CN103764245A

CN103764245A - 水净化单元

Info

Publication number: CN103764245A
Application number: CN201280025842.1A
Authority: CN
Inventors: B·普拉德汉; H·韦达姆; T·普拉迪普; 安什普; C·阿姆瑞塔; U·S·莫汉; S·艾高
Original assignee: Nanoholdings LLC
Current assignee: Nanoholdings LLC
Priority date: 2011-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2014-04-30
Also published as: MX347341B; AU2012243079A8; AU2012243079A1; MX2013011745A; US20140158625A1; IL228824A0; AU2012243079B2; WO2012142025A1; SG194161A1

Abstract

一种可以从水样品中除去污垢物的囊袋。所述囊袋可以包括纳米材料。任何适合量的纳米材料可以存在于所述囊袋中，例如按体积计1%-30%、优选1%-10%或2%-5%。在包装有抗微生物组合物的情况下，将要用于囊袋中的优选数量是2%至5%。囊袋中的纳米材料(例如，银)可以释放至水中。所描述的囊袋可以浸没在受微生物污染的水中并且然后从水中被提出，使得所述囊袋中的水可以通过包装在所述囊袋中的抗微生物组合物排出。所述组合物可以在将要处理的水中释放痕量的银离子。可以重复浸没-提出-排出的过程，以确保整个水体积已经接触所述组合物。所述净化组合物可以构成所述囊袋的约50体积%至约99体积%。

Description

水净化单元

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年4月10日提交的美国临时专利申请号61/473,778的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。

背景

技术领域

本公开涉及水净化，并且具体来说，涉及水净化单元及用于制备和使用所述水净化单元的方法。

技术背景

在世界的一些地区取得纯净的饮用水被认为是一种奢侈。据估计，水传播疾病每年导致180万死亡数，而在世界上，约11亿人口缺少适当的饮用水。当前存在从水中除去污垢物的若干方法，如UV辐射、膜过滤法以及化学吸收剂。在这些方法中，部署基于化学品的方法是最便宜的。

当前，基于化学品的水净化呈重力给料单元、嵌入单元的形式、并且在一些情况下作为可以混合在水中的材料的囊袋(像来自P&G的Pur Sachet)而被投放到市场。囊袋中的用于水净化的化学品的投放具有不要求大体积包装材料的优点，所述大体积包装材料可能阻碍运输并且增加水净化的成本。一些基于囊袋的递送方法包括：将囊袋的内容物倾泻到原水中，混合溶液并且在规定的沉淀时间之后过滤所述溶液。如果用于水净化的化学品是不可重用的，并且溶解于水，那么这种方法工作良好。因此，对改进的过滤技术存在需要。本发明满足这种需要和其它需要。

发明概述

本发明涉及水净化，并且具体来说，涉及水净化单元及用于制备和使用所述水净化单元的方法。

一方面，本发明提供一种囊袋，其包括安置在其中的多个纳米材料颗粒。

附图简述

并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图示出若干方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1示出可以容纳水净化组合物的囊袋的形式。

图2示出附接至搅拌棒的囊袋。图2a的囊袋由附接至搅拌棒的一端的多孔膜布构成。

图2b示出附接至搅拌棒的水净化筒的形式。所述筒是空心圆筒，其中粒状水净化组合物夹在处于所述圆筒的末端处的两个多孔膜之间。

图3示出其上涂布有活性组合物的简单水净化棒的形式。

图4示出可以用作过滤介质的囊袋的形式。在一个实施方案(图4a)中，将含有粒状水净化组合物的多孔囊袋插在家用漏斗里面，并且使受污染的水通过所述家用漏斗。图4b示出将小的可拆卸水净化筒连接在家用漏斗的底部处，并且使受污染的水通过所述家用漏斗。

图5至图12和图17示出图1至图4中所示出的不同囊袋的抗细菌、抗病毒以及氟化物除去活性。不应针对任何一种特定水净化组合物而是应针对所有水净化组合物来解释给定数据。

图5示出作为时间的函数的图2b中所示出的囊袋的抗细菌和抗病毒性能。在图5中，曲线(a)描绘输入是3×10³±50PFU/mL时的病毒输出浓度；(b)描绘输入是1×10⁵±1000CFU/mL时的大肠杆菌（E.coli）输出浓度；(c)描绘输入是1×10⁴±100CFU/mL时的大肠杆菌输出浓度；(d)描绘输入是1×10³±10CFU/mL时的大肠杆菌输出浓度。单独地测试囊袋的抗细菌和抗病毒性能。在与囊袋接触之后，在15、30、45以及60分钟时针对细菌和病毒过筛经处理水。图5示出在静止30分钟之后细菌和病毒二者几乎完全被杀死，并且在静止60分钟之后看到细菌和病毒二者完全被杀死。

图6示出作为不同的大肠杆菌和MS2大肠杆菌噬菌体浓度的函数的图2a中所示出的囊袋的抗细菌和抗病毒性能。在图6中，棒BI和BO分别表示输入大肠杆菌浓度和输出大肠杆菌浓度。并且棒VI和VO分别表示输入MS2大肠杆菌噬菌体浓度和输出MS2大肠杆菌噬菌体浓度。一起测试囊袋的抗细菌和抗病毒性能。取细菌和病毒组合物的六种不同浓度(如10⁵CFU/mL+10³PFU/mL、10⁵CFU/mL+10²PFU/mL、10⁴CFU/mL+10³PFU/mL、10⁴CFU/mL+10²PFU/mL、10³CFU/mL+10³PFU/mL以及10³CFU/mL+10²PFU/mL)以用于研究。如实施例1和实施例2中所解释，在60分钟之后过筛经处理水中的细菌和病毒。图6示出在静止60分钟之后看到细菌和病毒二者完全被杀死。

