Водные фильтры и способы, включающие в себя активированные углеродные частицы и поверхностные углеродные нановолокна
Изобретение относится к очистке питьевой воды. Предложен фильтр для удаления загрязнений из водяного потока, загруженный фильтрующим материалом, размещенным внутри корпуса фильтра, содержащим активированные углеродные частицы, и множество углеродных нановолокон, нанесенных на поверхность активированных углеродных частиц, причем углеродные нановолокна указанного множества углеродных нановолокон являются выращенными на поверхности активированных углеродных частиц. Предложены варианты изготовления фильтрующего материала и способ получения питьевой воды путем фильтрования загрязненного потока воды. Изобретение обеспечивает получение воды высокого качества. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее устройство относится к водным фильтрам и конкретно относится к водным фильтрам, использующим фильтрующий материал, содержащий активированные углеродные частицы и углеродные нановолокна на поверхности частиц, и способы их получения и использования. Конкретнее, водные фильтры предназначены для удаления загрязнений из водяного потока для получения питьевой воды.
Существующий уровень техники
Вода может содержать множество различных видов загрязняющих веществ, в том числе, например, частицы, вредные химические вещества и микробиологические организмы, такие как бактерии, паразиты, простейшие и вирусы. В ряде обстоятельств эти загрязнения должны быть удалены, прежде чем воду можно будет использовать. Например, для многих медицинских применений и в производстве определенных компонентов электроники требуется в высшей степени чистая вода. В качестве более общего примера, любые вредные загрязняющие вещества должны быть удалены из воды, прежде чем она станет питьевой, то есть пригодной к потреблению. Несмотря на современные средства очищения воды риску подвержены широкие слои населения, особенно большому риску подвержены дети и люди с нарушениями деятельности иммунной системы.
В США и других развитых странах вода, поступающая в городские сети, обычно содержит одну или несколько из следующих примесей в различной степени: взвешенные твердые частицы, химические загрязнения, такие как органические вещества и тяжелые металлы, и микробиологические загрязнения, такие как бактерии, паразиты и вирусы. Поломки и другие проблемы на очистных сооружениях иногда приводят к неполному удалению этих загрязнений. В других странах существуют смертельные последствия, связанные с доступом к загрязненной воде, так как некоторые из них имеют увеличенные плотности населения, все более скудные водные ресурсы и никаких очистных сооружений. Обычной является ситуация, когда источники питьевой воды находятся в близком соседстве с отходами жизнедеятельности животных и человека, так что микробиологическое загрязнение представляет собой основную угрозу здоровью. В результате микробиологического водного загрязнения каждый год умирают примерно шесть миллионов человек, половину из которых составляют дети младше 5 лет.
Сокращение общей концентрации загрязнений в питьевой воде производится на муниципальных очистных сооружениях и в домах, оборудованных водными фильтрами на впуске (РОЕ) и (или) на выпуске (POU). Такое сокращение загрязнений в домашних водных фильтрах достигается путем механической фильтрации (то есть удалением некоторых частиц, паразитов и бактерий определенного размера) и адсорбции (то есть удалением химических веществ, некоторых механических частиц, паразитов, бактерий и вирусов). Для домашних водяных фильтров уровни снижения концентрации зависят от скорости потока, объема и формы фильтра, уровней концентрации загрязнений поступающего потока и кинетики захвата и пропускной способности фильтрующего материала. Для целей настоящего описания кинетика захвата и пропускная способность среды охватываются термином «эффективность захвата». Кроме того, если уровни снижения концентрации загрязнения, обеспеченные домашними водными фильтрами, достигают уровней, установленных различными государственными или международными организациями (к примеру, Управлением США по охране окружающей среды - ЕРА, Национальным фондом санитарной охраны - NSF, Всемирной организацией здравоохранения - WHO) в соответствующих стандартах и протоколах тестирования, то такие водные фильтры могут быть зарегистрированы этими организациями и нести на себе соответствующие регистрационные номера. Подобные тесты и стандарты применяются к воздушным фильтрам.
Например, ЕРА выпустило «Guide Standard and Protocol for Testing Microbiological Water Purifiers» (Руководство по стандарту и протокол для тестирования микробиологических очистителей воды) в 1987 году. Этот протокол устанавливает минимальные требования в отношении функционирования систем очищения питьевой воды, которые разработаны для снижения концентрации отдельных вредных для здоровья загрязняющих веществ в общественных или частных водных ресурсах. Требования таковы, чтобы фильтрат из водного ресурса показывал 99,99% (или эквивалентно 4 log) удаления вирусов и 99,9999% (или эквивалентно 6 log) удаления бактерий по сравнению с начальным уровнем. Согласно протоколу ЕРА, в случае вирусов, концентрация в поступающем потоке должна быть 1×107 вирусов на литр, а в случае бактерий, 1×108 бактерий на литр. Из-за преобладания Escherichia coli (Е. coli, бактерия) в водных ресурсах и из-за рисков, связанных с ее употреблением, этот микроорганизм используется в качестве образца в большинстве исследований. Подобным же образом бактериофаг MS-2 (или просто фаг MS-2) обычно используется как репрезентативный микроорганизм при удалении вирусов, поскольку его размер и форма (т.е. примерно 26 нм и форма двадцатигранника) сходны со многими вирусами. Таким образом, способность фильтра удалять бактериофаг MS-2 демонстрирует его способность удалять и другие вирусы.
