用于流体处理的组合物的制作方法

本申请要求2016年1月15日提交的美国临时申请第62/278,987号和2016年1月27日提交的美国临时申请第62/287,444号的权益，其内容通过引用整体并入本文中。

本发明涉及用于处理和纯化受污染流体如水、空气或气体混合物的组合物。本发明还涉及包含水和空气的处理及纯化组合物的系统。

发明背景

饮用水的污染和适合人类食用的纯净饮用水的获取不足是全世界令人担忧的问题。饮用水被无机离子和重金属污染尤其有害。对于改善饮用水有持续的需求，特别是对于发展中国家的偏远地区，人们无法获得用于饮用、烹饪和沐浴的安全给水。缺乏清洁水导致儿科腹泻病和相关的伤亡等。

各种类型的吸附材料或组合物被用于处理和纯化被残留物、重金属、有机物、工业废料或副产物(工业废水)、城市径流、微生物或其他杂质污染的水。吸附材料或组合物可以是例如多孔的、海绵样的或纤维性的。受污染水可以通过吸附材料或组合物传输，并且杂质可以化学地(通过化学吸附)或物理地(通过物理吸附)结合至吸附材料或组合物的内表面或外表面，而纯化水则允许通过。

沸石是通常用作吸附剂的微孔铝硅酸盐材料。特别地，沸石被广泛用作家用和商用水纯化、软化和其他应用中的离子交换珠。沸石天然存在，但也在工业上大规模生产。迄今为止，已经鉴别了超过230种独特的沸石框架，其中至少40种是天然存在的。尽管在水纯化中使用沸石，但并不知晓它们吸附重金属。

目前，通过化学方法由石墨制备石墨烯能够实现生产规模化并确保大规模的工业利用。特别地，氧化和剥离石墨是最普遍的方法。自十九世纪以来，已经知道通过用强氧化剂氧化石墨来生产氧化石墨。具体地，著名的“hummers法”使用硝酸钠、高锰酸钾和浓硫酸将石墨转化为氧化石墨(hummersw.s.,offemanr.e.preparationofgraphiticoxide,j.am.chem.soc.,1958,80(6),1339-1339)。随后的剥离和分层过程，在具有或不具有离子嵌入的帮助下，使用例如声波处理或热冲击的外力，可用于将氧化石墨转化为氧化石墨烯。然后可以还原氧化石墨烯以形成经还原的氧化石墨烯(rgo)或石墨烯。由于呈现的独特的电子和机械性质，石墨烯(sp²杂化碳和单原子厚度的片材)近年来引起了极大的兴趣。这些使得例如能量的转换和存储(太阳能电池、超级电容器)、电子器件(基于石墨烯的电路)等许多应用变得令人关注(参见例如，camblor等人,microwavefrequencytriplerbasedonamicrostripgapwithgraphene,j.electromag.wavesappl.,2011,25(14-15),1921-1929)。

目前，通过化学方法由石墨矿石制备石墨烯是提供生产规模化的一种方法，并且其在大规模工业利用方面是最有前景的。特别地，天然存在的石墨矿石的氧化/剥离/还原是制备氧化石墨/氧化石墨烯/石墨烯最普遍的方法。在该方法中，具有层状结构的三维石墨材料的氧化产生具有经氧化的底面和具有扩展的三维结构的边界的石墨片。使用例如声波处理的外力使氧化石墨分层/剥离产生称为氧化石墨烯的材料。最后，还原氧化石墨烯以形成可以通过各种方法制备的单层片材，从而得到石墨烯。此外，除了石墨烯众所周知的益处之外，中间产物(氧化石墨和氧化石墨烯)本身是具有许多关注和商业应用的材料。参见例如gonzálezz.,botasc,alvarezp.,roldáns.,blancoc,santamaríar.,grandam.,menendezr.,“thermallyreducedgraphiteoxideaspositiveelectrodeinvanadiumredoxflowbatteries.”carbón,2012,50(3),828-834。

与石墨或石墨烯不同，氮化硼在氧化环境中是高度惰性的。更具体地，它在含氧环境中和强氧化性酸的存在下对加热到800℃或更高的温度是稳定的。(参见例如，lin等人的us2011/0045223a1)。由于其独特的结构、电学和化学特性，氮化硼显示出对于各种应用的前景。氮化硼由于其优异的机械性能而受到关注，并且已经在绝缘和辐射屏蔽应用中使用。关于辐射屏蔽，氮化硼材料已用于恶劣环境中，例如高空航空航天飞行、太空探索和军事应用(装甲)以及用于常规应用(汽车、太阳能住房和建筑物、化妆品、服装、毛毯、头盔等)的常规辐射屏蔽。(参见例如，kang等人的ep2567385a1)。

