ЛИСТ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ИЛИ ВОДЫ Российский патент 2023 года по МПК B01D29/01 B01D39/08 B01D46/10 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящей заявкой испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 62/983795, поданной 2 марта 2020 г., которая во всей полноте включается в настоящий документ посредством ссылки.

УВЕДОМЛЕНИЕ О ФИНАНСИРУЕМЫХ ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ИЛИ ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РАЗРАБОТКАХ

[0002] Изобретение сделано при государственной поддержке в рамках DE-AR0001017, предоставленного DOE, Office ARPA-E (Министерство энергетики США, Управление по перспективным научным исследованиям в области энергетики). Государство обладает определенными правами на настоящее изобретение.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0003] Настоящее изобретение, вообще, относится к фильтру для удаления загрязнителей из жидкой или газообразной среды, при этом, фильтр включает нетканый или тканый лист, образованный множеством спутанных углеродных нанотрубок. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления такого фильтра и способам удаления загрязнителей из жидкой или газообразной среды с использованием фильтра.

УРОВВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] Во многих жидких и газообразных потоках присутствуют органические и/или металлические загрязнители, которые по разным причинам нужно удалять, например, перед использованием, утилизацией или в иных случаях. К не имеющим ограничительного характера примерам жидких потоков относятся потоки коммунально-бытового водоснабжения, грунтовых вод и сточных вод различных производственных процессов. Загрязненные газообразные потоки могут содержать органические загрязнители и/или металлические загрязнители в форме паров металлов или паров соединений, содержащих один или более металлов.

[0005] Существует множество обычных способов удаления таких загрязнителей, в частности, когда загрязнители являются органическими. К ним относятся отгонка воздухом и барботирование воздуха непосредственно через загрязненный поток при помощи диффузоров. Хотя эти способы зарекомендовали себя как достаточно эффективные, каждому из них свойственны недостатки, среди которых выпуск отделенных органических соединений в окружающую среду в форме переносимых по воздуху загрязнителей и высокие эксплуатационные расходы. Другим часто используемым способом является адсорбция загрязнителей на твердом адсорбенте, таком как цеолит или активированный уголь. Активированный уголь является недорогим и имеет значительную удельную площадь поверхности (>1000 м²/г). Однако, он хрупок и трудно поддается формованию для придания пригодной для длительного пользования формы. Поскольку активированный уголь обычно используют в форме слоя частиц, траектория потока текучей среды через абсорбент извилистая, поэтому в системах с активной циркуляцией наблюдаются значительные потери расхода, а в пассивных системах - длинные диффузионные траектории. Кроме этого, хотя активированный уголь может быть регенерирован посредством нагревания, время регенерации слишком велико из-за ограничений потока, описанных выше.

[0006] Недавно для частично или полной замены активированного угля начали применять углеродные нанотрубки и графен. Например:

В патенте США № 5458784 описаны графитовые волокна, характеризующиеся: (i) удельной площадью поверхности 50-800 м²/г; (ii) удельным сопротивлением 0,3-0,8 мкОм·м; (iii) длиной 1-100 мкм; (iv) расстоянием между пластинками графита 0,335-0,7 нм, и их применение для удаления органических и металлических компонентов из водных и газообразных потоков;

В публикации заявки на патент США № 2004/0131811 описан фильтр для кондиционера воздуха, включающий углеродные нанотрубки, на поверхности которых осаждены наночастицы металла;

В публикации патента США № 2006/0120944 описан материал, образованный из графена и углеродных нанотрубок, и его применение в качестве фильтра для очистки газа и жидкости;

В публикациях заявок на патент США №№ 2006/0151382 и 2011/0114573 описано применение графена в фильтрующей среде;

В патенте США № 7419601 описано применение углеродных нанотрубок в форме сборной наносетки для удаления загрязнителей из текучей среды, при этом, углеродные нанотрубки либо присоединены, либо прикреплены к другим углеродным нанотрубкам, волокнам или частицам;

В публикации заявки на патент США № 2009/0142576 описана пленка из углеродных нанотрубок, расположенная на пористой подложке, и его применение в качестве фильтра;

В документе WO 2012/070886 описан фильтр для удаления из воздуха органических загрязнителей, который включает композиционный материал, состоящий из углеродных нанотрубок и катализатора, при этом, частицы катализатора имеют размер несколько нанометров и равномерно прикреплены к углеродным нанотрубкам;

В публикации заявки на патент США № 2013/0042762 описан фильтр для газа, включающий камеру с нанотрубками, расположенными между впуском и выпуском, и порт, предназначенный для одновременного входа газа в нанотрубки и выхода из них через этот порт; и

В патенте США № 9078942 описана фильтрующая мембрана с покрытием из диоксида титана/одностеночных углеродных нанотрубок.

[0007] Было бы желательно дальнейшее усовершенствование данного уровня фильтрационных сред в части создания новых материалов на основе нанотрубок, отличающихся улучшенной фильтрующей способностью и возможностью простой и быстрой регенерации с минимальными затратами энергии.

СУЩНОСЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Фильтр для удаления загрязнителей из жидкой или газообразной среды, включающий тканый или нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, характеризующихся наличием двух или более из следующих свойств: (i) диаметр около 2-20 нм, (ii) длина около 1-10 мм, (iii) плотность около 0,7-1,9 г/см³, (iv) аспектное отношение, по меньшей мере, около 250000, (v) растяжение до разрушения около 1,8-7% и (vi) удельная площадь поверхности около 100-300 м²/г, при этом, тканый или нетканый лист дополнительно включает вход для приема энергии от источника энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] На фиг. 1 и 2 представлена система, предназначенная для формирования и сбора нетканого листа из спутанных углеродных нанотрубок в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

[0010] На фиг. 2А представлена альтернативная система, предназначенная для формирования и сбора нетканого листа из спутанных углеродных нанотрубок в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

[0011] На фиг 3 показан нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, полученный при помощи системы, представленной на фиг. 1, 2 и 2А;