图7和图8示出作为天数的函数的图2a中所示出的囊袋的可重用性。如实施例1和实施例2中所解释，每天测试5L的受微生物污染的水中的囊袋的抗细菌和抗病毒性能。在图7中，曲线(a)示出大肠杆菌输入浓度并且曲线(b)示出大肠杆菌输出浓度。并且在图8中，曲线(a)描绘病毒输入浓度并且曲线(b)描绘病毒输出浓度。图7和图8分别显示具有持续的抗细菌和抗病毒性能的囊袋的可重用性。

图9示出供水的离子组成对图2a中所示出的囊袋的抗细菌和抗病毒性能的影响。在图9中，曲线(a)描绘大肠杆菌输入浓度；曲线(b)描绘病毒输入浓度；曲线(c)描绘大肠杆菌输出浓度；并且曲线(d)描绘病毒输出浓度。在三种不同离子浓度下，一起测试囊袋的抗细菌和抗病毒活性。图9示出在250、500以及1500μS/cm离子导电率下，在静止60分钟之后看到细菌和病毒二者完全被杀死。

图10示出供水的总有机碳(TOC)体积对图2a中所示出的囊袋的抗细菌和抗病毒性能的影响。在图10中，曲线(a)描绘大肠杆菌输入浓度；曲线(b)描绘病毒输入浓度；曲线(c)描绘大肠杆菌输出浓度；并且曲线(d)描绘病毒输出浓度。在三种不同TOC浓度下，一起测试囊袋的抗细菌和抗病毒活性。图10示出在1、5以及10ppm TOC下，在静止60分钟之后看到细菌和病毒二者完全被杀死。

图11和图12示出图1至图4中所示出的不同囊袋的比较的抗细菌和抗病毒性能。在图11中，点(BI)描绘大肠杆菌输入浓度；(BO-a)描绘图1中所示出的囊袋的大肠杆菌输出浓度；(BO-b)描绘图2a中所示出的囊袋的大肠杆菌输出浓度；(BO-c)描绘图3中所示出的囊袋的大肠杆菌输出浓度；并且(BO-d)描绘图4a中所示出的囊袋的大肠杆菌输出浓度。在图12中，点(VI)描绘病毒输入浓度；(VO-a)描绘图1中所示出的囊袋的大肠杆菌输出浓度；(VO-b)描绘图2a中所示出的囊袋的病毒输出浓度；(BO-c)描绘图3中所示出的囊袋的病毒输出浓度；并且(VO-d)描绘图4a中所示出的囊袋的病毒输出浓度。如实施例1和实施例2中所解释，在60分钟之后过筛经处理水中的细菌和病毒。图11和图12示出针对图1至图4中所示出的所有形式的囊袋，在静止60分钟之后看到细菌和病毒二者完全被杀死。

图13示出根据本发明的各个方面的柔性的并且不具有隔室或具有彼此相邻或散布和/或隔离的隔室的水净化单元。

图14示出根据本发明的各个方面的可以用作过滤介质的水净化单元。

图15示出根据本发明的各个方面的呈管道形式的水净化单元。

图16示出根据本发明的各个方面的呈管道形式的水净化单元。

图17示出图2a中所示出的囊袋的结合氟化物除去和抗细菌性能。如实施例10中所解释，在5L的挑战水(challenge water)中一起测试囊袋的抗细菌和氟化物除去性能。在图17中，曲线(a)和(c)分别示出输入大肠杆菌浓度和输出大肠杆菌浓度。并且曲线(b)和(d)分别表示氟离子的输入浓度和输出浓度。取浓度处于10⁵CFU/mL的大肠杆菌和浓度处于8ppm的氟离子以用于研究。如实施例1和实施例10中所解释，在60分钟之后过筛经处理水中的细菌。如实施例3和实施例10中所解释，分析经处理水中的氟离子。重复测试囊袋达几天。图17示出在静止60分钟之后看到细菌完全被杀死并且看到氟化物浓度下降到WHO容许限度以下。因此，显然，囊袋通过简单接触可以除去存在于现场水(field water)中的不同污垢物。

另一方面，水净化单元可以是呈吸管的形式，使得水可以通过并且在其从例如一杯水被消耗时至少部分地被净化。图16示出图15中所示的用途的另一方面，其中管道不需要具有统一宽度。

本发明的其它方面将会在以下描述中部分地陈述，并且从所述描述将会是显而易见的或可以通过本发明的实践习得。借助于在所附权利要求书中具体地指出的元件和组合将会实现并且获得本发明的优点。将要理解的是，前述一般描述和以下详细描述都是示例性的并且仅是解释性的，并且不限制所要求保护的本发明。

发明详述

可以通过参考以下对本发明和其中包括的实施例的详细描述更加容易地理解本发明。

在公开并且描述本发明的化合物、装置和/或方法之前，将要理解的是，它们不限于具体合成方法(除非另外指出)或不限于特定试剂(除非另外指出)，因此，当然是可以变化的。还将理解的是，本文所使用的术语仅出于描述特定方面的目的并且不意图是限制性的。尽管类似于或等效于本文所描述的那些的任何方法和材料可以用于本发明的实践或测试，但是现在描述示例方法和材料。

如本说明书和所附权利要求书中所使用，单数形式“一个（a/an）”以及“所述”包括复数对象，除非上下文另外清晰地指示。因此，例如，对“组分”的引用包括两种或更多种组分的混合物。

