные волокна материалами «с высоким аспектным отношением (т.е. соотношением геометрических размеров - в частности длины и ширины/толщины)». Многие из этих наноразмерных волокон обладают уникальными свойствами, которые делают их перспективными кандидатами для широкого диапазона приложений, например, в качестве фильтрующей среды.
2
2
2
Имеются процессы для получения наноразмерных частиц оксида алюминия, которые могут иметь применение для фильтрации, в числе прочего. Например, сферические частицы алюминия диаметром от примерно 25 до примерно 500 нм с соответствующей площадью поверхности от примерно 10 до примерно 70 м/грамм, могут быть решением, рассматриваемым как пригодное, в числе прочего, для получения нановолокон гамма- и/или альфа-оксида алюминия с подходящей площадью поверхности в интервале от примерно 200 м/грамм и вплоть до примерно 600 м/грамм. В другом примере нановолокна из неочищенного бемита могут быть получены гидротермически и отожжены для получения нановолокон со сходными свойствами, причем такой отжиг обычно вызывает рост частиц и уменьшение площади поверхности.
Приведенные выше примеры предшествующего уровня техники и связанные с ними ограничения предназначены быть иллюстративными и не исключительными. Другие ограничения предшествующего уровня техники станут очевидными специалистам в данной области техники при чтении описания и рассмотрении чертежей.
Сущность изобретения
Представленные ниже варианты осуществления и особенности данного изобретения описаны и проиллюстрированы в сочетании с системами, инструментами и способами, которые предназначены быть примерными и иллюстративными, но не ограничивающими объем изобретения. В различных вариантах осуществления одна или несколько из вышеописанных проблем были уменьшены или устранены, тогда как другие варианты осуществления направлены на другие улучшения. Принимая во внимание вышеуказанное, общая черта описываемых разработок может состоять в предложении композитного изделия из пористого блока с нановолокнами, включающего пористый блок, имеющий одну или множество пор и множество неорганических нановолокон, сформированных внутри по меньшей мере одной из пор. Неограничивающие примеры включают, в числе прочего, углеродный пористый блок и нановолокна из бемита.
2
Другая особенность данного изобретения может включать способ изготовления композитного изделия из пористого блока с нановолокнами, причем способ включает предоставление пористого блока и алюминиевого предшественника в воде в технологическую камеру; гидротермическое получение композитного изделия из пористого блока с нановолокнами. Основным волокном, образованным таким образом, может быть бемит. Другие возможные предшественники могут включать оксид титана (TiO) или оксид железа, обрабатываемые аналогичным образом. Другая альтернативная особенность может включать отжиг, как при отжиге бемита до гамма- или альфа-оксида алюминия, в зависимости от температуры. Еще одна альтернатива может включать встраивание композитного изделия из пористого блока с нановолокнами в качестве активного элемента фильтрующей среды.
В дополнение к примерам особенностей и вариантов осуществления, описанным выше, другие особенности и варианты осуществления станут очевидными при рассмотрении чертежей и приведенных ниже описаний.
Краткое описание чертежей
Примеры вариантов осуществления проиллюстрированы на чертежах, на которые делаются ссылки. Это предполагает, что варианты осуществления и фигуры, представленные в данном документе, должны рассматриваться как иллюстративные, а не ограничивающие.
ФИГ.1 представляет собой схематическое изображение типичного фильтрующего устройства в соответствии с вариантами осуществления, описанными в данном документе;
ФИГ.2A и 2B представляют собой схематические изображения пористых блоков с выделенными одной или несколькими схематически представленными порами в них;
ФИГ.3 представляет собой схематическое изображение поры композита из пористого блока с нановолокнами;
ФИГ.4 представляет собой блок-схему способа;
ФИГ.5 представляет собой профиль рентгенографии (рентгенодифракционный метод) (XRD) для примера композита по данному изобретению;
ФИГ.6, которая включает в качестве частей Фиг.6A и 6B, предоставляет микрофотографии, полученные на сканирующем электронном микроскопе (SEM) для примера композита по данному изобретению;
ФИГ.7, которая включает в качестве частей Фиг.7A, 7B и 7C, предоставляет микрофотографии, полученные на сканирующем электронном микроскопе (SEM) для другого примера композита по данному изобретению;
ФИГ.8 представляет собой охарактеризование методом рентгенографии (XRD) для другого примера композита по данному изобретению;
ФИГ.9, которая включает в качестве частей Фиг.9A и 9B, предоставляет фотографии, полученные просвечивающей электронной микроскопией (TEM) для дополнительных примеров композита по данному изобретению;
ФИГ.10 предоставляет еще одну фотографию, полученную просвечивающей электронной микроскопией (TEM) для дополнительного примера композита по данному изобретению;
ФИГ.11 предоставляет еще одну фотографию, полученную просвечивающей электронной микроскопией (TEM) для еще одного примера композита по данному изобретению; и,
2
ФИГ.12 предоставляет рентгеновские дифрактограммы (XRD) нанотрубок из титаната и наностержней из анатаза TiO.
