JP2023515674A - 空気又は水精製のためのカーボンナノチューブシート - Google Patents

空気又は水精製のためのカーボンナノチューブシート Download PDF

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Abstract

本開示は、絡み合ったカーボンナノチューブの織布又は不織布シートを含む、液体又は気体媒体から汚染物質を除去するためのフィルターを提供する。本開示はまた、液体又は気体媒体をフィルターと接触させることによって、液体又は気体媒体中の汚染物質の濃度を低下させるための方法を提供する。【選択図】図１

Description

関連出願に対する相互参照
本出願は、２０２０年３月２日に出願された米国仮特許出願第６２／９８３，７９５号の優先権を主張し、その全内容は、参照により本明細書に明白に組み込まれる。
連邦政府が後援する研究又は開発に関する声明
本発明は、ＤＯＥ、Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ ＡＲＰＡ－Ｅにより与えられたＤＥ－ＡＲ０００１０１７の下で政府の支援を受けて為された。政府は、この発明に対して特定の権利を有する。
分野
本開示は、一般に、液体又は気体媒体から汚染物質を除去するためのフィルターに関し、ここでフィルターは、複数の絡み合ったカーボンナノチューブの不織布又は織布シートを含む。本開示はまた、そのようなフィルターを作製する方法、及び該フィルターを使用して液体又は気体媒体から汚染物質を除去するための方法に関する。
背景
かなりの数の液体及び気体流は、消費、使用、廃棄、又は他の必要性などの様々な理由で除去されなければならない有機及び／又は金属汚染物質を含む。汚染された液体流の非限定的な例は、都市の水供給、地下水流、及び製造プロセスから生じる廃水流から生じるものを含む。汚染された気体流は、有機汚染物質及び／又は金属汚染物質を、金属蒸気又は１つ以上の金属を含む化合物の蒸気の形態で含む場合がある。
特に汚染物質が有機物である場合、そのような汚染物質を除去するための様々な従来の技術が存在する。そのような技術は、空気ストリッピング、及びディフューザの使用による汚染された流れへの直接的な空気のバブリングを含む。これらの技術は、幾分効果的であることが証明されているが、各々は、ストリッピングされた有機物の空中浮遊汚染物質としての環境への放出、及び操作コストの増加を含むそれらの欠点を有する。しばしば使用される別の技術は、ゼオライト又は木炭などの固体吸着剤材料上への汚染物質の吸着である。木炭は安価であり、大きい表面積（＞１０００ｍ２／グラム）を有する。しかしながら、木炭は脆弱であり、耐久性のある使用可能な形態に形成することが困難であり得る。木炭は典型的には粒子床の形態で使用されるため、吸着剤材料を通した流体流路は曲がりくねっており、能動的に循環されるシステムにおいて、又は受動システムにおける長い拡散経路において、高い流体流の損失をもたらす。さらに、木炭は熱により再活性化することができるが、再生時間は、上述した流れの制限に起因して所望よりも長い。
より最近では、カーボンナノチューブ及びグラフェンが木炭の部分的又は完全な代替物として使用されている。例えば：
特許文献１は、（ｉ）表面積５０～８００ｍ２／ｇ、（ｉｉ）０．３～０．８μｏｈｍ・ｍの電気抵抗率、（ｉｉｉ）１～１００μｍの長さ、及び（ｉｖ）０．３３５～０．７ｎｍの黒煙プレートレット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）間の距離を有するとして特徴付けられる黒鉛フィラメントと、水及び気体流からの有機及び金属成分の除去におけるその使用を開示しており、
特許文献２は、その上に堆積されたナノサイズの金属粒子を有するカーボンナノチューブを含む、空調装置用のフィルターを開示しており、
特許文献３は、グラフェン及びカーボンナノチューブから形成された材料と、気体及び
液体精製におけるフィルターとしてのその使用を開示しており、
特許文献４及び特許文献５は、濾過媒体におけるグラフェンの使用を開示しており、
特許文献６は、流体からの汚染物質の除去のための組み立てられたナノメッシュの形態のカーボンナノチューブの使用を開示しており、ここでカーボンナノチューブは、他のカーボンナノチューブ、繊維又は粒子に接続又は付着され、
特許文献７は、多孔質支持基材上に配置されたカーボンナノチューブフィルムと、フィルターとしてのその使用を開示しており、
特許文献８は、カーボンナノチューブ－触媒複合材料を含む、空気から有機汚染物質を除去するためのフィルターを開示しており、ここで触媒粒子は、数ナノメートルのサイズを有し、カーボンナノチューブに均一に結合しており、
特許文献９は、入口と出口との間に配置されたカーボンナノチューブとポートとを含むチャンバを有する気体フィルターを開示しており、該ポートは、ポートを介した同時のカーボンナノチューブへの気体進入及びカーボンナノチューブからの気体脱出のために構成されており、
特許文献１０は、二酸化チタン／単層ＣＮＴで被覆された濾過膜を開示している。
さらに良好な濾過能力を示し、最小限のエネルギーを使用して容易かつ迅速に再生可能である、新しいカーボンナノチューブベースの材料を開発することによって、これらの先端技術の濾過媒体をさらに改良することが望ましいであろう。