在本文中，范围可以表达为从“约”一个特殊值和/或到“约”另一个特殊值。当表达这样的范围时，另一方面包括从所述一个特殊值和/或到所述另一个特殊值。类似地，当通过使用先行词“约”来将值表达为近似值时，将会理解的是，所述特殊值形成另一方面。将要进一步理解的是，所述范围中的每一个的端点相对于另一个端点和独立于另一个端点都是有意义的。还应理解的是，本文公开许多值，并且在本文中，每个值除了所述特殊值本身之外还被公开为“约”所述值。例如，如果公开了值“10”，那么还公开了“约10”。还应理解的是，还公开了两个特定单位之间的每个单位。例如，如果公开了10和15，那么还公开了11、12、13以及14。

如本文所使用，术语“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且所述描述包括其中发生所述事件或情况的例子和其中不发生所述事件或情况的例子。

本文公开将要用于制备本发明的组合物的组分以及将要用于本文所公开的方法内的所述组合物它们本身。本文公开这些和其它材料，并且应理解的是，当公开这些材料的组合、子集、相互作用、群组等时，虽然不能明确地公开这些化合物的每个不同个体以及集体组合和排列的具体参考，但是本文具体地考虑并且描述各种情况。例如，如果公开并且论述特定化合物并且论述可以制成包括所述化合物的许多分子的许多修改，那么具体考虑可能的化合物和修改的各种组合和排列，除非相反地明确指出。因此，如果公开一类分子A、B以及C连同一类分子D、E以及F，并且公开组合分子的实例A-D，那么即使没有单独地列举每一个，但是也单独地并且集体地考虑了每一个，意思是认为公开了以下组合：A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E以及C-F。同样，还公开了这些的任何子集或组合。因此，将会认为公开了例如A-E、B-F以及C-E的子群。这种概念适用于本申请的包括但不限于制成和使用本发明的组合物的方法中的步骤的所有方面。因此，如果存在可以进行的各种另外的步骤，那么应理解的是，可以用本发明的方法的任何具体实施方案或实施方案的组合来进行这些另外的步骤中的每一个。

如上文简要描述的，本发明针对水一种净化单元，并且针对制备和使用本发明的净化单元的各种方法。

现有水净化技术可以包括重力给料过滤技术、嵌入技术或可以与受污染的水混合的材料的囊袋。囊袋中的用于水净化的化学品的递送具有不要求大体积包装材料的优点，所述大体积包装材料可能阻碍运输并且增加水净化的成本。一些基于囊袋的递送方法包括：将囊袋的内容物倾泻到原水中，混合溶液并且在规定的沉淀时间之后过滤所述溶液。如果用于水净化的化学品是不可重用的，并且溶解于水，那么这种方法工作良好。这类技术不是很适合于例如不溶解于水的可重用化学品和/或材料。

一方面，本发明的水净化单元包括囊袋，其中材料(如纳米材料)至少部分地安置在所述囊袋内。一方面，本公开提供一种柔性且轻便的净化单元。

囊袋可以包括具有适用于在水净化单元中使用的构造的任何设计、大小和/或材料。例如，囊袋可以具有图1至图4和图13至图16中的任一个的设计。附图是说明性的而不是限制性的。因此，显而易见的是，采用本发明的原理而不脱离本发明的精神或本质特征的任何修改仍落在本发明的范围内。因此，设计、方法、结构、顺序、材料等的修改对于本领域技术人员而言将会是显而易见的，但是仍落在本发明的范围内。

一方面，囊袋由来源于天然或合成材料的多孔膜布构成。这样的布的典型实例是棉布。囊袋的体积(以持水量进行测量)可以是任何适合的大小，并且在各种实例中可以在50mL至5000mL之间、优选地在100mL至1000mL之间变化，例如500mL或250mL。囊袋中的水净化组合物的数量也可以是任何适合的量，并且在各种实例中可以在所述囊袋的总体积的1%与100%之间变化，这取决于将要使用的组合物的性质及其水净化的机制。另一方面，净化组合物可以构成囊袋的约50体积%至约99体积%。

任何适合量的纳米材料可以存在于囊袋中，例如按体积计1%-30%、优选1%-10%或2%-5%。在包装有描绘于图1中的设计中的抗微生物组合物的情况下，将要用于囊袋中的优选数量是2%至5%。囊袋中的纳米材料(例如，银)可以释放至水中。在使用所描述的囊袋的场地上，所述囊袋可以浸没在受微生物污染的水中并且然后从水中被提出，使得所述囊袋中的水可以通过包装在所述囊袋中的抗微生物组合物排出。在这一方面，组合物可以在将要处理的水中释放痕量的银离子。可以重复浸没-提出-排出的过程，以确保整个水体积已经接触所述组合物。提出本发明的囊袋设计，使得所述囊袋在从水中被提出时可以保存足够数量的液体。

一方面，安置在囊袋中的所有或部分所述纳米材料颗粒不溶于水，使得当水接触所述纳米材料时，所有或大致上所有的所述纳米材料颗粒保留在所述囊袋中。另一方面，纳米材料颗粒不溶于水，使得所述纳米材料颗粒在与水接触时保持安置在所述囊袋中。在又一方面，所述纳米材料颗粒中的一部分可以被设计成溶解于水。在这一方面，纳米材料颗粒可以保持是不溶的，但是可以在接触时将第二材料(例如银离子)释放至水中。

