CN115243778A - 用于空气或水净化的碳纳米管片材 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于从液体或气体介质中去除污染物的过滤器，其包括缠结的碳纳米管的织造或非织造片材。本公开还提供了一种通过使液体或气体介质与所述过滤器接触来降低所述液体或气体介质中的污染物的浓度的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月2日提交的序列号为62/983,795的美国临时专利申请的优先权，在此特将其全部内容通过引用并入本文。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是根据美国能源部先进能源研究计划署(DOE,Office of ARPA-E)授权的DE-AR0001017在政府的支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本公开总体上涉及一种用于从液体或气体介质中去除污染物的过滤器，其中，该过滤器包括多个缠结的碳纳米管的非织造或织造片材。本公开还涉及一种制造这种过滤器的方法以及使用该过滤器从液体或气体介质中去除污染物的方法。
背景技术
大量液体和气体流含有有机和/或金属污染物，由于各种原因(例如消费、使用、处置或其它需要)必须去除这些污染物。受污染的液体流的非限制性示例包括来自城市供水、地下水流以及由制造工艺造成的废水流的那些受污染的液体流。受污染的气体流可能含有有机污染物和/或金属污染物，金属污染物的形式为金属蒸气或含有一种或多种金属的化合物的蒸气。
存在各种常规技术用于去除这些污染物，特别是当污染物为有机物时。这些技术包括空气吹脱以及通过使用扩散器将空气直接鼓吹到污染流中。虽然这些技术已经被证明是有些效果的，但是这些技术各自具有缺点，包括吹脱出的有机物释放到环境中作为空气传播的污染物，并且增加了操作成本。经常采用的另一种技术是使污染物吸附到诸如沸石或木炭的固体吸附材料上。木炭廉价并且表面积大(＞1000m2/g)。然而，木炭易碎，可能难以形成持久可用的形式。因为木炭通常以粒子床的形式使用，所以通过吸附材料的流体流动路径是曲折的，导致主动循环系统中的高流体流动损失或被动系统中的长扩散路径。此外，虽然木炭可以通过热量再活化，但是由于上述流动限制，再生时间比期望的要长。
最近，碳纳米管和石墨烯已经被用作木炭的部分或完全替代物。例如：
美国专利No.5,458,784公开了一种石墨纤丝，其特征在于具有以下特征：(i)表面积为50-800m2/g；(ii)电阻率为0.3-0.8μohm·m；(iii)长度为1-100μm；以及(iv)石墨片之间的距离为0.335-0.7nm，并且所述石墨纤丝用于从水流和气体流中去除有机组分和金属组分；
美国专利申请公开No.2004/0131811公开了一种用于空调机的过滤器，其包括沉积有纳米尺寸金属颗粒的碳纳米管；
美国专利公开No.2006/0120944公开了由石墨烯和碳纳米管形成的材料及其在气体和液体净化中作为过滤器的用途；
美国专利申请公开No.2006/0151382和No.2011/0114573公开了石墨烯在过滤介质中的用途；
美国专利No.7,419,601公开了使用组装的纳米网形式的碳纳米管从流体中去除污染物，其中，所述碳纳米管连接或附接至其它碳纳米管、纤维或颗粒；
美国专利申请公开No.2009/0142576公开了设置在多孔支撑基底上的碳纳米管膜及其作为过滤器的用途；
WO 2012/070886公开了一种用于从空气中去除有机污染物的过滤器，该过滤器包括碳纳米管-催化剂复合材料，其中催化剂颗粒的尺寸为几纳米并且催化剂颗粒均匀地粘结至碳纳米管；
美国专利申请公开No.2013/0042762公开了一种气体过滤器，该气体过滤器具有设置在入口和出口之间包含碳纳米管的腔室以及端口，所述端口构造成用于通过所述端口同时进行气体流入碳纳米管以及气体从碳纳米管中流出；以及