Подробное описание
Здесь представлены системы, устройства, композиции и/или способы их производства или применения, которые включают нановолокнистые материалы, осажденные или сформированные внутри пор пористого блока, чтобы предложить одно или несколько композитных изделий, которые могут быть применены в качестве фильтрующей среды, показывающей хорошие фильтрационные характеристики. Более конкретно, в некоторых видах осуществления предлагаются неорганические нановолокна, например, из оксида алюминия или подобных веществ, включающих в качестве одного конкретного примера (Al(O)OH), выращенные в порах пористого фильтрующего блока, образованного, в некоторых примерах, из пористого углерода, и способы их изготовления или применения. Типичные композиции пористого блока с нановолокнами и способы их изготовления и применения и могут быть лучше поняты при ссылках на фигуры и представленное ниже описание, хотя следует понимать, что могут быть использованы различные альтернативные пористые блоки, неорганические нановолокна и способы изготовления.
Со ссылкой вначале на ФИГ.1, показано обобщенное изображение проточного фильтрующего устройства 10, к которому или для которого могут быть приложены или применены данные разработки. Более конкретно, фильтрующее устройство 10 может включать пористый фильтрующий блок 100 или модифицированный блок 110, модифицированный как описано далее в данном документе. Блок 100 или 110 может быть расположен, как показано, внутри проточной камеры 101 устройства 10. В таком устройстве 10 текучая среда может вводиться через впускное отверстие 102 (см., например, стрелки, обозначающие входной поток), затем протекать через пористый фильтрующий блок 100 или 110 (пунктирные стрелки) и выпускается через выпускное отверстие 103 (стрелки, обозначающие выходной поток). Во многих примерах в соответствии с данными разработками текучая среда представляет собой воду с одной или несколькими загрязняющими примесями, подлежащими отфильтровыванию от нее посредством пористого фильтрующего блока 100/110. Следует принимать во внимание, что блок и устройство показаны лишь схематически на ФИГ.1; и множество потенциальных альтернативных видов осуществления, не ограничивающиеся физической формой ФИГ.1, могут включать один или несколько их отличительных признаков данного изобретения, независимо от размера, масштаба, формы или способа функционирования.
ФИГ.2 представляет более подробное схематическое изображение блока 100 с несколькими порами 200, который посредством модификации, как описано в данном документе, и при переходе от верхнего вида к нижнему виду ФИГ.2A, дает в результате модифицированный блок 110, имеющий модифицированные структуры пор 210, которые имеют нановолокна, выращенные внутри них или на их поверхности, как описано ниже. Увеличенный вид схематической структуры поры 210 показан на ФИГ.2B с несколькими нановолокнами 211, расположенными внутри нее. Кроме того, ФИГ.3 предоставляет схематический функциональный вид, на котором поток текучей среды 300 показан проходящим над порой 210 и в нее, где он соприкасается с одним или несколькими нановолокнами 211, а также с материалом 250 основы. В примерах, таких как фильтрация воды через блок из пористого углерода, как определено более подробно ниже, соприкосновение воды с углеродом может оказывать благоприятное действие, при дополнительных преимуществах, предоставляемых нановолокнами. Более конкретно, углерод может удалять некоторые загрязняющие вещества или примеси, например, нежелательные органические вещества и/или некоторые элементы или молекулы, такие как хлор или хлорамины; однако, при добавлении к нему нановолокон по данному изобретению могут проявляться дополнительные функциональные возможности в виде дополнительного удаления биологических патогенов, например, вирусов или бактерий, или других твердых частиц, органических или неорганических, или токсичных элементов, таких как тяжелые металлы.
Материал 250 внешней основы, показанный в примере на ФИГ.3, может в качестве альтернативы представлять собой внешнюю пористую мембрану с структурой из нановолокон, выращенных во внутреннем пространстве ее поры. Соответственно, пора внутри пористой основы может быть порой внутри пористого блока или внутри пористой мембраны по данному изобретению или же внутри и того и другой, однако, в любом случае, нановолокна сформированы внутри нее. Внешняя пористая мембрана может также быть использована с основой пористого блока, так что, например, такая мембрана может служить для включения нановолокон 211 и/или любой опорной среды 110 для нановолокон. Кроме того, пористый блок может в таком случае иметь первый функциональный отличительный атрибут, такой как, например, углерод, описанный здесь, при втором атрибуте, размещенном в нановолокнах, расположенных внутри пор пористого блока; и третий атрибут во внешней пористой мембране, также или в качестве альтернативы имеющей нановолокна, сформированные внутри ее пор.
