CN105727629A - 纳米纤维复合材料过滤器、制造该材料的方法和过滤系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了纳米纤维复合材料过滤器、制造该材料的方法和过滤系统。所述过滤器包括：具有多个孔的多孔碳块；和在所述多孔碳块的所述孔内形成的多个无机纳米纤维，使得所述多个无机纳米纤维连接到所述多孔碳块。

Description

纳米纤维复合材料过滤器、制造该材料的方法和过滤系统
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。
合同来源
根据美国能源部(UnitedStatesDepartmentofEnergy)和可持续能源联盟有限公司(AllianceforSustainableEnergy,LLC)(国家可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory)的管理者和经营者)之间的第DE-AC36-08GO28308号合同，美国政府享有本发明的权利。
技术领域
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
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。
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600m2/g的范围中的良好的表面积的γ和/或α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。
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
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。
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(TiO2)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γ或者α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。
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
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。
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；
图2A和图2B是突出显示一个或多个图示的孔的多孔块的示意图；
图3是多孔块纳米纤维复合材料的孔的示意图；
图4是方法的流程图；
图5是本文示例的X-射线衍射图(XRD)；
图6A和图6B提供了本文示例的扫描电子显微镜(SEM)图；
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；
图8是本文另外的示例的X-射线衍射图(XRD)特征；
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；
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；
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
图12是钛酸盐纳米管和锐钛矿TiO2纳米棒的X-射线衍射(XRD)扫描。
具体实施方式
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(Al(O)OH)，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。
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。
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。
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块基底一起使用，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。
