專利名稱：使用納米材料純化流體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本揭示涉及一種納米結(jié)構(gòu)材料，其包含選自經(jīng)浸漬、官能化、摻雜、充電、涂布和輻射納米管的缺陷型碳納米管。本揭示也涉及使用所述納米結(jié)構(gòu)材料純化諸如液體和氣體的流體。本揭示也涉及使用所述納米結(jié)構(gòu)材料純化水。
背景技術(shù)：
存在許多處理用于消耗、使用、處理和其他需求的流體的程序和方法。在最流行的方法中，巴氏滅菌法用于消毒食品，化學(xué)處理法用于消毒水，蒸餾法用于純化液體，離心法和過濾法用于移除微粒，傾析法用于分離流體的兩相，反滲透法用于液體脫鹽，電滲析法用于液體脫鹽且催化方法用于將不需要的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)品。這些方法中的每一種方法均很好地適用于具體應(yīng)用，因此方法組合通常用于最終產(chǎn)品。
納米技術(shù)材料的一個發(fā)展前景是，與其傳統(tǒng)對應(yīng)物相比較，納米技術(shù)材料將幫助事情更經(jīng)濟(jì)地完成。在液體純化領(lǐng)域中，任何可降低總成本、簡化過程并提高效率的技術(shù)將是十分有利的。
將通過使用納米材料純化技術(shù)來改良這些方法中的許多方法。納米多孔材料將適用于移除微生物、微米尺寸微粒和其他微細(xì)材料。用納米材料制成的反滲透膜可有助于促進(jìn)水流經(jīng)膜。將堅固的納米材料并入上述方法中的任何方法中將降低所有這些組分的重量。但是，有兩種方法似乎尤其可能用于納米材料流體純化消毒法和脫鹽法。
消毒法許多不同技術(shù)可用于液體消毒。吸附、化學(xué)處理、臭氧消毒和UV輻射都可很好地移除致病微生物。然而，這些技術(shù)中的每一種技術(shù)都有其局限性，包括總體功效、起始及操作成本、副產(chǎn)品風(fēng)險、必需的液體預(yù)處理、所使用或所產(chǎn)生的有毒化合物和其他局限性。
盡管化學(xué)方法在用途上最為廣泛，但是其具有許多缺點。所述缺點包括增加微生物對其破壞性效應(yīng)的適應(yīng)性(例如隱孢子蟲(cryptosporidiumparvum))、與使用氯和儲存相關(guān)聯(lián)的安全危害以及環(huán)境影響。UV正在得到普遍使用，但為了使其更有效液體必須澄清，UV不會破壞任何生物膜的形成，而且安裝和操作非常昂貴。
在諸如水和廢水工廠的工業(yè)及市政應(yīng)用中，三種最廣泛使用的液體消毒方法是臭氧、氯和紫外輻射。美國環(huán)境保護(hù)局的最近公告已鑒定各方法的優(yōu)勢和不足。
臭氧在破壞病毒和細(xì)菌方面較氯更有效，其具有較短的有效接觸時間(10-30分鐘)，當(dāng)其快速分解時不會留下有害殘留物，且就地加以產(chǎn)生，因此無運輸風(fēng)險。另一方面，低劑量的臭氧可能是無效的，其較UV或氯更復(fù)雜，具有很強(qiáng)的反應(yīng)性和腐蝕性、毒性，資本成本較高且動力要求較高。
氯較臭氧或UV更經(jīng)濟(jì)，其殘留物可延長消毒作用，其可靠且可有效抵抗一定范圍的致病生物，且其提供靈活的給料控制。盡管如此，氯仍具有顯著風(fēng)險，包括以下事實氯殘留物對水生生物是有毒的，氯是腐蝕性的并且是有毒的，有機(jī)物質(zhì)的氯氧化作用會產(chǎn)生有害化合物，且某些寄生生物已顯示抗性。此外，氯可與天然有機(jī)材料結(jié)合以產(chǎn)生對飲用有害的致癌化合物。
紫外輻射已使用相當(dāng)長時間，因為其有效滅活大多數(shù)孢子、病毒和孢囊，消除化學(xué)藥品的處理風(fēng)險，不會留下有害殘留物，操作者容易掌握使用，需要很短的有效接觸時間(20-30秒)且僅需要較少空間。UV輻射的缺點包括低劑量時可能無效；有機(jī)體有時可逆轉(zhuǎn)并修補(bǔ)UV損壞；管可堵塞，需要頻繁的預(yù)防性維護(hù)；混濁可引起UV無效，動力要求很高。此外，危險的UV燈的處理較昂貴。
針對已知消毒方法的不足，已嘗試了很多新方法。例如，第6,514,413號美國專利揭示使用復(fù)合殺菌吸附材料，所述文獻(xiàn)以引用的方式并入本文中。然而，已顯示所述殺菌吸附材料易于遭到生物堵塞和連續(xù)繁殖的細(xì)菌完全生長。第09/907,092號美國專利申請案揭示便攜式氧化劑發(fā)生器，其產(chǎn)生用于消毒被污染飲用水的氯或氯-氧溶液。第6,495,052號美國專利揭示用于處理水的系統(tǒng)和方法，其將殺菌劑引入水中，然后在飲用前將殺菌劑移除。第10/029,444號美國專利申請案揭示一種方法，其中水經(jīng)受來自激光器的光以作為消毒方式。
然而，這些方法再次依靠高電力輸入、有毒化學(xué)藥品或較長的有效接觸時間。仍需要具有最小能量要求、利用無毒化學(xué)藥品并僅需很短接觸時間、且可在便攜式裝置中得以體現(xiàn)的方法。
脫鹽法液體脫鹽對飲用水、生物流體、藥物、化學(xué)藥品、石油及其衍生物和許多其他液體非常有用。此外，水脫鹽是有益的，因為地球上少于0.5％的水可直接適合于人類飲用、農(nóng)業(yè)或工業(yè)使用。因此，在全世界范圍內(nèi)，人們發(fā)現(xiàn)脫鹽法越來越有利于自含鹽地下水和海水生產(chǎn)飲用水，因為其使得另外的約99.5％的水可飲用。
全世界估計有4,000家水脫鹽工廠，擁有每天超過3,500兆加侖(mgd)的組合生產(chǎn)能力。約55％的這種生產(chǎn)能力在中東且17％在美國，其中多數(shù)用于工業(yè)用途。目前在美國脫鹽水占到家用及工業(yè)目的所消耗的水的約1.4％。
大體上有五種基本脫鹽方法熱法、反滲透法、電滲析法、離子交換法和冷凍法。熱法和冷凍法將淡水從鹽水中移除，留下濃鹽水。反滲透法和電滲析法使用膜將鹽與淡水分離。離子交換法包括將鹽水通過樹脂，把不需要的溶解離子交換成更需要的離子。目前僅熱法和反滲透法具有商業(yè)可行性。
第5,217,581號和第6,299,735號美國專利說明熱法包括煮沸或蒸發(fā)鹽水并將蒸氣冷凝為淡水，從而留下較濃的鹽水溶液，所述文獻(xiàn)以引用的方式并入本文中。與其他方法相比較，脫鹽法的能量要求相對較高。脫鹽法在中東廣泛用于處理海水，部分因為其所需能量不會隨給水鹽度的增加而明顯增加。
如第3,462,362號美國專利所述，反滲透法是一種膜方法，其利用淡水通過半透膜進(jìn)入鹽溶液的趨勢，藉此稀釋更濃的鹽水。淡水好像其上存在壓力一樣通過膜，這稱為滲透壓。通過在半透膜的一邊對鹽水施加很高壓力，可強(qiáng)迫淡水以與滲透流相反的方向通過膜。這種方法被稱為反滲透法。盡管反滲透法需要較強(qiáng)能量(以產(chǎn)生高壓)，但其能量要求一般仍低于蒸餾法，雖然其使用給水不如其他方法有效。此外，膜非常昂貴、精密并易于堵塞。
電滲析法脫鹽是一種將污染物和鹽從液體中移除的膜方法，其通過使用電流推動離子雜質(zhì)通過離子選擇性膜并離開經(jīng)處理液體。使用兩種類型的離子選擇性膜——一種允許正離子通過且一種允許電解池中電極之間的負(fù)離子通過。使用電力克服離子通過離子選擇性膜的阻力。阻力越大，電力需求越大，且因此能量成本將隨阻力的增加而增加。當(dāng)施加電流以驅(qū)動離子時，淡液體留在膜間。電滲析法所需電量隨料液鹽度的增加而增加，且因此其操作成本增加。
離子交換樹脂用鹽離子替換氫和氫氧根離子。許多市區(qū)使用離子交換法軟化水，且工業(yè)上一般使用離子交換樹脂作為反滲透法或電滲析法后的最終處理以產(chǎn)生非常純凈的水。離子交換法的主要成本是維護(hù)或替換樹脂。水中所溶解鹽的濃度越高，樹脂就越需要經(jīng)常再生，因此離子交換法很少用于大規(guī)模移除鹽。
冷凍法包括三個階段部分冷凍鹽水，于其中產(chǎn)生淡水冰晶；將這些冰晶從鹽水中分離；然后熔融冰晶(例如第4,199,961號美國專利)。冷凍法較其他方法具有某些優(yōu)勢，因為其僅需要較低能量且其低操作溫度使腐蝕和結(jié)垢問題最小化。冷凍法的能量要求很高，且一般與反滲透法相當(dāng)。冷凍技術(shù)仍在探索和研發(fā)中，且不能得到廣泛部署。冷凍技術(shù)對于便攜式脫鹽裝置來說不是一種可兼容的技術(shù)。
已發(fā)明了許多電容器以用于脫鹽目的。第4,948,514號美國專利揭示用以從液體中分離離子的方法和設(shè)備。第5,192,432號美國專利揭示用以從液體中分離離子的類似“流通電容器”方法。但是未發(fā)現(xiàn)這些裝置的大規(guī)模用途，因為其不具有商業(yè)可行性。

發(fā)明內(nèi)容
本揭示涉及基于納米技術(shù)材料的流體純化方法，從而解決上述問題。本揭示的一方面涉及納米結(jié)構(gòu)材料，其包含選自經(jīng)浸漬、官能化、摻雜、充電、涂布和輻射納米管的缺陷型碳納米管?！凹{米結(jié)構(gòu)”是指具有納米尺寸(例如十億分之一米)的結(jié)構(gòu)，諸如在原子或分子水平下?！凹{米結(jié)構(gòu)材料”為包含至少一種上述碳納米管組分的材料?！凹{米膜”為由納米結(jié)構(gòu)材料組成的膜。缺陷型碳納米管為在至少一個碳環(huán)中含有晶格畸變的那些碳納米管。晶格畸變意謂形成管狀薄片結(jié)構(gòu)的碳納米管原子晶格的任何畸變。非限制性實例包括因為非彈性變形、或存在5和/或7元碳環(huán)、或化學(xué)相互作用和隨后的碳原子鍵sp2雜化的變化所導(dǎo)致的任何原子位移。
本揭示的另一方面涉及大體上由碳組成的延長型碳納米管，其中納米管因晶體缺陷而產(chǎn)生畸變，類似于上文所述情況。在這個實施例中，納米管由于缺陷而畸變至以下程度使得當(dāng)處理納米管時，其具有顯著更強(qiáng)的化學(xué)活性，從而允許所述納米管與本不可與未畸變和/或未處理的納米管反應(yīng)或鍵合的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)或鍵合。
在本發(fā)明的一方面，碳納米管以足以大體上破壞、改變、移除或分離與納米結(jié)構(gòu)材料相接觸的流體中的污染物的量存在于納米結(jié)構(gòu)材料中。處理碳納米管以達(dá)成所述性質(zhì)。例如，化學(xué)處理碳納米管可導(dǎo)致所得納米管具有至少一個至少部分開口的末端。從流體流動觀點或從官能化觀點來看，具有所述末端的納米管可提供獨特性質(zhì)，例如使得所述末端的能力可加以特別官能化。
在本發(fā)明的另一方面，用于浸漬、官能化、摻雜或涂布碳納米管的材料以足以將流體或其組分主動和/或選擇性地輸送入碳納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的量存在。這種材料可包含選擇性地輸送入碳納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的相同材料。
例如，可首先用砷離子浸漬用于從流體移除砷的納米結(jié)構(gòu)材料。這些砷離子被稱為“靶離子”?！鞍须x子”一般包含浸漬(官能化、摻雜或涂布)入碳納米管中并與在待凈化或純化的流體中所發(fā)現(xiàn)的污染物離子相同的離子。
本文中所使用的“經(jīng)浸漬”意謂碳納米管是至少部分地由如上所示的相關(guān)材料填充，所述材料可包含有待從被污染流體中移除的污染物的相同離子。通過將靶離子浸漬入碳納米管中，填裝或“激發(fā)”納米管及實際上由納米管制成的納米結(jié)構(gòu)以接受和/或吸引在被污染流體中所發(fā)現(xiàn)的那些相同離子。
盡管上述實例涉及浸漬離子，但相同方法適用于通過所述程序(例如官能化、摻雜、涂布及其組合)中的任何程序用所需離子激發(fā)或填裝碳納米管。經(jīng)摻雜碳納米管是指在納米結(jié)構(gòu)材料中存在除碳以外的原子。
關(guān)于浸漬，可制造由經(jīng)靶離子浸漬的碳納米管組成的離子特異性分離裝置。關(guān)于這個裝置，制造經(jīng)浸漬納米管以致于可通過電磁或聲學(xué)構(gòu)件或通過直接電連接或物理連接來誘導(dǎo)電子流或聲子流，且經(jīng)浸漬納米管具有可通過官能化化學(xué)打開以產(chǎn)生離子通道的缺陷部位。
在通過用靶污染離子至少部分填充碳納米管以激發(fā)碳納米管的過程中，將在納米管的空心區(qū)域中產(chǎn)生離子特異性量子阱，歸因于碳納米管的形態(tài)所界定的準(zhǔn)一維特性。當(dāng)離子通過納米管移動或流動時，這將產(chǎn)生“預(yù)設(shè)計”或離子特異性阱。當(dāng)離子在納米管中移動時，在納米管的準(zhǔn)一維量子結(jié)構(gòu)中留下離子特異性阱。
當(dāng)經(jīng)離子污染的流體與含有靶離子的經(jīng)處理“預(yù)設(shè)計”納米結(jié)構(gòu)材料相接觸時，靶離子將能夠通過吸附并填充納米管中的離子特異性阱使其自由能最小化。在納米管中添加靶離子將引起阻力變化，其將引發(fā)電流和/或聲流響應(yīng)，從而移動至少一個離子穿過納米管并離開系統(tǒng)。視納米結(jié)構(gòu)裝置納米管所填充的離子而定可設(shè)計或重新設(shè)計材料。
當(dāng)離子濃度變化時，裝置將無需消耗動力，因為僅當(dāng)存在靶離子時才需要動力。內(nèi)建自限制方法將利用當(dāng)流體中無靶離子時無需動力移除它們的事實。
視有待自被污染流體移除的污染物而定，靶材料或用于浸漬、官能化、摻雜或涂布碳納米管的材料可包含至少一種選自氧、氫、離子化合物、鹵化化合物、糖、醇、肽、氨基酸、RNA、DNA、內(nèi)毒素、金屬有機(jī)化合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物和元素金屬及其合金的化合物。