Типичные композитные изделия из пористого блока с нановолокнами могут быть изготовлены следующим образом. В одном из типичных видов осуществления композит 110 из пористого блока с нановолокнами может быть изготовлен прямым гидротермальным синтезом нановолокон 211 в присутствии пока еще не модифицированного пористого блока 100. Материал предшественника может быть подан в растворе в подходящий реакционный резервуар (также называемый «технологической камерой») с пористым блоком 100. Технологическая камера может быть затем нагрета, и в ней повышено давление, чтобы синтезировать нановолокна, которые формируются или «выращиваются» на пористом блоке в технологической камере, для получения композитного изделия из пористого блока с нановолокнами 110. ФИГ.4 предоставляет общий вид такого процесса, в данном случае процесса 400, в котором первая стадия или операция 401 включает получение пористого блока, следующая стадия или операция 402 включает формирование нановолокна или нановолокон внутри по меньшей мере одной поры пористой основы.
3
2
2
3
Прямой гидротермальный синтез нановолокон 211 может включать обеспечение наличия алюминиевого предшественника, который может быть выбран из Al(OH), Al(Ac)OH и Al(Ac)(OH). В примере, описанном ниже, бемит может быть материалом нановолокон, синтезированным при использовании предшественника Al(OH) с водой, нагретого до температуры примерно 200°C в течение периода времени примерно 5 ч (пять часов), чтобы получить по существу белые твердотельные нановолокна на блоке пористого носителя на поверхности или внутри одной или множества его пор.
Этот процесс обладает высокой воспроизводимостью, и морфология результирующего продукта может быть особенно выгодной для применения в качестве активного элемента или непосредственно в качестве фильтрующей среды. Например, гидротермальная обработка может быть использована для выращивания нановолокон непосредственно на других пористых материалах, а также для производства улучшенной композитной фильтрующей среды. Следует заметить, что могут быть также осуществлены реакции формирования волокон, которые не обязательно являются гидротермальными по природе, например, в которых рост волокна может зарождаться в порах базового материала.
Более конкретно, малые диаметры (в среднем 2 нм) и общее соотношение геометрических размеров (в среднем 100 при выражении в нм) нановолокон и большая площадь поверхности нановолокон, а также нижележащего пористого блока обеспечивают геометрию, которая подходит для применения в фильтрации. Кроме того, способность нановолокон и композита из пористого блока с нановолокнами к осуществлению контакта с раствором, таким как вода, обеспечивает для нановолокон и композита из пористого блока с нановолокнами возможность легко функционировать в качестве фильтрующей среды. Нановолокна и/или композит из пористого блока с нановолокнами собирают загрязняющие вещества или примеси из текучей среды, протекающей при соприкосновении с ними, чтобы тем самым обеспечить эффективное удаление для фильтрующей среды. Протекание текучей среды при соприкосновении с пористым блоком и/или нановолокнами показано как стадия или операция 403 на ФИГ.4 (хотя соединение пунктирной линией показывает обособленность ее выполнения по отношению к операциям изготовления 401 и 402). Нановолокна не агломерируют на поверхности/внутри пор пористого блока и вместо этого способствуют образованию матрицы и скелетных структур, которые в большей степени подходят для применения при фильтрации.
Фильтры с нановолокнами могут быть использованы для широкого выбора приложений для фильтрации. Например, оксид алюминия и, в частности, бемитная фаза, предоставляет нановолокнам и композиту из пористого блока с нановолокнами способность к удалению биологических субстанций и тяжелых металлов, как описано ниже. Бемит обладает доказанным химическим сродством в отношении вирусов и тяжелых металлов. Большая площадь поверхности нановолокон и композита из пористого блока с нановолокнами может также обеспечивать высокую применимость для отфильтровывания патогенов.
2
2
3
4
2
4
В других видах осуществления композит 110 из пористого блока с нановолокнами может быть изготовлен гидротермальным синтезом нановолокон 211 в присутствии пористого блока 100 с дополнительными и/или альтернативными элементами; например, с активными элементами, такими как TiO, FeO, ZnO или другими неорганическими оксидами и т.д., заделанными в нановолокнистую матрицу, или посредством обеспечения алюминиевого предшественника в воде со следовыми количествами (NH)SO. Дополнительные и/или альтернативные активные элементы могут служить для окисления или восстановления элементов, подлежащих отфильтровыванию непосредственным образом или посредством фотоокисления или восстановления. Примеры таких вариантов осуществления дополнительно рассмотрены ниже.