[0012] На фиг. 4 показан фильтр, включающий нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, полученный при помощи системы, представленной на фиг. 1, 2 и 2А;

[0013] На фиг. 4А показан нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок фиг. 4, в сложенном состоянии;

[0014] На фиг. 5 показан автомобиль, в котором может быть использован нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, полученный при помощи системы, представленной на фиг. 1, 2 и 2А;

[0015] На фиг. 6 представлен вид в боковом сечении части системы нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха (heating, ventilation and air conditioning, HVAC), предназначенной для использования в автомобиле фиг. 5; и

[0016] На фиг. 7 представлен вид в боковом сечении фильтрующего модуля системы HVAC фиг. 6.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Вообще, настоящим изобретением обеспечивается фильтр предназначенный для удаления загрязнителей из жидкой или газообразной среды, при этом, фильтр включает тканый или нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, характеризующихся наличием одного или нескольких из следующих свойств: (i) диаметр около 2-20 нм или около 3-18 нм или около 4-15 нм или около 5-14 нм или около 6-12 нм или около 8-11 нм, (ii) длина около 1-10 мм или около 2-9 нм или около 3-8 нм или около 4-7 нм или около 5-6 нм, (iii) плотность около 0,7-1,9 г/см³ или около 0,75-1,8 г/см³ или около 0,8-1,7 г/см³ или около 1-1,6 г/см³ или около 1,1-1,5 г/см³, (iv) аспектное отношение, по меньшей мере, около 250000 или, по меньшей мере, около 350000 или, по меньшей мере, около 500000 или, по меньшей мере, около 600000, (v) растяжение до разрушения около 1,8-7% или около 2-6,5% или около 3-5%, и (vi) удельная площадь поверхности около 100-300 м²/г или около 125-275 м²/г или около 150-250 м²/г или около 175-225 м²/г, при этом, тканый или нетканый лист дополнительно включает вход для приема электроэнергии от источника энергии. В некоторых дополнительных вариантах осуществления изобретения, помимо перечисленных выше свойств, спутанные углеродные нанотрубки также могут быть охарактеризованы величиной прочности на растяжение около 2-3,2 ГПа или около 2,25-3 ГПа или около 2,5-2,8 ГПа и/или удельной прочности около 1800-2900 кН·М/кг или около 2000-2700 кН·М/кг или около 2200-2600 кН·М/кг.

[0018] Неожиданно было обнаружено, что особый тканый или нетканый лист из углеродных нанотрубок настоящего изобретения может быть эффективным образом использован в качестве сорбента для многочисленных загрязнителей, находящихся в жидкой и/или газообразной среде, и легко поддается регенерации на месте за несколько минут, например, менее 0,5 мин или менее 1 мин или менее 2 мин или менее 3 мин посредством подвода электроэнергии к нетканому листовому материалу. Тканый или нетканый лист из углеродных нанотрубок, изготовленный в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, способен эффективным образом излучать в дальней инфракрасной области под действием проходящего через него электрического тока. Благодаря этому имеет место нагревательное изделие, излучающее в дальней инфракрасной области во всех направлениях, которое само не нагревается, но вызывает испарение и/или разложение загрязнителей, находящихся в фильтре.

[0019] Описываемый в настоящем документе фильтр может найти применение в различных областях, в том числе, помимо прочего, в домашнем хозяйстве (например, для фильтрации хозяйственно-бытовой воды и воздуха), в автомобильном транспорте (например, в качестве воздушного фильтра кабины/салона в системе вентиляции и кондиционирования (HVAC)), в сфере развлечений (например, для фильтрации окружающей среды), в промышленности (например, для восстановления растворителей, очистки реагентов), в государственном секторе (например, использование в военных целях, для очистки отходов) и в медицине (например, в операционных, помещениях с чистым воздухом, для дыхательных масок).

[0020] Настоящим изобретением также обеспечивается способ очистки жидкой или газообразной среды, содержащей один или более загрязнителей, посредством приведения жидкой или газообразной среды в контакт с тканым или нетканым листом из углеродных нанотрубок в фильтре, описанном в настоящем документе. В одном из вариантов осуществления изобретения, способ очистки жидкой или газообразной среды включает приведение жидкой или газообразной среды в контакт с тканым или нетканым листом, при этом, углеродные нанотрубки присутствуют в тканом или нетканом листе в количестве, которого достаточно для уменьшения концентрации, по меньшей мере, одного загрязнителя в жидкой или газообразной среде, вступающей в контакт с тканым или нетканым листом. Выражение «уменьшение концентрации, по меньшей мере, одного загрязнителя» означает, что после обработки соответствующим изобретению фильтром содержание, по меньшей мере, одного загрязнителя уменьшается до уровня, который меньше, чем в необработанной жидкой или газообразной среде, например, меньше уровня максимального загрязнения, установленного соответствующими органами государственного регулирования или промышленными нормативами, определяющими стандарты качества конкретной жидкой или газообразной среды.

[0021] Следующие термины имеют следующее значение:

[0022] Термин «включающий» и его производные не исключают присутствия любого дополнительного компонента, стадии или процедуры независимо от того, указаны ли таковые в настоящем документе. Напротив, термин «состоящий, по существу, из» в настоящем контексте исключает из последующего перечисления любой другой компонент, стадию или процедуру за исключением тех, которые несущественны для функционирования, и термин «состоящий из», если он используется, исключает любой компонент, стадию или процедуру, которые не описаны или перечислены специально. Термин «или», если не указано иное, относится к перечисленным элементам, индивидуально, а также в любом сочетании.

[0023] Артикли «a» и «an» (в тексте на английском языке) указывают на наличие одного или нескольких грамматических объектов данного артикля.

[0024] Выражения «в одном из вариантов осуществления», «в соответствии с одним из вариантов осуществления» и т.п., вообще, означают, что определенная отличительная особенность, структура или характеристика, описываемая вслед за этим выражением, включена, по меньшей мере, один аспект настоящего изобретения и может быть включена в несколько аспектов настоящего изобретения. Важно подчеркнуть, что такие выражения не обязательно относятся к одному и тому же аспекту.