米国特許第５，４５８，７８４号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１３１８１１号明細書 米国特許公開第２００６／０１２０９４４号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１５１３８２号 米国特許出願公開第第２０１１／０１１４５７３号明細書 米国特許第７，４１９，６０１号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１４２５７６号明細書 国際公開第２０１２／０７０８８６号パンフレット 米国特許出願公開第２０１３／００４２７６２号明細書 米国特許第９，０７８，９４２号明細書
液体又は気体媒体から汚染物質を除去するためのフィルターは、以下の特性：（ｉ）約２～２０ｎｍの直径、（ｉｉ）約１～１０ｍｍの長さ、（ｉｉｉ）約０．７～１．９ｇ／ｃｍ３の密度、（ｉｖ）少なくとも約２５０，０００のアスペクト比、（ｖ）約１．８～７％の破損歪み、及び（ｖｉ）約１００～３００ｍ２／ｇの表面積、のうちの２つ以上を有するとして特徴付けられる、絡み合ったカーボンナノチューブの織布又は不織布シートを含み、並びに織布又は不織布シートはさらに、電源からエネルギーを受容するように構成された入力部を含む。
本開示の一態様による、絡み合ったカーボンナノチューブの不織布シートを形成及び回収するためのシステムを示す。 本開示の一態様による、絡み合ったカーボンナノチューブの不織布シートを形成及び回収するためのシステムを示す。 本開示の一態様による、絡み合ったカーボンナノチューブの不織布シートを形成及び回収するための代替的なシステムを示す。 図１、２及び２Ａのシステムから生成された絡み合ったカーボンナノチューブの不織布シートを示す。 図１、２及び２Ａのシステムから生成された絡み合ったカーボンナノチューブの不織布シートを含むフィルターを示す。 襞状構成の図４の絡み合ったカーボンナノチューブの不織布シートを示す。 図１、２及び２Ａのシステムから生成された絡み合ったカーボンナノチューブの不織布シートが使用される場合がある車両を示す。 図５の車両内で使用される加熱、換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムの側断面図を示す。 図６のＨＶＡＣシステムのフィルターモジュールの側断面図を示す。
詳細な説明
本開示は、一般に、液体又は気体媒体から汚染物質を除去するためのフィルターを提供し、該フィルターは、以下の特性：（ｉ）約２～２０ｎｍ、又は約３～１８ｎｍ、又は約４～１５ｎｍ、又は約５～１４ｎｍ、又は約６～１２ｎｍ、又は約８～１１ｎｍの直径（ｉｉ）約１～１０ｍｍ、又は約２～９ｎｍ、又は約３～８ｎｍ、又は約４～７ｎｍ、又は約５～６ｎｍの長さ（ｉｉｉ）約０．７～１．９ｇ／ｃｍ３、又は約０．７５～１．８ｇ／ｃｍ３、又は約０．８～１．７ｇ／ｃｍ３、又は約１～１．６ｇ／ｃｍ３、又は約１．１～１．５ｇ／ｃｍ３の密度、（ｉｖ）少なくとも約２５０，０００、又は少なくとも約３５０，０００、又は少なくとも約５００，０００、又は少なくとも約６００，０００のアスペクト比（ｖ）約１．８～７％、又は約２～６．５％又は約３～５％の破損歪み、（ｖｉ）及び約１００～３００ｍ２／ｇ、又は約１２５～２７５ｍ２／ｇ、又は約１５０～２５０ｍ２／ｇ又は約１７５～２２５ｍ２／ｇの表面積、のうちの１つ以上を有するとして特徴付けられる、絡み合ったカーボンナノチューブの織布又は不織布シートを含み、織布又は不織布シートはさらに、電源から電気エネルギーを受容するための入力部を含む。いくつかのさらなる態様では、上記の特性に加えて、絡み合ったカーボンナノチューブはまた、約２～３．２ＧＰａ、若しくは約２．２５～３ＧＰａ、若しくは約２．５～２．８ＧＰａの引張強度、及び／又は約１８００～２９００ｋＮ・Ｍ／ｋｇ、若しくは約２０００～２７００ｋＮ・Ｍ／ｋｇ若しくは約２２００～２６００ｋＮ・Ｍ／ｋｇの比強度を有することにより特徴付けられる場合がある。
驚くべきことに、本開示のカーボンナノチューブの特定の織布又は不織布シートは、液体及び／又は気体媒体中に配置された多数の汚染物質の収着剤として有効に使用することができ、不織布シートに電気エネルギーを適用することによって数分のうちに、例えば０．５分未満、又は１分未満、又は２分未満、又は３分未満で、定位置で容易に再生できることが見出された。本開示の態様に従って作製されるカーボンナノチューブの織布又は不織布シートは、電流が該シートを通過する結果として、遠赤外線スペクトル内で効率的に放射するように機能することができる。これは、それ自体を加熱してフィルター内に配置された汚染物質を再揮発させ及び／又は分解することなく、遠赤外線内で全方向に放射することができる効率的な加熱物品を形成する。
本明細書に記載されるフィルターは、家庭（例えば、家庭用水及び空気濾過）、自動車に関する（例えば、ＨＶＡＣシステムにおけるキャビン空気フィルター）レクリエーション（例えば、環境濾過）、工業（例えば、溶媒再生、反応関与体精製）、政府（例えば、軍事利用、廃棄物改善）、及び医学（例えば、手術室、清浄空気及びフェイスシールド）の場所を含むがこれらに限定されない、様々な用途に利用される場合がある。
本開示はまた、液体又は気体媒体を、本明細書に記載されるフィルター中のカーボンナノチューブの織布又は不織布シートと接触させることによって、１つ以上の汚染物質を含
む液体又は気体媒体を精製する方法を提供する。一態様では、液体又は気体媒体を精製する方法は、液体又は気体媒体を織布又は不織布シートと接触させることを含み、ここで織布又は不織布シートと接触する液体又は気体媒体中の少なくとも１つの汚染物質の濃度を低下させるのに十分な量で、カーボンナノチューブが織布又は不織布シート中に存在する。「少なくとも１つの汚染物質の濃度を低下させる」とは、本発明のフィルターで処理した後に、少なくとも１つの汚染物質を、未処理の液体又は気体媒体のレベルよりも低いレベル、例えば、特定の液体又は気体媒体の品質基準を規定する適切な規制機関又は産業要件により定義される最大汚染レベル未満に低下させることを意味する。