关于氮化硼的生产和可商购获得的氮化硼粉末的分散有许多参考文献。可以发现许多关于使用石墨作为石墨烯制备中的前体的参考文献。在制备石墨烯中使感兴趣的材料石墨变成其多晶结构的主要特征是各向异性的碳复合片(sp²共价键合的石墨烯类碳)，但其通过相对较强的范德华力而三维堆积。六方氮化硼(h-bn)，有时被称为白色石墨，其在结构上类似于石墨，具有类似地通过范德华力保持在一起的层状片。与石墨烯的全碳结构相比，每个h-bn片由交替地位于平面六方晶体结构中的硼原子和氮原子组成。h-bn的层间结构使得相邻层中的硼原子和氮原子由于两个原子的极性而彼此重叠，形成所谓的ab堆积。

附图说明

图1是根据本公开各个方面的用于纯化受污染流体的系统的图示。

图2是根据本公开各个方面的用于纯化受污染流体的过滤器组合件的横截面视图；和

图3是根据本公开各个方面的用于纯化受污染流体的另一种过滤器组合件的横截面视图。

具体实施方式

以下实施方案的描述本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制本公开内容的主题、其应用或用途。

如在全文中所使用的，范围被用作描述该范围内的每个值的简写。可以选择范围内的任何值作为范围的端值。除非另有规定，否则本文和说明书中其他地方表示的所有百分比和量应理解为指重量百分比。

出于本说明书和所附权利要求的目的，除非另外指出，否则在说明书和权利要求中使用的表示数量、百分比或比例以及其他数值的所有数字应理解为在所有情况下被术语“约”修饰。术语“约”的使用适用于所有数值，无论是否明确指出。该术语通常指本领域普通技术人员认为的所述数值合理偏差量(即，具有等效功能或结果)的数字范围。例如，该术语可以被解释为包括给定数值±10％，或者±5％，或者±1％的偏差，条件是这样的偏差不改变值的最终功能或结果。因此，除非相反地指出，否则本说明书和所附权利要求中叙述的数值参数是近似值，其可以根据本发明寻求获得的期望性质而变化。

应注意，如在本说明书和所附权利要求中使用的，没有数量词修饰的指示物包括复数的指示物，除非清楚且明确地限于一个指示物。如本文所使用的，术语“包括”旨在表示非限制性的，使得列表中叙述的项目不排除可以替换或添加到所列项目的其他类似项目。例如，如本说明书和以下权利要求中所使用的，术语“包含”、“包括”和“具有”是包含性的(即，开放式的)并且不排除额外的元素或步骤。因此，这些术语不仅旨在涵盖所列举的要素或步骤，而且还可以包括未明确记载的其他要素或步骤。此外，如本文所使用的，当与要素连用时，要素前不使用数量词可以表示“一个”，但是其也符合“一个或更多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的意思。因此，在没有更多限制的情况下，要素前无数量词不排除存在其他相同的要素。

出于本说明书和所附权利要求的目的，术语“连接”指两个物体的联结或连接。连接可以是永久的或可逆的。连接可以是直接的或间接的。间接连接包括通过一个或多于一个中间对象来连接两个物体。术语“流体连接”指两个物体的联结或连接，其允许两个物体之间的流体(即，液体、溶液或气体)流动。术语“流体连通”指流体从一个物体流到另一个物体。术语“基本上”指要素基本符合特定尺寸、形状或基本上修饰的其他词，使得组合件不需要是精确的。例如，基本上圆形指物体类似于圆形，但是可以与真正圆形具有一个或多于一个偏差。

使用碗或容器进行本公开的各个方面。本领域普通技术人员将容易领会，是用于实验室玻璃器皿的低热膨胀硼硅酸盐玻璃或回火钠钙玻璃的注册商标。此外，本领域普通技术人员将容易领会，本公开不限于所述的使用。可以使用任何其他合适的材料。

本公开的各个方面涉及石墨及其衍生物的用途。特别地，本公开的各个方面涉及制备具有氧化石墨、氧化石墨烯和/或经还原的氧化石墨烯以及氮化硼、稀土元素、至少部分由稀土元素组成的络合物或矿物质和离子盐中的一种或多于一种的组合物的方法。稀土元素可以是单质或盐、络合物、矿物质的形式。组合物可以制备成膜、粉末、多孔砖、多孔片或海绵样材料的形式。还可以向组合物中添加沸石，用于处理被残留物、工业废物或副产物(工业废水)、城市径流、重金属、有机物或其他杂质污染的流体。在一些情况下，还可以向组合物中添加硫酸亚铁(ii)或硫酸铁(iii)，用于通过絮凝来纯化水并用于在市政及工业污水处理厂中除去磷酸盐。这种组合物可以应用于各种领域，例如热绝缘和电绝缘、高速电缆、超级电池、柔性触摸屏、医药应用、纺织品制造、增强塑料、陶瓷和金属、水脱盐、微电子学、太阳能电池、催化、晶体管、超灵敏化学检测器、空气净化、水纯化和聚合物添加剂。

尽管本公开的各个方面涉及石墨衍生物，特别是氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯的用途，但本领域普通技术人员将领会到，可以在不脱离本公开范围的情况下，使用其他碳质材料或碳的同素异形体，例如木炭、活性炭、骨炭、生物炭、烟灰、焦炭、煤、炭黑富勒烯、单壁或多壁碳纳米管、碳纳米片、无定形碳或其他碳质材料。