[0025] Если в описании указано, что некоторый компонент или некоторая отличительная особенность «может» или «могла бы» присутствовать или иметь определенную характеристику, это не означает, что именно этот компонент или отличительная особенность обязательно должен присутствовать или иметь эту характеристику.

[0026] В настоящем контексте термин «загрязнитель» относится к любому соединению и/или смеси соединений, рассматриваемых как нежелательные и/или вредные для среды, в которой находится это соединение и/или смесь соединений. Так, загрязнители, которые, в частности, охватываются этим определением, включают различные металлы, соли, кислоты и/или органические соединения, каждое из которых может присутствовать в газообразной среде (например, окружающем воздухе, технологическом воздухе) или жидкой среде (например, воде). Следует понимать, что надлежащие загрязнители могут быть без труда выявлены на практике специалистами в данной области. Однако, особенно предпочтительно, рассматриваемые загрязнители могут включать органические соединения, возможно, замещенные (например, помимо прочего, сырую нефть, очищенные углеводороды, хлороформ, ацетонитрил, бензол, метилизобутилкетон, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, н-пропиловый спирт, этиленгликоль, диэтиленгликоль, 2-этоксиэтилацетат, метилэтилкетон, нафталин, пирен, антрацен, аценафтилен, фенатрен, хризен, флуорантен, флуорен, бензпирен, бензоантрацен, бензофлуорантен, иденопирен, дибензоантрацен, бензопарилен, хлорбензол, бромбензол, 1,2-дихлорбензол, 1,3-дибромбензол, 1,4-дихлорбензол, 1,2,4-трихлорбензол, гексахлорбензол, 2-хлорнафталин, 2-бромнафталин, 3,3'-дихлорбезидин, толуол, этилбензол, o-ксилол, м-ксилол, п-ксилол, дифенилметан, додецилбензол, мезителен, дурол и гексаметилбензол), металлы в элементарной форме (например, ртуть) или в ионной форме (например, Cu²⁺), кислоты (например, HNO₃, H₃PO₄, H₂SO₄, молочная кислота и т.д.), основания (например, NaOH, KOH, HSO^- и т.д.), галогены (например, Cl₂^- , Cl^- и т.д.), соли указанных выше кислот и оснований и множество других химических соединений, в том числе, лекарственные средства с небольшими молекулами (обычно, MW меньше 1000) и отравляющие вещества (например, зарин, зоман, VX, горчичный газ и люизит). Так, понятие «загрязнители» охватывает летучие органические соединения (volatile organic compounds, VOC), т.е., соединения с температурой кипения, меньшей или равной 216°C при атмосферном давлении, как определено в ASTM D 86-96.

[0027] Теперь обратимся к фиг. 1 и 2, на которых, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, показана система 10 для сбора синтезированных нановолокон или наноматериалов, таких как нанотрубки, полученных в процессе CVD (chemical vapor deposition, химическое парофазное осаждение) в камере 11 синтеза, и для последующего формирования из нанотрубок сплошного тканого или нетканого, в данном варианте осуществления - нетканого, листа, который в соответствии с настоящим изобретением может быть применен в качестве фильтра. В частности, система 10 может быть использована для формирования, по существу, непрерывного нетканого листа, состоящего из плотно уложенных и спутанных нанотрубок и обладающего структурной целостностью, достаточной для обращения с ним как с листом.

[0028] Система 10 может быть соединена с камерой 11 синтеза. Камера 11 синтеза, вообще, включает: (i) входной конец, в который могут быть поданы реакционные газы, (ii) горячую зону, где может быть осуществлен синтез нанотрубок увеличенной длины, и (iii) выходной конец 114, из которого может выходить и где может быть собран продукт реакции, а именно, нанотрубки увеличенной длины и отходящие газы. В одном из вариантов осуществления изобретения камера 11 синтеза может включать кварцевую или керамическую трубку 115, проходящую через печь, и может иметь фланцы 117 на выходном конце 114 и входном конце для герметизации трубки 115. Хотя на фиг. 1 камера 11 синтеза показана в общих чертах, следует понимать, что ее конструкция может иметь другие конфигурации.

[0029] Система 10 также включает корпус 52. Как показано на фиг. 1, корпус 52 может быть, по существу, герметичным, чтобы свести к минимуму выход в атмосферу потенциально опасных переносимых по воздуху частиц, присутствующих в камере 11 синтеза, и предотвратить поступление кислорода в систему 10 и, в частности, в камеру 11 синтеза. В особенности в камере 11 синтеза присутствие кислорода может отрицательно влиять на целостность и мешать производству нанотрубок.

[0030] Система 10 также может включать впуск 13 для соединения с фланцами 117 на выходном конце 114 камеры 11 синтеза, по существу, герметично. В одном из вариантов осуществления изобретения впуск 13 может включать, по меньшей мере, один газоотвод 131, через который из корпуса 52 могут выходить газы и тепло. Газ, выходящий через газоотвод 131, может быть пропущен через жидкость, такую как вода, или фильтр с целью сбора наноматериалов, не собранных по потоку до газоотвода 131. Кроме этого, отходящий газ может быть подвергнут обработке аналогично описанному выше. В частности, отходящий газ может быть обработан пламенем для дезактивации различных компонентов отходящего газа, например, реакционноспособный водород в отходящем газе может быть окислен до воды.

[0031] Система 10 также может включать движущуюся поверхность, такую как конвейерная лента 14, расположенную у впуска 13 и предназначенную для сбора и транспортировки наноматериалов (т.е., нанотрубок) от выходного конца 114 камеры 11 синтеза. С целью сбора наноматериалов лента 14 может быть расположена под углом, по существу, перпендикулярно потоку газа, выносящему наноматериалы из выходного конца 114, чтобы наноматериалы осаждались на ленте 14. В одном из вариантов осуществления изобретения лента 14 может быть расположена, по существу, перпендикулярно потоку газа и может быть по своей природе пористой, чтобы поток газа, выносящий материалы, проходил сквозь нее и выходил из камеры 11 синтеза. Кроме этого, поток газа из камеры 11 синтеза может выходить через газоотвод 131 во впуске 13. Кроме этого, лента 14 может быть изготовлена из ферромагнитного материала с тем, чтобы притягивать к себе наноматериалы.