示例性的多孔块纳米纤维复合材料产品可以以下文的方式制造。在一个示例性的实现方式中，多孔块纳米纤维复合材料110可以通过在还未被改性的多孔块100存在的条件下直接水热法合成纳米纤维211而制造。可以向在具有多孔块100的合适的反应容器(也被称为“处理室”)中的溶液提供前体材料。然后可以对处理室进行加热和加压以合成纳米纤维，该纳米纤维在处理室中的多孔块上形成或“生长”以产生多孔块纳米纤维复合材料产品110。图4提供了这样的方法(这里为方法400)的汇总图，其中第一步骤或操作401包括获得多孔块，下一步骤或操作402包括在多孔基底的至少一个孔内形成一个纳米纤维或多个纳米纤维。
直接水热合成纳米纤维211可以包括提供铝前体材料，该铝前体材料可以选自于Al(OH)3、Al(Ac)2OH和Al(Ac)(OH)2。在下文进一步描述的示例中，勃姆石可以是纳米纤维的材料，该纳米纤维通过下列方法合成：使用Al(OH)3前体和水加热至大约200℃的温度大约5h(5小时)以在多孔基底块上的一个或多个孔上或内生成基本上白色的固体纳米纤维。
该方法非常可重现，获得的产品的形态可以特别有利于用作过滤介质中的活性成分或者直接用作过滤介质。例如，可以使用水热处理来直接在其它多孔材料上生长纳米纤维以及生成增强的复合材料过滤介质。注意到还可以应用本质上不一定是水热法的纤维形成反应，例如，纤维生长能够在基础材料的孔中成核的纤维形成反应。
更具体的，纳米纤维的小的直径(平均2nm)和整体长宽比(平均100’snm)和纳米纤维以及基础的多孔块的大表面积提供了有利于在过滤中使用的几何结构。此外，纳米纤维和多孔块纳米纤维复合材料与例如为水的溶液的接触的能力使得纳米纤维和该多孔块纳米纤维复合材料能够容易的担当过滤介质。纳米纤维和/或多孔块纳米纤维复合材料从与其接触的液流中收集污染物或者杂质，以因此提供过滤介质的有效移除能力。图4中的步骤或操作403所示为液流与多孔块和/或纳米纤维接触(尽管虚线连接表示相对于制造操作401和402其为独立的操作)。纳米纤维不在多孔块的孔上/内成团，反而促进了更有益于过滤应用的矩阵和框架结构。
纳米纤维过滤器可以用于大量的过滤应用。例如，氧化铝，尤其是勃姆石相的氧化铝，纳米纤维和多孔块纳米纤维复合材料的性质有助于移除生物材料和重金属，这在下文中将进一步描述。勃姆石具有经证明过的对病毒和重金属的化学亲和力。纳米纤维和多孔块纳米纤维复合材料的大表面积也可以很好的适用于过滤病原体。
在其它实现方式中，多孔块纳米纤维复合材料110可以通过如下方法制备：在多孔块100和嵌入在纳米纤维基质中的附加的和/或可选的成分(例如为TiO2、Fe2O3、ZnO或者其它无机氧化物等的活性成分)的存在的条件下水热法合成纳米纤维211，或者通过在具有痕量的(NH4)2SO4的水中提供铝前体材料来制备。附加的和/或可选的活性成分可以用于直接氧化或还原或者通过光致氧化或还原待过滤的成分。这样的实施方式的示例在下文中将进一步讨论。
作为引入的勃姆石氧化铝示例，铝前体材料可以选自于Al(OH)3、Al(Ac)2OH和Al(Ac)(OH)2，以及尽管不需要，该前体材料可以以颗粒形式提供。处理室可以被加热以便反应发生，通常地，在大约125℃至大约200℃的范围内加热，或者甚至加热高达例如400℃用于退火或类似处理。处理室还可以被加压，通常，在大约50磅/平方英寸(psi)至大约100磅/平方英寸(标准尺寸)的范围。示例性的处理可以产生多孔块纳米纤维复合材料产品，根据其中的前体材料包括Al(OH)2Ac的实现方式，反应式(1)描述了纳米纤维的形成。
(1)Al(OH)2Ac+水+(NH4)2SO4(痕量)＝纳米纤维
注意的是平衡化学反应为Al(OH)2Ac＝Al(O)OH+HAc。注意，利用附加的退火操作(参见例如下文)，勃姆石可能经历从勃姆石至γ氧化铝的相转变。反应式(2)所示为化学过程的示例：
(2)AlOOH＝γ-Al2O3+H2O
以及，很明显，该方法通常可以不包括盐的使用，使得其为用于制造纳米纤维211的“清洁”方法。此外，纳米纤维211可以容易地彼此解聚集，以及甚至可以容易地在溶液(例如水)中分散，尽管其能容易地成核或者附着到多孔块基质100的孔上和/或内。
还可以理解可以提供任何合适的可以以本文描述的方式控制温度和压力的处理室。根据一个实现方式，处理室可以为ParrModel4761型300ml的压力反应器或者ParrModel4642型2L的压力反应器。然而，现在已知的或者将来开发出的其它处理室也可以预期适用于以这样的方法或本文的方法使用。
