CN101623603A - 循环使用纳米陶瓷的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及循环使用纳米陶瓷的系统和方法,公开了促进在工业过程期间产生的受污染的材料恢复的系统和方法。这些系统和方法包括加热(112)材料,并将热量从材料中传递(116)至工业过程中。在该传输中,污染物可以被引入(114)到该材料中。这些方法可以通过使用表面改性纳米陶瓷(72,86)经由纳米过滤和/或活性位吸附/反应处理(118)该材料来除去污染物。表面改性纳米陶瓷可以除去材料中至少部分污染物。在从材料中除去污染物之前不需要冷却,这能够带来大量的能源节省和污染的减少。

Description

循环使用纳米陶瓷的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及循环系统,更特定地涉及一种循环使用纳米陶瓷的系统和方法。
背景技术
大量的液体或其它材料在工业过程中被用于传热。在这些工业过程中,所述液体或其它材料可能会在传热之前、传热期间或之后受到污染。工业过程中的问题之一是如何处理这些受污染的液体或其它材料。
发明内容
本发明提供一种循环使用纳米陶瓷的系统和方法。
在一个实施方案中,公开了一种方法,其包括加热材料,将热量由该材料传递至工业过程。在传热时,污染物可能会被引入该材料中。这些方法可以通过用纳米陶瓷处理该材料来除去污染物。纳米陶瓷至少可除去材料中的部分污染物。此外,该方法在从材料中除去污染物之前不需冷却,因此节省了大量能耗。
在另一实施方案中,公开了一种系统,其包括材料罐和加热装置,该加热装置被装配用于加热接收到的来自罐的材料。该系统还包括热交换器,其被装配以接收来自加热装置的被加热的材料并传递来自该被加热的材料的热量。此外,该系统包括循环单元(recycling unit),该单元包含表面改性纳米陶瓷,该陶瓷被装配以与接收到的来自热交换器的被加热的材料相互作用,并除去来自该被加热的材料的杂质。
在另一实施方案中,公开了一种装置,其包括管,其中该管被装配以接收包含至少一种杂质的材料。此外,该装置包括含有纳米陶瓷的第一层,且该层被装配以在高温下促进化学反应以除去来自该材料的至少一种杂质。该装置还包括给第一层提供支撑的第二层,且该层被装配以促进化学反应。
附图说明
为更加完整理解本发明,现参考以下说明并结合附图,其中:
图1举例说明具有根据本发明一个实施方案的循环器装置(recycler unit)的示例系统;
图2举例说明根据本发明一个实施方案的包含在循环器装置内的管的实例;
图3A举例说明在根据本发明一个实施方案的循环器装置内的管的横截面实例;
图3B举例说明在根据本发明一个实施方案的循环器装置内的管的侧视图实例;
图4举例说明根据本发明一个实施方案的与被污染的液体或其它材料接触前的管壁组成实例;
图5举例说明根据本发明一个实施方案的与被污染的液体或其它材料接触后的管壁组成实例;
图6举例说明根据本发明一个实施方案的制备纳米陶瓷的方法实例;以及
图7举例说明根据本发明一个实施方案的从液体或其它材料中除去污染物的方法实例。
优选实施方式
如下讨论地,图1-7以及本专利文件中用于描述本发明原理的各种实施方案仅用于说明,并不应构成本发明范围的任何限制。本领域技术人员可以理解,本发明的原理可在任意类型的适当布置的设备或系统中实现。
图1所示具有根据本发明一个实施方案的循环器装置的系统10的实例。在该实例中,系统10用纳米陶瓷循环被污染的被加热的液体或其它材料。在图1中显示的系统10的实施方案仅用于实例说明。也可使用系统10的其它实施方案而不偏离本发明的范围。