[0032] Для отведения наноматериалов от впуска 13 системы 10, лента 14 может быть замкнутой, подобно обычно конвейерной ленте. Таким образом, лента 14 может образовывать петлю вокруг противоположных вращающихся элементов 141 и может приводиться в движение механическим устройством, таким как электромотор 142, в направлении по часовой стрелке, как показано стрелками 143. В качестве альтернативы, в качестве движущейся поверхности для транспортировки наноматериалов может быть использован барабан (не показан). Барабан также может приводиться в движение механическим устройством, таким как электромотор 142. В одном из вариантов осуществления изобретения управление электромотором 142 может осуществляться при помощи системы управления, подобной используемой в контексте механических приводов (не показано), обеспечивающей оптимальное натяжение и скорость.

[0033] Как показано на фиг. 1, система 10 включает устройство приложения давления, такое как валок 15, расположенный вблизи ленты 14 и прикладывающий к собранным наноматериалам уплотняющее усилие (т.е., давление). В частности, по мере поступления наноматериалов к валку 15, они могут проходить под валком 15, непосредственно контактируя с ним, таким образом, к спутанным наноматериалам может быть приложено давление, в результате чего наноматериалы спрессовываются между лентой 14 и валком 15 с образованием сцепленного консолидированного плоского нетканого листа (см. фиг. 2). Для увеличения давления на наноматериалы на ленте 14 за лентой 14 может быть расположена пластина 144, обеспечивающая твердую поверхность, на которую может оказывать давление валок 15. Нужно отметить, что использование валка 15 может быть необязательным, если собранных наноматериалов много, и они достаточно спутаны, так что имеется адекватное количество точек контакта, обеспечивающих необходимую прочность соединения для образования нетканого листа 16.

[0034] Для отделения нетканого листа 16 из спутанных наноматериалов от ленты 14 с целью последующего выведения из корпуса 52, по потоку после валка 15 может быть расположен нож или режущая пластина 17, кромка которой прилегает к поверхности 145 ленты 14. Таким образом, по мере продвижения нетканого листа 16 за валок 15, режущая пластина 17 может поднимать нетканый лист 16 над поверхностью 145 ленты 14.

[0035] Кроме этого, по потоку после режущей пластины 17 может быть установлена катушка или валок 18, и отделенный нетканый лист 16 может быть направлен на валок 18 и намотан на него с целью сбора. В одном из вариантов осуществления изобретения валок 18 может быть изготовлен из ферромагнитного материала с тем, чтобы притягивать к себе наноматериалы нетканого листа 16. Конечно, могут быть использованы другие механизмы при условии, что нетканый лист 16 может быть собран с целью последующего выведения из корпуса 52. Валок 18, как и лента 14, может приводиться в движение механическим приводом, таким как электромотор 181, и ось его вращения может быть, по существу, перпендикулярна направлению движения нетканого листа 16.

[0036] Для сведения к минимуму сцепления нетканого листа 16 с самим собой при наматывании вокруг валка 18, на одну сторону нетканого листа 16 до наматывания листа 16 на валок 18 может быть наложен разделительный материал 19 (см. фиг. 2). Разделительный материал 19, используемый в контексте настоящего изобретения, может представлять собой один из множества имеющихся в продаже металлических или полимерных листов, которые пригодны для непрерывной подачи 191. С этой целью разделительный материал втягивается вместе с нетканым листом на валок 18 по мере того, как лист 16 наматывается на валок 18. Нужно отметить, что содержащий полимер разделительный материал 19 может иметь форму листа, жидкости или другую форму при условии, что он может быть нанесен на одну сторону нетканого листа 16. Кроме этого, поскольку спутанные наноматериалы в составе нетканого листа 16 могут содержать каталитические наночастицы ферромагнитного материала, такого как Fe, Co, Ni и т.д., в одном из вариантов осуществления изобретения разделительный материал 19 может представлять собой немагнитный материал, например, электропроводный или иной, чтобы исключить сильное соединение нетканого листа 16 и разделительного материала 19.

[0037] Кроме этого, система 10 может быть снабжена системой управления (не показана) для надлежащего регулирования скорости вращения механических приводов 142 и 181. В одном из вариантов осуществления изобретения система управления может предусматривать получение данных от датчиков положения, таких как оптические кодовые датчики, установленных на каждом механическом приводе 142 и 181. Затем, на основании полученных данных система управления может при помощи алгоритма управления модифицировать мощность, подаваемую на каждый привод, с целью управления скоростью вращения каждого привода в соответствии со скоростью сбора нанотрубок на ленте 14, чтобы исключить нарушение целостности нетканого листа при наматывании на катушку. Кроме этого, система управления может воздействовать на синхронизацию скорости вращения валка 18 и движения ленты 14. В одном из вариантов осуществления изобретения натяжение нетканого листа 16 может быть перенастроено в режиме реального времени в зависимости от величин скорости, таким образом, натяжение между лентой 14 и валком 18 может поддерживаться равным заданной величине.

[0038] Если нужно, система управления также может изменять соотношение скоростей валка 18 и ленты 14 с целью управления намоткой нетканого листа на валок 18. Кроме этого, система управления может немного смещать валок 18 вперед-назад вдоль его оси для выравнивания нетканого листа 16 на валке 18.

[0039] В необходимой степени электростатическое поле (не показано) также может быть применено для выравнивания нанотрубок, получаемых в камере 11 синтеза, приблизительно, в направлении движения ленты. Электростатическое поле может быть создано, например, посредством размещения двух или более электродов по окружности вокруг выходного конца 114 камеры 11 синтеза и подведения к электродам высокого напряжения. Напряжение может лежать в диапазоне от около 10 В до около 100 кВ, предпочтительно, от около 4 кВ до около 6 кВ. Если нужно, электроды могут быть экранированы изолятором, таким как небольшой кварцевый или другой надлежащий изолятор. Наличие электрического поля может вызвать движение в нем нанотрубок, по существу, выравнивающихся в поле и, таким образом, выравнивание нанотрубок на движущейся ленте 14.

