專利名稱：具有納米結(jié)構(gòu)吸附材料的系統(tǒng)和凈化流體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從流體中除去微粒和/或污染物，包括雜質(zhì)化合物和元素，且更具體地說，涉及具有納米結(jié)構(gòu)吸附材料的容器，該吸附材料用于去除這種微粒和/或污染物。
現(xiàn)有技術(shù)在許多情況下，并不能獲得適于食用的流體，如水。例如，在遠(yuǎn)離人口密集的地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期旅行時(shí)，可利用的流體，如在水塘中的流體可能含有超過規(guī)定的人類可食用范圍的微粒和/或污染物量。目前，已經(jīng)有各種已知的工藝和方法用于從流體中去除微粒，包括雜質(zhì)化合物和元素，和/或污染物。
美國(guó)專利US703,654公開了具有兩個(gè)分開的室的水壺，這兩個(gè)室裝入水壺內(nèi)盛放過濾的水和未過濾的水。過濾介質(zhì)設(shè)置在兩個(gè)室之間，且空氣泵連接到盛放未過濾的水的室。此空氣泵用于使未過濾的水通過過濾介質(zhì)進(jìn)入盛放過濾水的室中。
美國(guó)專利US2,781,312公開了一種具有進(jìn)口的盛納供給水用的貯存器。一種質(zhì)量松散的處理材料設(shè)置在貯存器內(nèi)以使其可以自由分散在水中來處理含有化學(xué)成分的水，以及過濾器用于濾掉處理過的水中的不期望的成分。迫使水通過用于過濾目的的過濾器。在處理材料上設(shè)置染劑以賦予水顏色來標(biāo)示處理材料被部分或全部消耗的消耗情況，并當(dāng)處理過的水的質(zhì)量低于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由此向操作者發(fā)出信號(hào)。
美國(guó)專利US4,714,550公開了一種水凈化系統(tǒng)，它包括細(xì)長(zhǎng)的室狀凈化組件，該組件依尺寸設(shè)計(jì)成可拆卸地安裝在常規(guī)的水壺中。組件設(shè)有填充了微粒狀水凈化材料的內(nèi)室。室內(nèi)的同心管允許水通過組件底部處的過濾進(jìn)口流進(jìn)室中以沿著細(xì)長(zhǎng)的室狀流動(dòng)通道穿過凈化材料到達(dá)組件頂部處的出口。
美國(guó)專利US4,800,018公開了一種簡(jiǎn)便的便攜式水凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在單個(gè)容器中都提供了未過濾水的盛放室，一次性過濾器柱以及已過濾水的貯液器。該一次性過濾器柱水平地設(shè)置在中間并將容器分成兩個(gè)室。受污染的和未過濾的水傾倒入容器上部的盛放室以及允許這些水通過一次性過濾器柱內(nèi)的過濾材料進(jìn)入下面的貯液器中。
美國(guó)專利US5,122,272公開了一種具有可拆卸過濾器裝置的容器組件，該過濾器裝置穿過頂部的開口伸入容器內(nèi)。此過濾器裝置包括細(xì)長(zhǎng)的圓柱形構(gòu)件，它被構(gòu)建以提供上部的室和底部的室。上部的室用作空氣進(jìn)入容器中的通道，而底部的室包括用于水流出容器的水過濾器。使用容器時(shí)，經(jīng)由過濾器靠吸力抽取置于容器內(nèi)的水，然后被穿過上部的室進(jìn)入容器的空氣所取代。
US5,149,437公開了一種裝置，它包括過濾器外罩，在其一端具有進(jìn)口用于待凈化的水，在其相對(duì)端具有出口用于凈化過的水。過濾器裝置包括按順序的第一、第二和第三層凈化材料。第一層凈化材料包括金屬顆粒，用于在第一層中形成合適的氧化還原電勢(shì)。第二層凈化材料包括活性碳。第三層凈化材料包括弱酸性離子交換樹脂。
US5,186,830公開了一種過濾飲用水的裝置，它包括底部的非多孔性容器以容納濾出液。由高密度陶瓷過濾材料封住其底端的上部容器以套裝關(guān)系堆在底部容器上。當(dāng)含污染物和致污物的水傾到入過濾器容器時(shí)，它在重力的作用下下落穿過陶瓷過濾材料并被儲(chǔ)存在底部的貯存器中。
美國(guó)專利US5,431,813公開了一種瓶子，它包括設(shè)置在瓶頸處的水過濾裝置。在從水過濾瓶中正常食用水的過程中，通過水過濾裝置過濾水以去除不想要的物質(zhì)，如殺蟲劑、氯、微粒物質(zhì)、藻類、細(xì)菌、重金屬，和改善食用水的氣味和味道。
美國(guó)專利US5,562,824公開了一種重力滲濾水凈化器組件。該組件包括帶蓋子的存儲(chǔ)容器，它具有分配龍頭。用法蘭連接的過濾室被支撐在蓋子下面以容納未處理的水。多孔過濾器柱被密封在出口處。凈化器柱螺紋連接到出口并支撐多重纖維墊片和包含處理介質(zhì)床的處理室，該處理介質(zhì)包括多價(jià)碘介質(zhì)、粒狀活性碳和鹵素凈化劑。在一個(gè)凈化柱中，水從進(jìn)口孔處的多個(gè)進(jìn)口穿過毗連的中心室并經(jīng)由凈化器柱周邊的出口到達(dá)存儲(chǔ)容器。
美國(guó)專利US5,609,759公開了一種與具有寬頸的塑料瓶一起使用的過濾器組件。該組件包括裝過濾材料的管，用閥將該管連接到端蓋的一個(gè)表面并延伸到端蓋的相對(duì)面。管子包括過濾材料，如具有塑性粘合劑的活性炭，具有基本上連續(xù)的液態(tài)多孔側(cè)壁、空腔、第一密封端和第二開口端。管子可操作地連接到管子第二開口端處的端蓋第二表面。生物殺滅劑介質(zhì)可以設(shè)置在過濾器管的空腔中，且該管可用過濾材料包裹。過濾材料能夠降低氯的含量以及以約5ml/秒的流速穿過它的水可降低至少50％。