美国专利No.9,078,942公开了涂覆有二氧化钛/单壁CNT(碳纳米管)的过滤膜。
希望通过开发表现出更好的过滤能力并且能够用极少的能量容易且快速地再生的新的碳纳米管基材料来进一步改进这些现有技术的过滤介质。
发明内容
一种用于从液体或气体介质中去除污染物的过滤器，所述过滤器包括缠结的碳纳米管的织造或非织造片材，其特征在于具有以下特征中的两个或更多个特征：(i)直径为约2-20nm之间，(ii)长度为约1-10mm之间，(iii)密度为约0.7-1.9g/cm3之间，(iv)纵横比为至少约250000，(v)失效应变为约1.8-7％之间，以及(vi)表面积为约100-300m2/g，并且其中，所述织造或非织造片材还包括构造成用于从电源接收能量的输入部。
附图说明
图1和图2示出了根据本公开的一个实施例的用于形成和获取缠结的碳纳米管的非织造片材的系统；
图2A示出了根据本公开的实施例的用于形成和获取缠结的碳纳米管的非织造片材的替代系统；
图3示出了由图1、图2和图2A的系统产生的缠结的碳纳米管的非织造片材；
图4示出了包含由图1、图2和图2A的系统产生的缠结的碳纳米管的非织造片材的过滤器；
图4A示出了呈褶皱构造的图4的缠结的碳纳米管的非织造片材；
图5示出了可以使用由图1、图2和图2A的系统产生的缠结的碳纳米管的非织造片材的车辆；
图6示出了用于图5的车辆中的供热、通风与空气调节(HVAC)系统的一部分的侧剖视图；以及
图7示出了图6的HVAC系统的过滤器模块的侧剖视图。
具体实施方式
本公开总体上提供了一种用于从液体或气体介质中去除污染物的过滤器，其中，所述过滤器包括缠结的碳纳米管的织造或非织造片材，其特征在于具有以下特征中的一个或多个特征：(i)直径为约2-20nm之间，或约3-18nm之间，或约4-15nm之间，或约5-14nm之间，或约6-12nm之间，或约8-11nm之间；(ii)长度为约1-10mm之间，或约2-9nm之间，或约3-8nm之间，或约4-7nm之间，或约5-6nm之间；(iii)密度为约0.7-1.9g/cm3之间，或约0.75-1.8g/cm3之间，或约0.8-1.7g/cm3之间，或约1-1.6g/cm3之间，或约1.1-1.5g/cm3之间；(iv)纵横比为至少约250000，或至少约350000，或至少约500000，或至少约600000；(v)失效应变为约1.8-7％之间，或约2-6.5％之间，或约3-5％之间；(vi)表面积为约100-300m2/g，或约125-275m2/g，或约150-250m2/g或约175-225m2/g，并且其中，所述织造或非织造片材还包括用于从电源接收电能的输入部。在一些其他实施例中，除了上述特征之外，所述缠结的碳纳米管的特征还在于：抗拉强度为约2-3.2GPa之间，或约2.25-3GPa之间，或约2.5-2.8GPa之间，并且/或者比强度为约1800-2900kN·M/kg之间，或约2000-2700kN·M/kg之间或约2200-2600kN·M/kg之间。
已经令人惊奇地发现，本公开的特定的碳纳米管的织造或非织造片材可以有效地用作针对位于液体和/或气体介质中的多种污染物的吸附剂，并且可以通过向所述非织造片材施加电能而使其在几分钟内(例如小于0.5分钟、或小于1分钟、或小于2分钟、或小于3分钟)容易地就地再生。由于电流通过，根据本公开的实施例制造的碳纳米管的织造或非织造片材可以在远红外光谱范围内高效地进行辐射。这样产生了一种高效的加热物品，其能够在所有方向上辐射远红外线而不加热其自身以使处于过滤器内的污染物再挥发和/或分解。
本文所描述的过滤器可以用于各种应用场合，包括但不限于家庭场所(例如生活用水和空气过滤)、汽车场所(例如HVAC系统中的舱室空气过滤器)、娱乐场所(例如环境过滤)、工业场所(例如溶剂回收、反应物净化)、政府场所(例如军事用途、废物修复)和医疗场所(例如手术室、清洁空气和面罩)。