3
2
2
2
Как представлено для оксид алюминия в бемитной фазе, алюминиевый предшественник может быть выбран из Al(OH), Al(Ac)OH и Al(Ac)(OH), и, хотя это не является обязательным, материал предшественника может быть предоставлен в гранулированной форме. Технологическая камера может быть нагрета, для того, чтобы протекала реакция, обычно нагрета до температуры в интервале от примерно 125°C до примерно 200°C или более, вплоть до, например, 400°C для отжига или подобной обработки. Также может быть повышено давление внутри технологической камеры, обычно до величины в интервале от примерно 50 фунтов/кв. дюйм (345 кПа) до примерно 100 фунтов/кв. дюйм (690 кПа) (изб.). Типичный процесс может производить композитное изделие из пористого блока с нановолокнами, формирование нановолокон описывается уравнением (1) в соответствии с одним из видов осуществления, в котором материал предшественника включает Al(OH)Ac.
2
4
2
4
(1) Al(OH)Ac + Вода + (NH)SO (следовое количество) = нановолокна
2
Можно отметить, что равновесная химическая реакция представляет собой Al(OH)Ac=Al(O)OH+HAc. Следует заметить, что при дополнительной операции отжига (см., например, ниже), бемит может претерпевать изменение в фазе от бемита до гамма-оксида алюминия. Пример химической реакции представлен уравнением (2):
2
3
2
(2) AlOOH=гамма-AlO+HO
И, как это можно легко заметить, процесс обычно может не включать применение солей, что делает его «чистым» процессом для получения нановолокон 211. Кроме того, нановолокна 211 могут легко отделяться одно от другого, и фактически могут легко быть диспергированы в растворе (например, воде), хотя здесь они легко зарождаются или закрепляются на поверхности и/или внутри пор основы 100 пористого блока.
Также понятно, что может быть предложена любая подходящая технологическая камера, посредством которой могут регулироваться температура и давление, как описано в данном документе. В соответствии с одним из видов осуществления, технологическая камера может быть реактором повышенного давления Parr модель 4761 на 300 мл или реактором повышенного давления Parr модель 4642 на 2 л. Однако, другие технологические камеры, известные в настоящее время или разработанные позднее, также рассматриваются как подходящие для такого применения.
Нановолокна 211, полученные в соответствии с этим, могут быть проанализированы с применением любого из различных хорошо известных методов, таких как рентгенодифракционный метод. Рентгенодифракционный метод (XRD) обычно применяется для исследования состава твердых тел. Рентгеновские лучи фокусируются на образце, имеющем повторяющуюся атомную структуру, которая вызывает рассеивание или дифракцию рентгеновских лучей. Рассеянные рентгеновские лучи конструктивно взаимодействуют одни с другими с образованием дифракционного пучка. Информация обычно представлена в виде серии дифракционных картин, которые могут быть сравнены с дифракционными картинами известных материалов. Продукты 211 в виде нановолокон из оксида алюминия, полученные в соответствии со способами по данному изобретению, представляют собой примерно на 100% бемит, как это определено рентгенодифракционным методом. Продукты 211 в виде нановолокон могут быть затем преобразованы в гамма-фазу оксида алюминия посредством нагревания бемита до 400°C на воздухе.
В одном из видов осуществления композитное изделие 110 из пористого блока с нановолокнами может быть изготовлено во время синтеза нановолокон 211, посредством размещения пока еще не модифицированного пористого блока 100 в технологической камере. Такой процесс может быть описан в соответствии с одним из видов осуществления уравнением (3), ниже.
2
4
2
4
(3) Al(OH)Ac + Вода + (NH)SO (следовое количество) + пористый блок ◄ композитный материал
В соответствии с этим видом осуществления нановолокна 211 не просто механически объединены с пористым блоком 100. Вместо этого пористый блок 100 служит в качестве среды, на которой нановолокна 211 «выращиваются» или кристаллизуются во время синтеза, чтобы образовать композитный блок 110 с нановолокнами. Предпочтительно, нановолокна 211 связываются с пористым блоком 100 во время синтеза без нарушения морфологии или уменьшения площади поверхности нановолокон 211.
Кроме того, понятно, что пористый блок 100 может включать любой подходящий пористый материал, включая, например, углерод, оксиды металлов, кремнийорганические соединения, целлюлозу и/или органические полимеры, если назвать лишь некоторые из них. Изготовление основы пористого блока 100 не ограничивается каким-либо отдельным способом, и она может быть изготовлена любым подходящим образом, как это хорошо понятно специалистам в данной области техники. Следует заметить также, что не требуется конкретного размера или формы блока или иного материала основы, и необходимо лишь, чтобы блок или материал основы имел одну или множество пор.