美國(guó)專利US5,733,448公開了一種具有兩個(gè)被過濾器分開的室的容器。其中一個(gè)室能夠被壓縮以便在該室內(nèi)壓縮一定量待過濾的水。當(dāng)施加壓力時(shí)，水被迫穿過過濾器進(jìn)入第二室，在該室中水以可飲用的干凈水的形式儲(chǔ)存起來供使用。過濾器包括一系列設(shè)置的盤以有效地去除微粒、化學(xué)物質(zhì)和其他不期望的水成分。經(jīng)過濾的水可以被過濾到分子水平以提供基本上無菌的飲用水。
美國(guó)專利US5,830,360公開了一種重力供給、灌通式(pour-through)的水過濾裝置，它包括用于罩住螺旋過濾器的室。該裝置還包括生物殺滅劑材料和環(huán)形固定室。數(shù)個(gè)多孔性分離器盤，一定量的過濾材料以及孢囊膜可以設(shè)置在螺旋過濾器和固定室的下面。該裝置設(shè)計(jì)成減少過濾水中存在的細(xì)菌、病毒和孢囊的數(shù)目。
美國(guó)專利US6117332公開了一種用于管狀水過濾柱的給水器插入體，該水過濾柱是家用場(chǎng)合使用的水過濾系統(tǒng)。給水器插入體通過采用旁路系統(tǒng)允許化學(xué)物質(zhì)以受控的速率供給到引入的供給水中，該旁路系統(tǒng)允許預(yù)先確定量的引入水流過原料化學(xué)物質(zhì)而不接觸化學(xué)物質(zhì)。旁路流動(dòng)中的水量還可以通過使用兩個(gè)調(diào)節(jié)裝置來手動(dòng)調(diào)節(jié)，這兩個(gè)調(diào)節(jié)裝置是位于給水器插入體上的調(diào)節(jié)環(huán)和可旋轉(zhuǎn)端蓋。
美國(guó)專利US6,344,146公開了一種集成的水凈化裝置，它包括貯存器，它被改裝成容納用于凈化水的過濾器組件，以及儲(chǔ)存凈化后的水。貯存器提供了分別用于進(jìn)水和出水的開口。過濾組件包括泵和多級(jí)濾柱。泵的作用是將水引入水凈化裝置且使水通過多級(jí)過濾器進(jìn)入貯存器。凈化過的水可以儲(chǔ)存在貯存器中直至飲用。
美國(guó)專利US6,733,669公開了一種具有水密性聚合物容器的水凈化系統(tǒng)，該容器具有上部的未過濾水容納室和下部的過濾水室。一次性濾柱設(shè)置在兩室之間。這允許重力導(dǎo)向的過濾作用通過柱，與壓力導(dǎo)向的過濾作用相反。
上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)成通過利用重力或壓力流動(dòng)通過的方法過濾水。此外，就這些系統(tǒng)而言，并不容易利用一種裝置來確定通過過濾被去除的污染物的水平，以及此過濾器是否還能夠再去除微粒。因此，期望提供一種從水中去除微粒的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠顯示去除的污染物的水平，還可以確定微粒去除裝置是否還能夠再去除污染物。
發(fā)明概述這里描述的本發(fā)明涉及一種通過從流體中去除污染物，如微生物、有機(jī)、無機(jī)以及微粒物質(zhì)，來凈化食用流體而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括具有室的貯存器，其中可以放置一定量的流體。該系統(tǒng)還可以包括設(shè)置在室內(nèi)的多孔基體，該基體用于當(dāng)微粒和/或污染物在流體和多孔基體之間表面接觸時(shí)俘獲它們。在一個(gè)實(shí)施方案中，多孔基體包括納米結(jié)構(gòu)的吸附材料且可以嵌在貯存器的內(nèi)表面上?？商娲兀嗫谆w能以薄膜、涂層、層的形式或以薄片材料的形式設(shè)置在貯存器的內(nèi)表面上。在另一個(gè)實(shí)施方案中，多孔基體可以是松散質(zhì)量的大顆粒，這些顆粒能夠在貯存器內(nèi)的流體中自如移動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，納米結(jié)構(gòu)的吸附材料可以包含不同的化學(xué)材料，包括銀或銀化合物。該系統(tǒng)還可以包括與多孔基體通信的傳感器以便探測(cè)吸附在基體上的微粒和/或污染物的等級(jí)或從待處理的流體中去除微粒和/或污染物的數(shù)量。
本發(fā)明還提供一種通過從流體中去除不希望的微粒和/或污染物的凈化流體的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以設(shè)置貯存器，它具有容納待處理流體的室。具有納米尺度孔的多孔基體由此可以設(shè)置在室內(nèi)。待處理的流體可以再次被引入室中。接下來，貯存器中的流體可以開始流動(dòng)。當(dāng)在流體和多孔基體之間表面接觸時(shí)，微粒和/或污染物可以引向多孔基體內(nèi)并在其中被俘獲。如果便攜式容器或瓶中的飲用水不流動(dòng)，那么污染物仍可以通過慢分子置換或擴(kuò)散進(jìn)多孔基體中而被去除。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以標(biāo)示從流體中去除污染物的等級(jí)，以及多孔基體去除額外污染物的能力是否已被耗盡。