如本文所使用的，短语“稀土元素”指铈(ce)、镝(dy)、铒(er)、铕(eu)、钆(gd)、钬(ho)、镧(la)、镥(lu)、钕(nd)、镨(pr)、钷(pm)、钐(sm)、钪(sc)、铽(tb)、铥(tm)、镱(yb)和钇(y)。

如本文所使用的，短语“离子盐”指包含通过称为离子键合的静电力而保持在一起的阳离子和阴离子的化合物。本公开中使用的离子盐可以包括阳离子，例如但不限于li⁺、na⁺、k⁺、be²⁺、mg²⁺、ca²⁺、sr²⁺、ba²⁺、al³⁺、ga³⁺、in³⁺、si⁴⁺、ge⁴⁺、sn⁴⁺、sn²⁺、zn²⁺、zr⁴⁺、hf⁴⁺、mo⁶⁺、w⁶⁺、ag⁺、钛离子、钒离子、铬离子、锰离子、铁离子、镍离子、铜离子、钯离子、铂离子、金离子、nh4⁺、ph4⁺、伯铵阳离子或伯鏻阳离子、仲铵阳离子或仲鏻阳离子、叔铵阳离子或叔鏻阳离子以及季铵阳离子或季鏻阳离子。本公开中使用的离子盐可以包括阴离子，例如但不限于卤化物、硝酸盐、亚硝酸盐、亚硫酸盐、硫酸盐、硫酸氢盐、氢氧化物、氰化物、磷酸盐、磷酸氢盐、磷酸二氢盐、硫氰酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、次氯酸盐、亚氯酸盐、氯酸盐、高氯酸盐、次溴酸盐、亚溴酸盐、溴酸盐、高溴酸盐、次碘酸盐、亚碘酸盐、碘酸盐、高碘酸盐、醋酸盐、高锰酸盐、铬酸盐、重铬酸盐、草酸盐、硫代硫酸盐、氨基化物。在一些情况下，本公开中使用的离子盐可以是脂肪酸的离子盐，例如油酸钠、棕榈酸钠和硬脂酸钠。在一些情况下，本公开中使用的离子盐可以是具有疏水性尾基和由反离子平衡的阳离子或阴离子头基的表面活性剂。阴离子表面活性剂的实例包括但不限于月桂基硫酸盐、月桂基聚氧乙烯醚硫酸盐、肉豆蔻醇聚醚硫酸盐、多库酯、基于羧酸盐的含氟表面活性剂和全氟烷基磺酸盐。阳离子表面活性剂的实例包括但不限于十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基氯化吡啶、苯扎氯铵二甲基二十八烷基氯化铵和二十八烷基二甲基溴化铵。

在一些情况下，可以根据以下方法形成根据本公开的各个方面的组合物。首先，可以使包含沸石、氮化硼、稀土元素、离子盐和硫酸亚铁(ii)或硫酸铁(iii)的预定量的一种或多于一种组分经受超细研磨。在一些情况下，研磨以上组分使得每种组分的粒度为直径小于约150微米(μm)。在一些情况下，研磨以上组分使得每种组分的粒度范围为直径约50μm至约150μm，或者直径约100μm至约150μm。然后将一种或多于一种研磨组分加入到含有溶剂以及氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种的分散体中以形成复合混合物。

在一些情况下，一种或多于一种研磨组分包括氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种，但不包括沸石。在这种情况下，将一种或多于一种研磨组分(即，氮化硼、稀土元素、离子盐和硫酸亚铁(ii)或硫酸铁(iii)以及氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯)添加到含有沸石的分散体中。

溶剂可以是例如水。在一些情况下，溶剂可以是醇、氯化溶剂，例如氯仿、二氯甲烷、醚、酯、酮、酸性溶液、碱性溶液，或本领域普通技术人员已知的任何其它合适的溶剂或溶剂体系。

然后搅动复合混合物直至均匀或基本均匀。可以通过例如声波处理、超声处理或在浴中超声混合或使用探针、机械或磁力搅拌、摇动或本领域普通技术人员已知的任何其它合适的搅动方法进行搅动。搅动可以进行约30分钟至约2小时，或者约30分钟至约1.5小时，或者约1小时。搅动完成后，将复合混合物干燥以形成最终产物。在一些情况下，可以在环境条件下或在真空下使用烘箱完成干燥。在其他情况下，可以在环境条件下或在真空下使用红外光源完成干燥。在其他情况下，可以通过冷冻干燥来干燥复合混合物以形成最终产物。在一些情况下，可以干燥复合混合物以形成粉末。在其他情况下，可以干燥复合混合物，并作为薄层或一系列薄层施加到基底上以形成膜。在其他情况下，可以在三维容器中干燥复合混合物，使得在干燥后最终产品是呈所述三维容器内部尺寸形式的实心砖或海绵样材料。

优选地，所有上述阶段在小于约200℃，更优选在小于约100℃的温度下进行。然而，上述阶段并不严格限于这种温度要求。

在一些情况下，可以在干燥前从混合物中除去一部分溶剂。例如，在一些情况下，混合物可以经受速率为约2000rpm至约6000rpm，或者约3000rpm至约5000rpm，或者约4000rpm的离心，持续时间为约5分钟至约30分钟，或者约5分钟至约15分钟，或者约10分钟。离心完成后，可以通过例如倾析除去一部分溶剂。在其他情况下，可以通过重力或真空过滤除去一部分溶剂。