Подобные протоколы и (или) стандарты, установленные NSF, существуют для снижения химических и механических загрязнений. Например, стандарт 42 NSF/ANSI распространяется на те эффекты чувственного восприятия, которые обеспечивают системы РОЕ и POU, предназначенные для сокращения определенных эстетических или не имеющих влияния на здоровье загрязнений, таких как хлор, вкус и запах и механические загрязнения. Подобным же образом, стандарт 53 NSF/ANSI распространяется на воздействие на здоровье систем РОЕ и POU, предназначенных для сокращения отдельных влияющих на здоровье загрязнителей, таких как криптоспоридии (Cryptosporidium), лямблии (Giardid), свинец, летучие органические вещества (VOCs) и триметил бутиловый эфир (МТВЕ).
Благодаря этим требованиям и общему интересу к улучшению качества питьевой воды существует продолжительное стремление обеспечивать улучшенные фильтры и фильтрующие материалы, способные удалять загрязнения из водяного потока, как и стремление обеспечивать улучшенные способы получения и использования фильтрующих материалов и фильтров, включающих эти фильтрующие материалы.
Сущность изобретения
Согласно первому варианту осуществления изобретения представлен фильтр для получения питьевой воды. Этот фильтр содержит корпус, включающий в себя впускное отверстие для воды и выпускное отверстие для воды, и фильтрующий материал, размещенный внутри корпуса. Фильтрующий материал состоит из активированных углеродных частиц и множества углеродных волокон, расположенных на поверхности активированных углеродных частиц. Фильтр производит питьевую воду путем удаления загрязнений из жидкостного водяного потока, текущего из впускного отверстия к выпускному отверстию корпуса.
Согласно второму варианту осуществления представлен способ получения питьевой воды. Способ заключается в обеспечении фильтра, содержащего корпус, включающий в себя впускное отверстие для воды и выпускное отверстие для воды и фильтрующий материал, размещенный внутри корпуса. Фильтрующий материал содержит множество углеродных нановолокон, расположенных на поверхности активированных углеродных частиц. Далее способ содержит этап прохождения водяного потока через фильтрующий материал для удаления загрязнений и получения посредством этого питьевой воды.
Согласно третьему варианту осуществления представлен способ изготовления фильтрующего материала для получения питьевой воды. Способ содержит этапы, на которых: получают активированные углеродные частицы, наносят один или несколько исходных материалов нановолокон, по меньшей мере, частично на поверхность активированных углеродных частиц, перемешивают активированные углеродные частицы и осажденные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ и нагревают активированные углеродные частицы и осажденные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ при температуре и в течение времени, достаточных для получения фильтрующего материала, содержащего активированные углеродные частицы с углеродными нановолокнами на поверхности частиц.
Согласно четвертому варианту осуществления представлен способ изготовления фильтрующего материала для получения питьевой воды. Способ содержит этапы, на которых: получают карбонизированные углеродные частицы, наносят один или несколько исходных материалов нановолокон, по меньшей мере, частично на поверхность частиц карбонизированных углеродных частиц, перемешивают карбонизированные углеродные частицы и осажденные исходные материалы нановолокон в присутствии углеродистых паров, нагревают карбонизированные углеродные частицы и осажденные исходные материалы нановолокон в присутствии углеродистых паров при температуре и в течение времени, достаточных для производства углеродных нановолокон на поверхности карбонизированных углеродных частиц, и активируют карбонизированные углеродные частицы нагреванием или химической обработкой карбонизированных частиц и углеродных нановолокон для производства фильтрующего материала, содержащего активированные углеродные частицы с углеродными нановолокнами на поверхности частиц.