附圖簡(jiǎn)述下面將參考闡述在附圖中的示例性實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說明。


圖1根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案闡述了用于從流體去除污染物的系統(tǒng)的縱剖視圖。。
圖2A-B闡述了與本發(fā)明配合使用的各種多孔基體的截面圖。
圖3A根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案闡述了用于從流體去除污染物的系統(tǒng)的縱剖視圖。
圖3B闡述了與圖3A中的系統(tǒng)配合使用的各種多孔基體的截面圖。
圖4A根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案闡述了用于從流體去除污染物的系統(tǒng)的縱剖視圖。
圖4B闡述了圖4A中所示的貯存器的縱剖視圖。
圖5根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方案闡述了用于從流體去除污染物的系統(tǒng)的縱剖視圖。
圖6闡述了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的另一個(gè)系統(tǒng)的縱剖視圖，該系統(tǒng)用于從流體去除污染物。
圖7根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案示意性地闡述了從流體去除污染物的過程。
具體實(shí)施方案的詳細(xì)描述在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種食用流體的系統(tǒng)凈化，通過從流體例如水中除去微粒，如雜質(zhì)和不期望的成分，污染物，如微生物、生物污染物，有機(jī)和無機(jī)化合物以及元素，和/或從約1納米(nm)到約100nm或更大尺寸的物質(zhì)或材料，從而使所得到的處理過或凈化過的流體能安全食用，即該流體中的污染物等級(jí)未超過人類可食用的規(guī)定范圍。
在圖1中，所示的系統(tǒng)10具有貯存器11，如瓶子、容器或類似物，一定量待處理或凈化的流體置于其中。在一個(gè)實(shí)施方案中，貯存器11可以包括用于容納一定量流體的室12，以及開口13，經(jīng)由該開口，可以將一定量的流體引入室12中?？梢栽陂_口13上設(shè)置蓋子14以阻止室12內(nèi)的流體溢出。在一個(gè)實(shí)施方案中，蓋子14可以是咬合式蓋子、螺紋式蓋子或現(xiàn)有技術(shù)中其他任何已知的蓋子，只要它可以起到阻止室12內(nèi)的流體溢出的作用。雖然圖示成便攜的容器，但是貯存器11可以是更大的尺寸以及可以是任意尺寸，這取決于感興趣的應(yīng)用場(chǎng)合。此外，貯存器11可以由透明材料形成以允許看到其中的流體物。
該系統(tǒng)10還可以包括設(shè)置在室12中的多孔基體20，如圖2A和2B中所示，該基體用于從室12內(nèi)的流體中除去微粒和/或污染物。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，多孔基體20可以包括具有大量孔23的納米結(jié)構(gòu)吸附材料21。此外，多孔基體20可以具有流體接觸面24和基本上不滲透流體的面25，室12內(nèi)的流體可以貼著面24流動(dòng)或流過面24，多孔基體20和室12內(nèi)的流體不能流過面25。在一個(gè)實(shí)施方案中，孔23可以是納米級(jí)尺寸，從約1納米(nm)到約100nm。這樣，從約1nm到約10nm或更大尺寸的微粒和/或污染物都可以從流體中去除?？?3可以具有從約0.5cm3/g到約1.0cm3/g的總體積。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，孔23的總體積可以是約0.8cm3/g到約0.95cm3/g，總比表面積為自至少約1000m2/g到約3000m2/g，甚至更大。
正如圖2A所示，在一個(gè)實(shí)施方案中，納米結(jié)構(gòu)的吸附材料21可以包括多層22，每一層都具有在預(yù)先確定的尺寸范圍內(nèi)的孔23。在這種實(shí)施方案中，層22可以這樣布置以使各連續(xù)層22內(nèi)的孔23的尺寸從緊鄰接觸面24到緊鄰基本上不滲透的面25逐漸減小。這樣，較小的微粒和/或污染物可以允許穿過緊鄰接觸面24的較大的孔并進(jìn)入緊鄰基本上不滲透的面25的較小的孔中，在小孔中，它們被俘獲且留置。
可替代地，如圖2B所示，納米結(jié)構(gòu)吸附材料21可以設(shè)計(jì)成相同的層22，從而不同納米尺度范圍的孔可以散布在整個(gè)納米結(jié)構(gòu)的吸附材料21中。雖然未被圖示，但應(yīng)該理解納米結(jié)構(gòu)的吸附材料21可以具有如圖2A所示的多層，而各層可以包括散布在其間的不同納米尺度范圍的孔23，這類似于圖3B中那些。
