使用混杂的纳米碳、银、铁和铝氧化物的水过滤系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于过滤水的过滤器，其包含由碳质材料如植物材料的热解燃烧得到的碳纳米球(其用硝酸银活化)、活化的氧化铝和/或氧化亚铁。
【专利说明】使用混杂的纳米碳、银、铁和铝氧化物的水过滤系统
[0001]本申请是2011年7月13日提交的申请号13/181，855的部分继续申请案，该申请要求2010年7月16日提交的美国临时申请61/365，031的优先权，并在此全部并入作为参考。
[0002]著作权声明
本专利的一部分公开内容含有受著作权保护的材料。该著作权所有人不反对任何人对专利文献或专利公开的复制，如其呈现在美国专利和商标局的文献或记录中那样，但在其它方面保留全部的任何著作权。
【技术领域】
[0003]本发明涉及碳纳米球的制备，并涉及该纳米球在水过滤器中的应用，以及在水过滤装置中使用该组合物来过滤水的方法。
【背景技术】
[0004]人类活动已经导致环境中的资源的自然状态的严重变化。基本资源，如水和空气，已经被污染得不适合人类消耗。而且，对蓄水层的不加控制地汲取饮用水以及其过度滥用将潜伏的砷或氟化物离子释放到地下水中，最终污染地表水，从而对人类和其它试图找到清洁饮用水的生物体而言，产生潜在的严重环境问题。另外，杀虫剂和除草剂在土壤中累积并渗漏进地下水和水径流中。这又进一步被不加控制地将使用过的电子产品和电池倾倒在土壤中而加重。而且，通过水管的泄漏，开放的污水系统对饮用水的污染被含有病原体微生物的排泄物引起的污染。该污染是健康的威胁，对于用于从饮用水中去除有毒元素和病原体的高度有效、可靠、和环保的技术有紧迫的需求。
[0005]已经开发出了大量方法用于从饮用水中过滤或去除污染物和不期望的元素。这些方法包括沉降、陶瓷或其它过滤器、钙或镁氢氧化物、活性炭、纳米银和化学反应等。这些材料往往用于作为过滤材料并入过滤装置中，如含有过滤材料的外壳，其中水可以穿过以进行过滤。过滤出的颗粒的粒径直接与过滤材料的孔隙度相关。水的过滤通常分为纳孔、介孔和微孔等。
[0006]尽管这些方法和材料各有益处，但是其全部倾向于受限于其所要过滤的，在某些情况下，存在负面的健康隐患和/或高成本，以及使其不能成为纯化饮用水的最理想选择的应用问题。
【发明内容】
[0007]本发明提供新的过滤材料，其是成本有效和环境友好的，还提供由这些材料制造的过滤装置。所述材料是多孔材料，可以用于水过滤装置中以及过滤其它液体。多孔纳米球、具有羧基和/或具有金属化的羧基的纳米球，可以一同或分别地不仅有效地过滤水中的微粒物质，而且在金属化的纳米球的情况下，还能有效地从穿过该过滤材料的水中结合并由此去除砷和氟化物以及其它材料。这与氧化铁或用氧化铁浸溃的氧化铝组合，可以克服在先工艺中的许多与水过滤有关的问题。
[0008]因此，在一个实施方案中，本发明涉及水过滤装置，其包含: a)用银浸溃的羧基化活性炭的第一层；
b )活化的氧化铝、活化的用氧化铁浸溃的氧化铝、以及氧化铁中的至少一种的第二
层；
c)其中如此安排这些层，以使穿过过滤器的水穿过第一层和第二层。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1描绘了水溶性碳纳米球(CNS)的拉曼光谱，显示了在2700(3!^1附近具有泛频混合的D和G带。
[0010]图2是CNS的EDX光谱，显示仅有碳和氧存在。
[0011]图3是纯碳纳米球的SEM图像。
[0012]图4是碳纳米球的TEM图像。
[0013]图5是CNS的HRTEM，显示了具有洋葱型多层同心纳米球的纳米球的尺寸。
[0014]图6是羧基化CNS的SEM图像，显示了尺寸和形状。 [0015]图7是羧基金属化的CNS的SEM图像，显示了纳米球的尺寸。
[0016]图8是羧基化碳纳米球的金属化的图示。
[0017]图9是本发明的过滤器的图示。
[0018]图10是本发明的过滤器的另一实施方案的图示。
[0019]图11是微控制器与本发明的过滤器的关系图。
【具体实施方式】
