納米纖維復(fù)合材料過濾器、制造該材料的方法和過濾系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2008年11月21日、申請(qǐng)?zhí)枮?00880132427.X、發(fā)明名稱為"多孔 塊納米纖維復(fù)合過濾器"的原案申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 合同來源
[0003] 根據(jù)美國能源部（United States Department of Energy)和可持續(xù)能源聯(lián)盟有 限公司（Alliance for Sustainable Energy,LLC)(國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory)的管理者和經(jīng)營者）之間的第DE-AC36-08G028308號(hào)合同， 美國政府享有本發(fā)明的權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及多孔塊納米纖維復(fù)合材料過濾器，用于制造多孔塊納米纖維復(fù)合材料 的方法和過濾系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0005]為各種目的正在開發(fā)和使用許多類型的納米級(jí)別的材料。已經(jīng)生產(chǎn)出具有相對(duì)小 直徑(例如納米級(jí)別的）和非常長的長度的各向異性納米級(jí)別纖維，因此使得這樣的納米級(jí) 別的纖維為"高長寬比"材料。許多這些納米級(jí)別的纖維具有獨(dú)特的性質(zhì)，使得它們能夠有 希望成為許多各種不同的應(yīng)用的候選材料，例如過濾介質(zhì)的應(yīng)用的候選材料。
[0006]已有用于制造納米級(jí)別的尤其是具有過濾效用的氧化鋁顆粒的方法。例如，可以 對(duì)具有大約25nm至大約500nm級(jí)別的直徑和對(duì)應(yīng)的大約10m2/g至大約70m2/g的表面積的球 形氧化鋁顆粒進(jìn)行溶液處理，以產(chǎn)生尤其是具有在大約200m2/g至高達(dá)大約600m 2/g的范圍 中的良好的表面積的Y和/或a氧化鋁的納米纖維。在另一例子中，可以對(duì)粗勃姆石納米纖 維進(jìn)行水熱和退火處理以獲得具有類似性質(zhì)的納米纖維，退火通常引起顆粒生長和表面積 減小。
[0007]相關(guān)領(lǐng)域的前述例子及其相關(guān)缺陷是用于例證，不排除其它的例子和缺陷。通過 閱讀說明書和研究附圖，相關(guān)領(lǐng)域的其它缺陷對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]下列實(shí)施方式及其方面是結(jié)合用于示例和舉例而非限制范圍的系統(tǒng)、工具和方法 來描述和舉例說明的。在各種實(shí)施方式中，減少或消除了上述的一個(gè)或多個(gè)問題，而其他實(shí) 施方式針對(duì)的是另外的改進(jìn)?？紤]到上文，本文描述的進(jìn)展的總的方面可以包括提供多孔 塊納米纖維復(fù)合材料產(chǎn)品，該產(chǎn)品包含具有一個(gè)或多個(gè)孔的多孔塊和在至少一個(gè)孔內(nèi)形成 的多個(gè)無機(jī)納米纖維。非限制性的示例尤其包括碳多孔塊和勃姆石納米纖維。
[0009]本文的另一方面可以包括用于制造多孔塊納米纖維復(fù)合材料的方法，該方法包括 在處理室的水中提供多孔塊和鋁前體材料;水熱法產(chǎn)生多孔塊納米纖維復(fù)合材料產(chǎn)品。據(jù) 此產(chǎn)生的基礎(chǔ)纖維可以是勃姆石。其它可能的前體可以包括類似處理過的二氧化鈦(Ti0 2) 或者氧化鐵。另外的可選方面可以包括退火，例如在退火中，取決于溫度，勃姆石被退火成 Y或者a氧化鋁。另外的可選方面可以包括包含多孔塊納米纖維復(fù)合材料產(chǎn)品作為過濾介 質(zhì)的活性成分。
[0010] 除了上述的示例性方面和實(shí)施方式，通過參考附圖和研究下文的說明，更多的方 面和實(shí)施方式將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0011] 參考附圖對(duì)示例性的實(shí)施方式進(jìn)行了說明。本文公開的實(shí)施方式和附圖的目的被 認(rèn)為是例證性的，而不是限制性的。
[0012] 圖1是根據(jù)本文所描述的實(shí)施方式的示例性過濾系統(tǒng)的示意圖；
[0013]圖2A和圖2B是突出顯不個(gè)或多個(gè)圖不的孔的多孔塊的不意圖；
[0014]圖3是多孔塊納米纖維復(fù)合材料的孔的示意圖；
[0015 ]圖4是方法的流程圖；
[0016]圖5是本文示例的X-射線衍射圖(XRD);
[0017]圖6A和圖6B提供了本文示例的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；