在一個(gè)實(shí)施方案中，與本發(fā)明的系統(tǒng)10配合使用的多孔基體20可以這樣形成，如由各種原材料產(chǎn)生的多孔炭形成，原材料如廢棄的或用過的汽車輪胎或其他可以在多孔炭?jī)?nèi)產(chǎn)生相對(duì)高的固定碳含量的材料。當(dāng)然，新的汽車輪胎或類似的原材料也可以用于產(chǎn)生多孔炭。在一個(gè)實(shí)施方案中，原材料可以在反應(yīng)器(其中對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制)內(nèi)加熱，溫度從初始的室溫到約250℃到300℃。在初始加熱期間，可冷凝的或不可冷凝的氣體的混合物可以從反應(yīng)器內(nèi)的原材料中釋放出來?？梢栽谏院蟮牟襟E中用于重新引入而被俘獲的混合氣體通?？梢园s25％-35％二氧化碳、約10％-15％的一氧化碳、約5％-10％的甲烷、約1％-5％揮發(fā)性酸，剩余部分含有氫、氧、碳?xì)浠衔铮从袡C(jī)材料的混合物。
當(dāng)達(dá)到250℃和300℃之間時(shí)，在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生放熱反應(yīng)，從而增加了反應(yīng)器的溫度，這樣所得到的多孔碳的溫度從約500℃到約600℃。在此期間，先前被俘獲的可冷凝的和不可冷凝的氣體可以重新引入反應(yīng)器中以接觸多孔炭。所得到的多孔炭在此階段可以主要包含大孔以及性質(zhì)上可以僅是中等密度的。為了稍后獲得納米結(jié)構(gòu)的吸附材料，此中等密度的多孔炭可以轉(zhuǎn)化成具有相對(duì)高的固定碳含量的相對(duì)高密度材料。
為了在多孔炭中產(chǎn)生相對(duì)高的固定碳含量，可以在轉(zhuǎn)化過程的各個(gè)階段利用已知的各種方法去除原材料以及轉(zhuǎn)化材料即多孔炭中存在的雜質(zhì)，以產(chǎn)生多孔炭中固定碳含量大于約90％到約95％。應(yīng)該注意，平均來說，約20磅的原材料例如用過的輪胎會(huì)產(chǎn)生4磅固定碳含量在90％到95％之間的多孔炭。一旦可冷凝的和不可冷凝的氣體重新引入反應(yīng)器后，反應(yīng)器內(nèi)的溫度會(huì)增加從而可以在約1000℃和1100℃相對(duì)高的溫度范圍內(nèi)加熱多孔炭以擴(kuò)大多孔炭?jī)?nèi)的孔。在此階段，可將受控制的蒸汽和空氣的混合物可以引入反應(yīng)器中。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)1磅的多孔炭來說，約1.0磅到約1.5磅的蒸汽和空氣的混合物可以噴入反應(yīng)器中。蒸汽和空氣的量可以根據(jù)多孔炭?jī)?nèi)有多少孔需要被擴(kuò)大來變化，并且可以從每磅多孔碳0.5磅至2磅以上來變化。在一個(gè)實(shí)施方案中，蒸汽和空氣引入反應(yīng)器中可以在熱多孔炭存在的條件下產(chǎn)生煤氣。煤氣的含量可以變化，但可以含有約15％-20％的氫、20％-25％的一氧化碳，剩余物是氮、碳?xì)浠衔锖推渌袡C(jī)材料的混合物。
通過使多孔炭暴露于這種溫度范圍以及蒸汽和空氣的混合物，多孔炭可以轉(zhuǎn)化成具有期望氣孔率的相對(duì)高密度的納米結(jié)構(gòu)的材料。通?？梢杂?磅多孔炭產(chǎn)生約1磅高密度的納米結(jié)構(gòu)材料。多孔炭暴露在這種高溫下，除了擴(kuò)大和產(chǎn)生各種納米尺度的孔外，還可以提供具有至少約1000m2/g到約3000m2/g范圍，甚至更大內(nèi)表面積的所得納米結(jié)構(gòu)的吸附材料。
類似于圖2A-B所示的納米結(jié)構(gòu)材料，所得到的納米結(jié)構(gòu)材料可以配合本發(fā)明的多孔基體20使用。應(yīng)該注意到，將孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)大到特定納米尺度范圍的過程，以及去除多孔炭?jī)?nèi)的雜質(zhì)可以賦予此納米結(jié)構(gòu)材料特殊的性質(zhì)。特別地，這種過程可以賦予納米結(jié)構(gòu)材料為去除微粒和污染物所需的吸附性能。
除了納米尺度孔的尺寸外，納米結(jié)構(gòu)材料吸附微粒和污染物分子的能力還可以取決于納米尺度孔的結(jié)構(gòu)、總表面積、碳顆粒尺寸、以及碳顆粒之間的空穴空間。具體的說，因?yàn)槿鐖D2A和2B中的項(xiàng)21，納米結(jié)構(gòu)吸附材料主要包括納米碳顆粒26，所以這些納米碳顆粒之間的空間27必須足夠小，即納米尺度的尺寸和小于流體分子的尺寸，以便于流體穿過納米吸附材料21內(nèi)的孔23但不穿過孔23周圍的空間。類似地，如果碳顆粒大于納米尺度的尺寸，那么這種大的碳顆粒可以阻擋，部分阻擋，和/或干擾流體流進(jìn)孔23中，這樣允許流體遠(yuǎn)離孔23流動(dòng)。結(jié)果，流體流內(nèi)的微粒和/或污染物可以避免被孔23俘獲。