[0020]尽管本发明易受许多不同形式的实施方案的影响，但是在附图中显示和在此以详细的具体实施方案描述时，应理解所述实施方案的公开应被认为是原则的实例，不用于将本发明限制在所示和所述的具体实施方案中。在下面的说明中，相同的附图标记用于描述附图的若干视图中的相同、类似或相应的部分。此详细说明定义了在此使用的术语的含义，并为本领域内的那些技术人员实施本发明而特别描述了实施方案。
[0021]定义
如在此使用的，术语“一”或“一个”定义为一个或多于一个。如在此使用的，术语“多个”定义为两个或多于两个。如在此使用的，术语“另一个”定义为至少第二个或更多。如在此使用的，术语“包括”或“具有”定义为包含(即，开放语言)。如在此使用的，术语“偶联的”定义为连接的，但不一定是直接连接，也不一定是机械连接。
[0022]本文献至始至终，所指的“一个实施方案”、“特定实施方案”、和“实施方案”或类似术语意味着与该实施方案相关描述的特定性质、结构、或特征被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，所述措辞的出现或在本说明书的不同地方中不必全部指代同一实施方案。而且，特定的性质、结构、或特征可以以任何适合的方式在一个或多个实施方案中不受限制地组合。
[0023]术语“或”在本文中应理解为包括或表示任何一个或任意组合。因此“A、B和/或C，，表示以下任意一个:“A ；B ；C ；A和B ;A和C ；B和C ;A、B和C”。当要素、功能、步骤或动。热解燃烧产生同心球，其为两个或多个球生容器中时(如置于过滤器中),纳米球填充I勺最小量的空隙，并且由于其球状外形而自3611)的空隙，因为当装填球状目标时，有恒5更小，由此通过在球体表面设置额外的基I球体间的空隙中的空间。本发明包括球体体的更高程度的羧基化需要保持与氧化剂羧基化会使球体变为水溶性的，从而，在其:在要被过滤的水中溶解的量。所述量可以主过滤非水流体的情况下，羧基化的量不重
又被金属化。金属化将导致球体变为非水溶以将这些添加物与在球体上具有全部羧基二和金属化的组合的球体结合，或与具有各居期望的孔隙度，非取代球体以及这些取代兹多，空隙越小，由材料过滤出的颗粒越小。液体(如水)中的特定化合物。例如，在某些情况下，已知银可以附着与其结合的细菌，在其它情况下，实际上会杀灭细菌。铁和铝可以分别结合砷和氟化物，并可以类似地利用。本领域技术人员可以基于结合能力、成本和易用性等确定选择何种金属。
[0032]如在此所用的，“碳质材料”是指当热解时可以形成碳质纳米球(尺寸为约25nm_约50nm)的材料。在一个实施方案中，碳质材料是有机材料，其为生物材料，如动物或植物材料。例如，该材料可以是纤维素材料、木材、椰壳、刨花或木屑等。也可以使用其它可以以足够的量热解从而产生足够多的球来制造过滤器的材料。
[0033]如在此所用的，“氧化剂”指可以氧化碳球表面而在该表面上产生羧酸基团的组合物，例如浓或稀硝酸；尽管酸越浓，对球体有破坏。
[0034]如在此所用的，“具有硝酸银的活性炭”指在其上吸附了硝酸银(目的在于抑制细菌生长)的碳颗粒。为了达到该目的，例如，将0.2毫克的硝酸银溶解在一升“蒸馏水”中，以制备2ppm (百万分之一份)的溶液。将约2千克羧基化的活性炭颗粒浸泡在该2ppm的硝酸银溶液中1-2小时。该浸泡过的物质在阳光下干燥，然后加热到180°C，导致用金属银浸溃活性炭。硝酸银被光分解和最终热分解，银浸溃到整个纳米碳羧酸盐/酯中。该用银浸溃的羧基化活性炭以所述形式防止/延迟任何菌生物膜的形成。
[0035]如在此所用的，“活化的氧化铝”是以产生高多孔性材料的方式通过脱羟基制成的氢氧化招。为了用氧化铁对其活化，(氧化招重量的)10%的硫酸亚铁溶液,在50-150mL水中，被添加到氧化铝颗粒(尺寸0.5-2mm)中，温和地充分混合。添加10%氨溶液，直到上清液的PH变为6-7。氧化铝颗粒变绿。将该绿色颗粒置于空气中，充分震荡以在大气中自动氧化。结果，绿色颗粒变为橙红色。在烘箱中，将该空气干燥的橙红色氧化铝颗粒加热到400°C并保持I小时。然后，使烘箱冷却到室温。这样，该橙红色氧化铝即可用作水中存在的氟化物和砷的吸附剂。