Фильтры для получения питьевой воды и способы изготовления и использования фильтрующего материала, включенного в фильтр согласно настоящему изобретению, являются выгодными для удаления загрязнений из водяного потока. Дополнительные признаки и преимущества этих фильтров, фильтрующих материалов и способов по данному изобретению будут более понятны из нижеследующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
Хотя описание завершается формулой изобретения, указывающей и четко заявляющей изобретение, считается, что настоящее изобретение будет более понятным из нижеследующего описания в сочетании с сопровождающими его чертежами, на которых:
фиг.1 является полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображением активированной углеродной частицы прототипа;
фиг.2а является SEM-изображением активированной углеродной частицы согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения;
фиг.2b является другим SEM-изображением активированной углеродной частицы согласно одному или нескольким вариантам настоящего изобретения;
фиг.2с является более увеличенным SEM-изображением активированной углеродной частицы согласно одному или нескольким вариантам настоящего изобретения;
фиг.3 является видом сбоку в поперечном сечении фильтра согласно одному или нескольким вариантам настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
I. Определения
Употребляемые здесь термины «фильтры» и «фильтрация» относятся, соответственно, к структурам и механизмам, связанным с сокращением концентрации загрязняющих веществ, т.е. частиц, химических и микробиологических загрязнителей, путем адсорбции и (или) удаления частиц по размеру.
Употребляемое здесь выражение «фильтрующий материал» предназначено для обозначения совокупности или скопления фильтрующих частиц. Совокупность или скопление фильтрующих частиц, образующих фильтрующий материал, может быть гомогенной или гетерогенной и принимать любые вид или форму. Фильтрующие частицы могут быть распределены внутри фильтрующего материала равномерно или неравномерно (к примеру, слои различных фильтрующих частиц). Фильтрующие частицы, образующие фильтрующий материал, также не должны быть обязательно одинаковыми по форме или размеру и могут быть представлены как в свободной, так и во взаимосвязанной форме. Например, фильтрующий материал может содержать активированные углеродные частицы с выращенными на поверхности нановолокнами в сочетании с активированными углеродными волокнами или мезопористыми, или основными активированными углеродными частицами, и такие фильтрующие частицы могут быть или представлены в свободной связи либо частично или полностью связанными полимерным соединителем или другим средством формирования цельной структуры.
Употребляемое здесь выражение «фильтрующая частица» предназначено для обозначения отдельного члена или части, используемых для образования, по меньшей мере, части фильтрующего материала. Например, волокно, гранула, шарик и т.д. здесь считаются фильтрующими частицами. Далее, фильтрующие частицы могут различаться размером, от неосязаемых фильтрующих частиц (к примеру, очень мелкого порошка) до осязаемых фильтрующих частиц.
Употребляемый здесь термин «нановолокна» и его производные относятся к углеродным пустотелым или твердотельным структурам с поперечным размером (к примеру, диаметром, шириной или толщиной) порядка нанометров (нм) и продольным размером (к примеру, длиной) от нескольких нанометров до сотен микрометров (мкм), которые выделяются и выступают на поверхности активированных углеродных частиц. Неограничивающий список примеров нановолокон по настоящему изобретению включает в себя однослойные нанотрубки (SWNTs), двухслойные нанотрубки (DWNTs), многослойные нанотрубки (MWNTs), нановолокна, наноленты, нанорожки или их смеси.
Употребляемый здесь термин «загрязняющее вещество» и его производные могут относиться к любой из следующих трех категорий: частицы (к примеру, мутность и нерастворимые неорганические частицы, такие как карбонат кальция), химические вещества (к примеру, хлор, вкус, запах, летучие органические соединения (VOCs), асбест, атразин, метил-трет-бутиловый эфир (МТВЕ), мышьяк и свинец), микробиологические организмы (к примеру, бактерии, вирусы, водоросли и паразиты) или их комбинации. Дополнительные загрязняющие вещества тоже предусматриваются здесь.
Употребляемый здесь термин «карбонизация» и его производные предназначены для обозначения процесса, при котором сокращаются неуглеродные составляющие в углеродистой субстанции.
Употребляемый здесь термин «активация» и его производные предназначены для обозначения процесса, при котором карбонизированная субстанция становится более пористой.
Употребляемый здесь термин «активированные частицы» и его производные предназначены для обозначения частиц, которые подвергнуты процессу активации.
Употребляемый здесь термин «осаждение» и его производные относятся к процессам, которые доставляют частицы или в целом субстанции на поверхности или внутрь субстрата. Неограничивающими примерами процессов осаждения являются адсорбция и смешивание. Дополнительные примеры осаждения включали в себя электрохимическое осаждение, электронно-лучевое напыление, тепловое вакуумное осаждение и (или) высокочастотное магнетронное распыление.
II. Варианты осуществления
В соответствии с одним вариантом осуществления, как показано на фиг.3, представлен фильтр 20 для получения питьевой воды. Фильтр 20 состоит из корпуса 22, включающего в себя впускное отверстие 24 для воды и выпускное отверстие 26 для воды. Вариант осуществления по фиг.3 иллюстрирует устройство цилиндрической формы; однако корпус 22 может быть исполнен в различных формах, размерах и конфигурациях в зависимости от предполагаемого использования фильтра, как известно в уровне техники. Например, фильтр может быть фильтром осевого потока, в котором впускное отверстие и выпускное отверстие расположены таким образом, что жидкость течет вдоль оси корпуса. Альтернативно, фильтр может быть фильтром радиального потока, в котором впускное отверстие и выпускное отверстие расположены так, что жидкость течет по радиусу корпуса. И далее, фильтр может включать в себя одновременно и осевой, и радиальный потоки. Корпус может также быть частью другого устройства без отхода от объема настоящего изобретения.