應(yīng)該理解，因?yàn)槎嗫谆w20的一個(gè)面25基本上不滲透流體，所以本發(fā)明的多孔基體20并不具有類似于市售過濾器的流過性能。相反，流向或穿過接觸面24的流體將沿著接觸面24進(jìn)入或離開。具體地說，流向或穿過接觸面24進(jìn)入納米結(jié)構(gòu)吸附材料21的流體不能由此穿過面25流出。在不可滲透面25存在的條件下，流體流向鄰近不可滲透面25的孔23的一個(gè)開口，隨后可以被允許流出孔23的另一個(gè)開口而不被不可滲透面25阻擋，正如圖2A和2B中的箭頭所示，以及最后它會(huì)流過接觸面24。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，不可滲透面25可以通過在多孔基體20的一個(gè)面涂覆基本上不滲透流體的材料層而形成。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，多孔基體20可以滲入，如銀或銀化合物以便使多孔基體20內(nèi)的微生物生長(zhǎng)降到最少。特別地，納米結(jié)構(gòu)的吸附材料21可以在酸性或堿性材料存在的條件下用銀化合物處理，這取決于所用的銀化合物，以使銀化合物可以大體上平均分布于孔23的內(nèi)表面。因?yàn)榇朔椒稍诨瘜W(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生不期望的材料，所以在一個(gè)實(shí)施方案中，這種材料可以通過瀝濾去除。這里所采用的方法可以增強(qiáng)多孔基體20的性能。除了去除微粒和污染物，如前所述，銀化合物的存在可以使多孔基體20內(nèi)的微生物生長(zhǎng)降到最少。而且，應(yīng)該注意，采用這里所述方法的多孔基體20內(nèi)具有的銀含量可以遠(yuǎn)低于飲用水中銀的允許范圍。在一個(gè)實(shí)施方案中，銀含量可以是以重量計(jì)約1％。另外，這里所采用的方法可以使從多孔基體20內(nèi)濾瀝的銀含量最小。這樣，多孔基體20內(nèi)存在的銀化合物并不會(huì)升高上述允許范圍的銀含量。
參考圖3A-B，這里圖示了用于通過從流體中去除污染物而凈化流體的系統(tǒng)30，污染物如微生物、有機(jī)、無機(jī)以及微粒物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)30可以包括類似于圖1所示的貯存器31，貯存器31可以包括用于容納一定量流體的室32，以及開口33，經(jīng)由該開口，可以將一定量的流體引入室32中?？梢栽陂_口33上設(shè)置蓋子34以阻止室32內(nèi)的流體溢出。
該系統(tǒng)30還可以包括設(shè)置在室32中的多孔基體35，該基體用于從流體去除污染物。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，多孔基體35可以基本上類似于圖2A-B中的多孔基體20，且可以用于留置或俘獲流體中的微粒和/或污染物。正如圖3B所示以及與系統(tǒng)30配合使用，多孔基體35可以嵌在室壁36內(nèi)，以使接觸面37可以接觸室32內(nèi)的流體，而基本上不可滲透的面38可以緊貼室壁36設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施方案中，多孔基體35可以基本上繞室壁36的圓周嵌入。雖然圖示成部分沿壁36向上延伸，但如果期望這樣的話，多孔基體35可以允許沿著壁36的長(zhǎng)度延伸。為了將多孔基體35嵌入在壁36內(nèi)，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式，如多孔性材料35與包括貯存器31的材料共同擠出。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，多孔基體35的厚度可以設(shè)置成約0.20mm到約0.30mm。
在可替代的實(shí)施方案中，并不是嵌入室32的壁36內(nèi)，由納米結(jié)構(gòu)吸附材料形成的多孔基體35可以直接應(yīng)用到壁36上。在一個(gè)實(shí)施方案中，多孔基體能以薄膜或?qū)拥男问酵扛驳奖?6上?？商娲?，多孔基體35可以設(shè)計(jì)成可粘結(jié)到室32的壁36上的薄片材料。不考慮所采用的粘結(jié)材料，這種材料應(yīng)當(dāng)是一種在流體中不會(huì)降解的材料。在又一個(gè)實(shí)施方案中，為了去除或插過開口33，多孔基體35的薄膜或薄片可以設(shè)計(jì)成使它足夠韌性和柔韌。
現(xiàn)在看圖4A和4B，這里圖示了用于通過從流體中去除污染物而凈化流體的系統(tǒng)40，污染物如微生物、有機(jī)、無機(jī)以及微粒物質(zhì)，類似于上述的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)40可以包括帶有用于容納一定量流體室42的貯存器41，和開口43，經(jīng)由該開口，可以將一定量的流體引入室42中?？梢栽陂_口43上設(shè)置蓋子44以阻止室42內(nèi)的流體溢出。
該系統(tǒng)40還可以包括設(shè)置在室42中的多孔基體45，該基體用于從流體去除污染物。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，基本上類似于前述多孔基體的多孔基體45起留置或俘獲流體中的微粒和/或污染物的作用。正如圖4A和4B所示，由納米結(jié)構(gòu)吸附材料形成的多孔基體35可以設(shè)計(jì)成大體圓柱形的管47，該管具有接觸面471和相對(duì)的不可滲透面472。如圖4A所示，多孔基體45可以遠(yuǎn)離室42的壁46設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施方案中，如圖4B的透視圖所示，多孔基體45可以與壁46基本上同心設(shè)置，并且可以設(shè)計(jì)成具有這樣的直徑，該直徑允許通過開口43將其從室42內(nèi)去除或者通過開口將其設(shè)置在室42內(nèi)。為了使多孔基體45保持與壁46基本上同心，可以在設(shè)置多孔基體45的地方設(shè)置基底(未示出)?？商娲?，多孔基體45可以允許在室42內(nèi)自由浮動(dòng)。