[0036]在一个实施方案中，过滤器可以与微控制器结合。微控制器可以控制水是否穿过过滤器，或者过滤器是否需要更换。因此，例如，如果过滤器需要更换，可以关闭过滤器。在另一个实施方案中，过滤器由微控制器数字识别，从而一旦过滤器被用完，微控制器将不再允许其被再次使用，以防止用过的过滤器的再利用或超过使用寿命使用。
[0037]纳米球的制备
通过碳质材料在不充分的空气下热解制备同心碳纳米球(CNS)。碳质材料可以是任何能够热解(600-850°C)产生纳米球的材料，但是在一个实施方案中，其为天然材料，如生物学的动物或植物材料。实例包括，但不限于，椰壳、刨花、和木屑。也可以包括纤维素材料和木材。
[0038]在一个实施方案中，在狭窄的(confined)室中，在吹空气流下,对碳质材料施加火焰/热，其中使碳质材料灼烧。在保持室温在约600-850°C下，在从室底部而来的空气流下，从室顶部的出口连续喷出蒸馏副产物，如木质酸。该过程进行若干小时，并取决于给料的量。当油性副产物停止从顶部出口排出时，通过喷雾缓慢引入水，产生的蒸汽被分散并与残留的副产物一同移出。冷却残留物质。用醇萃取该物质，去除痕量的可溶性有机副产物，尤其是可被捕获在孔(球体间的空隙)中并空气干燥的产物(如木质酸)。为了相同的目的，也可以用10%的氢氧化钠溶液洗涤。粉碎该干燥的物质并使用适合的筛网尺寸得到期望尺寸的碎片，其含有多个碳纳米球(大尺寸的，在毫米范围)，而单独的球体如SEM照片中所示其它抗衡离子，并加热到约1001以产生金都是具有各种孔隙度的活性炭。
者根据期望的过滤目标或过滤器或过滤器丨而定，例如置于水流中，或者通过重力或者搭固定器等中，或者可以制造在线应用的定，在重力过滤的情况下，根据要过滤出的物在高压过滤的情况下，实际上可以使用任料即可。当由是由低成本材料制备的器以独特的整合方式捕获或结合有毒金属和工业有机分子(如杀虫剂和芳香烃)、以〔水的盐度。本发明相比竞争发明的优势在几和生物相关有毒物质，以使水可以安全饮良氧、紫外辐射、氯化、或反渗透来去除病原氧体捕获在的孔中和表面，无需任何能以特定比例具有氧化铁涂覆的氧化铝。如上所述制造圆筒形状的该复合材料混合物。在水主要含有氟化物的选择区域，氧化铝小球与银浸溃的纳米碳颗粒一起使用。在水主要含有砷的区域，则通过加热到约400°C活化的氧化铁小球与银浸溃的纳米碳颗粒一起使用。在主要含有氟化物但含有痕量的砷的区域，则用纳米氧化铁处理过的氧化铝将与银浸溃的纳米碳颗粒一起使用。当砷和氟化物都存在于水中时，则根据(砷或氧化铝)哪一个含量更高，按比例使用氧化铝小球和氧化铁小球。同时也将使用银浸溃的纳米碳颗粒。
[0044]根据基于水的质量的需要，银浸溃纳米碳对铁涂覆的氧化铝和氧化铁小球的比例的相对变化将提供各种版本的过滤器滤芯。如果仅仅(a)有机分子，如石油产品、杀虫剂、除草剂(b)微生物、致病性大肠杆菌、病毒和(C)重金属，如汞或镉或铅，存在于水中，那么仅活性炭即有效。如果水还被氟化物污染，那么在滤芯中需要适当量的铁处理的氧化铝。类似地，如果水还被砷污染，那么适当量的氧化铁小球与银浸溃碳一起包括在混杂过滤滤芯中。借助于粘合剂(如聚丙烯和聚乙烯)而粘合的过滤器材料增加了水穿过压缩的混杂碳纳米过滤器的筒状壁时的接触时间。相比于疏松颗粒形式的过滤器材料，这提高了过滤的性能。
[0045]在图9所示的一个实施方案中，过滤器I包含以下水平层或由它们构成。未过滤的水进入过滤器I的顶部2，与过滤器的最顶层5接触，其包含或由银浸溃的碳纳米球构成。接着根据在要过滤的水中是否存在氟化物或砷以及它们的水平，杀虫剂中间层4包含或由用氧化铁处理过的活化的氧化铝、活化的氧化铝小球和/或氧化铁小球构成。最后的层3包含或由钙基膨润土和Somelite构成，以去除任何痕量的细菌、毒素和重金属。另外，该最后的层有助于提升水的味道。最后，从过滤器的底部移出过滤的水。
[0046]过滤器可以是任何方便的尺寸的。处理过的碳材料和氧化铁浸溃的氧化铝或氧化铁小球可以单独置于不同的分区(这样做是为了使碳在使用后容易再生)。在一个实施方案中，其可以如下工作:
未过滤的水通过顶部进入以进行过滤。滤器(strainer)将碳和氧化铝分别保持在各自的室中。过滤材料用螺旋式过滤器保持在位置上(分别为碳和氧化铝)。水通过进水孔进入所述过滤室并具有额外的微粒室(步骤I)来捕获悬浮微粒。存在一个阀以调节流动。还包含用于产生回流的装置，用于冲洗目的。在穿过两个过滤器后，水储存在小储水器中。在需要时，过滤的水穿过适当的阀排出。
[0047]该重力型过滤器无需能量即可操作——使用重力运行。其还使用纳米碳和纳米银、纳米氧化铁、和纳米氧化铝来捕获所有生物的、有机的和无机的有毒物质。其不需要高水平的技术来操作，没有机械零件会磨损和需要置换，并且与一般类型的系统相比，其具有简单的管路系统。碳和氧化铝可以再生和重复利用(循环)。过滤器去除细菌以及氟化物和砷(比传统的系统去除更多的氟化物)。
[0048]当制作小尺寸的重力过滤器时，滤芯在使用后可以丢弃，根据滤芯的需要，可以仅使用碳或使用碳与用氧化铁处理过的氧化铝，或碳与氧化铁，或碳与氧化铝和氧化铁。
[0049]自来水过滤器(可以连接在水龙头等上)如图10所示。零件和层具有指定的材料，但是待过滤的水2进入过滤器的中心，并被水流的压力水平推动，以在过滤器的外侧上产生过滤的水6。其还去除细菌、其它有毒有机和生物污染物、有毒重金属以及氟化物和砷(t匕传统系统去除更多的氟化物)。其小且便携，仅需要高置罐(overhead tank)水压力，甚至在建筑的最高层也能工作。滤芯的更换用闪光指示灯来指示(绿——安全、黄——准备更换、将得到的块状物粉碎和加热到1001以使
)
6状氧化铝，浸泡几小时。通过添加5%的氨.附着在氧化招表面上。而后将该材料在空勺氧化铁。然后在马弗炉中将该氧化铁浸溃I酸铵和水，使材料(氧化铁浸溃的氧化铝)离子。
吏用50克活化的用氧化铁浸溃的氧化铝测I一份)水平的氟化物离子的水以每小时5I再过滤350升氟化物的水平为2卯0的水。责的氧化铝过滤床，去除掉了 1.18氟化物。，调节流速。:化铁浸溃的氧化铝(过滤床)和53升含有[0058]图4是图3中的纯纳米球的TEM图像。
[0059]图5是相同的纯同心碳纳米球的HRTEM，显示了它们的尺寸为约25nm_约50nm。
[0060]图6显示了本发明的羧基化碳纳米球的SEM图像。
[0061]图7显示了本发明的金属化同心碳纳米球的SEM图像。
[0062]图8是三种类型的同心碳纳米球的描述同心球的横截面图示。在每个球中，碳纳米球被羧基化，以产生羧基化的碳纳米球，然后被金属化以产生金属化的碳纳米球。
[0063]本发明涉及的那些领域的技术人员，特别是考虑到在先的教导之后，可以进行修改得到其它实施方案，其使用本发明的原则，不背离其精神和特征。因此，所述实施方案被认为在所有方面仅作为解释说明，不作为限制，本发明的范围因此通过所附权利要求书而不是在先的说明或附图来指明。从而，尽管本发明已经参考特定实施方案进行了描述，对于本领域内的技术人员而言，对结构、顺序、材料等的显而易见的修改仍落入本发明人要求的本发明的范围内。
【权利要求】
1.水过滤装置，包含： a)用银浸溃的羧基化活性炭的第一层； b )活化的氧化铝、活化的用氧化铁浸溃的氧化铝、以及氧化铁中的至少一种的第二层； c)其中如此安排这些层，以使穿过过滤器的水穿过第一层和第二层。
2.权利要求1的水过滤装置，后面还包含somelite和膨润土中的至少一种的第三层。
3.权利要求1的水过滤装置，其中所述层的过滤材料用粘合剂保持在一起。
4.权利要求3的水过滤装置，其中所述粘合剂选自二氧化硅、聚丙烯和聚乙烯。
5.权利要求1的水过滤装置，其为重力水过滤器。
6.权利要求1的水过滤装置，其为自来水过滤器。
7.氧化铁活化的氧化铝。
8.权利要求1的水过滤装置，其还与控制过滤器应用的微控制器结合。
9.权利要求8的水过滤装置，其中所述微控制器控制水穿过过滤器的通路和何时更换过滤器中至少其一。
【文档编号】B82Y40/00GK104028044SQ201310218809
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2013年3月8日
【发明者】S.萨卡, A.阿拉姆, I.阿拉姆 申请人:碳纳米激活技术公司