在一些情况下，在干燥前、在离心或过滤前或在离心或过滤程序期间，可以使复合混合物经受一个或多于一个洗涤步骤，直到混合物，更具体地是溶剂具有期望的ph。在一些情况下，在干燥前，可以使复合混合物经受透析以从复合混合物中除去不需要的离子或其他杂质。

在一些情况下，包含沸石、氮化硼、稀土元素、离子盐和硫酸亚铁(ii)或硫酸铁(iii)的预定量的一种或多于一种组分不经受超细研磨。而是，预定量的组分按原样使用并直接添加到含有氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种以及溶剂的分散体中以形成复合混合物。

在一些情况下，通过化学处理将氮化硼、稀土元素、离子盐、沸石、硫酸亚铁(ii)或硫酸铁(iii)中的一种或多于一种添加到含有氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种的分散体中，根据期望的最终产品，使用氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯与氮化硼的重量比为约1:0.01至约1:2；根据期望的最终产品，使用氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯与稀土元素的重量比为约1:0.01至约1:2；根据期望的最终产品，使用氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯与离子盐的重量比为约1:0.01至约1:2；根据期望的最终产品，使用氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯与沸石的重量比为约1:0.01至约1:2；以及根据期望的最终产品，使用氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯与硫酸亚铁(ii)或硫酸铁(iii)的重量比为约1:0.01至约1:2，或其任意组合。组合量的固体(即，氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及以上组分)应分散在溶剂中，例如水(蒸馏水、双蒸水、去离子水、millipore等)中，其比例为约1mg(固体)/ml(溶剂)至约10mg/ml，或者约2mg/ml至约8mg/ml，或者约3mg/ml至约6mg/ml，或者约4mg/ml至约5mg/ml，或者约4mg/ml。

在一些情况下，可以根据以下方法形成根据本公开的各个方面的组合物。首先，可以使预定量的沸石和氮化硼经受超细研磨。在一些情况下，研磨沸石和氮化硼使得每一个粒度为直径小于约150微米(μm)。在一些情况下，研磨以上组分使得每种组分的粒度为直径约50μm至约150μm，或者直径约100μm至约150μm。然后将研磨的沸石和氮化硼加入到含有溶剂以及氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种的分散体中以形成复合混合物。溶剂可以是例如水。在一些情况下，溶剂可以是醇、氯化溶剂，例如氯仿、二氯甲烷、醚、酯、酮、酸性溶液、碱性溶液，或本领域普通技术人员已知的任何其它合适的溶剂或溶剂体系。

然后搅动复合混合物以确保混合物的均匀性。然后搅动复合混合物直至均匀或基本均匀。可以通过例如声波处理、超声处理或在浴中超声混合或使用探针、机械或磁力搅拌、摇动或本领域普通技术人员已知的任何其它合适的搅动方法进行搅动。搅动可以进行约30分钟至约2小时，或者约30分钟至约1.5小时，或者约1小时。搅动完成后，将混合物干燥以形成最终产物。在一些情况下，可以在环境条件下或在真空下使用烘箱完成干燥。在其他情况下，可以在环境条件下或在真空下使用红外光源完成干燥。在其他情况下，可以通过冷冻干燥来干燥复合混合物以形成最终产物。在一些情况下，可以干燥复合混合物以形成粉末。在其他情况下，可以干燥复合混合物，并作为薄层或一系列薄层施加到基底上以形成膜。在其他情况下，可以在三维容器中干燥复合混合物，使得在干燥后最终产品是呈所述三维容器内部尺寸形式的实心砖或海绵样材料。

在一些情况下，预定量的沸石和氮化硼不经受超细研磨。而是，预定量的沸石和氮化硼按原样使用并直接添加到含有氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种以及溶剂的分散体中以形成混合物。

在一些情况下，可以在干燥前从混合物中除去一部分溶剂。例如，在一些情况下，混合物可以经受速率为约2000rpm至约6000rpm，或者约3000rpm至约5000rpm，或者约4000rpm的离心，持续时间为约5分钟至约30分钟，或者约5分钟至约15分钟，或者约10分钟。离心完成后，可以通过例如倾析除去一部分溶剂。在其他情况下，可以通过重力或真空过滤除去一部分溶剂。

在一些情况下，在干燥前、在离心或过滤前或在离心或过滤程序期间，可以使混合物经受一个或多于一个洗涤步骤，直到混合物，更具体地是溶剂具有期望的ph。在一些情况下，在干燥前，可以使复合混合物经受透析以从复合混合物中除去不需要的离子或其他杂质。