一方面，安置在囊袋中的纳米材料颗粒可以从水样品吸收一种或多种污染物或污垢物。另一方面，可以通过例如对纳米材料颗粒进行清洗、化学处理和/或热处理来除去由所述纳米材料颗粒所吸收的所有或部分污染物和/或污垢物。在这一方面，水净化囊袋可以是可重用的，其中在使用之后，可以处理所述囊袋以再生和/或恢复其所有或部分吸收剂特性。

一方面，囊袋包括可以允许受污染的水流动通过和/或渗透袋子的至少一部分的多孔材料。在各个方面，囊袋可以包括网状物、编织材料、非编织材料、纸张和/或纤维素材料、聚合材料或其组合。一方面，囊袋包括多孔纸张。另一方面，囊袋包括聚合材料。

所述囊袋的多孔性和/或渗透性可以变化，前提是安置在囊袋中的纳米材料可以被包括以便不会在所述囊袋外部散布在水中，并且水可以流动通过和/或渗透所述材料以便接触所述纳米材料。

取决于具体应用(例如，将要处理的水的量)，囊袋的大小和尺寸可以变化。

一方面，囊袋和/或构建所述囊袋的材料是柔性的。在其它方面，确定囊袋的气孔和/或开口的尺寸，使得安置在囊袋内的所有或大致上所有的所述纳米材料在与水接触时保持处于所述囊袋中。另一方面，确定囊袋的气孔和/或开口的尺寸，使得所有或大致上所有所述气孔和/或开口小于所述纳米材料颗粒中的至少一部分。

另一方面，囊袋自身可以包括功能组分，例如功能化聚合物、包括纳米材料(例如，附接至材料的表面、安置在内部等)的材料或其组合，使得所述囊袋自身可以吸收和/或吸附和/或中和水样品中的一种或多种污染物或污垢物。

另一方面，囊袋可以形成传感器或传感器的一部分，所述传感器可以例如检测到污染物和/或污垢物，如通过在存在或不存在一种或多种污垢物的情况下的颜色变化。

一方面，多个纳米材料颗粒安置在囊袋内。另一方面，所述纳米材料颗粒中的至少一部分能够吸附和/或吸收和/或中和可能存在于水样品中的一种或多种污垢物。取决于例如将要被除去的特定污垢物，纳米材料颗粒的组合可以变化，并且不同纳米材料颗粒的组合也可以安置在囊袋中。

一方面，纳米材料可以包括金属纳米颗粒，例如金、银和/或铜颗粒。在特定方面，这类颗粒可以具有约2nm至约150nm的平均直径。另一方面，通过例如将所具有的平均直径为约0.5cm的氧化铝颗粒浸湿在金属纳米颗粒的溶液(例如约10^-3摩尔/升)中达一段时间，可以将颗粒安置在氧化铝颗粒的表面上。在浸湿之后，可以清洗所得颗粒。

另一方面，纳米材料可以包括例如使用有机模板来制备的勃姆石纳米架构，所述有机模板可以通过使高指数平面和绑定颗粒一起暴露来辅助颗粒的生长。在这一方面，除其它污垢物之外，这类颗粒可以除去砷、氟化物和/或病毒。在这一方面，可以使用包括有机模板和金属氢氧化物的纳米级材料(例如，所具有的平均颗粒大小小于约10nm的勃姆石)的粒状混杂吸附剂。

在这一方面，有机模板可以包括以下聚合物和/或生物聚合物(如壳聚糖)：可以允许颗粒在其至少一部分上生长。

另一方面，纳米材料可以展现出高离子交换能力和/或高表面面积。在各个方面，纳米材料可以包括氧化铝、勃姆石、纳米线、纳米管、纳米片、纳米带、纳米纤维、纳米花、纳米薄片、纳米棒或其组合。

另一方面，纳米材料可以包括如美国专利号7,449,030、4,250,058中所列举的那些的任何一种或多种纳米材料或其组合，所述专利出于公开纳米材料的目的以引用的方式并入本文。另一方面，纳米材料可以包括本领域已知的吸附和/或吸收污垢物的任何其它纳米材料或纳米材料的组合。

一方面，纳米材料可以包括OTBN，其可以如PCT专利申请PCT/IB2011/001551中所描述进行制备，所述申请以引用的方式整体并入本文。在清洗盐内容物之后所获得的OTBN凝胶用于银纳米颗粒的形成。可以再次将OTBN凝胶重新散布在水中，其中可以添加1mM银前体(硝酸银、氟化银、乙酸银、高锰酸银、硫酸银、亚硝酸银、溴酸银、水杨酸银或以上的任何组合)。因此，纳米材料可以包括OTBN和银盐。适合的银盐包括但不限于：硝酸银、氟化银、乙酸银、高锰酸银、硫酸银、亚硝酸银、溴酸银、水杨酸银或以上的任何组合。一方面，可以将银纳米颗粒浸渍在有机模板化勃姆石纳米架构(OTBN)上。一方面，Ag比OTBN的量可以是在0.05%-5%之间，如0.1%-1.5%之间。另一方面，Ag比OTBN的量可以是至少约0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%或5.0%。另一方面，Ag比OTBN的量可以小于0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%或5.0%。

一方面，纳米材料包括还原氧化石墨烯片(RGO)。例如，纳米材料可以包括RGO-金属/金属氧化物纳米复合物，例如PCT申请PCT/IB2011/002740中所描述的那些，所述申请出于教导RGO-金属/金属氧化物纳米复合物的目的以引用的方式并入本文。纳米材料可以进一步包括聚合物，如壳聚糖。适合的纳米材料包括但不限于RGO-MnO²/RGO-Ag。RGO-MnO²/RGO-Ag可以在壳聚糖基质中。