本公开还提供了一种通过使包含一种或多种污染物的液体或气体介质与本文所描述的过滤器中的碳纳米管的织造或非织造片材接触来净化所述液体或气体介质的方法。在一个实施例中，所述净化液体或气体介质的方法包括使液体或气体介质与织造或非织造片材接触，其中，碳纳米管以足以降低与织造或非织造片材接触的液体或气体介质中的至少一种污染物的浓度的量存在于织造或非织造片材中。“降低至少一种污染物的浓度”是指在用本发明的过滤器处理之后，至少一种污染物降低至低于未处理的液体或气体介质的污染物的水平，例如低于由管理特定液体或气体介质的质量标准的工业要求或适当的管理机构所定义的最大污染水平。
以下术语将具有以下含义：
术语“包括”及其派生词不旨在排除任何另外的组件、步骤或程序的存在，无论其是否在本文中公开。相反，如果出现在本文中，术语“基本上由……组成”将任何其他组件、步骤或程序排除在任何后续记载的范围之外，将对可操作性来说不是必不可少的那些组件、步骤或程序排除在外，而术语“由……组成”在使用时排除没有具体描述或列出的任何组件、步骤或程序。除非另有说明，术语“或”单独以及以任何组合形式指列举的成员。
冠词“一”、“一个”在本文中用于指一个或多于一个(即，至少一个)该冠词的语法对象。
短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等通常是指该短语之后的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个方面中，并且可以包括在本公开的多于一个方面中。重要的是，这类短语不一定是指相同的方面。
如果说明书陈述某一组件或特征“可以”、“能够”或“可能”被包括或具有某一特性，则不要求该特定组件或特征一定被包括或具有所述特性。
在本文使用时，术语“污染物”是指被认为是对其所处的介质不利和/或有害的任何化合物和/或化合物混合物。因此，在该定义下特别考虑的污染物包括各种金属、盐、酸和/或有机化合物，它们均可存在于气体介质(例如，环境空气、工艺空气)或液体介质(例如，水)中。应当认识到，本领域普通技术人员无需过度实验就可以容易地识别合适的污染物。然而，特别优选的是，预期的污染物可以包括可选择地被替代的有机化合物(例如但不限于原油、精制烃、氯仿、乙腈、苯、甲基异丁基酮、异丙醇、正丁醇、正丙醇、乙二醇、二甘醇、乙酸2-乙氧基乙酯、甲基乙基酮、萘、芘、蒽、苊烯、菲、
荧蒽、芴、苯并芘、苯并蒽、苯并荧蒽、茚并芘、二苯并蒽、苯并聚对二甲苯、氯苯、溴苯、1,2-二氯苯、1,3-二溴苯、1,4-二氯苯、1,2,4-三氯苯、六氯苯、2-氯萘、2-溴萘、3,3'-二氯联苯胺、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、二苯基甲烷、十二烷基苯、均三甲苯、杜林(durine)和六甲基苯)、元素形式(例如，汞)或离子形式(例如，Cu2+)的金属、酸(例如HNO3、H3PO4、H2SO4、乳酸等)、碱(例如NaOH、KOH、HSO-等)、卤素(例如Cl2 -、Cl-等)、上述酸和碱的盐，以及许多其他化学化合物，包括小分子药物(分子量通常小于1000)和化学药剂(例如，沙林、索曼、VX芥子气和路易氏剂)。因此，“污染物”中包括挥发性有机化合物或VOC，即，在大气压下具有等于或小于216℃的沸点的化合物，所述沸点根据ASTMD 86-96确定。
现在参考图1和图2，示出了根据本公开的一个实施例的系统10，该系统用于收集在合成室11内由CVD工艺制造的合成的纳米纤维或纳米材料(例如纳米管)，并且用于随后由纳米管形成块状织造或非织造织片材(在本实施例中为非织造片材)，其可以用作本公开中的过滤器。特别地，系统10可以用于形成基本连续的非织造片材，该非织造片材由压实和混合的纳米管产生并具有足够的结构完整性而作为片材处理。
系统10可以联接至合成室11。合成室11大体上包括：(i)可以向其中供应反应气体的入口端，(ii)可以进行伸长的纳米管的合成的热区，和(iii)出口端114，反应产物(即伸长的纳米管和废气)可以从该出口端离开并在该出口端处被收集。在一个实施例中，合成室11可以包括延伸通过熔炉的石英或陶瓷管115，并且可以包括设置在出口端114和入口端用于密封管115的凸缘117。尽管在图1中大体地示出，但应当理解，在合成室11的设计中可以采用其它构造。