优选地，所有上述阶段在小于约200℃，更优选在小于约100℃的温度下进行。然而，上述阶段并不严格限于这种温度要求。

在一些情况下，通过化学处理将氮化硼和沸石中的一种或多于一种添加到含氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种的分散体中，根据期望的最终产品，使用沸石与氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯的重量比为约100:0.001至约100:0.01，以及沸石与氮化硼的重量比为约100:0.005至约100:0.05。组合量的固体(即，氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及沸石和氮化硼)应分散在溶剂中，例如水(蒸馏水、双蒸水、去离子水、millipore等)中，其比例为约1mg(固体)/ml(溶剂)至约10mg/ml，或者约2mg/ml至约8mg/ml，或者约3mg/ml至约6mg/ml，或者约4mg/ml至约5mg/ml，或者约4mg/ml。

当使用氮化硼时，氮化硼可以是氮化硼粉末、六方氮化硼(h-bn)、氮化硼纳米纤维、氮化硼纳米片或氮化硼纳米管。稀土元素和离子盐也可以是粉末形式。

图1是根据本公开各个方面的用于纯化受污染水的系统的图示。系统100包括受污染流体源110、过滤器组合件150和纯化水容器170。受污染流体经由出口管120离开受污染流体源110并被传输至泵130。然后，泵130经由管140将受污染流体传输至过滤器组合件150的过滤器入口152。受污染流体通过包含在过滤器组合件150内的一个或多于一个吸附介质(未示出)。然后，纯化流体通过过滤器出口154离开过滤器组合件150，并经由管160被传输至纯化流体容器170的入口172。受污染流体可以是受污染水、受污染水溶液、受污染气体、气体混合物或其任意组合中的任一种。

过滤器组合件150的形状不是特别限制的。在一些情况下，过滤器组合件150可以是圆柱形的。在其他情况下，过滤器组合件150可以是球形或卵形的。在其他情况下，过滤器组合件150可以是立方体的。在其他情况下，过滤器组合件150可以是矩形棱柱形、正方形棱柱形、三角形棱柱形、六边形棱柱形或任何其他合适的棱柱形状中的任一种。在其他情况下，过滤器组合件150可以是圆锥形的、截头圆锥形的、三角锥形的或四方锥形的，并且从过滤器入口152到过滤器出口154向内或向外成锥形。

图2是根据本公开各个方面的用于纯化受污染水的过滤器组合件的横截面视图。过滤器组合件200包括壳体210、受污染流体入口220和纯化流体出口230。吸附介质240、250、260包含在壳体210内。吸附介质240、250、260中的每一个是粉末、多孔砖、海绵样材料、纤维材料或其任意组合的形式。每个吸附介质240、250、260可以由不同的材料组成。在一些情况下，吸附介质240可以由一种或多于一种沸石组成。在一些情况下，吸附介质250可以由一种或多于一种沸石和氧化石墨烯的混合物组成。在一些情况下，吸附介质260可以由一种或多于一种沸石和氮化硼的混合物组成。氮化硼可以是六方氮化硼(h-bn)。

在图2中，吸附介质240和吸附介质250直接接触，吸附介质250和吸附介质260直接接触。在一些情况下，吸附介质240、250、260中的每一个可以被多孔材料分开。多孔材料可以是例如具有多个通道的盘，这些通道纵向延伸穿过盘用于相邻吸附介质之间的流体连通。盘可以由惰性材料如聚四氟乙烯(ptfe)构成，或可以是玻璃滤器熔块。构成盘的材料可以是化学惰性的，或者也可以作为处理或纯化受污染流体的额外手段。在其他情况下，吸附介质240、250、260中的每一个可以由编织或网材料分开。编织或网材料可以是例如金属或合金丝网、编织聚合物、机织织物或纺织品，或任何其他合适的编织或网材料。编织或网材料可以是化学惰性的，或者也可以作为处理或纯化受污染流体的额外手段。

在图2中，吸附介质260与壳体210的底面以及纯化流体出口230直接接触。在一些情况下，吸附介质260可以通过多孔材料与壳体210的底面以及纯化流体出口230分开。多孔材料可以是例如具有多个通道的盘，这些通道穿过盘用于相邻吸附介质之间的流体连通。盘可以由惰性材料如聚四氟乙烯(ptfe)构成，或者可以是玻璃滤器熔块。构成盘的材料可以是化学惰性的，或者也可以作为处理或纯化受污染流体的额外手段。在其他情况下，吸附介质260可以通过编织或网材料与壳体210的底面以及纯化流体出口230分开。编织或网材料可以是例如金属或合金丝网、编织有机聚合物、机织织物或纺织品，或任何其他合适的编织或网材料。编织或网材料可以是化学惰性的，或者也可以作为处理或纯化受污染流体的额外手段。

图3是根据本公开各个方面的用于纯化受污染流体的另一种过滤器组合件的横截面视图。过滤器组合件300包括主壳体310、受污染流体入口320和纯化流体出口330。过滤器组合件还包括第一吸附介质360、第二吸附介质370和第三吸附介质380。第一吸附介质360和第二吸附介质370经由第一子壳体340部分地彼此分开。第二吸附介质370和第三吸附介质380通过第二子壳体350部分地彼此分开。在使用中，受污染流体经由入口320进入壳体310并且通过第一吸附介质360。在通过第一吸附介质360并至少部分地被第一吸附介质360纯化后，流体然后经由通道344、346进入第一子壳体340，以被第二吸附介质370进一步纯化。在通过第二吸附介质370并至少部分地被第二吸附介质370纯化后，流体然后经由通道354进入第二子壳体350，以被第三吸附介质380进一步纯化。在通过第三吸附介质380并被第三吸附介质380纯化后，纯化流体然后经由出口330离开过滤器组合件300。