Размер, форма, разнесение, ориентирование и позиционирование впускного отверстия 24 и выпускного отверстия 26 могут быть выбраны, как известно специалистам, для приспособления к скорости потока и предполагаемому использованию фильтра 20. Предпочтительно, фильтр 20 выполнен для использования в жилых или промышленных устройствах питьевой воды. Примеры конфигураций фильтров, устройств для питьевой воды, потребительских устройств и других приспособлений для водной фильтрации, пригодных для использования с настоящим изобретением, раскрыты в патентах США №5.527.451, 5.536.394, 5.709.794, 5.882.507, 6.103.114, 4.969.996, 5.431.813, 6.214.224, 5.957.034, 6.145.670, 6.120.685 и 6.241.899, сущность которых включена сюда посредством отсылки. Согласно множеству вариантов осуществления устройств для получения питьевой воды фильтр 20 может быть сконфигурирован под скорость потока менее примерно 8 л/мин, или менее примерно 6 л/мин, или от примерно 2 л/мин до примерно 4 л/мин.
На фиг.3 фильтр 20 содержит фильтрующий материал 28, размещенный в корпусе 22. Корпус 22 может содержать столько фильтрующего материала, сколько желательно для его употребления. Корпус может содержать менее примерно 2 кг фильтрующего материала, или менее примерно 1 кг фильтрующего материала, или менее примерно 0,5 кг фильтрующего материала. Фильтрующие частицы, присутствующие в фильтрующем материале 28, являются активированными углеродными частицами с множеством углеродных нановолокон, нанесенных на поверхности активированных углеродных частиц. Фильтрующие частицы могут быть разнообразных форм и размеров. Например, фильтрующие частицы могут иметь простые формы, такие как гранулы, волокна и шарики. Фильтрующие частицы могут быть в форме сферы, многогранника, цилиндра, а также в других симметричных, асимметричных и неправильных формах. Кроме того, фильтрующие частицы также могут быть организованы в сложные формы, такие как решетки, сетки, ячейки, тканые, нетканые структуры и связанные блоки, которые могут формироваться или не формироваться из описанных выше простых форм.
Подобно форме, размер фильтрующих частиц тоже может варьироваться и фильтрующие частицы, используемые в каждом отдельном фильтре, не обязательно должны быть одинаковыми. На практике может быть желательно обеспечить фильтрующие частицы с различными размерами в едином фильтре. Фильтрующие частицы могут иметь размер от примерно 0,1 мкм до примерно 10 мм. В примерах вариантов осуществления фильтрующие частицы могут иметь размер от примерно 0,2 мкм до примерно 5 мм, от примерно 0,4 мкм до примерно 1 мм, от примерно 1 мкм до примерно 500 мкм. Для частиц сферической или цилиндрической формы (к примеру, волокон, шариков и т.д.) вышеописанные размеры относятся к диаметру фильтрующих частиц. Для фильтрующих частиц, имеющих существенно отличные формы, вышеописанные размеры относятся к самому большому измерению (к примеру, длине, ширине или высоте).
Фильтрующие частицы могут содержать любые подходящие активированные углеродные частицы или, в некоторых вариантах, предварительно активированные карбонизированные углеродные частицы. В качестве примера - но не ограничиваясь этим - активированные углеродные частицы могут быть микропористыми, мезопористыми или их комбинациями. Кроме того, активированные углеродные частицы могут содержать активированные углеродные частицы на древесной основе, активированные углеродные частицы на каменноугольной основе, активированные углеродные частицы на торфяной основе, активированные углеродные частицы на битумной основе, активированные углеродные частицы на смоляной основе или их комбинации. Фильтрующий материал 28 может быть произведен или в свободной, или в связанной форме (к примеру, частично или полностью связанный полимерным соединителем или другим средством формирования цельной структуры).
Активированные углеродные частицы с выращенными на поверхности нановолокнами имеют более высокую эффективность захвата загрязнений, чем активированные углеродные частицы без нановолокон. Микрофотография активированной углеродной частицы без нановолокон, полученная на сканирующем электронном микроскопе (SEM), представлена на фиг.1, а SEM-микрофотографии активированных углеродных частиц с выращенными на поверхности нановолокнами показаны на фиг.2а и 2b. В одном из многих предполагаемых вариантов осуществления фильтрации большое число выращенных на поверхности нановолокон может обеспечить больше центров адсорбции и большое количество центров исключения по размеру для различных загрязняющих веществ. Во время действия фильтра 20 водяной поток проходит через впускное отверстие 24 к выпускному отверстию 26 фильтра 20. В то время как водяной поток проходит через фильтрующий материал 28, загрязняющие вещества удаляются для вывода питьевой воды через выпускное отверстие 26 фильтра 20. В одном варианте осуществления это удаление загрязняющих веществ может быть результатом адсорбции загрязняющих веществ центрами адсорбции фильтрующих частиц.