以下の用語は、以下の意味を有するものとする：
用語「含む」及びその派生語は、本明細書に開示されているか否かにかかわらず、いずれの追加の成分、工程又は手順の存在も除外することを意図するものではない。対照的に、用語「から本質的になる」は、本明細書に現れる場合、操作性に必須ではないものを除いて、いずれの後続の列挙の範囲からも、いずれの他の成分、工程又は手順も除外し、用語「からなる」は、使用される場合、具体的に描写又はリストされないいずれの成分、工程又は手順も除外する。用語「又は」は、特に明記しない限り、リストされた部材を個々に、及びいずれかの組み合わせで指す。
冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書では、冠詞の文法上の目的語の１つ又は２つ以上（即ち、少なくとも１つ）を指すために使用される。
「一態様において」、「一態様によれば」などの語句は、一般に、その語句に続く特定の特徴、構造、又は特性が、本開示の少なくとも１つの局面に含まれ、本開示の２つ以上の局面に含まれる場合があることを意味する。重要なことに、このような語句は、必ずしも同じ局面を指すわけではない。
本明細書が、成分又は特徴が含まれ又は特性を有する「場合がある」、「ことができる」、「し得る」、又は「可能性がある」と述べる場合、その特定の成分又は特徴は、含まれ又は特徴を有することを必要とされない。
本明細書で使用される場合、用語「汚染物質」は、その中に化合物及び／又は化合物の混合物が配置される媒体に望ましくない及び／又は有害と見なされる、いずれかの化合物及び／又は化合物の混合物を指す。従って、この定義の下で特に意図される汚染物質は、様々な金属、塩、酸及び／又は有機化合物を含み、その各々は、気体媒体（例えば、周囲空気、プロセス空気）又は液体媒体（例えば、水）中に存在する場合がある。適切な汚染物質は、過度の実験なしで、当業者によって容易に同定できることを認識するべきである。しかしながら、意図される汚染物質は、任意的に置換された有機化合物（例えば、原油、精製炭化水素、クロロホルム、アセトニトリル、ベンゼン、メチルイソブチルケトン、イソプロピルアルコール、ｎ－ブチルアルコール、ｎ－プロピルアルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコールグリコール、２－エトキシエチルアセテート、メチルエチルケトン、ナフタレン、ピレン、アントラセン、アセナフチレン、フェナントレン、クリセン、フルオランテン、フルオレン、ベンゾピレン、ベンゾアントラセン、ベンゾフルオランテン、インデノピレン、ジベンゾアントラセン、ベンゾパリレン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、１，２－ジクロロベンゼン、１，３－ジブロモベンゼン、１，４－ジクロロベンゼン、１，２，４－トリクロロベンゼン、ヘキサクロロベンゼン、２－クロロナフタレン、２－ブロモナフタレン、３，３’－ジクロロベンジジン、トルエン、エチルベンゼン、ｏ－キシレン、ｍ－キシレン、ｐ－キシレン、ジフェニルメタン、ドデシルベンゼン、メシチレン、デュリン（ｄｕｒｉｎｅ）、及びヘキサメチルベンゼンであるがこれらに限定されない）、元素形態（例えば、水銀）又はイオン形態（例えば、Ｃｕ２＋）
の金属、酸（例えば、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、乳酸など）、塩基（例えば、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＨＳＯ－など）、ハロゲン（例えば、Ｃｌ２ －、Ｃｌ－など）、上記の酸及び塩基の塩、並びに多数の他の化学的化合物（小分子薬（典型的には１０００未満のＭＷ）及び化学剤（例えば、サリン、ソマン、ＶＸマスタードガス、及びルイサイト）を含む）を含む場合があることが特に好ましい。従って、「汚染物質」には、揮発性有機化合物又はＶＯＣ、即ち、ＡＳＴＭ Ｄ ８６－９６により決定して、大気圧で２１６℃以下の沸点を有する化合物が含まれる。
ここで図１及び２を参照すると、本開示の一態様による、合成チャンバ１１内のＣＶＤプロセスから作製された、合成されたナノ繊維又はナノ材料、例えばナノチューブを収集し、続いてナノチューブからバルク織布又は不織布、この態様では不織布シート（本開示においてフィルターとして利用される場合がある）を形成するためのシステム１０が示されている。特に、システム１０は、圧縮され及び交じり合ったナノチューブから生成され、シートとして取り扱われるのに十分な構造的完全性を有する、実質的に連続する不織布シートの形成に使用される場合がある。
システム１０は、合成チャンバ１１に結合される場合がある。合成チャンバ１１は、一般に、（ｉ）反応気体が供給される場合がある入り口端、（ｉｉ）延長された長さのナノチューブの合成が行われる場合がある高温ゾーン、及び（ｉｉｉ）反応の生成物、即ち延長された長さのナノチューブ及び排気気体がそこから退出し及び収集され場合がある出口端１１４を含む。一態様では、合成チャンバ１１４は、炉を通して延びる石英又はセラミック管１１５を含む場合があり、管１１５を密閉するために出口端１１４及び入り口端に設けられたフランジ１１７を含む場合がある。図１に一般的に図示されているが、他の構成が合成チャンバ１１の設計に使用される場合があることを理解するべきである。