吸附介质360、370、380中的每一个是多孔砖、海绵样材料、纤维材料或其任意组合的形式。每个吸附介质360、370、380可以由不同的材料组成。在一些情况下，第一吸附介质360可以由一种或多于一种沸石组成。在一些情况下，第二吸附介质370可以由一种或多于一种沸石和氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯的混合物组成。在一些情况下，第三吸附介质380可以由一种或多于一种沸石和氮化硼的混合物组成。氮化硼可以是六方氮化硼(h-bn)。

在图3中，示出了第一子壳体340具有两个通道344、346。在一些情况下，第一子壳体340可以仅具有单个通道。在其他情况下，子壳体340可以具有多于两个通道，例如，约3个至约20个通道，或者约4个至约16个通道，或者约6个至约12个通道。通道可以具有适合于流体有效通过的任何直径，从而允许第一吸附介质360和第二吸附介质370之间的流体连通。无论如何，通道应尽可能远离入口，使得受污染流体横穿最大量的第一吸附介质360。

在图3中，示出了第二子壳体350具有一个通道354。在一些情况下，子壳体350可以具有多于一个通道，例如，约2个至约20个通道，或者约4个至约16个通道，或者约6个至约12个通道。通道可以具有适合于流体有效通过的任何直径，从而允许第二吸附介质370和第三吸附介质380之间的流体连通。无论如何，通道应尽可能远离第一子壳体340的通道344、346，使得受污染流体横穿最大量的第二吸附介质370。此外，通道354应尽可能远离纯化流体出口330，使得受污染流体横穿最大量的第三吸附介质380。

在一些情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及上述组分中的一种或多于一种的吸附介质可以与物理外部能源一起用作热转移介质或催化剂。在其他情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及上述组分中的一种或多于一种的吸附介质可以与化学外部能源一起用作热转移介质或催化剂。

在一些情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及一种或多于一种氮化硼的吸附介质可以通过捕获感兴趣的分子或分析物用于化学检测或相关应用。

在一些情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及一种或多于一种稀土元素的吸附介质可以通过捕获感兴趣的分子或分析物用于化学检测或相关应用。

在一些情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及一种或多于一种离子盐的吸附介质可以通过捕获感兴趣的分子或分析物用于化学检测、离子交换或相关应用。

在一些情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及一种或多于一种沸石的吸附介质可以通过捕获感兴趣的分子或分析物用于化学检测、离子交换或相关应用。

在一些情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯以及硫酸亚铁(ii)和/或硫酸铁(iii)的吸附介质可以通过捕获感兴趣的分子或分析物用于化学检测或相关应用。

在一些情况下，根据本公开各个方面制备的包含氧化石墨、氧化石墨烯和/或石墨烯、氮化硼以及一种或多于一种沸石的吸附介质可以通过捕获感兴趣的分子或分析物用于化学检测、离子交换或相关应用。

本公开的陈述包括：

陈述1：一种过滤器组合件，该组合件包括限定第一内部流体通道的主壳体；在主壳体内并限定第二内部流体通道的第一子壳体，该第二内部流体通道与第一内部流体通道流体连通；在第一子壳体内并限定第三内部流体通道的第二子壳体，该第三内部流体通道与第二内部流体通道流体连通；与主壳体流体连通的流体入口；与第二子壳体流体连通的流体出口；在主壳体内部并包围第一子壳体的第一吸附介质；在第一子壳体内部并包围第二子壳体的第二吸附介质；和在第二子壳体内部的第三吸附介质。

陈述2：根据陈述1的过滤器组合件，其中第一吸附介质包含沸石。

陈述3：根据陈述1或陈述2的过滤器组合件，其中第二吸附介质包含沸石和氮化硼。

陈述4：根据陈述3的过滤器组合件，其中氮化硼为六方氮化硼(h-bn)、粉末、纳米纤维、纳米片、纳米管或其任意组合的形式。

陈述5：根据陈述1至4中任一项的过滤器组合件，其中第三吸附介质包含沸石以及氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种。

陈述6：根据陈述1至5中任一项的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个还包含稀土元素。

陈述7：根据陈述1至6中任一项的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个还包含离子盐。

陈述8：根据陈述1至7中任一项的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个还包含铁的硫酸盐。

陈述9：根据陈述1的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个包含沸石；氮化硼；以及氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种。

陈述10：根据陈述9的过滤器组合件，其中氮化硼为六方氮化硼(h-bn)、粉末、纳米纤维、纳米片、纳米管或其任意组合的形式。

陈述11：根据陈述9或陈述10的过滤器组合件，其中沸石与氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种以约100:0.001至约100:0.01的重量比存在。