系统10还包括外壳52。如图1所示，外壳52可以是基本气密的，以最小化合成室11内包含的潜在有害的空气传播颗粒向环境中的释放，并防止氧气进入系统10并到达合成室11。具体地，合成室11内氧气的存在会影响纳米管的完整性并损害纳米管的生产。
系统10还可以包括入口13，用于以基本气密的方式在合成室11的出口端114处接合凸缘117。在一个实施例中，入口13可以包括至少一个排气装置131，气体和热量可以通过该排气装置离开外壳52。允许从排气装置131离开的气体通过诸如水的液体或过滤器，以收集未在排气装置131上游收集的纳米材料。另外，可以以与上述方式类似的方式处理废气。具体地，可以用火焰处理废气以使废气的各种成分不活跃。例如，可以使废气中的活性氢氧化以形成水。
系统10可进一步包括位于入口13附近的移动表面，例如带14，用于从合成室11的出口端114收集和输送纳米材料(即，纳米管)。为了收集纳米材料，带14可以以基本横向于从出口端114携带纳米材料的气流的角度定位，以使得纳米材料沉积在带14上。在一个实施例中，带14可以基本垂直于气流定位，并且实质上可以是多孔的，以允许携带纳米材料的气流从中通过并从合成室11中离开。另外，来自合成室11的气流可以通过入口13中的排气装置131离开。另外，带14可以由铁磁材料制成，以将纳米材料吸引到其上。
为了将纳米材料从系统10的入口13带走，可以将带14设计成类似于传统传送带的连续环。为此，带14可以围绕相对的旋转元件141绕成环，并且可以由诸如电动马达142的机械装置以如箭头143所示的顺时针方式驱动。或者，可以使用滚筒(未示出)来提供用于输送纳米材料的移动表面。这种滚筒也可以由诸如电动马达142的机械装置驱动。在一个实施例中，可以通过使用控制系统来控制电动马达142，所述控制系统类似于结合机械驱动器(未示出)使用的控制系统，从而可以优化张力和速度。
继续参考图1，系统10包括压力施加器，例如辊15，其位于带14附近，以将压紧力(即压力)施加到所收集的纳米材料上。特别地，当朝向辊15输送纳米材料时，带14上的纳米材料可以被迫在辊15下方抵靠着辊15移动，使得压力可以被施加至混合的纳米材料，同时纳米材料在带14和辊15之间被压实而成为凝聚的基本粘结的平面非织造片材16(见图2)。为了增加对带14上的纳米材料的压力，板144可以定位在带14后面，以提供硬表面，来自辊15的压力可以施加到该硬表面上。应当注意，只要所收集的纳米材料的量充足并且充分混合使得存在足够数量的接触部位来提供产生非织造片材16所需的粘结强度，可以不需要使用辊15。
为了使混合纳米材料的非织造片材16与带14脱离以便随后将其从外壳52上移除，可以在辊15的下游设置小刀或刀片17，使其边缘抵靠带14的表面145。以这种方式，当非织造片材16向下游移动经过辊15时，刀片17可以用于将非织造片材16从带14的表面145提起。
另外，可以在刀片17的下游提供卷轴或辊18，使得脱离的非织造片材16随后可以被引导至其上并围绕辊18卷绕以进行获取。在一个实施例中，辊18可以由铁磁材料制成以将非织造片材16中的纳米材料吸引到其上。当然，也可以使用其它机构，只要可以收集非织造片材16以便随后将其从外壳52移除即可。与带14类似地，辊18可以由诸如电动马达181的机械驱动器驱动，使得其旋转轴线可以基本上横向于非织造片材16的移动方向。
为了使非织造片材16在围绕辊18卷绕时的自粘结最小化，可以在片材16围绕辊18卷绕之前将分离材料19(参见图2)施加到非织造片材16的一侧。用于本公开的分离材料19可以是能够以连续卷191供应的各种可商购的金属片材或聚合物中的一种。为此，当片材16围绕辊18卷绕时，分离材料19可以与非织造片材16一起被拉到辊18上。应当注意，可以以片材、液体或任何其它形式提供包括分离材料19的聚合物，只要其可以被施加到非织造片材16的一侧即可。此外，由于非织造片材16内的混合纳米材料可以包含铁磁材料(例如Fe、Co、Ni等)的催化纳米颗粒，因此在一个实施例中，分离材料19可以是非磁性材料(例如导电或不导电)，以防止非织造片材16牢固地粘在分离材料19上。