В соответствии с другим вариантом осуществления представлен способ получения фильтрующего материала 28 для получения питьевой воды. Этот способ содержит этапы, на которых обеспечивают активированные углеродные частицы и наносят один или несколько исходных материалов нановолокон, по меньшей мере, частично, на поверхность активированных углеродных частиц. Нановолокна могут наноситься любым подходящим традиционным методом, известным специалистам. Примеры методов нанесения приведены в разделе «Определения» выше. В одном варианте осуществления эти исходные материалы нановолокон содержат катализаторы и могут находиться в твердой, жидкой или газообразной фазе. В конкретном варианте осуществления исходные материалы нановолокон содержат катализаторы, которые включают в себя соли переходных металлов. Эти соли переходных металлов могут включать в себя Fe, Co, Мо и Ni или их смеси. Примеры исходных материалов нановолокон включают в себя - но не ограничены ими - сульфат железа III ((Fе2(SO4)3), железо хлорное безводное (FеСl3), ферроцен (Fе(C5Н5)2), кобальтоцен (Со(C5Н5)2), никелоцен (Ni(C5H5)2), оксид железа III (Fе2О3), пентакарбонил железа (Fe(CO)5) и фталоцианин никеля (C32H16N8Ni).
Далее способ содержит этапы, на которых перемешивают активированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ, и нагревают активированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ при температуре и в течение времени, достаточных для получения фильтрующего материала, содержащего активированные углеродные частицы с углеродными нановолокнами на поверхности частиц. В соответствии со способом пары углеродсодержащих веществ контактируют и вступают в реакцию с активированными углеродными частицами и нанесенными исходными материалами нановолокон в нагретой среде, например, в печи или реакторе. Если активированные углеродные частицы и нанесенные нановолокна размещаются в стационарной конструкции, к примеру внутри проточного реактора с неподвижным слоем катализатора, пары углеродсодержащих веществ, вероятно, будут контактировать только с верхним слоем частиц или с верхней поверхностью частиц, открытых воздействию паров. Это могло бы ограничить количество углеродных нановолокон, произведенных на поверхности активированных углеродных частиц, потому что не все поверхности стационарных активированных углеродных частиц и нанесенных исходных материалов могут быть подвергнуты действию паров углеродсодержащих веществ. В противоположность стационарной конфигурации, перемешивание или сжижение активированных углеродных частиц и нанесенных исходных материалов нановолокон обеспечит для паров углеродсодержащих веществ контакт с большей площадью поверхности активированных углеродных частиц и нанесенных исходных материалов, тем самым обеспечивая получение большего количества углеродных нановолокон на поверхности активированных углеродных частиц. Реакторы, пригодные для перемешивания активированных углеродных частиц, могут включать в себя - но не ограничены ими - реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора, реакторы с вращающимся слоем, традиционные реакторы с неподвижным слоем катализатора, содержащие смешивающие или перемешивающие компоненты, и т.д.
Пары углеродсодержащих веществ могут включать в себя любые пары углеродсодержащих веществ, которые эффективны для получения желательного продукта реакции. В одном варианте осуществления пары углеродсодержащих веществ могут содержать ацетилен, бензол, диметилбензол, этилен, метан, этанол, моноокись углерода, камфару, нафталин или их смеси. Условия реакции - температура, время и газовая среда - могут варьироваться, и разные их комбинации приемлемы для стимулирования желательной реакции. В одном варианте осуществления температура может варьироваться от примерно 400°С до примерно 1500°С. В примерных вариантах осуществления температурная шкала может содержать верхние пределы менее примерно 1200 °С, менее примерно 1000°С или менее примерно 800°С, и нижние пределы более примерно 400°С, более примерно 500°С, более примерно 600°С или более примерно 700°С. В другом варианте осуществления время реакции составляет от примерно 2 минут до примерно 10 часов. В примерных вариантах осуществления время реакции составляет от примерно 5 минут до примерно 8 часов, от примерно 10 минут до примерно 7 часов или от примерно 20 мин до примерно 6 часов.
В одном варианте осуществления исходные материалы нановолокон могут генерировать наночастицы на поверхности активированных углеродных частиц на начальных стадиях способа. Например, сульфат железа III будут разлагать и вырабатывать наночастицы Fe на поверхности активированных углеродных частиц. Эти наночастицы затем будут катализировать формирование углеродных нановолокон, когда пары углеродсодержащих веществ проносятся через частицы катализатора, чтобы создавать углеродные нановолокна.