陈述12：根据陈述9至11中任一项的过滤器组合件，其中沸石与氮化硼以约100:0.005至约100:0.05的重量比存在。

陈述13：根据陈述1的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个包含氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种；以及沸石、氮化硼、稀土元素、离子盐和铁的硫酸盐中的一种或多于一种。

陈述14：根据陈述13的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与氮化硼以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述15：根据陈述13或陈述14的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与沸石以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述16：根据陈述13至15中任一项的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与稀土元素以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述17：根据陈述13至16中任一项的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与离子盐以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述18：根据陈述13至17中任一项的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与铁的硫酸盐以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述19：一种过滤器组合件，该组合件包括限定具有远端和近端的内部流体通道的壳体；与近端流体连接的流体入口；与远端流体连接的流体出口；邻近近端的第一吸附介质；邻近远端的第二吸附介质；以及在第一吸附介质和第二吸附介质之间的第三吸附介质。

陈述20：根据陈述19的过滤器组合件，其中第一吸附介质包含沸石。

陈述21：根据陈述19或陈述20的过滤器组合件，其中第二吸附介质包含沸石和氮化硼。

陈述22：根据陈述21的过滤器组合件，其中氮化硼为六方氮化硼(h-bn)、粉末、纳米纤维、纳米片、纳米管或其任意组合的形式。

陈述23：根据陈述19至22中任一项的过滤器组合件，其中第三吸附介质包含沸石以及氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种。

陈述24：根据陈述19至23中任一项的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个还包含稀土元素。

陈述25：根据陈述19至24中任一项的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个还包含离子盐。

陈述26：根据陈述19至25中任一项的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个还包含铁的硫酸盐。

陈述27：根据陈述19的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个包含沸石；氮化硼；以及氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种。

陈述28：根据陈述27的过滤器组合件，其中氮化硼为六方氮化硼(h-bn)、粉末、纳米纤维、纳米片、纳米管或其任意组合的形式。

陈述29：根据陈述27或陈述28的过滤器组合件，其中沸石与氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种以约100:0.001至约100:0.01的重量比存在。

陈述30：根据陈述27至29中任一项的过滤器组合件，其中沸石与氮化硼以约100:0.005至约100:0.05的重量比存在。

陈述31：根据陈述19的过滤器组合件，其中第一吸附介质、第二吸附介质和第三吸附介质中的一个或多于一个包含氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种；以及沸石、氮化硼、稀土元素、离子盐和铁的硫酸盐中的一种或多于一种。

陈述32：根据陈述31的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与氮化硼以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述33：根据陈述31或陈述32的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与沸石以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述34：根据陈述31至33中任一项的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与稀土元素以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述35：根据陈述31至34中任一项的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与离子盐以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述36：根据陈述31至35中任一项的过滤器组合件，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与铁的硫酸盐以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述37：一种制备吸附介质的方法，该方法包括研磨预定量的第一材料以提供直径为150μm或更小的第一材料的颗粒，该第一材料包含沸石、氮化硼、稀土元素、离子盐和铁的硫酸盐中的一种或多于一种；将经研磨的第一材料颗粒添加到分散体中以形成复合混合物，该分散体包含溶剂、以及氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种；使复合混合物均质化；以及干燥经均质化的复合混合物。

陈述38：根据陈述37的方法，其中溶剂包括水、氯化溶剂、醚、酯、酮、酸性溶液和碱性溶液中的一种或多于一种。

陈述39：根据陈述37或陈述38的方法，其中复合混合物的均质化通过声波处理、超声处理或超声混合、机械搅拌、磁力搅拌和摇动中的任一种来进行。

陈述40：根据陈述37至39中任一项的方法，其中复合混合物的均质化在30分钟至2小时的时间段内进行。

陈述41：根据陈述37至40中任一项的方法，其中干燥经均质化的复合混合物在烘箱中进行。

陈述42：根据陈述37至40中任一项的方法，其中干燥经均质化的复合混合物在冻干器中进行。

陈述43：根据陈述37至42中任一项的方法，其中在干燥期间，将经均质化的复合混合物形成为膜、粉末、多孔砖或多孔海绵样材料中的任一种。

陈述44：根据陈述37至43中任一项的方法，其中组合量的第一材料与氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种以及溶剂产生固体与溶剂比为约1mg/ml至10mg/ml的复合混合物。

陈述45：根据陈述37至44中任一项的方法，其中组合量的第一材料与氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种以及溶剂产生固体与溶剂比为约4mg/ml的复合混合物。

陈述46：根据陈述37至45中任一项的方法，其中沸石与氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种以约100:0.001至约100:0.01的重量比存在。

陈述47：根据陈述37至46中任一项的方法，其中沸石与氮化硼以约100:0.005至约100:0.05的重量比存在。

陈述48：根据陈述37至47中任一项的方法，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与氮化硼以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述49：根据陈述37至45和48中任一项的方法，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与沸石以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述50：根据陈述37至49中任一项的方法，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与稀土元素以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述51：根据陈述37至50中任一项的方法，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与离子盐以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述52：根据陈述37至51中任一项的方法，其中氧化石墨、氧化石墨烯和石墨烯中的一种或多于一种与铁的硫酸盐以约1:0.01至约1:2的重量比存在。

