纳米纤维复合材料过滤器、制造该材料的方法和过滤系统的制作方法
【专利说明】
[0001 ] 本申请是申请日为2008年11月21日、申请号为200880132427.X、发明名称为"多孔 块纳米纤维复合过滤器"的原案申请的分案申请。
[0002] 合同来源
[0003] 根据美国能源部（United States Department of Energy)和可持续能源联盟有 限公司（Alliance for Sustainable Energy,LLC)(国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory)的管理者和经营者）之间的第DE-AC36-08G028308号合同， 美国政府享有本发明的权利。
技术领域
[0004]本发明涉及多孔块纳米纤维复合材料过滤器，用于制造多孔块纳米纤维复合材料 的方法和过滤系统。
【背景技术】
[0005]为各种目的正在开发和使用许多类型的纳米级别的材料。已经生产出具有相对小 直径(例如纳米级别的）和非常长的长度的各向异性纳米级别纤维，因此使得这样的纳米级 别的纤维为"高长宽比"材料。许多这些纳米级别的纤维具有独特的性质，使得它们能够有 希望成为许多各种不同的应用的候选材料，例如过滤介质的应用的候选材料。
[0006]已有用于制造纳米级别的尤其是具有过滤效用的氧化铝颗粒的方法。例如，可以 对具有大约25nm至大约500nm级别的直径和对应的大约10m2/g至大约70m2/g的表面积的球 形氧化铝颗粒进行溶液处理，以产生尤其是具有在大约200m2/g至高达大约600m 2/g的范围 中的良好的表面积的Y和/或a氧化铝的纳米纤维。在另一例子中，可以对粗勃姆石纳米纤 维进行水热和退火处理以获得具有类似性质的纳米纤维，退火通常引起颗粒生长和表面积 减小。
[0007]相关领域的前述例子及其相关缺陷是用于例证，不排除其它的例子和缺陷。通过 阅读说明书和研究附图，相关领域的其它缺陷对于本领域技术人员而言将变得明显。
【发明内容】
[0008]下列实施方式及其方面是结合用于示例和举例而非限制范围的系统、工具和方法 来描述和举例说明的。在各种实施方式中，减少或消除了上述的一个或多个问题，而其他实 施方式针对的是另外的改进。考虑到上文，本文描述的进展的总的方面可以包括提供多孔 块纳米纤维复合材料产品，该产品包含具有一个或多个孔的多孔块和在至少一个孔内形成 的多个无机纳米纤维。非限制性的示例尤其包括碳多孔块和勃姆石纳米纤维。
[0009]本文的另一方面可以包括用于制造多孔块纳米纤维复合材料的方法，该方法包括 在处理室的水中提供多孔块和铝前体材料;水热法产生多孔块纳米纤维复合材料产品。据 此产生的基础纤维可以是勃姆石。其它可能的前体可以包括类似处理过的二氧化钛(Ti0 2) 或者氧化铁。另外的可选方面可以包括退火，例如在退火中，取决于温度，勃姆石被退火成 Y或者a氧化铝。另外的可选方面可以包括包含多孔块纳米纤维复合材料产品作为过滤介 质的活性成分。
[0010] 除了上述的示例性方面和实施方式，通过参考附图和研究下文的说明，更多的方 面和实施方式将变得显而易见。
【附图说明】
[0011] 参考附图对示例性的实施方式进行了说明。本文公开的实施方式和附图的目的被 认为是例证性的，而不是限制性的。
[0012] 图1是根据本文所描述的实施方式的示例性过滤系统的示意图；
[0013]图2A和图2B是突出显不个或多个图不的孔的多孔块的不意图；
[0014]图3是多孔块纳米纤维复合材料的孔的示意图；
[0015 ]图4是方法的流程图；
[0016]图5是本文示例的X-射线衍射图(XRD);
[0017]图6A和图6B提供了本文示例的扫描电子显微镜(SEM)图；