如图1举例说明,系统10包括罐12,加热装置14,热交换器16,循环器装置18,和至少一个其它单元20(例如废物单元)。在该示例性实施方案中,液体或其它材料,例如水,从罐12中被抽出至加热装置14中。加热装置14加热来自罐12的液体或其它材料并将被加热的材料(例如被加热的水或蒸汽)输送到热交换器16中。热交换器16在工业过程中使用所述被加热的材料。该工业过程的实例包括但不限于,将能量从该加热的材料传送至其它材料或装置或系统中。在热交换器16中的能量传送期间,部分或全部被加热的材料可以是气态。
有关该工业过程的一个问题在于,当该被加热的材料用于传热时,该材料可能会被污染,导致产生受污染的被加热的材料。当该材料已被使用时,热交换器16将受污染的被加热的材料输送至循环器装置18。循环器装置18帮助从受污染的被加热的材料中除去污染物,产生处理过的被加热的材料。污染物,例如铁、油、硅或其它污染物的去除,可以在一步或多步中完成。循环器装置18将处理过的被加热的材料输送至罐12、加热装置14或其它单元20中。该方法可以重复利用受污染的被加热的材料,且不损失通过加热装置14引入的全部热量,也不导致任何污染问题。
一种将污染物从受污染的被加热的材料中除去方法包含使表面改性纳米陶瓷与受污染的被加热的材料相互作用。表面改性纳米陶瓷可以使受污染的被加热的材料循环通过纳米过滤(nanofiltration)和表面活性位(例如用于吸收Fe、Ca、Mg及其它金属离子或与其反应的带负电荷的表面基团),同时仍然在高温和高压下进行。纳米陶瓷的使用也消除了受污染的被加热的材料在恢复(remediation)前被冷却的要求。
罐12表示任何可以容纳液体的装置、结构或封闭区域。罐12中可以装的液体包括但不限于,水、油或其它液体。罐12可与多个不同的装置相连,并可以将液体从一个或多个所述装置传送至另一装置中。
加热装置14可表示能够将热量从热源传输至液体、气体或其它材料的任何设备或其它结构。加热装置14的实例包括但不限于,烘箱、锅炉或其它能够使用热源将热量引入到液体或气体中的设备。热源的实例可以包括但不限于,火焰、蒸汽、辐射热或其它来源。
热交换器16可表示任何能够将热量从热源传输至目标的设备、管道或其它结构。该目标可与工业过程结合使用。热交换器通常推动液体或气体越过或通过该工业过程部分。在该过程中,加热的材料可能会受到铅、铁、油或其它危害于环境和系统10的材料所污染。因此,在重新利用被热交换器16污染的被加热的材料之前,该加热的材料可以进行处理。
来自热交换器16的受污染的材料(例如液体或气体)被传送至循环器装置18中。循环器装置18使用纳米陶瓷将污染物从受污染的被加热的材料中去除。例如,循环器装置18可以使受污染的材料通过一系列管,其中这些管使用纳米陶瓷以将杂质从受污染的材料中除去。在一些实施方案中,杂质可通过化学成键附着于管壁上。本方法可在任何合适的温度下实施(包括高温),并促进受污染材料的安全恢复。
循环器装置18可将处理过的材料送至罐12中以用于以后应用:送至加热装置14中以进行再加热,或送至另一单元20中并离开系统10。理解的是,该材料在其经过回循环器装置18处理后,可广泛的用于各种应用。
图2举例说明根据本发明一个实施方案的包含在循环器装置18内的管道50的实例。在管道50中,有第一管52,第二管54,第三管56和第四管58。这些管中的每一个都可延伸至管道50的整个长度。第一管52、第二管54、第三管56和第四管58可基本上相似。尽管图2中示出了四根管,但任何数量的管都可在循环器装置18中使用。也可以理解为管道50本身可以是单个大管。
管道50通常表示能封装各种管的结构。理解的是,在其中由循环器装置18保持热量的应用中,管道50可以具有被布置在管道50周围的隔热作用以保留热量。