此外，系统10可以设置有控制系统(未示出)，从而可以相应地调节机械驱动器142和181的旋转速度。在一个实施例中，控制系统可以被设计成从附接至每个机械驱动器142和181的位置传感器(例如，光学编码器)接收数据。随后，基于所收集的数据，控制系统可以使用控制算法以改变供应至每个驱动器的电力以控制每个驱动器的速度，使得该速度基本上匹配带14上的纳米管收集速度，以避免在非织造片材围绕卷轴卷绕时损害其完整性。另外，控制系统可以使辊18的旋转速度与带14的旋转速度同步。在一个实施例中，非织造片材16的张力可以根据速度值实时重置，从而可以将带14和辊18之间的张力保持在设定值内。
如果需要，控制系统也可以改变辊18和带14之间的速度，以控制辊18对非织造片材16的卷取。此外，控制系统可以使辊18沿其轴线来回略微调整，以允许非织造片材16均匀地保持在辊18上。
根据需要，也可以使用静电场(未示出)使从合成室11产生的纳米管大致沿带运动的方向对齐。可以通过将例如两个或更多个电极沿周向方向放置在合成室11的出口端114周围并向电极施加高电压来产生静电场。电压可以从大约10V变化到大约100kV，优选从约大4kV变化到大约6kV。如果需要，这些电极可以用绝缘体屏蔽，例如小石英或其它合适的绝缘体。电场的存在可以使得移动通过其中的纳米管基本上与电场对齐，从而使纳米管在移动带14上对齐。
纳米管的对齐也可以通过使用化学和/或物理过程来实现。例如，可以用化学品使非织造纳米管稍微松散，并对其进行物理拉伸以使纳米管基本上沿期望方向对齐。
在一个替代实施例中，参考图2A，可以使用用于收集纳米材料的改进的外壳。图2A中的改进的外壳52可以包括入口13和出口131，纳米材料通过所述入口从系统10的合成室11进入，非织造片材16可以通过所述出口从外壳52中移除。在一个实施例中，外壳52可以被设计为基本上气密的，以最小化来自合成室11内的潜在有害的空气传播颗粒向环境中的释放，并防止氧气进入系统10并到达合成室11。具体地，合成室11内氧气的存在会影响纳米管的完整性并损害纳米管的生产。
图2A的外壳52还可以包括具有移动表面(例如带14)的组件145。如图所示，带14可以位于入口13附近，用于收集从合成室11离开的纳米材料(即，纳米管)并将其输送到外壳52中。在图2A所示的实施例中，带14以及因此组件145可以基本上平行于通过入口13进入外壳52中的携带纳米材料的气流，以使得纳米材料沉积在带14上。在一个实施例中，可以使带14包括能够将纳米材料吸引到其上的材料，例如磁性材料。该材料可以根据产生纳米管的催化剂而改变。例如，如果纳米材料是通过使用铁催化剂颗粒产生的，则磁性材料可以是铁磁性材料。
为了将纳米材料从外壳52的入口13带走，可以将带14可以设计成类似于传统传送带的基本连续的环。为此，在一个实施例中，带14可以围绕相对的旋转元件141绕成环，并且可以由机械装置(例如，由位于例如位置142处的马达驱动的旋转齿轮装置143)驱动。此外，带14可以具有在入口13前面在基本横向于通过入口13的纳米材料流的方向上从外壳52的一侧平移到外壳52的相对侧的能力。通过使带14具有这种能力，可以在带14上产生相对宽的非织造片材16，即，比进入外壳52的纳米材料流相对较宽。为了允许带14从一侧平移到另一侧，可以设置平移齿轮装置144以移动组件145，辊141和带14可以定位在该组件上。
一旦足够的纳米材料已经沉积到带14上以提供具有适当厚度的非织造片材16，就可以从图2A的外壳52移除非织造片材16。为了移除非织造片材16，可以关闭系统10，从带14上手动取出非织造片材16，并将其通过出口131从外壳52移除。为了使得容易取出，包括各种齿轮的组件145可以安装到滑动机构(例如滑动臂146)上，使得可以将组件145通过出口131从外壳52拉出。一旦已经取出非织造片材16，就可以在滑动臂146上将组件145推回到外壳52中。然后，可以关闭出口131，以便为外壳52提供用于随后的运行的基本气密的环境。