圖5中，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，圖示了另一種用于通過從流體中除去污染物而凈化流體的系統(tǒng)50，污染物如微生物、有機(jī)、無機(jī)以及微粒物質(zhì)。類似于上述的系統(tǒng)，系統(tǒng)50可以包括具有用于容納一定量流體室52的貯存器51，以及開口53，經(jīng)由該開口，可以將一定量的流體引入室52中?？梢栽陂_口53上設(shè)置蓋子54以阻止室52內(nèi)的流體溢出。
系統(tǒng)50還可以包括設(shè)置在室52內(nèi)的用于留置、俘獲的多孔基體55，這樣去除了來自流體中的污染物。由納米結(jié)構(gòu)吸附材料形成的多孔基體55，以及根據(jù)本發(fā)明的此特定實(shí)施方案，可以設(shè)置成松散質(zhì)量的大顆粒56，該大顆?？梢栽谑?2內(nèi)的流體中自如移動(dòng)。每個(gè)顆粒56可以包括接觸面561和不可滲透的孔(未示出)，從而可以阻止流體流過顆粒56。在一個(gè)實(shí)施方案中，顆粒56的尺寸和形狀是一致的或者如所圖示的，尺寸和形狀可以變化。應(yīng)該理解，為了替換的目的，顆粒56的尺寸和形狀可以是有利于它們通過開口53從室52中去除或通過開口53放置到室52中的尺寸和形狀。
現(xiàn)在參考圖6，在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了用于通過從流體中去除污染物凈化流體的系統(tǒng)60，污染物如微生物、有機(jī)、無機(jī)以及微粒物質(zhì)。類似于上述的系統(tǒng)，系統(tǒng)60可以包括帶有用于容納一定量流體室62的貯存器61，以及開口63，經(jīng)由該開口，可以將一定量的流體引入室62中?？梢栽陂_口63上設(shè)置蓋子64以阻止室62內(nèi)的流體溢出。
系統(tǒng)60還可以包括由納米結(jié)構(gòu)吸附材料形成的多孔基體65，該多孔基體設(shè)置在室52內(nèi)用于留置、俘獲，這樣去除了來自流體中的污染物。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，多孔基體65可以設(shè)置在室62的一端67處的壁66的圓周向附近，該室62與開口63相對(duì)。此外，多孔基體65可以設(shè)計(jì)成足夠韌性和柔韌以允許其通過開口63從室62被去除或通過開口63放置到室62中。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，貯存器61可以設(shè)有可拆卸端67，多孔基體可以位于該端67的圓周向附近。這樣，如果多孔基體65需要替換，那么端67可以從貯存器61上拆掉并與基體64一起丟棄，隨后可以將新的端67與新的多孔基體64安裝到貯存器61上。為了允許從貯存器61上去除，端67和貯存器61可以設(shè)置成螺紋嚙合?？商鎿Q地，可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的其他嚙合裝置，如咬合式安裝等，只要這種嚙合可以阻止室62中的水泄漏，同時(shí)允許端67便于從貯存器61去除。
現(xiàn)在參考圖7，當(dāng)微粒和/或污染物的等級(jí)超過預(yù)先規(guī)定的人類可食用的范圍時(shí)，本發(fā)明的系統(tǒng)可以用于通過去除流體，如水中的微粒和/或污染物來凈化流體。飲用水中污染物的范圍可以由管理者來規(guī)定。在操作中，可能包含微粒和/或污染物的流體71可以開始被引入貯存器72的室中。一旦引入貯存器72中，當(dāng)流體與其中的污染物分子接觸具有納米結(jié)構(gòu)的吸附材料的多孔基體時(shí)(例如流向或流過多孔基體的接觸面)，可以被引向納米結(jié)構(gòu)的吸附材料的孔內(nèi)，這里該污染物分子可以被俘獲。應(yīng)該注意的是，由如貯存器的振動(dòng)或移動(dòng)造成的或者因其造成的貯存器內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)足以將污染物流引向孔內(nèi)。如果是貯存器內(nèi)的流體不流動(dòng)的情況，那么仍可以通過慢的分子置換或分子擴(kuò)散進(jìn)貯存器內(nèi)的多孔基體中除去污染物。
因?yàn)檫@種現(xiàn)象發(fā)生在分子水平，所以在沒有高壓或應(yīng)用較高的溫度的情況下，微粒和/或污染物一般不能從其被俘獲的孔中釋放。因?yàn)槲⒘：?或污染物進(jìn)入并被俘獲在孔內(nèi)，納米結(jié)構(gòu)吸附材料的重量可以增加到可測(cè)量的差異。這種增加可以通過，如傳感器來探測(cè)并顯示，以標(biāo)示，如從流體中去除的污染物的水平。