2
Композитное изделие 110 из пористого блока с нановолокнами, изготовленное в соответствии с идеями данного изобретения, может быть также проанализировано при применении любого из различных хорошо известных методов, таких как рентгенодифракционный метод, как кратко рассмотрено выше. Композит 110, полученный в соответствии со способами данного изобретения, может включать нановолокна с содержанием примерно 100% бемита, как показано на рентгеновской дифрактограмме на ФИГ.5. Нановолокна композита 110 могут быть дополнительно обработаны с преобразованием в фазу гамма-оксида алюминия, как рассмотрено выше. После изготовления композит 10 с нановолокнами может быть отожжен, при отжиге в температурном интервале от примерно 250°C до 400°C, чтобы обеспечить наибольшую площадь поверхности изделия с нановолокнами (то есть, примерно 500-650 м/г), хотя это не означает, что композиции по данному изобретению ограничены какими-либо конкретными интервалами температур. Следует заметить, что изменение фазы может обычно происходить без изменения морфологии или соотношения геометрических размеров.
ФИГ.6 и 7 представляют собой изображения композиционных материалов из пористого блока с нановолокнами, изготовленных в соответствии с Примерами 1 и 2 ниже, при этом изображения сделаны сканирующим электронным микроскопом в процессе, который в общем называется сканирующей электронной микроскопией (SEM). Как можно легко видеть на изображениях SEM, представленных на ФИГ.6A и 6B, композитный блок 110 включает множество нановолокон, выкристаллизованных внутри пор блока из пористого углерода; ФИГ.6A является изображением SEM продажного углеродного блока перед выращиванием бемита, ФИГ.6B является изображением SEM того же самого продажного углеродного блока после выращивания бемита. Аналогичным образом изображения SEM на ФИГ.7A, 7B и 7C показывают композит из пористого блока с нановолокнами, включающий нановолокна, выкристаллизованные на пористых углеродных блоках, имеющих большие размеры пор, чем в примерах на ФИГ.6; ФИГ.7A является изображением SEM имеющегося в продаже углеродного блока с увеличенным размером пор перед выращиванием бемита, ФИГ.7B является изображением SEM того же самого имеющегося в продаже углеродного блока с увеличенным размером пор после выращивания бемита, и ФИГ.7C является другим изображением SEM того же самого имеющегося в продаже углеродного блока с увеличенным размером пор после выращивания бемита, ФИГ.7C имеет более высокую степень увеличения.
Нановолокна 211, изготовленные в соответствии с идеями данного изобретения, имеют обычно очень малые диаметры (например, в среднем 2 нм) по отношению к их длине, что обеспечивает им высокие величины соотношения геометрических размеров. Соответственно, эта уникальная морфология в комбинации с высокой площадью поверхности делает композитное изделие 110 из пористого блока с нановолокнами подходящим для использования во многих видах применения, включая фильтрование. Кроме того, бемитная фаза нановолокон 211 может также улучшать способность продукта к отфильтровыванию биологически активных веществ и тяжелых металлов, как дополнительно описано ниже.
Кроме того, нановолокна 211 и композит 110 из пористого блока с нановолокнами могут быть легко объединены с другими материалами или устройствами, чтобы изготовить высокоэффективные фильтрующие изделия. Соответственно, в одном из видов осуществления изделие 110 может быть легко включено в качестве фильтрующей среды в фильтрующее устройство, такое как устройство 10 на ФИГ.1. Нановолокна 211 и/или композит 110 с нановолокнами предоставляют желательные характеристики удаления для фильтрующей среды.
Уникальная морфология и другие характеристики нановолокон 211 и/или композита 110 из пористого блока с нановолокнами 110 делают изделия по данному изобретению особенно подходящими для потенциального широкого выбора видов применения для фильтрации, включающих, как воздушные фильтры, так и водяные фильтры, однако, не ограничиваясь ими. Бемитная фаза также подходит, вследствие химического сродства, для приложений, связанных с биологически активными веществами. Эти продукты обеспечивают химическое и/или электростатическое сродство и/или высокую площадь поверхности, к которой могут приставать вирусы и патогены, что делает эти продукты особенно выгодными в приложениях для отфильтровывания биологически активных веществ. Пример биосродства волокон из бемита показан посредством характеристик продукта в Таблице 1 (следует заметить, что эти характеристики были определены для нановолокон из бемита, выращенных способами, подобными тем, что описаны в данном документе, хотя и не на поверхности/в порах основы в виде углеродного блока, как в случае Примеров 1 и 2), ниже.