氧化物包含此項技術(shù)中一般使用的任何熟知氧化物，諸如碳、硫、氮、氯、鐵、鎂、硅、鋅、鈦或鋁的氧化物。
一方面，納米結(jié)構(gòu)材料包含置于并視情況通過超聲處理分散于液體、固體或氣體介質(zhì)中的碳納米管?？赏ㄟ^機(jī)械力或選自機(jī)械、化學(xué)、電磁、聲場和光場或其組合的場將碳納米管維持在所述介質(zhì)中。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解聲場包含空腔中噪聲的特定頻率從而形成使碳納米管維持在大體上靜態(tài)位置的駐波。
類似地，光場可包含由激光通過全息圖產(chǎn)生的光學(xué)鑷子的單一或主動陣列。
其中一般可發(fā)現(xiàn)碳納米管的固體介質(zhì)包含至少一種選自纖維、基質(zhì)和粒子的組分，各組分可包含金屬、陶瓷和/或聚合材料。在固體介質(zhì)中，碳納米管與纖維、基質(zhì)和粒子(諸如直徑高達(dá)100微米)互連和/或連接以形成納米膜。
通過數(shù)目分布測定粒子尺寸，例如具有特定尺寸的粒子數(shù)目。一般用顯微技術(shù)測量所述方法，諸如用經(jīng)校準(zhǔn)的光學(xué)顯微鏡、經(jīng)校準(zhǔn)的聚苯乙烯珠和經(jīng)校準(zhǔn)的掃描力顯微鏡或掃描電子顯微鏡或掃描隧道顯微鏡和掃描電子顯微鏡。在Walter C.McCrone等人的The Particle Atlas(顆粒識別技術(shù)的百科全書)，第I卷，Principles and Techniques，第二版(Ann Arbor Science Pub.)中教示測量本文所述尺寸的粒子的方法，其以引用的方式并入本文中。
在本發(fā)明的不同方面，固體介質(zhì)的聚合材料包含單組分或多組分聚合物(有利的是其中多組分聚合物具有至少兩個不同玻璃轉(zhuǎn)化溫度或熔融溫度)、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、Nomex(聚間苯二甲酰間苯二胺)、Kevlar(聚對苯二甲酰對苯二胺)、PEEK(聚醚醚酮)、Mylar(聚對苯二甲酸乙二酯)、維通(viton)(維通含氟彈性體)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、鹵化聚合物(諸如聚氯乙烯(PVC))、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
通過將材料加熱至具有非彈性變形的溫度來測量本文所述多組分聚合物的至少兩個不同的玻璃轉(zhuǎn)化溫度或熔融溫度。
在本發(fā)明的一方面，固體介質(zhì)的陶瓷材料包含下列物質(zhì)中的至少一種碳化硼、氮化硼、氧化硼、磷酸硼、具有尖晶石或石榴石結(jié)構(gòu)的化合物、氟化鑭、氟化鈣、碳化硅、碳及其同素異形體、氧化硅、玻璃、石英、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳化鋯、硼化鋯、亞硝酸鋯、硼化鉿、氧化釷、氧化釔、氧化鎂、氧化磷、堇青石、富鋁紅柱石、氮化硅、鐵素體、藍(lán)寶石、塊滑石、碳化鈦、氮化鈦、硼化鈦及其組合。
在本發(fā)明的另一方面，固體介質(zhì)的金屬材料包括下列元素中的至少一種鋁、銅、鈷、金、鉑、硅、鈦、銠、銦、鐵、鈀、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、鎳、銀、鋯、釔，及其合金(包括鐵合金，即鋼)。
其中可發(fā)現(xiàn)碳納米管的液體介質(zhì)包括水、油、有機(jī)和無機(jī)溶劑，以及氮和二氧化碳的液體形式。
其中可發(fā)現(xiàn)碳納米管的氣體介質(zhì)包括空氣或選自氬、氮、氦、氨和二氧化碳的氣體。
本揭示的一方面涉及具有卷曲管狀或非管狀碳環(huán)納米結(jié)構(gòu)的碳納米管的用途。這些碳納米管一般為單壁、多壁或其組合，且可采用各種形態(tài)。例如，本揭示中所使用的碳納米管可具有選自納米角狀、納米螺旋狀、樹枝狀、樹狀、星形納米管結(jié)構(gòu)、納米管Y-接合和竹狀形態(tài)的形態(tài)。所述形狀一般有助于增加碳納米管對納米膜之用途。上述形狀更特定地定義于M.S.Dresselhaus，G..Dresselhaus和P.Avouris編。Carbon NanotubesSynthesis，Structure，Properties，and Applications，Topics in Applied Physics，第80卷，2000，Springer-Verlag；和″A Chemical Route to Carbon Nanoscrolls，Lisa M.Viculis，Julia J.Mack和Richard B.Kaner；Science 28 February 2003；299中，兩者均以引用方式并入本文中。
如前所述，碳納米管可加以官能化以達(dá)成所需的化學(xué)或生物活性。本文所用的經(jīng)官能化碳納米管為包含表面附著有無機(jī)和/或有機(jī)化合物的碳納米管。
有機(jī)化合物可包含直鏈或支鏈、飽和或不飽和基團(tuán)。所述有機(jī)化合物的非限制性實例包括至少一種選自下列物質(zhì)的化學(xué)基團(tuán)羧基、胺、聚酰胺、聚兩性分子、重氮鹽、芘基、硅烷及其組合。
無機(jī)化合物的非限制性實例包括至少一種硼、鈦、鈮、鎢的氟化合物及其組合。無機(jī)化合物以及有機(jī)化合物可包含鹵素原子或鹵化化合物。
在本發(fā)明的一方面，經(jīng)官能化碳納米管包含上述無機(jī)和有機(jī)基團(tuán)中的任一種或任何組合。這些基團(tuán)一般位于碳納米管的末端且視情況聚合。
例如，經(jīng)官能化碳納米管可包含穿過碳納米管表面和/或穿過納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的官能基的組成和/或密度的不均一性。類似地，經(jīng)官能化碳納米管可包含大體上均一的穿過碳納米管表面和/或穿過納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的官能基的梯度。
根據(jù)本揭示的一方面，諸如用AC或DC電磁場使碳納米管充電至足以達(dá)成所需性質(zhì)的水平。所需性質(zhì)包括促進(jìn)納米管的表面涂布或輔助破壞、改變、移除或分離在與碳納米管接觸或接近碳納米管的流體中所發(fā)現(xiàn)的污染物?！耙瞥睉?yīng)理解為下列機(jī)理中的至少一種尺寸排除、吸收和吸附。
此外，可使用下列方法中的任一種進(jìn)行充電化學(xué)、輻射、電容充電或流體鄰近碳納米管流動和/或流經(jīng)其。可在上述官能化程序之前或與其同時進(jìn)行納米管的充電。
納米管的充電有助于促進(jìn)用金屬和/或聚合材料涂布碳納米管。可用于涂布碳納米管的所述金屬材料的實例包括金、鉑、鈦、銠、銥、銦、銅、鐵、鈀、鎵、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、銀、鎳、鈷、鑭系金屬及其合金。
可用于涂布碳納米管的所述聚合材料的實例包括多組分聚合物(有利的是其中多組分聚合物具有至少兩個不同的玻璃轉(zhuǎn)化溫度或熔融溫度)、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、Nomex(聚間苯二甲酰間苯二胺)、Kevlar(聚對苯二甲酰對苯二胺)、PEEK(聚醚醚酮)、Mylar(聚對苯二甲酸乙二酯)、維通(維通含氟彈性體)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、鹵化聚合物(諸如聚氯乙烯(PVC))、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
當(dāng)使用輻射處理碳納米管和/或熔合碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料時，至少一種選自光子、電子、核和離子粒子的粒子以一足以破壞至少一個碳-碳鍵和/或碳-摻雜物鍵的量碰撞碳納米管，從而活化所述納米結(jié)構(gòu)或進(jìn)行離子植入。
可從流體中清除的污染物包括病原體、微生物有機(jī)體、DNA、RNA、天然有機(jī)分子、霉菌、真菌、天然及合成毒素(諸如化學(xué)及生物戰(zhàn)劑)、重金屬(諸如砷、鉛、鈾、鉈、鎘、鉻、硒、銅和釷)、內(nèi)毒素、蛋白質(zhì)、酶和微米粒子及納米粒子污染物。
本揭示也涉及通過從流體中移除這些污染物中的至少一種來純化流體(包括液體和氣體)的方法。在所述方法中，被污染流體與上述納米材料接觸，所述納米材料例如為包含選自經(jīng)浸漬、官能化、摻雜、充電、涂布和輻射納米管及其組合的缺陷型碳納米管的納米結(jié)構(gòu)材料。
根據(jù)本文所述的方法，可使用改變待清除流體的生物或化學(xué)活性的組分處理和/或活化經(jīng)活化納米結(jié)構(gòu)。
此外，所述方法允許至少部分地從經(jīng)處理流體中分離污染物以形成污染物和經(jīng)處理流體的不同流體流。
在一實施例中，待清除流體為液體，諸如水、天然和/或合成石油及其副產(chǎn)品、生物流體、食品、酒精類飲料和藥物。
石油產(chǎn)品的一個主要問題是儲存期間石油中細(xì)菌的潛伏生長。這對于航空燃料尤其是一個問題。所述細(xì)菌的存在可嚴(yán)重污染并最終損壞燃料。因此，在液體純化領(lǐng)域中需關(guān)注的一個主要領(lǐng)域是從天然和/或合成石油產(chǎn)品中清除細(xì)菌。天然和/或合成石油及其副產(chǎn)品包括航空、汽車、船舶和機(jī)車燃料、火箭燃料、工業(yè)及機(jī)械油和潤滑油以及民用燃料油和可燃?xì)怏w。
本文所述的生物流體是從動物、人、植物得到，或包含在生物技術(shù)或醫(yī)藥產(chǎn)品加工過程中所使用的生長培養(yǎng)基流體。在一實施例中，生物流體包含血液、人奶和兩者的組分。
在另一實施例中，食品包含諸如蛋和牛奶的動物副產(chǎn)品、果汁、天然糖漿和烹飪或食品工業(yè)中所使用的天然及合成油，其包括(但不限于)橄欖油、花生油、花油(向日葵、紅花)、植物油等。
除食品外，本發(fā)明的一個實施例還涉及酒精類飲料的處理。由于酒精類飲料的本質(zhì)，其發(fā)酵會在最終產(chǎn)品中導(dǎo)致污染物。例如，氧是一種葡萄酒制造過程中不需要的污染物。因為在瓶中氧可損壞葡萄酒，因此通常添加亞硫酸鹽以吸收或移除這種過量氧。然而，歸因于健康考慮，應(yīng)避免使用亞硫酸鹽。本發(fā)明的一方面包括使用上述納米結(jié)構(gòu)材料處理葡萄酒以移除不想要的污染物，諸如氧。因為所述方法將消除或大體上減少對葡萄酒中亞硫酸鹽的需求，因此本文所述的純化方法將有益于葡萄酒工業(yè)。
本發(fā)明的另一方面包括清潔空氣以移除上述污染物的方法。
本揭示也涉及通過將被污染水與本文所述的經(jīng)活化納米結(jié)構(gòu)材料接觸以純化水的方法。已證明諸如鹽、細(xì)菌和病毒的污染物可從水中移除直到至少3log(99.9％)的水平，諸如至少4log(99.99％)和至少5log(99.999％)以及達(dá)到目前可檢測到的水平，即達(dá)到7log(99.99999％)。
污染物再次包含病原體、微生物有機(jī)體、DNA、RNA、天然有機(jī)分子、霉菌、真菌、天然及合成毒素、重金屬(諸如砷、鉛、鈾、鉈、鎘、鉻、硒、銅和釷)、內(nèi)毒素、蛋白質(zhì)、酶和微米粒子及納米粒子污染物。對水進(jìn)行脫鹽(即其中污染物包含鹽)同樣受到關(guān)注。


圖1為樣品1的光學(xué)圖像沒有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(未超聲處理；48小時后定影)。
圖2為樣品2的光學(xué)圖像沒有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(超聲處理；48小時后定影)。
圖3為樣品3的光學(xué)圖像有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(超聲處理；3小時內(nèi)定影)。
圖4為樣品4的光學(xué)圖像有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(超聲處理；48小時后定影)。
圖5為樣品2的AFM圖像沒有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(超聲處理；未定影)。
圖6為樣品#3的AFM圖像有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(超聲處理；3小時內(nèi)定影)。
圖7為樣品#3的AFM圖像圖6的三維變換。
圖8為樣品#3的AFM圖像有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(超聲處理；3小時內(nèi)定影)。
圖9為樣品#3的AFM圖像圖8的三維變換。
圖10為樣品#4的AFM圖像有碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌(超聲處理；未定影)。
圖11為樣品#4的AFM圖像圖10的三維變換。
圖12為顯示靜止(左圖)和由于流體流動而振動(右圖)的垂直納米管的照片。
圖13為附著在20微米金屬網(wǎng)上層結(jié)構(gòu)上的納米結(jié)構(gòu)材料邊緣的顯微照片。