根据一个实施例，碳纳米材料的非织造片材可以使用图1、图2和图2A所示的系统10通过CVD工艺来制造，并且其特征在于具有以下特征中的一个或多个特征：(i)直径为约2-20nm之间，或约6-15nm之间，或约7-10nm之间；(ii)长度为约1-10mm之间，或约2-8mm之间，或约3-6mm之间；(iii)密度为约0.7-9g/cm3之间，或约0.8-7g/cm3之间，或约0.9-5g/cm3之间；(iv)纵横比为至少约250000，或至少约500,000，或至少约750000，或至少约1000000；(v)表面积为约100-300m2/g之间，或约150-250m2/g之间，或约175-200m2/g之间。纳米管以气相产生并如上所述沉积在移动带上。可能需要多个层将非织造片材构建至上述密度。这种非织造片材的一个示例在图3中被示为物品30。
非织造片材30可以由单壁(SWNT)或多壁(MWNT)碳纳米管制成，并且具有导电性。因此，非织造片材30可以由与非织造片材电连通的电能快速加热。由系统10制造的非织造片材30也可以基本上为纯碳纳米管，并且可以在基本上不存在粘结剂的情况下保持其形状。非织造片材30保持其形状的能力可以来自于辊15(见上)施加至混合碳纳米管以在带14和辊15之间将纳米管压实成凝聚的基本粘结的平面非织造片材的压力。至于其纯度，应当注意，尽管可以制造具有基本纯的碳纳米管的非织造片材，但也可以使用在由CVD工艺制造的碳纳米管中具有残余催化剂的非织造片材。通常，这种非织造片材中的残余催化剂(即，金属催化剂)可以小于约2原子百分比。使用具有残余催化剂的非织造片材可以降低总的加工成本。
由于其导热特性，非织造片材30还可以通过在片材30的平面内导热而在基本上垂直于该平面的方向上不导热来提供热保护。此外，因为碳纳米管可以基本上抵抗高温氧化，所以由碳纳米管制成的非织造片材30通常可以经受住(即，不燃烧)高达约500℃的温度。
电源(例如，电池、太阳能电池或发电机)可以以任何合适的方式连接至本公开的非织造片材。在一个实施例中，可以例如经由压接而机械地连接输入部(例如一个或多个引线)。在另一个实施例中，导电材料(例如银墨)可以沉积在非织造材料上以提供合适的输入部或引线。在又一实施例中，可以在非织造片材和金属引线或其它合适的输入部之间施加玻璃碳前体，以增强非织造片材的纳米管与金属引线或其它合适的输入部之间的导电性。
现在参考图4，示出了过滤器40(例如空气过滤器)，其包括根据本公开的一个或多个碳纳米管的织造或非织造片材51。该过滤器大体上包括限定入口和出口之间的流动路径的外壳，并且碳纳米管的织造或非织造片材51设置成横向于所述流动路径，以使得包含一种或多种污染物的气体介质流动通过所述织造或非织造片材并进入碳纳米管中以吸附这样的污染物。
因此，过滤器40将包括具有主体42(例如管状主体)的外壳41，其在一端由入口壁44封闭，在相反端由出口壁46封闭。入口壁44具有一个或多个入口端口45，而出口壁46具有一个或多个出口端口47。
在入口壁44和出口壁46之间，一个或多个环形腔或腔室48沿管状主体42的内表面同轴布置。在所示实施例中，一个环形腔室48限定在入口壁44和出口壁46之间。在具有多于一个环形腔室48的实施例中，径向延伸的分隔壁(未示出)可以沿入口端口45的流动轴线100的方向轴向间隔开。很明显，流动轴线100平行于作为整体的过滤器40的纵向轴线。
每个腔室48可以包含至少一个碳纳米管的织造或非织造片材51，织造或非织造片材被限定每个腔室48的管状主体42的内表面42a以及入口壁44和出口壁46包围，并且也可以由其支撑。可以在入口壁44和出口壁46中或附近设置多个细孔构件52、54，以确保织造或非织造片材51不会离开外壳41。在一些实施例中，所述多个细孔构件可以是构造成收集细粉尘的颗粒过滤器。织造或非织造片材51可以任何期望构造放置在腔室48内，只要气体介质通过织造或非织造片材51即可，例如但不限于呈平坦或平面构造(即，第一和第二维度远远大于第三维度，例如大至少1000倍)，或呈褶皱(鳍状)构造(参见图4A)。因此，受污染的气体介质将进入入口45，穿过吸附至少一种污染物的织造或非织造片材51，然后作为所述至少一种污染物浓度降低的气体介质离开出口47。