可以使用各种公知技术中的任一方法来分析至此所产生的纳米纤维211，例如使用x射线衍射方法分析。X射线衍射(XRD)通常用于检查固体的组成。X射线聚焦于具有引起x射线散射或衍射的重复原子结构的样品上。散射x射线彼此相长干涉以产生衍射光线。数据通常表示一系列衍射图样，该衍射图样可以与已知材料的衍射图样进行比较。通过x射线衍射测得，根据本文的方法所产生的氧化铝纳米纤维产品211大约100％为勃姆石。纳米纤维产品211可以通过在空气中加热勃姆石至400℃而被进一步处理成氧化铝的γ相。
在一个实现方式中，可以在合成纳米纤维211的期间通过向处理室中提供仍未被改性的多孔块100而制造多孔块纳米纤维复合材料产品110。这样的过程可以根据一个实现方式通过下面的反应式(3)描述。
(3)Al(OH)2Ac+水+(NH4)2SO4(痕量)+多孔块复合材料
根据这一实现方式，纳米纤维211不仅是机械地与多孔块100混合。而是，多孔块100担当介质，在合成期间纳米纤维211在其上“生长”或结晶以生成纳米纤维复合材料块110。优选的，纳米纤维211在合成期间连接到多孔块100上，同时不损害其形态或降低纳米纤维211的表面积。
还可以理解多孔块100可以包括任何合适的多孔材料，包括例如碳、金属氧化物、聚硅酮、纤维素和/或有机聚合物等等。制造基底多孔块100不限于任何特定的方法，并可以以任何合适的、本领域技术人员可以很好的理解的方式生产。还注意的是不需要特定尺寸或者形状的块或其它基底材料，仅需要块或基底材料具有一个或多个孔。
可以使用各种公知技术中的任一方法来分析根据本文的教导所制造的多孔块纳米纤维复合材料产品110，例如使用在上文中简要讨论的x射线衍射方法分析。根据本文的方法所制造的复合材料产品110可以包括大约100％的勃姆石的纳米纤维，如图5的x射线衍射图样所示。复合材料110的纳米纤维可以如上文所讨论的那样被进一步处理成γ氧化铝相。制造后，纳米纤维复合材料10可以被退火处理，退火温度在大约250℃至400℃的范围以提供最高纳米纤维产品表面积(即，大约500-650m2/g)，然而其目的不是将本文的复合物限制到任何特定的温度范围。注意，该相变化可以通常在不改变形态或者长宽比的情况下发生。
图6A、图6B和图7A、图7B和图7C是根据下文示例1和2所制造的纳米纤维多孔块复合材料的图像，所述图像是采用一般被称为扫描电子显微法(SEM)的方法通过扫描电子显微镜获取的。在图6A和图6B中所说明的SEM图像中可以容易的看到，复合材料块110包括多个在多孔碳块的孔内结晶的纳米纤维；图6A为商业碳块在勃姆石生长之前的SEM图像，图6B是相同的商业碳块在勃姆石生长之后的SEM图像。类似地，图7A、图7B和图7C中的SEM图像表示纳米纤维多孔块复合材料，该复合材料包括在与图6A、图6B示例相比具有较大孔尺寸的多孔碳块上结晶的纳米纤维；图7A是较大孔商业碳块在勃姆石生长之前的SEM图像，图7B是相同的较大孔商业碳块在勃姆石生长之后的SEM图像，以及图7C是相同的较大孔商业碳块在勃姆石生长之后的另一SEM图像，图7C是较大放大率的图像。
根据本文的教导所制造的纳米纤维211通常包括以它们的长度相比非常小的直径(例如平均2nm)，使得它们具有高长宽比。因此，这一独特的形态以及大表面积有助于纳米纤维多孔块复合材料产品110用于许多应用，包括过滤。此外，如下文所进一步描述地，纳米纤维211的勃姆石相还可以增强产品的生物材料和重金属过滤能力。
此外，纳米纤维211和多孔块纳米纤维复合材料110能够容易地与其它材料或装置结合以产生高效过滤产品。因此，在一个实现方式中，产品110可以容易地作为过滤介质而被包含在例如为图1的系统10的过滤系统中。纳米纤维211和/或纳米纤维复合材料110提供期望的过滤介质的移除特性。
纳米纤维211和/或多孔块纳米纤维复合材料110的独特形态和其它特性使得本文的产品尤其适用于潜在的大范围的过滤应用，包括但不限于空气过滤和水过滤。勃姆石相还由于化学亲和力而使其能用在生物活性应用中。这些产品提供化学和/或静电亲和力和/或病毒和病原体可以附着的大表面积，使得这些产品在生物材料过滤应用方面特别有利。在下表1中通过产品特性示出了勃姆石纤维的生物亲和力的示例(注意这些特性是通过类似于本文中所描述的方法生长的勃姆石纳米纤维所产生的，而其不像在示例1和2中的那样在碳块基底的孔上/中生长的)。