圖14為顯示在支撐上層結(jié)構(gòu)(乙酸纖維素)的孔中于支撐結(jié)構(gòu)纖維周圍自身包裹的納米管的顯微照片。
圖15為碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的撕裂邊緣的顯微照片。
圖16為拉伸并熔合在支撐線上、覆蓋25×25微米開口的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的熔合單層的顯微照片。
圖17為自編織型碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的照片。
圖18為在交叉點熔合形成納米結(jié)構(gòu)材料的獨立式碳納米管的顯微照片。
圖19為獨立式自編織型納米結(jié)構(gòu)材料的顯微照片。
圖20為納米結(jié)構(gòu)材料中碳納米管周圍的流體流動動力學(xué)的模擬。
圖21為顯示細(xì)菌移除測試結(jié)果的圖像。
具體實施例方式
流體消毒如本文所述，認(rèn)為結(jié)合諸如碳納米管、金屬氧化物納米線和金屬納米線的納米結(jié)構(gòu)的流體消毒是由于(至少部分由于)形成獨特的納米范圍殺菌區(qū)，所述殺菌區(qū)使用聚集力殺死微生物和其他病原體。
例如，認(rèn)為在流體消毒過程中，微生物與本文所述的納米結(jié)構(gòu)材料接觸，導(dǎo)致聚集力施加于微生物，砸開細(xì)胞膜并引起內(nèi)部細(xì)胞損壞，從而破壞微生物或破壞其再生能力。這樣，可自液體中消毒微生物。常見的微生物是1-5微米長，且是諸如碳納米管的納米結(jié)構(gòu)的至少100倍大。這些有機(jī)體的已知實例包括大腸桿菌、隱孢子蟲、藍(lán)氏賈第鞭毛蟲(Giardia lamblia)、溶組織內(nèi)阿米巴蟲(Entamoeba histolytica)和許多其他有機(jī)體。
由于較大的尺寸差別，可施加比基于顯微技術(shù)的力集中許多倍(例如幾個數(shù)量級)的納米規(guī)模上的力。以與聚集光為激光提供強(qiáng)度相同的方式，聚集力為納米規(guī)模的微生物破壞提供強(qiáng)度。因此在納米規(guī)模上可使用在其他規(guī)模上太小以致于無效或能源消耗量大的機(jī)械力和電力有效并高效地破壞微生物。
認(rèn)為能在這種納米方案中破壞微生物的機(jī)理可獨立起作用或與另一機(jī)理協(xié)同作用。所述機(jī)理的非限制性實例包括·通過聚集力機(jī)械破壞細(xì)胞壁，很像針破壞氣球；·對DNA、RNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞器等造成內(nèi)部細(xì)胞損壞的振動波；·對細(xì)胞壁和輸送通道造成損壞的振動波；·范德華力(Van der Waals force)；·電磁力；·通過納米結(jié)構(gòu)附近的氫鍵斷裂來損壞細(xì)胞壁和DNA；和·由液體中的沖擊波引起的損壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的空泡氣蝕。
由于典型微生物細(xì)胞中的滲透壓高于周圍流體(假設(shè)為非生理學(xué)條件)的滲透壓，細(xì)胞內(nèi)容物會從高壓向低壓流動，所以甚至細(xì)胞壁的輕微損壞也會引起全部破裂。
在評估用以處理飲用水的膜的處理能力中通常用作替代物的MS2為單股RNA病毒，其直徑為0.025μm且具有二十面體形狀。其尺寸和形狀與其他與水相關(guān)的病毒相似，諸如脊髓灰質(zhì)炎病毒和肝炎病毒。
液體脫鹽根據(jù)本揭示的液體脫鹽方法也是基于諸如碳納米管、金屬氧化物納米線和金屬納米線的納米材料。一種被認(rèn)為可用納米材料進(jìn)行液體脫鹽的機(jī)理是在兩種納米材料膜之間產(chǎn)生離子分離梯度。當(dāng)一種納米材料膜帶正電荷且另一種膜帶負(fù)電荷時，這些兩個板之間的電荷差別會產(chǎn)生離子分離梯度，使得陽離子遷移至區(qū)域的一邊且陰離子遷移至另一邊。納米材料膜上的極大表面積用于產(chǎn)生很高的電容，從而能夠產(chǎn)生非常有效的離子梯度。
脫鹽單元可結(jié)合兩個或兩個以上的平行的經(jīng)支撐導(dǎo)電納米材料膜層，這些平行層互相電絕緣。這種層狀納米結(jié)構(gòu)材料可組裝在Y接合通道的交接點處?？梢造o態(tài)模式或主動模式對兩層或兩層以上進(jìn)行充電，其中各板上的電荷依次為正至中性至負(fù)至中性(一正一負(fù))以在它們之間產(chǎn)生鹽阱或在結(jié)構(gòu)中電產(chǎn)生移動的電容器，導(dǎo)致鹽在與水流動不同的方向上遷移。濃鹽水將從Y接合的一個支管流出且淡水從另一個支管流出。
可使用諸如剩余法、適應(yīng)函數(shù)和最優(yōu)化算法的復(fù)變函數(shù)分析為流體動力學(xué)流動優(yōu)化裝置的幾何結(jié)構(gòu)、電容和形態(tài)。裝置的基本單元將在廣泛的接合幾何結(jié)構(gòu)上變化，其中盡管較小數(shù)量的液體通過出口通道取出，但大部分液體將繼續(xù)沿主要通道流動。
許多所述基本單元可并聯(lián)和/或串聯(lián)使用以減少鹽濃度并增加總體經(jīng)處理液體。為進(jìn)一步濃縮鹽-液體溢流，設(shè)想使用熱泵冷卻接近過度飽和的鹽液體并加熱引入的原料液體?？煞e極地監(jiān)視所述系統(tǒng)以在冷卻前應(yīng)用適當(dāng)濃度。當(dāng)冷卻溶液時將發(fā)生鹽結(jié)晶，因為飽和溶液在低溫下將更快地轉(zhuǎn)化為過飽和狀態(tài)。在鹽水中，這將具有加快鹽水中鹽結(jié)晶的效果。
脫鹽過程的最終產(chǎn)物將為接近無鹽的液體，諸如移除包括(但不限于)經(jīng)結(jié)晶鹽或經(jīng)濃縮鹽水混合物的污染物以達(dá)到至少log4(99.99％)并可達(dá)到(包括)log7(99.99999)的水平，中間水平為log5和log6純度。在一實施例中，冷卻鹽水收集槽將加速結(jié)晶并允許任何殘留液體再一次進(jìn)入所述過程。
根據(jù)本揭示的一個方面，易受生物材料和其他雜質(zhì)或污染物影響的表面可涂布以一層納米材料以預(yù)防微生物生長。所述納米材料的非限制性實例包括經(jīng)官能化的納米管納米結(jié)構(gòu)材料，其是經(jīng)諸如銀或氧化鋁的具有抗菌性質(zhì)的元素或化合物官能化。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及制造本文所述納米結(jié)構(gòu)材料的方法。所述方法包括有機(jī)溶劑蒸發(fā)法、金屬氧化物納米線法、幾何編織法、真空過濾法和納米結(jié)構(gòu)聚合法。這些方法中的每一種均可產(chǎn)生納米材料埋入其中或由納米材料組成的納米結(jié)構(gòu)。這些膜中的每一種均可實現(xiàn)本文所揭示的流體純化處理技術(shù)。
在一實施例中，根據(jù)本揭示制成的膜具有高滲透性從而允許高流體流動速率。一般通過納米材料膜的厚度和纖維密度控制其滲透性。因此，對于流體流動，低纖維密度的超薄、超強(qiáng)納米材料膜比厚納米材料膜更加透明。因此，本發(fā)明的一實施例涉及主要由高強(qiáng)度碳納米管組成的熔合納米材料膜。
為增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)支撐并與其他實體結(jié)合，整個納米材料膜可用金屬、塑料或陶瓷涂布。通過化學(xué)、電、熱或機(jī)械方式可從納米材料膜中移除缺陷從而增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)完整性。
可用靜態(tài)或動態(tài)電磁場刺激整個納米材料膜，使得當(dāng)細(xì)微調(diào)節(jié)時可引起某些分子的特異性吸收或排除。高頻電刺激可產(chǎn)生超聲自潔凈效果。通過利用納米管納米結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度、楊氏模量(Young’s modulus)、傳導(dǎo)率和壓電效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)材料可作為整體來刺激材料振動并從表面排出污染物以減少污垢。
起始碳納米管一般含有在納米管產(chǎn)生后存留的鐵粒子或其他催化粒子。在某些實施例中，需要用諸如酸和/或過氧化物或其組合的強(qiáng)氧化劑在納米結(jié)構(gòu)材料形成前清洗碳納米管。在用強(qiáng)氧化劑清洗后，一般在碳納米管中所發(fā)現(xiàn)的鐵被氧化成Fe++和Fe+++。此外，酸清洗有益于移除干擾納米管表面化學(xué)的無定形碳。
認(rèn)為鈍化或帶正電荷的鐵對移除已知帶凈負(fù)電荷的微生物有重要作用。根據(jù)這個理論，微生物被吸引至經(jīng)官能化的帶正電荷的納米管上。部分填充并摻雜鐵的現(xiàn)在所充電的碳納米管的所得電場將破壞生物病原體。在酸清洗中留下并捕獲于納米管內(nèi)部的任何帶正電荷的氫離子也對電場有貢獻(xiàn)。
認(rèn)為這個酸清洗程序也有助于這些經(jīng)官能化碳納米管和所得碳納米結(jié)構(gòu)材料的高度親水性。一般使用下列方法中的一種將經(jīng)清洗的碳納米管制造成納米結(jié)構(gòu)材料。應(yīng)注意的是下列方法中的任一種以及實例中所述的方法可用于產(chǎn)生本文所述的納米結(jié)構(gòu)材料，無論是單層還是多層納米結(jié)構(gòu)材料。
有機(jī)溶劑蒸發(fā)法在有機(jī)溶劑蒸發(fā)法中，可通過將納米材料與黏合劑鍵合來制造納米結(jié)構(gòu)材料，諸如消毒膜。黏合劑的實例為諸如膠水的化學(xué)黏合劑、諸如金的金屬黏合劑和諸如氧化鋁的陶瓷黏合劑。納米材料的實例為碳納米管、硅和其他金屬納米線以及金屬氧化物納米線。
根據(jù)這種方法，碳納米管可與諸如二甲苯的溶劑混合。在一實施例中，然后將這種分散液置于超聲浴中持續(xù)5-10分鐘以解聚碳納米管。然后將所得分散液倒在纖維紙上使有機(jī)溶劑蒸發(fā)，視情況適度加熱。蒸發(fā)后，將碳納米管沉積在纖維紙上。此外，可將其他聚合材料添加至有機(jī)溶劑中以增強(qiáng)所得結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性；這種黏合材料的濃度可為所用溶劑重量的0.001-10％。
金屬氧化物納米線法在本揭示的另一方面中，消毒膜係用金屬氧化物納米線制成。在這種類型的方法中，將金屬網(wǎng)在氧化環(huán)境下加熱至230-1000℃范圍內(nèi)的溫度以在金屬網(wǎng)的金屬線上產(chǎn)生金屬氧化物納米線。金屬網(wǎng)可包含選自銅、鋁和硅的金屬。金屬氧化物納米線的直徑可在1-100納米范圍內(nèi)，例如1-50納米，包括10-30納米。有利地是，磨損金屬網(wǎng)表面以提供表面紋理用以接受并保持納米管部分沉積從而產(chǎn)生較佳的基質(zhì)附著。
根據(jù)這種方法制成的膜可單獨用于消毒液體，將其處理以加強(qiáng)其總體結(jié)構(gòu)或用碳納米管或其他納米結(jié)構(gòu)涂布以促進(jìn)其活性。在涂布碳納米管的過程中，使較好分散的單壁或多壁碳納米管溶液通過金屬網(wǎng)，碳納米管黏附在金屬氧化物表面上。這個所得網(wǎng)可經(jīng)過或不經(jīng)過熱處理、機(jī)械處理(例如用液壓)、化學(xué)處理或快速激光加熱以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)完整性。也可用或不用金屬、陶瓷、塑料或聚合物涂布以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)完整性。所得網(wǎng)也可用這種納米管溶液處理數(shù)次，直到達(dá)到適當(dāng)?shù)脑O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?？蓪μ技{米管和/或這種膜的支撐物進(jìn)行改變從而將所述材料官能化，使得它們可與生物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以將其破壞、改變、移除或分離。
在這種方法中，可將諸如銅網(wǎng)的金屬網(wǎng)置于氧化環(huán)境下的化學(xué)氣相沉積室中。將反應(yīng)區(qū)加熱至230-1000℃范圍內(nèi)的溫度以導(dǎo)致產(chǎn)生金屬氧化物納米線，同時所述室在大氣下歷時30分鐘至2小時范圍內(nèi)的時期。在某些實施例中，可然后將碳納米管在液體中的分散液通過所形成的結(jié)構(gòu)。在這種處理后，可將整個結(jié)構(gòu)在1000℃真空下熱退火以加強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)。視情況可在硝酸和硫酸的溶液中處理碳納米管以在碳納米管上產(chǎn)生羧基官能基。
沉積法在這種方法中，可通過將碳納米管分散液真空沉積使得碳納米管層留在至少一個基質(zhì)上來制成消毒膜。在沉積過程中可使用超聲處理來輔助碳納米管的分散和/或解聚。
沉積方法的一設(shè)想過程包含將碳納米管放置在適合的有機(jī)溶劑或液體中，并在沉積過程中超聲處理以分散碳納米管。溶液可放置在配備有超聲處理的真空過濾裝置中以進(jìn)一步確保碳納米管解聚。溶液中的納米材料可沉積在基質(zhì)上，所述基質(zhì)的孔隙率小到足以捕獲碳納米管而又比從被污染流體移除的微生物大。通過在移除過程中使用支撐金屬網(wǎng)維持平直度可移除所得NanoMeshTM。也可通過將用于捕獲碳納米管的多孔基質(zhì)溶于酸或堿中來移除其，或氧化其以留下獨立式碳納米管膜。