Таблица 1
Степень адсорбции вирусов
>log 7
Скорость потока (см/с)
1,6
Способность к абсорбции частиц с размерами, как и у вирусов (единиц/см<sup>2</sup>)
1,2×10<sup>13</sup> (перед проникновением)
Подверженность засорению
низкая
Подверженность образованию точечных дефектов
нет
Первоначальные исследования были проведены при использовании других фильтрующих основ, включающих 20-70 масс.% нановолокон из бемита и толщиной в интервале от примерно 1,0 мм до 1,5 мм.
Бактериальные вирусы (бактериофаги) PRD-1 и MS-2 (заменители человеческих вирусов) были использованы для изучения аттенуации вирусов такими фильтрами. Величины эффективности удаления превышали 99,9999%.
Уникальная морфология и другие характеристики таких нановолокон 211, как данные, могут быть использованы внутри композитного изделия из пористого блока с нановолокнами 110, что также делает такие продукты по данному изобретению особенно подходящими для отфильтровывания тяжелых металлов посредством хемосорбции металлических ионов. Нановолокна из бемита, сформированные способами, не отличающимися от тех, что описаны в данном документе, и используемые для отфильтровывания тяжелых металлов, могут включать мат из бемита, поддерживаемый на шприцевом фильтре Gelman Acrodisc, приготовленном диспергированием 0,1 г таких нановолокон из бемита в воде (10 мл) и пропусканием дисперсии через фильтр. Такой фильтр для тяжелых металлов был испытан на его способность к удалению следующих тяжелых металлов: цинка (Zn), кадмия (Cd), свинца (Pb), меди (Cu), золота (Au) и серебра (Ag) из воды. Результаты испытаний представлены в Таблице 2 ниже.
Таблица 2
Zn
Cd
Pb
Cu
Au
Ag
Металл в необработанной воде (мг/л)
50
35
35
35
1
1
Металл в обработанной воде (мг/л)
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
Эффективность удаления (%)
99,998
99,997
99,997
99,997
99,9
99,9
Результаты этих испытаний демонстрируют потенциальную применимость нановолокон из бемита, полученных в соответствии со способами по данному изобретению для применения на/в композитном изделии из пористого блока с нановолокнами 110 в фильтрах для тяжелых металлов или в качестве таких фильтров, такие фильтры применимы для обработки питьевой воды и обработки промышленных сточных вод, наряду с другими видами применения.
Соответственно, фильтрующий блок 110 с нановолокнами может быть использован для видов применения с отфильтровыванием биологических и/или неорганических компонентов посредством физической и/или химической адсорбции и/или механизмов электростатического притяжения. Фильтр 110 с нановолокнами представляет собой комплексную композиционную структуру, которая может быть оптимизирована для абсорбции конкретных материалов. Кроме того, фильтр 110 с нановолокнами может быть использован в условиях высоких расходов. В другом варианте осуществления адсорбированные материалы могут быть вымыты из фильтра.
Следует заметить, что материал основы фильтра, здесь, например, пористый блок, может быть соответственно улучшен в форме изделия в виде композитного фильтра; в частном примере, стандартный пористый блок является эффективным для фильтрации бактерий большого размера, подобно E. coli и Cryptosporidium (например, организмы Cryptosporidium (протозоа) образуют защитные ооцисты в размере между 4 и 7 микронами; Giardia также находятся в форме ооцист, однако несколько больших, размером между 6 и 10 микронами; эти ооцисты позволяют организмам пережить промежуток времени вне тела хозяина, в водотоке, и защищают их от таких методов дезинфекции как хлорирование или облучение ультрафиолетом). Однако фактические бактерии, не являющиеся ооцистами, много меньше по размеру, например, примерно 0,2-0,5 микрон, и описанные здесь нановолокна уменьшают эффективный размер пор основы до гораздо меньшего размера и добавляют химическую активность, чтобы захватывать не только ооцисты, которые могут захватываться обычными пористыми блоками, но также захватывать сами бактериальные организмы, а также вирусы много меньших размеров и химические загрязняющие вещества.
Изделия по данному изобретению не ограничиваются видами применения для отфильтровывания биологически активных веществ и/или тяжелых металлов. В других видах осуществления изделие по данному изобретению может быть использовано для удаления ультратонких частиц, высвобожденных из растворителей, таких как спирты, сложные эфиры и кетоны. В других видах осуществления изделие по данному изобретению может быть использовано для фильтрации высокочистых химикатов или воды, применяемой в электронной промышленности. Еще одно применение может заключаться в отфильтровывании наноматериалов, как неорганических, так и органических или иных (поскольку имеет место возрастающая озабоченность в отношении наноматериалов; согласно DOE P 456.1, U.S. Department of Energy, Publication 456.1). Другие примеры видов применения могут включать фильтры для воздуха или других газов. Также и другие виды применения для фильтрации рассматриваются как находящиеся в пределах объема данного изобретения, как это станет очевидно специалисту в данной области техники после близкого ознакомления с идеями данного изобретения.