[0040] Выравнивание нанотрубок также может быть осуществлено посредством химических и/или физических процессов. Например, нетканые нанотрубки могут быть немного разрыхлены химикатом(ами) и физически вытянуты с целью выравнивания нанотрубок, по существу, в заданном направлении.

[0041] В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения, как показано на фиг. 2А, для сбора наноматериалов может быть использован модифицированный корпус. Модифицированный корпус 52 на фиг. 2А может включать впуск 13, через который наноматериалы поступают из камеры 11 синтеза системы 10, и выпуск 131, через который нетканый лист 16 может быть выведен из корпуса 52. В одном из вариантов осуществления изобретения корпус 52 может быть выполнен, по существу, герметичным для сведения к минимуму выхода в атмосферу потенциально опасных переносимых по воздуху частиц, присутствующих в камере 11 синтеза, и предотвращения поступления кислорода в систему 10 и, в частности, в камеру 11 синтеза. В особенности в камере 11 синтеза присутствие кислорода может отрицательно влиять на целостность и мешать производству нанотрубок.

[0042] Корпус 52, показанный на фиг. 2А, может дополнительно включать узел 145, имеющий движущуюся поверхность, такую как лента 14. Как показано на фигуре, лента 14 может располагаться у впуска 13 с целью сбора и транспортировки наноматериалов, т.е., нанотрубок, поступающих из камеры 11 синтеза в корпус 52. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2А, лента 14 и, таким образом, узел 145 могут быть расположены, по существу, параллельно потоку газа, выносящему наноматериалы, поступающие в корпус 52 через впуск 13, чтобы наноматериалы осаждались на ленте 14. В одном из вариантов осуществления изобретения лента 14 может быть изготовлена с использованием магнитного материала, способного притягивать к себе наноматериалы. Этот материал может быть разным в зависимости от катализатора, с использованием которого изготовлены нанотрубки. Например, если наноматериалы произведены с использованием частиц железного катализатора, магнитный материал может представлять собой ферромагнитный материал.

[0043] Чтобы отводить наноматериалы от впуска 13 корпуса 52, лента 14 может быть, по существу, замкнутой, подобно обычно конвейерной ленте. Таким образом, в одном из вариантов осуществления изобретения лента 14 может образовывать петлю вокруг противоположных вращающихся элементов 141 и может приводиться в движение механическим устройством, таким как зубчатое зацепление 143, движимым мотором, расположенным, например, в положении 142. Кроме этого, лента 14 может быть наделена возможностью смещения от одной стороны корпуса 52 к противоположной стороне корпуса 52 перед впуском 13 в направлении, по существу, перпендикулярном потоку наноматериалов через впуск 13. Благодаря такой возможности ленты 14, на ленте 14 может быть создан относительно широкий нетканый лист 16, то есть, относительно шире, чем поток наноматериалов, поступающий в корпус 52. Для обеспечения возможности смещения ленты 14 из стороны в сторону может быть предусмотрено наличие смещающего зубчатого зацепления 144, смещающего узел 145, на котором могут быть установлены валки 141 и лента 14.

[0044] Когда на ленту 14 нанесено такое количество наноматериалов, которого достаточно для получения нетканого листа 16 надлежащей толщины, нетканый лист 16 может быть выведен из корпуса 52, показанного на фиг. 2А. Для выведения нетканого листа 16 система 10 может быть остановлена, и нетканый лист 16 снят с ленты 14 вручную и вынут из корпуса 52 через выпуск 131. Для облегчения снятия узел 145, включая различные зубчатые зацепления, может быть установлен на сдвижном механизме, таком как подвижная консоль 146, таким образом, узел 145 может быть вытянут из корпуса 52 через выпуск 131. Когда нетканый лист 16 снят, узел 145 может быть возвращен в корпус 52 на подвижной консоли 146. После этого выпуск 131 может быть закрыт для обеспечения в корпусе 52, по существу, герметичной атмосферы для следующего цикла.

[0045] В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения нетканые листы из углеродных наноматериалов могут быть созданы посредством процесса CVD с использованием системы 10, показанной на фиг. 1, 2 и 2А, и характеризуются наличием одного или нескольких из следующих свойств: (i) диаметр около 2-20 нм или около 6-15 нм или около 7-10 нм, (ii) длина около 1-10 мм или около 2-8 нм или около 3-6 нм, (iii) плотность около 0,7-9 г/см³ или около 0,8-7 г/см³ или около 0,9-5 г/см³, (iv) аспектное отношение, по меньшей мере, около 250000 или, по меньшей мере, около 500000 или, по меньшей мере, около 750000 или, по меньшей мере, около 1000000, (v) удельная площадь поверхности около 100-300 м²/г или около 150-250 м²/г или около 175-200 м²/г. Нанотрубки получены в газовой фазе и осаждены на движущуюся ленту, как указано выше. Для получения нетканого листа с указанной выше плотностью может потребоваться множество слоев. Один из примеров такого нетканого листа показан на фиг. 3 в форме изделия 30.

[0046] Нетканый лист 30 может быть изготовлен либо из одностенных (single wall nanotubes, SWNT), либо из многостенных (multiwall nanotubes, MWNT) углеродных нанотрубок и является электропроводным. Следовательно, нетканый лист 30 может быть быстро нагрет посредством подвода электроэнергии при наличии электрического соединения с нетканым листом. Нетканый лист 30, изготовленный в системе 10, также может, по существу, состоять из чистых углеродных нанотрубок и может сохранять форму, по существу, без связующих агентов. Способность нетканого листа 30 сохранять форму может быть следствием приложения к спутанным углеродным нанотрубками давления при помощи валка 15 (см. выше) с целью сжатия нанотрубок между лентой 14 и валком 15 с образованием сцепленного консолидированного плоского нетканого листа. Что касается степени чистоты, нужно отметить, что хотя может быть изготовлен нетканый лист, состоящий, по существу, из чистых углеродных нанотрубок, также могут быть использованы нетканые листовые материалы, содержащие в углеродных нанотрубках, изготовленных способом CVD, остаточное количество катализатора. Обычно, остаточное количество катализатора (т.е., металлического катализатора) в таких нетканых листах может быть менее около 2 атомных процентов. Использование нетканого листа с остаточным количеством катализатора может способствовать снижению общих затрат на переработку.