根據(jù)本揭示的一方面，可通過在沉積過程中使用電磁場排列納米結(jié)構(gòu)來修改真空過濾方法。如同前述方法中一樣，將納米結(jié)構(gòu)放置在適合的溶劑(有機(jī)溶劑或液體)中，超聲處理以分散溶劑中的納米結(jié)構(gòu)，然后將其放置在配備有超聲探頭的真空過濾裝置中以防止納米結(jié)構(gòu)在沉積過程中團(tuán)聚。與前述方法不同，當(dāng)混合物真空沉積至多孔基質(zhì)(例如孔隙尺寸達(dá)到厘米尺寸)上時，在其沉積過程中施加電磁場以排列納米結(jié)構(gòu)。這個電磁場也可在三維空間中任意調(diào)節(jié)且導(dǎo)致編織或部分編織-部分非編織結(jié)構(gòu)。然后在支撐金屬網(wǎng)的輔助下移除所得膜，并將整個膜浸在酸中以移除作為可犧牲支撐物的起始基質(zhì)。
可修改真空過濾方法以允許產(chǎn)生多層納米結(jié)構(gòu)?？稍诨|(zhì)上于有機(jī)溶劑中形成納米結(jié)構(gòu)的懸浮液。例如，在極低的真空壓力下移除溶劑，從而在諸如20微米鋼絲網(wǎng)的鋼絲網(wǎng)上留下納米管薄層。然后可將這個層硬化并干燥。這種方法可重復(fù)多次以產(chǎn)生多層NanoMeshTM。
空氣沉降制造法在這種方法中，可將納米結(jié)構(gòu)均勻分散在氣體或液體溶液中。例如，在封閉腔室中，釋放一些納米結(jié)構(gòu)以作為扇葉攪動氣體從而導(dǎo)致碳納米管分散在腔室中。也可以足以引起分散的頻率機(jī)械調(diào)節(jié)這種氣體。當(dāng)將碳納米管添加至腔室中時，通過使納米管通過大表面積電極而使其帶電至足以克服范德華引力的電壓。這將阻止團(tuán)聚。充滿納米管的氣體現(xiàn)在可用于氣相沉積。通過施加不同電壓，氣體通過接地網(wǎng)電極。納米管將黏附在這個接地網(wǎng)電極上。此時碳納米管結(jié)構(gòu)材料處于最易碎階段?，F(xiàn)在可將納米結(jié)構(gòu)材料曝露在致電離輻射下，以便通過化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)或物理氣相沉積(PVD)處理技術(shù)或通過化學(xué)熔合技術(shù)使所述結(jié)構(gòu)熔合在一起和/或涂布表面。然后將表面移除并歷經(jīng)足以覆蓋納米結(jié)構(gòu)并使其連接在一起的濺射過程。然后通過反轉(zhuǎn)表面電荷引起膜脫落從而將所得膜從表面移除。
納米結(jié)構(gòu)聚合法在聚合法中，通過聚合物鍵合將納米結(jié)構(gòu)與另一納米結(jié)構(gòu)結(jié)合來產(chǎn)生納米材料膜。
這種方法的一設(shè)想過程包括首先將一些納米結(jié)構(gòu)(諸如碳納米管)在酸溶液中超聲處理。當(dāng)使用碳納米管時，酸將切斷納米管長度，曝露出其末端并允許羧基離子(COOH)接枝至其上。然后用濃酸處理所得羧基官能化產(chǎn)物，以產(chǎn)生對諸如縮合作用的交聯(lián)反應(yīng)具有較強(qiáng)反應(yīng)性的羧基(COOH)。然后這種經(jīng)COOH官能化的納米結(jié)構(gòu)在羧基上反應(yīng)使兩個納米結(jié)構(gòu)交聯(lián)在一起。然后使混合物發(fā)生反應(yīng)直到全部交聯(lián)網(wǎng)狀物形成熔合納米材料膜。
測量水中細(xì)菌的方法使用諸如大腸桿菌和MS-2噬菌體的細(xì)菌，對使用上文一般描述的方法所制成的樣品進(jìn)行多次測試。MS-2是一種雄性特異性單股RNA病毒，其直徑為0.025μm且呈二十面體形狀。其尺寸和形狀與其他與水相關(guān)的病毒(諸如脊髓灰質(zhì)炎病毒和肝炎病毒)相似且其為非人類病原體。
在下列實例中用于從水中測試性移除大腸桿菌和MS-2噬菌體以及細(xì)菌的方案符合并一般遵守下列文獻(xiàn)(i)Standard Operating Procedure for MS-2Bacteriophage Propogation/Enumeration.Margolin，Aaron，2001 University ofNew Hampshire，Durham，NH和(ii)Standard Methods for the Examination ofWater and Wastewater，第20版，Standard Methods，1998.APHA，AWWA，WEF，Washington，D.C.。這些標(biāo)準(zhǔn)一般包括下列程序1)將納米結(jié)構(gòu)材料放置于設(shè)計用于容納待激發(fā)的納米結(jié)構(gòu)材料的測試箱中。夾緊所述箱以防止激發(fā)溶液滲漏。
2)使用橡皮塞將無菌排出管與無菌Erilenmeyer燒瓶連接。
3)打開流入口并通過開口引入激發(fā)材料。
4)引入激發(fā)材料后，關(guān)閉流入口，用市售泵抽吸稠液流使其流經(jīng)與測試箱連接的排出軟管。
5)連續(xù)抽吸直到所有激發(fā)材料進(jìn)入無菌Erilenmeyer燒瓶中，此時關(guān)閉泵。
6)在15ml圓錐離心管中，將0.1ml激發(fā)材料置于9.9ml水或磷酸鹽緩沖鹽水溶液(市售)中。
7)將15ml圓錐離心管置于市售渦流混合器中并混合約15秒。
8)從離心管中移除約0.1ml混合物，將其添加至含有9.9ml水或磷酸鹽緩沖鹽水溶液(市售)的第二個離心管中，并重復(fù)上述渦流混合。
9)從離心管中移除0.1ml混合物，并將其放置在胰酶大豆瓊脂(TSA)板上(Remel，目錄號01917)，其中可用無菌涂膠機(jī)將所述混合物涂覆在瓊脂表面上。表面干燥15秒，然后在36℃下將其放置在市售培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18-24小時。
10)培養(yǎng)后，從培養(yǎng)箱中將板移除并將這些板放置在背光板計數(shù)器上。對那些看上去每板具有25-300cfu/板(1∶10,000稀釋)的板進(jìn)行計數(shù)。以相同方式對對照組和測試板進(jìn)行計數(shù)。
11)記錄所計數(shù)的病毒或細(xì)菌數(shù)目和對病毒或細(xì)菌計數(shù)時的稀釋系數(shù)，用板數(shù)乘以他們對應(yīng)的稀釋系數(shù)并除以每板所用稀釋液的量所得的平均值。借此計算出起始樣品中病毒或細(xì)菌的量，如下所示。
以下更詳細(xì)描述在用MS-2進(jìn)行測試中所使用的程序。
首先通過將MgCl2(或CaCl2)添加至所需量的DI水中來制備1％MgCl2(或CaCl2)溶液。典型實例為1.0g MgCl2/99ml DI水。將這個溶液高壓消毒并冷卻。
然后通過將磷酸鹽緩沖鹽水粉狀濃縮物添加至所需量的DI水中來制備磷酸鹽緩沖鹽水溶液制劑(1×PBS)。典型實例為4.98g PBS/500ml DI水。也將這個溶液高壓消毒并冷卻。
然后通過將硫酸鏈霉素添加至所需量的DI水中來制造鏈霉素/氨芐青霉素抗菌素溶液制劑(Strep/Amp)。典型實例為0.15g Strep/100ml DI水。然后將氨芐青霉素鈉鹽添加至溶液中。典型實例為0.15g Amp/100ml DI水。通過0.22μm針筒過濾器將這個溶液濾入無菌容器中。
通過首先制造所需體積的胰酶大豆肉湯來制造大腸桿菌儲備培養(yǎng)物制劑。將先前制造的鏈霉素/氨芐青霉素抗菌素溶液與T-soy以1∶100的比例混合(1.0ml Strep/Amp/100ml T-soy)。
然后以1∶200的比例添加1％MgCl2溶液(0.5ml MgCl2/100ml T-soy)，然后以1∶10的比例添加大腸桿菌(10ml大腸桿菌/100ml T-soy)。本文所用的大腸桿菌菌株是HS(pF amp)R菌株(具有插入的strep/amp抗性質(zhì)粒的大腸桿菌)。也可使用市售(American Type Culture Collection(ATCC))大腸桿菌菌株C3000。
然后將T-soy肉湯/大腸桿菌培養(yǎng)物置于37℃的振動水浴(或37°培養(yǎng)器中的回轉(zhuǎn)式振動器)中劇烈振動2.5-3.0小時(或大腸桿菌在其生長周期中達(dá)到對數(shù)生長中期的時間)。這一振動步驟將氧提供給全部培養(yǎng)物從而使其不會成為厭氧性并抑制生長。然后將培養(yǎng)物從培養(yǎng)器中取出并在10℃下儲存。
MS2噬菌體繁殖按下列步驟進(jìn)行首先將MS2液體培養(yǎng)物(約1×1010-1×1011MS2/500ml T-soy肉湯)添加至T-soy肉湯中，然后在37℃下培養(yǎng)12-18小時。所用MS2菌株為市售樣本(ATCC(American Type CultureCollection)，目錄號15597-B1)。
將培養(yǎng)物轉(zhuǎn)移至適合尺寸的離心管中并在下列條件下離心10,000rmp，4℃，離心10分鐘。離心后，傾析出上層清液，小心不要擾亂顆粒。MS2儲備液一般在10℃下儲存。
一般以下列方式進(jìn)行MS2計數(shù)。通過在1000ml DI水中混合下列物質(zhì)并使其沸騰來制備1×覆層。
a.15克T-soy肉湯b.7.5克細(xì)菌瓊脂粉c.5克酵母抽提物d.2.5克NaCle.0.075克CaCl2然后將4至5ml覆層分配至測試管中并在121℃下高壓消毒15分鐘，之后從高壓消毒蒸鍋中移除測試管并將其置于57℃水浴中立即使用或儲存在室溫下備用。如果放置儲存，則覆層將變硬，需要重新高壓消毒。覆層僅可重新高壓消毒數(shù)次直到顏色變得非常暗，幾乎為黑色。
所屬領(lǐng)域技術(shù)人員知道如何在PBS中十倍連續(xù)稀釋樣品以達(dá)成所需稀釋點。在從水浴中移除含有覆層的前述測試管后不久，可將約0.1ml所需樣品稀釋液和0.2ml前述大腸桿菌宿主饋入覆層中?；诮?jīng)混合培養(yǎng)樣品可添加約30μL鏈霉素/氨芐青霉素抗菌素溶液。十分重要的是應(yīng)注意到注入0.1ml稀釋樣品表示額外稀釋十倍。因此，當(dāng)0.1ml的10-1稀釋液置于覆層中時，在T-soy板上所得的稀釋液為10-2。為涂布10-1稀釋液，將0.1ml起始未稀釋樣品注入覆層中。為涂布100稀釋液，將1.0ml起始未稀釋樣品注入使用相同體積大腸桿菌宿主(0.2ml)的覆層中。
在不振動的條件下將稀釋樣品和MS2在整個覆層中混合。將覆層及其內(nèi)容物添加至T-soy板上，所述板以圓周運動旋轉(zhuǎn)使得覆層均勻分布在瓊脂表面上。數(shù)分鐘后，覆層變硬，此時將其在37℃下培養(yǎng)12-18小時。
當(dāng)培養(yǎng)完成時，MS2噬菌區(qū)將在大腸桿菌菌苔中作為圓形清潔區(qū)出現(xiàn)。
在這個分析中一般使用負(fù)對照組和正對照組。負(fù)對照組包括僅將大腸桿菌添加至覆層(無樣品)中以測定大腸桿菌是否適當(dāng)生長且是否存在任何噬菌體或細(xì)菌污染。可通過將較少體積的大腸桿菌宿主(無MS2或覆層)放置在T-soy板上并檢測所得菌落形態(tài)來進(jìn)行也可用于測定這些因素的額外對照。
正對照組包括僅將大腸桿菌添加至覆層(無樣品)而后涂布。一旦覆層平均分布在板表面上，就將少量體積的MS2儲備液放置在遍布于覆層表面的各斑點上。培養(yǎng)后，這些斑點中噬菌區(qū)的存在表明MS2噬菌體可有效感染大腸桿菌宿主。
在起始未稀釋樣品中測定PFU/ml(噬菌區(qū)形成單位/毫升)
例如，如果在稀釋系數(shù)為10-8的板上觀察到35個噬菌區(qū)，則起始樣品中的PFU為 使用上述方法且如下列樣品所例示，在細(xì)菌與碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料之間存在強(qiáng)黏附力。在超聲作用下，細(xì)菌黏附在碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料表面。認(rèn)為當(dāng)大腸桿菌懸浮液通過碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的納米網(wǎng)時，發(fā)生相同黏附。
此外，認(rèn)為在與碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料相互作用后，細(xì)菌細(xì)胞的完整性遭到破壞。例如，使用本文所述納米結(jié)構(gòu)材料的細(xì)菌測試表明殼/細(xì)胞壁遭到完全破壞的破壞機(jī)理。這種破壞顯然會發(fā)生，因為完整細(xì)胞內(nèi)部之間的滲透壓與細(xì)胞外部的滲透壓的差異所引起的細(xì)胞壁完整性的缺口會導(dǎo)致細(xì)胞壁的毀滅性失效。因此，當(dāng)細(xì)胞壁/殼的完整性遭到損壞時，那些滲透壓差異將導(dǎo)致細(xì)菌解體。
例如，實例3表明濾液中所發(fā)現(xiàn)的無細(xì)菌DNA和蛋白質(zhì)的存在證明了大腸桿菌的破壞。如實例3中所見，用水流驅(qū)散受損細(xì)胞。因此，本發(fā)明的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料不僅能完全破壞細(xì)菌，而且因生物負(fù)荷的建立而不致污染，這將提供比目前使用的材料更長的壽命。
下列非限制性實例將進(jìn)一步闡明本發(fā)明，且并不用以完全例示本發(fā)明的實例。