因此，仍參考圖7，傳感器73可以連接到貯存器72從而傳感器73可以與貯存器內(nèi)的多孔基體通信，以便顯示從流體中去除的污染物的水平。傳感器73可以是任何一種傳感器，它們可以在時(shí)間t0處的多孔基體和時(shí)間tn處的相同的多孔基體之間探測(cè)壓力、重量或溫度的差異，隨后將多孔基體接觸流體。在一個(gè)實(shí)施方案中，傳感器73可包括足夠薄(薄層線狀網(wǎng)孔或薄片)的壓力傳感器，以便能夠嵌入到多孔基體的納米結(jié)構(gòu)的吸附材料中，以及包括與探測(cè)器通信的顯示器。壓力探測(cè)器可以起到將t0和tn之間的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的作用，隨后該電信號(hào)可以被處理并以多孔基體中的微粒和/或污染物的量或者已被去除的污染物的量顯示在顯示器上。
可替換地，傳感器73可以采用重量傳感器。應(yīng)該注意如果t0處多孔基體的重量是x毫克，那么tn處，如15秒后，當(dāng)多孔基體的納米結(jié)構(gòu)材料有可能吸附微粒和/或污染物時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的吸附材料的重量是x+y，其中y是已經(jīng)從流體中去除的污染物的重量?？蓪⒁蛭轿廴疚飳?dǎo)致的重量增加轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)隨后按照與從流體中去除污染物的百分比成比例的信息而顯示。
傳感器73可以采用熱量傳感器。如果，例如，t0處的孔基體溫度是x度，那么tn處，如15秒后，當(dāng)多孔基體的納米結(jié)構(gòu)的材料有可能吸附微粒和/或污染物時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的吸附材料中產(chǎn)生的熱量是x+y，其中y是由于納米結(jié)構(gòu)的材料吸附污染物而導(dǎo)致的溫度增加值。增加的溫度可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)隨后按照與從流體中去除污染物的百分比成比例的信息而顯示。
在一個(gè)實(shí)施方案中，無論使用壓力、重量和/或熱探測(cè)器，當(dāng)所述納米結(jié)構(gòu)的吸附材料接近其約90％的俘獲微粒和/或污染物的容量時(shí)，傳感器73設(shè)計(jì)成向使用者發(fā)出警告，如通過聲音的、視覺的或其他適合的指示器，如果該貯存器設(shè)計(jì)成一次性系統(tǒng)的話，多孔基體需要更換或者該貯存器不能夠再使用了。
因此本發(fā)明的系統(tǒng)可以一次次地用待處理的流體重新填充。該系統(tǒng)可以連續(xù)使用以產(chǎn)生滿足人可食用的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定范圍的經(jīng)凈化的流體，直到多孔基體的納米結(jié)構(gòu)的吸附材料接近其中俘獲和留置微粒的最大容量，即達(dá)到其中俘獲和留置微粒和/或污染物的容量的約90％。
雖然已經(jīng)結(jié)合其具體的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解為可以進(jìn)一步修改本發(fā)明。而且，本申請(qǐng)期望覆蓋本發(fā)明的任何變化、用途或改動(dòng)，包括這種偏離本發(fā)明的公開內(nèi)容，但在本發(fā)明所屬的現(xiàn)有技術(shù)中已知的或習(xí)慣性的實(shí)施方式，以及落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于凈化流體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括貯存器；室，它位于所述貯存器內(nèi)，一定量待處理的流體可以置于其中；和多孔基體，它設(shè)置在所述室中，其中分散有多個(gè)納米尺度的孔，從而流過所述基體一個(gè)表面的、含有微粒和/或污染物的流體沿著所述基體的所述相同面流回而基本上不含微粒和污染物。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體的納米尺度的孔分散在流體可以流過的流體接觸面和基本上不滲透流體的面之間，以便于穿過所述接觸面流入所述基體的孔的流體沿著所述接觸面流回。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體內(nèi)的多個(gè)納米尺度的孔的尺寸范圍為約1nm到約100nm。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)納米尺度的孔依據(jù)尺寸范圍設(shè)置在不同的層中。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體浸入銀或銀化合物以將所述多孔基體內(nèi)的微生物生長(zhǎng)降到最小。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述銀或銀化合物緊貼所述孔的內(nèi)表面分布。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述基體被嵌在所述室的壁內(nèi)，其中流體流過的所述表面接觸到所述室內(nèi)的流體。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體粘結(jié)到帶有表面的室，流體流過的所述表面接觸到所述室內(nèi)的流體。