Среди еще одних видов применения, рассматриваемых как находящихся в пределах объема данных композиций, находятся, например, нановолокна 211 и/или композитные блоки 110, изготовленные в соответствии со способами, описанными в данном документе, которые могут быть использованы с абсорбирующими прокладками (например, для комплектов медицинских средств обнаружения), и концентрирования/захватывания бактериологических возбудителей болезни (включая биологическое оружие для использования в террористических целях), если назвать лишь некоторые из них.
Пример 1
3
3
В этом примере материал предшественника включал гранулированный Al(OH) в виде лабораторного реагента, который коммерчески легко доступен от широкого круга поставщиков. В этом примере нановолокна из бемита были синтезированы при применении примерно 25,5 г Al(OH) с примерно 200 мл воды, нагретых до температуры примерно 200°C в течение периода времени примерно 5 ч (пяти часов), чтобы получить в основном белые твердотельные нановолокна на коммерчески доступной основе в виде пористого блока из углерода на поверхности или внутри одной или множества ее пор; основы в виде блока из углерода в данном случае представляют собой 4 углеродных кольца, 1,5 дюйма (3,81 см) диаметром Х 0,5 дюйма (1,27 см) толщиной (следует заметить, что, как указано выше, термин «пористый блок» не включает зависимость от формы). Технологическая камера поддерживалась при полном давлении примерно 150 фунтов/кв. дюйм (изб.) (1,03 МПа). Технологическая камера поддерживалась при примерно 200°C и температура реакции была оценена как составляющая примерно 180°C. Реакция приводила к образованию примерно 19,0 г нановолокон. Продукт был высушен при примерно 100°C в течение 5 часов.
2
Нановолокна, полученные в соответствии с этим примером, анализировали с применением рентгенодифракционных методов, как кратко описано выше и представлено на ФИГ.5. Нановолокна включали примерно 100% бемита и имели среднюю площадь поверхности примерно 285 м/г при анализе адсорбцией по БЭТ. Нановолокна были также присоединены к пористому блоку из углерода, посредством чего обеспечивалась пригодность для последующего применения для фильтрации, такой, как это было описано выше. Как указано выше, изображения SEM перед обработкой и после нее для этого примера представлены на соответствующих ФИГ.6 A и 6B.
Пример 2
3
3
В этом примере материал предшественника включал в основном такой же Al(OH) в виде лабораторного реагента, который коммерчески легко доступен от широкого круга поставщиков. В этом примере нановолокна из бемита были, опять-таки, синтезированы при применении примерно 25,5 г Al(OH) с примерно 200 мл воды, нагретых до температуры примерно 200°C в течение периода времени примерно 5 ч (пяти часов), чтобы получить в основном белые твердотельные нановолокна на коммерчески доступной пористой основе из углерода на поверхности или внутри одной или множества ее пор. Пористый материал блока в данном примере включал материалы на базе углерода (в данном случае, также четыре (4) углеродных кольца, 1,5 дюйма (3,81 см) диаметром Х 0,5 дюйма (1,27 см) толщиной) с большим размером пор по сравнению с основами Примера 1, см. Фиг.7 A, 7B и 7C.
Технологическая камера поддерживалась при полном давлении примерно 150 фунтов/кв. дюйм (1,03 МПа). Технологическая камера поддерживалась при примерно 200°C, а температура реакции была оценена как составляющая примерно 180°C. Реакции предоставляли возможность протекать таким образом в течение примерно 5 часов, что приводило к образованию композиционного материала из пористого блока с примерно 19,0 г нановолокон. Композитное изделие было высушено при примерно 100°C в течение 5 часов.
2
Композит с нановолокнами, изготовленный в соответствии с этим примером, анализировали с применением рентгенодифракционных методов, как кратко описано выше. Нановолокна композита включали примерно 100% бемита. Композит из пористого блока с нановолокнами имел среднюю площадь поверхности примерно 195 м/г при анализе адсорбцией по БЭТ.
Следует заметить, что Примеры 1 и 2, представленные выше, приведены с иллюстративными целями и не предназначены быть ограничивающими. Также предполагаются и другие виды осуществления и модификации.
2
2
Как указано выше, одним из многочисленных альтернативных предшественников может быть оксид титана (TiO). Химия оксида титана включает гидротермическое расщепление порошка TiO в сильнощелочном растворе, с получением нанотрубок из титаната натрия, как представлено ниже.