實例1制造經(jīng)活化的缺陷型納米結(jié)構(gòu)材料經(jīng)活化的納米結(jié)構(gòu)材料是由市售經(jīng)純化碳納米管制成。將這些納米管置于50ml圓錐離心管中，向其中添加45ml體積的濃硝酸。強(qiáng)烈振動離心管2-3分鐘將酸與納米管混合，然后在2,500rpm下離心5分鐘以?；{米管。
傾析出黃色上層清液并用硝酸重復(fù)清洗。然后用水清洗碳納米管2-3次以將酸濃度降至酸不會與下列步驟中所使用的異丙醇反應(yīng)的水平。
然后將100mg用硝酸/水沖洗過的碳納米管添加至400ml市售純異丙醇中，并在Branson 900B超聲發(fā)生器中以80％的功率超聲處理直到充分分散碳納米管(約10分鐘)。添加2升異丙醇進(jìn)一步稀釋混合物，使得所得混合物的總體積為2.4升。將這個經(jīng)稀釋混合物額外超聲處理10分鐘。
然后在市售摻合器中以全部功率將800mg市售的200nm直徑氧化硅納米纖維在500ml市售純異丙醇中均質(zhì)化10分鐘。然后額外添加1升市售純異丙醇以稀釋均質(zhì)化的混合物。
混合先前制備的碳納米管與氧化硅納米纖維的混合物，然后添加足量(Q.S.)異丙醇以得到4升。然后將這4升溶液用“Branson 900B超聲發(fā)生器”以80％的功率超聲處理15分鐘，引起碳納米管納米材料均勻分散。
然后將全部4升溶液沉積至市售5微米聚丙烯非編織熔合織物的16平方英尺面積上。在1/2英寸Hg真空壓力下，將約一半溶液通過聚丙烯織物。然后在5英寸Hg壓力下，將剩余2升溶液通過織物，直到剩余溶液通過聚丙烯織物而碳納米管氧化硅懸浮液沉積在織物上。
將所得納米結(jié)構(gòu)材料(稱為NanoMeshTM)從織物上移除，并允許在室溫下空氣干燥2小時以形成經(jīng)活化的碳納米管納米材料結(jié)構(gòu)。
實例2使用大腸桿菌的納米結(jié)構(gòu)材料的純化測試這個實例描述經(jīng)購自美國菌種保藏中心(ATCC)的大腸桿菌儲備培養(yǎng)物污染的水的純化測試。
通過用首先復(fù)水的大腸桿菌儲備培養(yǎng)物ATCC #25922的激發(fā)液(每ml中4×107±2×107菌落形成單位(cfu/ml))激發(fā)根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料來進(jìn)行細(xì)菌分析。使用無菌生物循環(huán)系統(tǒng)(市售)移除一個循環(huán)的復(fù)水儲備液，將其以條紋形式涂在市售血液瓊脂板上并在36℃下培養(yǎng)12-18小時。然后將培養(yǎng)物從培養(yǎng)箱中移除并檢測其純度。
使用無菌生物循環(huán)系統(tǒng)(市售)移除一個循環(huán)的經(jīng)培養(yǎng)培養(yǎng)物，并將其置于10ml無菌市售胰酶大豆肉湯(Remel，目錄號07228)中。然后大腸桿菌在所得胰酪胨-大豆肉湯中生長整夜以形成1×109cfu/ml的儲備培養(yǎng)物。將1ml儲備培養(yǎng)物添加至100ml用于激發(fā)測試的水中。然后將所得經(jīng)激發(fā)水通過根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料。
根據(jù)上文引用的“Standard Methods for the Examination of Water andWaste Water”進(jìn)行測試。遵循上述方案的測試結(jié)果證實，當(dāng)激發(fā)材料通過根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料時，可始終如一地移除大于6log(＞99.99995％)至大于7log(＞99.999995％)的大腸桿菌。
測試結(jié)果證實移除率，其超過用于從水中移除細(xì)菌的EPA飲用水標(biāo)準(zhǔn)。EPA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定移除6log(＞99.99995％)的大腸桿菌以達(dá)成飲用水。通過用更高濃度的如上所述制成的大腸桿菌激發(fā)材料激發(fā)碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料，在所述測試中已達(dá)成具有更高log的大腸桿菌移除率的改良純化。使用更高濃度的所述測試證實大于7log的移除率。使用這個實例中所述測試程序?qū)Ω鶕?jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行的獨立測試證實這種材料完全阻擋大腸桿菌。
實例3無菌的激發(fā)后濾液的化學(xué)分析這個實例描述在根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料上，如實例2所述進(jìn)行自大腸桿菌激發(fā)測試所得濾液的化學(xué)分析。這個實例提供經(jīng)由破壞通過本發(fā)明碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的大腸桿菌來進(jìn)行純化的證明。激發(fā)濾液中DNA和蛋白質(zhì)的存在證實通過破壞污染物(大腸桿菌)進(jìn)行純化的證據(jù)。
根據(jù)實例2進(jìn)行激發(fā)測試，其例外為激發(fā)材料的組成為1×108cfu/ml大腸桿菌。在1/2英寸Hg真空壓力下使全部100ml(全部＝1×1010cfu)這種激發(fā)溶液通過碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料。使大腸桿菌激發(fā)濾液通過市售0.45微米微孔濾器來得到對照濾液。然后用市售分光光譜儀分析所得對照和激發(fā)濾液以確定蛋白質(zhì)和DNA的存在。未濃縮測試激發(fā)濾液。然而，使用市售分光光譜儀的濾液分析顯示40μg/ml的DNA和0.5mg/ml的蛋白質(zhì)。未濃縮激發(fā)濾液中這些水平下的蛋白質(zhì)和DNA濃度比對照測試材料高出6倍。這些濃度證實碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料在激發(fā)中破壞大腸桿菌。
實例4對受到MS-2噬菌體病毒污染的水的純化測試這個實例描述使用上述程序和“Standard Operating Procedure for MS-2Bacteriophage Propagation/Enumeration，Margolin，Aaron，2001，An EPAReference Protocol.”中所述的程序?qū)κ艿組S-2噬菌體病毒污染的水進(jìn)行的純化測試。MS-2噬菌體病毒通常用于評估設(shè)計用于處理飲用水的膜的處理能力(NSF 1998)。使用上述方案用100ml激發(fā)溶液實施這個實例的壓力激發(fā)。根據(jù)上文列舉的步驟制備MS-2激發(fā)材料。
在這個測試中，激發(fā)由根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的八十(80)個膜。所用的激發(fā)材料是被MS-2噬菌體病毒污染至濃度4×106±2×106pfu/ml的水。
在所測試的80個單位中，50個單位達(dá)成5log(99.999％)或大于5log(＞99.9995％)的MS-2移除率。剩余30個單位顯示4log(99.99％)或大于4log(＞99.995％)的MS-2移除率。盡管EPA標(biāo)準(zhǔn)推薦4log的MS-2噬菌體移除率以獲得飲用水，但認(rèn)為用更高log的MS-2激發(fā)可達(dá)成更佳的靈敏度(更高log移除率)。通過用更高濃度的如上所述制成的MS-2噬菌體激發(fā)材料激發(fā)根據(jù)實例1制成的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料，在所述測試中已達(dá)成具有更高log的MS-2噬菌體移除率的改良純化。對根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的獨立測試證實這種材料完全阻擋MS-2噬菌體。
實例5經(jīng)砷(As)污染的水的純化測試這個實例描述經(jīng)砷污染的水的純化測試。在這個測試中，將100ml水中含十億分之150份砷的儲備溶液通過根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)EPA方法#SM 183113B分析經(jīng)處理水的樣品。激發(fā)濾液分析證實在將激發(fā)經(jīng)處理水通過本發(fā)明的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料一次后，砷水平降低86％±5％。
實例6移除飛機(jī)燃料中的污染物由位于Wright Patterson空軍基地的美國空軍研究(Air Force Research)設(shè)施的33,000加侖儲油罐獲得被污染噴氣燃料(JP8)樣品。收集后將樣品在胰酪胨-大豆瓊脂上培養(yǎng)且發(fā)現(xiàn)其含有三種細(xì)菌兩種桿菌類和一種球菌類。將樣品在兩個各2升的容器中分離。兩容器皆提供兩個特殊層，噴氣燃料在頂部且水在底部。容器A含有位于水與燃料之間的界面上的重度污染生長層。容器B僅顯示輕度污染。從容器B中燃料和水的界面上獲得激發(fā)測試細(xì)菌。
在強(qiáng)烈振動激發(fā)測試燃料/水/細(xì)菌1分鐘使其均質(zhì)化后，使用3英寸Hg真空壓力使200ml燃料/水/細(xì)菌激發(fā)混合物通過根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料一次。
允許將燃料/水/細(xì)菌激發(fā)濾液樣品分離成其燃料-水組分，且由各組分獲得四個測試樣品。將各測試樣品涂布在瓊脂上。然后在37℃下培養(yǎng)樣品以分析細(xì)菌生長，且在室溫下培養(yǎng)樣品用以分析霉菌生長。樣品培養(yǎng)24和48小時后在激發(fā)濾液測試板上未觀察到細(xì)菌或霉菌培養(yǎng)物生長。對照樣品在培養(yǎng)24和48小時后提供細(xì)菌和霉菌生長的茂盛菌落。所述結(jié)果證實根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料完全阻擋燃料中的細(xì)菌，因為用測試方案從燃料移除的細(xì)菌和霉菌超出測量極限。
實例7大腸桿菌與碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料相互作用的研究將根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料用DI水沖洗6次。將沖洗過的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料在DI水中稀釋成10,000ppm的濃度。
制備大腸桿菌懸浮液在純水中將上述大腸桿菌培養(yǎng)物制備成5×109CFU/ml的濃度。
制備對照載玻片樣品#1
將一滴所制備的大腸桿菌懸浮液置于用硫酸清洗并用DI水沖洗的市售玻璃顯微鏡載玻片(American Scientific Products，顯微鏡載玻片，平載玻片，目錄號M6145，尺寸75×25mm)上。涂上這滴大腸桿菌懸浮液并允許空氣干燥，并在4攝氏度下冷凍48小時。將所制備的載玻片以此項技術(shù)中已知的方式通過火焰以進(jìn)行熱定影。
制備測試懸浮液將如上所述制備的剩余大腸桿菌懸浮液分離在兩個Erlenmeyer燒瓶中以分成兩等份(懸浮液#1和#2)。
制備懸浮液#1懸浮液#1用DI水稀釋至大腸桿菌濃度為2×109CFU/ml。
制備懸浮液#2將根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料添加至懸浮液#2中。懸浮液#2用DI水稀釋至大腸桿菌濃度與懸浮液#1相同。根據(jù)實例1制造的碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的濃度為625ppm。
超聲處理和離心用Branson-2510超聲波儀將懸浮液#1和#2同時超聲處理3分鐘。將這些懸浮液在市售離心機(jī)中以2500rpm離心2分鐘以使其?；?，隨后將其傾析出，留下1ml上層清液(且使顆粒懸浮在懸浮液#1和#2中)。然后將懸浮液#1和2#的顆粒用于下述樣品中。
樣品#2將一滴懸浮液#1置于上述玻璃載玻片上以制備樣品2，并冷凍19小時。冷凍19小時后，使用原子力顯微鏡(AFM)研究未定影的樣品。然后將樣品#2在上文提到的相同溫度下置于冰箱中歷時24小時。冷凍24小時后，用此項技術(shù)中已知的方法將樣品#2熱定影。使用此項技術(shù)中已知的方法用革蘭氏結(jié)晶紫染料將樣品#2染色。隨后研究光學(xué)顯微分析。
樣品#3將一滴懸浮液#2放置(并涂抹)至玻璃載玻片上以制備樣品3。超聲處理后熱定影3小時。使用此項技術(shù)中已知的方法用革蘭氏結(jié)晶紫染料將樣品#3染色。將樣品#3在上文提到的相同溫度下置于冰箱中。19小時后，將樣品#3從冰箱中移除并在未定影情況下用AFM分析。將樣品#3放回冰箱中歷時24小時，其后進(jìn)行光學(xué)顯微分析。
樣品#4以所述樣品#2的制備方式制備樣品#4，其例外為使用懸浮液#2(而不是懸浮液#1)。
光學(xué)顯微分析在Olympus光學(xué)顯微鏡下以1000倍放大倍數(shù)在浸油中研究樣品。用Olympus DP10 CCD得到數(shù)字圖像。