在一个实施例中，碳纳米管的织造或非织造片材构造成发射红外能量，并且包括用于从电源接收能量的输入部58。因此，电源通过输入部58与碳纳米管的织造或非织造片材51电连通。电能可以通过电源间歇地或以编程的间隔供应至织造或非织造片材51。通过织造或非织造片材51的电流将使已吸附在织造或非织造片材上的污染物的温度迅速升高，随后导致污染物从织造或非织造片材解吸或分解，并回到流过织造或非织造片材的气体介质中。因此，过滤器40可以用最小的电力快速且高效地就地再生。
根据一个特别的实施例，本公开的碳纳米管的织造或非织造片材可以用在用于车辆的供热、通风与空气调节(HVAC)系统的舱室空气过滤器中。参考图5，示出了车辆60。车辆60可以是汽车(例如汽油、电动或混合动力)，但是车辆的类型不限于此。车辆60包括前端61。HVAC系统62设置在车辆60中，并向车辆60的内部空间63提供热量、通风和空气调节。内部空间63通常布置成容纳一个或多个乘员。
在图6中更详细地示出HVAC系统62。HVAC系统62包括空气流动所沿的流动路径71。空气沿着流动路径71从入口72流到出口73。入口72通向车辆60周围的外部大气，出口73通向内部空间63。然而，其它的布置也是可能的。用作空气流动装置的风扇74沿流动路径71设置。风扇74用于使空气沿流动路径71流动。在本实施例中，风扇74靠近入口72。在一个实施例中，HVAC系统62具有再循环构造和正常构造，在再循环构造中，入口72和出口73通向内部空间63，在正常构造中，入口72和/或出口73通向车辆周围的外部大气。
蒸发器75也可以设置在流动路径71中。设置蒸发器75使得沿着流动路径71流动的空气在流过出口73之前流过蒸发器75。在一些实施例中，蒸发器75可以省略。
HVAC系统62包括吸附式过滤器装置80。吸附式过滤器装置80沿着流动路径71设置。管道81在吸附式过滤器装置80处限定流动路径71的一部分。吸附式过滤器装置80构造成从流过HVAC系统62的空气中去除至少一种污染物。
吸附式过滤器装置80设置在蒸发器75的上游。在空气从入口72流到出口73的情况下，上游被定义为相对于另一特征的空气流的入口侧，下游被定义为相对于另一特征的空气流的出口侧。吸附式过滤器装置80可以与蒸发器75间隔开。
参考图6和图7，吸附式过滤器装置80包括过滤器模块90和构造成与电源101电连通的输入部100。过滤器模块90具有吸附式过滤器91和颗粒过滤器92。吸附式过滤器91和颗粒过滤器92串联设置在流动路径71中。颗粒过滤器92设置在吸附式过滤器91的上游。在本实施例中，颗粒过滤器92邻接吸附式过滤器91。颗粒过滤器92可以省略，或者可以沿着流动路径71设置在其它位置。
过滤器模块90还可以包括支撑件93，尽管在一些实施例中，支撑件93可以省略。支撑件93构造成为吸附式过滤器91和颗粒过滤器92提供稳定性。在一个实施例中，颗粒过滤器92和支撑件93一体地形成。吸附式过滤器91可以是吸附式过滤层。颗粒过滤器92可以是颗粒过滤层。支撑件53可以是支撑层。在这种构造中，过滤器模块90是组合式舱室空气过滤器。在一个实施例中，过滤器模块90(即，颗粒过滤器92和吸附式过滤器91)具有褶皱构造。
颗粒过滤器92构造成过滤空气流中携带的诸如灰尘的细小颗粒。颗粒过滤器92跨过流动路径71延伸。也就是说，颗粒过滤器92构造成使得沿着流动路径71流动的所有空气都流过颗粒过滤器92。颗粒过滤器92包括非织造布置的纤维。在一个实施例中，纤维可以是例如玻璃纤维。颗粒过滤器92可以包括不同粗糙度的过滤段以过滤不同尺寸的颗粒。