[0018]图7A、图7B和图7C提供了本文另一示例的扫描电子显微镜(SEM)图；
[0019] 图8是本文另外的示例的X-射线衍射图(XRD)特征；
[0020] 图9A和图9B提供了本文的再另外的示例的透射电子显微镜(TEM)图；
[0021]图10提供了本文的再另外的示例的再另外的透射电子显微镜(TEM)图；
[0022]图11提供了本文的再另一的示例的再另一的透射电子显微镜(TEM)图；和 [0023]图12是钛酸盐纳米管和锐钛矿Ti02纳米棒的X-射线衍射(XRD)扫描。
【具体实施方式】
[0024] 本文提出了系统、装置、复合物和/或其制造方法或使用方法，其包含在多孔块的 孔上沉积的或者在多孔块的孔内形成的纳米纤维材料，以提供一个或多个能用作具有良好 的过滤特性的过滤介质的复合材料产品。更具体的说，在一些实现方式中，本文提供非有机 纳米纤维，以及其制造和使用方法，所述非有机纳米纤维例如为氧化铝或者类似物质，作为 一个具体的示例包括勃姆石(A1(0)0H)，所述非有机纳米纤维在多孔过滤块的孔中生长，该 多孔过滤块在一些示例中为多孔碳。参考附图和下文的描述可以更好的理解示例性的纳米 纤维多孔块复合材料及其制造和使用方法，尽管应当理解的是可以使用各种可替代的多孔 块、非有机纳米纤维和制造方法。
[0025] 首先参考图1，其所示为流通型过滤系统10的整体图，本文的改进可以应用到其上 或用于该系统。更具体的，过滤系统10可以包括多孔过滤块100或者根据下文所述进行改进 的改进块110。块100或110可以如图所示设置在系统10的流通室101内。在这样的系统10中， 流体可以经由入口 102进入(例如参见输入流动箭头），然后流过多孔过滤块100或110(虚线 流动箭头），并经由出口 103流出（出口流动箭头）。在根据本文的改进的许多示例中，流体是 具有要经由该多孔过滤块100/110以从中过滤的一种或多种污染物或杂质的水。注意，块和 系统仅示意性地显示在图1中，大量的潜在的可替代的不受图1的物理形态所限制的实现方 式可以包含本文的一个或多个特征，而不管尺寸、规模、外形或者运行方式怎样。
[0026]图2A和图2B显示具有多个孔200的块100的更详细的示意图，通过本文所描述的改 进，该块100从图2A的上部视图变成下部视图，获得具有改进的孔结构210的改进块110,改 进的孔结构中或者其上生长有如下文所描述的纳米纤维。图2B中所示为示意性的其中设置 有多个纳米纤维211的孔结构210的放大图。图3接着提供了示意性的功能图，其中显示流体 300流动通过并进入孔210,在孔210中，其与一个或多个纳米纤维211以及基底材料250接 触。在如在下文中更详细描述的例如水过滤通过多孔碳块的示例中，水与碳的接触能够具 有已知的有益效果以及由纳米纤维所提供的附加效果。更具体的，碳能移除一些污染物或 者杂质，例如不良有机物和/或一些元素或者分子，例如氯或氯胺;然而，增加了本文的纳米 纤维，可以发现能够另外移除生物病原体(例如为病毒或者细菌)或者其它微粒、有机或无 机的或者毒性元素(例如为重金属)的附加功能。
[0027] 在图3的示例中所示的外部的基底材料250可以可选地表示外部多孔膜，且在该外 部多孔膜的孔的内部中生长有纳米纤维结构。因此，这里的多孔基底内的孔可以是多孔块 内的孔或者多孔膜内的孔，或者多孔块和多孔膜内的孔，然而，不论哪种情况，纳米纤维在 孔内形成。外部多孔膜还可以与多孔炔基底一起使用，以便例如，这样的膜可以用于包含纳 米纤维211和/或用作纳米纤维的任意支撑介质110。因此，多孔块可以具有例如本文所描述 的碳的第一功能属性;设置在该多孔块的孔内的纳米纤维的第二属性;和同时或者可选地 具有在其孔内形成的纳米纤维的外部多孔膜的第三属性。
[0028] 示例性的多孔块纳米纤维复合材料产品可以以下