表1
病毒等级 ＞log 7
空间流速(厘米/秒) 1.6
吸附病毒大小颗粒的能力(单位/cm2) 1.2×1013(渗透前)
对堵塞的敏感性 低
对点缺陷的敏感性 无
使用包括质量百分比为20％-70％的勃姆石纳米纤维、厚度在大约1.0mm至1.5mm的范围的其他过滤基底材料进行初始研究。使用噬菌体(抗菌素)PRD-1和MS-2(人类病毒的代用品)来研究这些过滤器的病毒衰减量。去除效率高于99.9999％。
由于可以用在多孔块纳米纤维复合材料产品110内，这样的纳米纤维211的独特形态和其他特性还使得这些产品尤其适合于通过金属离子化学吸收作用过滤重金属。通过类似本文所描述的方法形成的并用于重金属过滤的勃姆石纳米纤维可以包括支撑在GelmanAcrodisc型针筒过滤器上的勃姆石垫，其通过将0.1g的这样的勃姆石纳米纤维分散在水中(10ml)并将该分散液通过过滤器而制备。测试这样的重金属过滤器的从水中移除下列重金属的能力：锌(Zn)、镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、金(Au)和银(Ag)。测试结果如下表2所示。
表2
Zn Cd Pb Cu Au Ag
未处理的水中的金属(mg/L) 50 35 35 35 1 1
处理过的水中的金属(mg/L) 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
去除效率(％) 99.998 99.997 99.997 99.997 99.9 99.9
这些测试结果表明用在多孔块纳米纤维复合材料产品110上/内的根据本文的方法所制造的勃姆石纳米纤维的用在重金属过滤器中或者用作重金属过滤器的潜在应用，这样的过滤器能够用于饮用水处理和工业废水处理等等。
因此，纳米纤维过滤块110可以依据机械和/或化学吸附和/或静电引力机制而用于生物的和/或无机的过滤应用。纳米纤维过滤器110具有复杂的复合结构，其可以被优化用于吸附特定材料。此外，纳米纤维过滤器110可以在高流动条件下使用。在另一实施方式中，吸收的材料可以从过滤器洗脱。
注意，基础过滤材料，这里例如，多孔块，因此可以被增强成复合过滤产品形式，在一特定示例中，标准多孔块能有效过滤例如为大肠杆菌和隐孢子虫的大细菌(例如，隐孢子虫生物体(原生生物)形成大小在4-7微米之间的保护性的卵囊；贾第虫也是卵囊的形式但是稍微较大，大小在6至10微米之间；这些卵囊使得有机体在水道中的宿主的主体外存活，并保护它们抵抗例如为氯化作用或者紫外辐射的消毒方法)。然而，实际上的非卵囊细菌小得多，例如大约0.2-0.5微米，当前描述的纳米纤维将基质的有效孔尺寸减少至非常小并增加了不仅捕获能够被传统多孔块所捕获的卵囊、还能捕获细菌有机体本身以及非常小的病毒和化学污染物的能力。
本文的产品不限于生物材料和/或重金属水过滤应用。在另一实现方式中，本文的产品可以用在用于从例如为醇、酯和酮的溶剂中去除释放的超小微粒的过滤器中。在另外的实现方式中，本文的产品可以用于过滤在电子设备制造中使用的高纯度化学品或水。另一个新的应用可以是用在过滤掉纳米材料，无论是无机的、有机的或其它(依据DOEP456.1，美国能源部，出版物456.1，越来越关注纳米材料的毒性)。其它示例性应用可以包括空气或其它气体过滤器。本领域技术人员在熟悉本文的教导之后很容易明白，还可以在本文的范围内预期其它过滤应用。
打算在本复合材料的范围内的其它应用例如，根据本文所描述的方法制造的纳米纤维211和/或复合材料块110可以与吸附垫一起使用(例如用于医学检测试剂盒)，以及生物制剂的浓缩/净化(包括生物恐怖武器)等等。
示例1
在这个示例中，前体材料包括能很容易地从许多供应商获得的实验室级别的颗粒状的Al(OH)3。在该示例中，勃姆石纳米纤维是这样合成的：使用大约25.5gAl(OH)3和大约200ml的水加热至大约200℃大约5h(五小时)，以在商业上可获得的多孔碳基底块上的一个或多个孔上或内生成基本上白色固体纳米纤维；这里的碳基底块为4碳环，1.5英寸直径×0.5英寸厚(注意，如上文所介绍，术语多孔块不是形状依赖型的)。处理室保持在总压力为大约150磅/平方英寸(标准尺寸)下。处理室被保持在大约200℃，反应温度估计为大约180℃。反应获得大约19.0g的纳米纤维产品。对产品在大约100℃下干燥5小时。