在一些实施方案中,受污染的被加热的材料被强制通过管52-58中的一个或多个。纳米陶瓷,或其它在反应性方面与纳米陶瓷大致相同的材料,排列于管52-58的管壁。受污染的材料被强制通过管52-58并与纳米陶瓷接触。如下文所讨论,管52-58中的纳米陶瓷从受污染的材料中除去污染物。这样,管52-58能够帮助从被循环的受污染的材料除去杂质,甚至在高温高压下。
图3A举例说明根据本发明一个实施方案的循环器装置18内的管道50的横截面实例。特别地,图3示出沿第一管52管壁的三个分开的层,即第一层62、第二层64和第三层66。当材料通过第一管52时,污染物通过第一层66、第二层64或第三层62被吸收或被过滤。理解的是,每一层(例如第一层66,第二层64,或第三层62)可以被表面改性。可以进一步理解的是,尽管本实施例中使用三层,但可使用任何数量的表面改性材料。
在使用“进-出”运行模式的图3A中,讨论了第一层62、第二层64和第三层66。理解的是,在其它操作方式中这些层可能会被颠倒。因此,在可供选择的运行模式中,例如图3B所示的运行模式,第一层66和第三层62可被互换(例如第三层62可与第一层66基本上相似,第一层66可与第三层62基本上相似)。
在一些实施方案中,第一层62可由至少一种支撑材料制成。该支撑材料可包括但不限于,Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2。该支撑材料旨在为界面层提供支撑机构。
在一些实施方案中,第二层64可以由至少一种界面材料形成。界面材料的实例包括但不限于,Al2O3、ZrO2、SiO2、TiO2。第二层64可用于其它杂质的俘获(相同的表面改性方案和相同的离子去除方案)和支撑纳米陶瓷。第二层64通常具有比第一层62更小、比第三层66更大的孔隙。理解的是,第一层62、第二层64和第三层66的孔隙可以是纳米孔。
在一些实施方案中,第三层66可以是具有纳米尺寸孔隙的膜。其在图3A中用虚线表示(Figure 3A shows this through the use if a broken line)。该膜可由ZrO2或本领域技术人员熟知的任何其它材料制成。在一些实施方案中,该膜可以阻止比其孔尺寸大的所有材料,而允许比所述孔尺寸小的所有材料通过第三层66。这种结构减少了可能堆积在膜上的被阻止的材料。该层可进行改性以实施特殊功能,例如调节纳米陶瓷的吸水性质(hydrophic qualities),调节纳米陶瓷的正和负表面性质,调整纳米陶瓷以对螯合基团或配位基团是选择性反应性的。理解的是,第二层64和第一层62可被装配以促进与第三层66相似的化学反应。
在一些实施方案中,层62、64、66由表面改性纳米陶瓷形成,该纳米陶瓷可具有各种功能,其包括但不限于,从液体或其它材料中过滤和选择性离子去除杂质。过滤可以指物理俘获在过程中的杂质,其包括但不限于,纳米过滤(nanofiltration)和微米过滤(microfiltration)。选择性离子去除可以指从液体或其它材料中进行选择性除去离子。在特别的实施方案中,这些表面纳米陶瓷促进了在冷凝水中的铁、油和其它杂质的有效去除。
图3B举例说明为第一管52的侧视图。在该侧视图中,箭头67和68表示第一种运行模式,箭头69和63表示第二种运行模式。在被称作“出-进”模式的第一种运行模式下,材料如箭头67所示地被推动穿过第一层62。在该第一种运行模式中,材料随后继续被推动穿过第二层64并进入由第三层66形成的内室中。然后该材料穿过由第三层形成的内室离开第一管,如箭头68所示。在这种模式下,62是纳米孔隙膜,64和66为支撑层。所有三层均可为表面改性的。