可以将安置在囊袋中的纳米材料安置在并且可选地密封在所述囊袋的至少一部分中，使得在将所述囊袋安置在水样品中时，所述纳米材料可以除去所述水样品中的一种或多种污垢物。在这一方面，水可以通过囊袋的气孔和/或开口以接触纳米材料。另一方面，囊袋可以包括被分开的多个单独的隔室，以便保持纳米材料的一部分与所述纳米材料的另一部分分开。

另一方面，纳米材料可以包括基于例如锰和/或锌的金属氧化物的复合物材料。另一方面，可以将这样的复合物安置和/或加载在纤维素材料或其它材料(例如壳聚糖、稻壳灰、活性炭、活性氧化铝或其组合)上。另一方面，这样的纳米材料可以包括锰和锌的氧化物复合物，其所具有的平均颗粒大小小于约500nm和/或所具有的平均板块厚度小于约15nm。另一方面，可以在存在模板(如生物聚合物)下使用碱性介质，从基于锌和锰的金属前体的水解作用制备纳米材料。在各个方面，金属前体可以包括硝酸锌、氯化锌、氯化锌、乙酸锌、硝酸锰、硫酸锰、乙酸锰或其组合。另一方面，碱性介质可以包括氢氧化钠、氨、氢氧化钾、碳酸氢钠或其组合。

另一方面，纳米材料可以包括多孔复合物轴块，其另外可以用于例如重力给料过滤系统，例如PCT专利申请PCT/IB2011/002790中所描述的那种，所述申请出于教导重力给料过滤系统的目的以引用的方式并入本文。

在这一方面，复合物轴块可以包括活性过滤介质，例如活性炭、活性木炭、活性氧化铝、沙子、加载在活性氧化铝和/或碳上的金属氧化物/氢氧化物纳米颗粒、加载在活性氧化铝和/或活性炭上的金属纳米颗粒、离子交换树脂，和/或微米大小的金属氧化物(如二氧化硅、二氧化钛、氧化镁、氧化锰)、沸石、勃姆石、氧化铁-氢氧化物的任意组合，或其组合。

另一方面，纳米材料可以包括高表面面积材料，例如基于石墨烯的材料。一方面，纳米材料可以包括基于还原氧化石墨烯的复合物。另一方面，可以可选地使用粘合剂(如壳聚糖)来将这样的纳米材料固定在另一种材料(例如河沙)上。

一方面，可以将包括多个纳米材料颗粒的囊袋安置在以下容器中，所述容器含有水和/或被设计成至少部分地用水装满。一方面，将囊袋定位在包括水的容器中。另一方面，将囊袋定位在将会用水装满的容器中。

囊袋可以保持在容器中达一段时间以允许水和纳米材料充分接触，以便除去污垢物中的至少一部分。在各个方面，所述时间段可以在数分钟至数小时的时间范围内。在特定方面，囊袋可以保持在容器中达例如从水源返回到住宅或使用点所需要的一段时间。

一方面，不需要特定的混合。另一方面，可以使水和/或包括水的容器与囊袋混合(例如，搅拌和/或摇晃)，以改进水与纳米材料之间的接触。另一方面，来自例如走动和/或运输水容器的自然运动可能是足够的。

一方面，可以将一种或多种污垢物中的至少一部分从水中除去。在各个方面，污垢物可以包括重金属、有机化合物、卤代材料、杀虫剂、除草剂、其它污垢物或其组合。

另一方面，在与囊袋和纳米材料接触达一段时间之后，水可以具有降低水平的一种或多种污垢物。另一方面，一种或多种污垢物的水平可以降低至对人类消耗来说安全的水平。

一方面，可以将囊袋和纳米材料从水样品和/或容器除去。另一方面，可以允许囊袋和纳米材料保持在容器中并且可选地与水样品进行接触。

另一方面，囊袋和/或包括纳米材料颗粒的囊袋可以充当过滤装置。

在其它方面，囊袋可以用作过滤介质，如图14中所示。在这方面，可以在用水装满之前将囊袋附接例如至供水系统(如龙头)或至器皿的口部或开口。在这一方面，柔性垫片可以用作可以被拉动以使其在开口周围变紧的拉绳。可选副翼在用在器皿的口部或开口处时可以提供另外的力量，以便将所述器皿固持在适当位置并且防止滑动。一方面，如果被放置在器皿的开口处时，则可以将具有相同或不同组合物和设计的另外的囊袋定位在其它区域(例如，器皿的边)上，以便增加可供用于净化的纳米材料的量，并且因此在将水从源点运输至使用点时净化水。参照图14，可以将受污染的水145引入由柔性或多孔材料141形成的囊袋140的开口中，所述开口具有可选副翼143和柔性垫片144。在与安置在囊袋内的多个纳米材料颗粒142接触时，水至少部分地被净化，从而产生净化水146源。

另一方面，水净化单元可以呈柔性的和/或不可弯曲的管道的形式，如图15和图16中所示。在这一方面，管道可以适合于例如从地下水源抽水，使得所述管道在水流动通过所述管道时至少部分地净化水。另一方面，水净化单元可以呈以下管道的形式，所述管道可以连接例如至手动泵出口，使得水在容器被装满时通过所述管道流动到所述容器。参照图15，管道150可以由无孔材料152形成。可选垫片154可以定位在管道的一端或两端处。管道可以含有安置在所述管道内、例如与所述管道的内壁相接触的纳米材料颗粒的单个或多个囊袋156，以提供用于净化流动通过所述管道的水的装置。