使用上文简要描述的x射线衍射技术对根据该示例所制造的纳米纤维进行分析，并显示在图5中。纳米纤维包括大约100％勃姆石，通过BET分析测得的平均表面积为大约285m2/g。纳米纤维还被限制到多孔碳块上，由此使得容易地进行后续的例如如上文所描述的过滤应用。如上文所介绍的，对于这个示例在处理前和处理后的SEM图像分别显示在图6A和6B中。
示例2
在这个示例中，前体材料包括基本上相同的商业上能很容易地从许多供应商获得的实验室级别的Al(OH)3。在该示例中，勃姆石纳米纤维也是这样合成的：使用大约25.5gAl(OH)3和大约200ml的水加热至大约200℃大约5h(五小时)，以在商业上可获得的多孔碳基底上的一个或多个孔上或内生成基本上白色固体纳米纤维。这里的多孔块材料包括与示例1的基底相比具有较大孔结构的碳基础材料(这里，也是4碳环，1.5英寸直径×0.5英寸厚)，参见图7A、7B和7C。
处理室被保持在大约为150磅/平方英寸的总压力下。处理室被保持在大约200℃，反应温度估计为大约180℃。反应以这种方式继续进行大约5小时，导致生成大约19g的纳米纤维多孔块复合材料。对复合材料产品在大约100℃下干燥5小时。
使用上文简要描述的x射线衍射技术对根据这一示例制造的纳米纤维复合材料进行分析。纳米纤维复合材料包括大约100％勃姆石。通过BET分析测得的纳米纤维多孔块复合材料的平均表面积为大约195m2/g。
注意的是以上讨论的示例1和2是用于说明的目的而提供的，而不是用于限制的目的。还预期有另外的实现方式和变型。
如上文所介绍，各种可替代的前体之一可以是二氧化钛(TiO2)。二氧化钛化学过程的形成包括在强碱性溶液中水热法蒸煮TiO2粉末以产生钛酸钠纳米管，如下式所示。
(4)3TiO2+2NaOH→Na2Ti3O7纳米管+H2O
示例3
在示例性的制备中，在聚四氟乙烯烧杯中混合5.0gTiO2粉末和50ml的10N的NaOH，并放置在300ml的Parr压力反应器中。反应器在180℃下加热5小时并冷却至室温。过滤内容物，用100ml的水洗涤，并在100℃下干燥30分钟，以获得白色粉末，通过如图8所示的XRD和图9A和图9B所示的透射电镜(TEM)表征为钛酸钠纳米管。更具体的，图8为本文所示的在各种温度下合成的钛酸盐产品的X射线衍射(XRD)特征。在180℃下合成的材料的痕迹对应纯Na2Ti3O7纳米管相。图9A和图9B提供在180℃下合成的钛酸盐纳米管的(TEM)图像。
当钛酸盐纳米管随后在水中在大约150℃至大约250℃之间的温度下加热3-24小时时，材料被转变成锐钛矿TiO2纳米棒。在下列示例中，在聚四氟乙烯衬里的300ml的Parr型压力反应器中，将0.5g的钛酸钠纳米管置于25ml的水中，然后将反应器保持在规定温度下持续规定时间。收集产品，用水(100ml)洗涤，在100℃下干燥30分钟，并如在图10和11中所示用XRD和TEM表征。图10所示为在150℃下处理24小时将钛酸盐纳米管水热法转换成TiO2纳米棒的产品，表示钛酸盐带至TiO2钉的中间变换。图11所示为在230℃下处理5小时将钛酸盐纳米管水热法转换成TiO2纳米棒的产品，表示完全转换成TiO2纳米棒。
可以使用反应时间和反应温度来控制钛酸盐纳米管至TiO2的水热法转换，以产生不同产品形态，如上文中描述的两个TEM图像所例证(图10和11)。图12中所示的XRD证实产生的TiO2是结晶锐钛矿相。
注意的是以上讨论的示例3的二氧化钛示例是用于说明的目的而提供的，而不是用于限制的目的。还预期有另外的实现方式和变型。
本文中所用的碳材料可以源自于若干源中的任意一个，包括但不限于尤其是烟煤、木材或者椰子壳。在一些例子中，可以使用粘结剂将粉末形式的碳成形为多孔块，以产生期望的特定大小和/或形状，然后粘结剂被燃烧耗尽。还可以使用或者替代使用其它块成型技术，例如为模压成型。
注意，在图1中仅原理性的示出了块和系统；大量的潜在替代方式可以包含本文的特征，而不管尺寸、规模、形状或者运行方式怎样。本文的块不必是多边形的，但是可以根据最终用途采用许多形状。最终用途可以是个人水瓶大小块，或者可以是较大规模的直至和/或包括例如可通过卡车或者飞机运输的可运输系统，直至和/或包括市政规模的实现方式。
注意的是以上讨论的示例是用于说明的目的而提供的，而不是用于限制的目的。还预期有另外的实施方式和变型。
尽管上文中已经讨论了若干示例性方面和实施方式，本领域技术人员将意识到某些变型、排列、添加及其子结合。因此，目的在于下列所附的权利要求和此后引入的权利要求被解释为包括所有这样的在它们的真实精神和范围之内的变型、排列、添加及子结合。