システム１０は、さらにハウジング５２を含む。ハウジング５２は、図１に示すように、合成チャンバ１１内に含まれる潜在的に有害な空中浮遊微粒子の、環境への放出を最小限にするように、また酸素がシステム１０内に入り、合成チャンバ１１に到達することを防止するように、実質的に気密である場合がある。特に、合成チャンバ１１内の酸素の存在は、完全性に影響を与え、ナノチューブの生産を損なう可能性がある。
システム１０はまた、合成チャンバ１１の出口端１１４において、実質的に気密様式でフランジ１１７と係合するための入口１３を含む場合がある。一態様では、入口１３は、少なくとも１つの気体排気口１３１を含む場合があり、気体排気口１３１を通して気体及び熱がハウジング５２から離れる場合がある。排気口１３１から退出する気体を、水などの液体又はフィルターに通過させて、排気口１３１の上流で集められなかったナノ材料を収集する場合がある。加えて、排気気体は、上述したものと類似した方法で処理される場合がある。具体的には、排気気体は火炎で処理されて、排気気体の様々な成分を不活性化する場合がある。例えば、排気気体中の反応性水素は、酸化されて水を形成する場合がある。
システム１０はさらに、合成チャンバ１１の出口端１１４からナノ材料（即ち、ナノチューブ）を収集及び移送するために、入口１３に隣接して位置する移動表面、例えばベルト１４を含む場合がある。ナノ材料を収集するために、ベルト１４は、ナノ材料を出口端１１４から運ぶ気体の流れを実質的に横断する角度で配置されて、ナノ材料がベルト１４上に堆積することを可能にする場合がある。一態様では、ベルト１４は、気体の流れに実質的に直交するように配置される場合があり、ナノ材料を運んでいる気体の流れがベルト１４中を通過し、合成チャンバ１１から退出できるように、多孔質の性質である場合がある。加えて、合成チャンバ１１からの気体の流れは、入口１３内の排気口１３１を通して退出する場合がある。加えて、ベルト１４は、ナノ材料をその上に引き付けるために強磁
性材料から作製される場合がある。
ナノ材料をシステム１０の入口１３から離れるように運ぶために、ベルト１４は、従来のコンベアベルトと同様の連続ループとして設計される場合がある。そのために、ベルト１４は、対向する回転要素１４１の周りに輪状につながれる場合があり、矢印１４３で示すように、電気モーター１４２などの機械デバイスによって時計方向に駆動される場合がある。代替的に、ナノ材料の移送のためにドラム（図示せず）が使用されて、移動表面を提供する場合がある。そのようなドラムも、電気モーター１４２などの機械デバイスによって駆動される場合がある。一態様では、電気モーター１４２は、張力及び速度が最適化され得るように、機械的駆動装置（図示せず）に関連して使用されるものと同様の制御システムの使用により制御される場合がある。
引き続き図１を参照すると、システム１０は、収集されたナノ材料上に圧縮力（即ち、圧力）を適用するための、ベルト１４に隣接して位置するローラー１５などの圧力アプリケータを含む。特に、ナノ材料がローラー１５に向かって移送されるときに、ベルト１４上のナノ材料は、ローラー１５の下でローラー１５に接触して移動するように強制される場合があり、それにより圧力が、交じり合ったナノ材料に適用されると共に、ナノ材料はベルト１４とローラー１５との間で圧縮され、密着し実質的に結合した平面状の不織布シート１６となる場合がある（図２参照）。ベルト１４上のナノ材料に対する圧力を高めるために、ベルト１４の後ろにプレート１４４を配置して、ローラー１５からの圧力が適用され得る硬い表面を提供する場合がある。ローラー１５の使用は、収集されたナノ材料が十分な量であり、十分な数の接触部位が存在するように十分交じり合って、不織布シート１６を生成するのに必要な結合強度を提供するならば、必要ではない場合があることに留意するべきである。
交じり合ったナノ材料の不織布シート１６をベルト１４から解放し、続いてハウジング５２から除去するために、小刀又はブレード１７が、その縁部をベルト１４の表面１４５に接触させた状態でローラー１５の下流に設けられる場合がある。この方法で、不織布シート１６がローラー１５を通過して下流に移動するときに、ブレード１７が不織布シート１６をベルト１４の表面１４５から上昇させるように機能する場合がある。
加えて、ブレード１７の下流にスプール又はローラー１８が設けられる場合があり、それにより解放された不織布シート１６は、続いてその上に導かれ、回収のためにローラー１８の周りに巻回される場合がある。一態様では、ローラー１８は、不織布シート１６中のナノ材料をその上に引き付けるために強磁性材料から作製される場合がある。もちろん、不織布シート１６をその後ハウジング５２から除去するために収集できる限り、他の機構を使用してもよい。ローラー１８は、ベルト１４のように、電気モーター１８１などの機械的駆動装置によって駆動される場合があり、それによりその回転軸は、不織布シート１６の移動方向に対して実質的に横断方向である場合がある。
ローラー１８の周りに券回される際の不織布シート１６のそれ自体への結合を最小限にするために、シート１６をローラー１８の周りに券回する前に、不織布シート１６の片面上に分離材料１９（図２参照）が適用される場合がある。本開示に関連して使用される分離材料１９は、連続ロール１９１で供給され得る様々な市販の金属シート又はポリマーの１つである場合がある。これを目的として、分離材料１９は、シート１６がローラー１８の周りに券回されるときに、不織布シート１６と共にローラー１８上に牽引される場合がある。分離材料１９を構成するポリマーは、それが不織布シート１６の片面に適用されることができる限り、シート、液体、又はいずれかの他の形態で提供されてもよいことに留意するべきである。さらに、不織布シート１６内の交じり合ったナノ材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの強磁性材料の触媒ナノ粒子を含む場合があるため、分離材料１９は、一態様