另一方面，水净化单元可以呈吸管的形式，使得水可以通过并且在其从例如一杯水被消耗时至少部分地被净化。图16示出图15中所示的用途的另一个方面，其中管道不需要具有统一宽度。在这一方面，囊袋可以例如堆叠在管道内部或完全内嵌和/或分层堆积在所述管道内部，或另一方面，所述囊袋可以是所述管道自身。另一方面，水净化单元可以呈吸管的形式，其中所述吸管包括其被设计来收纳如本文所描述的多个纳米材料颗粒的一个或多个内部部分。一方面，吸管的内部部分可以包括在所述吸管的内部区段之间的多孔分隔器。在特定方面，水净化单元可以包括吸管(例如塑料吸管)，其中所述吸管的内部部分具有含有纳米材料颗粒的至少两组分隔器。在这一方面，水可以流动通过分隔器并且在离开吸管之前接触纳米材料。在各个方面，分隔器(如果存在的话)可以例如在模制或挤出期间由与吸管相同的材料形成，或可以安全的方式插入至所述吸管中。参照图16，净化单元160可以由无孔材料161形成，具有可选柔性入口垫片162和/或可选柔性出口垫片163。纳米材料颗粒的一个或多个囊袋164可以安置在所述单元中，例如作为多个离散层或作为装满所有或大致上所有所述单元的体积的单一囊袋。可以在所述单元的开口处引导受污染的水165并且允许受污染的水接触所述一个或多个囊袋164，以便在出口处产生净化水源。

一方面，包括纳米材料的囊袋可以具有抗微生物特性。例如，囊袋可以使水样品中的细菌、病毒或真菌的量减少至少60%、70%、80%、90%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%。优选地，囊袋可以使水样品中的细菌、病毒或真菌的量减少90%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%。水样品可以具有带有特定量的微生物(如细菌、病毒或真菌)的体积。例如，水样品可以具有的微生物量为3×10³±50PFU/mL、1×10⁵±1000CFU/mL、1×10⁴±100CFU/mL或1×10³±10CFU/mL。

一方面，包括纳米材料的囊袋可以将重金属从水样品中除去。例如，囊袋可以使水样品中的重金属的量减少至少60%、70%、80%、90%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%。优选地，囊袋可以使水样品中的重金属的量减少90%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%。在浓度上可以被降低的这类重金属包括但不限于水银(如Hg²)、镉、铅(Pb²)、铬、铁、钴、铜、锰、钼、砷以及锌。

一方面，包括纳米材料的囊袋可以将潜在的有害物质(如氟化物)从水样品中除去。例如，囊袋可以使水样品中的潜在的有害物质(如氟化物)的量减少至少60%、70%、80%、90%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%。优选地，囊袋可以使水样品中的潜在的有害物质(如氟化物)的量减少90%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%。

一方面，可以使水样品与囊袋接触达一段时间。例如，1周、1天、12小时、6小时、3小时、1.5小时、1小时、30分钟或15分钟。一方面，所述时间段对于囊袋使受污染的水样品中的微生物材料的量减少来说可以是足够的。一方面，水样品中的大致上所有水接触囊袋中的纳米材料的至少一部分。

一方面，可以在囊袋内搅拌水。例如，棒可以搅拌水，从而使所述体积的水与纳米材料之间的接触最大化。一方面，可以用本文所描述的抗微生物材料来涂布棒。例如，可以用用于将粒状抗微生物材料涂布在棒上的热塑性粘合剂来涂布棒。另一方面，将夹在两个多孔膜之间的一层抗微生物材料附接在棒的周围。

一方面，将水净化组合物压碎成细小颗粒以便增加表面面积并且可以被涂布在搅拌棒上。一方面，如同抗微生物棒，可以使用水净化棒达确定的次数。例如，至少10、25、50、100、500或1000次。囊袋可以有效达至少一段时间，例如，1天、3天、5天、1周、2周、1个月、3个月、6个月或1年。

在包装在描绘于图2a和图2b中的设计中的抗微生物组合物的情况下，将要用于囊袋中的组合物的优选数量是4%至10%。虽然不希望受到理论的约束，但是应注意，Ag-OTBN可以基于以下概念进行工作：恒银通过其可以被认为是快的或非常快的释放动力学进行释放。所描述的附接至棒的囊袋以这样一种方式被设计：在受污染的水中被搅拌时，所述囊袋不会收缩。在使用所述囊袋的场地中，可以大力地搅拌所述囊袋达3至10分钟、优选地5分钟，以确保有效接触。

另一方面，取决于污垢物的性质和其除去机制，水净化棒可以是用过即丢的系统。

另一方面，可以将如抗微生物组合物的纳米材料包装在如或类似于图4a和图4b中所示的设计的设计中。在这一方面，受污染的水可以指定的流速通过所述材料。在各个方面，流速可以是例如100至3000mL/min、200至2000mL/min或400至1500mL/min。另一方面，流速可以是约700mL/min。在又一方面，提出本设计，使得囊袋在大小上变小并且可以在不同地方使用。

一方面，囊袋可以除去一种或多种污垢物。例如，囊袋可以除去抗细菌、抗病毒、重金属除去、氟化物除去以及杀虫剂除去介质中的至少任何两种或更多种组合。例如，图17中的数据示出囊袋可以具有抗细菌特性和氟化物除去特性二者。另一方面，囊袋可以除去相同或不同量的不同污垢物。例如，囊袋可以除去存在于受污染的水样品中的99%的细菌和99.9%的氟化物。