Claims (24)

1.一种多孔块纳米纤维复合材料过滤器，所述过滤器包括：
具有多个孔的多孔碳块；和
在所述多孔碳块的所述孔内形成的多个无机纳米纤维，使得所述多个无机纳米纤维连接到所述多孔碳块。
2.根据权利要求1所述的多孔块纳米纤维复合材料过滤器，其中所述多个无机纳米纤维不在所述孔内成团。
3.根据权利要求1所述的多孔块纳米纤维复合材料过滤器，其中所述多个无机纳米纤维在所述孔内形成矩阵和框架结构。
4.根据权利要求1所述的多孔块纳米纤维复合材料过滤器，其中所述无机纳米纤维是由下列材料中的至少一种材料形成的：铝酸盐、钛酸盐和无机氧化物。
5.根据权利要求1所述的多孔块纳米纤维复合材料过滤器，其中，所述无机纳米纤维包括勃姆石、γ氧化铝、α氧化铝、二氧化钛和氧化铁中的至少一种材料。
6.根据权利要求1所述的多孔块纳米纤维复合材料过滤器，其中所述无机纳米纤维是使用前体材料形成的，其中，所述前体材料包含下列材料中的至少一种：TiO2、Al(OH)3、Al(Ac)2OH、和Al(Ac)(OH)2。
7.一种用于制造多孔块纳米纤维复合材料的方法，所述方法包括：
在处理室的水中提供具有多个孔的多孔碳块和无机前体材料；以及
在所述多孔碳块的所述孔内，由所述无机前体材料水热法合成无机纳米纤维，以生成多孔块纳米纤维复合材料产品，使得所述无机纳米纤维连接到所述多孔碳块。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述水热法合成使得所述无机纳米纤维不在所述孔内成团。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述水热法合成使得所述无机纳米纤维在所述孔内形成矩阵和框架结构。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述无机纳米纤维是由下列材料中的至少一种材料形成的：铝酸盐、钛酸盐和无机氧化物。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述无机纳米纤维是勃姆石、γ氧化铝、和α氧化铝中的至少一种。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述无机前体材料是下列材料中的至少一种：TiO2、Al(OH)3、Al(Ac)2OH、和Al(Ac)(OH)2。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述水热法合成包括加热和加压中的至少一种。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述加热是加热至在125℃至200℃的范围中的温度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述加压是加压到在50磅/平方英寸至100磅/平方英寸的范围中的压力。
16.根据权利要求7所述的方法，其中所述无机纳米纤维的干燥表面积为200m2/g至300m2/g。
17.根据权利要求7所述的方法，其中根据x射线衍射分析，所述无机纳米纤维为100％勃姆石。
18.根据权利要求7所述的方法，其中所述水热法合成的步骤进行至少5小时。
19.一种过滤系统，所述过滤系统包括：
具有入口和出口的流通室；和
设置在所述流通室内的多孔块纳米纤维复合材料过滤介质，所述多孔块纳米纤维复合材料过滤介质包括：
具有多个孔的多孔碳块；和
在所述多孔碳块的所述孔内形成的多个无机纳米纤维，使得所述多个无机纳米纤维连接到所述多孔碳块。
20.根据权利要求19所述的过滤系统，其中所述多个无机纳米纤维不在所述孔内成团。
21.根据权利要求19所述的过滤系统，其中所述多个无机纳米纤维在所述孔内形成矩阵和框架结构。
22.根据权利要求19所述的过滤系统，其中所述无机纳米纤维是由下列材料中的至少一种材料形成的：铝酸盐、钛酸盐和无机氧化物。
23.根据权利要求19所述的过滤系统，其中所述无机纳米纤维包括勃姆石、γ氧化铝和α氧化铝中的至少一种。
24.根据权利要求19所述的过滤系统，其中所述无机纳米纤维是使用前体材料形成的，其中，所述前体材料包含下列材料中的至少一种：TiO2、Al(OH)3、Al(Ac)2OH和Al(Ac)(OH)2。
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