では、非磁性材料、例えば、導電又はその他である場合があり、それにより不織布シート１６が分離材料１９に強く接着することを防止する。
さらに、システム１０には制御システム（図示せず）が設けられる場合があり、それにより機械的駆動装置１４２及び１８１の回連速度は、それに従って調整される場合がある。一態様では、制御システムは、機械的駆動装置１４２及び１８１の各々に取り付けられた光学式エンコーダなどの位置センサからのデータを受信するように設計される場合がある。続いて、収集されたデータに基づいて、制御システムは制御アルゴリズムを使用して、各駆動装置に供給される電力を変更して、各駆動装置の速度を制御する場合があり、それによりそれらは実質的にベルト１４上でのナノチューブ収集速度と一致して、不織布シートがスプールの周りに巻回されるときに該シートの完全性を損なうことを回避する。加えて、制御システムは、ローラー１８の回転速度をベルト１４のそれと同期するように機能し得る。一態様では、不織布シート１６の張力を速度値に応じてリアルタイムでリセットすることができ、それによりベルト１４とローラー１８との間の張力は設定値内に保持され得る。
制御システムはまた、必要であれば、ローラー１８とベルト１４との間の速度を変更して、ローラー１８による不織布シート１６の取り込みを制御することができる。加えて、制御システムは、ローラー１８をその軸に沿って僅かに前後に調整するようにして、不織布シート１６がローラー１８上で均等に留まることを可能にすることができる。
所望の程度まで、静電場（図示せず）も、合成チャンバ１１から生成されたナノチューブをほぼベルト移動の方向に位置合わせするように使用される場合がある。静電場は、例えば、２つ以上の電極を合成チャンバ１１の出口端１１４の周りに週方向に配置し、電極に高電圧を印加することによって生成される場合がある。電圧は、約１０Ｖ～約１００ｋＶ、好ましくは約４ｋＶ～約６ＫＶで変化する場合がある。必要であれば、電極は、小さい石英又は他の適切な絶縁体などの絶縁体を用いて遮蔽される場合がある。電場の存在は、ナノチューブを電場を通して移動させて、実質的に静電場と位置合わせし、それにより移動ベルト１４上でのナノチューブの位置合わせを付与することができる。
ナノチューブの位置合わせはまた、化学的及び／又は物理的プロセスの使用を介して実施される場合がある。例えば、不織布ナノチューブを化学物質（１つ又は複数）で僅かに緩ませ、物理的に伸張して、ナノチューブを所望の方向に沿って位置合わせする場合がある。
代替的な態様では、図２Ａを参照すると、ナノ材料を収集するための変更されたハウジングを使用する場合がある。図２Ａの変更されたハウジング５２は、そこを通ってナノ材料がシステム１０の合成チャンバ１１から入る入口１３と、そこを通って不織布シート１６がハウジング５２から除去される場合がある出口１３１とを含む場合がある。一態様では、ハウジング５２は、潜在的に有害な空中浮遊微粒子の、合成チャンバ１１内から環境への放出を最小限にし、また酸素がシステム１０内に入り、合成チャンバ１１に到達することを防止するように、実質的に気密であるように設計される場合がある。特に、合成チャンバ１１内の酸素の存在は、完全性に影響を与え、ナノチューブの生産を損なう可能性がある。
図２Ａのハウジング５２はさらに、ベルト１４などの移動表面を有するアセンブリー１４５を含む場合がある。図示するように、ベルト１４は、合成チャンバ１１からハウジング５２へ退出するナノ材料、即ちナノチューブを収集及び移送するために、入口１３に隣接して位置する場合がある。図２Ａに示す態様では、ベルト１４、及び従ってアセンブリー１４５は、入口１３を通してハウジング５２に入るナノ材料を運ぶ気体の流れと実質的
に平行に位置する場合があり、それによってナノ材料をベルト１４上に堆積させる。一態様では、ベルト１４は、ナノ材料をベルト１４上に引き付けることができる磁気材料などの材料を含んで作製される場合がある。この材料は、ナノチューブが生成される触媒に応じて変化し得る。例えば、ナノ材料が鉄触媒の粒子を使用して生成される場合、磁気材料は強磁性材料である場合がある。
ナノ材料をハウジング５２の入口１３から離れるように運ぶために、ベルト１４は、従来のコンベアベルトと同様の、実質的に連続するループとして設計される場合がある。そのために、ベルト１４は、一態様では、対向する回転要素１４１の周りに輪状につながれる場合があり、例えば位置１４２に位置するモーターによって駆動される回転歯車装置１４３などの機械デバイスによって駆動される場合がある。加えて、ベルト１４は、入口１３の前方において、入口１３を通したナノ材料の流れを実質的に横断する方向に、ハウジング５２の片側からハウジング５２の反対側に移動する能力が提供される場合がある。ベルト１４にこの能力を提供することによって、比較的幅広い、即ちハウジング５２内へのナノ材料の流れと比較して幅広い不織布シート１６が、ベルト１４上に生成される場合がある。ベルト１４が左右に移動することを可能にするために、移動歯車装置１４４が提供されて、ローラー１４１及びベルト１４がその上に配置される場合があるアセンブリー１４５を移動する場合がある