[0018]圖7A、圖7B和圖7C提供了本文另一示例的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；
[0019] 圖8是本文另外的示例的X-射線衍射圖(XRD)特征；
[0020] 圖9A和圖9B提供了本文的再另外的示例的透射電子顯微鏡(TEM)圖；
[0021]圖10提供了本文的再另外的示例的再另外的透射電子顯微鏡(TEM)圖；
[0022]圖11提供了本文的再另一的示例的再另一的透射電子顯微鏡(TEM)圖；和 [0023]圖12是鈦酸鹽納米管和銳鈦礦Ti02納米棒的X-射線衍射(XRD)掃描。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本文提出了系統(tǒng)、裝置、復(fù)合物和/或其制造方法或使用方法，其包含在多孔塊的 孔上沉積的或者在多孔塊的孔內(nèi)形成的納米纖維材料，以提供一個(gè)或多個(gè)能用作具有良好 的過濾特性的過濾介質(zhì)的復(fù)合材料產(chǎn)品。更具體的說，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，本文提供非有機(jī) 納米纖維，以及其制造和使用方法，所述非有機(jī)納米纖維例如為氧化鋁或者類似物質(zhì)，作為 一個(gè)具體的示例包括勃姆石(A1(0)0H)，所述非有機(jī)納米纖維在多孔過濾塊的孔中生長，該 多孔過濾塊在一些示例中為多孔碳。參考附圖和下文的描述可以更好的理解示例性的納米 纖維多孔塊復(fù)合材料及其制造和使用方法，盡管應(yīng)當(dāng)理解的是可以使用各種可替代的多孔 塊、非有機(jī)納米纖維和制造方法。
[0025] 首先參考圖1，其所示為流通型過濾系統(tǒng)10的整體圖，本文的改進(jìn)可以應(yīng)用到其上 或用于該系統(tǒng)。更具體的，過濾系統(tǒng)10可以包括多孔過濾塊100或者根據(jù)下文所述進(jìn)行改進(jìn) 的改進(jìn)塊110。塊100或110可以如圖所示設(shè)置在系統(tǒng)10的流通室101內(nèi)。在這樣的系統(tǒng)10中， 流體可以經(jīng)由入口 102進(jìn)入(例如參見輸入流動(dòng)箭頭），然后流過多孔過濾塊100或110(虛線 流動(dòng)箭頭），并經(jīng)由出口 103流出（出口流動(dòng)箭頭）。在根據(jù)本文的改進(jìn)的許多示例中，流體是 具有要經(jīng)由該多孔過濾塊100/110以從中過濾的一種或多種污染物或雜質(zhì)的水。注意，塊和 系統(tǒng)僅示意性地顯示在圖1中，大量的潛在的可替代的不受圖1的物理形態(tài)所限制的實(shí)現(xiàn)方 式可以包含本文的一個(gè)或多個(gè)特征，而不管尺寸、規(guī)模、外形或者運(yùn)行方式怎樣。
[0026]圖2A和圖2B顯示具有多個(gè)孔200的塊100的更詳細(xì)的示意圖，通過本文所描述的改 進(jìn)，該塊100從圖2A的上部視圖變成下部視圖，獲得具有改進(jìn)的孔結(jié)構(gòu)210的改進(jìn)塊110,改 進(jìn)的孔結(jié)構(gòu)中或者其上生長有如下文所描述的納米纖維。圖2B中所示為示意性的其中設(shè)置 有多個(gè)納米纖維211的孔結(jié)構(gòu)210的放大圖。圖3接著提供了示意性的功能圖，其中顯示流體 300流動(dòng)通過并進(jìn)入孔210,在孔210中，其與一個(gè)或多個(gè)納米纖維211以及基底材料250接 觸。在如在下文中更詳細(xì)描述的例如水過濾通過多孔碳?jí)K的示例中，水與碳的接觸能夠具 有已知的有益效果以及由納米纖維所提供的附加效果。更具體的，碳能移除一些污染物或 者雜質(zhì)，例如不良有機(jī)物和/或一些元素或者分子，例如氯或氯胺;然而，增加了本文的納米 纖維，可以發(fā)現(xiàn)能夠另外移除生物病原體(例如為病毒或者細(xì)菌)或者其它微粒、有機(jī)或無 機(jī)的或者毒性元素(例如為重金屬)的附加功能。
[0027] 在圖3的示例中所示的外部的基底材料250可以可選地表示外部多孔膜，且在該外 部多孔膜的孔的內(nèi)部中生長有納米纖維結(jié)構(gòu)。因此，這里的多孔基底內(nèi)的孔可以是多孔塊 內(nèi)的孔或者多孔膜內(nèi)的孔，或者多孔塊和多孔膜內(nèi)的孔，然而，不論哪種情況，納米纖維在 孔內(nèi)形成。外部多孔膜還可以與多孔炔基底一起使用，以便例如，這樣的膜可以用于包含納 米纖維211和/或用作納米纖維的任意支撐介質(zhì)110。因此，多孔塊可以具有例如本文所描述 的碳的第一功能屬性;設(shè)置在該多孔塊的孔內(nèi)的納米纖維的第二屬性;和同時(shí)或者可選地 具有在其孔內(nèi)形成的納米纖維的外部多孔膜的第三屬性。
[0028] 示例性的多孔塊納米纖維復(fù)合材料產(chǎn)品可以以下