[0047] Благодаря особенностям теплопроводности, нетканый лист 30 также может обеспечивать тепловую защиту, будучи теплопроводным в плоскости листа 30, однако, не являясь теплопроводным в направлении, по существу, перпендикулярном этой плоскости. Кроме этого, поскольку углеродные нанотрубки могут быть, по существу, стойкими к окислению при высокой температуре, нетканый лист 30, изготовленный из углеродных нанотрубок, вообще, может выдерживать (то есть, не гореть) температуру до около 500°С.

[0048] Источники электроэнергии (например, солнечная батарея или генератор) могут быть соединены с нетканым листом настоящего изобретения любым надлежащим образом. В одном из вариантов осуществления изобретения соединение со входом, таким как один или более соединительных проводов, может быть выполнено механически, например, посредством обжатия. В другом варианте осуществления изобретения для обеспечения надлежащего входа или соединительного провода на нетканый материал может быть нанесен электропроводный материал, такой как серебряная краска. В другом варианте осуществления изобретения между нетканым листом и металлическим соединительным проводом или иным надлежащим входом может быть нанесен стеклоуглеродный прекурсор с целью повышения электропроводности между нанотрубками нетканого листа и металлическим соединительным проводом или иным надлежащим входом.

[0049] Обратимся к фиг. 4, на которой показан фильтр 40, такой как воздушный фильтр, включающий один или более тканых или нетканых листов 51 из углеродных нанотрубок в соответствии с настоящим изобретением. Фильтр, как правило, имеет корпус, определяющий наличие траектории потока между впуском и выпуском, а тканый или нетканый лист 51 из углеродных нанотрубок расположен перпендикулярно траектории потока так, чтобы газообразная среда, содержащая один или более загрязнителей, проходила сквозь тканый или нетканый лист и углеродные нанотрубки с целью адсорбции загрязнителей.

[0050] Так, фильтр 40 снабжен корпусом, состоящим из основной части 42, например, трубчатой, закрытой на одном конце стенкой 44 впускного конца и на противоположном конце - стенкой 46 выпускного конца. В стенке 44 впускного конца имеется один или более впускных каналов 45, тогда как в стенке выпускного конца имеется один или более выпускных каналов 47.

[0051] Соосно вдоль внутренней поверхности трубчатой основной части 42 между стенкой 44 впускного конца и стенкой 46 выпускного конца расположена одна или более кольцевых полостей или камер 48. В представленном варианте осуществления изобретения между стенкой 44 впускного конца и стенкой 46 выпускного конца имеется одна кольцевая камера 48. В вариантах осуществления изобретения с более, чем одной, кольцевой камерой 48 идущие радиально разделительные стенки (не показаны) могут быть размещены с отступом друг от друга в направлении оси 100 потока. Очевидно, что ось 100 потока параллельна продольной оси фильтра 40 в целом.

[0052] В каждой камере 48 может находиться, по меньшей мере, один тканый или нетканый лист 51 из углеродных нанотрубок, окруженный стенками 44, 46 впускного и выпускного конца и внутренней поверхностью 42а трубчатой основной части 42, ограничивающей каждую камеру, на которые он также может опираться. Тонкие пористые элементы 52, 54 могут быть расположены внутри или вблизи стенок 44, 46 впускного и выпускного концов с целью удерживания тканого или нетканого листа 51 внутри корпуса. В некоторых вариантах осуществления изобретения тонкий(ие) пористый(ые) элемент(ы) может представлять собой фильтр частиц, предназначенный для улавливания тонкодисперсной пыли. Тканый или нетканый лист 51, размещенный в камере 48, может иметь любую надлежащую конфигурацию при условии, что газообразная среда проходит сквозь тканый или нетканый лист 51, например, помимо прочего, плоскую конфигурацию (т.е., первое и второе измерения, по существу, больше, например, по меньшей мере, в 1000 раз больше, чем третье измерение) или складчатую (ребристую) конфигурацию (см. фиг. 4А). Следовательно, загрязненная газообразная среда, поступающая через впуск 45, проходит сквозь тканый или нетканый лист 51, на котором адсорбируется, по меньшей мере, один загрязнитель, и выходит через выпуск 47 в форме газообразной среды с уменьшенной концентрацией, по меньшей мере, одного загрязнителя.

[0053] В одном из вариантов осуществления изобретения тканый или нетканый лист из углеродных нанотрубок способен испускать энергию инфракрасного излучения и включает вход 58 для приема энергии от источника энергии. Так, источник энергии соединен электрической связью с тканым или нетканым листом 51 из углеродных нанотрубок посредством входа 58. Электроэнергия может подаваться от источника энергии к тканому или нетканому листу 51 периодически или с запрограммированными интервалами. Ток, проходящий по тканому или нетканому листу 51, вызывает быстрое увеличение температуры адсорбированных на нем загрязнителей и, следовательно, десорбцию или разложение загрязнителей на тканом или нетканом листе и их возвращение в протекающую газообразную среду. Таким образом, фильтр 40 может быть быстро и эффективно регенерирован на месте с использованием минимального количества энергии.