ベルト１４上に十分なナノ材料が堆積されて、適切な厚さを有する不織布シート１６が提供されたら、不織布シート１６を図２Ａのハウジング５２から除去することができる。不織布シート１６を除去するために、システム１０を停止し、不織布シート１６をベルト１４から手動で抜き取り、出口１３１を通してハウジング５２から除去する場合がある。抜き取りの容易さを可能にするために、様々な歯車を含むアセンブリー１４５を、摺動機構、例えば摺動アーム１４６上に搭置する場合があり、それによりアセンブリー１４５は、出口１３１を通してハウジング５２から引き出される場合がある。不織布シート１６が抜き取られたら、アセンブリー１４５を摺動アーム１４６上でハウジング５２内に押し戻す場合がある。次いで、出口１３１を閉鎖して、次の実行のためにハウジングに実質的に気密の環境を提供する場合がある。
一態様によれば、炭素ナノ材料の不織布シートは、図１、２及び２Ａに示すシステム１０を使用してＣＶＤプロセスによって作製される場合があり、以下の特性：（ｉ）約２～２０ｎｍ又は約６～１５ｎｍ又は約７～１０ｎｍの直径、（ｉｉ）約１～１０ｍｍ又は約２～８ｍｍ又は約３～６ｍｍの長さ、（ｉｉｉ）約０．７～９ｇ／ｃｍ３又は約０．８～７ｇ／ｃｍ３又は約０．９～５ｇ／ｃｍ３の密度、（ｉｖ）少なくとも約２５０，０００、又は少なくとも約５００，０００又は少なくとも約７５０，０００又は少なくとも約１，０００，０００のアスペクト比、及び（ｖ）表面積約１００～３００ｍ２／ｇ又は約１５０～２５０ｍ２／ｇ又は約１７５～２００ｍ２／ｇ、のうちの１つ以上を有するとして特徴付けられる。ナノチューブは気相中で作製され、上記のように移動ベルト上に堆積される。不織布シートを上記の密度に構築するために、複数の層が必要な場合がある。そのような不織布シートの例は、図３に品目３０として示されている。
不織布シート３０は、単層（ＳＷＮＴ）又は多層（ＭＷＮＴ）カーボンナノチューブのいずれかから作製され、導電性である場合がある。従って、不織布シート３０は、不織布シートと電気的に連通する電気エネルギーによって急速に加熱される場合がある。システム１０から製造される不織布シート３０はまた、カーボンナノチューブが実質的に純粋な場合があり、接着剤が実質的に存在せずに、その形状を維持することができる。不織布シート３０がその形状を維持する能力は、ナノチューブをベルト１４とローラー１５との間で圧縮して密着しかつ実質的に結合した平面状の不織布シートとするために、ローラー１５（上記参照）によって交じり合ったカーボンナノチューブに適用される圧力に由来する
場合がある。その純度に関しては、実質的に純粋なカーボンナノチューブを有する不織布シートを製造することができるが、ＣＶＤプロセスから作製された、カーボンナノチューブ中に残留触媒を有する不織布シートも使用できることに留意するべきである。典型的には、そのような不織布シート中の残留触媒（即ち、金属触媒）は、約２原子パーセント未満であり得る。残留触媒を有する不織布シートの使用は、全体的な処理コストを低下させる場合がある。
その熱伝導特性により、不織布シート３０はまた、シート３０の面内で熱伝導性であるが、この面に実質的に垂直な方向には熱伝導性ではないことによって、熱保護も提供することができる。さらに、カーボンナノチューブは実質的に高温酸化に耐性である場合があるため、カーボンナノチューブから作製された不織布シート３０は、一般に、約５００℃までの温度に耐える（即ち、燃焼しない）ことができる。
電気供給源（例えば、バッテリー太陽電池又は発電機）は、いずれかの適切な様式で、本開示の不織布シートに接続される場合がある。一態様では、入力部、例えば１つ以上の導線が、例えば圧着によって機械的に接続される場合がある。別の態様では、導電性材料、例えば銀インクを不織布上に堆積させて、適切な入力部又は導線を提供する場合がある。さらに別の態様では、ガラス状炭素前駆体を不織布シートと金属導線又は他の適切な入力部の間に適用して、不織布シートのナノチューブと金属導線又は他の適切な入力部との間の導電性を向上させる場合がある。
ここで図４を参照すると、本開示によるカーボンナノチューブの１つ以上の織布又は不織布シート５１を含む、空気フィルターなどのフィルター４０が示されている。フィルターは、一般に、入口と出口との間の流路を画定するハウジングを含み、カーボンナノチューブの織布又は不織布シート５１は流路の横断方向に配置されて、１つ以上の汚染物質を含む気体媒体が織布又は不織布シートを通して流れ、カーボンナノチューブ中に流れるようにして、そのような汚染物質を吸着する。
従って、フィルター４０は、入口壁４４によって一端が閉鎖され、出口壁４６によって反対側の端が閉鎖された、管状本体などの本体４２を有するハウジング４１を含むであろう。入口壁４４は１つ以上の入口ポート４５を有し、一方、出口壁４６は１つ以上の出口ポート４７を有する。
１つ以上の環状キャビティ又はチャンバ４８が、入口壁４４と出口壁４６との間で、管状本体４２の内面に沿って同軸に配置されている。示される態様では、１つの環状チャンバ４８が入口壁４４と出口壁４６との間に画定されている。２つ以上の環状チャンバ４８が存在する態様では、径方向に延びる仕切り壁（ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｗａｌｌ）（図示せず）が、入口ポート４５の流れ軸１００の方向において軸方向に離間してもよい。流れ軸１００は、フィルター４０全体の長手方向軸と平行に置かれることが明らかであろう。