还应注意，图5至图11中所给出的性能数据不受制于任何一种形式的囊袋，而是对于图1至图4和图13至图16中所展的示所有形式的囊袋来说是共同的。

实施例

提出以下实施例以便为本领域普通技术人员提供对如何制成和评价本文所要求保护的化合物、组合物、物品、装置和/或方法的完整公开和描述，并且以下实施例意图纯粹是本发明的示例并且不意图限制本发明人所认定的他们的发明的范围。已经做出努力以确保关于数字(例如，量、温度等)的准确性，但是应将一些错误和偏差考虑在内。除非另外指出，否则份数是重量份数，温度以℃为单位或处于环境温度下，并且压力处于大气压下或接近大气压。

以下实施例中示出用于制备如本文所描述的装置及其使用的若干方法。

实施例1

本实施例描述包装在囊袋内的组合物的抗细菌活性的测试方案。一方面，随囊袋摇晃5L的供水(通常所含有的大肠杆菌浓度是1×10⁵CFU/mL，除非另外提及)。在研究中使用具有类似于由美国NSF针对污垢物除去要求所规定的特定浓度的挑战水。在静置一小时之后，使用倾注平板法将1mL的所述样品连同营养琼脂铺在无菌培养皿上。在37℃下孵育48小时之后，对菌落进行计数和记录。

实施例2

本实施例描述包装在囊袋内的组合物的抗病毒活性的测试方案。一方面，随囊袋摇晃5L的供水(通常所含有的MS2大肠杆菌噬菌体浓度是1×10³PFU/mL，除非另外提及)。在研究中使用具有类似于由美国NSF针对污垢物除去要求所规定的特定离子浓度的挑战水。在静置一小时之后，通过噬菌斑检定法对1mL的所述样品进行铺板。在37℃下孵育24小时之后，对菌落进行计数和记录。

实施例3

本实施例描述包装在囊袋内的吸附剂组合物的氟化物除去性能的测试方案。一方面，随囊袋摇晃5L的供水(通常所含有的F^-的浓度是8ppm)。在研究中使用具有类似于由美国NSF针对污垢物除去要求所规定的特定浓度的挑战水。在与囊袋接触之后，收集样品并且使用氟离子选择电极或离子层析术来分析样品。

实施例4

本实施例描述包装在囊袋内的吸附剂组合物的重金属除去性能的测试方案。一方面，随囊袋摇晃5L的供水(通常所含有的重金属(如Hg2+和Pb2+)的浓度是150ppb)。在研究中使用具有类似于由美国NSF针对污垢物除去要求所规定的特定浓度的挑战水。在与囊袋接触之后，收集、酸化并且使用ICP-MS来分析样品。

实施例5

本实施例描述包装在囊袋内的吸附剂组合物的杀虫剂除去性能的测试方案。一方面，随囊袋摇晃5L的供水(通常所含有的杀虫剂(如毒死蜱(chlorpyrifos)和马拉硫磷(malathion))的浓度是10ppb)。在研究中使用具有类似于由美国NSF针对污垢物除去要求所规定的特定浓度的挑战水。在与囊袋接触之后，收集、使用适合的有机溶剂提取并且使用GC-MS来分析样品。

实施例6

本实施例描述用于以下混合组合物囊袋的测试方案，所述囊袋可以收纳两种或更多种水净化组合物，如OTBN、银纳米颗粒浸渍的OTBN、RGO-金属/金属氧化物纳米复合物等。一方面，将所需要的介质混合在一起并且包装在所需的囊袋内部。一方面，随囊袋摇晃5L的供水(通常所含有的F^-的浓度是8ppm并且大肠杆菌的浓度是1×10⁵CFU/mL)。在研究中使用具有类似于由美国NSF针对污垢物除去要求所规定的特定浓度的挑战水。在静置一小时之后，使用倾注平板法将1mL的大肠杆菌样品连同营养琼脂铺在无菌培养皿上。在37℃下孵育48小时之后，对菌落进行计数和记录。并且收集并且使用氟离子选择电极或离子层析术来分析用于氟离子分析的样品。

实施例7

本实施例描述可以在囊袋中使用的抗细菌和抗病毒水净化组合物的合成物。合成方法包括将银纳米颗粒原位浸渍在OTBN上，如印度申请号947/CHE/2011中所解释，其中所述OTBN可以如PCT申请号PCT/IB2011/038968中所描述进行制备。在清洗盐内容物之后所获得的OTBN凝胶用于银纳米颗粒的形成。再次将OTBN凝胶重新散布在水中，其中可以逐滴地添加1mM银前体(硝酸银、氟化银、乙酸银、高锰酸银、硫酸银、亚硝酸银、溴酸银、水杨酸银或以上的任何组合)。Ag比OTBN的重量比可以在0.1%-1.5%之间的任何范围变化。在过夜搅拌溶液之后，向所述溶液逐滴地添加10mM硼氢化钠(在冰冷条件、温度小于5℃下)。然后，允许搅拌所述溶液达半小时、过滤所述溶液，并且用大量的水清洗所述溶液。然后在室温下干燥所获得的凝胶以用于进一步研究。