2
2
3
7
2
(4) 3TiO+2NaOH→NaTiO нанотрубки + HO
Пример 3
2
2
3
7
В примере приготовления 5,0 г порошка TiO смешивали с 50 мл 10 н. NaOH в тефлоновом лабораторном стакане и размещали в реакторе повышенного давления Parr на 300 мл. Реактор нагревали при 180°C в течение 5 часов и охлаждали до комнатной температуры. Содержимое отфильтровывали, промывали с помощью 100 мл воды и сушили при 100°C в течение 30 мин, с получением белого порошка, охарактеризованного как нанотрубки из титаната натрия посредством XRD, как показано на ФИГ.8, и просвечивающей электронной микроскопии (TEM), как показано на ФИГ.9. Более конкретно, ФИГ.8 представляет собой охарактеризование рентгенодифракционным методом (XRD) титанатных продуктов, синтезированных при разных температурах, как показано на фигуре. Следовое количество для материала, синтезированного при 180°C, соответствует фазе чистого NaTiO нанотрубок. ФИГ.9, в соответствующих частях на ФИГ.9A и 9B, предоставляет изображения (TEM) нанотрубок из титаната, синтезированных при 180°C.
2
2
2
2
2
Когда нанотрубки из титаната затем нагревают в воде при температурах между примерно 150 и примерно 250°C в течение от 3 до 24 часов, материал преобразуют в наностержни из анатаза TiO. В последующих примерах 0,5 г нанотрубок из титаната натрия помещали в 25 мл воды реакторе повышенного давления Parr на 300 мл с тефлоновой футеровкой, который затем поддерживали при заданной температуре в течение заданного времени. Продукты отбирали, промывали водой (100 мл), сушили при 100°C в течение 30 мин и охарактеризовывали XRD и TEM, как представлено на ФИГ.10 и 11. На ФИГ.10 показаны продукты гидротермальной конверсии нанотрубок из титаната в наностержни из TiO, выполненной при 1500°C в течение 24 часов, показывающие промежуточное преобразование титанатных лент в выступы TiO. На ФИГ.11 показаны продукты гидротермальной конверсии нанотрубок из титаната в наностержни из TiO, выполненной при 230°C в течение 5 часов, показывающие полное преобразование в наностержни TiO.
2
2
Гидротермальная конверсия нанотрубок из титаната в TiO может регулироваться посредством времени и температуры реакции, чтобы получить разные продукты с разной морфологией, как проиллюстрировано двумя изображениями TEM, описанными выше (ФИГ.10 и 11). XRD, как показано на ФИГ.12, подтверждает то, что образованный TiO представляет собой кристаллическую анатазную фазу.
Следует заметить, что примеры оксида титана в Примере 3, рассмотренные выше, приведены с иллюстративными целями и не предназначены быть ограничивающими. Также предусматриваются и другие виды осуществления и модификации.
Используемые при этом углеродные материалы могут быть получены из любого из нескольких источников, включающих, однако не ограниченных ими, битуминозный уголь, древесину или скорлупу кокосовых орехов, в числе прочего. В некоторых частных случаях порошковая форма углерода может быть сформована в виде пористого блока с применением связующего, чтобы создать желательный конкретный размер и/или форму, и связующее затем удаляется обжигом. Также или вместо этого могут быть использованы другие методы формования блока, такие как, например, формование под давлением.
Следует заметить, что блок и устройство лишь схематически показаны на ФИГ.1; и множество потенциальных альтернатив могут включать отличительные признаки данного изобретения независимо от размера, масштаба, формы или способа функционирования. Блоки по данному изобретению не обязательно должны быть полигональными, и они могут иметь любую форму, в зависимости от конечного применения. Варианты конечного применения могут быть блоками размером, соответствующим персональному сосуду для воды, или могут быть больших масштабов вплоть до и/или включая передвижные системы, например, перемещаемые посредством грузового автомобиля или самолета, вплоть до и/или включая варианты осуществления муниципальных габаритов.
Следует заметить, что примеры, представленные выше, приведены с иллюстративными целями и не предназначены быть ограничивающими. Также предусматриваются и другие варианты осуществления и модификации.
Хотя выше были рассмотрены некоторые примеры особенностей и вариантов осуществления, средним специалистам в данной области техники будут понятны их определенные модификации, изменения, дополнения и субкомбинации. Поэтому предполагается, что приведенная ниже формула изобретения и формулы, предложенные после этого, должны интерпретироваться таким образом, чтобы включать всех такие модификации, изменения, дополнения и субкомбинации как находящиеся в пределах сущности и объема данного изобретения.