Кроме того, способ далее может содержать газ-носитель, чтобы доставить пары углеродсодержащих веществ к поверхности углеродных частиц. Газовая среда реакции может содержать пары углеродсодержащих веществ и газ-носитель, который приводит их в соприкосновение с активированными углеродными частицами и исходными материалами нановолокон в период реакции. Газ-носитель может быть инертным или восстановительным и, в одном варианте осуществления, он может содержать небольшие количества водяного пара. Типичным и неограничивающим примером такого газа-носителя является азот. Два других примера газов-носителей - аргон и гелий; однако здесь предполагается множество других подходящих газов-носителей. Скорость набегающего потока газа-носителя в печи составляет от примерно 1 см/час·г (то есть сантиметров в час на грамм активированных углеродных частиц) до примерно 350 см/час·г и в примерных вариантах осуществления от примерно 2 см/час·г до примерно 180 см/час·г, от примерно 4 см/час·г до примерно 90 см/час·г или от примерно 20 см/час·г до примерно 40 см/час·г.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения здесь описан альтернативный способ изготовления фильтрующего материала для получения питьевой воды. Этот способ содержит получение карбонизированных углеродных частиц. Как изложено выше, карбонизированные частицы - это фильтрующие частицы, которые еще не прошли этап активации. Как и в других описанных выше способах, настоящий способ далее содержит этап, на котором наносят, по меньшей мере, частично, один или несколько исходных материалов нановолокон на поверхность карбонизированных углеродных частиц и перемешивают карбонизированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ. Карбонизированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон затем нагревают в присутствии паров углеродсодержащих веществ при температуре и в течение времени, достаточных для получения углеродных нановолокон на поверхности активированных углеродных частиц. Затем способ включает в себя этап, на котором активируют карбонизированные углеродные частицы. В процессе активации карбонизированные частицы и углеродные нановолокна нагревают или подвергают химическому воздействию для получения фильтрующего материала, который содержит активированные углеродные частицы с углеродными волокнами на поверхности частиц.
Карбонизированные угли могут активироваться путем нагрева при различных условиях, общеизвестных специалистам. Например, активация путем нагрева может происходить в среде, где присутствует водяной пар, двуокись углерода или их смеси. Кроме того, температура и длительность активации могут варьироваться в зависимости от используемых фильтрующих частиц. Карбонизированные угли могут также активироваться химическим путем с использованием любого известного специалистам подходящего химического реагента. Например, карбонизированные угли могут подвергаться обработке гидроксидом калия (КОН) или фосфорной кислотой (Н3РО4). Этап активации может быть введен на любой стадии вышеописанных способов. Активация может происходить в один или несколько этапов и активированные углеродные частицы могут подвергаться дальнейшей активации.
В следующем варианте осуществления вышеописанные способы могут далее содержать этап очистки, направленный на очищение углеродных нановолокон и практически удаление любых остатков исходных материалов нановолокон после этапа нагрева. Как и активация, этап очистки может включать тепловую обработку или химическую обработку с тем, чтобы очистить нановолокна и удалить исходные материалы нановолокон. Может применяться любая очищающая процедура. В одном варианте осуществления химической очистки может использоваться кислый раствор. В примерном варианте осуществления концентрированный кислый раствор, например раствор азотной или серной кислоты может быть использован на этапе очистки. Предполагается, что этап активации, использованный после формирования углеродных нановолокон, как описано выше, может служить этапом очистки или этапом частичной очистки.
В следующем варианте осуществления вышеописанные способы могут содержать этап обработки карбонизированных или активированных углеродных частиц и нанесенных исходных материалов нановолокон восстанавливающим веществом перед этапом нагрева. На этом этапе восстановления частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон обрабатываются в присутствии восстанавливающих веществ, чтобы сделать поверхность частиц более функциональной. За счет функционализации поверхности фильтрующие частицы могут улучшить адсорбцию намеченных загрязняющих веществ в водяном потоке. Неограничивающие примеры восстанавливающих веществ включают в себя водород, аммиак или их смеси. Например, восстанавливающее вещество, содержащее аммиак, может вступать в реакцию с поверхностью частицы и обеспечивать азот на поверхности частицы, причем азот может связать или адсорбировать загрязнитель, подлежащий фильтрации.
III. Примеры экспериментов
Следующие неограничивающие примеры описывают фильтрующие материалы и способы получения фильтрующих материалов в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.