陈述53：根据陈述1至36中任一项的过滤器组合件，该过滤器组合件包括通过根据陈述37至52中任一项的方法制备的吸附介质。

陈述54：一种用于纯化受污染流体的系统，该系统包括包含受污染流体出口的受污染流体源；包含纯化流体入口的纯化流体储存容器；和根据陈述1至36中任一项的过滤器组合件，其与受污染流体出口和纯化流体入口连接。

陈述55：根据陈述54的系统，其中受污染流体是受污染水、受污染水溶液、受污染气体、气体混合物或其任意组合。

陈述56：根据陈述54或陈述55的系统，其中受污染流体包含重金属、残余物、工业废水、城市径流、有机化合物、微生物中的任一种。

陈述57：根据陈述54至56中任一项的系统，其还包括与受污染流体出口以及过滤器组合件连接的水泵。

实施例

氧化石墨和氧化石墨烯的制备

如下进行从石墨矿石中获得氧化石墨。在4升烧杯中，在室温下加入250ml的85％磷酸和1750ml的98％硫酸并搅拌10分钟。随后，将20g已经研磨至细度小于约150微米的石墨矿石加入烧杯中并搅拌10分钟。然后，缓慢加入120克高锰酸钾，并将温度升至65℃，搅拌8小时。然后将反应混合物转移至含有2升冷冻双蒸水的新4升烧杯中。加入15ml过氧化氢(30％)，将混合物在室温下搅拌30分钟。使混合物静置20小时后，倾析上清液。将含有固体产物的剩余混合物转移至离心管中并以4500rpm离心15分钟。离心后，除去额外的上清液。使固体经受连续几轮的洗涤和离心，直至除去剩余的磷酸和硫酸，以产生氧化石墨。然后干燥氧化石墨。

预示例1

形成由氧化石墨烯和氮化硼的混合物组成的膜。在烧杯中，将2克氧化石墨分散在500mlhcl溶液(ph2.4)中，以形成4mg/ml氧化石墨分散体。然后可以在超声浴中将分散体搅动60分钟至6小时以形成氧化石墨烯(go)。接下来，可以将20mg至4克氮化硼(bn)粉末加入分散体中并搅拌约1小时。搅拌后，可以通过连续几轮的离心、倾析上清液和溶剂洗涤来除去hcl，并倾析上清液。将含有固体产物的剩余混合物转移至离心管中并以4500rpm离心15分钟。或者，在搅拌后，可以通过重力或真空过滤和溶剂洗涤来除去hcl。然后可以将含go/bn的分散体置于碗中，在环境条件下或真空下、40℃至60℃的烘箱中进行干燥。

预示例2

形成由氧化石墨烯和氮化硼的混合物组成的成形组合物。在烧杯中，将2克氧化石墨分散在500mlhcl溶液(ph4.0)中，以形成4mg/ml氧化石墨分散体。然后可以在超声浴中将分散体搅动60分钟至6小时以形成氧化石墨烯(go)。接下来，可以将20mg至4克氮化硼(bn)粉末加入分散体中并搅拌约1小时。搅拌后，可以通过连续几轮的离心、倾析上清液和溶液洗涤来除去hcl，并倾析上清液。将含有固体产物的剩余混合物转移至离心管中并以4500rpm离心15分钟。或者，在搅拌后，可以通过重力或真空过滤和溶剂洗涤来除去hcl。然后可以将含go/bn的分散体置于碗中，在冻干器中进行干燥。碗可以是例如圆柱形的形状，使得go/bn组合物在冻干完成后形成具有与碗一致的实心圆柱形状的砖或海绵样材料。

实施例3

在实施例3中，制备根据图2的过滤器组合件200。首先，如预示例1和2中所概述的制备三个独立的海绵样吸附介质。使用560g沸石制备第一吸附介质。使用560g沸石和20mg氧化石墨烯制备第二吸附介质。使用560g沸石和100mg氮化硼制备第三吸附介质。如图1所示，将这些块布置为：第一吸附介质在过滤器组合件的顶部，第三吸附介质在过滤器组合件的底部，并且第二吸附介质在它们之间。每个吸附介质可以经由在容器中冷冻干燥而形成海绵样块，该容器具有与过滤器组合件壳体210大致相同的直径和约为过滤器组合件壳体210高度三分之一的高度。用这种过滤器组合件可以处理最多204升的受污染水。

如本领域普通技术人员将会理解的，还可以制备以上三种吸附介质，并将其以相似的方式放置在图3的过滤器组合件300中。例如，模具或壳体310、第一子壳体340和第二子壳体350中的每一个可以与具有与壳体310、第一子壳体340和第二子壳体350相同尺寸的碗一起使用。模具和碗可用于制备每种吸附介质的海绵样砖，然后可以如图2所示，组装图2的过滤器组合件。

尽管已经详细描述了本发明及其目的、特征和优点，但是本发明也包含其他实施方案。最后，本领域技术人员应领会，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，他们可以容易地使用所公开的概念和具体实施方案作为基础，用于设计或修改实现本发明相同目的的其他结构。