在被称作“进-出”方法的第二运行模式下,材料如箭头63所示地通过由第三层66形成的内室进入第一管52。如箭头69所示地,该材料被推动穿过第三层66、穿过第二层64,然后穿过第一层62后离开第一管52。在这种模式下,66为纳米孔隙膜,64和62为支撑层。所有三层均可为表面改性的。
明确理解的是,纳米陶瓷的化学结构可使用任何合适的材料形成。这些材料可包括金属和硅的氧化物、氮化物、硫化物、硒化物,或金属碲化物。这些纳米陶瓷还可使用任何合适的技术产生,包括化学工艺(例如水热法、固态反应法)、物理技术(例如研磨、声波破碎)、或它们的组合(例如溶胶-凝胶法)。作为特别的实例,纳米陶瓷可由如下材料制成,如下材料包括但不限于下述化合物或下述化合物的任意组合:ZnO、CdO、SiO2、TiO2、ZrO2、CeO2、SnO2、Al2O3、In2O8、La2O3、Fe2O8、Cu2O、Ta2O5、Nb2O5、V2O6、MoO3、WO3、CdS、ZnS、PbS、Ag2S、GaSe、CdSe、ZnSe、ZnTe、CdTe、AgCl、AgBr、AgI、CuCl、CuBr、CdI2、PbI2、CdC2、SiC、AlAs、GaAs、GeAs、InSb、BN、AlN、Si3N4、Ti3N4、GaP、InP、Zn3P2、Cd3P2、磷酸盐、硅酸盐、锆酸盐、铝酸盐、锡酸盐、沸石、土壤。
表面改性纳米陶瓷的吸水性质可进行调节以改变纳米陶瓷的反应性。例如,纳米陶瓷可以是更吸水性的以提高油/有机物的去除。吸水性质的其它改变可通过化学、等离子体/自由基、热、和/或其它化学/物理处理方法来进行。
表面改性也可用于产生与特定的正或负表面基团的反应。例如,用于负电荷的表面改性可用于固定负电荷表面基团,负电荷表面基团例如但不限于,磺基(包括衍生物)、羧基、酸性基团、羟基、表面活性剂、酚或羟基苯基团、有机物和聚合物。表面改性还可用于产生或固定正电荷基团,正电荷基团例如但不限于,胺衍生物(包括-NH2、NHR、NR2)、金属(metallics)、金属离子、表面活性物质、有机物和聚合物。
除对表面基团电荷进行改性外,表面改性可用于生成或固定任何螯合基团或配位基团,这些基团可与金属离子或其它官能团选择性结合。
图4举例说明根据本发明一个实施方案的与被污染的液体或其它材料接触前的管壁70的组成实例。管壁70包括与污染物相互作用前的表面改性纳米陶瓷72。纳米陶瓷的这种横截面显示出表面改性离子74和纳米过滤孔76。杂质被表示为B+,纳米陶瓷离子表示为A+。杂质被显示在表面改性纳米陶瓷72之外。
图5举例说明根据本发明一个实施方案的与被污染的液体或其它材料接触后的管壁80的组成实例。在该实施例中,污染物可穿过孔84并附着于表面改性纳米陶瓷86的表面82上。图5表明,污染物和表面改性纳米陶瓷的离子可以在表面改性纳米陶瓷的表面上键合在一起。
图6举例说明根据本发明一个实施方案的制备纳米陶瓷的方法实例88。在方块90中,选择表面改性方案。如前所讨论,该表面改性方案可定向为从材料中除去一种或多种杂质。例如,该纳米陶瓷可已用巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)处理以产生反应位(reaction site)。通过H2O2氧化可制备出磺基前体(sulfonicprecursors)。通过水解反应,磺基前体被用于将-SO3H吸附至纳米陶瓷的壁上。
在方块92中,进行原位制备表面改性的(例如磺酸)纳米陶瓷的前体。在方块94中,后处理和氧化纳米陶瓷前体来制备表面改性纳米陶瓷粉。在方块96中,例如通过模塑或涂布方法来制备水处理功能成分。在方块98中,确定对温度稳定性、孔尺寸、晶体结构和表面磺酸成分含量的表面改性纳米陶瓷的表征。在方块100中,测试表面改性纳米陶瓷的离子交换性质,例如以除去足够多的Fe。在方块102中,测试所提出的纳米陶瓷材料的表面改性纳米陶瓷纳米过滤效果。