[0054] В соответствии с одним из конкретных вариантов осуществления изобретения, тканый или нетканый лист из углеродных нанотрубок настоящего изобретения может найти применение в качестве воздушного фильтра салона/кабины в системе нагревания, вентиляции и кондиционирования (HVAC) транспортного средства. На фиг. 5 показано транспортное средство 60. Транспортное средство 60 может представлять собой автомобиль (например, газобаллонное транспортное средство, электромобиль, гибридное транспортное средство), хотя тип транспортное средства этим не ограничивается. Транспортное средство 60 имеет передний конец 61. Система 62 HVAC расположена в транспортном средстве 60 и обеспечивает нагревание, вентиляцию и кондиционирование воздуха во внутреннем пространстве 63 транспортного средства 60. Внутреннее пространство 63 обычно предусматривает присутствие одного или нескольких пассажиров.

[0055] Система 62 HVAC более подробно показана на фиг. 6. Система 62 HVAC включает траекторию 71 потока, по которой протекает воздух. Воздух проходит вдоль траектории 71 потока от впуска 72 к выпуску 73. Впуск 72 открыт для окружающей транспортное средство 60 атмосферы, а выпуск 73 сообщается со внутренним пространством 63. Однако, возможны альтернативные варианты. Вентилятор 74, создающий поток воздуха, расположен на траектории 71 потока. Вентилятор 74 перемещает воздух вдоль траектории 71 потока. В данном варианте осуществления изобретения вентилятор 74 расположен у впуска 72. В одном из вариантов осуществления система 62 HVAC имеет рециркуляционную конфигурацию, в которой впуск 72 и выпуск 73 открыты во внутреннее пространство 63, и нормальную конфигурацию, в которой впуск 72 и/или выпуск 73 открыты в атмосферу, окружающую транспортное средство снаружи.

[0056] На траектории 71 потока также может находиться испаритель 75. Испаритель 75 расположен так, что воздух, проходящий по траектории 71 потока, проходит через испаритель до поступления в выпуск 73. В некоторых вариантах осуществления изобретения испаритель 75 может отсутствовать.

[0057] В системе 62 HVAC имеется адсорбционное фильтрующее устройство 80. Адсорбционное фильтрующее устройство 80 расположено на траектории 71 потока. Канал 81 определяет часть траектории 71 потока у адсорбционного фильтрующего устройства 80. Адсорбционное фильтрующее устройство 80 предназначено для удаления, по меньшей мере, одного загрязнителя из воздуха, проходящего через систему 62 HVAC.

[0058] Адсорбционное фильтрующее устройство 80 находится по потоку до испарителя 75. Когда воздух перемещается от впуска 72 к выпуску 73, выражение «по потоку до» означает на стороне впуска потока воздуха относительно другой отличительной особенности, и выражение «по потоку после» означает на стороне выпуска потока воздуха относительно другой отличительной особенности. Адсорбционное фильтрующее устройство 80 может находиться на некотором расстоянии от испарителя 75.

[0059] Как показано на фиг. 6 и 7, адсорбционное фильтрующее устройство 80 включает фильтрующий модуль 90 и вход 100, предусматривающий электрическое соединение с источником 101 энергии. В фильтрующем модуле 90 имеется адсорбционный фильтр 91 и фильтр 92 частиц. Адсорбционный фильтр 91 и фильтр 92 частиц расположены на траектории 71 потока последовательно. Фильтр 92 частиц находится по потоку до адсорбционного фильтра 91. В данном варианте осуществления изобретения фильтр 92 частиц соприкасается с адсорбционным фильтром 91. Фильтр 92 частиц может отсутствовать или находиться в другом месте вдоль траектории 71 потока.

[0060] Фильтрующий модуль 90 также может включать опору 93, хотя в некоторых вариантах осуществления опора 93 может отсутствовать. Опора 93 предназначена для придания стабильности адсорбционному фильтру 91 и фильтру 92 частиц. В одном из вариантов осуществления изобретения фильтр 92 частиц и опора 93 выполнены как единое целое. Адсорбционный фильтр 91 может представлять собой адсорбционный фильтрующий слой. Фильтр 92 частиц может представлять собой фильтрующий частицы слой. Опора 53 может представлять собой опорный слой. В такой конфигурации фильтрующий модуль 90 представляет собой комбинированный воздушный фильтр для кабины. В одном из вариантов осуществления фильтрующий модуль 90 (т.е., фильтр 92 частиц и адсорбционный фильтр 91) имеет складчатую конфигурацию.

[0061] Фильтр 92 частиц предназначен для удаления тонкодисперсных частиц, таких как пыль, переносимых в потоке воздуха. Фильтр 92 частиц расположен поперек траектории 71 потока. То есть, фильтр 92 частиц имеет такую конфигурацию, что весь воздух, протекающий по траектории 71 потока, проходит сквозь фильтр 92 частиц. Фильтр 92 частиц включает волокна, образующие нетканое полотно. В одном из вариантов осуществления волокна могут представлять собой, например, стеклянные волокна. Фильтр 92 частиц может включать участки фильтра с разной крупнозернистостью с целью фильтрации частиц разного размера.

[0062] Адсорбционный фильтр 91 предназначен для адсорбции присутствующих в потоке воздуха газообразных загрязнителей. Адсорбционный фильтр 91 расположен поперек траектории 71 потока. То есть, конфигурация адсорбционного фильтра 91 такова, что весь воздух, протекающий по траектории 71 потока, проходит сквозь адсорбционный фильтр 91. Адсорбционный фильтр 91 ограничен каналом 81. Адсорбционный фильтр 91 включает, по меньшей мере, один тканый или нетканый лист из углеродных нанотрубок, соответствующий настоящему изобретению. Тканый или нетканый лист из углеродных нанотрубок адсорбирует, по меньшей мере, один присутствующий в воздухе газообразный загрязнитель таким образом, что газообразный(ые) загрязнитель(и) удерживается адсорбционным фильтром 91. Адсорбционный фильтр 91 имеет верхнюю по потоку сторону 95 и нижнюю по потоку сторону 96. Воздух поступает в адсорбционный фильтр 91 через верхнюю по потоку сторону 95 и выходит из адсорбционного фильтра 91 через нижнюю по потоку сторону 96. Таким образом, загрязненный воздух поступает в адсорбционный фильтр 91 через верхнюю по потоку сторону 95, проходит сквозь тканый или нетканый лист(листы) 94 из углеродных нанотрубок, на которых адсорбируется, по меньшей мере один загрязнитель, и выходит через нижнюю по потоку сторону 96 в форме воздуха с уменьшенной концентрацией, по меньшей мере, одного загрязнителя. Воздух, вышедший через нижнюю по потоку сторону 96, может быть рециркулирован в пространство транспортного средства 60 или выпущен в атмосферу снаружи транспортного средства 60.