吸附式过滤器91构造成吸附空气流中的气体污染物。吸附式过滤器91跨过流动路径71延伸。也就是说，吸附式过滤器91构造成使得沿着流动路径71流动的所有空气都流过吸附式过滤器91。吸附式过滤器91由管道81界定。吸附式过滤器91包括至少一个根据本公开的碳纳米管的织造或非织造片材54。碳纳米管的织造或非织造片材吸附空气中的至少一种气体污染物，使得该气体污染物被吸附式过滤器91留住。吸附式过滤器91具有上游侧95和下游侧96。空气通过上游侧95流入吸附式过滤器91并通过下游侧96从吸附式过滤器91流出。因此，受污染的空气将通过上游侧95流入吸附式过滤器91，通过吸附至少一种污染物的碳纳米管的织造或非织造片材94，然后作为所述至少一种污染物浓度降低的空气通过下游侧96离开。离开下游侧96的空气可以再循环回到车辆60中或送至车辆60周围的外部大气。
因此，在操作中，空气被风扇74沿着流动路径71吸入。在风扇74的下游，空气沿着管道81流动并进入吸附式过滤器91的上游侧75。进入吸附式过滤器91的气体污染物被碳纳米管的织造或非织造片材94连续地吸附，因此被保留在过滤器91中。这样，防止吸附的污染物从吸附式过滤器91的下游侧76流出。
吸附式过滤器91的再生包括打开电源以将由碳纳米管的非织造片材94吸附的污染物电阻加热到至少约200℃或至少约250℃或至少约300℃的温度，从而将气体污染物从碳纳米管基质中驱出。当气流从吸附式过滤器91的上游侧流到下游侧时，污染物将转移至空气，从而可以被送到车辆60周围的外部大气中。然后关闭电源101，允许吸附式过滤器91吸附污染物，直到下一次再生。
应当理解，电源101可以间歇地或以编程的间隔使用，并且该电源可操作以清理吸附式过滤器91，使得吸附式过滤器91不会充满被吸附的污染物，或者达到或超过吸附容量。这可能特别适合于电动车辆。在这种实施例中，当车辆正在充电因此可获得能量时，可以通过使电流通过吸附式过滤器装置91以解除对已经吸附在其上的气体污染物的吸附并将气体污染物排出到外部大气来启动解吸循环。这种实施例的益处可以包括相对于现有技术的包含活性碳的一次性吸附式过滤器而言减少维护和废物消除。
尽管上面已经详细描述了本发明的各种实施例的创造和使用，但是应当理解，本发明提供了可以在各种各样的具体环境中实施的多种可应用的发明构思。本文所讨论的具体实施例仅是对创造和使用本发明的具体方式的说明，而不对本发明的范围进行限制。
Claims (5)
1.一种用于从液体或气体介质中去除污染物的过滤器，所述过滤器包括缠结的碳纳米管的织造或非织造片材，其特征在于具有以下特征中的两个或更多个特征：(i)直径为约2-20nm之间，(ii)长度为约1-10mm之间，(iii)密度为约0.7-1.9g/cm3，(iv)纵横比为至少约250000，(v)失效应变为约1.8-7％之间，以及(vi)表面积为约100-300m2/g，并且其中，所述织造或非织造片材还包括构造成用于从电源接收能量的输入部。
2.一种通过使含有一种或多种污染物的液体或气体介质与权利要求1所述的过滤器接触来净化所述液体或气体介质的方法，其中，所述碳纳米管以足以降低与所述非织造片材接触的所述液体或气体介质中的至少一种污染物的浓度的量存在于所述非织造片材中。
3.一种舱室空气过滤器，所述舱室空气过滤器包括外壳，所述外壳具有入口、出口、位于所述入口和所述出口之间的腔、以及缠结的碳纳米管的织造或非织造片材，其特征在于具有以下特征中的两个或更多个特征：(i)直径为约2-20nm之间，(ii)长度为约1-10mm之间，(iii)密度为约0.7-1.9g/cm3，(iv)纵横比为至少约250000，(v)失效应变为约1.8-7％之间，以及(vi)设置在所述腔内的表面积为约100-300m2/g，并且其中，所述织造或非织造片材还包括构造成用于从电源接收电能的输入部。
4.根据权利要求3所述的舱室空气过滤器，其中，所述非织造片材以褶皱构造布置在所述腔内。
5.根据权利要求4所述的舱室空气过滤器，还包括设置在所述腔内的颗粒过滤器。
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