樣品#1和#2(無碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料的細(xì)菌懸浮液)皆顯示大腸桿菌細(xì)胞均勻分散在載玻片整個表面上的圖像(見圖1和圖2)。所述圖說明細(xì)菌，具有清晰邊緣則表示細(xì)菌細(xì)胞是完整的。在冰箱中在干燥狀態(tài)下儲存2天后未發(fā)現(xiàn)其形狀變化。在樣品制備3小時后熱定影和染色的樣品或在冰箱中在干燥狀態(tài)下儲存2天后熱定影和染色的樣品之間未檢測到細(xì)菌細(xì)胞形態(tài)的變化。
樣品#3顯示在未觀察到納米管的載玻片區(qū)域上完全沒有細(xì)菌。僅在涂抹區(qū)域外圍觀察到少量碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)從載玻片上清洗過量紫染料時已從載玻片上洗掉大部分碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料。在碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料邊緣觀察到細(xì)菌富集(圖3)。細(xì)菌區(qū)域?qū)⒘Ｗ臃珠_，如紫色所示。
樣品#4也顯示在碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料邊緣存在大腸桿菌，但在圖中以模糊斑點出現(xiàn)(圖4)。
原子力顯微分析在Veeco Dimension 3100掃描探針系統(tǒng)中以輕敲模式進(jìn)行原子力顯微分析(AFM)。
樣品#2顯示大腸桿菌緊密包裹在一起(圖5)。所有細(xì)胞均具有清晰邊緣。注意到當(dāng)比較熱處理前樣品#2的AFM圖像(圖5)與熱處理后這個樣品的光學(xué)圖像(圖2)時，可發(fā)現(xiàn)細(xì)菌尺寸和包裹密度的降低。
樣品#3顯示碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的一些細(xì)胞(圖6)。在圖像的上中部明顯存在至少一個單個細(xì)胞。大腸桿菌細(xì)胞壁邊緣散開。
大腸桿菌細(xì)胞的解體結(jié)構(gòu)在3D圖像(圖7)中也可識別。也可看出碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料中的一些擴(kuò)散材料。
研究比圖10中所示更大的樣品#4的表面區(qū)域，且在識別點以外所有大腸桿菌細(xì)胞均解體。然而，可看到在碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部存在擴(kuò)散的大腸桿菌片段。
在DI水中對大腸桿菌和碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料超聲處理后，兩種組分因靜電力和范德華力而團(tuán)聚。在檢測極限觀察到懸浮液中所有細(xì)菌與碳納米管納米結(jié)構(gòu)材料接觸并粘附于其上。在懸浮液#2中無較長的游離大腸桿菌細(xì)胞。
大腸桿菌細(xì)胞立即開始解體或在細(xì)胞與納米管密切接觸之后不久開始解體。因此細(xì)菌看來像是散開其清晰邊緣且細(xì)菌內(nèi)容物似乎擴(kuò)散出細(xì)胞。這一過程在3小時顯影后開始(圖6和圖8)，且22小時后擴(kuò)散物離開以致很難識別單個細(xì)菌(圖10)。
除非另有說明，否則應(yīng)理解在說明書和權(quán)利要求中所使用的表示成分?jǐn)?shù)量、反應(yīng)條件等的所有數(shù)字在所有情況中可由術(shù)語“約”進(jìn)行改變。因此，除非另有說明，否則下列說明書和所附權(quán)利要求中所述的數(shù)字參數(shù)為近似值，其可視本發(fā)明設(shè)法獲得的所需性質(zhì)而變化。
從考慮本說明書和本文所揭示的本發(fā)明的實施出發(fā)，本發(fā)明的其他實施例對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。原則上希望僅認(rèn)為說明書和實例是例示性的，下列權(quán)利要求說明本發(fā)明的真正范疇和精神。
權(quán)利要求
1.一種納米結(jié)構(gòu)材料，其包含選自經(jīng)浸漬、官能化、摻雜、充電、涂布和輻射納米管及其組合的缺陷型碳納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述缺陷型碳納米管含有一缺陷，其為至少一個碳環(huán)中的晶格畸變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述碳納米管以一足以大體上破壞、改變、移除或分離與所述納米結(jié)構(gòu)材料相接觸的流體中的污染物的量存在于所述納米結(jié)構(gòu)材料中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述碳納米管具有至少一個至少部分開口的末端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述納米結(jié)構(gòu)材料包含液體、固體或氣體介質(zhì)中的所述碳納米管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述碳納米管是通過機(jī)械力或選自電磁場、聲場和光場或其組合的一場而維持在所述介質(zhì)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述固體介質(zhì)包含至少一種選自纖維、基質(zhì)和粒子的組分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述碳納米管與所述纖維、基質(zhì)和粒子互連和/或連接以形成納米膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述液體介質(zhì)包含水、油、有機(jī)或無機(jī)溶劑、氮和二氧化碳的液體形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述氣體介質(zhì)包含空氣或一選自氬、氮、氦、氨和二氧化碳的氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述碳納米管具有卷曲管狀或非管狀碳環(huán)納米結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述具有卷曲管狀或非管狀碳環(huán)納米結(jié)構(gòu)的碳納米管為單壁、多壁、納米卷曲或其組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述具有卷曲管狀或非管狀納米結(jié)構(gòu)的碳納米管具有一選自納米角狀、圓柱狀、納米螺旋狀、樹枝狀、樹狀、星形納米管結(jié)構(gòu)、納米管Y-接合和竹狀形態(tài)的形態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中浸漬、官能化、摻雜和/或涂布在所述碳納米管上的所述材料以足以將流體或其組分主動和/或選擇性地輸送入所述納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的量存在。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述材料包含用于選擇性地輸送入所述碳納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的相同材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述材料包含至少一種選自氧、氫、離子化合物、鹵化化合物、糖、醇、肽、氨基酸、RNA、DNA、內(nèi)毒素、金屬有機(jī)化合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物和元素金屬及其合金的化合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述氧化物包含至少一種碳、硫、氮、氯、鐵、鎂、硅、鋅、鈦或鋁的氧化物。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述經(jīng)官能化的碳納米管包含附著在所述碳納米管表面的無機(jī)或有機(jī)化合物。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述有機(jī)化合物包含直鏈或支鏈、飽和或不飽和基團(tuán)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述有機(jī)化合物包含至少一種選自羧基、胺、聚酰胺、聚兩性分子、重氮鹽、芘基、硅烷及其組合的化學(xué)基團(tuán)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述無機(jī)化合物包含至少一種硼、鈦、鈮、鎢的氟化合物及其組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述無機(jī)或有機(jī)化合物位于所述碳納米管的末端上并視情況聚合。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述無機(jī)或有機(jī)化合物包含鹵素原子或鹵化化合物。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含穿過所述碳納米管表面和/或穿過所述納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的官能基的組成和/或密度的不均一性。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含一大體上均一的穿過所述碳納米管表面和/或穿過所述納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的官能基的梯度。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述經(jīng)充電碳納米管上的電荷以一足以促進(jìn)涂布所述碳納米管一表面的量存在。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述經(jīng)充電碳納米管上的電荷以一足以達(dá)成下列目的中至少之一的量存在破壞、改變、移除或分離與所述納米結(jié)構(gòu)材料相接觸的流體中的污染物。
28.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述纖維、基質(zhì)和粒子是選自至少一種金屬材料、陶瓷材料和聚合材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述聚合材料包含單組分或多組分聚合物、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙酸烯樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸乙二酯、維通(viton)含氟彈性體、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述多組分聚合物呈現(xiàn)至少兩個不同的玻璃轉(zhuǎn)化溫度或熔融溫度。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述陶瓷材料是選自下列物質(zhì)中的至少一種碳化硼、氮化硼、氧化硼、磷酸硼、尖晶石、石榴石、氟化鑭、氟化鈣、碳化硅、碳及其同素異形體、氧化硅、玻璃、石英、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳化鋯、硼化鋯、亞硝酸鋯、硼化鉿、氧化釷、氧化釔、氧化鎂、氧化磷、堇青石、富鋁紅柱石、氮化硅、鐵素體、藍(lán)寶石、塊滑石、碳化鈦、氮化鈦、硼化鈦及其組合。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述金屬材料是選自下列物質(zhì)中的至少一種鋁、硼、銅、鈷、金、鉑、硅、鋼、鈦、銠、銦、鐵、鈀、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、鎳、銀、鋯、釔及其合金。
33.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述粒子具有一高達(dá)100微米的直徑。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述經(jīng)涂布碳納米管上的涂層包含一金屬材料或聚合材料。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述金屬材料包含至少一種選自金、鉑、鈦、銠、銥、銦、銅、鐵、鈀、鎵、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、銀、鎳、鈷、鑭系金屬及其合金的金屬。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述聚合材料是選自多組分聚合物、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙酸烯樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸乙二酯、維通含氟彈性體、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