[0063] Таким образом, в ходе работы воздух под действием вентилятора 74 проходит вдоль траектории 71 потока. По потоку после вентилятора 74 воздух проходит по каналу 81 и поступает на верхнюю по потоку сторону 75 адсорбционного фильтра 91. Газообразные загрязнители, поступающие в адсорбционный фильтр 91, непрерывно адсорбируются на тканом или нетканом листе из углеродных нанотрубок 94 и, следовательно, удерживаются в фильтре 91. Как таковые, адсорбированные загрязнители не выходят через нижнюю по потоку сторону 76 адсорбционного фильтра 91.

[0064] Регенерация адсорбционного фильтра 91 предусматривает включение источника энергии с целью резистивного нагревания загрязнителей, адсорбированных на нетканом листе(листах) 94 из углеродных нанотрубок до температуры, по меньшей мере, около 200°С или, по меньшей мере, около 250°С или, по меньшей мере, около 300°С и, тем самым, вытеснения газообразных загрязнителей из матрицы углеродных нанотрубок. По мере перемещения потока воздуха от верхней по потоку стороны к нижней по потоку стороне адсорбционного фильтра 91, загрязнители переходят в воздух и могут быть выпущены в атмосферу снаружи транспортного средства 60. Источник 101 энергии затем выключают, и адсорбционный фильтр 91 снова может адсорбировать загрязнители до следующей регенерации.

[0065] Следует понимать, что источник 101 энергии может быть использован периодически или с запрограммированными интервалами и применяется для очистки адсорбционного фильтра 91 с тем, чтобы адсорбционный фильтр 91 не достигал насыщения адсорбированными загрязнителями, или его адсорбционная емкость не была достигнута или превышена. Это может быть особенно удобно в случае электромобилей. В таком варианте осуществления изобретения, по мере зарядки батареи электромобиля, когда энергии достаточно, цикл десорбции может быть запущен посредством пропускания тока через адсорбционное фильтрующее устройство 91 с целью десорбции адсорбированных на нем газообразных загрязнителей и выпуска газообразных загрязнителей в окружающую атмосферу. Достоинства такого варианта осуществления изобретения могут включать упрощенное техническое обслуживание и удаление отходов по сравнению с известным из уровня техники адсорбционным фильтром одноразового применения, содержащим активированный уголь.

[0066] Хотя выше подробно описано изготовление и применение различных вариантов осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что настоящим изобретением обеспечивается несколько идей, которые могут быть реализованы в широком спектре конкретных реальных условий. Конкретные варианты осуществления, описанные в настоящем документе, являются лишь пояснением конкретных путей осуществления и использования изобретения и не ограничивают объем изобретения.

Изобретение предназначено для удаления загрязнителей из жидкой или газообразной среды, Фильтр для удаления загрязнителей из жидкой или газообразной среды включает тканый или нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, характеризующихся наличием двух или более из следующих свойств: (i) диаметр 2-20 нм, (ii) длина 1-10 мм, (iii) плотность 0,7-1,9 г/см³, (iv) аспектное отношение, по меньшей мере, 250000, (v) растяжение до разрушения около 1,8-7% и (vi) удельная площадь поверхности 100-300 м²/г, при этом тканый или нетканый лист дополнительно включает вход для приема электроэнергии от источника электроэнергии. Описан способ очистки жидкой или газообразной среды, содержащей один или более загрязнителей, посредством приведения жидкой или газообразной среды в контакт с фильтром. Воздушный фильтр кабины включает корпус с впуском, выпуском и полостью, расположенной между впуском и выпуском, и тканый или нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, расположенный в полости. Технический результат: улучшенная фильтрующая способность и возможность простой и быстрой регенерации с минимальными затратами энергии. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Фильтр для удаления загрязнителей из жидкой или газообразной среды, включающий тканый или нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, характеризующихся наличием двух или более из следующих свойств: (i) диаметр 2-20 нм, (ii) длина 1-10 мм, (iii) плотность 0,7-1,9 г/см³, (iv) аспектное отношение, по меньшей мере, 250000, (v) растяжение до разрушения около 1,8-7% и (vi) удельная площадь поверхности 100-300 м²/г, при этом тканый или нетканый лист дополнительно включает вход для приема электроэнергии от источника электроэнергии.

2. Способ очистки жидкой или газообразной среды, содержащей один или более загрязнителей, посредством приведения жидкой или газообразной среды в контакт с фильтром по п. 1, при этом углеродные нанотрубки присутствуют в тканом или нетканом листе в количестве, достаточном для уменьшения концентрации, по меньшей мере, одного загрязнителя в жидкой или газообразной среде, вступающей в контакт с тканым или нетканым листом.

3. Воздушный фильтр кабины, включающий корпус с впуском, выпуском и полостью, расположенной между впуском и выпуском, и тканый или нетканый лист из спутанных углеродных нанотрубок, характеризующихся наличием двух или более из следующих свойств: (i) диаметр 2-20 нм, (ii) длина 1-10 мм, (iii) плотность 0,7-1,9 г/см³, (iv) аспектное отношение, по меньшей мере, 250000, (v) растяжение до разрушения около 1,8-7% и (vi) удельная площадь поверхности 100-300 м²/г, расположенный в полости, при этом тканый или нетканый лист дополнительно включает вход для приема электроэнергии от источника электроэнергии.

4. Фильтр по п. 3, в котором нетканый лист расположен в полости в складчатой конфигурации.

5. Фильтр по п. 4, дополнительно включающий фильтр частиц, расположенный в полости.