各チャンバ４８は、カーボンナノチューブ５１の少なくとも１つの織布又は不織布シートを含む場合があり、該シートは、入口壁４４及び出口壁４６、並びに各チャンバ４８を画定する管状本体４２の内面４２ａにより包囲され、また支持される場合がある。微細な多孔質部材５２、５４は、入口壁４４及び出口壁４６内に又はそれらに隣接して提供されて、織布又は不織布シート５１がハウジング４１から離れないことを確実にする場合がある。いくつかの態様では、微細な多孔質部材は、微細な粉塵を収集するように構成された微粒子フィルターである場合がある。織布又は不織布シート５１は、気体媒体が織布又は不織布シート５１を通過する限り、例えば、平坦又は平面状構成（即ち、第１及び第２の寸法が第３の寸法よりも実質的に大きい、例えば少なくとも１０００倍である）又は襞状（フィン）構成（図４Ａ参照）であるがこれらに限定されない、いずれかの所望の構成で
チャンバ４８内に配置されてもよい。従って、汚染された気体媒体は入口４５に入り、その上に少なくとも１つの汚染物質が吸着される織布又は不織布シート５１を通過した後、低下した濃度の少なくとも１つの汚染物質を有する気体媒体として出口４７を退出する。
一態様では、カーボンナノチューブの織布又は不織布シートは、赤外線エネルギーを放射するように構成され、電源からエネルギーを受容するための入力部５８を含む。従って、電源は入力部５８を介してカーボンナノチューブ５１の織布又は不織布シートと電気的に連通する。電気エネルギーは、電源によって織布又は不織布シート５１に断続的に又はプログラムされた間隔で供給される場合がある。織布又は不織布シート５１を通過する電流は、その上に吸着された汚染物質の温度を急速に上昇させ、続いて織布又は不織布シートからの汚染物質の脱着又は分解をもたらし、そこを通して流れる気体媒体に戻すであろう。従って、フィルター４０は、最小限の電力を使用して定位置で迅速かつ効率的に再生される場合がある。
特定の一態様によれば、本開示のカーボンナノチューブの織布又は不織布シートは、車両の加熱、換気及び空調（ＨＶＡＣ）システム用のキャビン空気フィルターに利用される場合がある。図５を参照すると、車両６０が示されている。車両６０は、自転車（例えば、ガソリン、電気又はハイブリッド用）である場合があるが、車両のタイプはそれに限定されない。車両６０は、前端部６１を含む。ＨＶＡＣシステム６２が車両６０内に配置され、車両６０の内部空間６３に加熱、換気及び空調を提供する。内部空間６３は、典型的には、１人以上の乗員を受容するように構成されている。
ＨＶＡＣシステム６２は、図６により詳細に示されている。ＨＶＡＣシステム６２は流路７１を含み、流路７１に沿って空気が流れる。空気は流路７１に沿って入口７２から出口７３に通過する。入口７２は、車両６０の周囲の外部雰囲気に開放され、出口７３は内部空間６３に通気する。しかしながら、代替的な配置も可能である。気流手段として機能するファン７４が、流路７１に沿って配置されている。ファン７４は空気を流路７１に沿って移動するように機能する。本態様では、ファン７４は入口７２に近接している。一態様では、ＨＶＡＣシステム６２は、入口７２及び出口７３が内部空間６３に開放する再循環構成、並びに入口７２及び／又は出口７３が車両の周囲の外部雰囲気に開放する通常の構成を有する。
蒸発器７５も流路７１内に配置される場合がある。蒸発器７５は、流路７１に沿って流れる空気が出口７３を通って流れる前に、蒸発器７５を通して流れるように配置される。いくつかの態様では、蒸発器７５は省略される場合がある。
ＨＶＡＣシステム６２は、吸着フィルター装置８０を含む。吸着フィルター装置８０は、流路７１に沿って配置されている。ダクト８１は、吸着フィルター装置８０において流路７１の部分を画定する。吸着フィルター装置８０は、ＨＶＡＣシステム６２を通して流れる空気から少なくとも１つの汚染物質を除去するように構成されている。
吸着フィルター装置８０は、蒸発器７５の上流に配置されている。空気が入口７２から出口７３に流れるため、上流は、別の特徴に対して気流の入口側として規定され、下流は、別の特徴に対して気流の出口側として規定される。吸着フィルター装置８０は、蒸発器７５と離間される場合がある。
図６及び７を参照すると、吸着フィルター装置８０は、フィルターモジュール９０と、電源１０１と電気的に連通するように構成された入力部１００とを含む。フィルターモジュール９０は、吸着フィルター９１及び微粒子フィルター９２を有する。吸着フィルター９１及び微粒子フィルター９２は、流路７１内に直列に配置されている。微粒子フィルタ
ー９２は、吸着フィルター９１の上流に配置されている。本態様では、微粒子フィルター９２は吸着フィルター９１に当接する。微粒子フィルター９２は省略される場合があり、又は流路７１に沿って別の位置に配置される場合がある。
フィルターモジュール９０はまた、支持体９３を含む場合があるが、いくつかの態様では、支持体９３は省略される場合がある。支持体９３は、吸着フィルター９１及び微粒子フィルター９２に安定性を提供するように構成されている。一態様では、微粒子フィルター９２及び支持体９３は、一体的に形成される。吸着フィルター９１は、吸着フィルター層である場合がある。微粒子フィルター９２は、微粒子フィルター層である場合がある。支持体５３は、支持体層である場合がある。フィルターモジュール９０は、そのような構成では、組み合わされたキャビン空気フィルターである。一態様では、フィルターモジュール９０（即ち、微粒子フィルター９２及び吸着フィルター９１）は、襞状構成を有する。
微粒子フィルター９２は、気流中で運ばれる粉塵などの微細な微粒子を濾過するように構成されている。微粒子フィルター９２は、流路７１を横切って延びる。即ち、微粒子フィルター９２は、流路７１に沿って流れる全ての空気が微粒子フィルター９２を通って流れるように構成されている。微粒子フィルター９２は、不織布構成の繊維を含む。繊維は、一態様では、例えばガラス繊維である場合がある。微粒子フィルター９２は、異なるサイズの微粒子を濾過するように、粗さの異なるフィルター部分を含む場合がある。