37.根據(jù)權(quán)利要求14所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述流體或其組分包含選自病原體、微生物有機(jī)體、DNA、RNA、天然有機(jī)分子、霉菌、真菌、天然及合成毒素、重金屬、內(nèi)毒素、蛋白質(zhì)、酶以及微米粒子和納米粒子污染物的污染物。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的納米結(jié)構(gòu)材料，其中所述天然及合成毒素和重金屬包括砷、鉛、鈾、鉈、鎘、鉻、硒、銅和釷。
39.一種純化流體的方法，其包含將一被污染流體與包含選自經(jīng)浸漬、官能化、摻雜、充電、涂布和輻射納米管的缺陷型碳納米管的納米結(jié)構(gòu)材料相接觸，且破壞、改變、移除或分離所述流體中至少一種污染物。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述缺陷型碳納米管含有一缺陷，其為至少一個碳環(huán)中的晶格畸變。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述碳納米管具有至少一個至少部分開口的末端。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中使用改變所述流體的生物或化學(xué)活性的組分處理所述納米結(jié)構(gòu)材料。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其進(jìn)一步包含形成一經(jīng)純化流體流和一被污染流。
44.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述納米結(jié)構(gòu)材料包含以一足以大體上破壞、改變、移除或分離所述流體中污染物的量存在于液體、固體或氣體介質(zhì)中的所述碳納米管。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述碳納米管是通過機(jī)械力或選自電磁場、聲場和光場或其組合的一場而維持在所述介質(zhì)中。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述固體介質(zhì)包含至少一種選自纖維、基質(zhì)和粒子的組分。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中所述碳納米管與纖維、基質(zhì)和粒子互連和/或連接以形成納米膜。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述液體介質(zhì)包含水、油、有機(jī)或無機(jī)溶劑、氮和二氧化碳的液體形式。
49.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述氣體介質(zhì)包含空氣或選自氬、氮、氦、氨和二氧化碳的氣體。
50.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述碳納米管具有卷曲管狀或非管狀碳環(huán)納米結(jié)構(gòu)。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述具有卷曲管狀或非管狀碳環(huán)納米結(jié)構(gòu)的碳納米管為單壁、多壁、納米卷曲或其組合。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中所述具有卷曲管狀或非管狀納米結(jié)構(gòu)的碳納米管具有選自納米角狀、圓柱狀、納米螺旋狀、樹枝狀、樹狀、星形納米管結(jié)構(gòu)、納米管Y-接合和竹狀形態(tài)的形態(tài)。
53.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中浸漬、官能化、摻雜和/或涂布在所述碳納米管上的所述材料以一足以將流體或其組分主動和/或選擇性地輸送入所述納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的量存在。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其中所述材料包含用于選擇性地輸送入所述經(jīng)預(yù)處理的缺陷型碳納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的相同材料。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其中所述材料包含至少一種選自氧、氫、離子化合物、鹵化化合物、糖、醇、肽、氨基酸、RNA、DNA、內(nèi)毒素、金屬有機(jī)化合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物和元素金屬及其合金的化合物。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的方法，其中所述氧化物包含碳、硫、氮、氯、鐵、鎂、硅、鋅、鈦或鋁的氧化物。
57.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含附著在所述碳納米管表面的無機(jī)或有機(jī)化合物。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述有機(jī)化合物包含直鏈或支鏈、飽和或不飽和基團(tuán)。
59.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述有機(jī)化合物包含至少一種選自羧基、胺、聚酰胺、聚兩性分子、重氮鹽、芘基、硅烷及其組合的化學(xué)基團(tuán)。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的方法，其中所述至少一種化學(xué)基團(tuán)位于所述碳納米管的至少一個末端上并視情況聚合。
61.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述無機(jī)化合物包含至少一種硼、鈦、鈮、鎢的氟化合物及其組合。
62.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述無機(jī)或有機(jī)化合物包含鹵素原子或鹵化化合物。
63.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含穿過所述碳納米管表面和/或穿過所述納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的官能基的組成和/或密度的不均一性。
64.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含大體上均一的穿過所述碳納米管表面和/或穿過所述納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的所述無機(jī)或有機(jī)基團(tuán)的梯度。
65.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述碳納米管充電至一足以增強(qiáng)所述污染物的破壞、改變、移除或分離的水平。
66.根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其中通過化學(xué)方法、輻射、電容充電或流體鄰近和/或穿過所述碳納米管流動對所述碳納米管進(jìn)行充電，其中充電可在所述官能化和/或所述涂布之前發(fā)生或同時發(fā)生。
67.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述經(jīng)輻射碳納米管是經(jīng)至少一種選自光子、電子、核和離子粒子的粒子輻射，所述輻射的量足以破壞至少一個碳-碳鍵和/或碳-摻雜物鍵或足以活化所述結(jié)構(gòu)。
68.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述纖維、基質(zhì)和粒子是選自至少一種金屬材料、陶瓷材料和聚合材料。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其中所述聚合材料包含單組分或多組分聚合物、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙酸烯樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸乙二酯、維通含氟彈性體、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
70.根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中所述多組分聚合物呈現(xiàn)至少兩個不同的玻璃轉(zhuǎn)化溫度或熔融溫度。
71.根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其中所述陶瓷材料是選自下列物質(zhì)中的至少一種碳化硼、氮化硼、氧化硼、磷酸硼、尖晶石、石榴石、氟化鑭、氟化鈣、碳化硅、碳及其同素異形體、氧化硅、玻璃、石英、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳化鋯、硼化鋯、亞硝酸鋯、硼化鉿、氧化釷、氧化釔、氧化鎂、氧化磷、堇青石、富鋁紅柱石、氮化硅、鐵素體、藍(lán)寶石、塊滑石、碳化鈦、氮化鈦、硼化鈦及其組合。
72.根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其中所述金屬材料是選自下列物質(zhì)中的至少一種鋁、硼、銅、鈷、金、鉑、硅、鋼、鈦、銠、銦、鐵、鈀、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、鎳、銀、鋯、釔及其合金。
73.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述粒子具有一高達(dá)100微米的直徑。
74.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述經(jīng)涂布碳納米管上的涂層包含金屬材料或聚合材料。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的方法，其中所述金屬材料包含至少一種選自金、鉑、鈦、銠、銥、銦、銅、鐵、鈀、鎵、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、銀、鎳、鈷、鑭系金屬及其合金的金屬。
76.根據(jù)權(quán)利要求74所述的方法，其中所述聚合材料是選自多組分聚合物、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙酸烯樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸乙二酯、維通含氟彈性體、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
77.根據(jù)權(quán)利要求77所述的方法，其中所述污染物的移除和/或分離包含一選自尺寸排除、吸收和吸附的機(jī)理。
78.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述污染物包含病原體、微生物有機(jī)體、DNA、RNA、天然有機(jī)分子、霉菌、真菌、天然及合成毒素、重金屬、內(nèi)毒素、蛋白質(zhì)、酶以及微米粒子和納米粒子污染物。
79.根據(jù)權(quán)利要求79所述的方法，其中所述天然及合成毒素和重金屬包括砷、鉛、鈾、鉈、鎘、鉻、硒、銅和釷。
80.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述流體包含至少一種液體或氣體。
81.根據(jù)權(quán)利要求80所述的方法，其中所述液體為水。
82.根據(jù)權(quán)利要求80所述的方法，其中所述液體是選自石油及其副產(chǎn)品、生物流體、食品、酒精類飲料和藥物。
83.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其中所述石油及其副產(chǎn)品包含航空、汽車、船舶和機(jī)車燃料、火箭燃料、工業(yè)及機(jī)械油和潤滑油以及民用燃料油和可燃?xì)怏w。
84.根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其中所述石油及其副產(chǎn)品包含航空燃料且所述污染物包含細(xì)菌。
85.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其中所述生物流體是從動物、人、植物得到，或包含在生物技術(shù)或醫(yī)藥產(chǎn)品加工中所使用的生長肉湯。
86.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其中所述生物流體包含血液、奶和兩者的組分。
87.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其中所述食品是選自動物副產(chǎn)品、果汁、天然糖漿和烹飪或食品工業(yè)中所使用的天然及合成油。