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體包括所述室內(nèi)的松散質(zhì)量的大顆粒，該大顆粒具有不可滲透流體的孔。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體包括基本上圓柱形的管，該管具有不可滲透流體的內(nèi)表面。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體在所述室的底端處粘結(jié)到室壁，以便于流體流過的所述表面接觸到所述室內(nèi)的流體。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述多孔基體設(shè)置在所述室底端的圓周向附近。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述室的底端可以從所述貯存器去除以允許用帶有新的多孔基體的底端替換。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括傳感器，該傳感器用于探測(cè)從所述流體去除的微粒量。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括傳感器，當(dāng)所述多孔基體接近其中留置和俘獲微粒的容量時(shí)，該傳感器用于向使用者發(fā)出警報(bào)。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器可以顯示從所述流體去除的微粒量。
17.一種用于凈化流體的多孔基體，所述基體包括納米結(jié)構(gòu)的吸附體，它具有流體可以流過的接觸面；不可滲透流體的層，它位于與所述接觸面相對(duì)的面上；多個(gè)納米尺度的孔，它散布在所述接觸面和所述不可滲透流體的層之間；其中穿過所述接觸面流入所述孔的含有微粒和/或污染物的流體隨后沿著所述接觸面流回而基本上不含微粒和污染物。
18.如權(quán)利要求17所述的多孔基體，其中所述納米尺度的孔依據(jù)尺寸范圍設(shè)置在不同的層中。
19.如權(quán)利要求18所述的多孔基體，其中各層中所述納米尺度的孔的尺寸連續(xù)變小，從緊鄰所述接觸面的層移動(dòng)到緊鄰所述不可滲透流體層的層。
20.如權(quán)利要求17所述的多孔基體，進(jìn)一步包括銀或銀化合物成分，它們分布在所述孔內(nèi)以使所述基體內(nèi)的微生物生長(zhǎng)降到最小。
21.一種凈化流體的方法，所述方法包括提供貯存器，該貯存器具有用于容納待處理流體的室；在所述室內(nèi)設(shè)置多孔基體，該多孔基體具有分散在流體接觸面和不可滲透流體面之間的多個(gè)納米尺度的孔，從而流過所述多孔基體的所述流體接觸面的含有微粒和/或污染物的流體沿著所述基體的所述相同的流體接觸面流回而基本上不含微粒和污染物；將待凈化的流體引入所述室中；使所述室內(nèi)的流體便于流動(dòng)以便于所述流體流過所述多孔基體的所述流體接觸面并進(jìn)入所述孔中；以及使得流體中的微粒和/或物染物被俘獲在所述孔內(nèi)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括確定從所述流體中去除的微粒和/或污染物的量。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述多孔基體接近其中留置和俘獲微粒和/或污染物的容量時(shí)，告知使用者。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述多孔基體接近其中留置和俘獲微粒和/或污染物的容量時(shí)，替換所述多孔基體。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，當(dāng)所述多孔基體接近其中留置和俘獲微粒和/或污染物的容量時(shí)，進(jìn)一步處置所述貯存器和所述多孔基體。
26.一種用于從流體中去除微粒的工具箱，所述工具箱包括貯存器，其中具有用于容納待處理流體的室；多孔基體，設(shè)置在所述貯存器的所述室內(nèi)，所述基體具有分散在流體接觸面和不可滲透流體面之間的多個(gè)納米尺度的孔，以便于流過所述基體的所述流體接觸面的含有微粒和/或污染物的流體沿著所述基體的所述相同的流體接觸面流回而基本上不含微粒和污染物。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種從待處理的流體中除去微粒和/或污染物，包括雜質(zhì)化合物和元素的系統(tǒng)(圖5)。該系統(tǒng)可以包括貯存器，它具有可以容納一定量流體的室，用于放置到開口上進(jìn)入室的蓋子，以便阻止室內(nèi)的流體溢出，以及設(shè)置在室內(nèi)的多孔基體(20)，它具有納米結(jié)構(gòu)的吸附材料(21)，用于將流體中的微粒和污染物俘獲和留置在其孔(23)內(nèi)。還提供了一種去除微粒和污染物的方法。
文檔編號(hào)B01D24/00GK101060900SQ200580032858
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者穆罕默德·阿利·阿斯拉姆 申請(qǐng)人:亞基馬過濾器公司