吸着フィルター９１は、気流中の気体汚染物質を吸着するように構成されている。吸着フィルター９１は、流路７１を横切って延びる。即ち、吸着フィルター９１は、流路７１に沿って流れる全ての空気が吸着フィルター９１を通って流れるように構成されている。吸着フィルター９１は、ダクト８１に囲まれている。吸着フィルター９１は、本開示によるカーボンナノチューブの少なくとも１つの織布又は不織布シート５４を含む。カーボンナノチューブの織布又は不織布シートは、空気中の少なくとも１つの気体汚染物質を吸着し、それにより気体汚染物質は吸着フィルター９１により保持される。吸着フィルター９１は、上流側９５及び下流側９６を有する。空気は、上流側９５を通って吸着フィルター９１に流入し、吸着フィルター９１から下流側９６を通って流れる。従って、汚染された空気は、上流側９５を通って吸着フィルター９１に流入し、その上に少なくとも１つの汚染物質が吸着されるカーボンナノチューブの織布又は不織布シート９４を通過し、次いで、低下した濃度の少なくとも１つの汚染物質を有する空気として、下流側９６を通って退出するであろう。下流側９６を離れる空気は、車両６０内に再循環され、又は車両６０の周囲の外部雰囲気へと通過する場合がある。
従って、作動中、空気はファン７４によって流路７１に沿って引き込まれる。ファン７４から下流では、空気がダクト８１に沿って流れ、吸着フィルター９１の上流側７５に入る。吸着フィルター９１中へ通過する気体汚染物質は、カーボンナノチューブ９４の織布又は不織布シートによって連続的に吸着され、及び従ってフィルター９１中に保持される。このようにして、吸着された汚染物質は、吸着フィルター９１の下流側７６から流れることを防止される。
吸着フィルター９１の再生は、電源をオンにして、カーボンナノチューブ９４の不織布シートにより吸着された汚染物質を少なくとも約２００℃又は少なくとも約２５０℃又は少なくとも約３００℃の温度まで抵抗加熱し、それにより気体汚染物質をカーボンナノチューブマトリクスから追い出すことを含む。気流が吸着フィルター９１の上流側から下流側に通過するとき、汚染物質は空気に移動し、従って車両６０の周囲の外部大気へと通過するであろう。次いで、電源１０１をオフにし、次の再生時まで汚染物質を吸着フィルター１９に吸着させる。
電源１０１は、断続的に又はプログラムされた間隔で使用される場合があり、吸着フィルター９１が吸着された汚染物で飽和しないように、又は吸着容量に到達し若しくは吸着容量を超えないように、吸着フィルター９１を浄化するように作動可能であることが理解されるであろう。これは、電気車両に特に適切な場合がある。そのような態様では、車両が充電中であり、従ってエネルギーが利用可能なときに、吸着フィルター装置９１に電流を通すことによって脱着サイクルが始動して、吸着フィルター装置９１上に吸着された気体汚染物質を脱着し、気体汚染物質を外部雰囲気に排出することができる。このような態様の利点は、メンテナンスの減少、及び活性炭を含む先端技術の使い捨て吸着フィルターからの廃棄物の排除を含む場合がある。
本発明の様々な態様の作製及び使用を上記に詳細に記載したが、本発明は、非常に様々な特定の状況に具現化できる、多くの適用可能な発明の概念を提供することを理解するべきである。本明細書に論じた特定の態様は、本発明の作製及び使用の特定の方法の単なる例示であり、本発明の範囲を定めるものではない。

Claims (5)

  1. 以下の特性：（ｉ）約２～２０ｎｍの直径、（ｉｉ）約１～１０ｍｍの長さ、（ｉｉｉ）約０．７～１．９ｇ／ｃｍ３の密度、（ｉｖ）少なくとも約２５０，０００のアスペクト比、（ｖ）約１．８～７％の破損歪み、及び（ｖｉ）約１００～３００ｍ２／ｇの表面積、のうちの２つ以上を有するとして特徴付けられる、絡み合ったカーボンナノチューブの織布又は不織布シートを含む、液体又は気体媒体から汚染物質を除去するためのフィルターであって、織布又は不織布シートはさらに、電源からの電気エネルギーを受容するように構成された入力部を含む、フィルター。
  2. 液体又は気体媒体を請求項１に記載のフィルターと接触させることによって、１つ以上の汚染物質を含む液体又は気体媒体を精製する方法であって、不織布シートと接触する液体又は気体媒体中の少なくとも１つの汚染物質の濃度を低下させるのに十分な量で、カーボンナノチューブが不織布シート中に存在する、方法。
  3. 入口、出口、入口と出口の間に配置されたキャビティ、及び、キャビティ内に配置された以下の特性：（ｉ）約２～２０ｎｍの直径、（ｉｉ）約１～１０ｍｍの長さ、（ｉｉｉ）約０．７～１．９ｇ／ｃｍ３の密度、（ｉｖ）少なくとも約２５０，０００のアスペクト比、（ｖ）約１．８～７％の破損歪み、及び（ｖｉ）約１００～３００ｍ２／ｇの表面積、のうちの２つ以上を有するとして特徴付けられる絡み合ったカーボンナノチューブの織布又は不織布シートを有するハウジングを含み、織布又は不織布シートはさらに、電源からの電気エネルギーを受容するように構成された入力部を含む、キャビン空気フィルター。
  4. 不織布シートが、襞状構成でキャビティ内に配置される、請求項３に記載のキャビン空気フィルター。
  5. さらに、キャビティ内に配置された微粒子フィルターを含む、請求項４に記載のキャビン空気フィルター。
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