ПРИМЕР 1
Формирование активированных углеродных частиц с выращенными на поверхности нановолокнами с помощью ферроцена
100 г активированных углеродных частиц на древесной основе марки NUCHARТМ RGC 80×325 от компании MeadWestvaco Corp.(Ковингтон, штат Виржиния) смешивают с 500 мл 10%-ного раствора ферроцена (Fe(C5H5)2) в диметилбензоле. Получающийся активированный уголь с адсорбированным ферроценом сушится в течение ночи при комнатной температуре. Затем активированный уголь загружается на лоток горизонтальной трубчатой печи марки Lindberg/Blue M (модель №HTF55667C) компании SPX Corp.(Маскегон, штат Мичиган). Диаметр трубчатой печи 15,25 см (6 дюймов). Печь разогревается до температуры 800°С в потоке азота 15 фут3/час. Как только достигнута желательная температура, раствор 10% ферроцена в диметилбензоле подается в трубчатую печь со скоростью 10 мл/мин потоком азота 15 фут3/час (т.е. скорость набегающего потока примерно 23 см/час·г) в течение 1 часа. Когда этот период закончится, материалу дают охладиться до комнатной температуры в азотной среде. Получившиеся активированные углеродные частицы содержат выращенные на поверхности нановолокна.
ПРИМЕР 2
Формирование активированных углеродных частиц с выращенными на поверхности нановолокнами с помощью сульфата железа III и ферроцена
100 г микропористых активированных углеродных частиц из кокосового волокна 80×325 от компании Calgon Carbon Corp. (Питтсбург, штат Пенсильвания) смешивается с 100 мл 20%-ного раствора сульфата железа III (Fe2(SO4)3) в деионизированной воде. Получающийся активированный уголь с адсорбированным сульфатом железа III сушится в печи в течение ночи при температуре 130°С. Затем активированный уголь загружается на лоток горизонтальной трубчатой печи марки Lindberg/Blue М (модель №HTF55667C) компании SPX Corp.(Маскегон, штат Мичиган). Диаметр трубчатой печи 15,25 см (6 дюймов). Печь разогревается до температуры 800°С в потоке азота 15 фут3/час. Как только достигнута желательная температура, активированный уголь выдерживается при этой температуре примерно 45 мин. Потом 10% раствора ферроцена в диметилбензоле подается в трубчатую печь со скоростью 4 мл/мин потоком азота 5 фут3/час (т.е. скорость набегающего потока около 8 см/час·г) в течение 1 часа. Когда этот период закончится, материалу дают охладиться до комнатной температуры в азотной среде. Получившиеся активированные углеродные частицы содержат выращенные на поверхности нановолокна.
Отметим, что термины «особенно», «предпочтительно», «типично» и «часто» употребляются здесь не для того, чтобы ограничить объем заявленного изобретения или предположить, что определенные признаки являются решающими, необходимыми или даже важными для структуры или функции заявленного изобретения. Наоборот, этими терминами предполагается всего лишь подчеркнуть альтернативные или дополнительные признаки, которые могут быть или могут не быть использованы в частном варианте осуществления настоящего изобретения. Отметим также, что термины, подобные «в основном» и «примерно», употребляются здесь, чтобы представить неотъемлемую степень неопределенности, которая может быть применима к любому количественному сравнению, величине, измерению или другим представлениям.
Все документы, цитируемые в разделе «Подробное описание изобретения», включены в текст, в существенной части, посредством ссылки; цитирование любых документов не следует толковать как признание того, что они являются прототипами в отношении данного изобретения.
Хотя описаны и проиллюстрированы конкретные варианты настоящего изобретения, специалистам очевидно, что различные иные изменения и модификации могут быть произведены без отхода от сущности и объема изобретения. Поэтому оно предназначено для охвата в прилагаемой формуле изобретения всех подобных изменений и модификаций, находящихся в объеме данного изобретения.
1. Фильтр для получения питьевой воды, содержащий:
корпус, включающий в себя впускное отверстие для воды и выпускное отверстие для воды;
фильтрующий материал, размещенный внутри корпуса, содержащий:
активированные углеродные частицы, и
множество углеродных нановолокон, нанесенных на поверхность активированных углеродных частиц;
при этом фильтр выполнен с возможностью получения питьевой воды путем удаления загрязняющих веществ из потока жидкости, текущего от впускного отверстия к выпускному отверстию в корпусе, причем углеродные нановолокна указанного множества углеродных нановолокон являются выращенными на поверхности активированных углеродных частиц.
2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что активированные углеродные частицы содержат микропоры, мезопоры или их комбинации.
3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что активированные углеродные частицы содержат активированные углеродные частицы на древесной основе, активированные углеродные частицы на каменноугольной основе, активированные углеродные частицы на торфяной основе, активированные углеродные частицы на битумной основе, активированные углеродные частицы на смоляной основе или их комбинации.
4. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что активированные углеродные частицы содержат частицы в форме волокон, сфер или частиц неправильной формы или их комбинации.
5. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что активированные углеродные частицы имеют размеры от 0,1 мкм до 10 мм.
6. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что углеродные нановолокна содержат однослойные нанотрубки (SWNTs), двухслойные нанотрубки (DWNTs), многослойные нанотрубки (MWNTs), нановолокна, наноленты, нанорожки или их комбинации.
7. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что он обеспечивает скорость потока до 8 л/мин.
8. Способ получения питьевой воды, содержащий следующую последовательность действий:
обеспечивают фильтр, содержащий корпус, включающий в себя впускное отверстие для воды и выпускное отверстие для воды, и фильтрующий материал, размещенный внутри корпуса, содержащий:
активированные углеродные частицы, и
множество углеродных нановолокон, нанесенных на поверхность активированных углеродных частиц, причем углеродные нановолокна указанного множества углеродных нановолокон являются выращенными на поверхности активированных углеродных частиц и пропускают водяной поток через фильтрующий материал, удаляя загрязняющие вещества, и посредством этого получая питьевую воду.
9. Способ изготовления фильтрующего материала для получения питьевой воды, содержащий следующую последовательность действий:
получают активированные углеродные частицы;
наносят один или несколько исходных материалов нановолокон, по меньшей мере частично, на поверхность активированных углеродных частиц;
перемешивают активированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ; и
нагревают активированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ при температуре реакции и в течение времени реакции, достаточных для получения фильтрующего материала, содержащего активированные углеродные частицы с углеродными нановолокнами на поверхности активированных углеродных частиц.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно очищают углеродные нановолокна и в значительной степени удаляют любые остаточные исходные материалы нановолокон после этапа нагревания.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно обрабатывают активированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон восстанавливающим веществом перед этапом нагрева.
12. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно исходные вещества нановолокон наносят на активированные углеродные частицы путем электрохимического осаждения, электронно-лучевого напыления, теплового вакуумного осаждения и/или высокочастотного магнетронного распыления.
13. Способ по п.9, отличающийся тем, что исходные вещества нановолокон содержат катализаторы.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что катализаторы содержат соли переходных металлов.
15. Способ по п.9, отличающийся тем, что температура реакции находится в пределах от примерно 400 до примерно 1500°С.
16. Способ по п.9, отличающийся тем, что время реакции находится в пределах от примерно 2 мин до примерно 10 ч.
17. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно подают газ-носитель для доставки паров углеродсодержащих веществ к поверхности активированных углеродных частиц.
18. Способ по п.9, отличающийся тем, что пары углеродсодержащих веществ содержат ацетилен, бензол, диметилбензол, этилен, метан, этанол, моноокись углерода, камфару, нафталин или их смеси.
19. Фильтрующий материал, полученный способом по п.9.
20. Способ изготовления фильтрующего материала для получения питьевой воды, содержащий следующую последовательность действий:
получают карбонизированные углеродные частицы;
наносят один или несколько исходных материалов нановолокон, по меньшей мере частично, на поверхность карбонизированных углеродных частиц;
перемешивают карбонизированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ;
нагревают карбонизированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон в присутствии паров углеродсодержащих веществ при температуре реакции и в течение времени реакции, достаточных для получения углеродных нановолокон на поверхности карбонизированных углеродных частиц; и активируют карбонизированные углеродные частицы путем нагревания или химической обработки карбонизированных частиц и углеродных нановолокон для получения фильтрующего материала, содержащего активированные углеродные частицы с углеродными нановолокнами на поверхности активированных углеродных частиц,
21. Способ по п.20, отличающийся тем, что дополнительно очищают углеродные нановолокна и в значительной степени удаляют любые остаточные исходные материалы нановолокон после этапа нагревания.
22. Способ по п.21, отличающийся тем, что при очистке используют тепловую обработку или химическую обработку.
23. Способ по п.20, отличающийся тем, что дополнительно обрабатывают карбонизированные углеродные частицы и нанесенные исходные материалы нановолокон восстанавливающим веществом перед этапом нагрева.
24. Способ по п.20, отличающийся тем, что дополнительно исходные вещества нановолокон наносят на карбонизированные углеродные частицы путем электрохимического осаждения, электронно-лучевого напыления, теплового вакуумного осаждения и/или высокочастотного магнетронного распыления.
25. Способ по п.20, отличающийся тем, что исходные вещества нановолокон содержат катализаторы, при этом катализаторы содержат соли переходных металлов.
26. Способ по п.20, отличающийся тем, что температура реакции находится в пределах от примерно 400 до примерно 1500°С, и время реакции находится в пределах от примерно 2 мин до примерно 10 ч.
27. Способ по п.20, отличающийся тем, что пары углеродсодержащих веществ содержат ацетилен, бензол, диметилбензол, этилен, метан, этанол, моноокись углерода, камфару, нафталин или их смеси.