实施例8

本实施例描述可以在囊袋中使用的氟化物除去吸附剂介质的合成物。合成方法包括通过简单软化学途径的纳米级AlOOH的室温合成，如PCT申请号PCT/IB2011/038968中所描述。所述合成程序由以下组成：在剧烈搅拌下，使铝前体溶液与壳聚糖(溶解于1%-5%冰醋酸或HCl或其组合中)混合。在一般程序中，在剧烈搅拌下，缓慢地将铝前体(如硝酸铝)的溶液添加至壳聚糖溶液中，历时60分钟，并且保持过夜，无搅动。在剧烈搅拌下，缓慢地将氨水或NaOH溶液添加至金属-壳聚糖溶液中，以促进金属-壳聚糖复合物(pH7–8.0)的沉淀。所有这些步骤在低于30℃的温度下执行。搅拌持续达两小时。过滤、清洗沉淀物以除去任何不需要的杂质，对沉淀物在珠粒的形状上进行转换并且在各种条件下进行干燥。

实施例9

本实施例描述可以在囊袋中使用的重金属除去吸附剂介质的合成物。合成方法包括如PCT申请号PCT/IB2011/002740中所描述的RGO-金属/金属氧化物纳米复合物的合成，所述申请以引用的方式整体并入本文。简单来说，1)从石墨粉合成氧化石墨(GO)，如文献中所解释。2)在GO通过声波降解法的剥落之后，在剧烈搅拌下，添加35wt%水合肼水溶液、随后添加28wt%氨水溶液，并且在90℃下进行加热达2小时，以便将GO还原成还原氧化石墨烯片(RGO)，如文献中所解释。3)将计算体积的金属离子前体(KMnO₄、HAuCl₄、AgNO₃、H₂PtCl₆、PdCl₂等)添加至25mL的RGO溶液，使得溶液的最终浓度是0.01、0.025、0.05、0.1、0.3mM等。混合物在30℃下孵育达12h并且固定不动以用于用蒸馏水透析达5天。4)在透析之后，将合成的RGO-金属/金属氧化物纳米复合物支撑在适合的基质上。为了将RGO复合物支撑在二氧化硅上，采取以下方案。在剧烈搅拌下，以1:1的比例向壳聚糖溶液(1.5%醋酸中0.8%壳聚糖)添加如所制备的RGO-MnO₂/RGO-Ag。向10g的二氧化硅添加25mL的均匀分散体并且彻底地混合。在恒定搅拌下在约40℃下干燥混合物以确保均匀涂布。为使涂层稳定，将干燥的样品浸湿在35wt%氨水溶液中达一小时并且用蒸馏水清洗至pH7。在40℃下干燥所述材料并且将所述材料存储在玻璃瓶中以供将来使用。

实施例10

本实施例描述利用加载在囊袋中的金属氧化物上的银纳米颗粒来除去杀虫剂(如毒死蜱和马拉硫磷)，如印度专利200767和PCT申请PCT/IN05/0002中所描述。简单来说，如文献中所解释来制备银纳米颗粒并且将所述银纳米颗粒加载在支撑基质(如活性氧化铝和活性炭)上。

实施例1至实施例6中所描述的囊袋可以具有从图1至图4或图13至图16中选择的设计构型。并且使所述囊袋与受污染的水接触的方法随一种构型与另一种构型的不同而不同。以下给出用于每种囊袋的接触的详细方法。

实施例11

本实施例描述用于以下混合组合物囊袋的测试方案，所述囊袋可以容纳两种或更多种水净化组合物，如OTBN、银纳米颗粒浸渍的OTBN、RGO-金属/金属氧化物纳米复合物等。一方面，将所需要的介质混合在一起并且包装在所需的囊袋内部。一方面，随囊袋摇晃5L的供水(通常所含有的F^-的浓度是8ppm并且大肠杆菌的浓度是1×10⁵CFU/mL)。在研究中使用具有类似于由美国NSF针对污垢物除去要求所规定的特定浓度的挑战水。在静置一小时之后，使用倾注平板法将1mL的大肠杆菌样品连同营养琼脂铺在无菌培养皿上。在37℃下孵育48小时之后，对菌落进行计数和记录。以及收集样品并且使用氟离子选择电极或离子层析术来分析用于氟离子分析的样品。

Claims

1.一种包括多个纳米材料颗粒的囊袋。

2.如权利要求1所述的囊袋，其中所述纳米材料颗粒中的至少一部分在与水样品接触时，可以从所述水样品中除去污垢物的至少一部分。

3.如权利要求2所述的囊袋，其中所述纳米材料颗粒可以使来自所述水的污垢物的量减少至少90%。

4.如权利要求2所述的囊袋，其中所述污垢物包括细菌、病毒或真菌或其混合物。

5.如权利要求2所述的囊袋，其中所述污垢物包括重金属。

6.如权利要求1所述的囊袋，其中所述纳米材料包括有机模板化勃姆石纳米架构(OTBN)。

7.如权利要求6所述的囊袋，其中所述纳米材料包括银盐。

8.如权利要求7所述的囊袋，其中所述银盐包括：硝酸银、氟化银、乙酸银、高锰酸银、硫酸银、亚硝酸银、溴酸银或水杨酸银或其混合物。

9.如权利要求1所述的囊袋，其中所述纳米材料包括还原氧化石墨烯(RGO)-金属/金属氧化物纳米复合物。

10.一种用于处理水样品的方法，其包括使包括多个纳米材料颗粒的囊袋与受污染的水样品相接触。

11.一种水净化单元，其包括充当传感器、净化器或其组合中的至少一者的囊袋。

12.如权利要求7所述的水净化单元，其中所述单元能够检测到水样品中的至少一种污垢物的存在，并且在所述水样品与所述水净化单元或其一部分之间的足够的接触之后，提供以下指示：所述水样品对于消耗来说是安全的。