图7举例说明根据本发明一个实施方案的从液体或其它材料中除去污染物的方法实例110。在方块112中,加热液体用于工业过程。在方块114中,将污染物引入到液体中。在方块116中,在该工业过程中,热量从液体传至另一装置或其它一种或多种材料中。在方块118中,使用纳米陶瓷从液体中除去污染物。随后将液体在工业过程中再利用。注意此处使用的为液体,任何其它一种或多种材料也可以在方法110中使用。
理解的是,随时间推移,纳米陶瓷的效力和反应性均会降低。还理解的是,纳米陶瓷可被再生以重获其效力。这种再生可通过流动水、酸性溶液(例如HCl、NH4Cl以提供H+)、NaCl、碱性溶液(如NH3·H2O、NaOH、KOH等)或它们的组合来实施。还可使用pH值小于或等于8.5的溶液漂洗。明确理解的是,如本领域技术人员已知地可以使用任意数量的不同再生方法以使纳米陶瓷恢复其效力。
对本专利文件全文中使用的某些词和短语进行定义可以是有利的。术语“包括”和“包含”,及其派生词,表示非限制性的包括。术语“或”是包括性的,表示和/或。
尽管本发明已经描述了某些实施方案和通常相关的方法,这些实施方案和方法的改变和变更对于本领域技术人员来说是显而易见的。相应地,上面关于实施方案的实例的描述不会限制或约束本发明。其它变化、替换和改变也是可能的而不背离以下权利要求中定义的本发明的主旨和范围。

Claims (10)

1.一种方法,其包括:
加热(112)材料;
将热量从该材料传递(116)至工业过程,其中污染物被引入(114)到该材料中;和
用纳米陶瓷(72、86)处理(118)该材料,其中在该材料中的至少部分污染物通过纳米陶瓷从该材料中被除去,且其中不需要在进行热传递后冷却该材料而从该材料中除去至少部分污染物。
2.权利要求1的方法,进一步包括:
再加热所述经处理过的材料;和
再生所述纳米陶瓷。
3.权利要求1的方法,其中纳米陶瓷包含选自以下的材料:Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2,或它们的组合。
4.权利要求1的方法,其中:
用巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)处理所述纳米陶瓷;
经处理的纳米陶瓷用H2O2进行氧化;并且
该经氧化的具有至少一种固定的磺基前体的纳米陶瓷生成至少一种来自该材料的磺基基团。
5.权利要求1的方法,其中:
纳米陶瓷包含纳米孔(76);并且
使污染物过滤通过纳米陶瓷的纳米孔。
6.权利要求1的方法,其中:
纳米陶瓷包含多个表面改性纳米陶瓷层(62-66);并且
表面改性纳米陶瓷层只与污染物发生反应。
7.一种系统,其包括:
材料罐(12);
加热装置(14),其被装配以加热从所述罐接收的材料;
热交换器(16),其被装配以从加热装置接收被加热的材料并从该被加热的材料转移热量;
循环单元(18),其包括表面改性纳米陶瓷(72,86),其中装配该表面改性纳米陶瓷以与从热交换器接收的被加热的材料相互作用并从该被加热的材料中除去杂质。
8.权利要求7的系统,其中杂质被表面改性纳米陶瓷吸收并被除去。
9.一种装置,其包括:
管(52,54,56,58),其中装配该管以接收包含至少一种杂质的材料;
第一层(66),其中第一层包含纳米陶瓷并且其被装配以在高温下促进化学反应以除去来自所述材料的至少一种杂质;和
第二层(64),其中第二层为第一层提供支撑并且被装配以促进化学反应。
10.权利要求9的装置,其中:
第二层允许经过滤的材料离开该管;并且
第二层的孔大于第一层的孔。
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