88.根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其中所述動物副產(chǎn)品包括奶和蛋。
89.根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其中所述烹飪或食品工業(yè)中所使用的天然及合成油包含橄欖油、花生油、花油和植物油。
90.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其中所述酒精類飲料包含啤酒、葡萄酒或白酒。
91.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述污染物是選自下列物質(zhì)的至少一種鹽、金屬、病原體、微生物有機(jī)體、DNA、RNA、天然有機(jī)分子、霉菌、真菌、天然及合成毒素、內(nèi)毒素、蛋白質(zhì)和酶。
92.根據(jù)權(quán)利要求91所述的方法，其中所述天然及合成毒素包含化學(xué)及生物戰(zhàn)劑。
93.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述氣體包含空氣。
94.一種純化水的方法，其包含將一被污染水與一包含選自經(jīng)浸漬、官能化、摻雜、充電、涂布和輻射納米管的缺陷型碳納米管的納米結(jié)構(gòu)材料相接觸，且其中所述被污染水的接觸時間足以破壞、改變、移除或分離所述水中至少一種污染物。
95.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述污染物被移除至一至少3log(99.9％)的水平。
96.根據(jù)權(quán)利要求95所述的方法，其中所述污染物被移除至一至少4log(99.99％)的水平。
97.根據(jù)權(quán)利要求96所述的方法，其中所述污染物被移除至一至少5log(99.999％)的水平。
98.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中使用改變所述水的生物或化學(xué)活性的組分處理所述納米結(jié)構(gòu)材料。
99.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其進(jìn)一步包含形成不同于含污染物流的潔凈水流。
100.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述缺陷型碳納米管含有一缺陷，其為至少一個碳環(huán)中的晶格畸變。
101.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述碳納米管具有至少一個至少部分開口的末端。
102.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中使用改變所述水的生物或化學(xué)活性的組分處理所述納米結(jié)構(gòu)材料。
103.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述納米結(jié)構(gòu)材料包含以一足以大體上破壞、改變、移除或分離所述水中污染物的量存在于液體、固體或氣體介質(zhì)中的所述碳納米管。
104.根據(jù)權(quán)利要求103所述的方法，其中所述碳納米管是通過機(jī)械力或選自電磁場、聲場和光場或其組合的一場維持在所述介質(zhì)中。
105.根據(jù)權(quán)利要求103所述的方法，其中所述固體介質(zhì)包含至少一種選自纖維、基質(zhì)和粒子的組分。
106.根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其中所述碳納米管與纖維、基質(zhì)和粒子互連和/或連接以形成納米膜。
107.根據(jù)權(quán)利要求103所述的方法，其中所述液體介質(zhì)包含水、油、有機(jī)溶劑、氮和二氧化碳的液體形式。
108.根據(jù)權(quán)利要求103所述的方法，其中所述氣體介質(zhì)包含空氣或選自氬、氮、氦、氨和二氧化碳的氣體。
109.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述碳納米管具有卷曲管狀或非管狀碳環(huán)納米結(jié)構(gòu)。
110.根據(jù)權(quán)利要求109所述的方法，其中所述具有卷曲管狀或非管狀碳環(huán)納米結(jié)構(gòu)的碳納米管為單壁、多壁、納米卷曲或其組合。
111.根據(jù)權(quán)利要求110所述的方法，其中所述具有卷曲管狀或非管狀納米結(jié)構(gòu)的碳納米管具有選自納米角狀、圓柱狀、納米螺旋狀、樹枝狀、樹狀、星形納米管結(jié)構(gòu)、納米管Y-接合和竹狀形態(tài)的形態(tài)。
112.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中浸漬、官能化、摻雜和/或涂布在所述碳納米管上的所述材料以一足以將流體或其組分主動和/或選擇性地輸送入所述納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的量存在。
113.根據(jù)權(quán)利要求112所述的方法，其中所述材料包含用于選擇性地輸送入所述經(jīng)預(yù)處理的缺陷型碳納米管、自其輸送出、輸送通過其、沿著其輸送或環(huán)繞其輸送的相同材料。
114.根據(jù)權(quán)利要求112所述的方法，其中所述材料包含至少一種選自氧、氫、離子化合物、鹵化化合物、糖、醇、肽、氨基酸、RNA、DNA、內(nèi)毒素、金屬有機(jī)化合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物和元素金屬及其合金的化合物。
115.根據(jù)權(quán)利要求114所述的方法，其中所述氧化物包含碳、硫、氮、氯、鐵、鎂、硅、鋅、鈦或鋁的氧化物。
116.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含附著在所述碳納米管表面的無機(jī)或有機(jī)化合物。
117.根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其中所述有機(jī)化合物包含直鏈或支鏈、飽和或不飽和基團(tuán)。
118.根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其中所述有機(jī)化合物包含至少一種選自羧基、胺、聚酰胺、聚兩性分子、重氮鹽、芘基、硅烷及其組合的化學(xué)基團(tuán)。
119.根據(jù)權(quán)利要求118所述的方法，其中所述至少一種化學(xué)基團(tuán)位于所述碳納米管的至少一個末端上并視情況聚合。
120.根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其中所述無機(jī)化合物包含至少一種硼、鈦、鈮、鎢的氟化合物及其組合。
121.根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其中所述無機(jī)或有機(jī)化合物包含鹵素原子或鹵化化合物。
122.根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含穿過所述碳納米管表面和/或穿過所述納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的官能基的組成和/或密度的不均一性。
123.根據(jù)權(quán)利要求116所述的方法，其中所述經(jīng)官能化碳納米管包含大體上均一的穿過所述碳納米管表面和/或穿過所述納米結(jié)構(gòu)材料中至少一維的所述無機(jī)或有機(jī)基團(tuán)的梯度。
124.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述碳納米管充電至一足以增強(qiáng)所述污染物的破壞、改變、移除或分離的水平。
125.根據(jù)權(quán)利要求124所述的方法，其中通過化學(xué)方法、輻射、電容充電或水鄰近和/或穿過所述碳納米管流動對所述碳納米管進(jìn)行充電，其中充電可在所述官能化和/或所述涂布之前發(fā)生或同時發(fā)生。
126.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述經(jīng)輻射碳納米管是由至少一種選自光子、電子、核和離子粒子的粒子輻射，所述輻射的量足以破壞至少一個碳-碳鍵和/或碳-摻雜物鍵或足以活化所述結(jié)構(gòu)。
127.根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其中所述纖維、基質(zhì)和粒子是選自至少一種金屬材料、陶瓷材料和聚合材料。
128.根據(jù)權(quán)利要求127所述的方法，其中所述聚合材料包含單組分或多組分聚合物、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙酸烯樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸乙二酯、維通含氟彈性體、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
129.根據(jù)權(quán)利要求128所述的方法，其中所述多組分聚合物呈現(xiàn)至少兩個不同的玻璃轉(zhuǎn)化溫度或熔融溫度。
130.根據(jù)權(quán)利要求128所述的方法，其中所述陶瓷材料是選自下列物質(zhì)中的至少一種碳化硼、氮化硼、氧化硼、磷酸硼、尖晶石、石榴石、氟化鑭、氟化鈣、碳化硅、碳及其同素異形體、氧化硅、玻璃、石英、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳化鋯、硼化鋯、亞硝酸鋯、硼化鉿、氧化釷、氧化釔、氧化鎂、氧化磷、堇青石、富鋁紅柱石、氮化硅、鐵素體、藍(lán)寶石、塊滑石、碳化鈦、氮化鈦、硼化鈦及其組合。
131.根據(jù)權(quán)利要求128所述的方法，其中所述金屬材料是選自下列物質(zhì)中的至少一種鋁、硼、銅、鈷、金、鉑、硅、鋼、鈦、銠、銦、鐵、鈀、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、鎳、銀、鋯、釔及其合金。
132.根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其中所述粒子的直徑高達(dá)100微米。
133.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述經(jīng)涂布碳納米管上的涂層包含金屬材料或聚合材料。
134.根據(jù)權(quán)利要求133所述的方法，其中所述金屬材料包含至少一種選自金、鉑、鈦、銠、銥、銦、銅、鐵、鈀、鎵、鍺、錫、鉛、鎢、鈮、鉬、銀、鎳、鈷、鑭系金屬及其合金的金屬。
135.根據(jù)權(quán)利要求133所述的方法，其中所述聚合材料是選自多組分聚合物、尼龍、聚氨基甲酸酯、丙烯酸樹脂、甲基丙酸烯樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧橡膠、天然橡膠、合成橡膠、硫化橡膠、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸乙二酯、維通含氟彈性體、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯)、聚丙烯和聚氯丁烯。
136.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述污染物的移除和/或分離包含一選自尺寸排除、吸收和吸附的機(jī)理。
137.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述污染物包含病原體、微生物有機(jī)體、DNA、RNA、天然有機(jī)分子、霉菌、真菌、天然及合成毒素、重金屬、內(nèi)毒素、蛋白質(zhì)、酶以及微米粒子和納米粒子污染物。
138.根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其中所述天然及合成毒素和重金屬包括砷、鉛、鈾、鉈、鎘、鉻、硒、銅、釷、化學(xué)及生物戰(zhàn)劑。
139.根據(jù)權(quán)利要求94所述的方法，其中所述污染物包含鹽。
140.一種大體上由碳組成的延長型納米管，所述納米管因結(jié)晶缺陷而畸變至以下程度所述納米管的位于其相對末端之間的一部分在所述部分處具有較大的化學(xué)活性。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種納米結(jié)構(gòu)材料，其包含選自經(jīng)浸漬、官能化、摻雜、充電、涂布和輻射納米管及其組合的缺陷型碳納米管。所述缺陷型碳納米管含有一缺陷，其為至少一個碳環(huán)中的晶格畸變。本發(fā)明也揭示一種使用這種納米結(jié)構(gòu)材料純化流體的方法，所述流體為諸如包括水在內(nèi)的液體以及包括空氣在內(nèi)的氣體。
文檔編號C02F1/44GK1867392SQ200480010419
公開日2006年11月22日 申請日期2004年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
發(fā)明者克里斯托弗·H·庫帕, 艾倫·G·卡明斯, 米哈伊爾·Y·斯塔羅斯京, 查爾斯·P·洪辛格 申請人:塞爾頓技術(shù)公司